Bevezetés

Az endoplazmatikus retikulumhoz társított degradáció (ERAD) az endoplazmatikus retikulumban (ER) lokalizált fehérjék azonosítására és citoszolikus megsemmisítésére utaló folyamat. Az ERAD egyik legkritikusabb feladata, hogy segítse a szekréciós útvonalba kerülő rosszul foldozott fehérjék szelektív lebontását. Ha ezek a rosszul foldozott fehérjék nem kerülnek eltávolításra, akkor felhalmozódhatnak az ER-ben, korlátozva annak foldozási kapacitását az ER chaperonok szekvenálása vagy aggregációja révén. Továbbá a rosszul foldozott fehérjék felhalmozódása az ER-ben olyan sejtszintű stresszválaszt válthat ki, amely apoptózishoz vezethet, ha nem csillapítják (Fribley és mtsai., 2009). Így a fehérjék ERAD által gondosan ellenőrzött intracelluláris pusztítása segít megelőzni az aberránsan összehajtogatott szekréciós fehérjékhez kapcsolódó toxicitást és a sejtek homeosztázisára gyakorolt potenciális káros hatásukat.

Sok emberi betegség kapcsolódik az ERAD útvonalhoz. E betegségek némelyike a szekréciós fehérjék mutációi miatt következik be, amelyek a fehérjék hibás összecsukódását eredményezik, és amelyek ERAD-szubsztrátokká alakítják őket. Az egyik betegség ebben az osztályban a Gaucher-kór, egy lizoszomális tárolási rendellenesség (Ron és Horowitz, 2005; Futerman és van Meer, 2004). Más esetekben az ERAD-gépezet túl hatékony lehet, és idő előtt eltávolíthat olyan fehérjéket, amelyek végül képesek lennének a hajtogatásra. Például a cisztás fibrózis transzmembrán konduktancia szabályozójának (CFTR) lassan hajtogató ∆F508 variánsát az ERAD idő előtt lebontja, ami cisztás fibrózishoz vezet (Jensen és mtsai., 1995; Ward és mtsai., 1995). Más humán betegségek az ERAD vagy magának a minőségszabályozó gépezetnek a mutációihoz kapcsolódnak. Például az N-hez kötött glikozilációt (a minőségszabályozáshoz és az ERAD-hoz kapcsolódó ER poszttranszlációs módosítás) befolyásoló mutációk számos tünetet okozhatnak, többek között diszmorfiát, enkefalopátiát és szervi rendellenességeket (Imbach és mtsai., 1999; Freeze és mtsai., 2014). Együttesen egyre több emberi betegség, többek között neurológiai, légzőszervi, kardiovaszkuláris és májbetegségek (Guerriero és Brodsky, 2012; Jucker és Walker, 2013) kapcsolódnak a szekréciós útvonal ERAD és fehérje minőségellenőrzéséhez.

A szekréciós útvonal működését az 1970-es években és az 1980-as évek elején tisztázták. Ez az útvonal durván felvázolható egy belépési portként (az ER), köztes entitásokként (a Golgi-komplex és a vezikulák) és egy kilépési portként (a plazmamembrán vagy az extracelluláris tér). Amint azonban alább tárgyaljuk, a szekréciós organellumok és a vezikuláris intermedierek nem egyszerűen útvonalat biztosítanak a fehérjék számára a sejtből való kilépéshez, vagy ahhoz, hogy az organellumok vagy a plazmamembrán lipid kettősrétegeibe ágyazódjanak be. Ehelyett ezek a kompartmentumok kritikus szerepet játszanak a szekretoros fehérjék exportra való előkészítésében és minőségellenőrzésében. A témával kapcsolatos kutatások Palade úttörő radioizotópok alkalmazásával kezdődtek az útvonal felvázolásához (Palade, 1975), Blobel innovatív, sejtmentes rendszerének kifejlesztésével az első szekréciós jelek és receptorok feltárásához (Blobel és Dobberstein, 1975), valamint Schekman elegáns élesztőgenetikai alkalmazásával a szekréciós útvonalat alkotó komponensek jellemzésére (Novick és mtsai., 1980). Az 1980-as évek közepére számos kutatócsoport annak meghatározására összpontosított, hogy specifikus komponensek hogyan közvetítik a fehérjék szelektív versus nem szelektív közlekedését az ER-en keresztül (Pelham, 1989; Pfeffer és Rothman, 1987; McCracken és Kruse, 1989). Egyre több bizonyíték mutatott arra, hogy az orvosi szempontból fontos mutáns fehérjék felhalmozódnak az ER-ben (Hurtley és Helenius, 1989; McCracken és mtsai., 1989), és hogy a mutáns fehérjék, amelyek normális esetben áthaladnak az ER-en, látszólag átfordulnak (Cheng és mtsai., 1990; Needham és Brodsky, 2013). Hamarosan egyértelművé vált, hogy a mutálódott ER-fehérjék lebomlanak (McCracken és Kruse, 1993; Finger és mtsai., 1993; Hampton és Rine, 1994; Klausner és Sitia, 1990). Mivel a lizoszomális/vakuoláris enzimek nélkülözhetőek voltak ehhez az eseményhez, csábító volt a feltételezés, hogy a lebontás az ER-en belül zajlik. Azonban nem volt bizonyíték az ER-ben található proteolitikus minőségellenőrző rendszerre. A proteáz természetét övező bizonytalanság miatt ezt a folyamatot ER-asszociált degradációnak, vagy ERAD-nak neveztük el (McCracken és Brodsky, 1996).

Élesztőgenetikai és emlőssejtes rendszerek felhasználásával, valamint in vivo és in vitro eszközök alkalmazásával meggyőző bizonyítékot nyert, hogy a citoszolikus proteaszóma biztosítja az ERAD proteolitikus aktivitását (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 és Jentsch, 1993). Ez a felfedezés teljes meglepetésként ért. Bár az ER-ben lévő integrális membránfehérjék hozzáférhetnek egy citoszolikus proteázhoz, váratlan volt, hogy az oldható szekretált fehérjéket is lebonthatja a proteaszóma. A probléma megoldása az volt, hogy az oldható fehérjéket az ER-en belül felismerik, majd egy “retrotranszlokációnak” vagy “diszlokációnak” nevezett eseményen keresztül visszakerülnek a citoszolba. Az ezt követő években jelentős erőfeszítéseket fordítottak annak megértésére, hogy a különböző ERAD-szubsztrátokat hogyan választják ki, retro-transzlokálják és célozzák meg a proteaszómához.

A végén nyilvánvalóvá vált, hogy az ERAD “szokatlan utat” (retro-transzlokáció az ER-ből) jelent egy “ismerős sorshoz” (félrecsúszott fehérjék lebontása a citoszolikus proteaszóma által) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Mivel az ERAD-útvonal hibái szintetikus, negatív hatásokat mutattak, amikor az ER stresszválasz útvonalai ki voltak kapcsolva (Travers és mtsai., 2000), az is világossá vált, hogy az ERAD az ER homeosztázisát fenntartó két kritikus komponens egyike, a másik a fel nem hajtott fehérje válasz (UPR) (Walter és Ron, 2011). Az ERAD és az UPR együttesen minimalizálják a szekréciós útvonalban a fehérjék félregördülésének potenciálisan káros hatásait. Mindazonáltal az ERAD-útvonal és az ERAD-szerű mechanizmusok a vad típusú, funkcionális fehérjék stabilitását (és így aktivitását) is szabályozzák a szekréciós útvonalban (Chen és mtsai., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013), és a kórokozók is eltéríthetik őket (Noack és mtsai., 2014).

Ebben a cikkben áttekintést adunk azokról a folyamatokról, amelyek egy szekréciós fehérjét a korai szekréciós útvonalon való utazása során alakítanak. Ezen az úton a szekretoros fehérjék olyan jeleket jelenítenek meg, amelyeket számos kötőpartner pásztáz. Ezek a jelek nemcsak azt diktálják, hogy egy fehérje belépjen-e az ER-be, hanem azt is, hogy poszttranszlációsan módosuljon és a szekréciós útvonal későbbi kompartmentumaiba kerüljön, vagy inkább lebomoljon. Ennek a “minőségellenőrzési kódnak” a megfejtése kritikus feladat, amelyet az ER-fehérjék minőségellenőrzési mechanizmusai és az ERAD kötelességszerűen végeznek. Meg kell jegyezni, hogy a szekréciós útvonal és a minőségszabályozó mechanizmusok működésével kapcsolatos legtöbb információt mind az élesztő Saccharomyces cerevisiae, mind az emlős sejtek felhasználásával nyerték. Ahogy az várható volt, az emlősök rendszere összetettebb, így az egyes folyamatokban több enzim és chaperon vesz részt, és az élesztőben definiált ERAD-L, ERAD-C és ERAD-M folyamatok az emlős sejtekben kevéssé definiáltak. Az általános folyamatok azonban nagymértékben konzerváltak, és az ezekben a folyamatokban részt vevő legfontosabb gének ortológjai mindkét szervezetben megtalálhatók. Az alábbiakban mindkét rendszert tárgyaljuk, megadjuk az ortológok nevét, ha rendelkezésre áll, és rámutatunk a két modell közötti különbségekre, ha releváns.