Introducere

Degradarea asociată cu reticulul endoplasmatic (ERAD) este procesul care se referă la identificarea proteinelor localizate în reticulul endoplasmatic (RE) și distrugerea lor citosolică. Una dintre cele mai importante sarcini ale ERAD este aceea de a ajuta la degradarea selectivă a proteinelor prost pliate care intră pe calea secretorie. În cazul în care aceste proteine prost pliate nu sunt eliminate, ele se pot acumula în ER, limitând capacitatea de pliere a acestuia prin sechestrarea chaperonilor ER sau prin agregare. Mai mult, acumularea de proteine prost pliate în RE poate declanșa un răspuns celular la stres care poate duce la apoptoză dacă nu este atenuat (Fribley et al., 2009). Astfel, distrugerea intracelulară atent controlată a proteinelor de către ERAD ajută la prevenirea toxicității asociate cu proteinele secretorii pliate în mod aberant și potențialul lor efect dăunător asupra homeostaziei celulare.

Multe boli umane sunt asociate cu calea ERAD. Unele dintre aceste boli apar din cauza unor mutații în proteinele secretorii care au ca rezultat plierea defectuoasă a proteinelor și care le transformă în substraturi ERAD. Una dintre bolile din această clasă este boala Gaucher, o tulburare de stocare lizozomală (Ron și Horowitz, 2005; Futerman și van Meer, 2004). În alte cazuri, mașinăria ERAD poate fi prea eficientă și poate elimina prematur proteinele care în cele din urmă ar putea să se plieze. De exemplu, varianta ∆F508 a regulatorului de conductanță transmembranară a fibrozei chistice (CFTR), care se pliază lent, este degradată prematur de ERAD, ceea ce duce la fibroză chistică (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Alte boli umane sunt asociate cu mutații în ERAD sau în mașinăria de control al calității în sine. De exemplu, mutațiile care afectează glicozilarea legată de N (o modificare posttranslațională a ER legată de controlul calității și de ERAD) pot provoca o varietate de simptome, inclusiv dismorfie, encefalopatie și tulburări de organe (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Împreună, un număr tot mai mare de boli umane, inclusiv boli neurologice, respiratorii, cardiovasculare și hepatice, printre multe altele (Guerriero și Brodsky, 2012; Jucker și Walker, 2013) sunt legate de ERAD și de controlul calității proteinelor în calea secretorie.

Funcția căii secretorii a fost elucidată în anii 1970 și la începutul anilor 1980. Această cale poate fi conturată în linii mari ca un port de intrare (ER), entități intermediare (complexul Golgi și veziculele) și un port de ieșire (membrana plasmatică sau spațiul extracelular). Cu toate acestea, după cum vom discuta mai jos, organitele secretorii și entitățile intermediare veziculare nu oferă pur și simplu o cale de ieșire a proteinelor din celulă sau pentru a se încorpora în bicapacele lipidice din organite sau membrana plasmatică. În schimb, aceste compartimente joacă un rol critic în pregătirea proteinelor secretorii pentru export și în controlul calității acestora. Cercetările pe această temă au început cu utilizarea revoluționară a radioizotopilor de către Palade pentru a contura calea (Palade, 1975), cu dezvoltarea inovatoare de către Blobel a unui sistem fără celule pentru a descoperi primele semnale și receptori de secreție (Blobel și Dobberstein, 1975) și cu aplicarea elegantă de către Schekman a geneticii drojdiei pentru a caracteriza componentele care constituie calea secretorie (Novick et al., 1980). Până la mijlocul anilor 1980, multe grupuri de cercetare s-au concentrat pe determinarea modului în care componente specifice mediază traficul selectiv versus neselectiv al proteinelor prin ER (Pelham, 1989; Pfeffer și Rothman, 1987; McCracken și Kruse, 1989). Tot mai multe dovezi au indicat faptul că proteinele mutante de importanță medicală s-au acumulat în ER (Hurtley și Helenius, 1989; McCracken și colab., 1989) și că proteinele mutante care trec în mod normal prin ER erau aparent întoarse (Cheng și colab., 1990; Needham și Brodsky, 2013). În curând a fost clar că proteinele mutante din ER erau degradate (McCracken și Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton și Rine, 1994; Klausner și Sitia, 1990). Deoarece enzimele lizozomale/vacuolare nu au fost necesare pentru acest eveniment, a fost tentant să se speculeze că degradarea a avut loc în interiorul ER. Cu toate acestea, nu a existat nicio dovadă a unui sistem proteolitic de control al calității găzduit în cadrul RE. Din cauza incertitudinii legate de natura proteazei, am numit acest proces degradare asociată cu ER sau ERAD (McCracken și Brodsky, 1996).

Cu ajutorul geneticii drojdiei și a sistemelor de celule de mamifere și prin utilizarea instrumentelor in vivo și in vitro, au apărut dovezi convingătoare că proteazomul citosolic furnizează activitatea proteolitică pentru 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 și Jentsch, 1993). Această descoperire a venit ca o surpriză totală. Deși proteinele membranare integrale din ER puteau avea acces la o protează citosolică, a fost neașteptat faptul că proteinele secretate solubile puteau fi, de asemenea, degradate de proteazom. Soluția la această problemă a fost că proteinele solubile au fost recunoscute în cadrul ER și apoi returnate în citosol prin intermediul unui eveniment numit „retrotranslocare” sau „dislocare”. În anii care au urmat, un efort semnificativ a fost dedicat înțelegerii modului în care diverși substraturi ERAD sunt selectați, retrotranslocați și direcționați către proteazom.

În cele din urmă, a fost evident că ERAD a reprezentat „o cale neconvențională” (retrotranslocarea din ER) către o „soartă familiară” (degradarea proteinelor prost pliate de către proteazomul citosolic) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Deoarece defectele în calea ERAD au prezentat efecte sintetice, negative atunci când au fost dezactivate căile de răspuns la stresul ER (Travers et al., 2000), a devenit, de asemenea, clar că ERAD era una dintre cele două componente critice care mențin homeostazia ER, cealaltă fiind răspunsul la proteinele desfășurate (UPR) (Walter și Ron, 2011). Împreună, ERAD și UPR reduc la minimum efectele potențial dăunătoare ale proastei plieri a proteinelor în calea secretorie. Cu toate acestea, calea ERAD și mecanismele asemănătoare ERAD reglează, de asemenea, stabilitatea (și, prin urmare, activitatea) proteinelor funcționale de tip sălbatic din calea secretorie (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) și pot fi, de asemenea, deturnate de agenții patogeni (Noack et al., 2014).

În acest articol, vom oferi o imagine de ansamblu a proceselor care modelează o proteină secretorie pe măsură ce aceasta parcurge calea secretorie timpurie. În timpul acestei călătorii, proteinele secretorii prezintă semnale care sunt scanate de numeroși parteneri de legare. Aceste semnale nu numai că dictează dacă o proteină va intra în ER, dar și dacă ar trebui să fie modificată posttranslațional și transportată către compartimentele ulterioare din calea secretorie sau dacă, în schimb, ar trebui să fie degradată. Descifrarea acestui „cod de control al calității” este o sarcină critică îndeplinită cu îndatorire de mecanismele de control al calității proteinelor din ER și de ERAD. Trebuie remarcat faptul că majoritatea informațiilor privind funcția căii secretorii și a mecanismelor de control al calității au fost obținute prin utilizarea atât a drojdiei Saccharomyces cerevisiae, cât și a celulelor de mamifere. După cum era de așteptat, sistemul mamiferelor este mai complex și, prin urmare, există mai multe enzime și chaperone implicate în fiecare proces, iar procesele ERAD-L, ERAD-C și ERAD-M, care au fost definite în drojdie, sunt slab definite în celulele de mamifere. Cu toate acestea, procesele generale sunt foarte conservate, iar ortologii celor mai relevante gene implicate în aceste procese se găsesc în ambele organisme. Aici discutăm ambele sisteme, furnizăm numele ortologilor atunci când sunt disponibile și subliniem diferențele dintre cele două modele atunci când este cazul.