Регуляторные белки GAPs: механизм контроля активности G-белков.
GTPase-activating protein
Регуляторные белки GAPs (RGS) контролируют активность G-белков, завершая клеточную передачу сигналов. Важны для гормональной сигнализации и др. процессов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Активирующие GTPase белки или белки, ускоряющие GTPase (GAP) — это семейство регуляторных белков, члены которого способны связываться с активированными G-белками и стимулировать их GTPase-активность, что приводит к завершению сигнального события. GAP также известны как белки RGS или RGS-белки, и эти белки играют решающую роль в контроле активности G-белков. Регуляция G-белков важна, поскольку эти белки участвуют в разнообразных важных клеточных процессах. Большие G-белки, например, участвуют в трансдукции сигнала от G-белок-связанного рецептора для различных сигнальных процессов, таких как гормональная сигнализация; роль GAP в этой функции заключается в выключении активности G-белка. В этом смысле функция GAP противоположна функции факторов обмена гуаниннуклеотидов (GEF), которые способствуют усилению G-белковой сигнализации.
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 тесно связаны с семейством G-белок-связанных рецепторов. Активность G-белков обусловлена их способностью связывать гуанозинтрифосфат (GTP). Связывание GTP само по себе изменяет активность G-белков и повышает ее, за счет потери ингибирующих субъединиц. В этом более активном состоянии G-белки могут связываться с другими белками и активировать нижестоящие сигнальные мишени. Весь этот процесс регулируется GAP, которые способны подавлять активность G-белков. G-белки могут слабо гидролизовать GTP, разрывая фосфатную связь с образованием GDP. Это делает GTP лучшим субстратом для реакции. Аналогично, GAP, по-видимому, индуцируют распределение заряда, подобное таковому у GDP, в связанном GTP. Поскольку изменение распределения заряда делает субстрат GTP более похожим на продукты реакции – GDP и монофосфат – это, наряду с облегчением нуклеофильной атаки, снижает энергетический барьер переходного состояния реакции и облегчает гидролиз GTP. Таким образом, GAP усиливают реакцию гидролиза GTP, катализируемую G-белками. Делая это, они ускоряют встроенный таймер G-белка, который быстрее инактивирует G-белки, а вместе с инактивацией GEF это отключает G-белковый сигнал. Следовательно, GAP играют критическую роль в регуляции G-белков.
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.
Специфичность для белков G
В целом, GAP, как правило, обладают высокой специфичностью к своим целевым G-белкам. Точный механизм этой специфичности до конца не изучен, но, вероятно, он обусловлен целым рядом факторов. На самом базовом уровне специфичность GAP к G-белку может определяться просто временем и местом экспрессии белка. Например, RGS9-1 специфически экспрессируется в палочковых и колбочковых фоторецепторах сетчатки глаза и является единственным, который взаимодействует с G-белками, участвующими в фототрансдукции в этой области. Определенный GAP и определенный G-белок оказываются экспрессированы одновременно и в одном и том же месте, и таким образом клетка обеспечивает специфичность. В то же время, каркасные белки могут также направлять соответствующий GAP к его G-белку и усиливать правильные взаимодействия при связывании. Кроме того, YopE – это белковый домен, являющийся активатором Rho GTPase (GAP), который воздействует на небольшие GTPase, такие как RhoA, Rac1 и Rac2.
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.
Гетеротримерические
Большинство GAP, воздействующих на альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков, принадлежат к отдельному семейству – семейству белков RGS.
Most GAPs that act on alpha subunits of heterotrimeric G proteins belong to a distinct family, the RGS protein family.
Регулирование
В то время как GAP регулируют G-белки, существует также определенный уровень регулирования самих GAP. Многие GAP имеют аллостерические участки, которые служат точками взаимодействия с нисходящими мишенями конкретного пути, который они регулируют. Например, RGS9-1, GAP в фоторецепторах, взаимодействует с cGMP-фосфодиэстеразой (cGMP PDE), нисходящим компонентом фототрансдукции в сетчатке. При связывании с cGMP PDE активность RGS9-1 GAP повышается. Такое ингибирование GAP, возможно, "подготавливает" сигнальный путь к активации. Это создает временное окно активности для G-белков после их активации, поскольку GAP временно ингибирован. Когда активируется калиевый канал, высвобождается Ca2+ и связывается с кальмодулином. Вместе они вытесняют PIP3 из GAP, конкурентно связываясь с тем же сайтом, и тем самым реактивируют GAP, чтобы выключить G-белковую сигнализацию. Один GAP может выступать в качестве отрицательного регулятора другого GAP. Причины такого перекрестного регулирования между GAP пока неясны, но одна из гипотез заключается в том, что такая перекрестная коммуникация между GAP ослабляет сигнал "выключения" для всех GAP. Даже если p120Ras GAP активен и, следовательно, ингибирует конкретный путь, другие клеточные процессы могут продолжаться, поскольку он ингибирует другие GAP. Это может гарантировать, что вся система не будет отключена одним сигналом "выключения". Активность GAP очень динамична и взаимодействует со многими другими компонентами сигнальных путей.
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.
Связь заболеваний и клиническая значимость
Важность GAPs обусловлена их регуляцией ключевых G-белков. Многие из этих G-белков участвуют в клеточном цикле и, следовательно, известны как протоонкогены. Например, суперсемейство G-белков Ras связано с множеством видов рака, поскольку Ras является общей мишенью для многих факторов роста, таких как FGF, или фактор роста фибробластов. В нормальных условиях эта передача сигналов в конечном итоге индуцирует регулируемый рост и пролиферацию клеток. Однако в раковом состоянии этот рост становится нерегулируемым и приводит к образованию опухолей. Зачастую такое онкогенное поведение связано с потерей функции GAPs, ассоциированных с этими G-белками, или с потерей способности G-белка реагировать на свой GAP. В первом случае G-белки не способны быстро гидролизовать GTP, что приводит к продолжительной экспрессии активной формы G-белков. Хотя сами G-белки обладают слабой гидролитической активностью, в присутствии функциональных GEF инактивированные G-белки постоянно замещаются активированными, поскольку GEF обменивают GDP на GTP в этих белках. При отсутствии GAPs, сдерживающих активность G-белка, это приводит к конститутивно активным G-белкам, нерегулируемому росту клеток и раковому состоянию. Во втором случае, при потере способности G-белка реагировать на GAP, G-белки теряют способность гидролизовать GTP. При нефункциональном ферменте G-белка GAPs не могут активировать GTP-азу, и G-белок находится в конститутивно активном состоянии. Это также приводит к нерегулируемому росту клеток и раку. Примеры дисфункции GAPs широко распространены в клинической практике. В некоторых случаях наблюдается снижение экспрессии гена GAP. Например, в некоторых недавно охарактеризованных случаях папиллярного рака щитовидной железы у пациентов выявлено снижение экспрессии Rap1GAP, которое, по-видимому, вызвано снижением экспрессии GAP мРНК, что было показано в экспериментах qRT-PCR. В этом случае, по-видимому, происходит потеря нормальной экспрессии гена Rap1GAP. В другом случае экспрессия Ras GAP теряется при нескольких видах рака из-за неправильного эпигенетического подавления гена. В этих клетках наблюдается метилирование CpG вблизи гена, что фактически подавляет транскрипцию гена. Регуляция G-белков нарушается из-за отсутствия регулятора, что приводит к развитию рака. Другие виды рака демонстрируют потерю чувствительности G-белка к GAPs. Эти G-белки приобретают мутации, которые нарушают их собственную GTP-азную активность. Мутантные G-белки по-прежнему связываются с GAPs, но усиление GTP-азной активности GAPs становится бессмысленным, когда GTP-азная активность самого G-белка утрачена. GAP пытается активировать нефункциональный гидролитический фермент. Например, было показано, что клетки рака мочевого пузыря T24 имеют мутацию G12V, приводящую к конститутивно активному белку Ras. Несмотря на наличие регулятора G-белка, регуляция теряется из-за потери функции самого G-белка. Эта потеря функции также проявляется в раке. Таким образом, GAPs и их взаимодействие с G-белками имеют большое клиническое значение и являются потенциальными мишенями для разработки противораковой терапии.
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.