Deel dit artikel

stress: we ondervinden het allemaal – elk organisme, zelfs de eencelligen. maar wat betekent stress op cellulair niveau? en hoe gaan cellen daarmee om? recent werd alvast een tipje van de sluier opgelicht wat betreft stress in het endoplasmatisch reticulum. dit is een celstructuur die instaat voor de correcte opvouwing, modificatie en kwaliteitscontrole van eiwitten die bestemd zijn voor afscheiding of opname in het plasmamembraan.

Hoe omgaan met stress?

Vanessa Franssens en Joris Winderickx

Eiwitten, proteïnen of polypeptiden zijn biopolymeren die opgebouwd zijn uit een aaneenschakeling van aminozuren. Ze verschillen in aminozuursamenstelling, in lengte en in structuur. Sommige eiwitten zijn louter bouwstenen voor de aanmaak van cellulaire structuren, maar vele hebben ook een functionele rol als drijvende kracht achter tal van biochemische reacties. Om hun functie uit te voeren is het uitermate belangrijk dat eiwitten correct worden opgevouwen, gemodificeerd en geassembleerd. Eiwitten die incorrect gevouwen zijn, kunnen schadelijk zijn voor de cel. Ze vormen immers vaak vezelachtige structuren die samenklonteren tot aggregaten. Dit proces ligt aan de basis van tal van aandoeningen waarvan sommige genetisch bepaald zijn, zoals bepaalde vormen van diabetes, de ziekte van Parkinson of de ziekte van Alzheimer. Cellen zullen daarom in eerste instantie proberen om misvouwen eiwitten terug te hervouwen tot de correcte conformatie. Daarvoor beschikken ze over kwaliteitscontrolemechanismen en een arsenaal van helperproteïnen, de zogenaamde chaperons, die de misvouwen eiwitten herkennen en de vorming van toxische aggregaten voorkomen. Lukt dit niet dan zullen de misvouwen eiwitten, net zoals beschadigde eiwitten, worden afgebroken. Onder normale omstandigheden worden in cellen voortdurend nieuwe eiwitten aangemaakt en afgebroken. Zo ontstaat er een delicate balans tussen het behoud van de eiwitconformatie, het hervouwen van misvouwen eiwitten en de afbraak van eiwitten. Stress, veroorzaakt door bijvoorbeeld een plotse temperatuursverandering of een tekort aan zuurstof of voedingsstoffen, kan die balans verstoren en aanleiding geven tot de opeenstapeling van misvouwen en beschadigde eiwitten. Cellen trachten dan de processen die verantwoordelijk zijn voor de kwaliteitscontrole en het hervouwen van de eiwitten bij te sturen. Nergens zijn die processen zo strikt gecontroleerd als in het endoplasmatisch reticulum.

Stress kan aanleiding geven tot de opeenstapeling van misvouwen en beschadigde eiwitten

Het endoplasmatisch reticulum of ER is een door het membraan omsloten netwerk van holten en kanalen waarbinnen eiwitten, die bestemd zijn voor afscheiding of opname in het plasmamembraan, worden gevouwen en gemodificeerd. Deze celstructuur beschikt over een eigen kwaliteitscontrolesysteem dat ervoor zorgt dat alleen correct opgevouwen eiwitten in het Golgi-apparaat terechtkomen om vandaar hun uiteindelijke bestemming te bereiken. Eiwitten die de ER-kwaliteitscontrole niet doorstaan, worden naar het cytoplasma afgevoerd, waar ze worden gemerkt voor afbraak. Dit proces wordt ER-geassocieerde degradatie, kortweg ERAD, genoemd. De opeenhoping van ongevouwen of misvouwen eiwitten in het ER geeft aanleiding tot ER-stress en het opstarten van een specifieke respons: de ‘Unfolded Protein Response’ of UPR. Dit is in eerste instantie een overlevingsstrategie van de cel met als voornaamste doel om via een feedbackmechanisme de balans in het ER te herstellen. Dit gebeurt enerzijds door de algemene synthese van nieuwe eiwitten tijdelijk te blokkeren en anderzijds door de expressie van ER-specifieke chaperons, die nodig zijn voor de opvouwing en modificatie van eiwitten, en de expressie van proteïnen die betrokken zijn bij ERAD en de eiwitafbraak te verhogen. Wanneer die overlevingsstrategie faalt, dan zorgt de UPR voor inductie van een apoptotisch programma. Apoptose is een mechanisme waarbij cellen zich op een strikt gecontroleerde wijze beginnen te ontmantelen. Deze vorm van altruïstische celdood verhoogt immers de overlevingskansen van het organisme.

Apoptose is een mechanisme waarbij cellen zich op een strikt gecontroleerde wijze beginnen te ontmantelen

Hoe worden de ongevouwen en misvouwen eiwitten nu herkend? En kan de cel hierop reageren? Hierbij speelt het eiwit BiP, een chaperonproteïne, een cruciale rol. In afwezigheid van ongevouwen en misvouwen eiwitten is BiP gebonden aan verschillende ER-stresssensoren, zoals PERK (protein-kinase-like ER kinase), ATF6 (activating transcription factor 6) en IRE1 (inositol-requiring enzyme 1). Deze stresssensoren doorkruisen het ER-membraan en bezitten een sensordomein in de ER-holte en een effectordeel in het cytoplasma. BiP bindt met lage affiniteit aan het sensordomein en houdt daardoor de sensoren inactief. Als chaperon heeft BiP echter een hogere affiniteit voor de hydrofobe aminozuursequenties die blootgesteld zijn in ongevouwen en misvouwen eiwitten. Wanneer dergelijke ‘abnormale’ eiwitten zich opstapelen in het ER zal BiP er bij voorkeur mee binden en dus loskomen van de verschillende ER-stresssensoren. Die worden hierdoor geactiveerd en gaan op hun beurt elk een specifieke adaptatierespons opstarten.

Een van de gevolgen van activering van de ER-stresssensoren is dat de algemene eiwitsynthese in de cel wordt verminderd, zodat de cel de tijd krijgt om terug orde op zaken te stellen. Hierbij speelt PERK een belangrijke rol. Deze stresssensor zorgt namelijk voor de inactivering van de eIF2α translatie-initiatiefactor, die noodzakelijk is om de genetische code vervat in het boodschapper-RNA (mRNA) af te lezen en te vertalen in een opeenvolging van aminozuren. Tegelijk wordt de synthese van proteïnen die nodig zijn voor het herstel en de kwaliteitscontrole van eiwitten verhoogd. Dit gebeurt op een ingenieuze manier waarbij de geactiveerde stresssensor ATF6 van het ER naar het Golgi-apparaat migreert om vervolgens te worden geknipt. Op die manier wordt het cytoplasmatische effectordeel van ATF6 vrijgezet. Omdat dit deel fungeert als transcriptiefactor zal het, eenmaal opgenomen in de celkern, binden met specifieke DNA-sequenties, de zogenoemde ER-stressresponsieve elementen. Dit zorgt voor een verhoging van de expressie van genen die coderen voor chaperons en andere enzymen nodig voor vouwing en modificatie van eiwitten, waaronder BiP zelf.

Het effectordeel van ATF6 is ook nodig voor de expressie van het XBP1-gen. Bij afwezigheid van ER-stress leidt dit slechts tot de vorming van een XBP1 pre-mRNA en de aanmaak van een instabiel proteïne. Dit zogenaamde ‘unspliced’ Xbp1 werkt als een negatieve regulator van de UPR. Bij ER-stress daarentegen wordt het XBP1 pre-mRNA omgezet naar een matuur mRNA door toedoen van de derde ER-stresssensor IRE1, via een proces dat ‘splicing’ wordt genoemd. Hierbij wordt een translatieblokkerende intronsequentie verwijderd uit het XBP1 pre-mRNA zodat het functioneel actieve ‘spliced’ Xbp1 kan worden aangemaakt. Dit ‘spliced’ Xbp1 is een transcriptiefactor die in de celkern zorgt voor een verhoogde expressie van bijkomende ER-chaperons en proteïnen die betrokken zijn bij ERAD.

Recent werd de structuur van het geactiveerde IRE1 nader onderzocht. Aanvankelijk werd aangenomen dat IRE1 bij activering dimeren vormde, verspreid over het ER-membraan. De nieuwe studies toonden echter aan dat het actieve IRE1 bestaat uit een complex multimeer dat terug te vinden is in slechts een beperkt aantal foci op het ER-membraan. In het multimeer paren de individuele IRE1-proteïnen nog altijd tot dimeren, maar vormen de dimeren op hun beurt een gedraaide keten waardoor een specifieke dubbele helixstructuur ontstaat. Het complexeren tot een dubbele helix is een intrinsieke eigenschap van het cytoplasmatische effectordeel van IRE1, dat daarmee meteen ook zorgt voor een verhoogde capaciteit tot ‘splicing’, louter omdat het complex een groter contactoppervlak aanbiedt voor het XBP1 pre-mRNA.

Ook de vraag waarom alleen het XBP1 pre-mRNA kan binden met het IRE1-multimeer werd bestudeerd. Om praktische redenen maakte men hierbij gebruik van de bakkersgist Saccharomyces cerevisiae als modelorganisme. De UPR-respons van gist is immers vergelijkbaar met die van hogere eukaryoten, maar het organisme is makkelijker genetisch manipuleerbaar. In gist zorgt IRE1 voor de ‘splicing’ van het pre-mRNA van HAC1, het gisthomoloog van XBP1. Uit de functionele analyse bleek algauw dat het stroomafwaartse niet-vertaalde gedeelte van het HAC1 pre-mRNA een belangrijke rol speelt voor de interactie met IRE1. Dit gedeelte bevat twee korte, sterk geconserveerde sequenties die samen noodzakelijk zijn voor de rekrutering en optimale ‘splicing’ van het HAC1 pre-mRNA door het actieve IRE1-complex. Eenmaal ‘splicing’ is opgetreden, verliest het HAC1 mRNA zijn affiniteit voor het IRE1-complex en zal het dit complex verlaten. Opmerkelijk hierbij is dat de verlaagde IRE1-affiniteit van het HAC1 mRNA op zich niet te wijten is aan de verwijdering van de intronsequentie, maar rechtstreeks verband houdt met de verhoogde translatie van het mRNA ter vorming van de stabiele HAC1-transcriptiefactor. Alhoewel de bovenvermelde studies inzicht geven in het globale UPR-gestuurde mechanisme van ‘splicing’, blijven er toch tal van vragen onbeantwoord. Bijvoorbeeld: hoe kunnen de individuele transmembranaire IRE1-monomeren zich zo snel hergroeperen in een multimeer complex na detectie van misvouwen proteïnen? En zijn er bij de rekrutering nog andere proteïnen betrokken die ervoor zorgen dat de XBP1/HAC1 pre-mRNAs op een efficiënte wijze naar het nieuw gevormde IRE1-complex worden geleid?

ER-stress geeft ook aanleiding tot een verhoogde vorming van zuurstofradicalen

ER-stress geeft ook aanleiding tot een verhoogde vorming van zuurstofradicalen. Die radicalen zijn zeer reactief en veroorzaken oxidatieve stress omwille van de schade die ze aanrichten aan eiwitten, vetten en DNA. De meeste zuurstofradicalen ontstaan in de mitochondriën tijdens het proces van oxidatieve fosforylering, waarbij zuurstof wordt verbruikt en het energierijke ATP wordt aangemaakt. Onder normale omstandigheden is deze vorming van zuurstofradicalen eerder beperkt en kunnen cellen zich beschermen door zowel enzymatische als niet-enzymatische antioxidantmechanismen te induceren en door de eventueel aangebrachte schade te herstellen. Door aanhoudende ER-stress komt calcium vrij uit het ER waardoor mitochondriën worden beschadigd en het ATP-productieproces wordt verstoord. Dit heeft als gevolg dat er meer intermediaire zuurstofradicalen worden gevormd. Een tweede bron voor zuurstofradicalen is een reactie die plaatsvindt in het ER zelf. Om hun correcte vouwing te verkrijgen moeten er voor sommige eiwitten zwavelbruggen worden aangemaakt in de aminozuurketen. Bij de vorming van die zwavelbruggen zijn twee enzymen betrokken die afwisselend gereduceerd en geoxideerd worden. Hierbij wordt zuurstof verbruikt en bestaat er dus de mogelijkheid dat radicalen vrijkomen.

Aangezien zuurstofradicalen schade toebrengen aan eiwitten, wordt de cel verplicht om nieuwe eiwitten te synthetiseren indien ze wil blijven functioneren. Dit legt extra druk op de cellulaire kwaliteitscontrolemechanismen, inclusief deze van het ER. Bovendien zijn de synthese en de vouwing van eiwitten energieverbruikende processen waarvoor de cel haar ATP-productie in mitochondriën moet opdrijven, wat opnieuw samengaat met de vorming van radicalen. Kortom, wanneer de concentratie aan radicalen de capaciteit van de cellulaire antioxidantmechanismen overstijgt, komen cellen in een vicieuze cirkel terecht waardoor het niveau van oxidatieve stress blijft toenemen en cellen gedoemd zijn om te sterven. Ook voor dit finale stadium laten cellen niets aan het toeval over, want het afsterven verloopt via een vooraf geprogrammeerd scenario, dat algemeen gekend is als apoptose. De cel begint zichzelf te ontmantelen en haar celinhoud te verpakken in zogenaamde apoptotische lichaampjes. Deze lichaampjes worden door buurcellen herkend en opgenomen zodat de inhoud kan worden gerecycleerd. Sommige apoptotische lichaampjes worden niet door buurcellen opgenomen maar verteren extracellulair. Een andere mogelijkheid is opname en afbraak door fagocyterende cellen, zoals macrofagen.

De moleculaire mechanismen waardoor ER-stress en de UPR de geprogrammeerde celdood kan induceren zijn nog niet volledig gekend. Toch is het reeds duidelijk dat de verschillende ER-stresssensoren erbij betrokken zijn. De activering van PERK en ATF6 bijvoorbeeld geeft onder meer aanleiding tot het onderdrukken van een aantal antiapoptotische proteïnen. IRE1 zorgt op zijn beurt voor activering van zogenaamde celdoodreceptoren aan de plasmamembraan. ER-geïnduceerde apoptose blijkt dus een complex proces te zijn waarbij tal van anti- en proapoptotische factoren een rol spelen. De verhouding tussen die factoren zal uiteindelijk bepalen of ER-stress zal leiden tot apoptose of tot overleving.

T. Aragon, E. van Anken, D. Pincus, I.M. Serafimova, A.V. Korennykh, C.A. Rubio en P. Walter, ‘Messenger RNA targeting to endoplasmic reticulum stress signalling sites’, in: Nature, 2009, 457, 736-741.

A.V. Korennykh, P.F. Egea, A.A. Korostelev, J. Finer-Moore, C. Zhang, K.M. Shokat, R.M. Stroud en P. Walter, ‘The unfolded protein response signals through high-order assembly of Ire1’, in: Nature, 2009, 457, 687-693.

Vanessa Franssens en Joris Winderickx zijn als biologen verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen