Introduction

Endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) jest procesem, który odnosi się do identyfikacji białek zlokalizowanych w retikulum endoplazmatycznym (ER) i ich cytozolowego zniszczenia. Jednym z najbardziej krytycznych zadań ERAD jest pomoc w selektywnej degradacji źle złożonych białek, które wchodzą na drogę wydzielniczą. Jeśli te błędnie złożone białka nie zostaną wyeliminowane, mogą gromadzić się w ER, ograniczając jego zdolność do składania poprzez sekwestrację chaperonów ER lub agregację. Ponadto, nagromadzenie błędnie złożonych białek w ER może wywołać komórkową odpowiedź na stres, która może prowadzić do apoptozy, jeśli nie zostanie złagodzona (Fribley i in., 2009). Tak więc, starannie kontrolowane wewnątrzkomórkowe niszczenie białek przez ERAD pomaga zapobiegać toksyczności związanej z nieprawidłowo złożonymi białkami wydzielniczymi i ich potencjalnie szkodliwym wpływem na homeostazę komórkową.

Wiele ludzkich chorób jest związanych ze szlakiem ERAD. Niektóre z tych chorób występują z powodu mutacji w białkach wydzielniczych, które powodują nieprawidłowe składanie białek i przekształcają je w substraty ERAD. Jedną z chorób w tej klasie jest choroba Gauchera, lizosomalne zaburzenie magazynowania (Ron i Horowitz, 2005; Futerman i van Meer, 2004). W innych przypadkach mechanizm ERAD może być zbyt wydajny i przedwcześnie eliminować białka, które w końcu będą w stanie się złożyć. Na przykład, wolno składający się wariant ∆F508 regulatora przewodnictwa transmembranowego mukowiscydozy (CFTR) jest przedwcześnie degradowany przez ERAD, co prowadzi do mukowiscydozy (Jensen i in., 1995; Ward i in., 1995). Inne choroby ludzkie są związane z mutacjami w ERAD lub w samych mechanizmach kontroli jakości. Na przykład mutacje, które wpływają na N-linked glycosylation (ER posttranslational modification linked to quality control and ERAD) mogą powodować różnorodne objawy, w tym dysmorfię, encefalopatię i zaburzenia narządowe (Imbach i in., 1999; Freeze i in., 2014). Razem, rosnąca liczba ludzkich chorób, w tym neurologicznych, oddechowych, sercowo-naczyniowych i wątrobowych, wśród wielu innych (Guerriero i Brodsky, 2012; Jucker i Walker, 2013) są powiązane z ERAD i kontrolą jakości białek w szlaku sekrecyjnym.

Funkcja szlaku sekrecyjnego została wyjaśniona w latach 70. i wczesnych 80. XX wieku. Ścieżka ta może być ogólnie zarysowana jako port wejścia (ER), jednostki pośrednie (kompleks Golgiego i pęcherzyki) oraz port wyjścia (błona plazmatyczna lub przestrzeń pozakomórkowa). Jednakże, jak omówimy poniżej, organelle wydzielnicze i pośrednie elementy pęcherzyków nie stanowią jedynie drogi dla białek na zewnątrz komórki lub do osadzenia ich w dwuwarstwach lipidowych w organellach lub błonie plazmatycznej. Przedziały te odgrywaj± raczej krytyczn± rolę w przygotowaniu białek wydzielniczych do eksportu oraz w kontroli ich jako¶ci. Badania nad tym tematem rozpoczęły się wraz z przełomowym zastosowaniem radioizotopów przez Palade’a (Palade, 1975), innowacyjnym opracowaniem przez Blobela systemu bezkomórkowego w celu odkrycia pierwszych sygnałów i receptorów wydzielniczych (Blobel i Dobberstein, 1975) oraz eleganckim zastosowaniem przez Schekmana genetyki drożdży do scharakteryzowania komponentów tworzących szlak wydzielniczy (Novick i in., 1980). Do połowy lat 80. wiele grup badawczych skupiło się na określeniu, w jaki sposób specyficzne komponenty pośredniczą w selektywnym i nieselektywnym przemieszczaniu białek przez ER (Pelham, 1989; Pfeffer i Rothman, 1987; McCracken i Kruse, 1989). Coraz więcej dowodów wskazywało, że zmutowane białka o znaczeniu medycznym gromadziły się w ER (Hurtley i Helenius, 1989; McCracken i in., 1989), oraz że zmutowane białka, które normalnie przechodzą przez ER, były najwyraźniej odwracane (Cheng i in., 1990; Needham i Brodsky, 2013). Wkrótce stało się jasne, że zmutowane białka ER były degradowane (McCracken i Kruse, 1993; Finger i in., 1993; Hampton i Rine, 1994; Klausner i Sitia, 1990). Ponieważ enzymy lizosomalne/wakuolarne były zbędne w tym procesie, można było spekulować, że degradacja zachodziła w obrębie ER. Nie ma jednak dowodów na istnienie proteolitycznego systemu kontroli jakości wewnątrz ER. Z powodu niepewności co do natury proteazy, nazwaliśmy ten proces ER-associated degradation, lub ERAD (McCracken i Brodsky, 1996).

Poprzez wykorzystanie genetyki drożdży i systemów komórkowych ssaków, oraz przez zastosowanie narzędzi in vivo i in vitro, pojawiły się przekonujące dowody, że proteasom cytozolowy zapewnia aktywność proteolityczną dla ERAD (Werner i in., 1996; Hiller i in., 1996; McCracken i in., 1996; Jensen i in., 1995; Ward i in., 1995; Wiertz i in., 1996a; Sommer i Jentsch, 1993). Odkrycie to było całkowitym zaskoczeniem. Chociaż integralne białka błonowe w ER mogą mieć dostęp do proteazy cytozolowej, nieoczekiwane było, że rozpuszczalne białka wydzielane również mogą być degradowane przez proteasom. Rozwiązaniem tego problemu było rozpoznanie białek rozpuszczalnych w ER, a następnie ich powrót do cytozolu w wyniku zdarzenia określanego jako „retrotranslokacja” lub „dyslokacja”. W ciągu następnych lat, znaczny wysiłek został poświęcony na zrozumienie, jak różnorodne substraty ERAD są wybierane, retrotranslokowane i kierowane do proteasomu.

W końcu stało się oczywiste, że ERAD reprezentuje „niekonwencjonalną drogę” (retrotranslokacja z ER) do „znajomego przeznaczenia” (degradacja błędnie złożonych białek przez cytozolowy proteasom) (Werner i in., 1996; Hiller i in., 1996). Ponieważ defekty w szlaku ERAD wykazywały syntetyczne, negatywne efekty, gdy szlaki odpowiedzi na stres ER były wyłączone (Travers i in., 2000), stało się również jasne, że ERAD jest jednym z dwóch krytycznych komponentów utrzymujących homeostazę ER, drugim jest odpowiedź na rozplem białek (UPR) (Walter i Ron, 2011). Razem, ERAD i UPR minimalizują potencjalnie szkodliwe efekty błędnego składania białek w szlaku wydzielniczym. Niemniej jednak, szlak ERAD i mechanizmy podobne do ERAD również regulują stabilność (a tym samym aktywność) dzikiego typu, funkcjonalnych białek w szlaku sekrecyjnym (Chen i in., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013), a także mogą zostać porwane przez patogeny (Noack i in., 2014).

W tym artykule przedstawimy przegląd procesów, które kształtują białko sekrecyjne podczas jego podróży przez wczesny szlak sekrecyjny. Podczas tej podróży białka sekrecyjne wyświetlają sygnały, które są skanowane przez licznych partnerów wiążących. Sygnały te nie tylko decydują o tym, czy białko dostanie się do ER, ale także o tym, czy powinno zostać zmodyfikowane potranslacyjnie i przetransportowane do dalszych przedziałów szlaku wydzielniczego, czy też powinno ulec degradacji. Rozszyfrowanie tego „kodu kontroli jakości” jest zadaniem krytycznym, wykonywanym z obowiązku przez mechanizmy kontroli jakości białek ER i ERAD. Należy zauważyć, że większość informacji na temat funkcji szlaku sekrecyjnego i mechanizmów kontroli jakości została uzyskana przy użyciu zarówno drożdży Saccharomyces cerevisiae, jak i komórek ssaków. Zgodnie z oczekiwaniami, system ssaków jest bardziej złożony i dlatego w każdy proces zaangażowanych jest więcej enzymów i chaperonów, a procesy ERAD-L, ERAD-C i ERAD-M, które zostały zdefiniowane w drożdżach, są słabo zdefiniowane w komórkach ssaków. Jednakże ogólne procesy są wysoce konserwowane, a ortologi najbardziej istotnych genów zaangażowanych w te procesy występują w obu organizmach. Poniżej omawiamy oba systemy, podajemy nazwy ortologów, jeśli są dostępne, i wskazujemy na różnice między oboma modelami, jeśli są istotne.