Proteostasi - Proteostasis
La proteostasi è la regolazione dinamica di un proteoma equilibrato e funzionale . La rete di proteostasi include percorsi biologici concorrenti e integrati all'interno delle cellule che controllano la biogenesi , il ripiegamento, il traffico e la degradazione delle proteine presenti all'interno e all'esterno della cellula. La perdita di proteostasi è fondamentale per comprendere la causa delle malattie associate all'eccessivo misfolding e degradazione delle proteine che portano a fenotipi con perdita di funzione , nonché a disturbi degenerativi associati all'aggregazione. Il ripristino terapeutico della proteostasi può trattare o risolvere queste patologie. La proteostasi cellulare è la chiave per garantire uno sviluppo positivo, un invecchiamento sano , la resistenza agli stress ambientali e per ridurre al minimo le perturbazioni omeostatiche da agenti patogeni come i virus . I meccanismi cellulari per il mantenimento della proteostasi includono la traduzione regolata delle proteine, il ripiegamento proteico assistito da chaperone e le vie di degradazione delle proteine. La regolazione di ciascuno di questi meccanismi in base alla necessità di proteine specifiche è essenziale per mantenere tutte le funzioni cellulari che si basano su un proteoma correttamente ripiegato .
Meccanismi di proteostasi
I ruoli del ribosoma nella proteostasi
Uno dei primi punti di regolazione della proteostasi è durante la traduzione . Ciò si ottiene attraverso la struttura del ribosoma , un complesso centrale per la traduzione. Queste due caratteristiche modellano il modo in cui la proteina si ripiega e influenza le future interazioni delle proteine. La sintesi di una nuova catena peptidica che utilizza il ribosoma è molto lenta e il ribosoma può persino bloccarsi quando incontra un codone raro , un codone che si trova a basse concentrazioni nella cellula. Queste pause forniscono l'opportunità a un singolo dominio proteico di avere il tempo necessario per piegarsi prima della produzione dei domini successivi. Ciò facilita il corretto ripiegamento delle proteine multidominio. La catena peptidica appena sintetizzata esce dal ribosoma nell'ambiente cellulare attraverso lo stretto canale di uscita del ribosoma (larghezza: da 10Å a 20Å, lunghezza 80Å). A causa della restrizione di spazio nel canale di uscita, la catena nascente forma già strutture terziarie secondarie e limitate . Ad esempio, un'alfa elica è una di queste proprietà strutturali comunemente indotte in questo canale di uscita. Allo stesso tempo, il canale di uscita impedisce anche il ripiegamento prematuro impedendo interazioni su larga scala all'interno della catena peptidica che richiederebbero più spazio.
Chaperon molecolari e mantenimento post-traduzionale nella proteostasi
Al fine di mantenere l'omeostasi delle proteine post-traduzionali, la cellula fa uso di chaperon molecolari che talvolta includono chaperonine , che aiutano nell'assemblaggio o nel disassemblaggio delle proteine. Riconoscono i segmenti esposti di amminoacidi idrofobici nella catena peptidica nascente e quindi lavorano per promuovere la corretta formazione di interazioni non covalenti che portano allo stato ripiegato desiderato. Gli chaperon iniziano ad assistere nel ripiegamento delle proteine non appena una catena nascente più lunga di 60 amminoacidi emerge dal canale di uscita del ribosoma. Uno degli chaperon leganti i ribosomi più studiati è il fattore scatenante. Il fattore trigger lavora per stabilizzare il peptide, ne promuove il ripiegamento, previene l'aggregazione e favorisce il ripiegamento dei substrati del modello denaturati. Gli esperimenti di profilatura dei ribosomi hanno mostrato che i TF prendono di mira prevalentemente i ribosomi che traducono le proteine della membrana esterna in vivo, e inoltre sono sottorappresentati sui ribosomi che traducono le proteine della membrana interna. Il fattore di attivazione non solo funziona direttamente per piegare correttamente la proteina, ma recluta anche altri chaperon al ribosoma, come Hsp70. Hsp70 circonda una catena peptidica spiegata, prevenendo così l'aggregazione e promuovendo il ripiegamento.
Le chaperonine sono una classe speciale di chaperon che promuovono il ripiegamento dello stato nativo incapsulando ciclicamente la catena peptidica. Le chaperonine sono divise in due gruppi. Le chaperonine del gruppo 1 si trovano comunemente nei batteri, nei cloroplasti e nei mitocondri. Le chaperonine del gruppo 2 si trovano sia nel citosol delle cellule eucariotiche che negli archei. Le chaperonine del gruppo 2 contengono anche un componente elicoidale aggiuntivo che funge da coperchio per la camera cilindrica delle proteine, a differenza del gruppo 1 che invece si basa su un cochaperone in più per fungere da coperchio. Tutte le chaperonine mostrano due stati (aperto e chiuso), tra i quali possono ciclare. Questo processo ciclico è importante durante il ripiegamento di una singola catena polipeptidica in quanto aiuta ad evitare interazioni indesiderate e ad impedire che il peptide entri in stati cineticamente intrappolati.
Regolazione della proteostasi mediante degradazione delle proteine
Il terzo componente della rete di proteostasi è il meccanismo di degradazione delle proteine. La degradazione delle proteine si verifica nella proteostasi quando i segnali cellulari indicano la necessità di ridurre i livelli complessivi di proteine cellulari. Gli effetti della degradazione delle proteine possono essere locali, con la cellula che sperimenta solo gli effetti della perdita della stessa proteina degradata o diffusi, con l'intero panorama proteico che cambia a causa della perdita di interazioni di altre proteine con la proteina degradata. Substrati multipli sono bersagli per la degradazione proteostatica. Questi substrati degradabili includono frammenti proteici non funzionali prodotti dallo stallo ribosomiale durante la traduzione, proteine mal ripiegate o spiegate, proteine aggregate e proteine che non sono più necessarie per svolgere la funzione cellulare. Esistono diversi percorsi per eseguire questi processi di degradazione. Quando si determina che le proteine sono dispiegate o mal ripiegate, vengono tipicamente degradate tramite la risposta proteica non ripiegata (UPR) o la degradazione proteica associata al reticolo endoplasmatico (ERAD). I substrati che sono spiegati, mal ripiegati o non più necessari per la funzione cellulare possono anche essere etichettati con ubiquitina per la degradazione da proteasi dipendenti dall'ATP, come il proteasoma negli eucarioti o ClpXP nei procarioti. Anche l'autofagia o l'autoinghiottimento, il targeting lisosomiale e la fagocitosi ( inghiottimento di prodotti di scarto da parte di altre cellule) possono essere utilizzati come meccanismi di degradazione proteostatica.
Segnalazione di eventi nella proteostasi
Il misfolding delle proteine viene rilevato da meccanismi specifici per il compartimento cellulare in cui si verificano. Nel citoplasma, nell'ER e nei mitocondri sono stati caratterizzati distinti meccanismi di sorveglianza che rispondono alla proteina non ripiegata. Questa risposta agisce localmente in modo autonomo dalle cellule, ma può anche estendersi alla segnalazione intercellulare per proteggere l'organismo dallo stress proteotossico previsto.
Risposte allo stress cellulare autonome
I percorsi di risposta allo stress cellulare rilevano e alleviano lo stress proteotossico innescato da squilibri nella proteostasi. La regolazione dell'autonomia cellulare avviene attraverso il rilevamento diretto di proteine mal ripiegate o l'inibizione dell'attivazione del percorso sequestrando i componenti attivanti in risposta allo shock termico. Le risposte cellulari a questa segnalazione di stress includono l'attivazione trascrizionale dell'espressione di chaperone, una maggiore efficienza nel traffico e la degradazione delle proteine e la riduzione della traduzione.
Risposta allo shock termico citosolico
L'HSR citosolico è principalmente mediato dalla famiglia dei fattori di trascrizione HSF (famiglia da shock termico). HSF è costitutivamente vincolato da Hsp90. Su uno stimolo proteotossico Hsp90 viene reclutato lontano da HSF che può quindi legarsi agli elementi di risposta al calore nel DNA e sovraregolare l'espressione genica delle proteine coinvolte nel mantenimento della proteostasi.
Risposta proteica dispiegata ER
La risposta proteica dispiegata nel reticolo endoplasmatico (ER) è attivata da squilibri delle proteine non ripiegate all'interno dell'ER e delle proteine che mediano l'omeostasi proteica. Diversi "rivelatori" - come IRE1, ATF6 e PERK - possono riconoscere le proteine mal ripiegate nell'ER e mediare le risposte trascrizionali che aiutano ad alleviare gli effetti dello stress ER.
Risposta della proteina spiegata mitocondriale
La risposta della proteina spiegata mitocondriale rileva squilibri nella stechiometria proteica delle proteine mitocondriali e delle proteine mal ripiegate. L'espressione di chaperon mitocondriali è sovraregolata dall'attivazione dei fattori di trascrizione ATF-1 e/o DVE-1 con UBL-5.
Segnalazione di stress sistemico
Le risposte allo stress possono anche essere attivate in modo autonomo non cellulare dalla comunicazione intercellulare. Lo stress che viene rilevato in un tessuto potrebbe quindi essere comunicato ad altri tessuti per proteggere il proteoma dell'organismo o per regolare la proteostasi a livello sistemico. L'attivazione cellulare non autonoma può verificarsi per tutte e tre le risposte allo stress.
Il lavoro sull'organismo modello C. elegans ha dimostrato che i neuroni svolgono un ruolo in questa comunicazione intercellulare dell'HSR citosolico. Lo stress indotto nei neuroni del verme può a lungo andare proteggere altri tessuti come le cellule muscolari e intestinali dalla proteotossicità cronica . Allo stesso modo ER e UPR mitocondriale nei neuroni sono trasmessi alle cellule intestinali. Queste risposte sistemiche sono state implicate nel mediare non solo la proteostasi sistemica, ma anche nell'influenzare l'invecchiamento dell'organismo.
Malattie della proteostasi
Proteostasi e malattie del ripiegamento proteico
La disfunzione nella proteostasi può derivare da errori o da un'errata regolazione del ripiegamento delle proteine. Gli esempi classici sono mutazioni e delezioni missenso che modificano i parametri termodinamici e cinetici per il processo di ripiegamento delle proteine. Queste mutazioni sono spesso ereditate e variano in gravità fenotipica da nessun effetto evidente alla letalità embrionale. La malattia si sviluppa quando queste mutazioni rendono una proteina significativamente più suscettibile a misfolding, aggregazione e degradazione. Se questi effetti alterano solo la proteina mutata, le conseguenze negative saranno solo la perdita locale della funzione. Tuttavia, se queste mutazioni si verificano in un chaperone o in una proteina che interagisce con molte altre proteine, si verificheranno drammatiche alterazioni globali nel confine della proteostasi. Esempi di malattie derivanti da cambiamenti proteostatici da errori nel ripiegamento delle proteine includono la fibrosi cistica, la malattia di Huntington, il morbo di Alzheimer, i disordini da accumulo lisosomiale e altri.
Il ruolo dei sistemi modello nella delucidazione delle malattie da misfolding proteico
I sistemi modello di piccoli animali sono stati e continuano a essere strumentali nell'identificazione di meccanismi funzionali che salvaguardano la proteostasi. I sistemi modello di diverse proteine della malattia inclini al misfolding hanno finora rivelato numerosi modificatori chaperone e co-chaperone della proteotossicità .
Proteostasi e cancro
La divisione cellulare non regolata che segna lo sviluppo del cancro richiede una maggiore sintesi proteica per la funzione e la sopravvivenza delle cellule tumorali. Questo aumento della sintesi proteica si riscontra tipicamente nelle proteine che modulano il metabolismo cellulare e i processi di crescita. Le cellule tumorali sono talvolta sensibili ai farmaci che inibiscono gli chaperon e interrompono la proteostasi, come gli inibitori di Hsp90 o gli inibitori del proteasoma . Inoltre, le cellule cancerose tendono a produrre proteine mal ripiegate, che vengono rimosse principalmente mediante proteolisi. Gli inibitori della proteolisi consentono l'accumulo di entrambi gli aggregati proteici mal ripiegati, nonché le proteine di segnalazione dell'apoptosi nelle cellule tumorali. Questo può modificare la sensibilità delle cellule tumorali ai farmaci antineoplastici; le cellule cancerose muoiono a una concentrazione di farmaco inferiore o sopravvivono, a seconda del tipo di proteine che si accumulano e della funzione che queste proteine hanno. L'inibitore del proteasoma bortezomib è stato il primo farmaco di questo tipo a ricevere l'approvazione per il trattamento del mieloma multiplo.
Proteostasi e obesità
Un segno distintivo delle reti proteostatiche cellulari è la loro capacità di adattarsi allo stress attraverso la regolazione delle proteine. Le malattie metaboliche, come quelle associate all'obesità, alterano la capacità delle reti di proteostasi cellulari di adattarsi allo stress, spesso con effetti dannosi sulla salute. Ad esempio, quando la produzione di insulina supera la capacità di secrezione di insulina della cellula, si verifica il collasso proteostatico e la produzione di chaperon è gravemente compromessa. Questa interruzione porta ai sintomi della malattia mostrati negli individui con diabete.
Proteostasi e invecchiamento
Nel tempo, la rete proteostasi si carica di proteine modificate da specie reattive dell'ossigeno e metaboliti che inducono danno ossidativo. Questi sottoprodotti possono reagire con le proteine cellulari per causare mal ripiegamento e aggregazione (specialmente nelle cellule che non si dividono come i neuroni). Questo rischio è particolarmente elevato per le proteine intrinsecamente disordinate. È stato dimostrato che la via IGFR-1 in C. elegans protegge da questi aggregati dannosi e alcuni lavori sperimentali hanno suggerito che la sovraregolazione del recettore 1 del fattore di crescita dell'insulina (IGFR-1) può stabilizzare la rete proteostatica e prevenire gli effetti dannosi dell'invecchiamento. L'espressione del chaperoma , l'insieme di chaperon e co-chaperon che interagiscono in una complessa rete di macchine pieghevoli molecolari per regolare la funzione del proteoma, è drammaticamente repressa nel cervello umano che invecchia e nel cervello dei pazienti con malattie neurodegenerative. Saggi funzionali in C. elegans e cellule umane hanno identificato una sottorete conservata di chaperoma di 16 geni chaperone, corrispondenti a 28 ortologhi umani come protezione della proteostasi nell'invecchiamento e nelle malattie neurodegenerative dell'età.
Intervento farmacologico nella proteostasi
Esistono due approcci principali che sono stati utilizzati per lo sviluppo terapeutico mirato alla rete proteostatica: chaperon farmacologici e regolatori della proteostasi. Il principio alla base della progettazione di chaperon farmacologici per l'intervento nelle malattie della proteostasi è la progettazione di piccole molecole che stabilizzano le proteine che mostrano una stabilità borderline. In precedenza, questo approccio è stato utilizzato per mirare e stabilizzare i recettori accoppiati alla proteina G, i recettori dei neurotrasmettitori, la glicosidasi, le proteine di accumulo lisosomiale e la proteina CFTR mutante che causa la fibrosi cistica e la transtiretina, che possono essere archiviate in modo errato e aggregarsi portando ad amiloidosi. Vertex Pharmaceuticals e Pfizer vendono chaperon farmacologici approvati dall'agenzia di regolamentazione per il miglioramento della fibrosi cistica e delle amiloidosi da transtiretina, rispettivamente. Amicus vende un chaperone farmacologico approvato dall'agenzia di regolamentazione per la malattia di Fabry, una malattia da accumulo lisosomiale.
Il principio alla base dei regolatori della proteostasi è diverso, queste molecole alterano la biologia del ripiegamento e/o della degradazione delle proteine alterando la stechiometria dei componenti della rete di proteostasi in un dato compartimento subcellulare. Ad esempio, alcuni regolatori della proteostasi avviano la segnalazione sensibile allo stress, come la risposta proteica non ripiegata, che riprogramma trascrizionalmente la rete di proteostasi del reticolo endoplasmatico. È stato suggerito che questo approccio potrebbe anche essere applicato in modo profilattico, come la sovraregolazione di alcuni percorsi protettivi prima di sperimentare un grave stress cellulare previsto. Un meccanismo teorico per questo approccio include la sovraregolazione della risposta allo shock termico per salvare le proteine dalla degradazione durante lo stress cellulare.