Normális körülmények között a bazális autofágia folyamatosan eltakarítja a citoplazmából a p62-t és a hozzákötődő szállítmányt, a mérgező aggregálódó fehérjéket. Az Nrf2 (nuclear factor (erythroid derived 2)-like 2) fehérje, egy stressz válasz transzkripciós faktor, a Cul3–Rbx1 ubiquitin ligáz komplexum és a Keap1 (Kelch-like ECH-associated protein 1) adapter segítségével ubiquitinilálódik és a proteaszóma által bomlik le (4.15. ábra).
4.15. ábra Az Nrf2 (nuclear factor-like 2) transzkripciós faktor lebontása normális körülmények között Autofágia hiányában, a p62 fehérje és a hozzákapcsolódó aggregátumok felhalmozódnak a citoplazmában (4.16.
ábra). A felesleges p62 a Keap1-hez kötődik, megszakítva az Nrf2 ubiquitinilációját és ebből következően a lebontását. Ez a citoplazmatikus Nrf2 szint emelkedését okozza, lehetővé téve, hogy az Nrf2 belépjen a sejtmagba, ott a Maf transzkripciós faktorral heterodimerizáljon és aktiválják a génátírást az antioxidáns válaszelemet (ARE - antioxidant response element) tartalmazó promóterekről. A megnőtt Nrf2 aktivitás a fő okozója a májbetegségeknek, melyeket hiányos autofágia mellett figyeltek meg (Rusten és Stenmark, 2010).
4.16. ábra Az Nrf2 fehérje aktivitásának szabályozása p62 által
Nézzük meg most az Nrf2 transzkripciós faktort aktiváló rendszert egy kicsit más oldalról megvilágítva. Hiányos autofágia következtében a p62 szelektív turnovere korlátozott, ami súlyos májkárosodást okoz, melyet p62 pozitív zárványok képződése és a méregtelenítő enzimek aktiválódása kísér. Ez a fenotípus nagyon hasonlít a humán májbetegségek, mint az alkoholos májbetegség (alkoholos szteatohepatózis, alcoholic hepatitis) és a hepatocelluláris karcinóma, patológiájára. A betegségek molekuláris mechanizmusai és a patofiziológiás folyamatai ennek ellenére még nem ismertek. Az Nrf2 transzkripciós faktort, melynek a célgénjei antioxidáns fehérjéket és méregtelenítő enzimeket kódolnak, a p62 szabályozza. A p62 a Keap1 (az Nrf2-t felismerő ubiquitin ligáz egyik alegysége) Nrf2 kötőhelyéhez kapcsolódik. Így tehát, a p62 túltermelése vagy az autofágia defektusa miatt felszaporodó p62 molekulák versenyre kelnek az Nrf2-vel a Keap1-hez való kapcsolódásért (4.17. ábra).
4.17. ábra Az Nrf2-Keap1 útvonal vázlatos ábrája.A klasszikus, oxidatív stressz által szabályozott útvonal az ábra baloldalán van feltüntetve. A p62 részvételével történő szabályozás a jobb oldalon látható. Az Nrf2 csukló és retesz mechanizmusain vivois működik.
Ez az Nrf2 stabilizálódását és az Nrf2 célgénjei transzkripciójának aktiválódását eredményezi. Mindez arra utal, hogy a p62 felhalmozódásával összefüggő patológiai folyamat az Nrf2 hiperaktivitását okozza és felvázolja a szelektív autofágia nem várt szerepét a védekező enzimek génjeinek transzkripció szabályozásában (Komatsu és mtsai., 2010).
Ellenőrző kérdések
1. Mik az endoplazmatikus retikulummal társult lebontás (ERAD) lépései?
2. Milyen mutációk és hogyan okozzák a Parkinson-kór kialakulását?
3. Hogyan vesz részt a parkin E3 enzim az ER-hoz kapcsolt fehérje degradációban?
4. Milyen szerkezeti doménjei és kölcsönható partnerei vannak a p62 fehérjének?
5. Hogyan szabályozza az ubiquitin-proteaszóma rendszer az Nrf2-Keap1 útvonalat?
Irodalom
Chung, K. K., Dawson, V. L. és Dawson, T. M. (2001) The role of the ubiquitin-proteasomal pathway in Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders.Trends Neurosci24, S7-14.
Ding, W. X.(2010) Role of autophagy in liver physiology and pathophysiology.World J Biol Chem1, 3-12.
Jin, Z., Li, Y., Pitti, R., Lawrence, D., Pham, V. C., Lill, J. R. és Ashkenazi, A. (2009) Cullin3-based polyubiquitination and p62-dependent aggregation of caspase-8 mediate extrinsic apoptosis signaling.Cell 137, 721-35.
Kirkin, V., Lamark, T., Sou, Y. S., Bjorkoy, G., Nunn, J. L., Bruun, J. A., Shvets, E., McEwan, D. G., Clausen, T. H., Wild, P. és mtsai.(2009) A role for NBR1 in autophagosomal degradation of ubiquitinated substrates.Mol Cell 33, 505-16.
Klionsky, D. J.(2006) Neurodegeneration: good riddance to bad rubbish.Nature 441, 819-20.
Komatsu, M., Kurokawa, H., Waguri, S., Taguchi, K., Kobayashi, A., Ichimura, Y., Sou, Y. S., Ueno, I., Sakamoto, A., Tong, K. I. és mtsai.(2010) The selective autophagy substrate p62 activates the stress responsive transcription factor Nrf2 through inactivation of Keap1.Nat Cell Biol 12, 213-23.
Komatsu, M., Waguri, S., Koike, M., Sou, Y. S., Ueno, T., Hara, T., Mizushima, N., Iwata, J., Ezaki, J., Murata, S. és mtsai.(2007) Homeostatic levels of p62 control cytoplasmic inclusion body formation in autophagy-deficient mice.Cell 131, 1149-63.
Lamark, T. és Johansen, T.(2010) Autophagy: links with the proteasome.Curr Opin Cell Biol22, 192-8.
Landles, C. és Bates, G. P.(2004) Huntingtin and the molecular pathogenesis of Huntington's disease. Fourth in molecular medicine review series.EMBO Rep5, 958-63.
Layfield, R., Alban, A., Mayer, R. J. és Lowe, J.(2001) The ubiquitin protein catabolic disorders.Neuropathol Appl Neurobiol27, 171-9.
Martinez-Vicente, M. és Cuervo, A. M.(2007) Autophagy and neurodegeneration: when the cleaning crew goes on strike.Lancet Neurology 6, 352-361.
Moscat, J. és Diaz-Meco, M. T. (2009) p62 at the crossroads of autophagy, apoptosis, and cancer.Cell 137, 1001-4.
Moscat, J., Diaz-Meco, M. T. és Wooten, M. W.(2007) Signal integration and diversification through the p62 scaffold protein.Trends Biochem Sci32, 95-100.
Nezis, I. P., Simonsen, A., Sagona, A. P., Finley, K., Gaumer, S., Contamine, D., Rusten, T. E., Stenmark, H. és Brech, A.(2008) Ref(2)P, the Drosophila melanogaster homologue of mammalian p62, is required for the formation of protein aggregates in adult brain.J Cell Biol 180, 1065-71.
Ross, C. A. és Pickart, C. M. (2004) The ubiquitin-proteasome pathway in Parkinson's disease and other neurodegenerative diseases.Trends In Cell Biology14, 703-711.
Rusten, T. E. és Stenmark, H.(2010) p62, an autophagy hero or culprit?Nat Cell Biol12, 207-9.
Tyedmers, J., Mogk, A. és Bukau, B.(2010) Cellular strategies for controlling protein aggregation.Nat Rev Mol Cell Biol11, 777-88.
Vembar, S. S. és Brodsky, J. L.(2008) One step at a time: endoplasmic reticulum-associated degradation.Nat Rev Mol Cell Biol9, 944-57.
Vila, M. és Przedborski, S.(2004) Genetic clues to the pathogenesis of Parkinson's disease.Nat Med10 Suppl, S58-62.
Yoshida, H.(2007) ER stress and diseases.FEBS J 274, 630-58.
5. Az ubiquitin-proteaszóma rendszer szerepe az apoptózis szabályozásában
Az apoptózis a programozott sejthalál egy fajtája, melynek során azért pusztulnak el a sejtek, hogy megakadályozzák a túlzott sejtosztódást, vagy csökkentsék a DNS károsodás hatását. A természetes sejtpusztulás nagyon fontos szerepet játszik a normális életfolyamatokban is, mint a magzati fejlődés és a szöveti állandóság. Az apoptózis szabályozásában bekövetkező hibák sok betegség kialakulásához járulnak hozzá, mint a rák, autoimmun betegségek és neurodegeneráció. Másrészről viszont az apoptózist irányító fehérjék új gyógyszerkutatási célpontokat jelentenek és a rák kezelésének új lehetőségeihez vezethetnek.
Az ubiquitin-proteaszóma rendszer a fő lizoszómán kívüli lebontó út, mely részt vesz a sejten belüli fehérjebontásban.
A 26S proteaszóma egy multienzim komplex, mely a rosszul hajtogatott illetve felesleges fehérjéket bontja le.
Megfordítva, a proteaszomális lebontó útvonal gátlása a nemkívánatos fehérjék felhalmozódásához és sejthalálhoz vezet. Mivel a ráksejtek sokkal gyorsabban osztódnak, mint a normál sejtek a fehérje átírási és lebontási sebességük is gyorsabb. Számos specifikus proteaszóma szubsztrát elengedhetetlenül szükséges a sejtciklus megállításához illetve az apoptózishoz. Ezen szubsztrátok lebontásának meghiúsítása proteaszomális gátlás révén új és egyedülálló megközelítése a daganatos betegségek kezelésének. Egy peptid bórsav vegyület, a bortezomib szelektív és reverzibilis proteaszóma gátlószer (5.1. ábra). Az amerikai FDA (Food and Drug Administration) és az Európai Gyógyszerértékelő Ügynökség (EMEA - European Agency for the Evaluation of Medicinal Products) is engedélyezte használatát a frissen diagnosztizált, más citosztatikumra nem reagáló csontvelőrák (mielóma muliplex) kezelésében (Velcade).
5.1. ábra A bortezomib (Velcade) térkitöltő modellje
A következőkben röviden tekintsük át az apoptózis azon folyamatait, melyek szabályozásában az ubiquitin-proteaszóma rendszer fontos szerepet játszik.