Integrerad stressrespons
Det integrerade stresssvaret är ett cellulärt stresssvar bevarat i eukaryota celler som nedreglerar proteinsyntesen och uppreglerar specifika gener som svar på interna eller miljömässiga påfrestningar.
Bakgrund
Den integrerade stressresponsen kan utlösas inom en cell på grund av antingen yttre eller inneboende förhållanden. Extrinsiska faktorer inkluderar hypoxi , aminosyrabrist , glukosbrist , virusinfektion och närvaro av oxidanter . Den huvudsakliga inneboende faktorn är endoplasmatisk retikulumstress på grund av ackumuleringen av oveckade proteiner . Det har också observerats att det integrerade stresssvaret kan utlösas på grund av onkogenaktivering . Den integrerade stressresponsen kommer antingen att orsaka uttryck av gener som fixerar skadan i cellen på grund av de stressande förhållandena, eller så kommer det att orsaka en kaskad av händelser som leder till apoptos , som inträffar när cellen inte kan föras tillbaka till homeostas .
eIF2 proteinkomplex
Stresssignaler kan få proteinkinaser , kända som EIF-2-kinaser , att fosforylera α-subenheten i ett proteinkomplex som kallas translationsinitieringsfaktor 2 (eIF2), vilket resulterar i att genen ATF4 slås på, vilket ytterligare kommer att påverka genuttrycket. eIF2 består av tre underenheter: eIF2α , eIF2β och eIF2γ . eIF2α innehåller två bindningsställen, en för fosforylering och en för RNA-bindning. Kinaserna verkar för att fosforylera serin 51 på α-subenheten, vilket är en reversibel verkan. I en cell som upplever normala förhållanden hjälper eIF2 till att initiera mRNA-translation och känna igen AUG-startkodonet. Men när eIF2α väl är fosforylerad, minskar komplexets aktivitet, vilket orsakar minskning av translationsinitiering och proteinsyntes, samtidigt som uttrycket av ATF4-genen främjas.
Proteinkinaser
Det finns fyra kända proteinkinaser från däggdjur som fosforylerar eIF2α, inklusive PKR-liknande ER-kinas (PERK, EIF2AK3), hemreglerat eIF2α-kinas (HRI, EIF2AK1), allmän kontroll icke-depressibel 2 (GCN2, EIF2AK4) och dubbelsträngat RNA-beroende proteinkinas (PKR, EIF2AK2).
PERK
PERK (kodad hos människor av genen EIF2AK3 ) svarar huvudsakligen på endoplasmatisk retikulumstress och har två aktiveringssätt. Detta kinas har en unik luminal domän som spelar en roll vid aktivering. Den klassiska modellen för aktivering säger att den luminala domänen normalt är bunden till 78 kDa glukosreglerat protein ( GRP78 ). När det väl finns en uppbyggnad av ovikta proteiner, dissocierar GRP78 från den luminala domänen. Detta gör att PERK dimeriseras, vilket leder till autofosforylering och aktivering. Det aktiverade PERK-kinaset kommer sedan att fosforylera eIF2α, vilket orsakar en kaskad av händelser. Aktiveringen av detta kinas är således beroende av aggregeringen av oveckade proteiner i det endoplasmatiska retikulumet. PERK har också observerats aktiveras som svar på aktiviteten hos proto-onkogenen MYC . Denna aktivering orsakar ATF4-uttryck, vilket resulterar i tumörbildning och cellulär transformation .
HRI
HRI (kodad hos människor av genen EIF2AK1 ) dimeriserar också för att autofosforylera och aktivera. Denna aktivering är beroende av förekomsten av hem . HRI har två domäner som hem kan binda till, inklusive en på N-terminalen och en på kinasinsättningsdomänen. Närvaron av hem gör att en disulfidbindning bildas mellan monomererna av HRI, vilket resulterar i strukturen av en inaktiv dimer. Men när hem är frånvarande bildar HRI-monomerer en aktiv dimer genom icke-kovalenta interaktioner. Därför är aktiveringen av detta kinas beroende av hembrist. HRI-aktivering kan också uppstå på grund av andra stressfaktorer som värmechock, osmotisk stress och proteasomhämning. Aktivering av HRI som svar på dessa stressorer beror inte på hem, utan är snarare beroende av hjälp av två värmechockproteiner ( HSP90 och HSP70 ). HRI finns främst i prekursorerna till röda blodkroppar och har observerats öka under erytropoes .
GCN2
GCN2 (kodad hos människor av genen EIF2AK4 ) aktiveras som ett resultat av aminosyrabrist . Mekanismerna kring denna aktivering forskas fortfarande på; dock har en mekanism studerats i jäst. Det observerades att GCN2 binder till oladdat/deacylerat tRNA vilket orsakar en konformationsförändring, vilket resulterar i dimerisering. Dimerisering orsakar då autofosforylering och aktivering. Andra stressfaktorer har också rapporterats aktivera GCN2. GCN2-aktivering observerades i glukosberövade tumörceller, även om det föreslogs att det var en indirekt effekt på grund av att celler använde aminosyror som en alternativ energikälla. I embryonala fibroblastceller från mus och humana keratinocyter aktiverades GCN2 på grund av exponering för UV-ljus . Vägarna för denna aktivering kräver ytterligare forskning, även om flera modeller har föreslagits, inklusive tvärbindning mellan GCN2 och tRNA.
PKR
PKR- aktivering (kodad hos människor av genen EIF2AK2 ) är huvudsakligen beroende av närvaron av dubbelsträngat RNA under en virusinfektion . dsRNA får PKR att bilda dimerer, vilket resulterar i autofosforylering och aktivering. När den väl har aktiverats kommer PKR att fosforylera eIF2α vilket orsakar en kaskad av händelser som resulterar i att viral och värdproteinsyntes hämmas. Andra stressorer som orsakar aktiveringen av PKR inkluderar oxidativ stress , endoplasmatisk retikulumstress, brist på tillväxtfaktorer och bakteriell infektion . Kaspasaktivitet tidigt i apoptos har också observerats trigga aktivering av PKR. Dessa stressorer skiljer sig dock åt genom att de aktiverar PKR utan att använda dsRNA.
ATF4
När en cell utsätts för stressande förhållanden, uttrycks ATF4 -genen. ATF4-transkriptionsfaktorn har förmågan att bilda dimerer med många olika proteiner som påverkar genuttryck och cellöde. ATF4 binder till C/EBP-ATF response element (CARE) sekvenser som arbetar tillsammans för att öka transkriptionen av stress-responsiva gener. Men när de genomgår aminosyrasvält kommer sekvenserna att fungera som aminosyrasvarselement istället.
ATF4 kommer att arbeta tillsammans med andra transkriptionsfaktorer, såsom CHOP och ATF3 , genom att bilda homodimerer eller heterodimerer, vilket resulterar i många observerade effekter. Proteinerna som ATF4 interagerar med bestämmer resultatet av cellen under det integrerade stresssvaret. Till exempel arbetar ATF4 och ATF3 för att etablera homeostas inuti cellen efter stressiga förhållanden. Å andra sidan arbetar ATF4 och CHOP tillsammans för att inducera celldöd, samt reglera aminosyrabiosyntes, transport och metaboliska processer. Närvaron av en leucin blixtlåsdomän ( bZIP ) gör att ATF4 kan arbeta tillsammans med många andra proteiner, vilket skapar specifika svar på olika typer av stressorer. När en cell genomgår stressen av hypoxi, kommer ATF4 att interagera med PHD1 och PHD3 för att minska dess transkriptionsaktivitet. Dessutom, när en cell genomgår aminosyrasvält eller endoplasmatisk retikulumstress, interagerar TRIP3 också med ATF4 för att minska aktiviteten.
Ett resultat av uttryck av ATF4 och stress-responsproteiner är induktionen av autofagi . Under denna process bildar cellen autofagosomer , eller dubbelmembraniga vesiklar, som möjliggör transport av material genom hela cellen. Dessa autofagosomer kan bära onödiga organeller och proteiner, såväl som skadade eller skadliga komponenter i ett försök från cellen att upprätthålla homeostas.
Avbrytande av integrerad stressrespons
För att avsluta den integrerade stressresponsen krävs defosforylering av eIF2α. Proteinfosfatas 1 -komplexet (PP1) hjälper till med defosforyleringen av eIF2α. Detta komplex innehåller en PP1 katalytisk subenhet såväl som två regulatoriska subenheter. Detta komplex regleras negativt av två proteiner: tillväxtstopp och DNA-skada-inducerbart protein (GADD34), även känt som PPP1R15A , eller konstitutiv repressor av eIF2α-fosforylering (CReP), även känd som PPP1R15B . CReP verkar för att hålla nivåerna av eIF2α-fosforylering låga i celler under normala förhållanden. GADD34 produceras som svar på ATF4 och arbetar för att öka defosforyleringen av eIF2α. Defosforyleringen av eIF2α resulterar i återgång av normal proteinsyntes och cellulär funktion. Emellertid kan defosforylering av eIF2α också underlätta produktionen av dödsinducerande proteiner i fall där cellen är så allvarligt skadad att normal funktion inte kan återställas.
Mutationer som påverkar integrerad stressrespons
Mutationer som påverkar funktionen hos den integrerade stressresponsen kan ha försvagande effekter på celler. Till exempel kan celler som saknar ATF4-genen inte framkalla korrekt genuttryck som svar på stressfaktorer. Detta resulterar i att celler uppvisar problem med aminosyratransport, glutationbiosyntes och motstånd mot oxidativ stress. När en mutation hämmar funktionen av PERK, ackumuleras endogena peroxider när cellen upplever endoplasmatisk retikulumstress. Hos möss och människor som saknar PERK har det observerats förstörelse av sekretoriska celler som genomgår hög endoplasmatisk retikulumstress.
Se även
- ISRIB , integrerad stressresponshämmare