О

Ответ на неубранный белки

Ответ на неубранный белки (англ. Unfolded protein response, UPR) — сигнальный путь, который активируется в клетке в ответ на накопление неправильно свернутых белков в эндоплазматическом ретикулуме (стресс ЭР). Вследствие UPR трансляция большинства белков подавляется для уменьшения нагрузки на ЕР, исключение составляют только те белки, которые способствуют преодолению стресса (шапероны, трнаспортеры аминокислот, белки необходимы для деградации связанной с ЕР (англ. Endoplasmic-reticulum-associated protein degradation, ERAD) и некоторые другие). Если не удается восстановить гомеостаз, UPR может завершиться гибелью клетки.

Ответ на неубранный белки была впервые открыта в клетках дрожжей, где она состоит из одного линейного сигнального пути. У млекопитающих UPR имеет как минимум три ветви, которые взаимодействуют между собой. К сенсоров стресса ЭР, каждый из которых активирует одну из ветвей UPR, принадлежат две протеинкиназы: IRE1 (англ. Inositol-requiring protein-1, другое название ERN1) и PERK (англ. Protein kinase RNA (PKR) -like ER kinase, другая название EIF2AK3) и транскрипционный фактор ATF6 (англ. activating transcription factor-6).

Активация сеносорив стресса ЭР

Известно, что у млекопитающих в ответ на накопление неправильно свернутых белков в ЭР, в мембране этой органеллы происходит олигомеризация двух протеинкиназы: IRE1 и PERK, после чего они подлежат транс -автофосфорилюванню и активируются. Оба белки содержат в своем составе эволюционно родственные и взаимозаменяемы сенсорные домены, возвращены в полости ЭР.

На объяснение того, каким образом клетка «чувствует» стресс эндоплазматического ретикулума, то есть как сенсоры стресса ЭР (в частности IRE1 и PERK) активируются в ответ на накопление неубранный белков, было предложено три модели. Согласно первой для олигомеризации сенсорных протеинкиназы необходимо непосредственное взаимодействие с белками, которые находятся в неправильной конформации. Вторая модель предполагает активацию при посредничестве шаперона BiP (англ. Immunoglobulin-binding protein, другие названия: GRP-78 (англ. 78 kDa glucose-regulated protein) и HSPA5 (англ. Heat shock 70 kDa protein 5)). При отсутствии стресса PERK и IRE1 находятся в комплексе с этим белком, препятствует их олигомеризации, а в случае накопления развернутых белков в полости ЭР, BiP может диссоциировать от протеинкиназы, снимая таким образом ингибирования. Хотя в пользу этой гипотезы говорит тот факт, что надекспресия BiP приводит к подавлению активности IRE1 и PERK, однако регуляция IRE1 может происходить и без этого шаперона. Третья модель активации сенсоров стресса ЕР предполагает, что для олигомеризации IRE1 и PERK необходима как диссоциация BiP, так и присоединения неправильно свернутых белков.

Три ветви UPR

Сигнальный путь IRE1

IRE1 был первым обнаруженным сенсором стресса эндоплазматического Ретикуло. Его открыли в клетках дрожжей при скрининга мутаций, блокирующих активацию репортерного гена индуцированного UPR. IRE1 — это трансмембранный белок ЕР, содержащий сенсорный домен возвращен в полость органеллы и протеинкиназний домен в цитозоле. В ответ на стресс ЕР IRE1 олигомеризуеться в плоскости мембраны. В образованном комплексе мономеры фосфорилируют друг друга (происходит транс -автофосфорилювання), и в результате этого активируются.

В отличие от многих других сигальних протеинкиназы IRE1 не запускайте каскада фосфорилирования белков, зато в результате активации он приобретает специфической ендонуклеазнои активности, единственным известным субстратом которой является мРНК, кодирующей транскрипционный фактор Hac1 (англ. Homologous to ATF / CREB1) у дрожжей или XPB1 (англ . X-box binding protein-1) в многоклеточных животных. IRE1 разрезает предшественник мРНК Hac1 или XBP1 дважды, вырезая интрон, после этого образованы фрагменты лигируются. Вследствие сплайсинга мРНК происходит смещение рамки считывания и трансляция активного белка. Синтезированный белок (Hac1 или XBP1s) мигрирует в ядро, где активирует экспрессию генов, необходимых для UPR, в частности ферментов биосинтеза липидов для биогенеза мембран ЭР, белков шаперонов, и белков, участвующих в ERAD (среди них EDEM).

У дрожжей и многоклеточных животных последствия сплайсинга предшественника мРНК Hac1 и XBP1 различаются. В частности, в дрожжей интрон в этой РНК подавляет трансляцию, и его вырезания снимает ингибирование. У животных вместо этого происходит трансляция с обеих форм мРНК — как сплайсованои, так и несплайсованои. В первом случае образуется более стабильный белок XBP1s, что является активатором генов UPR, а во втором — менее стабильный XBP1u, который выполняет роль репрессора генов мишеней UPR.

Экспрессия Hac1 и XBP1 регулируется также на уровне синтеза мРНК. В дрожжей транскрипция с гена HAC1 возрастает в случае, когда наблюдается очень сильный стресс ЕР. В таком случае запускается программа транскрипции под названием супер-UPR, и качественно отличается от обычной ответы на неубранный белки. У животных трансляция гена XBP1 находится под контролем других ветвей UPR, она растет на сразу же после активации этого сигнального пути и остается на высоком уровне даже во время его падения. Когда мРНК XBP1 продолжает синтезироваться уже после инактивации IRE1, то это влечет образование белка XBP1u, который может потребоваться для прекращения сигнального пути UPR двумя способами: во-первых, из-за конкуренции с XBP1s за сайты связывания, во-вторых из-за ингибирующее гетеродимеризацию с ним.

В клетках дрожжей UPR полностью обеспечивается только путем IRE1 / Hac1. Этот путь является линейным, то есть мРНК Hac1 является единственным субстратом IRE1 и только IRE1 может осуществлять сплайсинг этой мРНК. Другая ситуация наблюдается в клетках животных, в которых путь IRE1 является только одной из трех ветвей UPR. Кроме того функции IRE1 не ограничиваются сплайсингом мРНК XBP1, его Фосфорилированная форма взаимодействует с белком TRAF2 (англ. Tumour necrosis factor receptor (TNFR) -associated factor-2). После этого образованный комплекс может активировать киназу JNK (англ. Jun N-terminal kinase), а также каспазу-12, что приводит к гибели клетки. В культурах клеток дрозофилы чорночеревои IRE1 участвует в деградации многих мРНК, трансляция которых происходит на Шер, таким образом уменьшая нагрузку на эту органеллы.

Сигнальный путь ATF6

Следующим открытым после IRE1 сенсором стерся ЕР стал ATF6. Этот белок относится к транскрипционных факторов, однако синтезируется в неактивной форме заякорена в мембране эндоплазматического ретикулума. Он также содержит сесорний домен, похожий на такого в IRE1 и PERK. При активации UPR ATF6 транслокуються в аппарат Гольджи, где подолгу ограниченном протеолиза в двух участках. Протеолиз осуществляют ферменты S1P (site 1 protease) и S2P (site 2 protease). Образованный ATF6f (f от fragment) транспортируется в ядро, где активирует экспрессию генов, в частности шаперонов (в том числе и BiP) и XBP1.

Существует несколько родственных ATF6 транскрипционных факторов, заякорена в эндоплазматическом ретикулуме. По крайней мере один из них — CREBH (англ. Cyclic AMP-responsive element binding protein-hepatocyte) активируется в ответ на стресс ЕР, однако он не увеличивает экспрессии генов, необходимых для протекания UPR, а запускает синтез белков острой фазы связанных с воспалением.

Сигнальный путь PERK

PERK, как и IRE1, является трансмембранным белком эндоплазматического ретикулума, с сенсорным доменом в его полости, и протеинкиназним возвращенным к цитозоля. PERK также активируется путем олигомеризации с последующим транс -автофосфорилюванням. Однако, в отличие от IRE-1, активированная форма PERK фосфорилирует и другой белок, а именно α-субъединицы эукариотического фактора инициации трансляции eIF2α по остатку серина 51. В результате фактор обмена гуаниловый нуклоетидив eIF2B больше не может переводить eIF2 в его активную ГТФ-н 'связанную форму. Поэтому общий уровень инициации трансляции сильно снижается, а вместе с ним и нагрузка на эндоплазматический ретикулум.

Наряду с тем, что фосфорилирования eIF2α приводит к общему угнетению биосинтеза большинства белков, оно также влечет активацию трансляции небольшой их группы. мРНК этих белков содержат ингибиторные 5 'открытые рамки считывания (англ. upstream open reading frames (uORFs)), которые при нормальных условиях подавляют трансляцию белок-кодирующих последовательностей. Однако, когда eIF2α находится в фосфорилированном состоянии, рибосомы «проскакивают» uORF, и синтез белков происходит нормально. К таким белков в частности, относятся транскрипционный фактор Gcn4 (англ. General control non-derepressible-2) у дрожжей и его животный гомолог ATF4. Однако, у млекопитающих только половина генов, активируемых PERK, зависящие от AFT4, что свидетельствует об участии в этом процессе каких-то других транскрипционных факторов. Фосфорилирования eIF2α также может приводить к активации NFκB, однако механизм, по которому это происходит до конца не известен.

PERK (или EIF2AK3) не единственная киназа, что фосфорилирует eIF2α. Такую же функцию выполняют HRI (англ. Haem-regulated inhibitor kinase или EIF2AK1), который активируется при недостатке гема, Gcn2 (или EIF2AK4), которая участвует в ответе на нехватку аминокислот, и PKR (или EIF2AK2), который активируется Двухниточный РНК. Так как на уровне фосфорилированного eIF2α конвергуються сигналы от многих путей, совокупность реакций, которые он запускает были названы интегрированной ответом на стресс (англ. Integrated stress response, IRS).

Сигнальный путь PERK строго регулируемый в клетке, и уже через несколько минут по восстановлению гомеостаза в ЕР PERK дефосфорилируется. Также происходит и дефосфорилювання мишени PERK — eIF2α, известны две фосфорилазы, которые за это отвечают: CReP, который экспрессируется коститутивно и обеспечивает базовый уровень дефосфорилювання, и GADD34 (англ. Growth arrest and DNA-damage-inducible protein-34). Экспрессия последней активируется при интегрированной ответа на стресс и является частью механизма отрицательной обратной связи в рамках этого сигнального пути.

Взаимодействие между ветвями UPR

Хотя активация PERK, IRE1 и ATF6 происходит независимо, ветви UPR взаимодействуют между собой. В частности было установлено, что между путем ATF6 и IRE1-XBP1s существует функциональная избыточность. В экспериментах на Caenorhabditis elegans было показано, что мутации в генах любой из этих двух ветвей хорошо переносятся животными, в то время как одновременное нарушение обоих ветвей приводит к остановке развития червей. Другим примером взаимодействия между ветвями UPR является регуляция белка XBP1, уровень транскрипции которого увеличивается в ответ на активацию путей PERK и ATF6, а сплайсинг мРНК обеспечивает IRE1.

Изменения эндоплазматического ретикулума во время стресса

Во многих типах клеток размер эндоплазматического ретикулума зависит от наватаження на него. Существуют данные в пользу того, что именно UPR обеспечивает приспособление ЕР клетки к физиологическим требованиям. В частности этот сигнальный путь активирует импорт аминокислот (гены транспортеров аминокислот активируются под воздействием PERK-зависимого фосфорилирования eIF2α) в клетку и зарядки тРНК. Такое его функцию невозможно объяснить одним только уменьшением нагрузки неубранный белков в ЭР, в свою очередь, UPR, вероятно, не только защищает клетку от стресса ЕР, но и увеличивает ее способность к секреции белков.

Изменения в процессах трансляции и транслокации

Общее снижение уровня инициации трансляции в клетке в результате PERK-зависимого фосфорилирования eIF2α является одной из самых ранних событий во время UPR. Оно нужно не только для того, чтобы уменьшить общую нагрузку на ЕР, но и для высвобождения рибосом и факторов трансляции, для синтеза белков, необходимых для преодоления стресса, в частности шаперонов.

Трансляция при UPR испытывает также и другие изменения. В частности, в условиях стресса ЕР, в клетке могут специфически градуироваться мРНК секретируемых белков. Это явление было открыто при сравнении экспрессии мРНК в клетках дикого типа, нок даун по гену XBP1 и нок-даун по гену IRE1 в условиях ЕР стресса и в его отсутствие. Выяснилось, что в клетках дикого типа и XBP1-нок-даун при ЕР стресса многочисленные мРНК, кодирующих секретируемого белки деградувались, чего не наблюдалось в клетках нок-даун по IRE1. Позже было установлено, что расщепляются только мРНК физически ассоциированные с эндоплазматическим ретикуломом, что также уменьшает нагрузку на эту органеллы и способствует высвобождению рибосом.

Изменения наблюдаются также и в транслокации белков в полость ЭР. Этот процесс обеспечивает так называемый транслокон, что котрансляцийно, то есть одновременно с синтезом полипептидной цепи, переносит его через мембрану. Хотя транслокация может происходить и без участия шаперонов ЕР, они способствуют ее прохождению. Соответственно, во время стресса ЕР, когда количество свободных шаперонов резко уменьшается уменьшаться и скорость транслокации новых полипептидов, однако это касается различных белков в разной степени. Белки с более слабыми сигнальными последовательностями, например белок предшественник прионов (PrP C) не допускаются в эндоплазматический ретикулум, тогда как необходимые, такие как шапероны транслокуються нормально.

Изображения по теме

  • Ответ на неубранный белки
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть