Proteostase

Proteostase ist die dynamische Regulation eines ausgewogenen, funktionsfähigen Proteoms . Das Proteostase-Netzwerk umfasst konkurrierende und integrierte biologische Signalwege innerhalb von Zellen, die die Biogenese , Faltung, den Transport und den Abbau von Proteinen innerhalb und außerhalb der Zelle steuern. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Der Verlust der Proteostase ist zentral für das Verständnis der Ursachen von Erkrankungen, die mit übermäßiger Proteinfehlfaltung und -degradation einhergehen und zu Funktionsverlustphänotypen führen ^{[ 3 ]} , sowie von aggregationsbedingten degenerativen Erkrankungen. [ ^{4 ] Die} therapeutische Wiederherstellung der Proteostase kann diese Pathologien behandeln oder heilen. ^{[ 5 ]}

Die zelluläre Proteostase ist entscheidend für eine erfolgreiche Entwicklung, gesundes Altern , die Resistenz gegenüber Umweltbelastungen und die Minimierung von Störungen der Homöostase durch Pathogene wie Viren . ^{[ 2 ]} Zu den zellulären Mechanismen der Proteostase gehören die regulierte Proteinübersetzung, die Chaperon- vermittelte Proteinfaltung und Proteinabbauwege. Die Anpassung dieser Mechanismen an den Bedarf an spezifischen Proteinen ist unerlässlich, um alle zellulären Funktionen aufrechtzuerhalten, die auf ein korrekt gefaltetes Proteom angewiesen sind.

Einer der ersten Regulationspunkte der Proteostase liegt in der Translation . Diese Regulation erfolgt über die Struktur des Ribosoms , eines zentralen Komplexes der Translation. Dessen Eigenschaften prägen die Proteinfaltung und beeinflussen zukünftige Proteininteraktionen. Die Synthese einer neuen Peptidkette mithilfe des Ribosoms verläuft sehr langsam; das Ribosom kann sogar blockieren, wenn es auf ein seltenes Codon trifft , das in der Zelle nur in geringer Konzentration vorkommt. ^{[ 6 ]} Die langsame Syntheserate und solche Pausen geben einer einzelnen Proteindomäne die notwendige Zeit, sich zu falten, bevor weitere Domänen synthetisiert werden. Dies erleichtert die korrekte Faltung von Proteinen mit mehreren Domänen. ^{[ 6 ]}

Die neu synthetisierte Peptidkette verlässt das Ribosom durch den engen Ribosomen-Austrittskanal (Breite: 10–20 Å, Länge: 80 Å) und gelangt so in die Zelle. ^{[ 6 ]} Die Eigenschaften des Austrittskanals steuern die Bildung von Sekundär- und begrenzten Tertiärstrukturen in der entstehenden Kette. Beispielsweise wird in diesem Kanal häufig eine Alpha-Helix induziert. ^{[ 7 ]} Gleichzeitig verhindert der Austrittskanal eine vorzeitige Faltung, indem er großflächige Wechselwirkungen innerhalb der Peptidkette behindert, die mehr Platz benötigen würden.

Um die Proteinhomöostase nach der Translation aufrechtzuerhalten, nutzt die Zelle molekulare Chaperone, darunter auch Chaperonine , die beim Auf- und Abbau von Proteinen helfen. ^{[ 8 ]} Sie erkennen exponierte Abschnitte hydrophober Aminosäuren in der entstehenden Peptidkette und fördern die korrekte Ausbildung nichtkovalenter Wechselwirkungen , die zum gewünschten Faltungszustand führen. ^{[ 8 ]} Chaperone beginnen mit der Unterstützung der Proteinfaltung, sobald eine entstehende Kette mit mehr als 60 Aminosäuren den Ribosomenausgangskanal verlässt. ^{[ 9 ]}

Eines der am besten untersuchten Ribosomen-bindenden Chaperone ist der Triggerfaktor (TF). TF stabilisiert das Peptid, fördert dessen Faltung, verhindert Aggregation und unterstützt die Rückfaltung denaturierter Modellsubstrate. ^{[ 10 ]} Ribosomen-Profiling-Experimente haben gezeigt, dass TF in vivo vorwiegend Ribosomen markiert, die äußere Membranproteine ​​translatieren, und zudem auf Ribosomen, die innere Membranproteine ​​translatieren, unterrepräsentiert ist. ^{[ 11 ]} TF trägt nicht nur direkt zur korrekten Faltung des Proteins bei, sondern rekrutiert auch andere Chaperone wie Hsp70 an das Ribosom. Hsp70 umgibt eine ungefaltete Peptidkette, verhindert dadurch Aggregation und fördert die Faltung. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Chaperonins are a special class of chaperones that promote native state folding by cyclically encapsulating the peptide chain.^[9] Chaperonins are divided into two groups. Group 1 chaperonins are commonly found in bacteria, chloroplasts, and mitochondria. Group 2 chaperonins are found in the cytosol of eukaryotic cells as well as in archaea.^[12] Group 2 chaperonins also contain an additional helical component which acts as a lid for the cylindrical protein chamber, unlike Group 1 which instead relies on an extra cochaperone to act as a lid. All chaperonins exhibit two states (open and closed), between which they can cycle. This cycling process is important during the folding of an individual polypeptide chain as it helps to avoid undesired interactions as well as to prevent the peptide from entering into kinetically trapped states.^[12]

The third component of the proteostasis network is the protein degradation machinery. Protein degradation occurs in proteostasis when the cellular signals indicate the need to decrease overall cellular protein levels. The effects of protein degradation can be local, with the cell only experiencing effects from the loss of the degraded protein itself or widespread, with the entire protein landscape changing due to loss of other proteins' interactions with the degraded protein.^[7]

Multiple substrates are targets for proteostatic degradation. These degradable substrates include nonfunctional protein fragments produced from ribosomal stalling during translation, misfolded or unfolded proteins, aggregated proteins, and proteins that are no longer needed to carry out cellular function.

Several different pathways exist for carrying out these degradation processes. When proteins are determined to be unfolded or misfolded, they are typically degraded via the unfolded protein response (UPR) or endoplasmic-reticulum-associated protein degradation (ERAD). Substrates that are unfolded, misfolded, or no longer required for cellular function can also be ubiquitin tagged for degradation by ATP dependent proteases, such as the proteasome in eukaryotes or ClpXP in prokaryotes. Autophagy, or self engulfment, lysosomal targeting, and phagocytosis (engulfment of waste products by other cells) can also be used as proteostatic degradation mechanisms.^[7]

Fehlfaltungen von Proteinen werden durch Mechanismen erkannt, die spezifisch für das jeweilige Zellkompartiment sind. Im Zytoplasma , im endoplasmatischen Retikulum (ER) und in den Mitochondrien wurden unterschiedliche Überwachungsmechanismen charakterisiert, die auf ungefaltete Proteine ​​reagieren. Diese Reaktion wirkt lokal und zellautonom, kann sich aber auch auf die interzelluläre Signalübertragung ausweiten, um den Organismus vor zu erwartendem proteotoxischem Stress zu schützen.

Zelluläre Stressantwortwege erkennen und mildern proteotoxischen Stress, der durch ein Ungleichgewicht der Proteostase ausgelöst wird. Die zellautonome Regulation erfolgt durch die direkte Erkennung fehlgefalteter Proteine ​​oder durch die Hemmung der Signalwegaktivierung mittels Sequestrierung aktivierender Komponenten als Reaktion auf Hitzeschock. Zu den zellulären Reaktionen auf diese Stresssignale gehören die transkriptionelle Aktivierung der Chaperon-Expression, eine erhöhte Effizienz des Proteintransports und des Proteinabbaus sowie eine reduzierte Translation.

Die cytosolische Hitzeschockantwort (HSR) wird hauptsächlich durch die Transkriptionsfaktorfamilie HSF (Hitzeschockfamilie) vermittelt. HSF ist konstitutiv an Hsp90 gebunden . Nach einem proteotoxischen Reiz wird Hsp90 von HSF abgespalten, welches dann an Hitzeantwortelemente in der DNA binden und die Genexpression von Proteinen, die an der Aufrechterhaltung der Proteostase beteiligt sind, hochregulieren kann.

Die Unfolded Protein Response (UPR) im endoplasmatischen Retikulum (ER) wird durch ein Ungleichgewicht zwischen ungefalteten Proteinen im ER und den Proteinen, die die Proteinhomöostase regulieren, aktiviert. Verschiedene Rezeptoren – wie IRE1 , ATF6 und PERK – können fehlgefaltete Proteine ​​im ER erkennen und Transkriptionsreaktionen auslösen, die dazu beitragen, die Auswirkungen von ER-Stress zu mildern.

Die mitochondriale Antwort auf ungefaltete Proteine ​​(mUPR) erkennt Ungleichgewichte in der Proteinstöchiometrie mitochondrialer Proteine ​​und fehlgefalteter Proteine. Die Expression mitochondrialer Chaperone wird durch die Aktivierung der Transkriptionsfaktoren ATF1 und/oder DVE-1 mit UBL5 hochreguliert .

Stressreaktionen können auch nicht-zellautonom durch interzelluläre Kommunikation ausgelöst werden. Der in einem Gewebe wahrgenommene Stress kann so an andere Gewebe weitergeleitet werden, um das Proteom des Organismus zu schützen oder die Proteostase systemisch zu regulieren. Eine zellnichtautonome Aktivierung ist bei allen drei Stressreaktionen möglich.

Untersuchungen am Modellorganismus C. elegans haben gezeigt, dass Neuronen an der interzellulären Kommunikation der cytosolischen Hitzeschockreaktion (HSR) beteiligt sind. Stress, der in den Neuronen des Wurms induziert wird, kann langfristig andere Gewebe wie Muskel- und Darmzellen vor chronischer Proteotoxizität schützen . Ebenso werden ER- und mitochondriale UPR-Reaktionen in Neuronen an Darmzellen weitergeleitet. Diese systemischen Reaktionen sind an der Vermittlung der systemischen Proteostase beteiligt und beeinflussen auch die Alterung des Organismus. ^{[ 13 ]}

Störungen der Proteostase können durch Fehler oder Fehlregulationen der Proteinfaltung entstehen. Klassische Beispiele sind Missense-Mutationen und Deletionen, die die thermodynamischen und kinetischen Parameter der Proteinfaltung verändern. ^{[ 1 ]} Diese Mutationen sind oft erblich und können phänotypisch unterschiedliche Auswirkungen haben, von keinerlei merklichen Folgen bis hin zur embryonalen Letalität. Eine Erkrankung entsteht, wenn diese Mutationen ein Protein deutlich anfälliger für Fehlfaltung, Aggregation und Abbau machen.

Wenn diese Effekte nur das mutierte Protein verändern, beschränkt sich die negative Folge auf einen lokalen Funktionsverlust. Treten diese Mutationen jedoch in einem Chaperon oder einem Protein auf, das mit vielen anderen Proteinen interagiert, kommt es zu dramatischen globalen Veränderungen der Proteostasegrenzen. Beispiele für Erkrankungen, die auf proteostatische Veränderungen aufgrund von Fehlern in der Proteinfaltung zurückzuführen sind, umfassen Mukoviszidose , Chorea Huntington , Alzheimer , lysosomale Speicherkrankheiten und andere. ^{[ 14 ]}

Kleintiermodellsysteme waren und sind weiterhin maßgeblich an der Identifizierung funktioneller Mechanismen beteiligt, die die Proteostase gewährleisten. Modellsysteme verschiedener, zu Fehlfaltung neigender Krankheitsproteine ​​haben bisher zahlreiche Chaperone und Co-Chaperone als Modulatoren der Proteotoxizität aufgedeckt . ^{[ 15 ]}

Die unkontrollierte Zellteilung, die die Krebsentstehung kennzeichnet, erfordert eine erhöhte Proteinsynthese für die Funktion und das Überleben der Krebszellen. Diese erhöhte Proteinsynthese findet sich typischerweise bei Proteinen, die den Zellstoffwechsel und Wachstumsprozesse modulieren. Krebszellen sind mitunter empfindlich gegenüber Medikamenten, die Chaperone hemmen und die Proteostase stören, wie beispielsweise Hsp90-Inhibitoren oder Proteasom-Inhibitoren . ^{[ 1 ]}

Darüber hinaus produzieren Krebszellen häufig fehlgefaltete Proteine, die hauptsächlich durch Proteolyse abgebaut werden . ^{[ 16 ]} Inhibitoren der Proteolyse ermöglichen die Akkumulation sowohl fehlgefalteter Proteinaggregate als auch von Apoptose- Signalproteinen in Krebszellen. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Dies kann die Sensitivität von Krebszellen gegenüber Antineoplastika verändern; Krebszellen sterben entweder bei einer niedrigeren Wirkstoffkonzentration ab oder überleben, abhängig von der Art der akkumulierten Proteine ​​und deren Funktion. ^{[ 19 ]} Der Proteasom-Inhibitor Bortezomib war das erste Medikament dieser Art, das zur Behandlung des multiplen Myeloms zugelassen wurde . ^{[ 20 ]}

Ein Kennzeichen zellulärer Proteostasenetzwerke ist ihre Fähigkeit, sich durch Proteinregulation an Stress anzupassen. Stoffwechselerkrankungen, wie sie beispielsweise mit Adipositas einhergehen, beeinträchtigen die Anpassungsfähigkeit dieser Netzwerke und führen häufig zu gesundheitsschädlichen Folgen. Übersteigt beispielsweise die Insulinproduktion die Insulinsekretionskapazität der Zelle, kommt es zum Zusammenbruch der Proteostase und die Chaperonproduktion ist stark beeinträchtigt. Diese Störung führt zu den Krankheitssymptomen, die bei Menschen mit Diabetes auftreten. ^{[ 1 ]}

Im Laufe der Zeit wird das Proteostase-Netzwerk durch Proteine ​​belastet, die durch reaktive Sauerstoffspezies und Metaboliten modifiziert werden und oxidative Schäden verursachen. ^{[ 1 ]} Diese Nebenprodukte können mit zellulären Proteinen reagieren und zu Fehlfaltungen und Aggregationen führen (insbesondere in nicht-teilenden Zellen wie Neuronen). Dieses Risiko ist besonders hoch für intrinsisch ungeordnete Proteine. Es wurde gezeigt, dass der Insulin-ähnliche Wachstumsfaktor-1-Rezeptor (IGF-1R) in C. elegans vor diesen schädlichen Aggregaten schützt, und einige experimentelle Arbeiten deuten darauf hin, dass eine Hochregulierung von IGF-1R das Proteostase-Netzwerk stabilisieren und schädliche Auswirkungen des Alterns verhindern kann. ^{[ 1 ]}

Die Expression des Chaperoms , des Ensembles von Chaperonen und Co-Chaperonen, die in einem komplexen Netzwerk molekularer Faltungsmaschinen interagieren, um die Proteomfunktion zu regulieren, ist im alternden menschlichen Gehirn und im Gehirn von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen stark reduziert. Funktionelle Analysen in C. elegans und menschlichen Zellen haben ein konserviertes Chaperom-Subnetzwerk von 16 Chaperon-Genen identifiziert, die 28 menschlichen Orthologen entsprechen und als Schutzmechanismus der Proteostase im Alterungsprozess und bei altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen fungieren. ^{[ 21 ]}

Für die Entwicklung von Therapeutika, die auf das Proteostase-Netzwerk abzielen, werden im Wesentlichen zwei Ansätze verfolgt: pharmakologische Chaperone und Proteostase-Regulatoren. Das Prinzip der Entwicklung pharmakologischer Chaperone zur Behandlung von Proteostase-Erkrankungen besteht darin, kleine Moleküle zu entwerfen, die Proteine ​​mit grenzwertiger Stabilität stabilisieren.

Dieser Ansatz wurde bereits zur gezielten Stabilisierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren , Neurotransmitterrezeptoren, Glykosidasen, lysosomalen Speicherproteinen und dem mutierten CFTR- Protein, das Mukoviszidose und Transthyretin verursacht (welches fehlgefaltet werden und aggregieren kann, was zu Amyloidosen führt), eingesetzt. ^{[ 1 ]} Vertex Pharmaceuticals und Pfizer vertreiben zugelassene pharmakologische Chaperone zur Linderung von Mukoviszidose bzw. Transthyretin-Amyloidosen. ^{[ 22 ]} Amicus vertreibt ein zugelassenes pharmakologisches Chaperon für die Fabry-Krankheit – eine lysosomale Speicherkrankheit.

Das Prinzip der Proteostaseregulatoren ist anders. Diese Moleküle verändern die Biologie der Proteinfaltung und/oder des Proteinabbaus, indem sie die Stöchiometrie der Proteostasenetzwerkkomponenten in einem bestimmten subzellulären Kompartiment verändern. Beispielsweise initiieren einige Proteostaseregulatoren stressreaktive Signalwege, wie die Unfolded Protein Response (UPR), welche das endoplasmatische Retikulum-Proteostasenetzwerk transkriptionell umprogrammiert. ^{[ 23 ]}

Es wurde vorgeschlagen, diesen Ansatz sogar prophylaktisch anzuwenden, beispielsweise durch die Hochregulierung bestimmter Schutzmechanismen vor einem erwarteten starken zellulären Stressereignis. Ein theoretischer Mechanismus hierfür ist die Hochregulierung der Hitzeschockreaktion, um Proteine ​​während des zellulären Stresses vor dem Abbau zu schützen. ^{[ 1 ]}

• Molekulare Chaperontherapie