Белок, активирующий ГТФазу
Белки, активирующие ГТФазу , или белки, ускоряющие ГТФазу ( GAP ), представляют собой семейство регуляторных белков, члены которых могут связываться с активированными G-белками и стимулировать их активность ГТФазы , в результате чего прекращается сигнальное событие. [1] GAP также известны как белок RGS или белки RGS. [2] и эти белки имеют решающее значение в контроле активности G-белков. Регуляция G-белков важна, поскольку эти белки участвуют во множестве важных клеточных процессов. Большие G-белки, например, участвуют в передаче сигналов от рецептора, связанного с G-белком, для различных сигнальных процессов, таких как гормональная передача сигналов, [2] а небольшие G-белки участвуют в таких процессах, как клеточный транспорт и клеточный цикл. [3] Роль GAP в этой функции заключается в отключении активности G-белка. В этом смысле функция GAP противоположна функции факторов обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), которые служат для усиления передачи сигналов G-белка. [4]
Механизм
[ редактировать ]GAP тесно связаны с семейством рецепторов, связанных с G-белком. Активность G-белков обусловлена их способностью связывать гуанозинтрифосфат (GTP). Связывание GTP по своей сути меняет активность G-белков и увеличивает их активность за счет потери ингибирующих субъединиц. [5] В этом более активном состоянии G-белки могут связывать другие белки и активировать нижестоящие сигнальные мишени. Весь этот процесс регулируется GAP, которые могут подавлять активность G-белков.
G-белки могут слабо гидролизовать GTP, разрывая фосфатную связь и образуя GDP. [5] В состоянии GDP-связанного G-белки впоследствии инактивируются и больше не могут связывать свои цели. [5] Однако эта реакция гидролиза происходит очень медленно, а это означает, что G-белки имеют встроенный таймер своей активности. У G-белков есть окно активности, за которым следует медленный гидролиз, который их выключает. GAP ускоряет этот таймер G-белка за счет увеличения гидролитической активности GTPase G-белков, отсюда и название белка, активирующего GTPase.
Считается, что GAP служат для того, чтобы сделать GTP на G-белке лучшим субстратом для нуклеофильной атаки и снизить энергию переходного состояния для реакции гидролиза. Например, многие GAP малых G-белков имеют консервативный пальцеобразный домен, обычно аргининовый палец , который изменяет конформацию GTP-связанного G-белка, чтобы ориентировать GTP для лучшей нуклеофильной атаки водой. [6] Это делает GTP лучшим субстратом для реакции. Аналогичным образом, GAP, по-видимому, вызывает распределение зарядов в связанном GTP, подобное ВВП. [7] Поскольку изменение распределения заряда делает субстрат GTP более похожим на продукты реакции, GDP и монофосфат, это, наряду с открытием молекулы для нуклеофильной атаки, снижает переходного состояния энергетический барьер реакции и позволяет более легко гидролизовать GTP. . Таким образом, GAP усиливают реакцию гидролиза GTP G-белков. Поступая таким образом, они ускоряют встроенный в G-белок таймер, который быстрее инактивирует G-белки и, наряду с инактивацией GEF, удерживает сигнал G-белка выключенным. Таким образом, GAP играют решающую роль в регуляции G-белков.
Специфичность к G-белкам
[ редактировать ]В целом GAP имеют тенденцию быть довольно специфичными для своих целевых G-белков. Точный механизм целевой специфичности до конца не известен, но вполне вероятно, что эта специфичность обусловлена множеством факторов. [ нужна ссылка ] На самом базовом уровне специфичность белка GAP-to-G может зависеть просто от времени и места экспрессии белка. Например, RGS9-1 специфически экспрессируется в фоторецепторах палочек и колбочек сетчатки глаза и является единственным, который взаимодействует с G-белками, участвующими в фототрансдукции в этой области. [8] Определенный GAP и определенный G-белок экспрессируются в одно и то же время и в одном и том же месте, и именно так клетка обеспечивает специфичность. Между тем, каркасные белки также могут связывать правильный GAP с его G-белком и усиливать правильные взаимодействия связывания. [8] Эти связывающие взаимодействия могут быть специфичными для конкретного GAP и G-белка. Кроме того, GAP могут иметь определенные аминокислотные домены, которые распознают только определенный G-белок. Связывание с другими G-белками может не иметь таких же благоприятных взаимодействий, и поэтому они не взаимодействуют. Таким образом, GAP могут регулировать специфические G-белки.
Примеры и классификация
[ редактировать ]EIF5 представляет собой белок, активирующий ГТФазу. [9] Кроме того, YopE представляет собой белковый домен , который представляет собой белок, активирующий Rho GTPase (GAP), который нацелен на небольшие GTPases, такие как RhoA, Rac1 и Rac2. [10]
Мономерный
[ редактировать ]GAP, которые действуют на небольшие GTP-связывающие белки суперсемейства Ras , имеют консервативную структуру и используют сходные механизмы.
Примером ГТФазы является мономер Ran , который обнаруживается как в цитозоле, так и в ядре. Считается, что гидролиз GTP под действием Рана обеспечивает энергию, необходимую для транспортировки ядерных белков в клетку. Ран включается и выключается соответственно ГЭФ и ГПД.
гетеротримерный
[ редактировать ]Большинство GAP, которые действуют на альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков, принадлежат к отдельному семейству белков RGS .
Регулирование
[ редактировать ]Хотя GAP служат для регуляции G-белков, существует также некоторый уровень регуляции самих GAP. Многие GAP имеют аллостерические сайты, которые служат интерфейсами с нижестоящими целями определенного пути, который они регулируют. Например, RGS9-1, GAP в фоторецепторах сверху, взаимодействует с цГМФ-фосфодиэстеразой (цГМФ ФДЭ), нижестоящим компонентом фототрансдукции в сетчатке. При связывании с цГМФ ФДЭ активность RGS9-1 GAP усиливается. [8] Другими словами, нижестоящая мишень передачи сигналов, индуцируемая фоторецепторами, связывает и активирует ингибитор передачи сигналов, GAP. Это положительное регуляторное связывание нижестоящих мишеней с GAP служит петлей отрицательной обратной связи, которая в конечном итоге отключает передачу сигналов, которая была первоначально активирована. GAP регулируются мишенями белка G, который они регулируют.
Существуют также примеры негативных регуляторных механизмов, когда нижестоящие мишени передачи сигналов G-белка ингибируют GAP. В калиевых каналах, управляемых G-белком, фосфатидилинозитол-3, 4, 5-трифосфат (PIP3) является нижестоящей мишенью передачи сигналов G-белка. PIP3 связывает и ингибирует GAP RGS4. [11] Такое ингибирование GAP, возможно, может «подготовить» сигнальный путь к активации. Это создает окно активности для G-белков после активации, поскольку GAP временно ингибируется. Когда калиевый канал активируется, Ca2+ высвобождается и связывает кальмодулин. Вместе они вытесняют PIP3 из GAP путем конкурентного связывания с тем же сайтом и тем самым реактивируют GAP, отключая передачу сигналов G-белком. [11] Этот конкретный процесс демонстрирует как ингибирование, так и активацию GAP его регуляторами. Существует перекрестная связь между GAP и другими компонентами сигнального пути, которые регулируют активность GAP.
Были сделаны некоторые выводы, предполагающие возможность перекрестных помех между GAP. Недавнее исследование показало, что GAP p120Ras может связывать GAP DLC1 Rho в его каталитическом домене. Связывание Ras GAP с Rho GAP ингибирует активность Rho GAP, тем самым активируя белок Rho G. [12] Один GAP служит негативным регулятором другого GAP. Причины такого перекрестного регулирования между GAP пока неясны, но одна из возможных гипотез заключается в том, что эти перекрестные помехи между GAP ослабляют сигнал «выключения» всех GAP. Хотя GAP p120Ras активен и, следовательно, ингибирует этот конкретный путь, другие клеточные процессы все еще могут продолжаться, поскольку он ингибирует другие GAP. Это может гарантировать, что вся система не выключится из-за одного сигнала выключения . Активность GAP очень динамична и взаимодействует со многими другими компонентами сигнальных путей.
Ассоциации заболеваний и клиническая значимость
[ редактировать ]Важность GAP обусловлена его регуляцией важнейших G-белков. Многие из этих G-белков участвуют в клеточном цикле и поэтому являются известными протоонкогенами . Например, суперсемейство G-белков Ras связано со многими видами рака, поскольку Ras является общей последующей мишенью многих факторов роста, таких как FGF или фактор роста фибробластов. [13] В нормальных условиях эта передача сигналов в конечном итоге индуцирует регулируемый рост и пролиферацию клеток. Однако в раковом состоянии такой рост больше не регулируется и приводит к образованию опухолей.
Часто такое онкогенное поведение обусловлено потерей функции GAP, связанной с этими G-белками, или потерей способности G-белка реагировать на свой GAP. В первом случае G-белки не способны быстро гидролизовать GTP, что приводит к устойчивой экспрессии активной формы G-белков. Хотя G-белки обладают слабой гидролитической активностью, в присутствии функциональных GEF инактивированные G-белки постоянно заменяются активированными, поскольку GEF обменивают в этих белках GDP на GTP. Отсутствие GAP, сдерживающих активность G-белка, приводит к конститутивно активным G-белкам, нерегулируемому росту клеток и раковому состоянию. В последнем случае происходит потеря способности G-белка реагировать на GAP, G-белки теряют способность гидролизовать GTP. При нефункциональном ферменте G-белка GAP не могут активировать активность GTPase, и G-белок постоянно включен. Это также приводит к нерегулируемому росту клеток и раку.Примеры нарушения функции GAP в клинической практике повсеместны. В некоторых случаях наблюдается снижение экспрессии гена GAP. Например, некоторые недавно охарактеризованные случаи В клетках папиллярного рака щитовидной железы у пациентов наблюдается пониженная экспрессия Rap1GAP, и эта экспрессия, по-видимому, вызвана снижением экспрессии мРНК GAP, как показали эксперименты с qRT-PCR. [14] В этом случае, по-видимому, происходит потеря правильной экспрессии гена Rap1GAP. В другом случае экспрессия Ras GAP теряется при некоторых видах рака из-за неправильного эпигенетического молчания гена. Эти клетки имеют метилирование CpG рядом с геном, что фактически подавляет транскрипцию гена. [15] Регуляция G-белков теряется из-за отсутствия регулятора, что приводит к раку.
Другие виды рака демонстрируют потерю чувствительности белка G к GAP. Эти G-белки приобретают миссенс-мутации, которые нарушают присущую белкам ГТФазную активность. Мутантные G-белки все еще связаны GAP. [16] но усиление активности ГТФазы с помощью GAP бессмысленно, когда активность ГТФазы самого G-белка теряется. GAP активирует нефункциональный гидролитический фермент. Например, было показано, что клетки рака мочевого пузыря T24 имеют миссенс-мутацию G12V, приводящую к конститутивно активному белку Ras. [17] Несмотря на наличие регулятора G-белка, регуляция теряется из-за потери функции самого G-белка. Эта потеря функции также проявляется при раке. Таким образом, GAP и их взаимодействие с G-белками очень важны с клинической точки зрения и являются потенциальными мишенями для лечения рака.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Герхард Краусс (2008). Биохимия передачи и регуляции сигналов . Вайли-ВЧ. стр. 235–. ISBN 978-3-527-31397-6 . Проверено 15 декабря 2010 г.
- ^ Jump up to: а б Кимпл, А.Дж. «Структурные детерминанты селективности α-субъединицы G-белка с помощью регулятора передачи сигналов G-белка 2 (RGS2)». Журнал биологической химии . 284 (2009): 19402-19411.
- ^ Сюй, Хайминг и др. «Потеря белка p190-B, активирующего Rho GTPase, увеличивает потенциал приживления гемопоэтических стволовых клеток». Кровь . 114 (2009): 3557–3566.
- ^ Крендель, М. «Фактор нуклеотидного обмена GEF-H1 опосредует перекрестные взаимодействия между микротрубочками и актиновым цитоскелетом». Природная клеточная биология . 4 (2002): 294–301.
- ^ Jump up to: а б с Берг и др. «Пути передачи сигнала». Биохимия . Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2007.
- ^ Шеффзек, К. и др. «Комплекс Ras-RasGAP: структурная основа активации ГТФазы и ее потери у онкогенных мутантов Ras». Наука . 277 (1997): 333–338.
- ^ Кёттинг, К. и др. «Исследования FTIR с временным разрешением обеспечивают свободную энергию активации, энтальпию активации и энтропию активации для реакций GTPase». Химическая физика . 307 (2004): 227–232.
- ^ Jump up to: а б с Се, Го-си и др. «Как регуляторы передачи сигналов G-белка достигают избирательного регулирования». Журнал молекулярной биологии . 366 (2007): 349–365.
- ^ Дас С., Гош Р., Майтра У (март 2001 г.). «Эукариотический фактор инициации трансляции 5 действует как белок, активирующий ГТФазу» . Ж. Биол. Хим . 276 (9): 6720–6. дои : 10.1074/jbc.M008863200 . ПМИД 11092890 .
- ^ Росквист Р., Форсберг А., Римпиляйнен М., Бергман Т., Вольф-Вац Х. (апрель 1990 г.). «Цитотоксический белок YopE иерсинии препятствует первичной защите хозяина». Мол. Микробиол . 4 (4): 657–67. дои : 10.1111/j.1365-2958.1990.tb00635.x . ПМИД 2191183 . S2CID 8187706 .
- ^ Jump up to: а б Исии, Масару и др. «Фосфатидилинозит-3,4,5-трифосфат и Ca2+/кальмодулин конкурентно связываются с регуляторами сигнального домена G-белка (RGS) RGS4 и взаимно регулируют его действие». Биохимический журнал . 385 (2005): 65–73.
- ^ Ян, Сюй-Ю и др. «p120Ras-GAP связывает белок-супрессор опухоли DLC1 Rho-GAP и ингибирует его активность RhoA GTPase и подавление роста». Онкоген . 28 (2009): 1401–1409.
- ^ Берг и др. «Пути передачи сигнала». Биохимия. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2007.
- ^ Неллор, Анома и др. «Потеря Rap1GAP при папиллярном раке щитовидной железы». Журнал клинической эндокринологии и метаболизма . 94 (2009): 1026–1032.
- ^ Цзинь, Хунчуань и др. «Эпигенетическое подавление Ca2+-регулируемого белка, активирующего Ras-GTPase RASAL, определяет новый механизм активации Ras при раке человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (2007): 12353-12358.
- ^ Рээппл, Д. и др. «Определение Ras-GTP и Ras-GDP у пациентов с острым миелогенным лейкозом (ОМЛ), миелопролиферативным синдромом (МПС), ювенильным миеломоноцитарным лейкозом (ЮММЛ), острым лимфоцитарным лейкозом (ОЛЛ) и злокачественной лимфомой: оценка мутационной и непрямой активации ". Анналы гематологии . 88 (2009): 319–324.
- ^ Премкумар Редди, Э. и др. «Точечная мутация ответственна за приобретение трансформирующих свойств онкогеном карциномы мочевого пузыря человека Т24». Природа . 300 (1982): 149–152.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Активирующие ГТФазу + белки Национальной медицинской библиотеки США в медицинских предметных рубриках (MeSH)