Ovikt proteinsvar

Det oveckade proteinsvaret ( UPR ) är ett cellulärt stresssvar relaterat till endoplasmatiskt retikulum (ER) stress. Det har visat sig vara bevarat mellan däggdjursarter , såväl som jäst- och maskorganismer.

UPR aktiveras som svar på en ackumulering av oveckade eller felveckade proteiner i lumen av det endoplasmatiska retikulum. I det här scenariot har UPR tre syften: initialt att återställa normal funktion av cellen genom att stoppa proteintranslation, degradera felveckade proteiner och aktivera signalvägarna som leder till att öka produktionen av molekylära chaperoner involverade i proteinveckning . Om dessa mål inte uppnås inom en viss tidsperiod eller störningen förlängs, syftar UPR mot apoptos .

Ihållande överaktivering av UPR har varit inblandad i prionsjukdomar såväl som flera andra neurodegenerativa sjukdomar , och inhibering av UPR kan bli en behandling för dessa sjukdomar. Sjukdomar som är mottagliga för UPR-hämning inkluderar Creutzfeldt-Jakobs sjukdom , Alzheimers sjukdom , Parkinsons sjukdom och Huntingtons sjukdom . [ bättre källa behövs ]

Proteinveckning i endoplasmatiskt retikulum

Proteinsyntes

Termen proteinveckning innefattar alla processer som är involverade i produktionen av ett protein efter att de begynnande polypeptiderna har syntetiserats av ribosomerna . Proteinerna som är avsedda att utsöndras eller sorteras till andra cellorganeller bär en N-terminal signalsekvens som kommer att interagera med en signaligenkänningspartikel (SRP). SRP kommer att leda hela komplexet ( ribosom , RNA , polypeptid ) till ER-membranet. När sekvensen har "dockat" fortsätter proteinet translationen, varvid den resulterande strängen matas genom polypeptidtranslokatorn direkt in i ER. Proteinveckning börjar så snart polypeptiden går in i den luminala miljön, även när translationen av den återstående polypeptiden fortsätter.

Proteinvikning och kvalitetskontroll

Proteinveckningssteg involverar en rad enzymer och molekylära chaperoner för att koordinera och reglera reaktioner, förutom en rad substrat som krävs för att reaktionerna ska kunna äga rum. De viktigaste av dessa att notera är N-kopplad glykosylering och bildning av disulfidbindningar. N-kopplad glykosylering sker så snart proteinsekvensen passerar in i ER genom translokonet, där den glykosyleras med en sockermolekyl som bildar nyckelliganden för lektinmolekylerna calreticulin (CRT; lösligt i ER-lumen) och calnexin (CNX; membranbundet). Gynnas av den mycket oxiderande miljön i ER, proteindisulfid-isomeraser bildandet av disulfidbindningar, som ger proteinet strukturell stabilitet för att det ska motstå ogynnsamma förhållanden som extrema pH och nedbrytande enzymer .

ER är kapabelt att känna igen felveckade proteiner utan att orsaka störningar i ER:s funktion. Den förutnämnda sockermolekylen förblir det sätt med vilket cellen övervakar proteinveckning, eftersom det felveckande proteinet blir karakteristiskt fritt från glukosrester och riktar in sig på det för identifiering och återglykosylering av enzymet UGGT (UDP-glukos: glykoprotein glukosyltransferas). Om detta inte lyckas återställa den normala veckningsprocessen, binds exponerade hydrofoba rester av det felveckade proteinet av proteinet glukosreglerande protein 78 (Grp78), en värmechockprotein 70 kDa familjemedlem som förhindrar proteinet från ytterligare transitering och utsöndring.

Där omständigheterna fortsätter att orsaka att ett visst protein felveckas, anses proteinet utgöra ett hot mot ER:s korrekta funktion, eftersom de kan aggregeras till varandra och ackumuleras. Under sådana omständigheter styrs proteinet genom endoplasmatisk retikulum-associerad nedbrytning ( ERAD ). Chaperonen EDEM styr retrotranslokationen av det felveckade proteinet tillbaka in i cytosolen i övergående komplex med PDI och Grp78. Här kommer den in i ubiquitin-proteasom-vägen, eftersom den är taggad av flera ubiquitin-molekyler, och riktar den mot nedbrytning av cytosoliska proteasomer.

Ett förenklat diagram över processerna involverade i proteinveckning. Polypeptiden översätts från sin ribosom direkt till ER, där den glykosyleras och leds genom modifieringssteg för att nå sin önskade konformation. Den transporteras sedan från akuten till Golgi-apparaten för slutliga modifieringar. Där felveckade proteiner kontinuerligt bryter mot kvalitetskontrollen, underlättar chaperoner inklusive Grp78 dess avlägsnande från ER genom retrotranslokation, där det bryts ned av ubiquitin-proteasomvägen som en del av ERAD-systemet.

Framgångsrik proteinveckning kräver en hårt kontrollerad miljö av substrat som inkluderar glukos för att möta de metaboliska energikraven hos de fungerande molekylära chaperonerna; kalcium som lagras bundet till bosatta molekylära chaperoner; och redoxbuffertar som upprätthåller den oxiderande miljö som krävs för bildning av disulfidbindningar.

Misslyckad proteinveckning kan orsakas av HLA-B27 , störande balans mellan viktiga ( IL-10 och TNF ) signalproteiner. Åtminstone vissa störningar är beroende av korrekt HLA-B27-vikning.

Men där omständigheterna orsakar en mer global störning av proteinveckningen som överväldigar akutmottagningens hanteringsmekanismer, aktiveras UPR.

Molekylär mekanism

Initiering

Den molekylära chaperonen BiP/Grp78 har en rad funktioner inom akutmottagningen. Det upprätthåller specifika transmembranreceptorproteiner involverade i initieringen av nedströmssignaleringen av UPR i ett inaktivt tillstånd genom att binda till deras luminala domäner. En överväldigande mängd felveckade proteiner eller helt enkelt överuttryck av proteiner (t.ex. IgG) kräver mer av tillgänglig BiP/Grp78 för att binda till de exponerade hydrofoba regionerna av dessa proteiner, och följaktligen dissocierar BiP/Grp78 från dessa receptorställen för att möta detta krav. Dissociation från de intracellulära receptordomänerna tillåter dem att bli aktiva. PERK dimeriserar med BiP i vilande celler och oligomeriserar i ER-stressade celler.

Även om detta traditionellt är den accepterade modellen, har tvivel väckts om dess giltighet. Det har hävdats att de genetiska och strukturella bevisen som stöder modellen helt enkelt visar att BiP-dissociation bara är korrelerad med Ire1- aktivering, snarare än att specifikt orsaka den. En alternativ modell har föreslagits, där ovikta proteiner interagerar direkt med den ER-lumenala domänen av Ire1, vilket orsakar oligomerisering och transautofosforylering. Men dessa modeller utesluter inte varandra, det är också möjligt att både direkt interaktion av Ire1 med oveckade proteiner och dissosiation av BiP från IRE1 bidrar till aktiveringen av Ire1-vägen.

Funktioner

De inledande faserna av UPR-aktivering har två nyckelroller:

Translationsdämpning och cellcykelstopp av PERK-receptorn Detta inträffar inom minuter till timmar efter UPR-aktivering för att förhindra ytterligare translationell laddning av ER. PERK (proteinkinas RNA-liknande endoplasmatisk retikulumkinas) aktiverar sig själv genom oligomerisering och autofosforylering av den fria luminala domänen. Den aktiverade cytosoliska domänen orsakar translationell försvagning genom att direkt fosforylera α-subenheten av den reglerande initiatorn av mRNA-translationsmaskineriet, eIF2. Detta producerar också translationell försvagning av proteinmaskineriet som är involverat i att köra cellcykeln, vilket producerar cellcykelstopp i G1-fasen. PERK-brist kan ha en betydande inverkan på fysiologiska tillstånd associerade med ER-stress .

Ett förenklat diagram över initieringen av UPR genom långvarig och överväldigande proteinfelveckning. Grp78-rekrytering för att chaperonera de felveckade proteinerna resulterar i Grp78-dissociation från dess konformationella bindningstillstånd för transmembranreceptorproteinerna PERK, IRE1 och ATF6. Dissociation resulterar i receptorhomodimerisering och oligomerisering till ett aktivt tillstånd. Den aktiverade cytosoliska domänen av PERK fosforylerar eIF2alfa, hämmar translation och resulterar i cellcykelstopp. Den aktiverade cytosoliska domänen av IRE1 klyver 26bp-intronet från dess substrat XBP1 , vilket underlättar dess translation för att bilda transkriptionsfaktorn XBP1 . Aktiverad ATF6 translokeras till Golgi, klyvd av proteaser för att bilda ett aktivt 50 kDa-fragment (ATF6 p50). ATF6 p50 och XBP1 binder ERSE-promotorer i kärnan för att producera uppreglering av proteinerna som är involverade i det oveckade proteinsvaret.

Ökad produktion av proteiner involverade i funktionerna för UPR UPR-aktivering resulterar också i uppreglering av proteiner involverade i chaperoning malfolding proteiner, proteinfoldning och ERAD, inklusive ytterligare produktion av Grp78. I slutändan ökar detta cellens molekylära mekanismer genom vilka den kan hantera den felveckade proteinbelastningen. Dessa receptorproteiner har identifierats som:

  • Inositol-krävande kinas 1, vars fria luminala domän aktiverar sig själv genom homodimerisering och transautofosforylering. Den aktiverade domänen kan aktivera transkriptionsfaktorn XBP1 (Xbox-bindande protein) mRNA (däggdjursekvivalenten till jäst Hac1 mRNA) genom klyvning och avlägsnande av en 26bp intron. Den aktiverade transkriptionsfaktorn uppreglerar UPR "stressgener" genom att direkt binda till stresselementpromotorer i kärnan.
  • ATF6 (aktiverande transkriptionsfaktor 6) är en grundläggande leucinblixtlåstranskriptionsfaktor. Vid Grp78-dissociation translokeras hela 90kDa-proteinet till Golgi, där det klyvs av proteaser för att bilda en aktiv 50kDa-transkriptionsfaktor som translokeras till kärnan. Det binder till stresselementpromotorer uppströms gener som är uppreglerade i UPR.

Syftet med dessa svar är att ta bort den ackumulerade proteinbelastningen samtidigt som man förhindrar ytterligare tillskott till stressen, så att normal funktion av ER kan återställas så snart som möjligt.

Om UPR-vägen aktiveras på ett onormalt sätt, som när fetma utlöser kronisk ER-stress och vägen är konstitutivt aktiv, kan detta leda till okänslighet för insulinsignalering och därmed insulinresistens. Individer som lider av fetma har ett ökat krav på sekretions- och syntessystemen i sina celler. Detta aktiverar cellulär stresssignalering och inflammatoriska vägar på grund av de onormala tillstånden som stör ER-homeostasen.

En nedströms effekt av ER-stressen är en signifikant minskning av insulinstimulerad fosforylering av tyrosinrester av insulinreceptorsubstrat (IRS-1), som är substratet för insulintyrosinkinas (insulinreceptorn). C-Jun N-terminalt kinas (JNK) aktiveras också vid höga nivåer av IRE-1α, som i sig fosforyleras för att aktiveras i närvaro av ER-stress. Därefter fosforylerar JNK serinrester av IRS-1 och hämmar därmed insulinreceptorsignalering. IRE-1α rekryterar också tumörnekrosfaktorreceptorassocierad faktor 2 ( TRAF2 ). Denna kinaskaskad som är beroende av IRE-1α och JNK förmedlar ER-stressinducerad hämning av insulinverkan.

Fetma ger kroniska cellulära stimuli för UPR-vägen som ett resultat av de påfrestningar och påfrestningar som utsätts för akuten, och utan att tillåta återställande till normal cellulär känslighet för insulinhormonsignalering, är det mycket troligt att en individ utvecklar typ 2-diabetes.

Skelettmusklerna är känsliga för fysiologisk stress, eftersom träning kan försämra ER-homeostasen. Detta gör att uttrycket av ER-chaperoner induceras av UPR som svar på den träningsinducerade ER-stressen . Muskelsammandragning under träning gör att kalcium frigörs från det sarkoplasmatiska reticulum (SR), ett specialiserat ER-nätverk i skelettmuskler. Detta kalcium interagerar sedan med kalcineurin och kalcium/kalmodulinberoende kinaser som i sin tur aktiverar transkriptionsfaktorer. Dessa transkriptionsfaktorer fortsätter sedan att förändra uttrycket av träningsreglerade muskelgener. PGC-1alpha , en transkriptionskoaktivator, är en nyckeltranskriptionsfaktor som är involverad i att förmedla UPR på ett vävnadsspecifikt sätt i skelettmuskler genom att samaktivera ATF6alpha. Därför kommer PGC-1alfa till uttryck i muskler efter akut och långvarig träning. Funktionen av denna transkriptionsfaktor är att öka antalet och funktionen av mitokondrier, samt att inducera ett byte av skelettfibrer för att bromsa oxidativa muskelfibrer, eftersom dessa är utmattningsresistenta. Därför förmedlar denna UPR-väg förändringar i muskler som har genomgått uthållighetsträning genom att göra dem mer motståndskraftiga mot trötthet och skydda dem från framtida stress.

Initierar apoptos

Under tillstånd av långvarig stress ändras målet för UPR från att vara ett som främjar cellulär överlevnad till ett som förbinder cellen till en väg av apoptos. Proteiner nedströms alla 3 UPR-receptorvägarna har identifierats ha pro-apoptotiska roller. Den punkt vid vilken den "apoptotiska omkopplaren" aktiveras har dock ännu inte fastställts, men det är ett logiskt övervägande att detta bör vara längre än en viss tidsperiod under vilken upplösning av stressen inte har uppnåtts. De två huvudsakliga inblandade UPR-receptorerna är Ire1 och PERK.

Genom att binda till proteinet TRAF2 aktiverar Ire1 en JNK-signalväg, vid vilken punkt humant prokaspas 4 tros orsaka apoptos genom att aktivera nedströms kaspaser.

Även om PERK är känt för att producera ett translationsblock, kan vissa gener kringgå detta block. Ett viktigt exempel är att det proapoptotiska proteinet CHOP ( CCAAT/-enhancer-bindande protein homologt protein ), är uppreglerat nedströms om bZIP-transkriptionsfaktorn ATF4 (aktiverande transkriptionsfaktor 4) och är unikt känslig för ER-stress. CHOP orsakar nedreglering av det anti-apoptotiska mitokondriella proteinet Bcl-2, vilket gynnar en pro-apoptotisk drift vid mitokondrierna av proteiner som orsakar mitokondriell skada, cytokrom c-frisättning och kaspas 3-aktivering.

Sjukdomar

Sjukdomar som är mottagliga för UPR-hämning inkluderar Creutzfeldt-Jakobs sjukdom , Alzheimers sjukdom , Parkinsons sjukdom och Huntingtons sjukdom .

Endoplasmatisk retikulumstress rapporterades spela en viktig roll i induktion och progression av icke-alkoholisk fettleversjukdom ( NAFLD). Råttor som matats med hög fetthalt visade ökade ER-stressmarkörer CHOP , XBP1 och GRP78 . ER-stress är känt för att aktivera leverns de novo lipogenes, hämma VLDL-sekretion, främja insulinresistens och inflammatorisk process och främja cellapoptos. Således ökar nivån av fettackumulering och förvärrar NAFLD till ett allvarligare levertillstånd. Zingiber officinale (ingefära) extrakt och omega-3-fettsyror rapporterades förbättra endoplasmatisk retikulumstress i en icke-alkoholisk fettleverråttmodell.

Som nämnts ovan kan UPR även aktiveras som en kompensatorisk mekanism vid sjukdomstillstånd. Till exempel är UPR uppreglerad i en ärftlig form av dilaterad kardiomyopati på grund av en mutation i genen som kodar för Phospholamban-proteinet. Ytterligare aktivering visade sig vara terapeutisk i en humaninducerad pluripotent stamcellsmodell av PLN-mutant dilaterad kardiomyopati.

Kemiska inducerare

Biologiska inducerare

  • Denguevirus inducerar PERK-beroende ER-stress som en del av virusinducerat svar i infekterade celler för att gynna replikation.
  • Influensavirus kräver endoplasmatiskt retikulumprotein 57-kD (ERp57) för replikation och apoptosinduktion i infekterade celler.

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Unfolded_protein_response&oldid=1138876091 "