Il disturbo dell'omeostasi delle proteine reticolari è noto per promuovere lo sviluppo di malattie neurodegenerative ed è collegato anche al diabete. In tutte le cellule eucariotiche,
37 l'omeostasi del RE è mantenuta da almeno tre rami noti di proteina risposta unfolded (UPR) di segnalazione che si distingue in tre proteine transmembrana: PERK, IRE1 e ATF6. Questi tre rami agiscono in sinergia per monitorare le condizioni del RE, rilevare il carico di proteine , la capacità di piegatura, il coordimento, regolare l'espressione genica e modificare la proteina per soddisfare le esigenze di RE sul ripiegamento delle proteine. In assenza di stress, PERK, IRE1 e ATF6 sono le più sequestrate in complessi inattivi con lo chaperone BiP. Anche se il meccanismo preciso di attivazione dell' UPR non è
completamente compreso, l'attivazione è correlata con la dissociazione di BiP da queste proteine sensore prossimali. Dopo l'accumulo di proteine unfolded che preferenzialmente impegnano BiP, ciascuno dei sensori prossimali di RE si attivano a suo modo, includendo l'autofosforilazione di IRE1 e PERK, e il traffico di ATF6 al complesso di Golgi. La funzione fisiologica di UPR è di limitare l'accumulo di proteine misfolded nel RE. L' attivazione acuta di UPR riduce la generale traduzione delle proteine, diminuendo il carico di proteine, aumentando la superficie di membrana RE, e induce l'espressione di chaperoni che aumentano la capacità di piegatura delle proteine, promuovendo la clearance di
proteine dispiegate e proteine mal ripiegate attraverso ERAD. Queste risposte aiutano le cellule a mantenere e ristabilire l'omeostasi delle proteine. Tuttavia, se persiste lo stress di RE , questo porta ad una prolungata attivazione di UPR, viene attivata la segnalazione di morte cellulare e inizia l'apoptosi. Così, nelle cellule che vivono lo stress reticolare, la decisione di vita o di morte dipende dal fatto che lo stress può essere alleviato. Il
malfunzionamento dell' UPR è stato collegato al fallimento delle cellule beta e al diabete in entrambi gli esseri umani e modelli animali. PERK è stato il primo sensore di stress
reticolare trovato ad essere strettamente legato alla funzione delle cellule beta. PERK è conosciuto anche come fattore di iniziazione di traduzione eucariotico 2-alfa chinasi-3. PERK e altri eIF2alpha chinasi fosforilano Ser51 di eIF2alpha; questa fosforilazione è di fondamentale importanza per l'inibizione della traduzione generale della proteina. La fosforilazione mediata di eIF2alpha-PERK è emersa come un importante passo per la biosintesi della proinsulina. Sulla base di questo, ci si potrebbe aspettare che una minore attività di PERK migliorerebbe la situazione per le cellule beta, perche' può portare ad una maggiore sintesi proinsulina. Tuttavia, i risultati sembrano essere proprio l'opposto,
l'assenza di funzione PERK innesca la sindrome Wolcott-Rallison umana caratterizzata da diabete neonatale permanente con insufficienza di cellule beta più altri difetti.
38 I topi knockout perk mostrano fenotipi simili a quelli sindrome Wolcott-Rallison trovato negli esseri umani, compreso il diabete primario causato della perdita delle cellule beta. Questo potrebbe essere una conseguenza della morte delle cellule beta dovuto alla
traduzione riattivata che porta alla biosintesi alterata della proinsulina, che è associata con un aumento proinsulina di tipo misfolding. Il fenotipo piu' simile a quello umano di insulina misfolding è stato osservato nelle cellule beta dei topi portatori di mutazione di eIF2alpha-S51A. Inoltre, l'enzima Perk dei topi knockout mostra una ridotta proliferazione di cellule beta. Complessivamente vi è accordo generale che la fosforilazione PERK- mediata di eIF2alpha svolge un ruolo importante che regola la biosintesi di proinsulina, il folding, il traffico e controlla la funzionalita' nelle cellule beta pancreatiche. La chinasi transmembrana e endonucleasi, IRE1,sembra essere di vitale importanza per omeostasi del RE delle cellule beta. IRE1 rappresenta il ramo più evolutivamente conservato di UPR. I mammiferi hanno due omologhi IRE1: α e β, entrambi sono attivati dall'accumulo di proteine unfolded nel RE. Considerando che l'espressione di Ire1β è limitata alle cellule epiteliali intestinali, IRE1α è espresso in particolare nel pancreas e nella placenta. La soppressione di IRE1α nel topo si traduce in letalità embrionale, ma l'eliminazione di IRE1α e IRE1β non impedisce l'attivazione trascrizionale dei geni bersaglio di UPR, come BiP e GRP94, indicando sovrapposizione nel gene bersaglio attivata dai diversi sensori di stress. IRE1α possiede sia endonucleasi che attività chinasi. La sua attività endonucleasica unisce le giunzioni dell'mRNA che codifica attivamente X-box binding protein 1 (XBP1). In particolare, al momento dell'attivazione di UPR, IRE1 spacca un introne nel 26-
nucleotide da unspliced XBP1 mRNA, portando ad uno spostamento traslazionale per la produzione di un fattore di trascrizione attivo che lega agli elementi di stress-risposta dei geni specifici che partecipano alla protein folding e alla degradazione. A differenza della sua attività di endonucleasi, sembra che l'attività chinasica di IRE1α sia regolata anche dal glucosio nelle cellule beta pancreatiche. È interessante notare che il glucosio stimola la fosforilazione di IRE1α, ma non è correlata con lo splicing di XBP1 e alla dissociazione da BiP, suggerendo che sia una regolazione specifica del meccanismo di IRE1α. È importante sottolineare che, nelle cellule beta del pancreas, l'aumento acuto di glucosio attiva
selettivamente IRE1α chinasi,attività che regola positivamente la biosintesi dell'insulina; l'esposizione cronica di alti livelli di glucosio risulta un grave stress, inclusa l'attivazione di entrambi le chinasi e endonucleasi, attività che possono contribuire alla glucotossicità e al
39 fallimento delle cellule beta. Sotto stress prolungato, l'attività catalitica del IRE1α rischia di innescare risultati divergenti, tra cui stress indotto in RE, Ins mRNA fallimento e apoptosi delle cellule beta. Più di recente, una famiglia di piccole molecole chiamate Kiras (Kinase-inibizione Rnasi Attenuatori) è stata sperimentata per aumentare il contenuto di insulina e la secrezione da isolotti nei topi Akita e migliorare il passaggio di glucosio nel sangue durante il test di tolleranza al glucosio. Così, come PERK, IRE1 è anche
fondamentale per il mantenimento della funzione delle cellule beta. ATF6 è un tipo II di glicoproteina transmembrana che subisce trasporto intracellulare dal RE al Golgi in stato di stress. Nel Golgi, ATF6 è trasformata proteoliticamente per liberare il suo dominio N- terminale 50 kDa che migra nel nucleo per funzionare come un fattore di trascrizione che regola l'espressione dei geni RE responsabili di stress tra cui BIP, GRP94, ERO1β, e componenti ERAD quali HERP. Nella coltura delle cellule beta del pancreas, ATF6 knockdown porta ad un aumento della fosforilazione di JNK, p38 e c-Jun e rende le cellule suscettibili di apoptosi. L'inibizione di JNK e p38 chinasi impedisce l'apoptosi associata a carenza ATF6, suggerendo che ATF6 può giocare un ruolo fondamentale nel
mantenimento della sopravvivenza delle β-cellule anche in assenza di stress RE. Tuttavia, in topi con delezione di ATF6α, non sono rilevabili difetti delle cellule beta o diabete quando i topi vengono alimentati normalmente, anche se i topi sono meno tolleranti al glucosio. I dati suggeriscono che ATF6 può giocare un ruolo più importante nelle cellule beta in condizioni di stress.