Деградация белков, связанных с эндоплазматической сетью

Деградация белков, связанных с эндоплазматическим ретикулумом ( ERAD ), представляет собой клеточный путь, который нацелен на неправильно свернутые белки эндоплазматического ретикулума для убиквитинирования и последующей деградации с помощью комплекса, расщепляющего белки, называемого протеасомой .

Механизм

Процесс ERAD можно разделить на три этапа:

Распознавание неправильно свернутых или мутировавших белков в эндоплазматическом ретикулуме.

Распознавание неправильно свернутых или мутировавших белков зависит от обнаружения субструктур внутри белков, таких как открытые гидрофобные области, непарные цистеина остатки и незрелые гликаны .

в клетках млекопитающих Например, существует механизм, называемый процессингом гликанов. В этом механизме лектинового типа шапероны кальнексин / кальретикулин (CNX/CRT) предоставляют незрелым гликопротеинам возможность достичь их нативной конформации. Они могут сделать это путем реглюкозилирования этих гликопротеинов с помощью фермента под названием глюкопротеинглюкозилтрансфераза , также известного - UDP как UGGT . Однако терминально неправильно свернутые белки необходимо экстрагировать из CNX/CRT. Это осуществляется членами семейства EDEM (альфа-маннозидазоподобный белок, усиливающий деградацию ER) (EDEM1-3) и ER маннозидазы I. Эта маннозидаза удаляет один остаток маннозы из гликопротеина, и последний распознается EDEM. В конечном итоге EDEM будет нацеливаться на деградацию неправильно свернутых гликопротеинов, способствуя связыванию лектинов ERAD OS9 и XTP3-B. ^{[ 1 ]}

Ретро-транслокация в цитозоль

Поскольку система убиквитин-протеасома (UPS) расположена в цитозоле, окончательно неправильно свернутые белки должны транспортироваться из эндоплазматического ретикулума обратно в цитоплазму. Большинство данных свидетельствуют о том, что убиквитин-белковая лигаза Hrd1 E3 может функционировать как ретротранслокон или дислокон для транспортировки субстратов в цитозоль. Hrd1 не требуется для всех событий ERAD, поэтому вполне вероятно, что в этом процессе участвуют и другие белки. Например, гликозилированные субстраты распознаются лектином E3 Fbs2. ^{[ 2 ]} Кроме того, эта транслокация требует движущей силы, которая определяет направление транспорта. Поскольку полиубиквитинирование необходимо для экспорта субстратов , широко распространено мнение, что эта движущая сила обеспечивается факторами, связывающими убиквитин. Одним из таких факторов, связывающих убиквитин, является комплекс Cdc48p-Npl4p-Ufd1p у дрожжей. У людей есть гомолог Cdc48p, известный как валозин-содержащий белок (VCP/p97), с той же функцией, что и Cdc48p. VCP/p97 транспортирует субстраты из эндоплазматического ретикулума в цитоплазму благодаря своей АТФазной активности.

Убиквитин-зависимая деградация протеасомой

Убиквитинирование окончательно неправильно свернутых белков вызывается каскадом ферментативных реакций. Первая из этих реакций происходит, когда убиквитин-активирующий фермент Е1 гидролизует АТФ и образует высокоэнергетическую тиоэфирную связь между остатком цистеина в его активном центре и С-концом убиквитина. Полученный активированный убиквитин затем передается на Е2, который представляет собой фермент, конъюгирующий убиквитин . Другая группа ферментов, а точнее убиквитиновые протеинлигазы, называемые Е3, связываются с неправильно свернутым белком. Затем они выравнивают белок и E2, тем самым облегчая присоединение убиквитина к остаткам лизина неправильно свернутого белка. После последовательного присоединения молекул убиквитина к остаткам лизина ранее присоединенного убиквитина образуется полиубиквитиновая цепь. Производится полиубиквитинированный белок, который распознается специфическими субъединицами в 19S-кэпирующих комплексах 26S протеасомы. Далее полипептидная цепь подается в центральную камеру 20S сердцевинной области, которая содержит протеолитически активные центры. Убиквитин расщепляется перед терминальным перевариванием деубиквитинирующими ферментами. Этот третий этап очень тесно связан со вторым, поскольку убиквитинирование происходит во время события транслокации. Однако протеасомная деградация происходит в цитоплазме.

Аппарат убиквитинирования ERAD

Кольцевой палец, закрепленный на мембране ЭР, содержит убиквитинлигазы Hrd1 и Doa10, которые являются основными медиаторами убиквитинирования субстрата во время ERAD. Ubc6, закрепленный на хвосте, Мембранный белок а также Ubc1 и Cue1-зависимый мембраносвязанный Ubc7 представляют собой ферменты, конъюгирующие убиквитин, участвующие в ERAD.

Контрольно-пропускные пункты

Поскольку разнообразие ERAD-субстратов огромно, было предложено несколько вариантов механизма ERAD. Действительно, было подтверждено, что растворимые , мембранные и трансмембранные белки распознаются по разным механизмам. Это привело к выявлению трех различных путей, которые фактически представляют собой три контрольно-пропускных пункта.

Первая контрольная точка называется ERAD-C и контролирует состояние сворачивания цитозольных доменов мембранных белков. Если в цитозольных доменах обнаружены дефекты, эта контрольная точка удалит неправильно свернутый белок.
Когда обнаруживается, что цитозольные домены свернуты правильно, мембранный белок перейдет ко второй контрольной точке, где просветные контролируются домены. Эта вторая контрольная точка называется путем ERAD-L. Не только мембранные белки, пережившие первую контрольную точку, контролируются на предмет их просветных доменов, но и растворимые белки проверяются этим путем, поскольку они полностью просветлены и, таким образом, обходят первую контрольную точку. Если обнаруживается поражение просветных доменов, вовлеченный белок подвергается процессингу для ERAD с использованием набора факторов, включая механизм везикулярного транспорта, который транспортирует неправильно свернутые белки из эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи .
Также была описана третья контрольная точка, основанная на проверке трансмембранных доменов белков. Он называется путем ERAD-M, но не очень ясно, в каком порядке его следует располагать по отношению к двум ранее описанным путям.

Заболевания, связанные с нарушением работы ERAD

Поскольку ERAD является центральным элементом секреторного пути, нарушения ее активности могут вызывать ряд заболеваний человека. Эти расстройства можно разделить на две группы.

Первая группа – результат мутаций компонентов ERAD, которые впоследствии теряют свою функцию. Теряя свою функцию, эти компоненты больше не способны стабилизировать аберрантные белки, в результате чего последние накапливаются и повреждают клетку. Примером заболевания, вызванного этой первой группой нарушений, является болезнь Паркинсона . Это вызвано мутацией гена паркина . Паркин представляет собой белок, который функционирует в комплексе с CHIP как убиквитинлигаза и преодолевает накопление и агрегацию неправильно свернутых белков.

[Помимо представленной здесь, существует множество теорий, объясняющих причины болезни Паркинсона. Многие из них можно найти в разделе Википедии, посвященном причинам болезни Паркинсона .]

В отличие от первой группы нарушений, вторая группа вызвана преждевременной деградацией секреторных или мембранных белков. Таким образом, эти белки не могут перемещаться в дистальные отделы, как это происходит при муковисцидозе .

ЕРАД и ВИЧ

Как описано ранее, добавление полиубиквитиновых цепей к субстратам ERAD имеет решающее значение для их экспорта. ВИЧ использует эффективный механизм для вытеснения белка хозяина, охватывающего одну мембрану, CD4 , из ER и передачи его в ERAD. Белок Vpu ВИЧ-1 представляет собой белок мембраны ЭР и нацелен на вновь созданный CD4 в эндоплазматическом ретикулуме для деградации цитозольными протеасомами. ^{[ 3 ]} Vpu использует только часть процесса ERAD для разложения CD4. CD4 обычно является стабильным белком и вряд ли станет мишенью для ERAD. Однако ВИЧ вырабатывает мембранный белок Vpu , который связывается с CD4. Белок Vpu в основном удерживает CD4 в ЭР посредством SCFβ-TrCP-зависимого убиквитинирования цитозольного хвоста CD4 и взаимодействий трансмембранного домена (TMD). ^{[ 3 ]} CD4 Gly415 вносит вклад во взаимодействие CD4-Vpu, несколько механизмов, опосредованных TMD с помощью Vpu ВИЧ-1, необходимы для подавления CD4 и, таким образом, стимулирования вирусного патогенеза. CD4, сохраняющийся в ER, будет мишенью для варианта пути ERAD, а не преимущественно появляться на плазматической мембране без присутствия Vpu через путь RESET. Vpu опосредует задержку CD4 в ER и усиление деградации. Поскольку Vpu фосфорилируется , он имитирует субстраты комплекса E3 SCF. ^βTrCP. В клетках, инфицированных ВИЧ, SCF ^βTrCP взаимодействует с Vpu и убиквитинирует CD4, который впоследствии расщепляется протеасомой. Впу сама спасается от деградации.

Вопросы

Большие открытые вопросы, связанные с ERAD:

Как более точно распознаются неправильно свернутые белки?
Как дифференцируются субстраты ERAD/люминальные субстраты и мембранные субстраты для ретротранслокации?
Сохраняется ли ретротранслокация от дрожжей к человеческой системе?
Каков канал ретротранслокации люминальных белков ЭР?
Какая лигаза Е3 в конечном итоге помечает белки для протеасомной деградации? ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Гройсман Б., Шенкман М., Рон Э., Ледеркремер Г.З. (январь 2011 г.). «Обрезка маннозы необходима для доставки гликопротеина от EDEM1 к XTP3-B и к поздним стадиям деградации, связанной с эндоплазматическим ретикулумом» . Журнал биологической химии . 286 (2): 1292–300. дои : 10.1074/jbc.M110.154849 . ПМК 3020737 . ПМИД 21062743 .
^ Гройсман Б., Авезов Е., Ледеркремер Г.З. (сентябрь 2006 г.). «Убиквитин-лигазы E3 HRD1 и SCFFbs2 распознают белковую часть и сахарные цепи, соответственно, субстрата деградации, связанной с ER». Израильский химический журнал . 46 (2): 189–96. doi : 10.1560/2QPD-9WP9-NCYK-58X3 .
^ Jump up to: ^а ^б Магадан Х.Г., Перес-Виктория Ф.Дж., Сугра Р., Йе Ю., Штребель К., Бонифачино Х.С. (апрель 2010 г.). «Многоуровневый механизм подавления CD4 с помощью Vpu ВИЧ-1, включающий отдельные этапы удержания ER и этапы нацеливания на ERAD» . ПЛОС Патогены . 6 (4): e1000869. дои : 10.1371/journal.ppat.1000869 . ПМЦ 2861688 . ПМИД 20442859 .

Дальнейшее чтение

Магадан Дж.Г., Бонифачино Дж.С. (январь 2012 г.). «Трансмембранные доменные детерминанты подавления CD4 с помощью Vpu ВИЧ-1» . Журнал вирусологии . 86 (2): 757–72. дои : 10.1128/JVI.05933-11 . ПМЦ 3255848 . ПМИД 22090097 .
Мейссер Б., Хирш С., Ярош Э., Зоммер Т. (август 2005 г.). «ERAD: долгий путь к разрушению». Природная клеточная биология . 7 (8): 766–72. дои : 10.1038/ncb0805-766 . ПМИД 16056268 . S2CID 6449806 .
Дин WX, Инь XM (февраль 2008 г.). «Сортировка, распознавание и активация путей деградации неправильно свернутых белков посредством макроаутофагии и протеасомы» . Аутофагия . 4 (2): 141–50. дои : 10.4161/авто.5190 . ПМИД 17986870 .
Вашист С., Нг Д.Т. (апрель 2004 г.). «Неправильно свернутые белки сортируются с помощью механизма последовательного контроля качества ER» . Журнал клеточной биологии . 165 (1): 41–52. дои : 10.1083/jcb.200309132 . ПМК 2172089 . ПМИД 15078901 .
Раддок Л.В., Молинари М. (ноябрь 2006 г.). «Обработка N-гликанов в контроле качества ЭР» . Журнал клеточной науки . 119 (Часть 21): 4373–80. дои : 10.1242/jcs.03225 . ПМИД 17074831 .
Вембар С.С., Бродский Ю.Л. (декабрь 2008 г.). «Шаг за шагом: деградация, связанная с эндоплазматической сетью» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 9 (12): 944–57. дои : 10.1038/nrm2546 . ПМК 2654601 . ПМИД 19002207 .
Беньяр Р., Рон Э., Ледеркремер Г.З. (декабрь 2011 г.). «Контроль качества, удержания и деградации белка в эндоплазматической сети». Международное обозрение клеточной и молекулярной биологии . 292 : 197–280. дои : 10.1016/B978-0-12-386033-0.00005-0 . ISBN 9780123860330 . ПМИД 22078962 .

[pmid21062743-1] Гройсман Б., Шенкман М., Рон Э., Ледеркремер Г.З. (январь 2011 г.). «Обрезка маннозы необходима для доставки гликопротеина от EDEM1 к XTP3-B и к поздним стадиям деградации, связанной с эндоплазматическим ретикулумом» . Журнал биологической химии . 286 (2): 1292–300. дои : 10.1074/jbc.M110.154849 . ПМК 3020737 . ПМИД 21062743 .

[2] Гройсман Б., Авезов Е., Ледеркремер Г.З. (сентябрь 2006 г.). «Убиквитин-лигазы E3 HRD1 и SCFFbs2 распознают белковую часть и сахарные цепи, соответственно, субстрата деградации, связанной с ER». Израильский химический журнал . 46 (2): 189–96. doi : 10.1560/2QPD-9WP9-NCYK-58X3 .

[Magadán_2010-3] Jump up to: ^а ^б Магадан Х.Г., Перес-Виктория Ф.Дж., Сугра Р., Йе Ю., Штребель К., Бонифачино Х.С. (апрель 2010 г.). «Многоуровневый механизм подавления CD4 с помощью Vpu ВИЧ-1, включающий отдельные этапы удержания ER и этапы нацеливания на ERAD» . ПЛОС Патогены . 6 (4): e1000869. дои : 10.1371/journal.ppat.1000869 . ПМЦ 2861688 . ПМИД 20442859 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]