Zintegrowana reakcja na stres

Zintegrowana odpowiedź na stres to komórkowa reakcja na stres zachowana w komórkach eukariotycznych , która obniża syntezę białek i zwiększa regulację określonych genów w odpowiedzi na stresy wewnętrzne lub środowiskowe.

Tło

Zintegrowana reakcja na stres może być wyzwalana w komórce z powodu warunków zewnętrznych lub wewnętrznych. Czynniki zewnętrzne obejmują niedotlenienie , niedobór aminokwasów , niedobór glukozy , infekcję wirusową i obecność utleniaczy . Głównym czynnikiem wewnętrznym jest retikulum endoplazmatycznego spowodowany akumulacją niesfałdowanych białek . Zaobserwowano również, że zintegrowana reakcja na stres może zostać uruchomiona w wyniku onkogenu . Zintegrowana reakcja na stres albo spowoduje ekspresja genów , które naprawiają uszkodzenia w komórce spowodowane stresowymi warunkami, lub spowoduje kaskadę zdarzeń prowadzących do apoptozy , która ma miejsce, gdy komórka nie może wrócić do homeostazy .

kompleks białkowy eIF2

Sygnały stresowe mogą powodować, że kinazy białkowe , znane jako kinazy EIF-2 , fosforylują podjednostkę α kompleksu białkowego zwanego czynnikiem inicjacji translacji 2 (eIF2), co powoduje włączenie genu ATF4 , co dodatkowo wpływa na ekspresję genów. eIF2 składa się z trzech podjednostek: eIF2α , eIF2β i eIF2γ . eIF2α zawiera dwa miejsca wiązania, jedno do fosforylacji i jedno do wiązania RNA. Kinazy działają w celu fosforylacji seryny 51 na podjednostce α, co jest działaniem odwracalnym. W komórce znajdującej się w normalnych warunkach eIF2 pomaga w zainicjowaniu translacji mRNA i rozpoznaniu kodonu startowego AUG. Jednak po fosforylacji eIF2α aktywność kompleksu zmniejsza się, powodując zmniejszenie inicjacji translacji i syntezy białek, jednocześnie promując ekspresję genu ATF4.

Kinazy białkowe

Istnieją cztery znane ssacze kinazy białkowe , które fosforylują eIF2α, w tym kinaza ER podobna do PKR (PERK, EIF2AK3), regulowana hemem kinaza eIF2α (HRI, EIF2AK1), ogólna kontrola niedepresyjna 2 (GCN2, EIF2AK4) i zależna od dwuniciowego RNA kinazy białkowe (PKR, EIF2AK2).

AKCYDENS

PERK (kodowany u ludzi przez gen EIF2AK3 ) reaguje głównie na stres retikulum endoplazmatycznego i ma dwa tryby aktywacji. Ta kinaza ma unikalną domenę światła, która odgrywa rolę w aktywacji. Klasyczny model aktywacji stwierdza, że ​​domena luminalna jest normalnie związana z białkiem regulowanym glukozą o masie cząsteczkowej 78 kDa ( GRP78 ). Gdy dochodzi do nagromadzenia niesfałdowanych białek, GRP78 dysocjuje od domeny światła. Powoduje to dimeryzację PERK, co prowadzi do autofosforylacji i aktywacji. Aktywowana kinaza PERK będzie następnie fosforylować eIF2α, powodując kaskadę zdarzeń. Zatem aktywacja tej kinazy jest zależna od agregacji niesfałdowanych białek w retikulum endoplazmatycznym. Zaobserwowano również aktywację PERK w odpowiedzi na aktywność protoonkogenu MYC . Ta aktywacja powoduje ekspresję ATF4, co prowadzi do powstawania nowotworów i transformacji komórkowej .

HRI

HRI (kodowany u ludzi przez gen EIF2AK1 ) również dimeryzuje w celu autofosforylacji i aktywacji. Ta aktywacja jest zależna od obecności hemu . HRI ma dwie domeny, z którymi może wiązać się hem, w tym jedną na N-końcu i jedną na domenie insercyjnej kinazy. Obecność hemu powoduje wiązanie dwusiarczkowe tworząc się między monomerami HRI, w wyniku czego powstaje struktura nieaktywnego dimeru. Jednak gdy hem jest nieobecny, monomery HRI tworzą aktywny dimer poprzez oddziaływania niekowalencyjne. Dlatego aktywacja tej kinazy jest zależna od niedoboru hemu. Aktywacja HRI może również wystąpić z powodu innych stresorów, takich jak szok termiczny, stres osmotyczny i hamowanie proteasomów. Aktywacja HRI w odpowiedzi na te stresory nie zależy od hemu, ale raczej opiera się na pomocy dwóch białek szoku cieplnego ( HSP90 i HSP70 ). HRI występuje głównie w prekursorach czerwonych krwinek i zaobserwowano jego wzrost podczas erytropoeza .

GCN2

GCN2 (kodowany u ludzi przez gen EIF2AK4 ) jest aktywowany w wyniku deprywacji aminokwasów . Mechanizmy dotyczące tej aktywacji są nadal badane; jednak jeden mechanizm badano u drożdży. Zaobserwowano, że GCN2 wiąże się z nienaładowanym/deacylowanym tRNA , co powoduje zmianę konformacyjną, prowadzącą do dimeryzacji. Dimeryzacja następnie powoduje autofosforylację i aktywację. Zgłoszono również, że inne stresory aktywują GCN2. Aktywację GCN2 zaobserwowano w komórkach nowotworowych pozbawionych glukozy, chociaż sugerowano, że był to efekt pośredni z powodu wykorzystywania przez komórki aminokwasów jako alternatywnego źródła energii. W zarodku myszy fibroblastów i ludzkich keratynocytów , GCN2 został aktywowany w wyniku ekspozycji na światło UV . Ścieżki tej aktywacji wymagają dalszych badań, chociaż zaproponowano wiele modeli, w tym sieciowanie między GCN2 i tRNA.

PKR

PKR (kodowana u ludzi przez gen EIF2AK2 ) zależy głównie od obecności dwuniciowego RNA podczas infekcji wirusowej . dsRNA powoduje, że PKR tworzy dimery, co skutkuje autofosforylacją i aktywacją. Po aktywacji PKR będzie fosforylować eIF2α, co powoduje kaskadę zdarzeń, które skutkują zahamowaniem syntezy białek wirusa i gospodarza. Inne stresory, które powodują aktywację PKR, obejmują stres oksydacyjny , stres retikulum endoplazmatycznego, pozbawienie czynnika wzrostu i infekcję bakteryjną . kaspaza zaobserwowano również, że aktywność na wczesnym etapie apoptozy wyzwala aktywację PKR. Jednak stresory te różnią się tym, że aktywują PKR bez użycia dsRNA.

ATF4

Kiedy komórka jest poddawana stresowym warunkom, następuje ekspresja genu ATF4 . Czynnik transkrypcyjny ATF4 ma zdolność tworzenia dimerów z wieloma różnymi białkami, które wpływają na ekspresję genów i los komórek. ATF4 wiąże się z sekwencjami elementu odpowiedzi C/EBP-ATF (CARE), które współpracują ze sobą w celu zwiększenia transkrypcji genów reagujących na stres. Jednak podczas głodzenia aminokwasów sekwencje będą zamiast tego działać jako elementy odpowiedzi na aminokwasy.

ATF4 będzie współpracować z innymi czynnikami transkrypcyjnymi, takimi jak CHOP i ATF3 , tworząc homodimery lub heterodimery, co skutkuje licznymi obserwowanymi efektami. Białka, z którymi oddziałuje ATF4, określają wynik komórki podczas zintegrowanej odpowiedzi na stres. Na przykład ATF4 i ATF3 działają w celu ustalenia homeostazy wewnątrz komórki po stresujących warunkach. Z drugiej strony ATF4 i CHOP współpracują ze sobą, indukując śmierć komórki, a także regulując biosyntezę, transport i procesy metaboliczne aminokwasów. Obecność domeny zamka leucynowego ( bZIP ) pozwala ATF4 współpracować z wieloma innymi białkami, tworząc w ten sposób specyficzne odpowiedzi na różne rodzaje stresorów. Kiedy komórka przechodzi stres związany z niedotlenieniem, ATF4 będzie oddziaływać z PHD1 i PHD3, aby zmniejszyć jej aktywność transkrypcyjną. Ponadto, gdy komórka przechodzi głód aminokwasów lub stres retikulum endoplazmatycznego, TRIP3 oddziałuje również z ATF4 w celu zmniejszenia aktywności.

Jednym z rezultatów ekspresji białek ATF4 i odpowiedzi na stres jest indukcja autofagii . Podczas tego procesu komórka tworzy autofagosomy lub pęcherzyki z podwójną błoną, które umożliwiają transport materiału w całej komórce. Te autofagosomy mogą przenosić niepotrzebne organelle i białka, a także uszkodzone lub szkodliwe składniki, próbując przez komórkę utrzymać homeostazę.

Zakończenie zintegrowanej reakcji na stres

Aby zakończyć zintegrowaną reakcję na stres, wymagana jest defosforylacja eIF2α. Kompleks fosfatazy białkowej 1 (PP1) pomaga w defosforylacji eIF2α. Kompleks ten zawiera podjednostkę katalityczną PP1 oraz dwie podjednostki regulatorowe. Kompleks ten jest regulowany ujemnie przez dwa białka: białko zatrzymujące wzrost i indukujące uszkodzenie DNA (GADD34), znane również jako PPP1R15A lub konstytutywny represor fosforylacji eIF2α (CReP), znany również jako PPP1R15B . CReP działa w celu utrzymania niskiego poziomu fosforylacji eIF2α w komórkach w normalnych warunkach. GADD34 jest wytwarzany w odpowiedzi na ATF4 i działa na rzecz zwiększenia defosforylacji eIF2α. Defosforylacja eIF2α powoduje powrót normalnej syntezy białek i funkcji komórkowych. Jednak defosforylacja eIF2α może również ułatwiać produkcję białek indukujących śmierć w przypadkach, gdy komórka jest tak poważnie uszkodzona, że ​​nie można przywrócić normalnego funkcjonowania.

Mutacje wpływające na zintegrowaną reakcję na stres

Mutacje, które wpływają na funkcjonowanie zintegrowanej odpowiedzi na stres, mogą mieć osłabiający wpływ na komórki. Na przykład komórki pozbawione genu ATF4 nie są w stanie wywołać prawidłowej ekspresji genu w odpowiedzi na stresory. Powoduje to, że komórki wykazują problemy z transportem aminokwasów, glutationu i odpornością na stres oksydacyjny. Kiedy mutacja hamuje funkcjonowanie PERK, endogenne nadtlenki gromadzą się, gdy komórka doświadcza stresu retikulum endoplazmatycznego. U myszy i ludzi pozbawionych PERK zaobserwowano zniszczenie komórek wydzielniczych poddanych silnemu stresowi retikulum endoplazmatycznego.

Zobacz też

• ISRIB , zintegrowany inhibitor odpowiedzi na stres