ENDOPLAZMATSKI RETIKULUM –
SENZOR STRESA V CELICI


U V O D

V celici ima ER vlogo senzorja sprememb homeostaze (stresa). Stres zmoti normalno delovanje ER, zato ta, da bi zaščitil celico, v hujših primerih pa predvsem celoten organizem (tudi na račun celice), razvije specifičen odgovor.


1. Normalno delovanje ER

Čez ER potujejo in se tam preoblikujejo (zvijejo) sekrecijski proteini, v endoplazmatskem retikulumu normalno prisotni proteini in proteini celične površine. Za pravilno zvitje proteinov morajo biti v ER homeostatski pogoji;
- dovolj glukoze (poteka glikozilacija proteinov)
- primerno oksidacijsko okolje (je pogoj za tvorbo disulfidnih vezi znotraj verige proteinov. Cilj je stabilizacija zvijanja proteinov in združevanje proteinskih podenot)
- dovolj kalcija


2. Stres

Stres je sprememba homeostaze v endoplazmatskem retikulumu :
- prenizka koncentracija glukoze (inhibira se glikozilacija proteinov)
- sprememba koncentracije kalcija
- sprememba oksidacijskega okolja (inhibira se tvorba disulfidnih vezi)
- pataloški fiziološki pogoji (zloraba alkohola, zastrupitev ledvic, dvig celičnega Ph, motnje proteosomske funkcije, virusne infekcije, rak)
Do stresa lahko pride v normalnih (celična rast, diferenciacija) ali v pataloških okoliščinah.


3. Odgovor na stres

Ko pride do stresa, se aminokisline v ER nepravilno zvijejo ali pa se celo odvijejo. Zato se nezviti proteini kopičijo. V zadostni količini nakopičeni nepravilno zviti proteini so signal za začetek odgovora endoplazmatskega retikuluma na stres. Signal se prenese iz ER v citosol. Pri prenosu sodelujejo :
- dve transmembranski kinazi (Ire 1, PERK)
- transkripcijski faktor (ATF6)
- kaspaza 12
Glede na to, čez kateri del membrane preide signal, od tega je odvisen tudi odgovor ER.
Signal se prenese preko membrane do tarčnih genov odgovora, pride do ekspresije teh genov in to je odgovor celice.


3.1. VRSTE ODGOVOROV ER NA STRES

a. Povečana ekspresija šapronov (signal se prenese preko transmembranskih prenašalcev Ire 1 in ATF6)

Ko pride stres v ER, se najprej sprostijo že obstoječi šaproni BiP, vezani na lumensko domeno kinaz Ire 1 in PERK. Kinazi tako postaneta aktivni. Ker je potrebno veliko število šapronov BiP, ki se pritrdijo na nepravilno zvite proteine in preprečujejo njihovo agregacijo, Ire 1 in ATF6 povečata ekspresijo šapronov. Ire 1 s svojo citosolno endonukleazno domeno cepi del mRNA, kjer je zapis za transkripcijski faktor XBP-1. ATF6 pa regulira transkripcijo tega faktorja.

b. Inhibicija sinteze novih proteinov (signal se prenese preko kinaze PERK)

Tarčno mesto: fosforilira se α-podenota faktorja za začetek prepisa proteinov (eIF2α kinazna družina). S tem se zaustavi frekvenca začetkov translacij proteinov in s tem sinteza proteinov. Učinek je splošen, kar pomeni, da se siteza proteinov ne inhibira le v ER, ampak tudi drugod v celici. Tako se prepreči akumulacija nezvitih proteinov.

Ker preneha sinteza proteinov v citosolu, začne primanjkovati ciklina D1. Zato se celica zaustavi v G1 fazi (reverzibilnost).

Učinek prenehanja sinteze proteinov v citosolu pa je tudi sinteza transkripcijskega faktorja ATF4. Ta transkaktivira gene, npr. CHOP.

c. Poveča se degradacijska zmožnost nepravilno zvitih proteinov

Učinek je splošen. Deluje v celotni celici, ne le v ER.

d. Apoptoza celice

Eden izmed možnih odgovorov ER na stres je tudi apoptoza.Ta mehanizem je namenjen zaščiti organizma pred nevarnostjo, ki jo predstavlja celica pod dolgotrajnim stresom, vendar pa se lahko npr. pri prekomernem uživanju alkohola sprevrže v cirozo in propad jetrnih celic.
Pogost mehanizem apoptoze je sprostitev Ca+2 v citoplazmo, membrane mitohondrijev postanejo permeabilne in uhajati začne citokrom c.

Kakšen bo odgovor ER na stres je odvisno od večih faktorjev:
• SERCA je ATP-aza, ki črpa Ca+2 v notranjost ER in tako znižuje njegovo koncentracijo v citoplazmi in tako preprečuje začetek apoptoze
• BiP zavira začetek apoptoze
• kalretikulin povečuje občutljivost celice za apoptozo
• CHOP povečuje možnost za apoptozo, ker zavira ekspresijo Bcl-2, ki zavira jo sicer zavira

V primeru ko apoptozo inducira odgovor ER na stres, poteče aktivacija IRE-1, ki omogoči delovanje TRAF-2, ta pa aktivacijo prokaspaze 12. Pravilno delovanje slednje je ključno za nadaljnji potek apoptoze, saj postanejo celice v nasprotnem primeru nanjo »imune«. Postavlja se vprašanje kakšen vpliv ima to na organizem pri okužbi ali raku.


4. Pomen odgovora ER na stres za celico pri normalni rasti celic


Ugotovljeno je bilo, da je v proces diferenciacije in normalne rasti za celico stresen. Ta je izrazit posebno pri celicah, katerih naloga je obilna sinteza proteinov (plazmatke, hepatociti, pankreatične calice). Za pravilen razvoj in delovanje celic je potreben učinkovit sistem, ki jih bo v izrednih razmerah obvaroval pred propadom. Da je odgovor ER na stres zares nepogrešljiv kažejo mnoge motnje s slabim izidom:
• Nepravilno delovanje IRE-1 ali XBP-1 imata za posledico smrt zarodka, dokazano je bilo namreč, da XBP-1 odločilno vpliva na razvoj hepatocitov in diferenciacijo limfocitov B v plazmatke.
• Okvarjen PERK ali eIF-2 imata za posledico onemogočeno ustavitev sinteze proteinov, zato se ti nalagajo v ER. Tak organizem ima težave z metabolizmom glukoze, zaradi propada pankreatičnih  celic. Pri človeku se bolezen pokaže kot diabetes že pri novorojenčkih (tip  infant diabetes).


5. Pomen odgovora ER na stres za celico pri pataloških fizioloških pogojih


a. Hipoksična stanja

Odgovor ER na stres deluje v stanju, ko ima celica premalo kisika (bolezni srca, ishemija) varovalno. Veliko vlogo pri tem ima šapron GRP170-ORP-150, saj naj bi pred okvaro obvaroval proteine, ki so še posebno občutljivi na pomanjkanje kisika.
Njihovo obvladovanje bi lahko imelo velik pomen v kliniki.

b. Virusne okužbe

Znano je, da virusna okužba sproži odgovor ER na stres, za katerega je signal sinteza tujih proteinov, ni pa še jasno ali je odziv izzvan s strani virusa v prid sintezi njegovih proteinov ali je to poskus celice, da bi pred okužbo obvarovala okolico. Vsekakor razumevanje tega dogajanja obeta napredek v kliniki.

c. Rak

Novotvorbe v celici praviloma sprožijo odgovor ER na stres. Vzrok za to so spremembe pH, znižanje koncentracije kisika, glukoze in hranil zaradi zmanjšane prekrvavljenosti.
Preživetje tumorja je odvisno od faktorjev, ki zavirajo apoptozo in ustavitev cikla. To so šapron GRP170, ki smo ga že omenjali pri zaščiti proteinov, ki so bolj občutljivi na pomanjkanje kisika, Hsp70 in Hsp27.
Hsp70 se veže na Apaf-1, medtem ko Hsp27 veže citokrom c in tako prepreči aktivacijo prokaspaze 9.
Celično smrt zavira tudi večja prisotnost antiapoptptskih proteinov bcl-2 in Bcl-X.
Nadzor faktorjev ponuja nove možnosti v boju proti raku.


6. Varovanje organizma po celični smrti

Število šapronov GPR94 se pri odgovoru ER na stres poveča, njihova naloga namreč je da vežejo proteine, ki jih producirajo proteosomi. To so tuje molekule, ki se v ER prenesejo preko TAP (Transporter associated with Antigen Processing) in se naložijo na HCM (histocompatibility complex class  molecule). Te molekule so izpostavljene na površini celice, da jih lahko prepoznajo limfociti T – celice ubijalke, ki uničijo okužene celice.
Ob celični smrti se GPR94 vezan na tuje proteine sprosti v ECM in sproži imunski odziv.




Z A K L J U Č E K

Odgovor ER na stres je torej odziv celice na fiziološko in kemično stanje v okolici, ki je neugodno za pravilno zvijanje proteinov in povzroča celo njihovo razvijanje. Ko se njihovo število v ER poveča se sproži signal. Potečejo naslednji ukrepi; že sintetizirani proteini se vežejo na šaprone, kar prepreči njihovo agregacijo, zmanjša se sinteza novih proteinov, nepravilno zviti se pospešeno razgrajujejo, celica je zaustavljena v G1 fazi. Po dolgotrajnem stresu nastopi apoptoza, z namenom, da nastane čim manj škode za celoten organizem.
Odgovor ER na stres je lahko odziv na situacije, ki se vsakodnevno pojavljajo (npr. spremembe nivoja glukoze), lahko pa je tudi odziv na patološke spremembe, zaradi česar je pomemben v kliniki.