Degradación de proteínas asociada al retículo endoplásmico

La degradación de proteínas asociada al retículo endoplasmático (ERAD) designa una vía celular que tiene como objetivo las proteínas mal plegadas del retículo endoplasmático para su ubiquitinación y posterior degradación por un complejo degradador de proteínas, llamado proteasoma.

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 glicano. En este mecanismo, las chaperonas de tipo lectina calnexina/calreticulina (CNX/CRT) brindan a las glicoproteínas inmaduras la oportunidad de alcanzar su conformación nativa. Pueden hacerlo mediante la reglucosilación de estas glicoproteínas por una enzima llamada UDP-glucosa-glicoproteína glucosiltransferasa, también conocida como UGGT. Sin embargo, las proteínas mal plegadas terminalmente deben extraerse de CNX/CRT. Esto lo llevan a cabo miembros de la familia EDEM (proteína similar a α-manosidasa que mejora la degradación del ER) (EDEM1-3) y la manosidasa I del ER. Esta manosidasa elimina un residuo de manosa de la glicoproteína y este último es reconocido por EDEM. Finalmente, EDEM dirigirá las glicoproteínas mal plegadas para su degradación facilitando la unión de las lectinas ERAD OS9 y XTP3-B.

Dado que el sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) se encuentra en el citosol, las proteínas mal plegadas terminalmente deben transportarse desde el retículo endoplasmático de regreso al citoplasma. La mayoría de las evidencias sugieren que la ligasa de ubiquitina-proteína Hrd1 E3 puede funcionar como un retrotranslocón o dislocón para transportar sustratos al citosol. Hrd1 no es necesaria 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. Además, esta translocación requiere una fuerza impulsora 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 a la ubiquitina. Uno de estos factores de unión a la ubiquitina es el complejo Cdc48p-Npl4p-Ufd1p en la levadura. Los humanos tienen un homólogo de Cdc48p, conocido como proteína que contiene valosina (VCP/p97), que tiene la misma función que Cdc48p. La VCP/p97 transporta sustratos desde el retículo endoplasmático hasta el citoplasma con su actividad ATPasa.

La ubiquitinación de las proteínas mal plegadas terminalmente es causada por una cascada de reacciones enzimáticas. La primera de estas reacciones tiene lugar cuando la enzima activadora de la 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 pasa entonces a E2, que es una enzima conjugadora de la ubiquitina. Otro grupo de enzimas, más específicamente las ligasas de la proteína ubiquitina llamadas E3, se unen a la proteína mal plegada. A continuación, 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 los 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 proteasoma 26S. A continuación, la cadena polipeptídica se introduce en la cámara central de la región central 20S que contiene los sitios proteolíticos activos. La ubiquitina se escinde antes de la digestión terminal por enzimas desubiquitinantes. Este tercer paso está muy relacionado con el segundo, ya que la ubiquitinación tiene lugar durante el evento de translocación. Sin embargo, la degradación proteasómica tiene lugar en el citoplasma.

Las ligasas de ubiquitina Hrd1 y Doa10, que están ancladas a la membrana del ER y que contienen el dedo RING, son los principales mediadores de la ubiquitinación del sustrato durante la ERAD. La proteína de membrana anclada a la cola Ubc6, así como Ubc1 y la proteína de membrana dependiente de Cue1 Ubc7 son las enzimas conjugadoras de ubiquitina involucradas en la ERAD.

Como la variación de los sustratos de ERAD es enorme, se han propuesto varias variaciones del mecanismo de ERAD. De hecho, se confirmó que las proteínas solubles, de membrana y transmembrana eran reconocidas por diferentes mecanismos. Esto condujo a la identificación de 3 vías diferentes que constituyen, de hecho, 3 puntos de control.

• El primer puesto de control se llama ERAD-C y monitoriza el estado plegable de los dominios citosolicos de las proteínas de membrana. Si se detectan defectos en los dominios citosolicos, este punto de control eliminará la proteína malversada.
• Cuando los dominios citosolicos se encuentran correctamente plegados, la proteína de la membrana pasará a un segundo punto de control donde se vigilan los dominios luminales. Este segundo punto de control se llama la vía ERAD-L. No sólo las proteínas de membrana que sobreviven el primer puesto de control son controladas por sus dominios luminales, también las proteínas solubles son inspeccionadas por esta vía, ya que son totalmente luminales y así evitan el primer puesto de control. Si se detecta una lesión en los dominios luminales, la proteína involucrada se procesa para ERAD utilizando un conjunto de factores, incluyendo la maquinaria de tráfico vesicular que transporta proteínas extraviadas del reticulum endoplasmático al aparato Golgi.
• También se ha descrito un tercer puesto de control que se basa en la inspección de dominios transmembranos de proteínas. Se llama la vía ERAD-M, pero no es muy claro en qué orden tiene que ser colocado con respecto a las dos vías anteriormente descritas.

Como ERAD es un elemento central de la vía secretora, los trastornos en su actividad pueden causar una variedad de enfermedades humanas. Estos trastornos pueden clasificarse 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, por lo que estas últimas se acumulan y dañan la célula. Un ejemplo de una enfermedad causada por este primer grupo de trastornos es la enfermedad de Parkinson. Está causada por una mutación en el gen parkin. Parkin es una proteína que funciona en complejo con CHIP como una ligasa de ubiquitina 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. Muchas de ellas se pueden encontrar en la sección de Wikipedia dedicada a las causas de la enfermedad de Parkinson.]

A diferencia de este primer grupo de trastornos, el segundo grupo está causado por una degradación prematura de las proteínas secretoras o de membrana, de modo que estas proteínas no son capaces de desplegarse hacia los compartimentos distales, como ocurre en la fibrosis quística.

Como se describió anteriormente, la adición de cadenas de poliubiquitina a los sustratos de ERAD es crucial para su exportación. El VIH utiliza un mecanismo eficiente para dislocar una proteína huésped que abarca una sola membrana, CD4, del RE y la envía a ERAD. La proteína Vpu del VIH-1 es una proteína en la membrana del RE y se dirige a CD4 recién formado en el retículo endoplásmico para su degradación por proteosomas citosólicos. Vpu solo utiliza parte del proceso ERAD para degradar CD4. CD4 es normalmente una proteína estable y no es probable que sea un objetivo para ERAD. Sin embargo, el VIH produce la proteína de membrana Vpu que se une a 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). El CD4 Gly415 contribuye a las interacciones CD4-Vpu, varios mecanismos mediados por TMD por Vpu del VIH-1 son necesarios para regular negativamente el CD4 y así promover la patogénesis viral. El CD4 retenido en el RE será un objetivo para una vía ERAD variante 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 RE y la adición de degradación. A medida que Vpu se fosforila, imita los sustratos para el complejo E3 SCF^βTrCP. En las células que están infectadas con VIH, SCF^βTrCP interactúa con Vpu y ubiquitina el CD4, que posteriormente es degradado por el proteasoma. Vpu mismo escapa a la degradación.

Las grandes preguntas abiertas relacionadas con ERAD son:

• ¿Cómo se reconocen específicamente las proteínas desplegadas?
• ¿Cómo se diferencian los sustratos ERAD y sustratos de membrana para la retrotraducción?
• ¿La retrotranslocación se conserva a través de la levadura al sistema humano?
• ¿Cuál es el canal para la retrotranslocación de proteínas luminales ER?
• ¿Qué ligasa E3 finalmente etiqueta las proteínas para la degradación proteasómica?

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