UPR: Unfolded Protein Response

1. Do controlo de qualidade local a uma resposta celular integrada

O retículo endoplasmático (RE) tem capacidade finita para dobrar, modificar, montar e exportar proteínas. Quando a carga de proteínas não nativas excede essa capacidade, instala-se stress do RE. A UPR (Unfolded Protein Response) é o conjunto de vias que deteta esse desequilíbrio e transmite informação do RE ao citosol e ao núcleo.

O termo “proteínas desenroladas” é útil, mas incompleto. A UPR também responde a alterações lipídicas da membrana, perturbação do cálcio, estado redox, falhas de montagem e sobrecarga secretora. A resposta procura:

• reduzir temporariamente a entrada de novas proteínas no RE;
• aumentar chaperonas, foldases e capacidade de controlo de qualidade;
• aumentar ERAD e autofagia;
• expandir a membrana e a capacidade secretora;
• ajustar metabolismo, redox e importação de aminoácidos;
• se o stress persistir, ativar senescência, inflamação ou morte celular.

ERAD e UPR não são alternativas exclusivas. ERAD funciona continuamente e ajuda a manter stress baixo; a UPR aumenta e reorganiza a capacidade de ERAD. Por isso, o esquema “ERAD basal/UPR no stress” deve ser entendido como diferença de escala, não como interruptor absoluto.

2. Situações que provocam stress do RE

2.1 Sobrecarga fisiológica

Células secretoras ativadas aumentam muito a síntese proteica:

• plasmócitos produzem grandes quantidades de imunoglobulinas;
• células β pancreáticas sintetizam e processam proinsulina;
• células acinares pancreáticas produzem enzimas digestivas;
• osteoblastos e fibroblastos secretam matriz extracelular.

Nestes contextos, parte da UPR participa na diferenciação e adaptação fisiológica. Ativação não significa necessariamente doença.

2.2 Falha de montagem

Muitos recetores e canais são complexos multiméricos. Subunidades isoladas ou montagens incompletas são retidas no RE e degradadas. O recetor de células T, por exemplo, só sai eficientemente quando as subunidades atingem estequiometria e conformação adequadas. O controlo de qualidade evita que recetores incompletos apareçam à superfície.

2.3 Alterações metabólicas e do microambiente

Privação de glicose reduz energia e limita glicosilação. Isquemia combina hipoxia, défice de ATP, alterações iónicas e stress oxidativo. Hiper-homocisteinemia e perturbações redox interferem com pontes dissulfureto. A depleção de Ca²⁺ luminal compromete chaperonas dependentes de cálcio, como calreticulina.

2.4 Variantes genéticas, infeção e fármacos experimentais

α1-antitripsina Z acumula-se no RE dos hepatócitos; ΔF508-CFTR é retida e degradada; vírus envelopados impõem grande carga de síntese de proteínas de membrana. O vírus da hepatite C remodela membranas e pode ativar ou modular componentes da UPR para favorecer replicação e persistência.

Ferramentas experimentais frequentes:

• tunicamicina inibe a primeira etapa da N-glicosilação;
• tapsigargina inibe a Ca²⁺-ATPase do RE (SERCA) e esvazia cálcio luminal;
• dithiothreitol reduz pontes dissulfureto;
• brefeldina A perturba tráfego RE–Golgi;
• inibidores do proteassoma sobrecarregam ERAD.

A tapsigargina não é uma “AAA-ATPase”: é um inibidor de SERCA. Esta correção é essencial para não confundir bombas P-type de cálcio com ATPases AAA+ como p97/VCP.

3. Os três sensores da UPR

Em mamíferos, os sensores canónicos são PERK, IRE1α e ATF6. Todos atravessam a membrana do RE e ligam o estado luminal a respostas citosólicas ou nucleares.

3.1 Como é detetado o stress?

No modelo clássico, BiP/GRP78 liga os domínios luminais dos sensores em repouso. A acumulação de substratos não nativos recruta BiP, permitindo oligomerização ou transporte dos sensores. O modelo atual é mais rico:

• BiP regula a disponibilidade e o limiar de ativação;
• proteínas não nativas podem ligar diretamente domínios luminais de IRE1/PERK em certos contextos;
• a composição e saturação lipídica da membrana podem ativar sensores por mecanismos transmembranares;
• cofatores específicos modulam duração e intensidade.

Assim, “BiP dissocia-se” é um passo didático, não uma explicação exclusiva.

3.2 BiP/GRP78/HSPA5

BiP é a HSP70 do RE. Possui domínio de ligação a nucleótido (NBD), domínio de ligação ao substrato (SBD) e uma tampa reguladora. Proteínas DNAJ do RE estimulam hidrólise de ATP; fatores de troca promovem substituição de ADP por ATP.

BiP atua no dobramento, vedação do translocão, montagem de complexos, controlo dos sensores e entrega de substratos a ERAD. O seu aumento é uma assinatura comum de UPR, mas não informa sozinho se a resposta é adaptativa ou terminal.

4. Braço PERK–eIF2α–ATF4

4.1 Ativação de PERK

PERK (protein kinase RNA-like ER kinase, EIF2AK3) oligomeriza e autofosforila após stress. O seu principal substrato é a subunidade α de eIF2.

4.2 Iniciação da tradução e eIF2α

O complexo ternário eIF2–GTP–Met-tRNAᵢ entrega o tRNA iniciador à subunidade ribossómica 40S. Após reconhecimento do codão AUG, GTP é hidrolisado e eIF2–GDP tem de ser reciclado por eIF2B.

PERK fosforila eIF2α em Ser51. eIF2α-P liga e inibe funcionalmente eIF2B, reduzindo a regeneração de eIF2–GTP. Como eIF2B é menos abundante do que eIF2, uma fração de eIF2 fosforilada produz grande efeito sobre a tradução.

O efeito imediato é redução global da síntese proteica, poupando energia e diminuindo carga sobre o RE. Porém, não há bloqueio absoluto: alguns mRNA são traduzidos preferencialmente.

4.3 Tradução seletiva de ATF4 por uORF

O mRNA de ATF4 contém pequenas grelhas de leitura a montante (uORF). Sem stress, a abundância de complexo ternário permite reiniciação rápida numa uORF inibitória sobreposta à região codificante de ATF4. Sob stress, a disponibilidade reduzida de complexo ternário atrasa a reiniciação; o ribossoma ignora a uORF inibitória e inicia na ORF de ATF4.

Este mecanismo mostra por que motivo “menos tradução global” pode coexistir com “mais tradução de uma proteína específica”.

4.4 Programa transcricional de ATF4

ATF4 aumenta genes de:

• importação e biossíntese de aminoácidos;
• metabolismo de um carbono e síntese de glutationa;
• resposta antioxidante;
• autofagia;
• chaperonas e componentes de controlo de qualidade;
• CHOP/DDIT3 e GADD34/PPP1R15A.

GADD34 recruta proteína fosfatase 1 para desfosforilar eIF2α, restaurando tradução. Esta retroação negativa permite recuperação, mas retomar síntese enquanto o RE continua lesado pode agravar stress.

4.5 CHOP e transição para morte celular

CHOP não é um simples “gene de apoptose”. Integra sinais prolongados, altera transcrição, reduz programas antiapoptóticos em alguns contextos, favorece stress oxidativo e pode aumentar proteínas como BIM e recetores de morte. A sua expressão transitória pode fazer parte da adaptação; expressão intensa e sustentada aumenta a probabilidade de morte.

5. Braço IRE1α–XBP1

5.1 Ativação de IRE1α

IRE1α (ERN1) é uma proteína transmembranar com domínio citosólico cinase e endorribonuclease. Oligomerização e autofosforilação reorganizam o domínio RNase.

5.2 Splicing não convencional de XBP1

IRE1α reconhece duas estruturas em haste-alça no mRNA de XBP1 e remove um pequeno intrão de 26 nucleótidos. As extremidades são ligadas por uma ligase de RNA. A remoção causa mudança de grelha de leitura:

• XBP1u, não processado, codifica uma proteína curta e instável;
• XBP1s, processado, codifica um fator de transcrição bZIP mais longo, estável e ativo.

XBP1s aumenta chaperonas, foldases, ERAD, biogénese de lípidos e expansão do RE. É indispensável à diferenciação plena de plasmócitos e a outras células secretoras.

5.3 RIDD e sinalização por JNK

IRE1α pode degradar outros RNA associados ao RE por RIDD (regulated IRE1-dependent decay). RIDD reduz carga secretora, mas ativação extensa pode eliminar RNA essenciais e microRNA, favorecendo inflamação ou morte.

O domínio citosólico também recruta adaptadores como TRAF2 e ativa ASK1/JNK em determinados contextos. Duração, oligomerização e cofatores determinam se predominam XBP1 adaptativo, RIDD ou sinalização de stress.

6. Braço ATF6

ATF6α é uma proteína transmembranar do RE com domínio citosólico bZIP. O stress reduz a sua retenção no RE e expõe sinais de exportação.

O mecanismo é:

1. ATF6 perde interações de retenção, incluindo BiP;
2. é concentrado em transportadores COPII;
3. chega ao Golgi;
4. a protease de sítio 1 (S1P/MBTPS1) corta o domínio luminal;
5. a protease intramembranar de sítio 2 (S2P/MBTPS2) corta no segmento transmembranar;
6. o fragmento N-terminal ATF6f é libertado para o citosol;
7. ATF6f entra no núcleo e ativa genes de chaperonas, ERAD, XBP1 e componentes de recuperação.

ATF6 é, portanto, ativado por proteólise intramembranar regulada. Não deve ser confundido com a translocação nuclear da proteína transmembranar inteira.

7. Cooperação entre os três braços

Os sensores não atuam em paralelo isolado:

• ATF6 aumenta a transcrição de XBP1, fornecendo substrato ao splicing por IRE1;
• PERK–ATF4 e ATF6 podem convergir em CHOP;
• XBP1s e ATF6 aumentam ERAD, lípidos e chaperonas;
• PERK reduz carga imediata, enquanto IRE1/ATF6 aumentam capacidade a médio prazo;
• autofagia e resposta antioxidante recebem contributos de vários braços.

Um resumo correto é:

PERK não é primariamente um “sensor transcricional”: a sua primeira ação é controlo da tradução, que depois produz ATF4 e alterações transcricionais.

8. A UPR no tempo: adaptação, recuperação ou fase terminal

A decisão não é um ponto único. Depende de intensidade, duração, tipo de tecido, disponibilidade energética e sinais concomitantes.

8.1 Fase adaptativa

• PERK reduz rapidamente a entrada de novas proteínas;
• XBP1s e ATF6f aumentam chaperonas, ERAD e membrana;
• ATF4 aumenta aminoácidos, glutationa e autofagia;
• substratos defeituosos são eliminados;
• GADD34 e outros mecanismos atenuam a resposta quando recupera a homeostase.

8.2 Fase terminal

Se a lesão persiste:

• CHOP mantém um programa incompatível com sobrevivência prolongada;
• IRE1 pode mudar de XBP1 adaptativo para RIDD/JNK mais extensos;
• cálcio libertado do RE sobrecarrega mitocôndrias;
• espécies reativas aumentam;
• proteínas BCL-2 regulam permeabilização mitocondrial;
• caspases executam apoptose.

As categorias “adaptativa” e “terminal” ajudam a estudar, mas há sobreposição. O mesmo mediador pode proteger numa dose e lesar noutra.

9. Funções não canónicas dos sensores

IRE1, PERK e proteínas associadas participam em contactos RE–mitocôndria (MAM), dinâmica do citoesqueleto, migração, metabolismo e inflamação. IRE1/PERK podem interagir com filamina e modular actina. Nas MAM, a regulação de cálcio influencia metabolismo mitocondrial, bioenergética e morte.

IRE1 também integra sinais de recetores da superfície e pode modular metabolismo de glicose, angiogénese, diferenciação de células B, plasticidade sináptica e resposta a dano no DNA. Estas funções não significam que cada ativação de IRE1 produza todos os efeitos; mostram que a UPR está embebida na fisiologia celular.

10. ERAD regula a própria UPR

Sensores da UPR também são proteínas sujeitas a controlo de quantidade. O complexo SEL1L–HRD1 degrada IRE1α em condições basais e ajuda a terminar a resposta. Se ERAD falha, IRE1α pode acumular-se e tornar a célula hipersensível ao stress.

Esta relação inspira a fórmula didática:

• ERAD exerce “controlo de qualidade” sobre substratos;
• ERAD exerce igualmente controlo de quantidade de reguladores;
• a UPR aumenta a capacidade de qualidade e quantidade quando necessário.

Portanto, o enunciado “ERAD = qualidade; UPR = quantidade” é uma heurística, não uma separação molecular rígida.

11. Integração fisiopatológica

11.1 Diabetes

Células β enfrentam picos de síntese de proinsulina. Stress metabólico, lipotoxicidade e inflamação podem tornar crónica a UPR. Variantes bialélicas em EIF2AK3 causam síndrome de Wolcott–Rallison, com diabetes neonatal e disfunção multissistémica, demonstrando a importância de PERK para células secretoras.

11.2 Doenças neurodegenerativas

Proteínas agregadas, disfunção mitocondrial e alterações de cálcio ativam a resposta integrada ao stress e a UPR. Contudo, marcadores elevados podem refletir tentativa de proteção, causa de lesão ou ambas. A terapêutica precisa de modular ramo, intensidade e janela temporal.

11.3 Cancro

Tumores vivem sob hipoxia, défice de nutrientes, acidez e elevada síntese. IRE1–XBP1 e PERK podem sustentar adaptação, angiogénese e resistência. Em certas condições, forçar stress além do limiar promove morte. Isto explica a investigação de inibidores de IRE1/PERK, ativadores de stress e inibidores do proteassoma, mas também o risco de toxicidade em tecidos secretores normais.

11.4 Infeção

Vírus usam membranas e maquinaria do RE e podem ativar seletivamente alguns braços, bloquear outros ou explorar expansão de membrana. A resposta do hospedeiro pode limitar tradução viral, aumentar inflamação ou favorecer sobrevivência da célula infetada.

12. Como medir UPR sem conclusões precipitadas

Nenhum marcador isolado descreve toda a resposta. Um painel experimental pode incluir:

• BiP/GRP78 e CHOP por imunoblot ou expressão génica;
• fosforilação de PERK e eIF2α;
• ATF4;
• splicing de XBP1 por RT-PCR ou quantificação de XBP1s;
• clivagem/translocação de ATF6;
• atividade de RIDD;
• síntese proteica global;
• viabilidade, apoptose e recuperação após remoção do stress.

Deve distinguir-se ativação de sensor, resposta adaptativa e consequência celular. Por exemplo, eIF2α também é fosforilada por GCN2, PKR e HRI; eIF2α-P não prova, sozinho, ativação de PERK.

13. Resumo de alto rendimento

• A UPR deteta desequilíbrio entre carga e capacidade do RE.
• Stress pode resultar de sobrecarga secretora, defeitos de montagem, privação metabólica, cálcio, redox, variantes, infeção ou bloqueio de degradação.
• BiP regula sensores, mas ligação direta de substratos e stress lipídico também contribuem.
• PERK fosforila eIF2α, inibe eIF2B e reduz iniciação global.
• uORF permitem tradução preferencial de ATF4 quando o complexo ternário é escasso.
• ATF4 promove adaptação; CHOP e GADD34 integram resposta prolongada e retroação.
• IRE1α é cinase/RNase; remove 26 nt de XBP1 e produz XBP1s.
• IRE1α também executa RIDD e pode ativar TRAF2–JNK.
• ATF6 vai ao Golgi, é clivado por S1P/S2P e liberta ATF6f.
• Os três braços cooperam: PERK reduz carga, IRE1/ATF6 aumentam capacidade.
• UPR transitória favorece recuperação; UPR prolongada pode culminar em inflamação e apoptose.
• Tapsigargina inibe SERCA; não é uma AAA-ATPase.
• ERAD controla a abundância de sensores como IRE1α e ajuda a desligar a resposta.
• Um único marcador não distingue adaptação de falência terminal.