THE UNFOLDED PROTEIN RESPONSE Anna Czarnecka Źródło: Intercellular signaling from the endoplasmatic reticulum to the nucleus: the unfolded protein response in yeast and mammals Ch. Patil & P. Walter
The unfolded protein response Gdy niesfałdowane białka gromadzą się w ER: transdukcja sygnału przez błonę ER do cytoplazmy i jądra odpowiedź białek efektorowych = transkrypcja charakterystycznych genów zwalniających tempo translacji w komórce
UPR we wszystkich typach badanych komórek eukariotycznych: informacja o stresie ER przekazywana jest do cytozlu przez kinazy transbłonowe, aktywowane przez trans-autofosforylację i oligomeryzację kinazy te wykazują aktywność endonukleazową (u ssaków nie znany przedmiot jej działania) efektorami transkrypcji są m.in. białka należące do rodziny ATF/CREB rodziny suwaków leucynowych czynnikami ulegającymi translacji w odpowiedzi UPR są m.in. chaperony ER
UPR u drożdży Ire1p - receptor niesfałdowanych białek w ER - przekazuje sygnał przez błonę ER Hac1p bezpośrednio aktywuje transkrypcję genów UPR Rlg1p (ligaza trna) odgrywa krytyczną rolę w aktywacji Ire1 i obróbce Hac1p
Ire1p transbłonowa kinaza serynowo treoninowa 3 domeny funkcyjne N - koniec zanurzony jest w przestrzeni wewnątrz ER i odpowiada za detekcje stężenia niesfałdowanych białek akumulacja niesfałdowanych białek powoduje jej oligomeryzację i trans autofosforylację (domena cytozolowa) zaktywowana stymuluje C końcową domenę o specyficzności endorybonukleazowej substrat endonuklezy Ire1p - mrna HAC1
HAC1 Hac1p Koduje bzip (basic leucine zipper) czynnik transkrypcyjny aktywujący transkrypcję genów odpowiedzi UPR HAC1 u (uninduced) jest transkrybowane konstytucyjnie, lecz białko Hac1p nie jest wykrywane w komórce HAC1 u zawiera nie-klasyczny intron - 10 aminokwasów C końca i kodon stop intron nie zostaje wycięty mrna nie ulega translacji W wyniku aktywacji szlaku UPR intron jest wycinany przez Ire1p; m RNA łączy ligaza powstaje HAC1 i (induced) Na HAC1 u powstaje białko Hac1p!! kluczowym etapem regulacji UPR jest splicing mrna dla Hac1p
Intron mechanizm splicingu mrna HAC1 jest zdecydowanie różny od działania klasycznego spliceosomu Rlg1p - ligazą trna splicing ten bardziej przypomina splicing trna, a nie mrna sekwencje rozpoznawane przez endonukleazę HAC1 są różne od rozpoznawanych podczas splicingu mrna usunięcie intronu z HAC1zmienia sekwencje i właściwości kodowanego białka zmiana następuje w C - końcu odpowiedzialnym za transaktywacje - czynnik aktywujący, gdy pochodzi z HAC1 u a nie HAC1 i intron zapewnia, iż białko nie powstaje gdyby doszło do translacji białko będzie nieaktywne
Hac1p transportowane do jądra aktywuje geny docelowe wiąże się ze specyficznymi sekwencjami UPRE (unfolded protein response elements) należącymi do upstream activating sequences UPRE są znajdowane m.in. dla genów KAR2, PDI1, FKB2 chaperonów ER Hac1p może współdziałać z kompleksem SAGA - wielobiałkowym kompleksem związanym z acetylacją histonów podczas aktywacji transkrypcji kilka z białek kompleksu SAGA oddziałuje z cytozolową domeną Ire1p; a jedno z białek Ada5 - wydaje się brać udział w splicingu HAC!
UPR u ssaków wiele elementów UPR niezmienione w czasie ewolucji homologu Ire1p u ssaków: Ire1α i Ire1β Ire1α - ekspresja we wszystkich typach komórek Ire1β - ekspresja w nabłonku jelita umożliwiają transdukcję sygnału przez błonę ER wykazują aktywność kinazową zdolne do trans-autofosforylacji wzrost ekspresji Ire1α podnosi poziom transkrypcji z promotora BiP chaperonu ER wzrost ekspresji Ire1β podnosi poziom transkrypcji z promotora BiP chaperonu ER i innych genów UPR np. czynnika transkrypcyjnego CHOP
Ire1, BiP i niesfałdowane białka domena Ire1w ER nie odpowiada bezpośrednio na stężenie białek niesfałdowanych ale jest związana z wolnym chaperonem BiP kiedy BiP oddysocjowuje na skutek kumulacji niesfałdowanych białek Ire1 ulega oligomeryzacji w komórkach ssaków Ire1 i BiP tworzą kompleks rozpadający się pod wpływem stresu ER w komórkach ssaków i drożdży nadekspresja BiP zmniejsza aktywacje UPR
Stymulacja apoptozy przez UPR Ire1 może działać jako czynnik pro-apoptotyczny przedłużone działanie tunikamycyną stymuluje aktywacje kaspazy 12 w błonie ER apoptoza nadekspresja Ire1β stymuluje apoptozę przez czynnik transkrypcyjny CHOP Ire1 może także aktywować szlak apoptotyczny poprzez fosforylację c-jun po aktywacji Ire1α i Ire1β łączą się z białkiem TRAF2, które z kolei łączy się z c-jun
Wnioski UPR u ssaków może mieć cytotoxyczne (proapoptotyczne), jak i cytoprotekcyjne działanie. Aktywacja UPR może skończyć się programowaną śmiercią komórki lub przeżyciem i naprawą białek przez chaperony.!! decyzja którą ze ścieżek wybrać, jest dokonywana podczas zatrzymania cyklu komórkowego.
Kontrola translacji inhibicja translacji przez UPR jest zjawiskiem ogólnym kierowanym przez PERK kinazę ER PERK w odpowiedzi na stres ER ulega oligomeryzacji i trans-autofosforylacji aktywna PERK fosforyluje czynnik transkrypcyjny eif2α, obniżenie translacji wszystkich białek represja translacji przez PERK jest selektywna (Rysunek)
UPR u drożdży - szerzej ponad 5% genomu (350 genów z 6300) jest regulowanych przez UPR geny te kodują czynniki odpowiedzialne za: metabolizm lipidów glikozylację białek degradację białek związanych z ER transport białek między ER a AG transport białek do powierzchni komórki
UPR u ssaków - szerzej nie zbadane do końca odkrycia genów docelowych działania tej ścieżki pokazują, że UPR reguluje też : Ścieżkę gikozylacji białek Działanie pompy wapniowej w ER SERP1/RAMP stabilizujące białka błonowe i wpływające na ich glikozylację Działanie syntetazy asparaginowej Metabolizm azotu ERAD (ER-associated protein degradation) degradację w proteosomach niesfałdowanych białek z ER cytozolu po ubikwitynacji
Podsumowanie (wreszcie!!) UPR w komórkach ssaków jest bardziej złożona może zatrzymywać cykl komórkowy lub prowadzić do apoptozy wpływa na szersze spektrum procesów w komórce
The END