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 entre organismos de levadura [1] [3] y gusanos.
La UPR se activa en respuesta a una acumulación de proteínas desplegadas o mal plegadas en la luz del retículo endoplásmico. 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 lapso de tiempo determinado o la disrupción se prolonga, la UPR apunta hacia la apoptosis .
La sobreactivación sostenida de la UPR se ha implicado en enfermedades priónicas , así como en 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 ribosomas han sintetizado los polipéptidos nacientes . Las proteínas destinadas a ser secretadas o clasificadas en otros orgánulos celulares llevan una secuencia señal N-terminal que interactuará con una partícula de reconocimiento de señales (SRP). El 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 pasa 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 implican una variedad de enzimas y chaperonas moleculares para coordinar y regular las reacciones, además de una variedad de sustratos necesarios para que se lleven a cabo las reacciones. 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 proteínas 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 la luz del RE) y calnexina (CNX; unido a membrana). [7] Favorecidas por el ambiente altamente oxidante del RE, las proteínas disulfuro isomerasas facilitan la formación de enlaces disulfuro, que confieren estabilidad estructural a la proteína para que pueda resistir condiciones adversas como pH extremos y enzimas degradativas .
El RE es capaz de reconocer proteínas mal plegadas sin causar 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 que se plega mal se vuelve característicamente desprovista de residuos de glucosa, lo que la identifica y vuelve a glicosilar mediante 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 se unen a 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 siga transitando. y secreción. [9]
Cuando las circunstancias continúan provocando que una proteína en particular se pliegue mal, se reconoce que la proteína representa una amenaza para el funcionamiento adecuado de la sala de emergencias, ya que pueden agregarse entre sí y acumularse. En tales circunstancias, la proteína es guiada a través de la degradación asociada al retículo endoplásmico ( ERAD ). La chaperona EDEM guía la retrotranslocación de la proteína mal plegada hacia el citosol en complejos transitorios con PDI y Grp78. [10] Aquí ingresa a la vía ubiquitina-proteosoma, ya que es marcado por múltiples moléculas de ubiquitina, dirigiéndose a su degradación por los proteosomas citosólicos.
El plegamiento exitoso de proteínas requiere un entorno estrechamente controlado de sustratos que incluyan glucosa para satisfacer los requisitos de energía metabólica de las chaperonas moleculares en funcionamiento; calcio que se almacena unido a chaperonas moleculares residentes; y tampones redox que mantienen el entorno oxidante necesario para la formación de enlaces disulfuro. [11]
El plegamiento fallido de proteínas puede ser causado por HLA-B27 , que altera el equilibrio de importantes proteínas de señalización ( IL-10 y TNF ). Al menos algunas alteraciones dependen del plegamiento correcto de HLA-B27. [12]
Sin embargo, cuando las circunstancias causan una alteración más global del plegamiento de proteínas que abruma los mecanismos de afrontamiento del RE, se activa la UPR.
La chaperona molecular BiP/Grp78 tiene una variedad de funciones dentro del ER. Mantiene proteínas receptoras transmembrana específicas involucradas en el inicio de la señalización aguas abajo de la 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 más BiP/Grp78 disponible para unirse 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 activarse. PERK dimeriza con BiP en células en reposo y oligomeriza en células estresadas por ER.
Aunque éste es el modelo tradicionalmente aceptado, han surgido 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 simplemente 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 lumenal ER de Ire1, provocando 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 Ire1.
Las fases iniciales de la activación del EPU tienen dos funciones clave:
Atenuación de la traducción y detención del ciclo celular por el receptor PERK Esto ocurre minutos u horas después de la activación de la UPR para evitar una mayor carga traslacional del ER. PERK (proteína quinasa quinasa del retículo endoplásmico similar al ARN) se activa mediante oligomerización y autofosforilación del dominio luminal libre. El dominio citosólico activado provoca una atenuación de la traducción al fosforilar directamente la subunidad α del iniciador regulador de la maquinaria de traducción del ARNm, eIF2. [15] Esto también produce una atenuación traslacional de la maquinaria proteica involucrada en el funcionamiento del ciclo celular, produciendo la 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 de la UPR La activación de la UPR también da como resultado una regulación positiva de las proteínas implicadas en el acompañamiento de las proteínas mal plegadas, el plegamiento de proteínas y 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 han sido identificadas como:
El objetivo de estas respuestas es eliminar la carga proteica acumulada y al mismo tiempo prevenir cualquier aumento adicional del estrés, de modo que la función normal del RE pueda restablecerse lo antes posible.
Si la vía UPR se activa de manera anormal, como cuando la obesidad desencadena estrés crónico en el RE y la vía está constitutivamente activa, esto puede conducir a insensibilidad a la señalización de la insulina y, por lo tanto, a resistencia a la insulina. Las personas que padecen obesidad tienen una elevada demanda sobre los sistemas secretores y de 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 posterior del estrés del RE es una disminución significativa en la fosforilación estimulada por la 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 se activa en niveles altos por IRE-1α, que a su vez se fosforila para activarse en presencia de estrés del RE. Posteriormente, JNK fosforila los residuos de serina de IRS-1 y, por 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 de la acción de la insulina inducida por el estrés del RE. [23]
La obesidad proporciona estímulos celulares crónicos para la vía UPR como resultado del estrés y las tensiones impuestas sobre el ER, y sin permitir la restauración de la capacidad de respuesta celular normal a la señalización de la hormona insulina, un individuo tiene muchas probabilidades de desarrollar 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 UPR induzca la expresión de las chaperonas del ER en respuesta al estrés del ER inducido por el ejercicio . La contracción muscular durante el ejercicio hace que se libere calcio del retículo sarcoplásmico (SR), una red de RE especializada en los músculos esqueléticos. Este calcio luego interactúa con la calcineurina y las quinasas dependientes de calcio/calmodulina que a su vez activan los factores de transcripción. Estos factores de transcripción luego proceden a alterar la expresión de genes musculares regulados por el ejercicio. PGC-1alfa , 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 mediante la coactivación de ATF6alfa. Por lo tanto, PGC-1alfa se expresa en los músculos después de un entrenamiento intenso y prolongado. La función de este factor de transcripción es aumentar el número y la función de las mitocondrias, así como inducir un cambio de fibras esqueléticas a fibras musculares oxidativas más lentas, ya que estas son resistentes a la fatiga. Por lo tanto, esta vía UPR media cambios en los músculos que se han sometido a entrenamiento de resistencia haciéndolos más resistentes a la fatiga y protegiéndolos del estrés futuro. [24]
En condiciones de estrés prolongado, el objetivo de la UPR cambia de promover la supervivencia celular a comprometer a la célula con una vía de apoptosis. Se ha identificado que las proteínas aguas abajo de las 3 vías del receptor UPR tienen funciones proapoptóticas. Sin embargo, aún no se ha determinado el punto en el que se activa el "interruptor apoptótico", pero es una consideración lógica que esto debería ser más allá de un cierto período de tiempo en el que no se ha logrado la resolución del estrés. Los dos principales receptores UPR implicados son Ire1 y PERK.
Al unirse con la proteína TRAF2, Ire1 activa una vía de señalización JNK, [25] momento en el cual se cree que la procaspasa 4 humana causa apoptosis al activar las caspasas posteriores.
Aunque se reconoce que PERK produce un bloqueo traduccional, ciertos genes pueden evitar este bloqueo. Un ejemplo importante es que la proteína proapoptótica CHOP ( proteína homóloga de proteína de unión a potenciador/CCAAT ), está regulada 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 una regulación negativa de la proteína mitocondrial antiapoptótica Bcl-2, [27] favoreciendo un impulso proapoptótico en las mitocondrias mediante proteínas que causan daño mitocondrial, liberación de citocromo c y activación de caspasa 3.
Enfermedades
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 . [28]
Se informó que el estrés del retículo endoplásmico 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 ER 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 mecanismo compensatorio en estados patológicos. Por ejemplo, la UPR está regulada positivamente en una forma hereditaria de miocardiopatía dilatada debido a una mutación en el gen que codifica la proteína fosfolambano. [30] Una mayor activación resultó terapéutica en un modelo de células madre pluripotentes inducidas por humanos de miocardiopatía dilatada mutante PLN. [30]