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 mediante un complejo de degradación de proteínas, llamado proteosoma .
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 los mamíferos , por ejemplo, existe un mecanismo llamado procesamiento de glucanos. En este mecanismo, las chaperonas tipo lectina calnexina / calreticulina (CNX/CRT) proporcionan a las glicoproteínas inmaduras la oportunidad de alcanzar su conformación nativa. Pueden hacerlo reglucosilando estas glicoproteínas mediante una enzima llamada UDP - glucosa - glucoproteína 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 la α-manosidasa que mejora la degradación del ER) (EDEM1-3) y ER manosidasa I. Esta manosidasa elimina un residuo de manosa de la glicoproteína y este último es reconocido por EDEM. Con el tiempo, EDEM se dirigirá a 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-proteosoma (UPS) está ubicado en el citosol, las proteínas terminalmente mal plegadas deben transportarse desde el retículo endoplásmico de regreso al citoplasma. La mayoría de la evidencia sugiere que la ubiquitina-proteína ligasa Hrd1 E3 puede funcionar como un retrotranslocón o dislocón para transportar sustratos al citosol. Hrd1 no es necesario 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 motriz que determine la dirección del transporte. Dado que la poliubiquitinación es esencial para la exportación de sustratos , se cree ampliamente que esta fuerza impulsora la proporcionan los factores de unión de ubiquitina. Uno de estos factores de unión a ubiquitina es el complejo Cdc48p-Npl4p-Ufd1p en la levadura. Los humanos tienen el homólogo de Cdc48p conocido como proteína que contiene valosina (VCP/p97) con 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 el 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 luego pasa a E2, que es una enzima conjugadora de ubiquitina . Otro grupo de enzimas, más específicamente las proteínas ligasas de ubiquitina llamadas E3, se unen a la proteína mal plegada. Luego 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 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 proteosoma 26S. A partir de ahora, la cadena polipeptídica se introduce en la cámara central de la región central 20S que contiene los sitios proteolíticamente activos. La ubiquitina se escinde antes de la digestión terminal mediante enzimas desubiquitinantes. Este tercer paso está muy estrechamente asociado con el segundo, ya que la ubiquitinación tiene lugar durante el evento de translocación. Sin embargo, la degradación proteasomal tiene lugar en el citoplasma.
El dedo RING anclado a la membrana del ER que contiene ubiquitina ligasas Hrd1 y Doa10 son los principales mediadores de la ubiquitinación del sustrato durante ERAD. La proteína de membrana anclada en la cola Ubc6, así como Ubc1 y la Ubc7 unida a membrana dependiente de Cue1 son las enzimas conjugadoras de ubiquitina involucradas en ERAD.
Como la variación de los sustratos ERAD es enorme, se han propuesto varias variaciones del mecanismo ERAD. De hecho, se confirmó que las proteínas solubles , de membrana y transmembrana eran reconocidas por mecanismos diferentes. Esto llevó a la identificación de 3 caminos diferentes que constituyen en realidad 3 puntos de control.
Como ERAD es un elemento central de la vía secretora, los trastornos en su actividad pueden causar una variedad de enfermedades humanas. Estos trastornos se pueden clasificar 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, de modo 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 . Es causada por una mutación en el gen parkin . Parkin es una proteína que funciona en complejo con CHIP como 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 se presenta aquí. Muchos de ellos se pueden encontrar en la sección de Wikipedia dedicada a la enfermedad de Parkinson.]
A diferencia de este primer grupo de trastornos, el segundo grupo está causado por la degradación prematura de proteínas secretoras o de membrana. De esta forma, 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 ERAD es crucial para su exportación. El VIH utiliza un mecanismo eficaz para dislocar una proteína huésped que abarca una sola membrana, CD4 , del ER y la envía a ERAD. La proteína Vpu del VIH-1 es una proteína de la membrana del RE y se dirige al CD4 recién formado en el retículo endoplásmico para su degradación por los proteosomas 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 de ERAD. Sin embargo, el VIH produce la proteína de membrana Vpu que se une al 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 contribuye a las interacciones CD4-Vpu; varios mecanismos mediados por TMD por el VIH-1 Vpu son necesarios para regular negativamente el CD4 y así promover la patogénesis viral. El CD4 retenido en el RE será un objetivo para una variante de la vía ERAD 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 ER y la adición de degradación. Como Vpu se fosforila , imita los sustratos del complejo E3 SCF βTrCP . En las células infectadas con VIH, SCF βTrCP interactúa con Vpu y ubiquitina CD4, que posteriormente es degradado por el proteosoma. La propia Vpu escapa a la degradación.
Las grandes preguntas abiertas relacionadas con ERAD son: