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内质网中蛋白质折叠及质量控制:来源于酵母菌和哺乳动物细胞系统的启发

摘要:真菌的进化伴随着胞内通信和细胞分化,因此一系列复杂的分泌蛋白和膜蛋白需要合成,修饰及折叠。内质网上有很多的专门的酶和辅助因子能够催化分泌蛋白产生，同时还能外排有害蛋白。大多数人类的疾病都与蛋白质有关,蛋白的错误折叠会导致很多疾病,UPR和ERAD在修复蛋白折叠问题上发挥着巨大作用。
真核生物中多达三分之一的蛋白质都与内质网有关,内质网能为蛋白质折叠提供一个安全域，有利于二硫键的形成和多重折叠蛋白质的富集。许多分泌蛋白都会以错误的方式折叠和修饰。然而，错误折叠的蛋白质以及蛋白质未折叠问题可以修复。要么通过内质网增加自己修复错误折叠蛋白的能力即UPR，或者使错误折叠蛋白被破坏即ERAD。
1.内质网中蛋白质折叠机制
蛋白质折叠与多肽的主要结构信息和相关的胞内网络有一个复杂的相互作用。折叠起初在胞质核糖体开始,在蛋白质包装进入内质网出口时结束。随着信号识别粒子识别信号序列,核糖体初始链复合物定位于“易位子”的胞质面。
分泌蛋白进入内质网后会遇到分子伴侣网络系统。这些系统会涉及到：（1）与Hsp40 ,Hsp70及Hsp90分子伴侣的非共价结合，（2）基于凝集素的分子伴侣，如钙联接蛋白(CNX)和钙网蛋白(CRT)（3）蛋白二硫化物异构酶(PDIs)。新合成的多肽进入内质网后，内质网内的分子伴侣就会在时间和空间上被组织,新蛋白的早期修饰涉及到寡糖核心(GlcNAC2Man9Glc3)转移到Asn-X-Ser/Thr,糖基化可以提高蛋白质的溶解性,降低聚合,为CNX 和 CRT提供一个结合位点，便于PDI发挥作用，也能标记ERAD。在多糖被吸附后,末端葡萄糖就通过GlcI被移除。接着通过GlcII移除第二个葡萄糖。这样就产生了能作用于CNX 和 CRT的高亲和力配体 GlcNAC2Man9Glc1，膜蛋白CNX与易位子有关并结合底物。相反，CRT是可溶性蛋白并且主要与核糖体释放的分泌蛋白相互作用。一旦结合，CNX/CRT就会使底物保存在内质网，阻止聚合和降解同时通过招募PDI，ERp57利于折叠。通过Glc II产生 GlcNAC2Man9去除最后一个葡萄糖就不能结合CNX/CRT，折叠后的底物就能离开内质网。然而，通常几乎所有暴露出疏水区域的内底物都会转运到BiP或者被UDP-Glc糖蛋白糖基转移酶再次糖基化进入第二个CNX/CRT循环。

图一:哺乳动物内质网中蛋白早期折叠及质量控制机制
2.未折叠蛋白响应：围绕内质网蛋白折叠问题的探讨
通过UPR诱导,来源于内质网错误折叠蛋白质聚集的压力可以得到改善。UPR最初是由一个或三个不同的信号转导途径介导而开始的。共有的系统是IRE1，可以编码单向膜蛋白。在酵母菌中通过拼接Hac1 mRNA翻译抑制区域激活Hac1转录因子合成。一旦翻译，Hac1就会结合到含有UPR元素的启动子上，大量的二次UPR定位被激活，但是所有导致转录的因素特性依然未知。在哺乳动物中，IRE1可以通过二个额外的UPR传感器PERK和 ATF6加入应答过程。Ire1的下游靶位点是XBP1转录因子。和Hac1一样，可以诱导修护内质网的产物合成，但是，哺乳动物中对PERK 和 ATF6有更多地特异性要求，可以立即抑制新的蛋白的合成，进一步增加缓解压力的因子的水平。在后期，这些传感器可以启动一个调往程序。总的来说，UPR可以减少内质网中错误折叠蛋白的浓度和毒性。当UPR无法起作用时，内质网中含有二硫键的错误折叠蛋白会抑制细胞生长。
最初认为Ire1不能直接感应错误折叠蛋白的浓度水平因为Ire1 和 BiP都能在细胞溶解物中沉淀。然而，酵母菌的Ire1的晶体结构能够识别一个多肽结合位点，这与MHCI中发现的位点类似。这个位点的突变可以减少Ire1依赖性信号的转导。但是人类IRE1这个区域的结构却是崩溃的，使得多肽是否适合这个位点并不明显。解决这个问题可以由酵母菌的Ire1会结合未折叠蛋白及BiP会阻止Ire1寡聚物的形成来解释。当激活了的初期Ire1可以启动UPR时，在哺乳动物中BiP可能会提供一个阀值,或决定UPR感应动力学。

图二:哺乳动物中UPR被多个信号转导途径激活过程
3.内质网协助降解：内质网中错误折叠蛋白快速修复
ERAD途径能识别并破坏不能通过ERQC 的蛋白，首先，ERAD 底物必须被识别，同时内质网内凝集素会协助底物识别。第二，底物必须呈现给蛋白酶。第三，蛋白酶体传递需要泛素化。第四，蛋白酶体识别并破坏逆向转运底物。基于许多ERAD底物的拓扑结构，用于底物识别的因子都存在于内质网腔，细胞质和细胞膜中。每个间隔的病变折叠底物被分析用来揭示ERAD-‘M’，ERAD-‘L’ 和 ERAD-‘C’ 底物退化需求的区别。而且E3泛素连接酶会把泛素附加到ERAD-L/M 和 ERAD-C不同的多蛋白复合物底物上。
在内质网中包含分子伴侣和凝集素的复合物也许鉴于不同基质的进化能识别ERAD底物。UGT 和CNX/CRT并不孤立存在于凝集素及多肽结合的分子伴侣中。EDE也能识别未糖基化的底物。甘露糖修饰底物也能被同源Yos9和 OS-9/XTP3-B蛋白识别。并与能识别，转运,泛素化的ERAD底物的组件相关。逆向转运最重要的可能是二硫键的减少，并且可以被含有蛋白的J域，硫氧还蛋白域和ERdj5催化。ERdj5的氧化还原电位会把酶置于还原PDI中，而且，ERdj5 会结合 EDEM。
ERAD底物以一个自由的Cdc48/p97方式逆向转运，内质网中p97/Cdc48对于ERAD达到最大量是十分重要的。在哺乳动物中，p97组织蛋白可能会履行这个角色。在酵母菌中，Ubx2也可能扮演这种角色或者有利于招募泛素化的ERAD底物到Cdc48上。内质网膜上有大量的蛋白酶体驻留，逆向转运和降解是耦合的。在降解前，ERAD底物的聚泛素链已经被移除。

图三:ERAD-L ,ERAD-C,或ERAD-M中病变的ERAD底物

小结
UPR和ERAD都有利于促进非质量控制的活性。UPR可以启动特定细胞应答和发展决定，ERAD途径也能用于调节新陈代谢过程，能够调节酵母菌中隔解毒以及哺乳动物中蛋白酶体水平。超过一百多种机体失调疾病如囊性纤维化、失明、阿尔茨海默氏症都共享胞内保守的病理途径。错误折叠的内质网蛋白会随着有毒物质聚合过早降解和累积。因此促发了三条干扰途径会作用于底物本身，特定的胞内因素，或者作用于全面折叠环境。第一条途径源自于观察到当被因子救援时突变体蛋白仍会保留生物功能。第二种途径定位于ERQC途径。第三条途径表明内质网底物由他们与溶质，代谢物，及大分子的相互作用决定，并依次对压力，年龄和生物合成的负载敏感。因此，转录因子，伴侣系统，或者表观遗传修饰都可以提供一条治疗这些疾病的方法。