Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
GTPазаны белсендіретін ақуыздар немесе GTPазаны үдетіп жіберетін ақуыздар (GAP) – бұл мүшелері белсенді G ақуыздарына байланысып, олардың GTPаза активтілігін күшейтіп, сигнал беру процесін тоқтататын реттеуші ақуыздар тобы. GAP-тар RGS протеиндері деп те аталады, және бұл ақуыздар G ақуыздарының активтілігін бақылауда маңызды рөл атқарады. G ақуыздарын реттеудің маңызы бар, себебі бұл ақуыздар жасушаның көптеген маңызды процестеріне қатысады. Мысалы, үлкен G ақуыздары G ақуыздарымен байланысқан рецепторлардан сигналдарды түрлендіруге қатысады, гормоналды сигнал беру сияқты әртүрлі сигнал беру процестерін қамтамасыз етеді. GAP-тың осы функциядағы рөлі – G ақуызының активтілігін тоқтату болып табылады. Осы тұрғыдан алғанда, GAP функциясы гуанин нуклеотидтерін алмастыру факторларының (GEF) функциясына қарама-қарсы келеді, себебі GEF G ақуызының сигналдарын күшейтуге көмектеседі.
GTPase activating proteins or GTPase accelerating proteins (GAPs) are a family of regulatory proteins whose members can bind to activated G proteins and stimulate their GTPase activity, with the result of terminating the signaling event. GAPs are also known as RGS protein, or RGS proteins, and these proteins are crucial in controlling the activity of G proteins. Regulation of G proteins is important because these proteins are involved in a variety of important cellular processes. The large G proteins, for example, are involved in transduction of signaling from the G protein coupled receptor for a variety of signaling processes like hormonal signaling, GAP's role in this function is to turn the G protein's activity off. In this sense, GAPs function is opposite to that of guanine nucleotide exchange factors (GEFs), which serve to enhance G protein signaling.
Механизм
GAP-тар G белоктарымен байланысты рецепторлар отбасымен тығыз байланысты. G белоктарының активтілігі гуанозин трифосфатын (GTP) байланыстыру қабілетіне байланысты. GTP байланысы G белоктарының активтілігін өзгертеді және тежеуші кішібірліктерді жоғалту арқылы олардың активтілігін арттырады. Осыған байланысты активті күйде G белоктары басқа белоктармен байланысып, төменгі сигнал беру мақсаттарын қоса алады. Бұл процесті G белоктарының активтілігін төмендететін GAP-тар реттейді. G белоктары GTP-ні нашар гидролиздей алады, фосфат байланысын үзіп, ЖДӨ-ні (GDP) жасайды. Бұл GTP-ні реакция үшін жақсы субстратқа айналдырады. Сол сияқты, GAP-тар байланысқан GTP-де ЖДӨ-ге (GDP) ұқсас заряд таралуын тудырады. Заряд таралуының өзгеруі GTP субстратын реакция өнімдеріне, ЖДӨ-ге (GDP) және монофосфатқа ұқсатады, соның салдарынан молекулануклеофильдік шабуылға ашылып, реакцияның өтпелі күйдегі энергия кедергісін төмендетеді және GTP-нің оңай гидролизденуіне мүмкіндік береді. Осылайша, GAP-тар G белоктарының GTP гидролиз реакциясын күшейту үшін жұмыс істейді. Осы арқылы олар G белоктарының ішкі таймерін жылдамдатып, G белоктарын тез деактивациялайды, ал GEF-тердің деактивациясымен бірге G белоктарының сигналын тоқтатады. Демек, G белоктарын реттеуде GAP-тар маңызды рөл атқарады.
GAP are heavily linked to the G protein linked receptor family. The activity of G proteins comes from their ability to bind guanosine triphosphate (GTP). Binding of GTP inherently changes the activity of the G proteins and increases their activity, through the loss of inhibitory subunits. In this more active state, G proteins can bind other proteins and turn on downstream signalling targets. This whole process is regulated by GAPs, which can down regulate the activity of G proteins. G proteins can weakly hydrolyse GTP, breaking a phosphate bond to make GDP. This makes the GTP a better substrate for the reaction. Similarly, GAPs seem to induce a GDP like charge distribution in the bound GTP. Because the change in charge distribution makes the GTP substrate more like the products of the reaction, GDP and monophosphate, this, along with opening the molecule for nucleophilic attack, lowers the transition state energy barrier of the reaction and allows GTP to be hydrolyzed more readily. GAPs, then, work to enhance the GTP hydrolysis reaction of the G proteins. By doing so, they accelerate the G protein's built in timer, which inactivates the G proteins more quickly, and along with the inactivation of GEFs, this keeps the G protein signal off. GAPs, then, are critical in the regulation of G proteins.
G ақуыздарына тән ерекшелік
Жалпы, GAP-тар өздерінің мақсатты G-белоктарына өте қатаң ерекшеленеді. Нысаналы ерекшеліктің нақты механизмі толыққанды белгісіз, бірақ бұл ерекшелік түрлі факторлардың жиынтығынан туындауы мүмкін. Ең қарапайым деңгейде, GAP-тан G-белгісінің ерекшелігі тек ақуыз экспрессиясының уақыты мен орнына байланысты болуы мүмкін. Мысалы, RGS9 1 көздің торлы қабатындағы таяқша және конус фоторецепторларында ғана экспрессияланады және осы аймақта фототрансдукцияға қатысатын G-белгілерімен өзара әрекеттесетін жалғыз түр болып табылады. Белгілі бір GAP және белгілі бір G-белгісі бір уақытта және бір жерде экспрессияланады, осылайша жасуша ерекшелікті қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, мүкірлік ақуыздары тиісті GAP-ты оның G-белгісіне жинақтап, дұрыс байланыс өзара әрекеттестіктерін күшейтуге көмектеседі. Бұдан бөлек, YopE – Rho GTPase-ті белсендіретін ақуыз (GAP) болып табылатын ақуыз домені, ол RhoA, Rac1 және Rac2 сияқты шағын GTPаздарды нысаналайды.
In general, GAPs tend to be pretty specific for their target G proteins. The exact mechanism of target specificity is not fully known, but it is likely that this specificity comes from a variety of factors. At the most basic level, GAP to G protein specificity may come simply from the timing and location of protein expression. RGS9 1, for example, is specifically expressed in the rod and cone photoreceptors in the eye retina, and is the only one to interact with G proteins involved in phototransduction in this area. A certain GAP and a certain G protein happen to be expressed in the same time and place, and that is how the cell ensures specificity. Meanwhile, scaffold proteins can also sequester the proper GAP to its G protein and enhance the proper binding interactions. Furthermore, YopE is a protein domain that is a Rho GTPase activating protein (GAP), which targets small GTPases such as RhoA, Rac1, and Rac2.
Гетеротримерлік
Гетеротримерлі G ақуыздарының альфа-кішібірліктеріне әсер ететін көптеген GAP RGS ақуыздар отбасысына жатады.
Most GAPs that act on alpha subunits of heterotrimeric G proteins belong to a distinct family, the RGS protein family.
Реттеу
GAP-тар G ақуыздарын реттеуге қызмет етеді, сонымен қатар GAP-тардың өзі де белгілі бір деңгейде реттеледі. Көптеген GAP-тарда олар реттейтін жолдың төменгі бағытындағы нысандармен байланысқа түсетін аллостерикалық орындар бар. Мысалы, жоғарыда аталған фоторецепторлардағы RGS9 1 GAP, тор қабықтағы фототрансдукцияның төменгі компоненті – cGMP фосфодиэстеразасымен (cGMP PDE) өзара әрекеттеседі. cGMP PDE-мен байланысқанда RGS9 1 GAP белсенділігі артады. Мұндай GAP-ты тежеу сигнал беру жолын белсендіруге мүмкіндік береді. Бұл G ақуыздары белсендірілгеннен кейін белсенділік терезесін жасайды, себебі GAP уақытша тежеледі. Калий арнасы белсендірілген кезде Ca2+ босап, кальмодулинмен байланысады. Олар бірлесіп, PIP3-ті GAP-тан бір орынға бәсекелес байланысу арқылы ығыстырады, соның салдарынан GAP-ты қайта белсендіріп, G ақуызының сигнал беруін тоқтатады. Бір GAP екінші GAP-тың теріс реттеушісі болып табылады. Мұндай GAP-тар арасындағы өзара реттелудің себептері әлі анық емес, бірақ бір гипотеза бойынша, бұл GAP-тар арасындағы байланыс барлық GAP-тардың «өшіру» сигналын әлсіретеді. p120Ras GAP белсенді болғандықтан, осы жолды тежейді, бірақ басқа жасушалық процестер жалғаса береді, себебі ол басқа GAP-тарды тежейді. Бұл жүйенің бір «өшіру» сигналынан толығымен тоқтауына жол бермейді. GAP белсенділігі жоғары динамикалық және сигнал беру жолдарының көптеген басқа компоненттерімен өзара әрекеттеседі.
While GAPs serve to regulate the G proteins, there is also some level of regulation of the GAPs themselves. Many GAPs have allosteric sites that serve as interfaces with downstream targets of the particular path that they regulate. For example, RGS9 1, the GAP in the photoreceptors from above, interacts with cGMP phosphodiesterase (cGMP PDE), a downstream component of phototransduction in the retina. Upon binding with cGMP PDE, RGS9 1 GAP activity is enhanced. Such inhibition of GAP may perhaps "prime" the signaling pathway for activation. This creates a window of activity for the G proteins once activated because the GAP is temporarily inhibited. When the potassium channel is activated, Ca2+ gets released and binds calmodulin. Together, they displace PIP3 from GAP by binding competitively to the same site, and by doing so, they reactivate GAP to turn G protein signaling off. One GAP serves as a negative regulator of another GAP. The reasons for such cross regulation across GAPs are yet unclear, but one possible hypothesis is that this cross talk across GAPs attenuates the "off" signal of all the GAPs. Although the p120Ras GAP is active, therefore inhibiting that particular pathway, other cellular processes can still continue because it inhibits other GAPs. This may ensure that the whole system does not shut down from a single off signal. GAP activity is highly dynamic, interacting with many other components of signaling pathways.
Аурулар арасындағы байланыстар және клиникалық маңыздылығы
GAP маңыздылығы оның маңызды G ақуыздарын реттеуінен туындайды. Бұл G ақуыздарының көпшілігі клеткалық циклға қатысады және олар протоонкогендер деп аталады. Мысалы, G ақуыздарының Ras суперотбасы көптеген қатерлі ісіктермен байланысты, себебі Ras – FGF немесе фибробласт өсу факторы сияқты көптеген өсу факторларының жиі кездесетін төменгі бағыты. Қалыпты жағдайда бұл сигналдар клеткалардың реттелген өсуі мен көбеюін қамтамасыз етеді. Алайда, қатерлі ісік жағдайында мұндай өсу реттелмейді және ісік пайда болуына әкеледі. Көбінесе, бұл онкогендік мінез-құлық сол G ақуыздарымен байланысты GAP функциясының жоғалтуынан немесе G ақуызының GAP-қа жауап беру қабілетінің жоғалтуынан туындайды. Бірінші жағдайда G ақуыздары GTP-ні жылдам гидролиздей алмайды, нәтижесінде G ақуыздарының белсенді түрі ұзақ сақталады. G ақуыздарының гидролиттік активтілігі нашар болғанымен, функционалды GEF-тердің болуы кезінде белсенді емес G ақуыздары үнемі белсенділерімен алмастырылады, себебі GEF-тер осы ақуыздарда GDP-ні GTP-ге ауыстырады. G ақуызының активтілігін тежейтін GAP болмағанда, G ақуыздары конститутивті түрде белсенді болады, клеткалардың реттелмеген өсуіне және қатерлі ісікке әкеледі. Екінші жағдайда, G ақуызының GAP-қа жауап беру қабілетінің жоғалтуы, G ақуыздары GTP-ні гидролиздей алмауына себеп болады. Функционалды емес G ақуызы ферментімен GAP-тар GTPаза активтілігін белсендіре алмайды, ал G ақуызы конститутивті түрде белсенді болады. Бұл да клеткалардың реттелмеген өсуіне және қатерлі ісікке әкеледі. GAP-тың жұмыс істемеуі клиникалық жағдайда кең таралған. Кейбір жағдайларда GAP генінің экспрессиясы төмендейді. Мысалы, пациенттердегі папиллярлық қалқанша безі қатерлі ісігінің кейбір жақында сипатталған жағдайларында Rap1GAP экспрессиясы төмендегені байқалады, бұл GAP мРНК экспрессиясының төмендеуінен туындаған сияқты, бұл qRT-ПТР эксперименттерінде көрсетілген. Бұл жағдайда Rap1GAP генінің экспрессиясының бұзылуы байқалады. Басқа жағдайда, бірнеше қатерлі ісіктерде Ras GAP экспрессиясы геннің тиісінше эпигенетикалық тұншығуынан жоғалады. Бұл жасушаларда геннің жанында CpG метилирлеуі болады, ол геннің транскрипциясын тоқтатады. Регулятордың болмауынан G ақуыздарының реттелуі жоғалады, нәтижесінде қатерлі ісік пайда болады. Басқа қатерлі ісіктерде G ақуызының GAP-қа сезімталдығы төмендейді. Бұл G ақуыздары G ақуыздарының ішкі GTPаза активтілігін бұзатын миссенс-мутацияларды қабылдайды. Мутант G ақуыздары әлі де GAP-тармен байланысады, бірақ G ақуызының GTPаза активтілігі жоғалғанда, GAP-тар арқылы GTPаза активтілігін күшейтудің мәні болмайды. GAP функциясы – гидролиттік ферментті белсендіру. Мысалы, T24 көк шөлке рагы жасушаларында G12V миссенс-мутациясы бар екені анықталды, нәтижесінде Ras ақуызы конститутивті түрде белсенді болады. G ақуызының регуляторының болуына қарамастан, реттелу G ақуызының өзіндегі функцияның жоғалтуынан жоғалады. Бұл функцияның жоғалтуы қатерлі ісікке де әсер етеді. Сондықтан GAP және олардың G ақуыздарымен өзара әрекеттесуі клиникалық тұрғыдан өте маңызды және қатерлі ісікпен емдеудің әлеуетті нысаны болып табылады.
The importance of GAPs comes from its regulation of the crucial G proteins. Many of these G proteins are involved in cell cycling, and as such are known proto oncogenes. The Ras superfamily of G proteins, for example, has been associated with many cancers because Ras is a common downstream target of many growth factors like FGF, or fibroblast growth factor. Under normal conditions, this signaling ultimately induces regulated cell growth and proliferation. However, in the cancer state, such growth is no longer regulated and results in the formation of tumors. Often, this oncogenic behavior is due to a loss of function of GAPs associated with those G proteins or a loss of the G protein's ability to respond to its GAP. With the former, G proteins are unable to hydrolyze GTP quickly, resulting in sustained expression of the active form of G proteins. Although the G proteins have weak hydrolytic activity, in the presence of functional GEFs, the inactivated G proteins are constantly replaced with activated ones because the GEFs exchange GDP for GTP in these proteins. With no GAPs to curb the G protein's activity, this results in constitutively active G proteins, unregulated cell growth, and the cancerous state. In the case of the latter, a loss of the G protein's ability to respond to GAP, the G proteins have lost their ability to hydrolyze GTP. With a nonfunctional G protein enzyme, GAPs cannot activate the GTPase activity, and the G protein is constitutively on. This also results in unregulated cell growth and cancer. Examples of GAP malfunction are ubiquitous clinically. Some cases involve a decreased expression of the GAP gene. For example, some recently characterized cases of papillary thyroid cancer cells in patients show a decreased expression of Rap1GAP, and this expression is seemingly caused by a decreased expression of the GAP mRNA, shown by qRT PCR experiments. In this case, there appears to be a loss of proper Rap1GAP gene expression. In another case, expression of the Ras GAP is lost in several cancers due to improper epigenetic silencing of the gene. These cells have CpG methylations near the gene that, in effect, silence gene transcription. Regulation of G proteins is lost because the regulator is absent, resulting in cancer. Other cancers show a loss of sensitivity of the G protein to the GAPs. These G proteins acquire missense mutations that disrupt the inherent GTPase activity of the proteins. The mutant G proteins are still bound by GAPs, but enhancing GTPase activity by the GAPs is meaningless when GTPase activity of the G protein itself is lost. GAP works to activate a nonfunctional hydrolytic enzyme. T24 bladder cancer cells, for example, were shown to have a missense mutation, G12V, resulting in constitutively active Ras protein. Despite the presence of the G protein regulator, regulation is lost due to a loss of function in the G protein itself. This loss of function also manifests itself in cancer. GAPs and their interaction with G proteins are, therefore, highly important clinically and are potential targets for cancer therapies.