Introductie
Endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) is het proces dat verwijst naar de identificatie van eiwitten die gelokaliseerd zijn in het endoplasmatisch reticulum (ER) en de cytosolische vernietiging ervan. Een van de meest kritische taken van ERAD is het helpen bij de selectieve afbraak van verkeerd gevouwen eiwitten die in de secretorische route terechtkomen. Als deze verkeerd gevouwen eiwitten niet worden geëlimineerd, kunnen ze zich ophopen in de ER, waardoor de vouwcapaciteit van de ER wordt beperkt doordat ER-chaperonen worden afgezonderd of doordat ze aggregeren. Verder kan de accumulatie van verkeerd gevouwen eiwitten in het ER een cellulaire stressrespons uitlokken die kan leiden tot apoptose als deze niet wordt gemitigeerd (Fribley et al., 2009). De zorgvuldig gecontroleerde intracellulaire vernietiging van eiwitten door ERAD helpt dus de toxiciteit te voorkomen die gepaard gaat met verkeerd gevouwen secretorische eiwitten en hun potentieel nadelige effect op de cellulaire homeostase.
Vele menselijke ziekten zijn geassocieerd met de ERAD-route. Sommige van deze ziekten ontstaan door mutaties in secretorische eiwitten die resulteren in eiwitmisvouwing en die deze eiwitten in ERAD-substraten veranderen. Een ziekte in deze categorie is de ziekte van Gaucher, een lysosomale opslagstoornis (Ron en Horowitz, 2005; Futerman en van Meer, 2004). In andere gevallen kan de ERAD-machine te efficiënt zijn en eiwitten die uiteindelijk zouden kunnen vouwen, voortijdig elimineren. Zo wordt de langzaam vouwende ∆F508-variant van de cystische fibrose transmembraan conductantie regulator (CFTR) voortijdig afgebroken door ERAD, wat leidt tot cystische fibrose (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Andere menselijke ziekten zijn geassocieerd met mutaties in de ERAD of de kwaliteitscontrole machinerie zelf. Zo kunnen mutaties die N-gekoppelde glycosylering beïnvloeden (een ER posttranslationele modificatie gekoppeld aan kwaliteitscontrole en ERAD) een verscheidenheid aan symptomen veroorzaken, waaronder dysmorfie, encefalopathie, en orgaanaandoeningen (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Samen zijn een groeiend aantal menselijke ziekten, waaronder neurologische, respiratoire, cardiovasculaire en leverziekten, onder vele anderen (Guerriero en Brodsky, 2012; Jucker en Walker, 2013) gekoppeld aan ERAD en eiwitkwaliteitscontrole in de secretoire pathway.
De functie van de secretoire pathway werd opgehelderd in de jaren zeventig en begin jaren tachtig van de vorige eeuw. Deze route kan grofweg worden geschetst als een poort van binnenkomst (het ER), tussenliggende entiteiten (het Golgi-complex en vesikels), en een poort van uitgang (het plasmamembraan of de extracellulaire ruimte). Maar, zoals we hieronder bespreken, vormen de secretorische organellen en vesiculaire tussenproducten niet alleen een route voor eiwitten om de cel uit te gaan of om ingebed te raken in lipide bilagen in de organellen of de plasmamembraan. In plaats daarvan spelen deze compartimenten een cruciale rol bij de voorbereiding van secretorische eiwitten op de uitvoer en bij hun kwaliteitscontrole. Onderzoek naar dit onderwerp begon met Palade’s baanbrekende gebruik van radio-isotopen om de route te schetsen (Palade, 1975), Blobel’s innovatieve ontwikkeling van een celvrij systeem om de eerste secretiesignalen en receptoren bloot te leggen (Blobel en Dobberstein, 1975), en Schekman’s elegante toepassing van gistgenetica om componenten te karakteriseren die de secretorische route vormen (Novick et al., 1980). Tegen het midden van de jaren tachtig richtten veel onderzoeksgroepen zich op het bepalen hoe specifieke componenten de selectieve versus niet-selectieve transport van eiwitten door het ER bewerkstelligen (Pelham, 1989; Pfeffer en Rothman, 1987; McCracken en Kruse, 1989). Er kwamen steeds meer aanwijzingen dat gemuteerde eiwitten van medisch belang zich ophoopten in het ER (Hurtley en Helenius, 1989; McCracken et al., 1989), en dat gemuteerde eiwitten die normaal gesproken het ER passeren kennelijk werden omgedraaid (Cheng et al., 1990; Needham en Brodsky, 2013). Al snel werd duidelijk dat gemuteerde ER-eiwitten werden afgebroken (McCracken en Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton en Rine, 1994; Klausner en Sitia, 1990). Omdat lysosomale/vacuolaire enzymen niet nodig waren voor deze gebeurtenis, was het verleidelijk te speculeren dat de afbraak plaatsvond binnen het ER. Er waren echter geen aanwijzingen voor een proteolytisch kwaliteitscontrolesysteem binnen het ER. Vanwege de onzekerheid over de aard van het protease, hebben wij dit proces ER-geassocieerde afbraak genoemd, of ERAD (McCracken en Brodsky, 1996).
Door het gebruik van gistgenetica en zoogdiercelsystemen, en door gebruik te maken van zowel in vivo als in vitro hulpmiddelen, is overtuigend bewijs naar voren gekomen dat het cytosolische proteasoom de proteolytische activiteit voor ERAD levert (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 en Jentsch, 1993). Deze ontdekking kwam als een complete verrassing. Hoewel integrale membraaneiwitten in de ER toegang konden krijgen tot een cytosolisch protease, was het onverwacht dat oplosbare gesecreteerde eiwitten ook door het proteasoom konden worden afgebroken. De oplossing voor dit probleem was dat oplosbare eiwitten in de ER werden herkend en vervolgens naar het cytosol werden teruggebracht via een proces dat “retro-translocatie” of “dislocatie” wordt genoemd. In de daaropvolgende jaren is een aanzienlijke inspanning geleverd om te begrijpen hoe diverse ERAD substraten worden geselecteerd, retro-translocatie, en gericht op het proteasoom.
Op het einde, was het duidelijk dat ERAD vertegenwoordigd ‘een onconventionele route’ (retro-translocatie van het ER) naar een ‘bekende lot’ (verkeerd gevouwen eiwit degradatie door het cytosolische proteasoom) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Omdat defecten in de ERAD pathway synthetische, negatieve effecten vertoonden wanneer ER stress respons pathways werden uitgeschakeld (Travers et al., 2000), werd het ook duidelijk dat ERAD één van de twee kritische componenten was die de ER homeostase handhaven, de andere is de unfolded protein response (UPR) (Walter en Ron, 2011). Samen minimaliseren ERAD en de UPR de potentieel schadelijke effecten van eiwitmisvouwing in de secretorische route. Niettemin reguleren de ERAD-route en ERAD-achtige mechanismen ook de stabiliteit (en dus activiteit) van wildtype, functionele eiwitten in de secretorische route (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) en kunnen ze ook worden gekaapt door pathogenen (Noack et al., 2014).
In dit artikel zullen we een overzicht geven van de processen die een secretorisch eiwit vormgeven terwijl het door de vroege secretorische route reist. Tijdens deze reis geven secretorische eiwitten signalen af die door talrijke bindingspartners worden gescand. Deze signalen bepalen niet alleen of een eiwit het ER binnenkomt, maar ook of het posttranslationeel gemodificeerd moet worden en getransporteerd naar latere compartimenten in de secretorische route, of dat het in plaats daarvan afgebroken moet worden. Het ontcijferen van deze “kwaliteitscontrolecode” is een kritieke taak die plichtsgetrouw wordt uitgevoerd door ER kwaliteitscontrolemechanismen voor eiwitten en ERAD. Opgemerkt moet worden dat de meeste informatie over de functie van de secretorische route en kwaliteitscontrolemechanismen is verkregen door gebruik te maken van zowel de gist Saccharomyces cerevisiae als zoogdiercellen. Zoals verwacht is het zoogdiersysteem complexer en zijn er dus meer enzymen en chaperones bij elk proces betrokken, en zijn de ERAD-L-, ERAD-C- en ERAD-M-processen, die in gist gedefinieerd zijn, in zoogdiercellen slecht gedefinieerd. De algemene processen zijn echter in hoge mate geconserveerd en orthologs van de meest relevante genen die bij deze processen betrokken zijn, worden in beide organismen gevonden. Hier bespreken we beide systemen, geven de naam van de orthologe genen wanneer die beschikbaar is, en wijzen op de verschillen tussen beide modellen wanneer dat relevant is.