Proteostase - Proteostasis
Proteostase er den dynamiske reguleringen av et balansert, funksjonelt proteom . Den proteostasis nettverk omfatter konkurrerende og integrert av biologiske mekanismer i cellene som kontrollerer biogenese , folding, trafikkontroll, og degradering av proteiner til stede i og utenfor cellen. Tap av proteostase er sentralt for å forstå årsaken til sykdommer assosiert med overdreven proteinfalsing og nedbrytning som fører til funksjonshemmede fenotyper , samt aggregeringsrelaterte degenerative lidelser. Terapeutisk restaurering av proteostase kan behandle eller løse disse patologiene. Cellulær proteostase er nøkkelen til å sikre vellykket utvikling, sunn aldring , motstand mot miljøspenninger og for å minimere homeostatiske forstyrrelser fra patogener som virus . Cellulære mekanismer for å opprettholde proteostase inkluderer regulert proteinoversettelse, chaperone assistert proteinfolding og proteinnedbrytningsveier. Justering av hver av disse mekanismene basert på behovet for spesifikke proteiner er avgjørende for å opprettholde alle mobilfunksjoner avhengig av et korrekt brettet proteom .
Mekanismer for proteostase
Ribosomets roller i proteostase
Et av de første reguleringspunktene for proteostase er under oversettelse . Dette oppnås via strukturen til ribosomet , en kompleks sentral for translation. Disse to egenskapene former måten proteinet bretter og påvirker proteinets fremtidige interaksjoner på. Syntesen av en ny peptidkjede ved bruk av ribosomet er veldig treg, og ribosomet kan til og med bli stoppet når det støter på et sjeldent kodon , et kodon som finnes ved lave konsentrasjoner i cellen. Disse pausene gir en mulighet for et individuelt proteindomene til å ha den nødvendige tiden til å bli brettet før produksjonen av følgende domener. Dette letter riktig folding av flerdomene proteiner. Det nylig syntetiserte peptid-kjeden forlater ribosomet i det cellulære miljø gjennom den trange ribosom utløpskanalen (bredde: 10a-20a, 80a lengde). På grunn av plassbegrensning i utgangskanalen danner den begynnende kjeden allerede sekundære og begrensede tertiære strukturer. For eksempel er en alfa -helix en slik strukturell egenskap som vanligvis induseres i denne utgangskanalen. På samme tid forhindrer utgangskanalen også for tidlig folding ved å hindre interaksjoner i stor skala i peptidkjeden, noe som vil kreve mer plass.
Molekylære chaperoner og post-translasjonelt vedlikehold i proteostase
For å opprettholde proteinhomeostase post-translasjonelt, bruker cellen noen ganger molekylære chaperoner, inkludert chaperoniner , som hjelper til med å montere eller demontere proteiner. De gjenkjenner eksponerte segmenter av hydrofobe aminosyrer i den begynnende peptidkjeden og jobber deretter for å fremme riktig dannelse av ikke -kovalente interaksjoner som fører til ønsket foldet tilstand. Chaperoner begynner å hjelpe til med proteinfolding så snart en begynnende kjede som er lengre enn 60 aminosyrer kommer ut av ribosomutgangskanalen. En av de mest studerte ribosombindende chaperonene er triggerfaktor. Triggerfaktor virker for å stabilisere peptidet, fremmer dets bretting, forhindrer aggregering og fremmer refolding av denaturerte modelsubstrater. Ribosomprofileksperimenter har vist at TF hovedsakelig retter seg mot ribosomer som oversetter ytre membranproteiner in vivo, og dessuten er underrepresentert på ribosomer som oversetter indre membranproteiner. Triggerfaktor virker ikke bare direkte for å brette proteinet riktig, men rekrutterer også andre chaperoner til ribosomet, for eksempel Hsp70. Hsp70 omgir en utfoldet peptidkjede, og forhindrer derved aggregering og fremmer folding.
Chaperonins er en spesiell klasse av chaperoner som fremmer folding i naturtilstand ved å innkapslere peptidkjeden syklisk. Chaperonins er delt inn i to grupper. Gruppe 1 -chaperoniner finnes ofte i bakterier, kloroplaster og mitokondrier. Gruppe 2 -chaperoniner finnes både i cytosolen til eukaryote celler så vel som i archaea. Gruppe 2 -chaperoniner inneholder også en ekstra spiralformet komponent som fungerer som et lokk for det sylindriske proteinkammeret, i motsetning til gruppe 1 som i stedet er avhengig av en ekstra cochaperone for å fungere som et lokk. Alle chaperoniner viser to tilstander (åpne og lukkede), mellom hvilke de kan sykle. Denne syklusprosessen er viktig under foldingen av en individuell polypeptidkjede, da den bidrar til å unngå uønskede interaksjoner, så vel som å forhindre at peptidet kommer inn i kinetisk fangede tilstander.
Regulering av proteostase ved proteinnedbrytning
Den tredje komponenten i proteostasennettverket er proteinnedbrytningsmaskinen. Proteinnedbrytning skjer ved proteostase når cellulære signaler indikerer behovet for å redusere det totale cellulære proteinnivået. Effektene av proteinnedbrytning kan være lokale, der cellen bare opplever effekter fra tapet av selve det nedbrytede proteinet eller som er utbredt, og hele proteinlandskapet endres på grunn av tap av andre proteiners interaksjoner med det nedbrutte proteinet. Flere substrater er mål for proteostatisk nedbrytning. Disse nedbrytbare substratene inkluderer ikke -funksjonelle proteinfragmenter produsert fra ribosomal stopp under translasjon, feilfoldede eller utfoldede proteiner, aggregerte proteiner og proteiner som ikke lenger er nødvendige for å utføre mobilfunksjon. Det finnes flere forskjellige veier for å utføre disse nedbrytningsprosessene. Når proteiner er bestemt for å bli brettet ut eller feilfoldet, blir de vanligvis nedbrutt via den utfoldede proteinresponsen (UPR) eller endoplasmatisk-retikulum-assosiert proteinnedbrytning (ERAD). Substrater som foldes ut, feilfoldes eller ikke lenger er nødvendige for mobilfunksjon, kan også merkes ubiquitin for nedbrytning av ATP -avhengige proteaser, for eksempel proteasomet i eukaryoter eller ClpXP i prokaryoter. Autofagi , eller selvoppslukking, lysosomal målretting og fagocytose (oppslukking av avfallsprodukter av andre celler) kan også brukes som proteostatiske nedbrytningsmekanismer.
Signalhendelser i proteostase
Proteinfeilfolding oppdages av mekanismer som er spesifikke for mobilrommet der de forekommer. Tydelige overvåkingsmekanismer som reagerer på utbrettet protein har blitt karakterisert i cytoplasma, ER og mitokondrier. Denne responsen virker lokalt på en celleautonom måte, men kan også strekke seg til intercellulær signalering for å beskytte organismen mot forventet proteotoksisk stress.
Celle-autonome stressresponser
Cellular stress response pathways oppdager og lindrer proteotoksisk stress som utløses av ubalanser i proteostase. Den celle-autonome reguleringen skjer gjennom direkte påvisning av feilfoldede proteiner eller inhibering av aktivisering av veier ved å sekvestere aktiverende komponenter som respons på varmesjokk. Cellulære reaksjoner på denne stressignalering inkluderer transkripsjonell aktivering av chaperone -uttrykk, økt effektivitet i proteinhandel og proteinnedbrytning og translasjonell reduksjon.
Cytosolisk varmesjokkrespons
Den cytosoliske HSR medieres hovedsakelig av transkripsjonsfaktorfamilien HSF (heat shock family). HSF er konstituerende bundet av Hsp90. Ved en proteotoksisk stimulans rekrutteres Hsp90 vekk fra HSF som deretter kan binde seg til varmeresponselementer i DNA og oppregulere genuttrykk av proteiner som er involvert i vedlikehold av proteostase.
ER utfoldet proteinrespons
Den utfoldede proteinresponsen i det endoplasmatiske retikulum (ER) aktiveres av ubalanser mellom utfoldede proteiner inne i ER og proteinene som medierer proteinhomeostase. Ulike "detektorer" - som IRE1, ATF6 og PERK - kan gjenkjenne feilfoldede proteiner i ER og formidle transkripsjonelle responser som bidrar til å lindre effekten av ER -stress.
Mitokondriell utfoldet proteinrespons
Den mitokondriale utfoldede proteinresponsen oppdager ubalanser i proteinstøkiometri av mitokondrielle proteiner og feilfoldede proteiner. Uttrykket av mitokondrielle chaperoner oppreguleres ved aktivering av transkripsjonsfaktorene ATF-1 og/eller DVE-1 med UBL-5.
Systemisk stressignalering
Stressresponser kan også utløses på en ikke-celle autonom måte ved intercellulær kommunikasjon. Spenningen som registreres i ett vev, kan dermed kommuniseres til andre vev for å beskytte proteomet til organismen eller for å regulere proteostase systemisk. Cell-ikke-autonom aktivering kan forekomme for alle tre stressresponsene.
Arbeid med modellorganismen C. elegans har vist at nevroner spiller en rolle i denne intercellulære kommunikasjonen av cytosolisk HSR. Stress indusert i nevronene i ormen kan på sikt beskytte andre vev som muskel- og tarmceller mot kronisk proteotoksisitet . På samme måte videresendes ER og mitokondriell UPR i nevroner til tarmceller. Disse systemiske responsene har vært involvert i å formidle ikke bare systemisk proteostase, men også påvirke organismenes aldring.
Sykdommer av proteostase
Proteostase og sykdommer ved proteinfolding
Dysfunksjon i proteostase kan skyldes feil i eller feilregulering av proteinfolding. De klassiske eksemplene er missense -mutasjoner og slettinger som endrer de termodynamiske og kinetiske parametrene for proteinfoldingsprosessen. Disse mutasjonene er ofte arvet og varierer i fenotypisk alvorlighetsgrad fra å ha ingen merkbar effekt til embryonal dødelighet. Sykdom utvikler seg når disse mutasjonene gjør et protein betydelig mer utsatt for feilfolding, aggregering og nedbrytning. Hvis disse effektene bare endrer det muterte proteinet, vil de negative konsekvensene bare være lokalt tap av funksjon. Imidlertid, hvis disse mutasjonene forekommer i en chaperone eller et protein som samhandler med mange andre proteiner, vil dramatiske globale endringer i proteostasegrensen oppstå. Eksempler på sykdommer som skyldes proteostatiske endringer fra feil i proteinfolding inkluderer cystisk fibrose, Huntingtons sykdom, Alzheimers sykdom, lysosomale lagringsforstyrrelser og andre.
Modelsystemers rolle i belysningen av sykdommer som feiler protein
Små dyremodellsystemer har vært og fortsetter å være avgjørende for identifiseringen av funksjonelle mekanismer som beskytter proteostase. Modelsystemer med forskjellige misfolding-utsatte sykdomsproteiner har så langt avslørt mange chaperon- og co-chaperone-modifikatorer av proteotoksisitet .
Proteostase og kreft
Den uregulerte celledelingen som markerer kreftutvikling krever økt proteinsyntese for kreftcellefunksjon og overlevelse. Denne økte proteinsyntesen sees vanligvis i proteiner som modulerer cellemetabolisme og vekstprosesser. Kreftceller er noen ganger utsatt for legemidler som hemmer chaperoner og forstyrrer proteostase, for eksempel Hsp90 -hemmere eller proteasomhemmere . Videre har kreftceller en tendens til å produsere feilfoldede proteiner, som hovedsakelig fjernes ved proteolyse. Inhibitorer av proteolyse tillater opphopning av både feilfoldede proteinaggregater, samt apoptose -signalproteiner i kreftceller. Dette kan endre følsomheten til kreftceller for antineoplastiske legemidler; kreftceller dør enten ved en lavere legemiddelkonsentrasjon, eller overlever, avhengig av hvilken type proteiner som akkumuleres, og funksjonen disse proteinene har. Proteasom -hemmer bortezomib var det første stoffet av denne typen som mottok godkjenning for behandling av myelomatose.
Proteostase og fedme
Et kjennetegn ved cellulære proteostatiske nettverk er deres evne til å tilpasse seg stress via proteinregulering. Metabolsk sykdom, som den som er forbundet med fedme, endrer evnen til cellulære proteostasenettverk tilpasser seg stress, ofte med skadelige helseeffekter. For eksempel, når insulinproduksjonen overstiger cellens insulinutskillelseskapasitet, oppstår proteostatisk kollaps og produksjonen av chaperon blir alvorlig svekket. Denne forstyrrelsen fører til sykdomssymptomer som vises hos personer med diabetes.
Proteostase og aldring
Over tid blir proteostasennettverket belastet med proteiner modifisert av reaktive oksygenarter og metabolitter som induserer oksidativ skade. Disse biproduktene kan reagere med cellulære proteiner for å forårsake feilfolding og aggregering (spesielt i ikke -delende celler som nevroner). Denne risikoen er spesielt høy for proteiner som er uforstyrrede. IGFR-1-banen er vist i C. elegans for å beskytte mot disse skadelige aggregatene, og noen eksperimentelle arbeider har antydet at oppregulering av insulinvekstfaktorreseptor 1 (IGFR-1) kan stabilisere proteostatisk nettverk og forhindre skadelige effekter av aldring. Uttrykk for chaperomen , ensemblet av chaperones og co-chaperones som samhandler i et komplekst nettverk av molekylære foldemaskiner for å regulere proteomfunksjonen, blir dramatisk undertrykt i menneskelige aldringshjerner og i hjernen til pasienter med nevrodegenerative sykdommer. Funksjonelle analyser i C. elegans og humane celler har identifisert et bevaret chaperome undernettverk av 16 chaperonegener, som tilsvarer 28 menneskelige ortologer som en proteostase-sikring ved aldring og aldersdebut neurodegenerativ sykdom.
Farmakologisk intervensjon ved proteostase
Det er to hovedmetoder som har blitt brukt for terapeutisk utvikling rettet mot det proteostatiske nettverket: farmakologiske chaperoner og proteostase -regulatorer. Prinsippet bak utformingen av farmakologiske chaperoner for intervensjon ved proteostasesykdommer er å designe små molekyler som stabiliserer proteiner som viser grensestabilitet. Tidligere har denne tilnærmingen blitt brukt til å målrette og stabilisere G-proteinkoblede reseptorer, nevrotransmitterreseptorer, glykosidaser, lysosomale lagringsproteiner og det mutante CFTR-proteinet som forårsaker cystisk fibrose og transthyretin, som kan feilfiltreres og aggregere som kan føre til amyloidoser. Vertex Pharmaceuticals og Pfizer selger farmasøytisk godkjente forskningsorganer for henholdsvis forbedring av cystisk fibrose og transthyretin amyloidoser. Amicus selger et reguleringsorgan godkjent farmakologisk chaperone for Fabrys sykdom - en lysosomal lagringssykdom.
Prinsippet bak proteostase -regulatorer er annerledes, disse molekylene endrer biologien til proteinfolding og / eller nedbrytning ved å endre støkiometrien til proteostasennettverkskomponentene i et gitt subcellulært rom. For eksempel starter noen proteostase -regulatorer stressresponsiv signalering, for eksempel den utfoldede proteinresponsen, som transkripsjonelt omprogrammerer det endoplasmatiske retikulum proteostasennettverket. Det har blitt antydet at denne tilnærmingen til og med kan brukes profylaktisk, for eksempel oppregulering av visse beskyttelsesveier før du opplever en forventet alvorlig cellestress. En teoretisk mekanisme for denne tilnærmingen inkluderer oppregulering av responsen for varmesjokkrespons for å redde proteiner fra nedbrytning under cellulær stress.