$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wzajemne oddziaływanie różnych etapów biosyntezy białek, takich jak transkrypcja, przetwarzanie i translacja mRNA, a także fałdowanie, translokacja i składanie/demontaż białek, determinuje obciążenie metastabilnych białek, które zależą od maszynerii kontroli jakości białek komórkowych dla ich funkcji1. Brak lub nieprawidłowe działanie mechanizmów kontroli jakości białek może zatem skutkować pogorszeniem funkcjonalności różnych typów maszynerii komórkowej i wystąpieniem chorób związanych z nieprawidłowym fałdowaniem białek2-7. Gdy zdolność maszynerii do fałdowania i usuwania białek jest zrównoważona z obciążeniem metastabilnych białek, osiąga się homeostazę białek (proteostazę), stan, który ostatecznie zapobiega akumulacji nieprawidłowo sfałdowanych białek i agregacji w komórkach6. Uważa się, że akumulacja nieprawidłowo sfałdowanych białek jest sygnałem, który aktywuje czynniki transkrypcyjne indukowane stresem, takie jak czynnik szoku cieplnego (HSF-1), i powoduje aktywację cytoprotekcyjnych odpowiedzi na stres6,8.
Nasze zrozumienie funkcji sieci proteostazy w metazoanach pochodzi głównie z badań nad rekonstytucją in vitro oraz z obserwacji przeprowadzonych na komórkach hodowli tkankowej i organizmach jednokomórkowych9. Na przykład badania nad molekularnymi białkami opiekuńczymi, które zapobiegają uszkodzeniom białek i je rozwiązują, koncentrowały się na badaniach biochemicznych i biologicznych komórek nad mechanizmami fałdowania, dezagregacji i translokacji białek za pośrednictwem białek opiekuńczych10-13. Dla porównania, dostępne są tylko ograniczone informacje na temat zintegrowanej funkcji różnych składników proteostazy w różnych komórkach i tkankach metazoanów w "normalnych" warunkach wzrostu i w odpowiedzi na stres11. Odkrycie, że u C. elegans kontrola jakości białek komórkowych może być również regulowana w komórce nieautonomicznie, co znalazło odzwierciedlenie w eksperymentach pokazujących, że mutacje w dwóch neuronach, które postrzegają temperaturę, mogą blokować aktywację reakcji na szok cieplny i zmniejszać tolerancję termiczną, wykazało potrzebę zbadania regulacji proteostazy w organizmach wielokomórkowych14-17. Brakuje jednak spójnego obrazu tego, w jaki sposób sieci proteostazy, takie jak różne rodziny molekularnych białek opiekuńczych, funkcjonują w tkankach nienaruszonego metazoanu i jak dynamiczne są te sieci podczas rozwoju i starzenia się. Aby osiągnąć ten cel, potrzebne są niezawodne czujniki do monitorowania utrzymania proteomu u żywych zwierząt, aby określić zdolność proteostatyczną różnych komórek w organizmie wielokomórkowym w trakcie rozwoju i starzenia się.
Aby dane białko mogło funkcjonować jako czujnik proteostazy komórkowej, musi reagować na zmiany w środowisku fałdowania komórek, tylko minimalnie ingerując w fałdowanie niepowiązanych białek w komórce. Aby zbadać utrzymanie i regenerację proteostazy komórkowej w żywym organizmie, można zastosować dwa uzupełniające się podejścia, które zależą od składanych czujników. Pierwszy z nich opiera się na zaprojektowanych czujnikach składania, opartych na eksperymentalnie zidentyfikowanych metastabilnych białkach, o których wiadomo, że zależą od maszynerii proteostazy, takich jak lucyferazy świetlika18-20 lub GFP oznaczone degronem21-24. W drugim podejściu endogenne białka metastabilne, takie jak białka wrażliwe na temperaturę (ts) lub zależne od wieku białka agregujące, które reagują na przyrostowe zmiany w środowisku komórkowym, są śledzone25-27. Zaprojektowane czujniki składane nie pełnią żadnej istotnej funkcji biologicznej, a mimo to mają tę zaletę, że są wykrywalne za pomocą potężnych testów sprawozdawczych, takich jak białka znakowane GFP, i mogą być stosowane w wielu różnych modelach komórkowych i zwierzęcych18. Ponieważ jednak wprowadzenie pojedynczego obcego białka może wpływać na środowisko fałdowania27, takie polipeptydy mogą przeciążać maszynerię proteostazy komórkowej. Alternatywnie, zaprojektowane czujniki składania, które nie są natywne dla komórki, na którą składają raport, mogą nie być dotknięte zmianami w zdolności komórki do proteostazy. Na przykład, jeden substrat reporterowy proteasomu znakowany GFP wymagał zahamowania ~90% proteasomu przed wykryciem fenotypu23. W przeciwieństwie do tego, endogenne białka metastabilne, które opierają się na maszynerii proteostazy komórki, mają tę zaletę, że mieszczą się w zakresie wrażliwości komórkowej. Jednak utrata funkcji związana z nieprawidłowym fałdowaniem takich białek może również wpływać na funkcjonowanie komórek i żywotność organizmu. W tym miejscu skupimy się na zastosowaniu endogennych czujników składania C. elegans.
C. elegans to dobrze znany model metazoanowy do badania zarówno rozwoju, jak i starzenia się, który wykorzystuje wiele zachowanych szlaków biologicznych i może być używany do śledzenia fałdowania białek w komórce, przy użyciu kombinacji podejścia biochemicznego i genetycznego. Wykorzystaliśmy białka metastabilne jako sondy zdolności proteostatycznej, monitorując zmiany w ich fenotypie, lokalizacji i stabilności. Co więcej, różne funkcje białek można badać za pomocą prostej analizy behawioralnej. Podobnie, znaczna błędna lokalizacja białek występuje, gdy sieci kontroli jakości białek komórkowych nie dostosowują się do wymagań komórkowych. Białka można łatwo uwidocznić w komórkach żywych zwierząt za pomocą białek znakowanych fluorescencyjnie lub poprzez barwienie immunologiczne. Wreszcie, przy użyciu metod ex vivo, możliwe jest monitorowanie ekspresji i stabilności białek. Pozwala to na szybkie i proste badania przesiewowe zmian behawioralnych i fizjologicznych, w połączeniu z dogłębną analizą lokalizacji i stabilności białek, co pozwala na monitorowanie modyfikatorów proteostazy. Łącząc te różne metody, można uzyskać szeroki obraz środowiska fałdowania białek w komórce. Rzeczywiście, strategia ta została z powodzeniem wykorzystana do monitorowania zaburzeń proteostazy u C. elegans, drożdży, kultur tkankowych i bakterii15,25-35.