Introduktion

Endoplasmic Reticulum-associated Degradation (ERAD) är en process som avser identifiering av proteiner som är lokaliserade i det endoplasmatiska retiklet (ER) och deras cytosoliska destruktion. En av de mest kritiska uppgifterna för ERAD är att hjälpa till med den selektiva nedbrytningen av felveckade proteiner som går in i sekretoriska vägen. Om dessa felveckade proteiner inte elimineras kan de ackumuleras i ER och begränsa dess veckningskapacitet genom att de binder ER-chaperoner eller aggregerar. Vidare kan ansamlingen av felveckade proteiner i ER utlösa en cellulär stressreaktion som kan leda till apoptos om den inte begränsas (Fribley et al., 2009). Således bidrar den noggrant kontrollerade intracellulära destruktionen av proteiner genom ERAD till att förhindra den toxicitet som är förknippad med felaktigt veckade sekretoriska proteiner och deras potentiella skadliga effekt på den cellulära homeostasen.

Många mänskliga sjukdomar är förknippade med ERAD-vägen. Vissa av dessa sjukdomar uppstår på grund av mutationer i sekretoriska proteiner som resulterar i felveckning av proteiner och som gör dem till ERAD-substrat. En sjukdom i denna klass är Gauchers sjukdom, en lysosomal lagringsstörning (Ron och Horowitz, 2005; Futerman och van Meer, 2004). I andra fall kan ERAD-maskineriet vara för effektivt och i förtid eliminera proteiner som så småningom skulle kunna veckas. Till exempel bryts den långsamt vikande ∆F508-varianten av CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) ned i förtid av ERAD, vilket leder till cystisk fibros (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Andra mänskliga sjukdomar är förknippade med mutationer i ERAD eller själva kvalitetskontrollmaskineriet. Till exempel kan mutationer som påverkar N-länkad glykosylering (en posttranslationell modifiering i ER som är kopplad till kvalitetskontroll och ERAD) orsaka en mängd olika symtom, inklusive dysmorfi, encefalopati och organsjukdomar (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Tillsammans är ett växande antal mänskliga sjukdomar, inklusive neurologiska, respiratoriska, kardiovaskulära och leversjukdomar, bland många andra (Guerriero och Brodsky, 2012; Jucker och Walker, 2013) kopplade till ERAD och proteinkvalitetskontroll i den sekretoriska banan.

Funktionen hos den sekretoriska banan belystes på 1970-talet och i början av 1980-talet. Denna väg kan grovt beskrivas som en ingångsport (ER), mellanliggande enheter (Golgikomplexet och vesiklar) och en utgångsport (plasmamembranet eller det extracellulära utrymmet). Som vi diskuterar nedan ger emellertid de sekretoriska organellerna och vesikulära intermediärerna inte bara en väg för proteiner ut ur cellen eller för att bli inbäddade i lipidbilager i organellerna eller plasmamembranet. Istället spelar dessa kompartment en kritisk roll när det gäller att förbereda sekretoriska proteiner för export och när det gäller deras kvalitetskontroll. Forskningen i detta ämne började med Palades banbrytande användning av radioisotoper för att beskriva vägen (Palade, 1975), Blobels innovativa utveckling av ett cellfritt system för att avslöja de första sekretionssignalerna och receptorerna (Blobel och Dobberstein, 1975) och Schekmans eleganta tillämpning av jästgenetik för att karakterisera de komponenter som utgör den sekretoriska vägen (Novick et al., 1980). I mitten av 1980-talet fokuserade många forskargrupper på att fastställa hur specifika komponenter förmedlar den selektiva respektive icke-selektiva trafiken av proteiner genom ER (Pelham, 1989; Pfeffer och Rothman, 1987; McCracken och Kruse, 1989). Allt fler bevis tydde på att muterade proteiner av medicinsk betydelse ackumuleras i ER (Hurtley och Helenius, 1989; McCracken et al., 1989) och att muterade proteiner som normalt passerar genom ER uppenbarligen vänds om (Cheng et al., 1990; Needham och Brodsky, 2013). Det stod snart klart att muterade ER-proteiner bröts ner (McCracken och Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton och Rine, 1994; Klausner och Sitia, 1990). Eftersom lysosomala/vacuolära enzymer var överflödiga för denna händelse var det frestande att spekulera i att nedbrytningen skedde inom ER. Det fanns dock inga bevis för att det fanns ett proteolytiskt kvalitetskontrollsystem i ER. På grund av osäkerheten kring proteasets natur gav vi denna process namnet ER-associerad nedbrytning, eller ERAD (McCracken och Brodsky, 1996).

Med hjälp av jästgenetik och däggdjurscellsystem, och genom att använda både in vivo- och in vitro-verktyg, framkom övertygande bevis för att det cytosoliska proteasomet tillhandahåller den proteolytiska aktiviteten för 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 och Jentsch, 1993). Denna upptäckt kom som en fullständig överraskning. Även om integrala membranproteiner i ER kunde få tillgång till ett cytosoliskt proteas, var det oväntat att lösliga sekretoriska proteiner också kunde brytas ned av proteasomen. Lösningen på detta problem var att lösliga proteiner erkändes i ER och sedan återfördes till cytosolen via en händelse som kallas ”retrotranslokation” eller ”dislokation”. Under de följande åren har betydande ansträngningar gjorts för att förstå hur olika ERAD-substrat väljs ut, retrotranslokaliseras och riktas till proteasomen.

I slutändan var det uppenbart att ERAD representerade ”en okonventionell väg” (retrotranslokation från ER) till ett ”välbekant öde” (nedbrytning av felaktigt veckade proteiner genom den cytosoliska proteasomen) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Eftersom defekter i ERAD-vägen uppvisade syntetiska, negativa effekter när ER-stressresponsvägar inaktiverades (Travers et al., 2000), blev det också klart att ERAD var en av de två kritiska komponenterna som upprätthåller ER-homeostasen, den andra är det oveckade proteinsvaret (unfolded protein response, UPR) (Walter och Ron, 2011). Tillsammans minimerar ERAD och UPR de potentiellt skadliga effekterna av felveckning av proteiner i den sekretoriska vägen. Trots detta reglerar ERAD-vägen och ERAD-liknande mekanismer också stabiliteten (och därmed aktiviteten) hos funktionella proteiner av vildtyp i den sekretoriska vägen (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) och kan också kapas av patogener (Noack et al., 2014).

I den här artikeln kommer vi att ge en översikt över de processer som formar ett sekretoriskt protein när det färdas genom den tidiga sekretoriska vägen. Under denna resa visar sekretoriska proteiner signaler som scannas av många bindningspartners. Dessa signaler dikterar inte bara om ett protein kommer in i ER, utan också om det ska posttranslationellt modifieras och transporteras till senare kompartment i den sekretoriska vägen, eller om det i stället ska brytas ned. Att dechiffrera denna ”kvalitetskontrollkod” är en kritisk uppgift som pliktskyldigt utförs av ER-proteinernas kvalitetskontrollmekanismer och ERAD. Det bör noteras att merparten av informationen om den sekretoriska vägens funktion och kvalitetskontrollmekanismerna har erhållits genom användning av både jästen Saccharomyces cerevisiae och däggdjursceller. Som väntat är däggdjursystemet mer komplext och därför finns det fler enzymer och chaperoner som är involverade i varje process, och processerna ERAD-L, ERAD-C och ERAD-M, som definierades i jäst, är dåligt definierade i däggdjursceller. De allmänna processerna är dock mycket konserverade och ortologer av de mest relevanta generna som är involverade i dessa processer finns i båda organismerna. Här diskuterar vi båda systemen, anger namnen på ortologerna när de är tillgängliga och påpekar skillnaderna mellan de båda modellerna när det är relevant.