Einführung
Endoplasmatischer Retikulums-assoziierter Abbau (ERAD) ist der Prozess, der sich auf die Identifizierung von Proteinen, die im endoplasmatischen Retikulum (ER) lokalisiert sind, und deren zytosolische Zerstörung bezieht. Eine der wichtigsten Aufgaben von ERAD ist die Unterstützung des selektiven Abbaus von fehlgefalteten Proteinen, die in den sekretorischen Weg gelangen. Wenn diese fehlgefalteten Proteine nicht beseitigt werden, können sie sich im ER ansammeln und dessen Faltungsfähigkeit durch Sequestrierung von ER-Chaperonen oder durch Aggregation einschränken. Darüber hinaus kann die Anhäufung fehlgefalteter Proteine im ER eine zelluläre Stressreaktion auslösen, die, wenn sie nicht gemildert wird, zur Apoptose führen kann (Fribley et al., 2009). Somit trägt die sorgfältig kontrollierte intrazelluläre Zerstörung von Proteinen durch ERAD dazu bei, die mit fehlgefalteten sekretorischen Proteinen verbundene Toxizität und ihre potenziell schädlichen Auswirkungen auf die zelluläre Homöostase zu verhindern.
Viele menschliche Krankheiten sind mit dem ERAD-Signalweg verbunden. Einige dieser Krankheiten sind auf Mutationen in sekretorischen Proteinen zurückzuführen, die zu einer Fehlfaltung der Proteine führen und sie zu ERAD-Substraten machen. Eine Krankheit dieser Klasse ist die Gaucher-Krankheit, eine lysosomale Speicherkrankheit (Ron und Horowitz, 2005; Futerman und van Meer, 2004). In anderen Fällen kann die ERAD-Maschinerie zu effizient sein und Proteine, die sich eigentlich falten könnten, vorzeitig eliminieren. So wird beispielsweise die langsam faltende ∆F508-Variante des zystischen Fibrose-Transmembranleitfähigkeitsregulators (CFTR) durch ERAD vorzeitig abgebaut, was zu zystischer Fibrose führt (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Andere menschliche Krankheiten werden mit Mutationen im ERAD oder in der Qualitätskontrollmaschinerie selbst in Verbindung gebracht. Beispielsweise können Mutationen, die die N-gebundene Glykosylierung (eine posttranslationale Modifikation des ER, die mit der Qualitätskontrolle und dem ERAD verbunden ist) beeinträchtigen, eine Vielzahl von Symptomen verursachen, darunter Dysmorphie, Enzephalopathie und Organstörungen (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Eine wachsende Zahl menschlicher Erkrankungen, darunter neurologische, respiratorische, kardiovaskuläre und Lebererkrankungen und viele andere (Guerriero und Brodsky, 2012; Jucker und Walker, 2013), werden mit ERAD und der Proteinqualitätskontrolle im sekretorischen Weg in Verbindung gebracht.
Die Funktion des sekretorischen Weges wurde in den 1970er und frühen 1980er Jahren aufgeklärt. Dieser Weg lässt sich grob als Eintrittspforte (das ER), Zwischeneinheiten (der Golgi-Komplex und Vesikel) und eine Austrittspforte (die Plasmamembran oder der extrazelluläre Raum) skizzieren. Wie wir weiter unten erörtern, bieten die sekretorischen Organellen und vesikulären Zwischenstufen jedoch nicht nur einen Weg für Proteine aus der Zelle heraus oder zur Einbettung in Lipiddoppelschichten in den Organellen oder der Plasmamembran. Vielmehr spielen diese Kompartimente eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung sekretorischer Proteine für den Export und bei deren Qualitätskontrolle. Die Forschungen zu diesem Thema begannen mit Palades bahnbrechendem Einsatz von Radioisotopen zur Beschreibung des Sekretionsweges (Palade, 1975), Blobels innovativer Entwicklung eines zellfreien Systems zur Aufdeckung der ersten Sekretionssignale und -rezeptoren (Blobel und Dobberstein, 1975) und Schekmans eleganter Anwendung der Hefegenetik zur Charakterisierung der Komponenten des Sekretionsweges (Novick et al., 1980). Mitte der 1980er Jahre konzentrierten sich viele Forschungsgruppen auf die Frage, wie spezifische Komponenten den selektiven oder nicht-selektiven Transport von Proteinen durch das ER vermitteln (Pelham, 1989; Pfeffer und Rothman, 1987; McCracken und Kruse, 1989). Es gab immer mehr Hinweise darauf, dass sich mutierte Proteine von medizinischer Bedeutung im ER anreichern (Hurtley und Helenius, 1989; McCracken et al., 1989) und dass mutierte Proteine, die normalerweise das ER passieren, offenbar umgelenkt werden (Cheng et al., 1990; Needham und Brodsky, 2013). Es wurde bald klar, dass mutierte ER-Proteine abgebaut werden (McCracken und Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton und Rine, 1994; Klausner und Sitia, 1990). Da lysosomale/vakuoläre Enzyme für diesen Vorgang entbehrlich waren, lag die Vermutung nahe, dass der Abbau innerhalb des ER stattfand. Es gab jedoch keine Hinweise auf ein proteolytisches Qualitätskontrollsystem innerhalb des ER. Aufgrund der Ungewissheit über die Art der Protease nannten wir diesen Prozess ER-assoziierte Degradation oder ERAD (McCracken und Brodsky, 1996).
Durch die Verwendung von Hefegenetik und Säugetierzellsystemen und durch den Einsatz von in vivo und in vitro Werkzeugen ergaben sich zwingende Beweise, dass das zytosolische Proteasom die proteolytische Aktivität für ERAD bereitstellt (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996; McCracken et al., 1996; Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995; Wiertz et al., 1996a; Sommer und Jentsch, 1993). Diese Entdeckung kam völlig überraschend. Obwohl integrale Membranproteine im ER Zugang zu einer zytosolischen Protease haben, war es unerwartet, dass auch lösliche sekretierte Proteine durch das Proteasom abgebaut werden können. Die Lösung für dieses Problem bestand darin, dass lösliche Proteine im ER erkannt und dann durch einen Vorgang, der als „Retranslokation“ oder „Dislokation“ bezeichnet wird, in das Zytosol zurückgeführt werden. In den darauffolgenden Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wie verschiedene ERAD-Substrate ausgewählt, retro-transloziert und dem Proteasom zugeführt werden.
Schließlich wurde deutlich, dass ERAD einen „unkonventionellen Weg“ (Retrotranslokation aus dem ER) zu einem „vertrauten Schicksal“ (Abbau von falsch gefalteten Proteinen durch das zytosolische Proteasom) darstellt (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Da Defekte im ERAD-Stoffwechselweg synthetische, negative Auswirkungen zeigten, wenn ER-Stressreaktionswege deaktiviert waren (Travers et al., 2000), wurde auch klar, dass ERAD eine der beiden kritischen Komponenten ist, die die ER-Homöostase aufrechterhalten, die andere ist die Reaktion auf ungefaltete Proteine (UPR) (Walter und Ron, 2011). Gemeinsam minimieren ERAD und die UPR die potenziell schädlichen Auswirkungen der Proteinfehlfaltung im sekretorischen Weg. Dennoch regulieren der ERAD-Weg und ERAD-ähnliche Mechanismen auch die Stabilität (und damit die Aktivität) von funktionellen Wildtyp-Proteinen im sekretorischen Weg (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) und können auch von Krankheitserregern gekapert werden (Noack et al., 2014).
In diesem Artikel geben wir einen Überblick über die Prozesse, die ein sekretorisches Protein auf seinem Weg durch den frühen sekretorischen Weg formen. Während dieser Reise zeigen sekretorische Proteine Signale, die von zahlreichen Bindungspartnern abgetastet werden. Diese Signale bestimmen nicht nur, ob ein Protein in das ER gelangt, sondern auch, ob es posttranslational modifiziert und zu späteren Kompartimenten des sekretorischen Weges transportiert oder stattdessen abgebaut wird. Die Entschlüsselung dieses „Qualitätskontrollcodes“ ist eine wichtige Aufgabe, die von den Qualitätskontrollmechanismen für ER-Proteine und ERAD pflichtbewusst erfüllt wird. Es ist anzumerken, dass die meisten Informationen über die Funktion des sekretorischen Weges und der Qualitätskontrollmechanismen durch die Verwendung sowohl der Hefe Saccharomyces cerevisiae als auch von Säugetierzellen gewonnen wurden. Erwartungsgemäß ist das Säugetiersystem komplexer, so dass mehr Enzyme und Chaperone an den einzelnen Prozessen beteiligt sind, und die ERAD-L-, ERAD-C- und ERAD-M-Prozesse, die in Hefe definiert wurden, sind in Säugetierzellen nur unzureichend definiert. Die allgemeinen Prozesse sind jedoch hoch konserviert, und Orthologe der wichtigsten Gene, die an diesen Prozessen beteiligt sind, finden sich in beiden Organismen. Im Folgenden werden beide Systeme erörtert, die Namen der Orthologe angegeben, sofern verfügbar, und die Unterschiede zwischen den beiden Modellen aufgezeigt, sofern sie relevant sind.