Białko aktywujące GTPazę - GTPase-activating protein

Białka aktywujące GTPazę lub białka przyspieszające GTPazę ( GAP ) to rodzina białek regulatorowych, których członkowie mogą wiązać się z aktywowanymi białkami G i stymulować ich aktywność GTPazy , co prowadzi do zakończenia zdarzenia sygnalizacyjnego. GAP są również znane jako białka RGS lub białka RGS i te białka są kluczowe w kontrolowaniu aktywności białek G. Regulacja białek G jest ważna, ponieważ białka te biorą udział w wielu ważnych procesach komórkowych. Na przykład duże białka G biorą udział w transdukcji sygnalizacji z receptora sprzężonego z białkiem G w różnych procesach sygnalizacyjnych, takich jak sygnalizacja hormonalna, a małe białka G są zaangażowane w procesy, takie jak transport komórkowy i cykl komórkowy. Rolą GAP w tej funkcji jest wyłączenie aktywności białka G. W tym sensie funkcja GAP jest przeciwna do funkcji czynników wymiany nukleotydów guaniny (GEF), które służą do wzmacniania sygnalizacji białka G.

Mechanizm

GAP są silnie związane z rodziną receptorów związanych z białkiem G. Aktywność białek G wynika z ich zdolności do wiązania trifosforanu guanozyny (GTP). Wiązanie GTP nieodłącznie zmienia aktywność białek G i zwiększa ich aktywność poprzez utratę podjednostek hamujących. W tym bardziej aktywnym stanie białka G mogą wiązać inne białka i włączać dalsze cele sygnalizacyjne. Cały ten proces jest regulowany przez GAP, które mogą regulować w dół aktywność białek G.

Białka G mogą słabo hydrolizować GTP, zrywając wiązanie fosforanowe, tworząc GDP. W stanie związanym z GDP białka G są następnie inaktywowane i nie mogą już wiązać swoich celów. Ta reakcja hydrolizy zachodzi jednak bardzo wolno, co oznacza, że ​​białka G mają wbudowany licznik czasu swojej aktywności. Białka G mają okno aktywności, po którym następuje powolna hydroliza, która je wyłącza. GAP przyspiesza działanie tego licznika białka G poprzez zwiększenie aktywności hydrolitycznej GTPazy białek G, stąd nazwa białka aktywującego GTPazę.

Białka G mają nieodłączną aktywność hydrolityczną GTPazy, która jest powolna. Jednak w obecności GAP ta hydrolityczna aktywność jest szybka.

Uważa się, że GAP służą do uczynienia GTP na białku G lepszym substratem dla ataku nukleofilowego i obniżenia energii stanu przejściowego dla reakcji hydrolizy. Na przykład wiele GAP małych białek G ma konserwatywną domenę podobną do palca, zwykle palec argininowy , która zmienia konformację białka G związanego z GTP, aby zorientować GTP w celu lepszego ataku nukleofilowego wody. To sprawia, że ​​GTP jest lepszym substratem dla reakcji. Podobnie GAP wydaje się wywoływać rozkład opłat podobny do PKB w związanym GTP. Ponieważ zmiana rozkładu ładunku sprawia, że ​​substrat GTP bardziej przypomina produkty reakcji, PKB i monofosforan, to wraz z otwarciem cząsteczki na atak nukleofilowy obniża barierę energetyczną stanu przejścia reakcji i umożliwia łatwiejszą hydrolizę GTP. . GAP działają zatem w celu wzmocnienia reakcji hydrolizy GTP białek G. W ten sposób przyspieszają wbudowany licznik czasu białka G, który szybciej inaktywuje białka G, a wraz z inaktywacją GEF, utrzymuje to sygnał białka G. GAP są zatem krytyczne w regulacji białek G.

GAP działa, aby otworzyć białko G na nukleofilowy atak wody i wywołać rozkład ładunku podobny do GDP.

Swoistość wobec białek G.

Ogólnie rzecz biorąc, GAP są dość specyficzne dla swoich docelowych białek G. Dokładny mechanizm specyficzności celu nie jest w pełni znany, ale jest prawdopodobne, że specyficzność ta wynika z różnych czynników. Na najbardziej podstawowym poziomie specyficzność białka GAP-do-G może pochodzić po prostu z czasu i lokalizacji ekspresji białka. Na przykład RGS9-1 jest specyficznie wyrażany w fotoreceptorach pręcików i czopków w siatkówce oka i jako jedyny oddziałuje z białkami G zaangażowanymi w fototransdukcję w tym obszarze. Zdarza się, że pewien GAP i określone białko G ulegają ekspresji w tym samym czasie i miejscu i w ten sposób komórka zapewnia swoistość. W międzyczasie białka rusztowania mogą również sekwestrować właściwy GAP do swojego białka G i wzmacniać właściwe interakcje wiążące. Te interakcje wiązania mogą być specyficzne dla określonego GAP i białka G. Ponadto GAP mogą mieć określone domeny aminokwasowe, które rozpoznają tylko określone białko G. Wiązanie z innymi białkami G może nie mieć tych samych korzystnych interakcji i dlatego nie oddziałują. W związku z tym GAP mogą regulować określone białka G.

Przykłady i klasyfikacja

EIF5 jest białkiem aktywującym GTPazę . Ponadto YopE jest domeną białkową, która jest białkiem aktywującym GTPazę Rho (GAP), które jest skierowane do małych GTPaz, takich jak RhoA, Rac1 i Rac2.

Monomeryczny

GAP, które działają na małe białka wiążące GTP z nadrodziny Ras, mają konserwatywne struktury i wykorzystują podobne mechanizmy,

Przykładem GTPazy jest monomer Ran , który znajduje się zarówno w cytozolu, jak iw jądrze. Uważa się, że hydroliza GTP przez Ran zapewnia energię potrzebną do transportu białek jądrowych do komórki. Ran jest włączany i wyłączany odpowiednio przez GEF i GAP.

Heterotrimeryczny

Większość GAP, które działają na podjednostki alfa heterotrimerycznych białek G, należy do odrębnej rodziny, rodziny białek RGS .

Rozporządzenie

Chociaż GAP służą do regulacji białek G, istnieje również pewien poziom regulacji samych GAP. Wiele GAP ma allosteryczne miejsca, które służą jako interfejsy z dalszymi celami określonej ścieżki, którą regulują. Na przykład RGS9-1, GAP w fotoreceptorach z góry, oddziałuje z fosfodiesterazy cGMP (cGMP PDE), składnikiem fototransdukcji w siatkówce. Po związaniu z cGMP PDE, aktywność RGS9-1 GAP jest wzmocniona. Innymi słowy, dalszy cel sygnalizacji indukowanej przez fotoreceptory wiąże się i aktywuje inhibitor sygnalizacji, GAP. To pozytywne wiązanie regulacyjne dalszych celów z GAP służy jako pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego, która ostatecznie wyłącza sygnalizację, która została pierwotnie aktywowana. GAP są regulowane przez cele białka G, które regulują.

Istnieją również przykłady negatywnych mechanizmów regulacyjnych, w których dalsze cele sygnalizacji białka G hamują GAP. W kanałach potasowych bramkowanych białkiem G fosfatydyloinozytol 3,4,5-trifosforan (PIP3) jest dalszym celem sygnalizacji białka G. PIP3 wiąże się i hamuje RGS4 GAP. Takie zahamowanie GAP może być może „pobudzeniem” szlaku sygnałowego do aktywacji. Tworzy to okno aktywności dla białek G po aktywacji, ponieważ GAP jest czasowo hamowany. Kiedy kanał potasowy jest aktywowany, Ca2 + zostaje uwolniony i wiąże kalmodulinę. Wspólnie wypierają PIP3 z GAP, wiążąc się konkurencyjnie z tym samym miejscem, a robiąc to, reaktywują GAP, aby wyłączyć sygnalizację białka G. Ten konkretny proces wykazuje zarówno hamowanie, jak i aktywację GAP przez jego regulatory. Istnieje wzajemna komunikacja między GAP a innymi składnikami szlaku sygnałowego, które regulują aktywność GAP.

Odnotowano pewne ustalenia wskazujące na możliwość przesłuchu między punktami GAP. Niedawne badanie wykazało, że p120Ras GAP może wiązać DLC1 Rho GAP w swojej domenie katalitycznej. Wiązanie Ras GAP z Rho GAP hamuje aktywność Rho GAP, aktywując w ten sposób białko Rho G. Jeden GAP służy jako negatywny regulator innego GAP. Przyczyny takiej wzajemnej regulacji w ramach GAP są jeszcze niejasne, ale jedna z możliwych hipotez jest taka, że ​​ta wzajemna rozmowa między GAP osłabia sygnał „wyłączenia” wszystkich GAP. Chociaż p120Ras GAP jest aktywny, a zatem hamuje ten konkretny szlak, inne procesy komórkowe mogą nadal trwać, ponieważ hamuje inne GAP. Może to zapewnić, że cały system nie wyłączy się po pojedynczym wyłączeniu sygnału. Aktywność GAP jest wysoce dynamiczna, oddziałując z wieloma innymi składnikami szlaków sygnałowych.

Związki chorobowe i znaczenie kliniczne

Znaczenie GAP wynika z regulacji kluczowych białek G. Wiele z tych białek G bierze udział w cyklach komórkowych i jako takie są znanymi protoonkogenami . W Ras nadrodziny białek G, na przykład jest związany z wielu nowotworów, ponieważ Ras która jest powszechnym celem wielu czynników wzrostu, takich jak FGF lub czynnik wzrostu fibroblastów. W normalnych warunkach ta sygnalizacja ostatecznie indukuje regulowany wzrost i proliferację komórek. Jednak w stanie rakowym taki wzrost nie jest już regulowany i powoduje powstawanie guzów.

Zwykle białka G są regulowane przez GAP, co powoduje kontrolowany podział komórek.

Często to onkogenne zachowanie jest spowodowane utratą funkcji GAP związanych z tymi białkami G lub utratą zdolności białka G do odpowiedzi na jego GAP. W przypadku tego pierwszego białka G nie są w stanie szybko hydrolizować GTP, co powoduje przedłużoną ekspresję aktywnej postaci białek G. Chociaż białka G mają słabą aktywność hydrolityczną, w obecności funkcjonalnych GEF, inaktywowane białka G są stale zastępowane aktywowanymi, ponieważ GEF w tych białkach zamienia GDP na GTP. Brak GAP-ów ograniczających aktywność białka G skutkuje konstytutywnie aktywnymi białkami G, nieuregulowanym wzrostem komórek i stanem rakowym. W przypadku tego ostatniego, utrata zdolności białka G do odpowiedzi na GAP, białka G utraciły zdolność do hydrolizy GTP. W przypadku niefunkcjonalnego enzymu białka G, GAP nie mogą aktywować aktywności GTPazy, a białko G jest konstytutywnie włączone. Powoduje to również nieuregulowany wzrost komórek i raka. Przykłady nieprawidłowego działania GAP są wszechobecne klinicznie. Niektóre przypadki obejmują zmniejszoną ekspresję genu GAP. Na przykład niektóre niedawno scharakteryzowane przypadki komórek raka brodawkowatego tarczycy u pacjentów wykazują zmniejszoną ekspresję Rap1GAP, a ekspresja ta jest najwyraźniej spowodowana zmniejszoną ekspresją mRNA GAP, wykazaną w eksperymentach qRT-PCR. W tym przypadku wydaje się, że następuje utrata właściwej ekspresji genu Rap1GAP. W innym przypadku ekspresja Ras GAP jest tracona w kilku nowotworach z powodu nieprawidłowego epigenetycznego wyciszenia genu. Te komórki mają metylację CpG w pobliżu genu, co w efekcie wycisza transkrypcję genów. Regulacja białek G zostaje utracona, ponieważ regulator jest nieobecny, co powoduje raka.

Bez GAP, białka G są konstytutywnie włączone ze względu na ich powolną aktywność hydrolityczną i GEF stale zastępują GDP GTP. Powoduje to nieuregulowany podział komórek i powstawanie guzów.

Inne nowotwory wykazują utratę wrażliwości białka G na GAP. Te białka G nabywają mutacje missens, które zakłócają nieodłączną aktywność GTPazy białek. Zmutowane białka G są nadal wiązane przez GAP, ale wzmacnianie aktywności GTPazy przez GAP jest bez znaczenia, gdy traci się aktywność GTPazy samego białka G. GAP działa, aby aktywować niefunkcjonalny enzym hydrolityczny. Na przykład wykazano, że komórki raka pęcherza T24 mają mutację G12V typu missense, co daje konstytutywnie aktywne białko Ras. Pomimo obecności regulatora białka G, regulacja jest utracona z powodu utraty funkcji samego białka G. Ta utrata funkcji objawia się również w raku. GAP i ich interakcja z białkami G są zatem bardzo ważne klinicznie i są potencjalnymi celami terapii przeciwnowotworowej.

Białka G bez aktywności hydrolitycznej nie mogą hydrolizować związanego GTP. GAP nie mogą aktywować niefunkcjonalnego enzymu, a białko G jest konstytutywnie aktywne, co powoduje nieuregulowany podział komórek i powstawanie guzów.

Bibliografia

Linki zewnętrzne