Esittely

Endoplasmiseen retikulumiin liittyvä hajoaminen (ERAD, Endoplasmic reticulum-associated degradation) on prosessi, joka viittaa endoplasmiseen retikulumiin (ER, endoplasmic reticulum) lokalisoituneiden valkuaisaineiden tunnistamiseen ja niiden tuhouttamiseen sytosolissa. Yksi ERAD:n kriittisimmistä tehtävistä on auttaa erittävään reittiin joutuvien väärinmuodostuneiden proteiinien valikoivassa hajoamisessa. Jos näitä väärinmuodostuneita proteiineja ei poisteta, ne voivat kerääntyä ER:ään ja rajoittaa sen laskostuskapasiteettia sitomalla ER:n chaperoneja tai aggregoitumalla. Väärinmuodostuneiden proteiinien kertyminen ER:ään voi lisäksi laukaista solun stressivasteen, joka voi johtaa apoptoosiin, jos sitä ei lievitetä (Fribley et al., 2009). Näin ollen ERAD:n tarkoin hallittu proteiinien solunsisäinen tuhoaminen auttaa estämään poikkeavasti taittuneisiin erittyviin proteiineihin liittyvää toksisuutta ja niiden mahdollisia haitallisia vaikutuksia solun homeostaasiin.

Monet ihmissairaudet liittyvät ERAD-reittiin. Jotkut näistä sairauksista johtuvat mutaatioista erittävissä proteiineissa, jotka johtavat proteiinien väärään taittumiseen ja jotka tekevät niistä ERAD-substraatteja. Yksi tähän luokkaan kuuluva sairaus on Gaucherin tauti, joka on lysosomaalinen varastointihäiriö (Ron ja Horowitz, 2005; Futerman ja van Meer, 2004). Muissa tapauksissa ERAD-koneisto voi olla liian tehokas ja eliminoida ennenaikaisesti proteiineja, jotka lopulta pystyisivät taittumaan. Esimerkiksi kystisen fibroosin transmembraanisen konduktanssin säätelijän (CFTR) hitaasti taittuva ∆F508-variantti hajoaa ennenaikaisesti ERADin avulla, mikä johtaa kystiseen fibroosiin (Jensen ym., 1995; Ward ym., 1995). Muut ihmisen sairaudet liittyvät mutaatioihin ERADissa tai itse laadunvalvontakoneistossa. Esimerkiksi mutaatiot, jotka vaikuttavat N-sidoksiseen glykosylaatioon (ER:n posttranslationaalinen modifikaatio, joka liittyy laadunvalvontaan ja ERAD:iin), voivat aiheuttaa monenlaisia oireita, kuten dysmorfiaa, enkefalopatiaa ja elinten toimintahäiriöitä (Imbach ym., 1999; Freeze ym., 2014). Yhdessä yhä useammat ihmisen sairaudet, kuten neurologiset, hengitystie-, sydän- ja verisuonisairaudet sekä maksasairaudet ja monet muut sairaudet (Guerriero ja Brodsky, 2012; Jucker ja Walker, 2013), liittyvät ERADiin ja proteiinien laadunvalvontaan sekretorisessa reitissä.

Sekretorisen reitin toimintaa selvitettiin 1970-luvulla ja 1980-luvun alussa. Tämä reitti voidaan karkeasti hahmotella sisääntuloportiksi (ER), välikappaleiksi (Golgin kompleksi ja vesikkelit) ja ulostuloportiksi (plasmakalvo tai solunulkoinen tila). Kuten jäljempänä käsitellään, erittyvät organellit ja vesikulaariset välituotteet eivät kuitenkaan pelkästään tarjoa proteiineille reittiä ulos solusta tai niiden sulautumista organellien tai plasmakalvon lipidikaksoiskerroksiin. Sen sijaan näillä lokeroilla on kriittinen rooli sekretoristen proteiinien valmistelussa vientiä varten ja niiden laadunvalvonnassa. Tätä aihetta koskeva tutkimus alkoi Paladen uraauurtavasta radioisotooppien käytöstä reitin hahmottamiseksi (Palade, 1975), Blobelin innovatiivisesta soluvapaan järjestelmän kehittämisestä ensimmäisten erittymissignaalien ja -reseptorien paljastamiseksi (Blobel ja Dobberstein, 1975) ja Schekmanin tyylikkäästä hiivagenetiikan soveltamisesta erittymisreitin osatekijöiden karakterisoimiseksi (Novick ym., 1980). 1980-luvun puoliväliin mennessä monet tutkimusryhmät keskittyivät selvittämään, miten tietyt komponentit välittävät proteiinien valikoivaa tai ei-valikoivaa kulkeutumista ER:n läpi (Pelham, 1989; Pfeffer ja Rothman, 1987; McCracken ja Kruse, 1989). Yhä useammat todisteet viittasivat siihen, että mutatoituneet, lääketieteellisesti tärkeät proteiinit kerääntyivät ER:ään (Hurtley ja Helenius, 1989; McCracken ym., 1989) ja että mutatoituneet proteiinit, jotka normaalisti kulkevat ER:n läpi, ilmeisesti kääntyivät (Cheng ym., 1990; Needham ja Brodsky, 2013). Pian kävi selväksi, että mutatoituneet ER-proteiinit hajoavat (McCracken ja Kruse, 1993; Finger ym., 1993; Hampton ja Rine, 1994; Klausner ja Sitia, 1990). Koska lysosomaaliset/vacuolaariset entsyymit eivät olleet välttämättömiä tässä tapahtumassa, oli houkuttelevaa olettaa, että hajoaminen tapahtui ER:n sisällä. Proteolyyttisestä laadunvalvontajärjestelmästä, joka sijaitsisi ER:ssä, ei kuitenkaan ollut todisteita. Proteaasin luonteeseen liittyvän epävarmuuden vuoksi nimesimme tämän prosessin ER-assosioituneeksi hajoamiseksi eli ERAD:ksi (McCracken ja Brodsky, 1996).

Hiivagenetiikan ja nisäkässolujen solusysteemien avulla sekä käyttämällä sekä in vivo- että in vitro -työkaluja saatiin vakuuttavia todisteita siitä, että sytosolinen proteasomi tuottaa ERAD:n proteolyyttisen aktiivisuuden (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 ja Jentsch, 1993). Tämä löytö tuli täytenä yllätyksenä. Vaikka ER:ssä olevat integraaliset kalvoproteiinit saattoivat päästä käsiksi sytosoliseen proteaasiin, oli odottamatonta, että myös liukoiset erittyvät proteiinit voisivat hajota proteasomin avulla. Ratkaisu tähän ongelmaan oli se, että liukoiset proteiinit tunnistettiin ER:ssä ja palautettiin sitten sytosoliin niin sanotun retrotranslokaation tai dislokaation kautta. Seuraavina vuosina on pyritty ymmärtämään, miten erilaiset ERAD-substraatit valikoituvat, retrotranslokoituvat ja kohdistuvat proteasomiin.

Loppujen lopuksi kävi ilmi, että ERAD edustaa ”epätavanomaista reittiä” (retrotranslokaatio ER:stä) ”tuttuun kohtaloon” (vääristyneiden proteiinien hajottaminen sytosoliproteasomissa) (Werner ym., 1996; Hiller ym., 1996). Koska ERAD-reitin vioilla oli synteettisiä, negatiivisia vaikutuksia, kun ER-stressivasteen reittejä kytkettiin pois päältä (Travers ym., 2000), kävi myös selväksi, että ERAD on toinen kahdesta kriittisestä komponentista, jotka ylläpitävät ER:n homeostaasiaa, toinen on taitamattomien proteiinien vaste (unfolded protein response, UPR) (Walter ja Ron, 2011). Yhdessä ERAD ja UPR minimoivat proteiinien vääränlaisen taittumisen mahdollisesti haitalliset vaikutukset erittymisreitillä. ERAD-reitti ja ERAD:n kaltaiset mekanismit säätelevät kuitenkin myös villityyppisten, toimivien proteiinien stabiilisuutta (ja siten aktiivisuutta) eritysreitillä (Chen ym., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013), ja patogeenit voivat myös kaapata ne (Noack ym., 2014).

Tässä artikkelissa tarjoamme yleiskatsauksen prosesseista, jotka muokkaavat erittyviä proteiineja niiden kulkiessa varhaista erittymisreittiä. Tämän matkan aikana sekretoriset proteiinit näyttävät signaaleja, joita lukuisat sitoutumiskumppanit skannaavat. Nämä signaalit eivät sanele ainoastaan sitä, tuleeko proteiini ER:ään, vaan myös sitä, pitäisikö sitä muunnella posttranslationaalisesti ja kuljettaa myöhempiin lokeroihin eritysreitillä vai pitäisikö se sen sijaan hajottaa. Tämän ”laadunvalvontakoodin” tulkitseminen on kriittinen tehtävä, jonka ER-proteiinien laadunvalvontamekanismit ja ERAD hoitavat tunnollisesti. On huomattava, että suurin osa erittymisreitin toimintaa ja laadunvalvontamekanismeja koskevista tiedoista on saatu käyttämällä sekä hiivaa Saccharomyces cerevisiae että nisäkässoluja. Kuten odotettua, nisäkässysteemi on monimutkaisempi, ja näin ollen kuhunkin prosessiin osallistuu enemmän entsyymejä ja chaperoneja, ja ERAD-L-, ERAD-C- ja ERAD-M-prosessit, jotka määriteltiin hiivassa, ovat heikosti määriteltyjä nisäkässoluissa. Yleiset prosessit ovat kuitenkin hyvin konservoituneita, ja näihin prosesseihin osallistuvien tärkeimpien geenien ortologit löytyvät molemmista organismeista. Tässä keskustelemme molemmista järjestelmistä, ilmoitamme ortologien nimet, jos ne ovat saatavilla, ja tuomme esiin molempien mallien väliset erot, jos ne ovat merkityksellisiä.