Degradazione delle proteine associata al reticolo endoplasmatico

La degradazione delle proteine associata al reticolo endoplasmatico o ERAD (Endoplasmic-reticulum-associated protein degradation) indica un processo cellulare che ha sede nel reticolo endoplasmatico.

L'Endoplasmic-reticulum-associated protein degradation è uno dei diversi pathway di degradazione delle proteine presenti nel RE.

Tramite l'ERAD si etichettano proteine mal ripiegate (tramite il processo di ubiquitinazione) e le si degradano successivamente per mezzo di un complesso che degrada le proteine, denominato proteasoma.

Meccanismo

Il processo dell'ERAD può essere schematizzato in tre tappe fondamentali:

Riconoscimento della proteina mutata o mal ripiegata nel reticolo endoplasmatico

Il riconoscimento di proteine mutate o mal ripiegate dipende dal riconoscimento di sottostrutture (a livello della struttura secondaria, terziaria) nella proteina, come ad esempio:

• regioni idrofobiche esposte;
• residui di cisteina spaiati;
• glicani immaturi.

Nelle cellule di mammifero, ad esempio, esiste un meccanismo denominato processing del glicano. In questo meccanismo, gli chaperoni tipo-lectina detti calnexina/calreticulina (CNX/CRT) permettono alle glicoproteine immature di raggiungere la loro conformazione nativa. Questo avviene perché il complesso re-glucosila queste glicoproteine per mezzo di un enzima denominato UDP-glucosio-glicoproteina glucosiltransferasi.

Le proteine mal ripiegate al termine di ciò devono essere estratte dal complesso CNX/CRT. Questo passaggio è svolto dai membri della famiglia EDEM (ER degradation-enhancing α-mannosidase-like protein, proteina ad attività simil α-mannosidasica che migliorano la degradazione ER-associata), più specificamente:

• (EDEM1-3);
• ER mannosidasi I.

Questa mannosidasi rimuove un residuo di mannosio dalla glicoprotreina.

Quest'ultima è riconosciuta dall'EDEM. Eventualmente EDEM etichetterà le glicoproteine malripiegate per la degradazione facilitando il legame con le lectine ERAD:

• OS9;
• XTP3-B.

Retro-traslocazione nel citosol

Poiché il sistema ubiquitina-proteasoma/UPS (ubiquitin–proteasome system) è localizzato nel citosol, le proteine definitivamente mal-ripiegate devono essere ri-trasportate dal reticolo endoplasmatico al citoplasma.

La maggior parte delle evidenze suggerisce che la ligasi proteina-ubiquitina Hrd1 E3 possa funzionare come retro-traslocone o dislocone al fine di trasportare substrati nel citosol.

Hrd1 non è necessaria per tutti gli eventi dell'ERAD, perciò è probabile che altre proteine possano contribuire a questo processo. Inoltre, questa traslocazione richiede una forza motrice (driving force) che determina la direzione del trasporto. Dato che la poliubiquitinazione è essenziale per l'esportazione di substrati, un'ipotesi convincente spiega come la driving force possa essere generata dai fattori che legano l'ubiquitina. Uno di questi è:

• il complesso Cdc48p-Npl4p-Ufd1p (nel lievito).
• (VCP/p97, valosin-containing protein: proteina contenente-valosina), l'omologo funzionale di Cdc48p negli umani; esso trasporta substrati dal reticolo endoplasmatico al citoplasma per mezzo della sua attività ATPasica.

Degradazione ubiquitina-dipendente per mezzo del proteasoma

L'ubiquitinazione delle proteine definitivamente mal ripiegate è causata da una cascata di reazioni enzimatiche. La prima di queste reazioni avviene quando l'enzima attivante l'ubiquitina E1 idrolizza ATP per formare un legame tioestere ad alta energia tra:

• un residuo di cisteina nel sito attivo di E1;
• C-TER dell'ubiquitina.

Il prodotto della reazione, l'ubiquitina attivata, è dunque passato ad E2 che è un enzima coniugante l'ubiquitina. Un altro gruppo di enzimi (delle proteine ad azione ubiquitina-ligasica) dette E3, legano la proteina mal ripiegata. Successivamente posizionano la proteina ed E2, facilitando così il legame dell'ubiquitina a residui di Lisina della proteina mal-ripiegata.

Successivamente si forma una catena di poli-ubiquitina, aggiungendo ai residui di lisina dell'ubiquitina precedentemente legata altre molecole di ubiquitina.

Il prodotto di questo processo è una proteina poliubiquitinata pronta per essere riconosciuta da subunità specifiche dei complessi-capping 19S del proteasoma 26S.

Infine, la catena polipeptidica è portata nella camera centrale della regione core 20S che contiene siti attivi ad attività proteolitica.

L'ubiquitina è rimossa prima della digestione terminale per mezzo di enzimi de-ubiquitinanti.

Il terzo step è associato molto intimamente al secondo, dal momento che l'ubiquitinazione avviene durante l'evento di traslocazione. Tuttavia, la degradazione per mezzo del proteasoma ha lungo nel citoplasma.

Macchinario di ubiquitinazione ERAD

I principali mediatori dell'ubiquitinazione del substrato durante l'ERAD sono due proteine ancorate al reticolo endoplasmatico, con dominio RING finger e contenenti ubiquitina-ligasi:

• Hrd1;
• Doa10.

Inoltre le proteina di membrana tail anchored dette Ubc6, Ubc1 e Cue1 (dependent membrane bound Ubc7) sono enzimi coniuganti l'ubiquitina coinvolti nell'ERAD.

Bibliografia

• https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1000869 Multilayered Mechanism of CD4 Downnregulation by HIV-1 Vpu Involving Distinct ER Retention and ERAD Targeting Steps, Javier G. Magadan, F. Javier Perez-Victoria, Rachid Sougrat, Yihong Ye, Klaus Strebel, Juan S. Bonifacino mail April 29, 2010
• Javier G. Magadán, F. Javier Pérez-Victoria, Rachid Sougrat, Yihong Ye, Klaus Strebel e Juan S. Bonifacino, Multilayered Mechanism of CD4 Downregulation by HIV-1 Vpu Involving Distinct ER Retention and ERAD Targeting Steps, in PLoS Pathogens, vol. 6, n. 4, 29 aprile 2010, pp. e1000869, DOI:10.1371/journal.ppat.1000869, ISSN 1553-7374, PMC PMC2861688, PMID 20442859.
• vol. 7, DOI:10.1038/ncb0805-766, PMID 16056268, https://oadoi.org/10.1038/ncb0805-766.
• vol. 4, DOI:10.4161/auto.5190, PMID 17986870, http://www.landesbioscience.com/journals/auto/abstract.php?id=5190.
• vol. 165, DOI:10.1083/jcb.200309132, PMID 15078901, http://www.jcb.org/cgi/reprint/165/1/41.
• vol. 119, DOI:10.1242/jcs.03225, PMID 17074831, http://jcs.biologists.org/cgi/reprint/119/21/4373.
• vol. 9, DOI:10.1038/nrm2546, PMID 19002207, https://oadoi.org/10.1038/nrm2546.
• vol. 292, DOI:10.1016/B978-0-12-386033-0.00005-0, PMID 22078962, https://oadoi.org/10.1016/B978-0-12-386033-0.00005-0.