Endoplasmic Reticulum Associated Degradation

Introduction

Endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) é o processo que se refere à identificação de proteínas localizadas no retículo endoplasmático (ER) e sua destruição citosólica. Uma das tarefas mais críticas do ERAD é ajudar na degradação seletiva de proteínas desdobradas que entram no caminho secreto. Se estas proteínas desdobradas não forem eliminadas, podem acumular-se nas ER, limitando a sua capacidade de dobragem através do sequestro de chaperones de ER ou da sua agregação. Além disso, o acúmulo de proteínas desdobradas nas ER pode desencadear uma resposta de estresse celular que pode levar à apoptose se não for mitigado (Fribley et al., 2009). Assim, a destruição intracelular cuidadosamente controlada das proteínas por ERAD ajuda a prevenir a toxicidade associada às proteínas secretoras aberrantemente dobradas e o seu potencial efeito prejudicial na homeostase celular.

Muitas doenças humanas estão associadas à via ERAD. Algumas dessas doenças ocorrem devido a mutações nas proteínas secretoras que resultam em uma dobra errada das proteínas e que as transformam em substratos de ERAD. Uma doença nesta classe é a doença Gaucher, um distúrbio de armazenamento lisossômico (Ron e Horowitz, 2005; Futerman e van Meer, 2004). Em outros casos, as máquinas ERAD podem ser muito eficientes e eliminar prematuramente proteínas que eventualmente seriam capazes de dobrar. Por exemplo, a variante do regulador de condutância transmembrana da fibrose cística (CFTR), que se dobra lentamente ∆F508, é degradada prematuramente pelo ERAD, levando à fibrose cística (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Outras doenças humanas estão associadas com mutações no ERAD ou com as próprias máquinas de controle de qualidade. Por exemplo, as mutações que afetam a glicosilação ligada ao N (uma modificação pós-tradução das ER ligada ao controle de qualidade e ao ERAD) podem causar uma variedade de sintomas, incluindo dismorfia, encefalopatia e distúrbios de órgãos (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Juntos, um número crescente de doenças humanas, incluindo doenças neurológicas, respiratórias, cardiovasculares e hepáticas, entre muitas outras (Guerriero e Brodsky, 2012; Jucker e Walker, 2013) estão ligadas ao ERAD e ao controle de qualidade da proteína na via secretora.

A função da via secretora foi elucidada nos anos 70 e início dos anos 80. Este caminho pode ser grosseiramente delineado como um porto de entrada (o ER), entidades intermediárias (o complexo de Golgi e vesículas), e um porto de saída (a membrana plasmática ou o espaço extracelular). No entanto, como discutimos abaixo, as organelas secretoras e os intermediários vesiculares não fornecem simplesmente uma rota para as proteínas que saem da célula ou que ficam embutidos dentro das camadas lipídicas nas organelas ou na membrana plasmática. Em vez disso, estes compartimentos desempenham um papel crítico na preparação das proteínas secretoras para exportação e no seu controlo de qualidade. A pesquisa sobre este tópico começou com o uso inovador de radioisótopos de Palade para delinear o caminho (Palade, 1975), o desenvolvimento inovador de Blobel de um sistema livre de células para descobrir os primeiros sinais e receptores de secreção (Blobel e Dobberstein, 1975), e a elegante aplicação de Schekman da genética da levedura para caracterizar os componentes que constituem o caminho secreto (Novick et al., 1980). Em meados dos anos 80, muitos grupos de pesquisa se concentraram em determinar como componentes específicos mediam o tráfico seletivo versus não seletivo de proteínas através das ER (Pelham, 1989; Pfeffer e Rothman, 1987; McCracken e Kruse, 1989). Evidências crescentes indicavam que proteínas mutantes de importância médica acumuladas nas ER (Hurtley e Helenius, 1989; McCracken et al., 1989), e que proteínas mutantes que normalmente passam pelas ER eram aparentemente viradas (Cheng et al., 1990; Needham e Brodsky, 2013). Logo ficou claro que as proteínas mutantes das ER foram degradadas (McCracken e Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton e Rine, 1994; Klausner e Sitia, 1990). Como as enzimas lisossómicas/vacuolares eram dispensáveis para este evento, era tentador especular que a degradação ocorria dentro do ER. No entanto, não havia evidência de um sistema proteolítico de controle de qualidade alojado dentro das Urgências. Devido à incerteza em torno da natureza da protease, nomeámos este processo de degradação associada à ER, ou ERAD (McCracken e Brodsky, 1996).

O uso de genética de leveduras e sistemas celulares de mamíferos, e empregando ferramentas in vivo e in vitro, surgiram evidências convincentes de que o proteasoma citosólico fornece a actividade proteolítica para o 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). Esta descoberta veio como uma surpresa completa. Embora as proteínas de membrana integral nas ER pudessem acessar uma protease citosólica, era inesperado que as proteínas secretadas solúveis também pudessem ser degradadas pelo proteasoma. A solução para este problema foi que as proteínas solúveis eram reconhecidas dentro do ER e depois devolvidas ao citosol através de um evento denominado “retro-translocação” ou “deslocamento”. Nos anos seguintes, um esforço significativo foi dedicado para entender como diversos substratos ERAD são selecionados, retro-translocados e direcionados ao proteasoma.

No final, ficou evidente que ERAD representava “uma rota não convencional” (retro-translocação do ER) para um “destino familiar” (degradação proteica desordenada pelo proteasoma citosólico) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Como os defeitos na via ERAD apresentavam efeitos sintéticos e negativos quando as vias de resposta ao estresse das ER estavam desabilitadas (Travers et al., 2000), também ficou claro que a ERAD era um dos dois componentes críticos que mantêm a homeostase das ER, sendo o outro a resposta protéica desdobrada (UPR) (Walter e Ron, 2011). Juntos, a ERAD e a UPR minimizam os efeitos potencialmente prejudiciais da desdobramento proteico no caminho secreto. No entanto, a via ERAD e mecanismos do tipo ERAD também regulam a estabilidade (e, portanto, a atividade) das proteínas funcionais do tipo selvagem na via secretora (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) e também podem ser desviadas por patógenos (Noack et al., 2014).

Neste artigo, vamos fornecer uma visão geral dos processos que dão forma a uma proteína secretora enquanto ela viaja pela via secretora inicial. Durante esta viagem, as proteínas secretoras exibem sinais que são escaneados por inúmeros parceiros de ligação. Estes sinais não só ditam se uma proteína vai entrar na ER, mas também se ela deve ser modificada pós-tradução e transportada para compartimentos posteriores no caminho secreto, ou se, em vez disso, deve ser degradada. Decifrar este ‘código de controle de qualidade’ é uma tarefa crítica, devidamente executada pelos mecanismos de controle de qualidade da proteína ER e ERAD. Deve-se notar que a maior parte da informação sobre a função da via secretora e dos mecanismos de controle de qualidade foi obtida através do uso tanto da levedura Saccharomyces cerevisiae como das células de mamíferos. Como esperado, o sistema dos mamíferos é mais complexo e, portanto, há mais enzimas e chaperones envolvidos em cada processo, e os processos ERAD-L, ERAD-C e ERAD-M, que foram definidos em leveduras, são mal definidos em células de mamíferos. Contudo, os processos gerais são altamente conservados e os ortologs dos genes mais relevantes envolvidos nestes processos são encontrados em ambos os organismos. Aqui discutimos os dois sistemas, fornecemos o nome dos ortologs quando disponíveis, e apontamos as diferenças entre os dois modelos quando relevantes.

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