Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 1

Por Beatriz Naranjo Martínez, Mª del Carmen Nogales Valenciano y Sara Ortiz Planchuelo.Grado en biología sanitaria – Universidad de Alcalá de Henares

El retículo endoplasmático (RE) es un orgánulo de la célula que regula la síntesis, plegamiento,maduración, estabilización, tráfico y degradación de aproximadamente un tercio de las proteínastotales de la célula. El destino de estas proteínas es ser secretadas por la célula, así como residir enla membrana plasmática, el aparato de Golgi, los lisosomas y el propio RE.

Estas proteínas sufren modificaciones postraduccionales, plegamiento y maduración hasta alcanzarsu estado funcional terciario o cuaternario.

El plegamiento ocurre gracias a la intervención de chaperonas y otras enzimas, que reconocen lasproteínas desplegadas o mal plegadas y las pliegan para que logren una conformación establefuncionalmente activa. No obstante, este proceso es el punto donde más errores se producen en todoel proceso de síntesis de proteínas. Por ello, el RE posee un sistema de control de calidad delplegamiento, que consiste en exportar únicamente aquellas proteínas plegadas correctamente ydirigir a la degradación las que no lo están, evitando así la acumulación de proteínas aberrantes quepuede conducir a la apoptosis.

Un fallo en este control de calidad puede generar múltiples enfermedades relacionadas con el malplegamiento de proteínas, como diabetes mellitus, hígado graso, neurodegeneración, inflamación ycáncer.

Síntesis de proteínas en el retículo endoplasmático

Las proteínas destinadas al RE comienzan su síntesis en los ribosomas libres en el citosol, donde setraduce, en primer lugar, un péptido señal de 16 a 30 aminoácidos, que contiene un núcleo deaminoácidos hidrofóbicos, que es esencial para su función (Figura 1, paso 1).

Una ribonucleoproteína citosólica, la partícula de reconocimiento de señal (SRP), se une a lasubunidad 60S y al péptido señal en cuanto éste emerge del ribosoma (Figura 1, paso 2), de maneraque detiene la traducción para que el polipéptido naciente pueda ser translocado al RE.

Este complejo se dirige a la membrana del RE, donde el receptor de la SRP reconoce el extremo deSRP no unido al ribosoma (Figura 1, paso 3). La unión del complejo ribosoma-péptido señal-SRP alreceptor de SRP conduce a la apertura del complejo Sec61 o translocón en la membrana del RE, queactúa como un poro acuoso. Esta unión al translocón permite la liberación de SRP por la hidrólisis deGTP, la reanudación de la traducción y la entrada del polipéptido al RE a medida que se vasintetizando (Figura 1, paso 4). Todo este proceso requiere ATP. [1,2,3]

Dependiendo del destino de la proteína naciente, la síntesis continua de forma distinta:

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 2

Si la proteína se va a secretar, a medida que la cadena polipeptídica se va alargando, pasa através del canal del translocón hacia la luz del RE, donde el péptido señal es cortadoinmediatamente por la peptidasa señal y posteriormente degradado (Figura 1, paso 5). Lacadena continúa sintetizándose (Figura 1, paso 6) hasta la terminación de la traducción delmRNA, de manera que se libera el ribosoma (Figura 1, paso 7) y se cierra el translocón (Figura1, paso 8).Si la proteína va a formar parte de una membrana biológica, poseerá un péptido de señal-anclaje, que posee una región hidrofóbica que le sirve para anclarse a la membrana del RE y noser escindida. [4]

Figura 1. Translocación cotraduccional de proteínas de secreción al RE. Idea tomada deBiología Celular y Molecular de Harvey Lodish | Editorial Médica Panamericana. Available at:https://www.medicapanamericana.com/es/libro/biologia-celular-y-molecular. Accessed Feb 15, 2021.Creada con BioRender.com.

Plegamiento de proteínas

Una vez el polipéptido emerge del translocón, ha de plegarse para adquirir su conformaciónfuncionalmente activa (estado nativo), la cual es la más estable [5, 6]. Para hacer posible laespontaneidad del proceso, se “ocultan” los residuos hidrófobos de aminoácidos no polares en elnúcleo de la proteína y se exponen las cadenas laterales hidrófilas al entorno acuoso.

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 3

Primero se produce el plegamiento co-traduccional temprano, en el cual se forman estructurassecundarias. Una vez la proteína se libera del translocón, se produce el plegamiento postraduccional,que predomina sobre el primero y da lugar a las proteínas funcionales.

El proceso de plegamiento ha de llevarse a cabo en un tiempo biológicamente aceptable. Para ello, selimitan el número de conformaciones que pueden adoptar los polipéptidos, mediante la formación deinteracciones hidrofílicas como puentes salinos y enlaces disulfuro [5].

La formación de estas interacciones co‐ y postraduccionales es catalizada por una maquinaria demodificación y plegamiento de proteínas residente en RE, que comprende una red de chaperonas,enzimas glucosilantes, oxidorreductasas e isomerasas que actúan simultánea o secuencialmente [5,6].

A menudo las proteínas pequeñas con un solo dominio adoptan su estado nativo de maneraespontánea, sin necesidad de la intervención de esta maquinaria, al contrario de lo que ocurre en elcaso de proteínas con estructuras más complejas que se plegaran más lentamente y, portanto, requieren de diferentes enzimas para alcanzar su conformación activa en untiempo aceptable biológicamente [7].

Chaperonas

Las chaperonas moleculares se definen como «proteínas que interactúan, estabilizan o ayudan a unaproteína no nativa a adquirir su conformación nativa, pero no están presentes en la estructurafuncional final» [8]. Fueron identificadas por su mayor abundancia después de su exposición alchoque térmico, por lo que son conocidas como Hsp, por sus siglas en inglés Heat Shock Proteins [5].

Estos catalizadores moleculares se encuentran en todos los orgánulos y compartimentos en lascélulas encargadas de la síntesis y modificación post-traduccional, dado que se han conservado a lolargo de la evolución [9]. En el RE destacan la Hsp70 BiP (Grp78), la Hsp90 Grp94 (gp96) y laschaperonas de lectina calnexina (CNX) y calreticulina (CRT), que son exclusivas del RE [5]. La mayoríade los factores de plegamiento del RE se unen a Ca2+ y dependen de él para funcionar.

Las chaperonas actúan como enzimas acelerando las etapas limitantes de la reacción deplegamiento, es decir, disminuyen la barrera energética entre el estado nativo y no nativo de laproteína [6]. Para ello, reconocen dominios hidrofóbicos expuestos al medio acuoso, los cualesseñalizan que la proteína está mal plegada, es un intermediario de plegamiento o forma parte de unpolímero no ensamblado. Una vez reconocidos estos dominios hidrofóbicos, los ocultan y formaninteracciones no covalentes con ellos para dar lugar al estado nativo, que es estable contra laagregación multimérica irreversible.

Si la proteína ha alcanzado su conformación nativa, no podrá volver a unirse a las chaperonas, pero sieste plegamiento se ha producido de manera incompleta, habrá residuos hidrofóbicos expuestos que

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 4

permitirán una nueva oportunidad para llevar a cabo el plegamiento correctamente [4].

Así, las chaperonas pueden diferenciar específicamente las etapas de plegamiento para una ampliagama de proteínas y, por tanto, actúan como supervisoras de la calidad del plegamiento proteico [9].

Control de calidad del RE

A pesar de la intervención de las maquinarias de plegamiento proteico, el plegamiento es el puntomás propenso a errores desde la transcripción hasta lograr la proteína funcional.

El RE posee una concentración de calcio y un potencial redox mayor que el citosol, lo cual facilita elfuncionamiento adecuado de las maquinarias de plegamiento. Esto le otorga la capacidad de realizarun control de calidad del plegamiento, mediante el monitoreo de la cantidad de proteínas malplegadas en el RE, y un control de cantidad, al eliminar copias excesivas de ciertas proteínas paracoordinar su plegamiento con las demandas fisiológicas y patológicas de la célula [9].

Este control consiste en detectar aquellas proteínas que tienen defectos de plegamiento o seencuentran en exceso para dirigirlas a vías de degradación, pasando únicamente a la vía secretoraaquellas proteínas correctamente plegadas [10].

En RE de mamíferos existen dos mecanismos distintos de control de calidad: la vía de plegamientogeneral y la vía específica de glucoproteínas [5].

En ausencia de N-glucanos dentro de los primeros 50 residuos de aminoácidos, la proteína nacientese dirige hacia la vía de plegamiento general, de manera que se une primero a la chaperona BiP(Grp78). En presencia de dichos N-glucanos, la proteína se dirige hacia la vía de plegamientoespecífica de glucoproteínas, de manera que interacciona con las chaperonas calnexina-calreticulina (CNX / CRT) para sufrir procesos de modificación en el oligosacárido hasta alcanzar elplegamiento adecuado. No obstante, debido a la importancia de BiP en la translocación, ésta puedeinteraccionar primero de manera transitoria con la glucoproteína [11]. Ambos mecanismos actúan deforma coordinada en la maduración proteica para que únicamente sean exportadas las proteínasfuncionales.

Cuando las proteínas alcanzan una conformación estable funcionalmente activa, pueden serexportadas mediante vesículas al aparato de Golgi.

Las proteínas que permanecen mal plegadas tras varios intentos de plegamiento son finalmenteretrotraslocadas al citosol para ser degradadas en el proteasoma mediante la vía de degradaciónasociada al RE (ERAD). En caso de que se formen cuerpos de inclusión proteicos debido a laagregación, éstos son degradados por autofagia mediante la vía de degradación en lisosomasasociada al RE (ERLAD).

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 5

Ante condiciones de estrés reticular, la acumulación de proteínas mal plegadas puede superar unumbral crítico, lo cual induce la activación de la respuesta de proteína desplegada (UPR). Estemecanismo trata de promover la supervivencia celular mediante el restablecimiento de lahomeostasis, por un lado, controlando la síntesis y degradación de estas proteínas, y por otro,regulando la transcripción de los factores que intervienen en esta proteostasis.

Cuando el estrés del RE es demasiado alto, la UPR puede no ser suficiente para recuperar lahomeostasis, de manera que los niveles de proteínas mal plegadas siguen siendo altos y se activanvías pro-apoptóticas para evitar la supervivencia de células aberrantes [7].

Vía de plegamiento general

Como ya hemos mencionado, en la vía general de plegamiento intervienen una chaperona de lafamilia Hsp70, BiP, y enzimas de plegamiento entre las que destacan las proteínas disulfuroisomerasas (PDI) (PDIA1), y peptidil prolil cis‐trans isomerasas (PPI) [12].

La proteína de unión a inmunoglobulina (BiP) es la chaperona más abundante y versátil de lacélula, considerándose el regulador maestro del plegamiento de proteínas en el RE. Entre susfunciones destacan:

Interviene en la translocación de cadenas nacientes al lumen reticular.Participa en el plegamiento y la oligomerización de proteínas.Interviene en la preparación de las proteínas no nativas para ser translocadas al citosol ydegradas en el proteasoma.Regula la respuesta a proteína desplegada (UPR).Ayuda a mantener la homeostasis del Ca2+, lo cual es fundamental para el plegamiento deproteínas, pues la mayoría de los factores son dependientes de Ca2+ [4, 6].

La actividad ATPasa de BiP está regulada por las proteínas J (ERdj1–7) y factores de intercambio denucleótidos (Grp170 y Sil1). Los ERdjs actúan reclutando a BiP para realizar diferentes procesos comola traslocación (ERdj1 y ERdj2) (Figura 3, paso 1), el plegamiento (con ERdj3 y ERdj6) (Figura 3, paso2) y la degradación (ERdj4 y ERdj5) (Figura 3, paso 3a) [8].

Cuando se une ATP al dominio de unión de nucleótidos de BiP, el dominio de unión a sustrato alcanzasu conformación abierta, en la cual se une de manera transitoria a las regiones hidrofóbicas queestán expuestas en la proteína plegada incompletamente (Figura 2, paso 1). Al hidrolizarse este ATP,se desacoplan los dominios, y este último adquiere su conformación cerrada, uniéndose de forma másestrecha a su proteína sustrato, de manera que facilita su plegamiento (Figura 2, paso 2). Lasproteínas ERdj intervienen en ambos pasos, en primer lugar, transfiriendo las proteínas desplegadasy, en segundo lugar, produciendo la hidrólisis de ATP.

El ADP resultante de la hidrólisis es sustituido por ATP gracias a la intervención de factores de

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 6

intercambio de nucleótidos (Figura 2, paso 3). Esto produce un cambio conformacional que libera laproteína diana, permitiendo que la chaperona sea reutilizada tras la intervención de las proteínasERdj (Figura 2, paso 4).

Figura 2. Ciclo de la ATPasa BiP. Creada con BioRender.com.

Grp94 es otra chaperona de la familia Hsp90, sin actividad ATPasa, que se une a los sustratosdespués de BiP (Figura 3, paso 4) y es esencial en muchos procesos en el RE, incluido el plegamientode proteínas, el control de calidad del RE, la respuesta al estrés y la amortiguación de Ca2+ [5, 6].

Además de estas chaperonas, en el plegamiento intervienen enzimas, destacando las peptidil prolilcis‐trans isomerasas (PPI) y las disulfuro isomerasas (PDI).

Las peptidil prolil cis‐trans isomerasas (PPI) catalizan la isomerización del enlace peptídico queprecede a los residuos de prolina desde la conformación trans a la cis y viceversa. Esto es importanteporque, durante el plegamiento, pueden ser necesarias múltiples isomerizaciones cis-trans hastaalcanzar la estructura proteica correcta. Este cambio conformacional es extremadamente lento, por lo

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 7

que se considera un paso limitante en el plegamiento de proteínas [5].

Las disulfuro isomerasas (PDI) catalizan la formación, reducción e isomerización de puentesdisulfuro, que estabilizan la estructura de la proteína nativa y los complejos oligoméricos. Estareacción también es un paso limitante de la velocidad en el plegado [12].

Cuando las proteínas están bien plegadas, salen del RE y viajan al Golgi (Figura 3, paso 3b), mientrasque las proteínas mal plegadas se dislocan al citosol para su degradación [5].

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 8

Figura 3. Vía de plegamiento general. Creada con BioRender.com.

Vía de plegamiento específica de glucoproteínas

La mayoría de las proteínas solubles y de membrana que se dirigen a la vía secretora recibenglucanos ligados a N a medida que se traducen y translocan al RE (Figura 4, paso 1). Esto juega unpapel crucial en el plegamiento de proteínas en el RE, principalmente a través de su interacción con

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 9

calnexina (CNX) y calreticulina (CRT) [12, 13].

La N-glucosilación comienza cuando la oligosacariltransferasa (OST), una enzima anclada altranslocón, transfiere un complejo de 14 azúcares (2 moléculas de N-acetil-glucosamina, 9 moléculasde manosa y 3 moléculas de glucosa) de un dolicol pirofosfato de la membrana del RE al residuo N deasparagina (Asn) de una secuencia aceptora (N-glicosilación) (Figura 4, paso 2) [5, 7, 12].

Las chaperonas calnexina y calreticulina (CNX / CRT) únicamente se unen a intermediarios proteicosmonoglucosilados. Estos intermediarios se logran gracias a la previa escisión secuencial de las dosprimeras glucosas de las glucoproteínas por las glucosidasas I y II (Figura 4, paso 3).

La calnexina es una proteína integral de la membrana del RE y la calreticulina es su parálogo solubleen el lumen de éste. Ambas proteínas poseen un dominio de unión a glucanos similar a lectina y unbrazo flexible, el dominio P, que recluta a otras chaperonas. Además, se estabilizan cuando se unen acalcio [4].

A través de sus dominios P, se unen a chaperonas de función específica como ERp57, que es unadisulfuro isomerasa (PDI) [14]; ciclofilina B, que es una peptidil prolil cis‐trans isomerasa (PPIasas); yERp29, que tiene función de chaperona general (Figura 4, paso 4) [7, 12]

Una vez realizada la función de plegamiento, la glucosidasa II recorta la glucosa restante, liberandola proteína del complejo de chaperonas (Figura 4, paso 5).

La glucoproteína glucosiltransferasa (UGGT1) reconoce imperfecciones estructurales en lasglucoproteínas que no han conseguido alcanzar su estado nativo tras el plegamiento y monoglucosilade nuevo sus cadenas laterales a partir del donador UDP-glucosa, de manera que pueden unirse otravez a la calnexina-calreticulina para intentos de plegamiento adicionales (Figura 4, paso 5) [12].

Además, esta proteína monoglucosilada también actúa como sustrato de la glucosidasa II, quecompite con UGGT1 con efectos opuestos. La situación en el RE va a condicionar la disponibilidad deestas dos enzimas y, por tanto, el desplazamiento de este equilibrio; por ejemplo, cuando se produceestrés en el retículo aumenta la expresión de UGGT1, por lo que este equilibrio se desplaza hacia lamonoglucosilación para que se incremente la tasa de plegamiento.

Por tanto, UGGT1 actúa como un sensor de reconocimiento de proteínas mal plegadas, puesdetermina si una proteína sale del RE o se retiene para una mayor intervención. [7, 15]

Una proteína puede recorrer el ciclo CNX/CRT numerosas veces hasta que alcanza su conformaciónnativa. Para salir de este ciclo, el residuo de manosa más externo del brazo que contiene glucosa eseliminado por una manosidasa (Figura 4, paso 6 y 7), evitando que la UGGT1 vuelva a glucosilar.

Si las proteínas consiguen un plegamiento correcto, tras esta escisión, pueden ser exportadas fueradel RE [7]. Sin embargo, si las proteínas no consiguen plegarse adecuadamente tras varios ciclos, se

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 10

dirigen a la vía de degradación de proteínas asociada a RE (ERAD).

Figura 4. Vía de plegamiento específica de glucoproteínas. Creada con BioRender.com.

ERAD

Cuando las proteínas no adquieren su forma nativa tras varios intentos de plegamiento, las célulasactivan la vía de degradación asociada al RE (ERAD) para evitar que las proteínas se acumulen dandolugar al estrés del RE, el cual pondría en peligro la supervivencia celular. En este mecanismo lasproteínas mal plegadas son retrotranslocadas al citosol para su posterior ubiquitinación y degradaciónpor el proteosoma 26S, pues el RE no posee mecanismos de degradación [1].

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 11

Vía ERAD de proteínas glucosiladas

Salida del ciclo de calnexina/calreticulina

Se cree que la salida de las glucoproteínas mal plegadas del ciclo de CXN/CRT ocurre cuando la α1,2-manosidasa I del RE (ERManI) corta el residuo de manosa más externo del brazo que contieneglucosa, dando lugar a un residuo de 8 manosas en vez de 9 como el glucopéptido original, demanera que la UGGT1 no puede volver a monoglucosilar. [17, 18, 19].

No obstante, esta desmanosidación también ocurre en las proteínas bien plegadas, por lo que unaproteína cuyo N-glicano se recorta de 9 a 8 manosas puede ser sustrato tanto para el transporte aGolgi como para ERAD [20].

Recientemente se ha demostrado que, si la proteína se pliega adecuadamente, se incorpora avesículas COPII que se dirigen al Golgi. Sin embargo, si no se pliega, las proteínas similares a la α-manosidasa I (EDEM1-3) reconocen el glucano recortado y producen un recorte adicional de manosaque conducirá a los siguientes pasos de la vía de degradación (Figura 5) [18, 20].

A partir de aquí, ERAD ocurre en un proceso de múltiples pasos que comprende el reconocimiento,translocación y ubiquitinación de proteínas ER para la degradación proteasomal citosólica.

Reconocimiento

La acción secuencial de ERManI y EDEM1 en glicoproteínas mal plegadas da como resultado laexposición de un resto de manosa unido a α1,6, que es reconocido por el dominio receptor demanosa-6-fosfato de las lectinas: osteosarcoma amplificado 9 (OS-9) y proteína transactivada XTP3(XTP3-B). Estas lectinas junto con los sustratos ERAD son reclutados Sel1L, una proteína asociada conel complejo de retrotranslocación [17, 18].

Translocación y ubiquitinación

Antes de la translocación, las proteínas deben abrir su estructura parcialmente plegada, mediante laruptura de los puentes disulfuro por disulfuro isomerasas (PDI) y BiP.

En el complejo de retrotranslocación de la membrana del RE destaca la proteína Derlin-1, que formacanales de retrotranslocación en la membrana del RE [20].

Como se ha mencionado, OS-9 y XTP3-B unidos a la proteína desplegada son reclutados por la SEL1L,que se encuentra asociada con Hrd1, una ubiquitina ligasa transmembrana que a su vez está unida alcomplejo de retrotranslocación.

La ubiquitinación de Hdr1 produce un cambio conformacional en éste, que permite la inserción del

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 12

polipéptido por el canal Hdr1. A medida que la proteína emerge en el citosol, será poli-ubiquitinadopor Hrd1 y las enzimas E2 de conjugación de ubiquitina asociadas. La AAA-ATPasa p97, se recluta enla membrana del RE a través de su asociación con VIMP y proporciona la energía necesaria paraextraer las proteínas de la membrana del RE.

Finalmente, la cadena polipeptídica es dirigida hacia este proteasoma por Dsk2 y Rad23, una vez laN-glicanasa ha recortado el glicano restante de la cadena polipétidica para que esta última puedaentrar por el poro del proteasoma dónde finalmente serán degradadas. [20, 21].

Vía ERAD de proteínas no glucosiladas

La vía ERAD de las proteínas no glicosiladas está menos estudiada, pero fundamentalmente difieredel proceso de las glucosiladas en el reconocimiento de los sustratos desplegados (Figura 5). Ladecisión de dirigir las proteínas a la vía de degradación implica la unión de la proteína a las co-chaperonas pro-degradación: ERdj4, que está asociado con Derlin1, y ERdj5, que actúa como disulfuroisomerasa, induciendo un mayor despliegue de las proteínas para dirigirlas a ERAD, mientras queERdj4 está asociado con Derlin1 [20].

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 13

Figura 5. Vía ERAD de proteínas glucosiladas y no glucosiladas. Creada con BioRender.com.

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 14

ERLAD

Las proteínas mal plegadas que no pueden ser reconocidas y degradadas por ERAD, sonautofagocitadas para su degradación en lisosomas asociada al ER (ERLAD) [16, 22].

Estrés del RE

La eficiencia del plegamiento de proteínas en el RE se puede ver alterada por un amplio grupo dealteraciones celulares que conducirán a la acumulación de proteínas mal plegadas dentro delorgánulo que, si supera un umbral crítico, provocará estrés en el RE. Las condiciones quedesencadenan este estrés incluyen: falta de nutrientes, hipoxia, mutaciones puntuales en proteínassecretadas que intervienen en el plegamiento o causan agregación y pérdida de la homeostasis delcalcio. Así, las células han desarrollado un sofisticado sistema para detectar y responder frente alestrés antes de que peligre su supervivencia [23].

UPR determina el destino celular bajo estrés en el RE

Ante el estrés del RE, las células activan una compleja red de vías de señalización intracelularinterconectadas, la respuesta de proteína desplegada (UPR). Esta vía es iniciada por trestransductores ubicados en la membrana del RE, PERK, IRE1 (α y β) y ATF6, que contienen un dominioluminal RE capaz de detectar directa o indirectamente la acumulación crítica de proteínas malplegadas, de manera que transmiten esta información al citoplasma y al núcleo [23, 24].

La UPR se activa para restaurar la homeostasis del plegamiento de proteínas del RE, pero si el estrésER no se mitiga y amenaza la supervivencia celular, la UPR desencadena la apoptosis [25]. Esta vía seactiva para restaurar la homeostasis del plegamiento de proteínas del RE.

UPR adaptativa: hacia la supervivencia celular

Ante el estrés agudo del RE, la UPR se activa para restaurar la homeostasis del plegamiento deproteínas del RE. Esto implica, en primer lugar, la expansión de la membrana del RE y un aumento enel plegamiento y transporte de proteínas en el RE, y, posteriormente, la atenuación transitoria de lasíntesis de proteínas y un aumento en la degradación de proteínas asociadas al RE (Figura 6).

IRE1α

IRE1α (proteína 1α que requiere inositol) es una glicoproteína transmembrana del RE, que posee undominio citoplasmático con actividad quinasa y RNasa, y un dominio luminal que detecta a lasproteínas mal plegadas [4].

Esta proteína mantiene en un estado reprimido en condiciones sin estrés a través de una asociación

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 15

con BIP (26). Durante el estrés del retículo endoplásmico, BIP se disocia para unirse a las proteínasmal plegadas. Esto conduce a la fosforilación y dimerización parcial de IRE1α, que estimula suactividad RNasa que realizar el corte y empalme de la proteína de unión a caja X (XBP1).

XBP1s controla la transcripción de genes que codifican proteínas implicadas en el plegamiento deproteínas, la degradación asociada a RE (ERAD), el control de calidad de proteínas y la síntesis defosfolípidos, esta última para dar como resultado una expansión del RE.

IRE1α también media la descomposición del ARNm para reducir la carga de plegamiento de proteínasen el RE, lo que se denomina descomposición dependiente de IRE1 regulada (RIDD). Por otro lado,induce ‘vías de estrés de alarma’, incluidas las impulsadas por la quinasa N-terminal JUN (JNK) y elfactor nuclear κB (NF-κB), mediante la unión a proteínas adaptadoras [25].

PERK

PERK (quinasa del RE pancreático)es una proteína transmembrana, que reprime la traducción deproteínas en éste. Esta proteína fosforila la serina 51 de eIF2α (subunidad α del factor de inicio de latraducción 2 en eucariotas) en respuesta al estrés.

La fosforilación de eIF2α, por un lado, reduce la formación de complejos de iniciación de la traduccióny, por tanto, lleva a una disminución de la traducción general. Este control permite reducir el estrésdel RE mediante la reducción del número de proteínas mal plegadas [9]. Por otro lado, la fosforilaciónde eIF2α permite la transcripción de ATF4, un factor de transcripción que actúa sobre genesimplicados en el metabolismo de aminoácidos, las respuestas frente a estrés oxidativo, la autofagia yla apoptosis [25].

ATF6

ATF6 (factor de transcripción activador 6) es una proteína transmembrana del RE que se localiza encélulas no estresadas. En las células sometidas a estrés RE, ATF6 es transportado al aparato de Golgidonde es escindido por las proteasas S1P y S2P para producir un fragmento citosólico soluble (ATF6f),que ingresa al núcleo para inducir la expresión de genes diana relacionados con ERAD y elplegamiento de proteínas como los genes que codifican para las chaperonas BiP. (9) [25].

Estas ramas de señalización de la UPR no se activan de forma simultánea, sino que la activación deATF6α e IRE1α ocurre de inmediato y disminuye con el tiempo, mientras que la activación de PERKsigue a la de ATF6α e IRE1α y permanece durante el estrés crónico del RE.

En condiciones normales, BiP interactúa con los dominios luminales de estos transductores, actuandocomo regulador negativo de su activación. Ante el estrés del RE, BiP se une a las proteínas malplegadas, lo que permite su liberación de los transductores. La liberación de BiP de IRE1 y PERKpermite su homodimerización y activación, mientras que su liberación de ATF6 permite el transportede éste al compartimento de Golgi para la proteólisis intramembrana regulada. Esta activación

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 16

regulada por BiP proporciona un mecanismo directo para detectar la capacidad de plegamiento delRE. Además, las proteínas mal plegadas pueden actuar como ligandos activadores para estossensores de estrés a través de la unión directa al dominio luminal de IRE1α y PERK.

Estos vías de transducción actúan como bucles de retroalimentación homeostática para atenuar elestrés del ER, de manera que, si tiene éxito en reducir la cantidad de proteína mal plegada, laseñalización de la UPR se atenúa y la célula sobrevive.

Figura 6. UPR. Las proteínas transmembrana localizadas en el retículo endoplásmico IRE1, PERK yATF6 detectan la carga de proteína desplegada en la luz del orgánulo, actuando como receptores deestrés. Transducen la señal del RE al núcleo para regular la transcripción y la síntesis de proteínas. Enconjunto, producen la respuesta de la proteína desplegada (UPR). Creada con BioRender.com.

Algunos factores ambientales, el envejecimiento y mutaciones genéticas puede dar lugar a un malfuncionamiento de la UPR, lo cual se ha demostrado que induce enfermedades relacionadas con elplegamiento anómalo de proteínas como diabetes, ateroesclerosis, neurodegeneración, inflamación ycáncer.

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 17

UPR terminal: hacia la muerte celular

Ante el estrés del RE prolongado, las respuestas adaptativas pueden resultar insuficientes pararestaurar la homeostasis del plegamiento de proteínas, de manera que la UPR activa una vía deseñalización alternativa proapoptótica, que induce la muerte celular para evitar la supervivencia decélulas aberrantes.

Aun no se conocen los detalles moleculares de esta vía, pero hay evidencias de que las dos quinasasUPR, PERK e IRE1α, involucran un conjunto de salidas pro-apoptóticas que conducen a ladegeneración celular si el estrés del RE no se puede resolver (Figura 7) [10, 27].

La hiperactivación de PERK conduce a la pausa prolongada de la traducción de proteínas, debido a lafosforilación de eIF2α, lo cual es incompatible con la supervivencia. Además, PERK induce latranscripción de ATF4, que activa a su vez la transcripción de CHOP (proteína homóloga C/EBP), unfactor de transcripción que media la muerte celular mediante la regulación de la expresión de variasproteínas:

Inhibe la expresión de las proteínas anti-apoptóticas de la familia BCL-2, lo que conduce a laactivación de proteínas BH3. Éstas desactivan las proteínas protectoras mitocondriales y lasproteínas pro-apoptóticas BAX y BAK para que permeabilicen la membrana mitocondrialexterna.Activa la expresión de ERO1α (ER oxidorreductina 1), que crea un entorno hiperoxidante en elRE, perjudicando el plegamiento de proteínas y, por tanto, aumenta la señal a favor de lamuerte.Activa la expresión de GADD34 (proteína inducible por daño del ADN), que media ladesfosforilación de eIF2α, de manera que se reanuda la síntesis de proteínas, aumentando lacarga de proteínas en el RE. Por tanto, se forma un bucle de retroalimentación al amplificar laseñal tóxica a favor de la muerte [28].

La hiperactivación de IRE1α fosforilada conduce a la formación de oligómeros en vez dehomodímeros, lo cual tiene los siguientes efectos:

Su dominio RNasa tiene afinidad por los sustratos RIDD (desintegración de ARNm dependientede IRE1), actuando como una endonucleasa de cientos de ARNm localizados en ER, de maneraque agota la carga de proteínas en el RE y los componentes de la maquinaria de plegamiento,empeorando aún más el estrés. La actividad RNasa reduce los niveles de microARN que normalmente reprimen dianas pro-apoptóticas, como la proteína pro-oxidante TXNIP (proteína que interactúa con tiorredoxina),cuyo aumento activa el inflamasoma y una vía pro-apoptótica dependiente de Caspasa-1.Recluta TRAF2 (receptor 2 asociado al receptor del factor de necrosis tumoral), que activa ASK1(quinasa 1 reguladora de la señal de apoptosis). Ésta activa a su vez JNK (quinasa terminal c-JunNH2) y MAPK (proteína quinasa activada por mitógenos p38) que, mediante fosforilación, activan

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 18

la BH3 pro-apoptótica e inhibe la BCL-2 anti-apoptótica [10, 27].

Figura 7. UPR terminal. IRE1α y PERK activan factores pro-apoptóticos e inhiben factores anti-apoptóticos ante el estrés agudo en el RE. Creada con BioRender.com.

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 19

Bibliografía

(1) Schwarz DS, Blower MD. The endoplasmic reticulum: structure, function and response to cellularsignaling. Cell Mol Life Sci 2016 -01;73(1):79-94.

(2) Brodsky JL. Translocation of proteins across the endoplasmic reticulum membrane. Int Rev Cytol1998;178:277-328.

(3) Zapun A, Jakob CA, Thomas DY, Bergeron JJ. Protein folding in a specialized compartment: theendoplasmic reticulum. Structure 1999 -08-15;7(8):173.

(4) Bukau B, Weissman J, Horwich A. Molecular chaperones and protein quality control. Cell 2006-05-05;125(3):443-451.

(5) Ellgaard L, McCaul N, Chatsisvili A, Braakman I. Co- and Post-Translational Protein Folding in theER. Traffic 2016 -06;17(6):615-638.

(6) Redondo Juárez P. Fallos en el control de calidad en la síntesis de proteínas: origen deenfermedades raras. Mistakes in quality control of protein synthesis: the origin of rare diseases 2016.

(7) Lamriben L, Graham JB, Adams BM, Hebert DN. N-Glycan-based ER Molecular Chaperone andProtein Quality Control System: The Calnexin Binding Cycle. Traffic 2016 -04;17(4):308-326.

(8) Hartl FU, Hayer-Hartl M. Converging concepts of protein folding in vitro and in vivo. Nat Struct MolBiol 2009 -06;16(6):574-581.

(9) Fu XL, Gao DS. Endoplasmic reticulum proteins quality control and the unfolded protein response:the regulative mechanism of organisms against stress injuries. Biofactors 2014 Nov-Dec;40(6):569-585.

(10) Hetz C, Papa FR. The Unfolded Protein Response and Cell Fate Control. Molecular cell 2018 Jan18,;69(2):169-181.

(11) Molinari M, Helenius A. Chaperone selection during glycoprotein translocation into theendoplasmic reticulum. Science 2000 -04-14;288(5464):331-333.

(12) Kozlov G, Gehring K. Calnexin cycle – structural features of the ER chaperone system. FEBS J2020 -10;287(20):4322-4340.

(13) Price JL, Culyba EK, Chen W, Murray AN, Hanson SR, Wong C, et al. N-glycosylation of enhancedaromatic sequons to increase glycoprotein stability. Biopolymers 2012;98(3):195-211.

(14) Oliver JD, Roderick HL, Llewellyn DH, High S. ERp57 functions as a subunit of specific complexesformed with the ER lectins calreticulin and calnexin. Mol Biol Cell 1999 -08;10(8):2573-2582.

Control de calidad de proteínas en el retículo endoplasmático | 20

(15) Soldà T, Galli C, Kaufman RJ, Molinari M. Substrate-specific requirements for UGT1-dependentrelease from calnexin. Mol Cell 2007 -07-20;27(2):238-249.

(16) Fregno I, Molinari M. Proteasomal and lysosomal clearance of faulty secretory proteins: ER-associated degradation (ERAD) and ER-to-lysosome-associated degradation (ERLAD) pathways.Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 2019 March 4,;54(2):153-163.

(17) Wang Q, Groenendyk J, Michalak M. Glycoprotein Quality Control and Endoplasmic ReticulumStress. Molecules 2015 -07-28;20(8):13689-13704.

(18) Roth J, Zuber C. Quality control of glycoprotein folding and ERAD: the role of N-glycan handling,EDEM1 and OS-9. Histochem Cell Biol 2017 -02;147(2):269-284.

(19) Caramelo JJ, Parodi AJ. Getting in and out from calnexin/calreticulin cycles. J Biol Chem 2008-04-18;283(16):10221-10225.

(20) Oikonomou C, Hendershot LM. Disposing of misfolded ER proteins: A troubled substrate’s way outof the ER. Mol Cell Endocrinol 2020 -01-15;500:110630.

(21) Hwang J, Qi L. Quality Control in the Endoplasmic Reticulum: Crosstalk between ERAD and UPRpathways. Trends Biochem Sci 2018 -08;43(8):593-605.

(22) Grumati P, Dikic I, Stolz A. ER-phagy at a glance. J Cell Sci 2018 -09-03;131(17).

(23) Walter P, Ron D. The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation.Science 2011 -11-25;334(6059):1081-1086.

(24) Wang M, Kaufman RJ. Protein misfolding in the endoplasmic reticulum as a conduit to humandisease. Nature 2016 -01-21;529(7586):326-335.

(25) Liu CY, Kaufman RJ. The unfolded protein response. J Cell Sci 2003 -05-15;116(Pt 10):1861-1862.

(26) Hetz C. The unfolded protein response: controlling cell fate decisions under ER stress andbeyond. Nat Rev Mol Cell Biol 2012 -01-18;13(2):89-102.

(27) Oakes SA, Papa FR. The Role of Endoplasmic Reticulum Stress in Human Pathology. Annu RevPathol 2015;10:173-194.

(28) Nam SM, Jeon YJ. Proteostasis in the Endoplasmic Reticulum: Road to Cure. Cancers (Basel) 2019-11-14;11(11).

Compartir