Control of endoplasmatic reticulum homeostasis by Doa10-dependent protein degradation

Abstract

La función, forma e identidad de los orgánulos celulares es determinada, en gran medida, por su composición lipídica y proteica. Para mantener el equilibrio celular, las tasas de síntesis y degradación tanto de proteínas como de lípidos deben controlarse con exactitud. La proteólisis mediante el sistema ubiquitino-proteosómico cumple un papel importante en la regulación del tiempo de vida media de una variedad de proteínas. El normal funcionamiento de numerosos procesos celulares requiere degradación selectiva de proteínas en forma precisa y oportuna; entre estos procesos algunos ejemplos prominentes son: tráfico intracelular y secreción, eliminación de polipéptidos dañados y reparación de ADN. Valga resaltar que anomalías en el sistema ubiquitino-proteosómico han sido asociadas a varias patologías humanas. Durante la proteosíntesis algunas proteínas mal plegadas se generan, de forma constitutiva, en la membrana y en el lumen del retículo endoplasmático (RE). Estas especies, potencialmente tóxicas, son eliminadas mediante el sistema ubiquitino-proteosómico por una ruta de control de calidad denominada degradación asociada al retículo endoplasmático (DARE). Más allá de esta bien conocida y estudiada función, DARE controla también la abundancia de algunas proteínas del RE correctamente plegadas y funcionales, pero de vida media corta. En este caso la selección y degradación de substratos responde a condiciones fisiológicas específicas y constituye un proceso regulado. De particular relevancia, la síntesis de esteroles se ajusta a los requerimientos celulares a través del control de la estabilidad de la enzima HMGR mediante un mecanismo de retroalimentación. A pesar de su importancia en la homeostasis del RE, hasta el momento sólo se conocen algunos pocos ejemplos de degradación regulada mediada por DARE. En el RE de S.cerevisiae tres enzimas ligasas de ubiquitina, entre ellas Doa10, participan en la degradación de proteínas mal plegadas. Con el propósito de encontrar sustratos regulados de Doa10 llevamos a cabo un examen proteómico. Encontramos varios candidatos, involucrados en diversas funciones celulares, y caracterizamos algunos de ellos en mayor profundidad. Demostramos que la degradación dependiente de Doa10 tiene un impacto crucial en la homeostasis de lípidos por medio de la eliminación regulada de Erg1, una enzima del anabolismo de esteroles. Más aún, encontramos que Doa10 lleva a la degradación de proteínas pertenecientes a los cuerpos lipídicos, un orgánulo derivado del RE; este descubrimiento resalta el rol que DARE juega en el control espacial de proteínas y el mantenimiento de la identidad del RE.

The function, shape and identity of cellular organelles are too a large extent determined by their lipid and protein composition. In order to maintain cellular homeostasis, the rate of synthesis and degradation of proteins and lipids must be accurately controlled. Proteolysis by the ubiquitin-proteasome system plays a major role in regulating the half-lives of a range of proteins. A multitude of cellular processes depends on timely controlled and selective protein degradation; just to mention a few, these include intracellular trafficking and secretion, elimination of damaged polypeptides and DNA repair. Remarkably, anomalies in the ubiquitin-proteasome system have been linked to several human pathologies. Misfolded proteins in the membrane and lumen of the endoplasmic reticulum (ER) are constitutively generated during protein biosynthesis. These species are potentially toxic and are eliminated by the ubiquitin-proteasome system through a quality control pathway called ER-associated protein degradation (ERAD). Beyond this well-studied role, ERAD controls the levels of some folded, functional but short-lived ER proteins by eliminating them under a specific physiological condition, thereby in a regulated fashion. Of note, sterol production is adjusted to cell needs through feedback control of the HMGR enzyme stability. Despite its importance in ER homeostasis, regulated degradation through ERAD still accounts for only few examples. Yeast Doa10 is one of three ER ubiquitin ligase enzymes implicated in the degradation of misfolded proteins. To seek for regulated Doa10 clients, we pursued a proteomics screening. We identified potential targets involved in diverse cellular functions and further characterized some of them. We demonstrate that Doa10-dependent degradation critically impacts lipid homeostasis through regulated disposal of the sterol pathway enzyme Erg1. Moreover, we show that Doa10 mediates degradation of proteins belonging to lipid droplets, an ER-derived organelle; this finding highlights a role for ERAD in protein spatial control and maintenance of ER identity.