Degradación de proteínas asociada al retículo endoplásmico

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La degradación de proteínas asociada al retículo endoplásmico ( ERAD ) designa una vía celular que se dirige a las proteínas mal plegadas del retículo endoplásmico para su ubiquitinación y posterior degradación por un complejo degradador de proteínas, llamado proteasoma .

El proceso de ERAD se puede dividir en tres pasos:

El reconocimiento de proteínas mal plegadas o mutadas depende de la detección de subestructuras dentro de las proteínas, como regiones hidrofóbicas expuestas , residuos de cisteína desapareados y glicanos inmaduros .

En las células de mamíferos , por ejemplo, existe un mecanismo llamado procesamiento de glicano. En este mecanismo, las chaperonas de tipo lectina calnexina / calreticulina (CNX/CRT) brindan a las glicoproteínas inmaduras la oportunidad de alcanzar su conformación nativa. Pueden hacerlo mediante la reglucosilación de estas glicoproteínas por una enzima llamada UDP - glucosa - glicoproteína glucosiltransferasa también conocida como UGGT . Sin embargo, las proteínas terminalmente mal plegadas deben extraerse de CNX/CRT. Esto lo llevan a cabo miembros de la familia EDEM (proteína similar a α-manosidasa que mejora la degradación del ER) (EDEM1-3) y la manonosidasa I del ER. Esta manosidasa elimina un residuo de manosa de la glicoproteína y este último es reconocido por EDEM. Finalmente, EDEM dirigirá las glicoproteínas mal plegadas para su degradación facilitando la unión de las lectinas ERAD OS9 y XTP3-B. ^[1]

Debido a que el sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) se encuentra en el citosol, las proteínas mal plegadas terminalmente tienen que ser transportadas desde el retículo endoplásmico de regreso al citoplasma. La mayoría de las evidencias sugieren que la ligasa de ubiquitina-proteína Hrd1 E3 puede funcionar como un retrotranslocón o dislocón para transportar sustratos al citosol. Hrd1 no es necesaria para todos los eventos ERAD, por lo que es probable que otras proteínas contribuyan a este proceso. Por ejemplo, los sustratos glicosilados son reconocidos por la lectina E3 Fbs2. ^[2] Además, esta translocación requiere una fuerza impulsora que determine la dirección del transporte. Dado que la poliubiquitinación es esencial para la exportación de sustratos , se cree ampliamente que esta fuerza impulsora es proporcionada por los factores de unión a la ubiquitina. Uno de estos factores de unión a la ubiquitina es el complejo Cdc48p-Npl4p-Ufd1p en la levadura. Los humanos tenemos un homólogo de Cdc48p, conocido como proteína que contiene valosina (VCP/p97), que tiene la misma función que Cdc48p. VCP/p97 transporta sustratos desde el retículo endoplásmico al citoplasma con su actividad ATPasa.

La ubiquitinación de proteínas mal plegadas terminalmente es causada por una cascada de reacciones enzimáticas . La primera de estas reacciones tiene lugar cuando la enzima activadora de ubiquitina E1 hidroliza ATP y forma un enlace tioéster de alta energía entre un residuo de cisteína en su sitio activo y el extremo C de la ubiquitina. La ubiquitina activada resultante pasa luego a E2, que es una enzima conjugadora de ubiquitina . Otro grupo de enzimas, más específicamente las ligasas de proteína ubiquitina llamadas E3, se unen a la proteína mal plegada. A continuación, alinean la proteína y E2, facilitando así la unión de la ubiquitina a los residuos de lisina de la proteína mal plegada. Tras la adición sucesiva de moléculas de ubiquitina a los residuos de lisina de la ubiquitina previamente unida, se forma una cadena de poliubiquitina. Se produce una proteína poliubiquitinada que es reconocida por subunidades específicas en los complejos de protección 19S del proteasoma 26S. A continuación, la cadena polipeptídica se introduce en la cámara central de la región central 20S que contiene los sitios proteolíticos activos. La ubiquitina se escinde antes de la digestión terminal por enzimas desubiquitinantes. Este tercer paso está muy relacionado con el segundo, ya que la ubiquitinación tiene lugar durante el evento de translocación. Sin embargo, la degradación proteosomal tiene lugar en el citoplasma.

Las ligasas de ubiquitina Hrd1 y Doa10, ancladas a la membrana del ER, que contienen el dedo RING, son los principales mediadores de la ubiquitinación del sustrato durante la ERAD. La proteína de membrana anclada a la cola Ubc6, así como Ubc1 y la proteína de membrana dependiente de Cue1 Ubc7 son las enzimas conjugadoras de ubiquitina involucradas en la ERAD.

Como la variación de los sustratos de ERAD es enorme, se han propuesto varias variaciones del mecanismo de ERAD. De hecho, se confirmó que las proteínas solubles , de membrana y transmembrana eran reconocidas por diferentes mecanismos. Esto condujo a la identificación de 3 vías diferentes que constituyen, de hecho, 3 puntos de control.

• El primer punto de control se denomina ERAD-C y controla el estado de plegamiento de los dominios citosólicos de las proteínas de membrana. Si se detectan defectos en los dominios citosólicos, este punto de control eliminará la proteína mal plegada.
• Cuando se descubre que los dominios citosólicos están correctamente plegados, la proteína de membrana pasará a un segundo punto de control donde se monitorean los dominios luminales . Este segundo punto de control se llama vía ERAD-L. No solo se controlan las proteínas de membrana que sobreviven al primer punto de control para sus dominios luminales, sino que también se inspeccionan las proteínas solubles por esta vía, ya que son completamente luminales y, por lo tanto, pasan por alto el primer punto de control. Si se detecta una lesión en los dominios luminales, la proteína involucrada se procesa para ERAD utilizando un conjunto de factores que incluyen la maquinaria de tráfico vesicular que transporta proteínas mal plegadas desde el retículo endoplasmático hasta el aparato de Golgi .
• También se ha descrito un tercer punto de control que se basa en la inspección de los dominios transmembrana de las proteínas. Se denomina vía ERAD-M, pero no está muy claro en qué orden debe colocarse con respecto a las dos vías descritas anteriormente.

Como la ERAD es un elemento central de la vía secretora, los trastornos en su actividad pueden causar una variedad de enfermedades humanas. Estos trastornos pueden clasificarse en dos grupos.

El primer grupo es el resultado de mutaciones en los componentes de ERAD, que posteriormente pierden su función. Al perder su función, estos componentes ya no son capaces de estabilizar las proteínas aberrantes, por lo que estas últimas se acumulan y dañan la célula. Un ejemplo de enfermedad causada por este primer grupo de trastornos es la enfermedad de Parkinson . Está causada por una mutación en el gen parkin . La parkin es una proteína que funciona en complejo con CHIP como una ubiquitina ligasa y supera la acumulación y agregación de proteínas mal plegadas.

[Existen numerosas teorías que abordan las causas de la enfermedad de Parkinson, además de la que aquí se presenta. Muchas de ellas se pueden encontrar en la sección de Wikipedia dedicada a las causas de la enfermedad de Parkinson .]

A diferencia de este primer grupo de trastornos, el segundo grupo se produce por una degradación prematura de las proteínas secretoras o de membrana, de modo que estas proteínas no consiguen desplegarse hacia los compartimentos distales, como ocurre en la fibrosis quística .

Como se describió anteriormente, la adición de cadenas de poliubiquitina a los sustratos de ERAD es crucial para su exportación. El VIH utiliza un mecanismo eficiente para dislocar una proteína huésped que abarca una sola membrana, CD4 , del RE y la envía a ERAD. La proteína Vpu del VIH-1 es una proteína en la membrana del RE y se dirige al CD4 recién fabricado en el retículo endoplásmico para su degradación por los proteasomas citosólicos. ^[3] Vpu solo utiliza parte del proceso ERAD para degradar CD4. CD4 normalmente es una proteína estable y no es probable que sea un objetivo para ERAD. Sin embargo, el VIH produce la proteína de membrana Vpu que se une a CD4. La proteína Vpu retiene principalmente el CD4 en el RE mediante la ubiquitinación dependiente de SCFβ-TrCP de la cola citosólica de CD4 y las interacciones del dominio transmembrana (TMD). ^[3] El CD4 Gly415 es un contribuyente a las interacciones CD4-Vpu, varios mecanismos mediados por TMD por Vpu del VIH-1 son necesarios para regular negativamente el CD4 y así promover la patogénesis viral. El CD4 retenido en el RE será un objetivo para una vía ERAD variante en lugar de aparecer predominantemente en la membrana plasmática sin la presencia de Vpu a través de la vía RESET. Vpu media la retención de CD4 en el RE y la adición de degradación. A medida que Vpu se fosforila , imita sustratos para el complejo E3 SCF ^βTrCP . En las células que están infectadas con VIH, SCF ^βTrCP interactúa con Vpu y ubiquitina CD4, que posteriormente es degradado por el proteasoma. Vpu en sí escapa a la degradación.

Las grandes preguntas abiertas relacionadas con ERAD son:

• ¿Cómo se reconocen de forma más específica las proteínas mal plegadas?
• ¿Cómo se diferencian los sustratos ERAD/sustratos luminales y los sustratos de membrana para la retrotranslocación?
• ¿Se conserva la retrotranslocación desde la levadura al sistema humano?
• ¿Cuál es el canal para la retrotranslocación de las proteínas del RE luminal?
• ¿Qué ligasa E3 marca finalmente las proteínas para la degradación proteosomal? ^{[ cita requerida ]}

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