Introduzione

Endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) è il processo che si riferisce all’identificazione delle proteine localizzate nel reticolo endoplasmatico (ER) e la loro distruzione citosolica. Uno dei compiti più critici dell’ERAD è quello di aiutare la degradazione selettiva delle proteine mal ripiegate che entrano nel percorso secretorio. Se queste proteine mal ripiegate non vengono eliminate, possono accumularsi nell’ER, limitando la sua capacità di ripiegamento sequestrando i chaperoni ER o aggregandosi. Inoltre, l’accumulo di proteine mal ripiegate nell’ER può innescare una risposta di stress cellulare che può portare all’apoptosi se non mitigata (Fribley et al., 2009). Quindi, la distruzione intracellulare attentamente controllata delle proteine da parte dell’ERAD aiuta a prevenire la tossicità associata alle proteine secretorie piegate in modo aberrante e il loro potenziale effetto dannoso sull’omeostasi cellulare.

Molte malattie umane sono associate alla via dell’ERAD. Alcune di queste malattie si verificano a causa di mutazioni nelle proteine secretorie che provocano il misfolding delle proteine e che le trasformano in substrati ERAD. Una malattia in questa classe è la malattia di Gaucher, un disordine di stoccaggio lisosomiale (Ron e Horowitz, 2005; Futerman e van Meer, 2004). In altri casi il macchinario ERAD può essere troppo efficiente ed eliminare prematuramente proteine che alla fine sarebbero in grado di ripiegarsi. Per esempio, la variante ∆F508 del regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR) che si ripiega lentamente viene degradata prematuramente dall’ERAD, portando alla fibrosi cistica (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Altre malattie umane sono associate a mutazioni nell’ERAD o negli stessi macchinari di controllo della qualità. Per esempio, le mutazioni che influenzano la glicosilazione N-linked (una modifica post-traslazionale dell’ER legata al controllo di qualità e all’ERAD) possono causare una varietà di sintomi, tra cui dismorfia, encefalopatia e disturbi d’organo (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Insieme, un numero crescente di malattie umane, comprese le malattie neurologiche, respiratorie, cardiovascolari ed epatiche, tra molte altre (Guerriero e Brodsky, 2012; Jucker e Walker, 2013) sono legate all’ERAD e al controllo di qualità delle proteine nella via secretoria.

La funzione della via secretoria è stata chiarita negli anni ’70 e nei primi anni ’80. Questa via può essere grossolanamente delineata come una porta di entrata (l’ER), entità intermedie (il complesso di Golgi e le vescicole), e una porta di uscita (la membrana plasmatica o lo spazio extracellulare). Tuttavia, come discuteremo più avanti, gli organelli secretori e gli intermedi vescicolari non forniscono semplicemente un percorso per le proteine fuori dalla cellula o per incastrarsi nei bilayer lipidici negli organelli o nella membrana plasmatica. Invece, questi compartimenti svolgono un ruolo critico nella preparazione delle proteine secretorie per l’esportazione e nel loro controllo di qualità. La ricerca su questo argomento è iniziata con l’uso pionieristico di Palade dei radioisotopi per delineare il percorso (Palade, 1975), lo sviluppo innovativo di Blobel di un sistema senza cellule per scoprire i primi segnali e recettori di secrezione (Blobel e Dobberstein, 1975), e l’elegante applicazione di Schekman della genetica del lievito per caratterizzare i componenti che costituiscono il percorso secretorio (Novick et al., 1980). A metà degli anni ’80, molti gruppi di ricerca si sono concentrati sulla determinazione di come componenti specifici mediano il traffico selettivo o non selettivo delle proteine attraverso l’ER (Pelham, 1989; Pfeffer e Rothman, 1987; McCracken e Kruse, 1989). Prove crescenti indicavano che le proteine mutate di importanza medica si accumulavano nell’ER (Hurtley e Helenius, 1989; McCracken et al., 1989), e che le proteine mutate che normalmente passano attraverso l’ER erano apparentemente rovesciate (Cheng et al., 1990; Needham e Brodsky, 2013). Fu presto chiaro che le proteine ER mutate venivano degradate (McCracken e Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton e Rine, 1994; Klausner e Sitia, 1990). Poiché gli enzimi lisosomiali/vacuolari erano dispensabili per questo evento, si era tentati di ipotizzare che la degradazione avesse luogo all’interno dell’ER. Tuttavia, non c’era alcuna prova di un sistema di controllo di qualità proteolitico ospitato all’interno dell’ER. A causa dell’incertezza che circonda la natura della proteasi, abbiamo chiamato questo processo degradazione associata all’ER, o ERAD (McCracken e Brodsky, 1996).

Attraverso l’uso della genetica del lievito e dei sistemi cellulari dei mammiferi, e utilizzando strumenti sia in vivo che in vitro, sono emerse prove convincenti che il proteasoma citosolico fornisce l’attività proteolitica per ERAD (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 e Jentsch, 1993). Questa scoperta è arrivata come una completa sorpresa. Sebbene le proteine integrali di membrana nell’ER potessero accedere a una proteasi citosolica, era inaspettato che anche le proteine secrete solubili potessero essere degradate dal proteasoma. La soluzione a questo problema era che le proteine solubili venivano riconosciute all’interno dell’ER e poi riportate nel citosol attraverso un evento chiamato “retro-traslocazione” o “dislocazione”. Negli anni successivi, uno sforzo significativo è stato dedicato alla comprensione di come diversi substrati ERAD sono selezionati, retro-traslocati e indirizzati al proteasoma.

Alla fine, era evidente che l’ERAD rappresentava “un percorso non convenzionale” (retro-traslocazione dall’ER) verso un “destino familiare” (degradazione delle proteine mal ripiegate da parte del proteasoma citosolico) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Poiché i difetti nella via dell’ERAD mostravano effetti sintetici e negativi quando le vie di risposta allo stress ER erano disabilitate (Travers et al., 2000), divenne anche chiaro che l’ERAD era uno dei due componenti critici che mantengono l’omeostasi ER, l’altro essendo la risposta alla proteina spiegata (UPR) (Walter e Ron, 2011). Insieme, l’ERAD e l’UPR minimizzano gli effetti potenzialmente dannosi del misfolding delle proteine nella via secretoria. Tuttavia, la via ERAD e i meccanismi ERAD-like regolano anche la stabilità (e quindi l’attività) delle proteine funzionali di tipo selvaggio nella via secretoria (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) e possono anche essere dirottati da agenti patogeni (Noack et al., 2014).

In questo articolo, forniremo una panoramica dei processi che modellano una proteina secretoria mentre viaggia attraverso la via secretoria iniziale. Durante questo viaggio, le proteine secretorie mostrano segnali che vengono scanditi da numerosi partner di legame. Questi segnali non solo dettano se una proteina entrerà nell’ER, ma anche se deve essere modificata post-traslazionalmente e trasportata in compartimenti successivi nella via secretoria, o se invece deve essere degradata. Decifrare questo “codice di controllo della qualità” è un compito critico doverosamente svolto dai meccanismi di controllo della qualità delle proteine ER e dall’ERAD. Va notato che la maggior parte delle informazioni sulla funzione della via secretoria e dei meccanismi di controllo della qualità è stata ottenuta attraverso l’uso sia del lievito Saccharomyces cerevisiae che delle cellule di mammifero. Come previsto, il sistema dei mammiferi è più complesso e quindi ci sono più enzimi e chaperoni coinvolti in ogni processo, e i processi ERAD-L, ERAD-C, e ERAD-M, che sono stati definiti nel lievito, sono poco definiti nelle cellule dei mammiferi. Tuttavia, i processi generali sono altamente conservati e gli ortologhi dei geni più rilevanti coinvolti in questi processi si trovano in entrambi gli organismi. Qui discutiamo entrambi i sistemi, forniamo il nome degli ortologhi quando disponibili, e sottolineiamo le differenze tra i due modelli quando sono rilevanti.