La respuesta de proteína desplegada ( UPR ) es una respuesta de estrés celular relacionada con el estrés del retículo endoplásmico (RE). [1] Se ha descubierto que se conserva entre especies de mamíferos , [2] así como en levaduras [1] [3] y organismos de gusanos.
La UPR se activa en respuesta a una acumulación de proteínas desdobladas o mal plegadas en el lumen del retículo endoplasmático. En este escenario, la UPR tiene tres objetivos: inicialmente restaurar la función normal de la célula deteniendo la traducción de proteínas , degradando las proteínas mal plegadas y activando las vías de señalización que conducen a aumentar la producción de chaperonas moleculares involucradas en el plegamiento de proteínas . Si estos objetivos no se logran en un cierto lapso de tiempo o la interrupción se prolonga, la UPR apunta hacia la apoptosis .
La sobreactivación sostenida de la UPR se ha relacionado con enfermedades priónicas , así como con varias otras enfermedades neurodegenerativas , y la inhibición de la UPR podría convertirse en un tratamiento para esas enfermedades. [4] Las enfermedades susceptibles de inhibición de la UPR incluyen la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob , la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington . [5] [6]
El término plegamiento de proteínas incorpora todos los procesos involucrados en la producción de una proteína después de que los polipéptidos nacientes hayan sido sintetizados por los ribosomas . Las proteínas destinadas a ser secretadas o clasificadas a otros orgánulos celulares llevan una secuencia de señal N-terminal que interactuará con una partícula de reconocimiento de señal (SRP). La SRP conducirá todo el complejo ( ribosoma , ARN , polipéptido ) a la membrana del RE. Una vez que la secuencia se ha "acoplado", la proteína continúa la traducción, y la cadena resultante se alimenta a través del translocador de polipéptidos directamente al RE. El plegamiento de proteínas comienza tan pronto como el polipéptido ingresa al entorno luminal, incluso mientras continúa la traducción del polipéptido restante.
Los pasos de plegamiento de proteínas involucran una variedad de enzimas y chaperonas moleculares para coordinar y regular las reacciones, además de una variedad de sustratos necesarios para que las reacciones tengan lugar. Los más importantes a tener en cuenta son la glicosilación ligada a N y la formación de enlaces disulfuro. La glicosilación ligada a N ocurre tan pronto como la secuencia de proteína pasa al RE a través del translocón , donde se glicosila con una molécula de azúcar que forma el ligando clave para las moléculas de lectina calreticulina (CRT; soluble en el lumen del RE) y calnexina (CNX; unida a la membrana). [7] Favorecidas por el entorno altamente oxidante del RE, las isomerasas disulfuro de proteínas facilitan la formación de enlaces disulfuro, que confieren estabilidad estructural a la proteína para que resista condiciones adversas como extremos de pH y enzimas degradativas .
El RE es capaz de reconocer proteínas mal plegadas sin causar una interrupción en el funcionamiento del RE. La molécula de azúcar antes mencionada sigue siendo el medio por el cual la célula monitorea el plegamiento de proteínas, ya que la proteína mal plegada se vuelve característicamente desprovista de residuos de glucosa, y se dirige a ella para su identificación y re-glicosilación por la enzima UGGT (UDP-glucosa:glicoproteína glucosiltransferasa). [7] Si esto no logra restaurar el proceso de plegamiento normal, los residuos hidrofóbicos expuestos de la proteína mal plegada son unidos por la proteína reguladora de glucosa 78 (Grp78), un miembro de la familia de proteínas de choque térmico de 70 kDa [8] que evita que la proteína continúe su tránsito y secreción. [9]
Cuando las circunstancias continúan causando que una proteína particular se pliegue incorrectamente, la proteína se reconoce como una amenaza para el funcionamiento adecuado del RE, ya que pueden agregarse entre sí y acumularse. En tales circunstancias, la proteína es guiada a través de la degradación asociada al retículo endoplasmático ( ERAD ). La chaperona EDEM guía la retrotranslocación de la proteína mal plegada de regreso al citosol en complejos transitorios con PDI y Grp78. [10] Aquí ingresa a la vía ubiquitina-proteasoma, ya que está marcada por múltiples moléculas de ubiquitina, dirigiéndola para su degradación por proteasomas citosólicos.
El plegamiento exitoso de proteínas requiere un entorno estrictamente controlado de sustratos que incluyen glucosa para satisfacer los requisitos de energía metabólica de las chaperonas moleculares funcionales; calcio que se almacena unido a las chaperonas moleculares residentes; y tampones redox que mantienen el entorno oxidante necesario para la formación de enlaces disulfuro. [11]
El plegamiento de proteínas no exitoso puede ser causado por HLA-B27 , que altera el equilibrio de proteínas de señalización importantes ( IL-10 y TNF ). Al menos algunas alteraciones dependen del plegamiento correcto de HLA-B27. [12]
Sin embargo, cuando las circunstancias provocan una alteración más global del plegamiento de proteínas que sobrepasa los mecanismos de afrontamiento del RE, se activa la UPR.
La chaperona molecular BiP/Grp78 tiene una variedad de funciones dentro del RE. Mantiene proteínas receptoras transmembrana específicas involucradas en la iniciación de la señalización descendente del UPR en un estado inactivo mediante la unión a sus dominios luminales. Una carga abrumadora de proteínas mal plegadas o simplemente la sobreexpresión de proteínas (por ejemplo, IgG) [13] requiere que más BiP/Grp78 disponible se una a las regiones hidrofóbicas expuestas de estas proteínas y, en consecuencia, BiP/Grp78 se disocia de estos sitios receptores para cumplir con este requisito. La disociación de los dominios receptores intracelulares les permite volverse activos. PERK dimeriza con BiP en células en reposo y oligomeriza en células estresadas por el RE.
Aunque este es el modelo tradicionalmente aceptado, se han planteado dudas sobre su validez. Se ha argumentado que la evidencia genética y estructural que respalda el modelo simplemente muestra que la disociación de BiP está meramente correlacionada con la activación de Ire1 , en lugar de causarla específicamente. [14] Se ha propuesto un modelo alternativo, mediante el cual las proteínas desplegadas interactúan directamente con el dominio luminal del RE de Ire1, causando oligomerización y transautofosforilación. [14] Sin embargo, estos modelos no son mutuamente excluyentes, también es posible que tanto la interacción directa de Ire1 con proteínas desplegadas como la disociación de BiP de IRE1 contribuyan a la activación de la vía de Ire1.
Las fases iniciales de activación de la UPR tienen dos funciones clave:
Atenuación de la traducción y detención del ciclo celular por el receptor PERK Esto ocurre en cuestión de minutos a horas después de la activación de UPR para evitar una mayor carga traduccional del RE. PERK (proteína quinasa quinasa del retículo endoplásmico similar al ARN) se activa por oligomerización y autofosforilación del dominio luminal libre. El dominio citosólico activado causa atenuación traduccional al fosforilar directamente la subunidad α del iniciador regulador de la maquinaria de traducción del ARNm, eIF2. [15] Esto también produce atenuación traduccional de la maquinaria proteica involucrada en el funcionamiento del ciclo celular, produciendo detención del ciclo celular en la fase G1. [16] La deficiencia de PERK puede tener un impacto significativo en los estados fisiológicos asociados con el estrés del RE .
Aumento de la producción de proteínas implicadas en las funciones del UPR La activación del UPR también produce una regulación positiva de las proteínas implicadas en el acompañamiento de las proteínas mal plegadas, el plegamiento de proteínas y el ERAD, incluida una mayor producción de Grp78. En última instancia, esto aumenta los mecanismos moleculares de la célula mediante los cuales puede lidiar con la carga de proteínas mal plegadas. Estas proteínas receptoras se han identificado como:
El objetivo de estas respuestas es eliminar la carga de proteínas acumulada y, al mismo tiempo, evitar que se añada más estrés, de modo que se pueda restablecer la función normal del RE lo antes posible.
Si la vía UPR se activa de forma anormal, como cuando la obesidad desencadena un estrés crónico del RE y la vía está activa de forma constitutiva, esto puede provocar insensibilidad a la señalización de la insulina y, por lo tanto, resistencia a la insulina. Las personas que padecen obesidad tienen una mayor demanda de los sistemas de secreción y síntesis de sus células. Esto activa la señalización del estrés celular y las vías inflamatorias debido a las condiciones anormales que alteran la homeostasis del RE.
Un efecto secundario del estrés del RE es una disminución significativa en la fosforilación estimulada por insulina de los residuos de tirosina del sustrato del receptor de insulina (IRS-1), que es el sustrato de la insulina tirosina quinasa (el receptor de insulina). La quinasa N-terminal C-Jun (JNK) también es activada en niveles altos por IRE-1α, que a su vez es fosforilada para activarse en presencia de estrés del RE. Posteriormente, JNK fosforila residuos de serina de IRS-1 y, por lo tanto, inhibe la señalización del receptor de insulina. IRE-1α también recluta el factor 2 asociado al receptor del factor de necrosis tumoral ( TRAF2 ). Esta cascada de quinasas que depende de IRE-1α y JNK media la inhibición inducida por el estrés del RE de la acción de la insulina. [23]
La obesidad proporciona estímulos celulares crónicos para la vía UPR como resultado de las tensiones y presiones que se ejercen sobre el RE, y sin permitir la restauración de la capacidad de respuesta celular normal a la señalización de la hormona insulina, es muy probable que un individuo desarrolle diabetes tipo 2.
Los músculos esqueléticos son sensibles al estrés fisiológico, ya que el ejercicio puede alterar la homeostasis del RE. Esto hace que la expresión de chaperonas del RE sea inducida por la UPR en respuesta al estrés del RE inducido por el ejercicio . La contracción muscular durante el ejercicio hace que se libere calcio del retículo sarcoplásmico (SR), una red especializada del RE en los músculos esqueléticos. Este calcio luego interactúa con la calcineurina y las quinasas dependientes de calcio/calmodulina que a su vez activan factores de transcripción. Estos factores de transcripción luego proceden a alterar la expresión de genes musculares regulados por el ejercicio. PGC-1alpha , un coactivador transcripcional, es un factor de transcripción clave involucrado en la mediación de la UPR de una manera específica de tejido en los músculos esqueléticos al coactivar ATF6alpha. Por lo tanto, PGC-1alpha se expresa en los músculos después del entrenamiento físico agudo y de largo plazo. La función de este factor de transcripción es aumentar el número y la función de las mitocondrias, así como inducir un cambio de las fibras esqueléticas a fibras musculares oxidativas lentas, ya que estas son resistentes a la fatiga. Por lo tanto, esta vía UPR media los cambios en los músculos que han sufrido un entrenamiento de resistencia haciéndolos más resistentes a la fatiga y protegiéndolos del estrés futuro. [24]
En condiciones de estrés prolongado, el objetivo del UPR cambia de ser el de promover la supervivencia celular a uno que comprometa a la célula a una vía de apoptosis. Se ha identificado que las proteínas que se encuentran aguas abajo de las tres vías del receptor UPR tienen funciones proapoptóticas. Sin embargo, todavía no se ha determinado el punto en el que se activa el "interruptor apoptótico", pero es lógico pensar que esto debería ocurrir después de un cierto período de tiempo en el que no se ha logrado la resolución del estrés. Los dos principales receptores UPR involucrados son Ire1 y PERK.
Al unirse con la proteína TRAF2, Ire1 activa una vía de señalización JNK, [25] momento en el que se cree que la procaspasa 4 humana causa apoptosis al activar las caspasas posteriores.
Aunque se sabe que PERK produce un bloqueo de la traducción, ciertos genes pueden evitar este bloqueo. Un ejemplo importante es que la proteína proapoptótica CHOP ( proteína homóloga de la proteína de unión al potenciador CCAAT ), se regula positivamente aguas abajo del factor de transcripción bZIP ATF4 (factor de transcripción activador 4) y responde de manera única al estrés del RE. [26] CHOP provoca la regulación negativa de la proteína mitocondrial antiapoptótica Bcl-2, [27] favoreciendo un impulso proapoptótico en las mitocondrias por proteínas que causan daño mitocondrial, liberación de citocromo c y activación de la caspasa 3.
Enfermedades
Las enfermedades que pueden inhibirse mediante la UPR incluyen la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob , la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington . [28]
Se ha informado que el estrés del retículo endoplasmático desempeña un papel importante en la inducción y progresión de la enfermedad del hígado graso no alcohólico (NAFLD). Las ratas alimentadas con una dieta rica en grasas mostraron un aumento de los marcadores de estrés del RE CHOP , XBP1 y GRP78 . Se sabe que el estrés del RE activa la lipogénesis hepática de novo, inhibe la secreción de VLDL, promueve la resistencia a la insulina y el proceso inflamatorio y promueve la apoptosis celular. Por lo tanto, aumenta el nivel de acumulación de grasa y empeora la NAFLD a un estado hepático más grave. [29] Se informó que el extracto de Zingiber officinale (jengibre) y los ácidos grasos omega-3 mejoran el estrés del retículo endoplasmático en un modelo de rata con hígado graso no alcohólico. [29]
Como se indicó anteriormente, la UPR también puede activarse como un mecanismo compensatorio en estados patológicos. Por ejemplo, la UPR se regula positivamente en una forma hereditaria de miocardiopatía dilatada debido a una mutación en el gen que codifica la proteína Phospholamban. [30] Una mayor activación resultó terapéutica en un modelo de células madre pluripotentes inducidas humanas de miocardiopatía dilatada con mutación PLN. [30]