Введение
Белки млекопитающих, обнаруженные в Homo sapiens RAF протоонкоген серин/треонин протеинкиназа, также известный как протоонкоген c RAF или просто c Raf или даже Raf 1, является ферментом, который у людей кодируется геном RAF1. Белок c Raf является частью пути ERK1/ 2 как MAP-киназа (MAP3K), которая функционирует в нижней части подсемейства Ras мембранных ассоциированных GTPases. C Raf является членом семейства киназ Raf серин/треонин специфических белковых киназ, из группы киназ TKL (тирозинкиназы типа).
RAF proto oncogene serine/threonine protein kinase, also known as proto oncogene c RAF or simply c Raf or even Raf 1, is an enzyme that in humans is encoded by the RAF1 gene. The c Raf protein is part of the ERK1/2 pathway as a MAP kinase (MAP3K) that functions downstream of the Ras subfamily of membrane associated GTPases. C Raf is a member of the Raf kinase family of serine/threonine specific protein kinases, from the TKL (Tyrosine kinase like) group of kinases.
Открытие
Первый ген Рафа, v Raf, был обнаружен в 1983 году. Он был выделен из мышиного ретровируса с номером 3611. Вскоре было доказано, что он способен превращать фибробласты грызунов в раковые клеточные линии, поэтому этому геному было дано название вирусной индуцированной быстро ускоряющейся фибросаркомы (V RAF). Исследователи смогли продемонстрировать, что эти гены кодируют ферменты, которые обладают активностью серин-треонинокиназы. Нормальные клеточные гомологи v Raf и v Mil вскоре были обнаружены как в геноме мыши, так и курицы (отсюда и название c Raf для нормального клеточного гена Raf), и стало ясно, что они также играют роль в регуляции роста и деления клеток. c Raf является основным компонентом пути митоген-активированной белковой киназы (MAPK): сигнализация ERK1/ 2. Он действует как киназа MAP3, инициируя весь каскад киназ. Последующие эксперименты показали, что нормальные, клеточные гены Раф также могут мутировать, чтобы стать онкогенами, "перегружая" активность MEK1/2 и ERK1/2. Фактически, геномы позвоночных содержат множество генов Рафа. Несколько лет спустя после открытия c Raf были описаны две дополнительные родственные киназы: A Raf и B Raf. Последние стали предметом исследований в последние годы, поскольку большая часть опухолей человека несет онкогенные "водительские" мутации в гене B Raf. Эти мутации вызывают неконтролируемую высокую активность ферментов Raf. Таким образом, диагностический и терапевтический интерес к Раф-киназам достиг нового пика в последние годы.
Структура
Ген c Raf человека расположен на хромосоме 3. Было описано по крайней мере две изоформы мРНК (в результате включения или удаления альтернативного экзона), которые имеют лишь незначительные различия. Более короткая, основная изоформа, состоящая из 17 экзонов, кодирует белковую киназу из 648 аминокислот. Как и многие другие MAPKKK, c Raf является мультидоменным белком, с несколькими дополнительными доменами, помогающими регулировать его каталитическую активность. На его N-концевом сегменте Ras-связывающий домен (RBD) и C-киназный гомологичный домен 1 (домен C1) находятся рядом друг с другом. В последние десятилетия были решены структуры обоих сохраненных доменов, проливая свет на механизмы их регулирования. Домен связывания Ras показывает убиквитин, похожий на склад (как и многие другие небольшие ассоциирующие домены белка G) и избирательно связывает только белки Ras, связанные с GTP. (Вы можете увидеть это взаимодействие в деталях в окне PDB, приложенном к статье. Она показывает Rap1 в комплексе с RBD c Raf.) Домен C1 непосредственно ниже по течению от Ras-связывающего домена представляет собой специальный цинковый палец, богатый цистеинами и стабилизированный двумя ионами цинка. Он аналогичен диацилглицеролу, связывающему домены C1 ферментов белковой киназы C (PKC). Но в отличие от PKC, домены C1 семейства киназ Raf не связываются с диацилглицеролом. Вместо этого они взаимодействуют с другими липидами, такими как керамид, и даже помогают в распознавании активированного Ras (GTP Ras). Близость этих двух доменов, а также несколько линий экспериментальных данных предполагают, что они действуют как единое целое для негативной регуляции активности домена белковой киназы путем прямого физического взаимодействия. Исторически этот аутоингибирующий блок был обозначен как область CR1 ("Консервативная область 1"), область шарнира была названа CR2 и домен киназы CR3. К сожалению, точная структура аутоингибированной киназы остается неизвестной. Между блоком аутоингибирующего домена и доменом каталитической киназы можно найти длинный сегмент, характерный для всех белков Raf. Он очень обогащен серинными аминокислотами, но его точная последовательность плохо сохранена в родственных генах Рафа. Этот регион, по-видимому, по своей сути неструктурирован и очень гибкий. Его наиболее вероятная роль заключается в том, чтобы действовать как естественная "застенка" между жестко сложенными аутоингибирующими и каталитическими доменами, позволяя сложные движения и глубокие конформационные перестановки внутри молекулы. Эта область сцепления содержит небольшой остров аминокислот, которые отвечают за распознавание белка, но только когда критический серин (Ser259 у человека и Raf) фосфорилируется. Второй, аналогичный мотив обнаружен на крайнем конце C (с центром вокруг фосфорилируемого Ser 621) всех ферментов Raf, но ниже по течению домена киназы. Терминальная половина C c Raf складывается в единый белковый домен, отвечающий за каталитическую активность. Структура этого киназового домена хорошо известна как из c Raf, так и из B Raf. Он очень похож на другие киназы Raf и белки KSR, и отчетливо похож на некоторые другие киназы MAP3, такие как семейство киназ смешанной линии (MLK). Вместе они составляют группу белковых киназ типа тирозинкиназы (TKL). Хотя некоторые особенности объединяют свои каталитические домены с белковыми тирозинкиназами, активность TKL ограничивается фосфорилированием остатков серина и треонина в пределах целевых белков. Наиболее важным субстратом киназ Raf (кроме самого себя) являются киназы MKK1 и MKK2, активность которых строго зависит от процессов фосфорилирования, выполняемых Rafs.
Эволюционные отношения
Раф человека является членом более крупного семейства связанных белковых киназ. Два других члена, обнаруженных у большинства позвоночных, принадлежат к одному и тому же семейству: B Raf и A Raf. Помимо разной длины их не сохранившихся концов N и C, все они имеют одинаковую архитектуру, структуру и регулирование домена. По сравнению с относительно хорошо известными c Raf и B Raf, очень мало известно о точной функции A Raf, но также считается, что он похож на двух других членов семейства. Считается, что все эти гены являются продуктом полного дублирования генома или генома на заре эволюции позвоночных, от одного предшественника гена Рафа. Большинство других животных имеют только один ген Рафа. Он называется Phl или Draf в Drosophila и Lin 45 в C. elegans. Многоклеточные животные также имеют тип киназы, тесно связанный с Рафом: это Супрессор киназы Раса (KSR). У позвоночных, таких как млекопитающие, есть два параллоговых гена KSR вместо одного: KSR1 и KSR2. Их C-терминальный киназный домен очень похож на Raf (первоначально называемый CA5 в KSR и CR3 в Raf), но N-терминальная регуляторная область отличается. Хотя у них также есть гибкий шарнир (CA4 в KSR) и домен C1 (CA3 в KSR) перед ним, у KSR полностью отсутствует связывающий домен Ras. Вместо этого у них есть уникальные регулируемые регионы на их N-оконцах, первоначально называемые CA1 ("защищенная зона 1") и CA2. Долгое время структура домена CA1 была загадкой. Однако в 2012 году структура CA1-региона в KSR1 была решена: оказалось, что это дивергентный домен SAM (стерильный альфа-мотив), дополненный скрученными катушками (CC SAM): это должно помочь KSR в связывании мембраны. KSR, как и Raf, также имеют двойные ассоциирующие мотивы 14 3 3 (которые зависят от фосфорилирования), но также обладают новыми MAPK-связывающими мотивами на своих шарнировых областях. При типичной последовательности Phe x Phe Pro (FxFP) эти мотивы важны для регуляции обратной связи киназ Raf в пути ERK1/2. Согласно нашим текущим знаниям, KSR также участвуют в том же пути, что и Raf, хотя они играют только вспомогательную роль. С очень низкой внутренней активностью киназы они долгое время считались неактивными, пока их каталитическая активность не была наконец продемонстрирована в последние годы. Но даже в этом случае они вносят незначительный вклад в фосфорилирование MKK1 и MKK2. Основная роль KSR, по-видимому, заключается в предоставлении партнера для гетеродимеризации ферментов Raf, значительно облегчая их активацию с помощью аллостерии. Подобные явления были описаны для других киназ MAP3. Например, ASK2 сам по себе является плохим ферментом, и его активность, по-видимому, связана с гетеродимеризацией ASK1/ASK2. Раф-подобные киназы полностью отсутствуют у грибов. Но недавнее секвенирование других опистоконтов (например, Capsaspora owczarzaki) показало наличие подлинных киназ Раф в одноклеточных эукариотах. Поэтому возможно, что белки Рафа являются древним наследием и предками грибов, которые вторично потеряли зависимую от Рафа сигнализацию. Грибные киназные пути MAP, которые являются гомологами пути ERK1/ 2 у млекопитающих (Fus3 и Kss1 в дрожжах), активируются связанными с MEKK киназами (например, Ste11 в дрожжах) вместо ферментов Raf. Раф-киназы, обнаруженные в ретровирусах (таких как мышиный v Raf), вторично производятся из соответствующих генов позвоночных их хозяев. Эти гены Raf кодируют сильно сокращенные белки, которые не имеют всего N-терминального аутоингибирующего домена и 14 3 3- связывающих мотивов. Известно, что такие серьезные обрезки вызывают неконтролируемую активность киназ Raf: это именно то, что может понадобиться вирусу для эффективного размножения.
Регулирование деятельности
Как уже упоминалось выше, регулирование деятельности Raf является сложным. Как "хранитель" пути ERK1/2, он контролируется множеством ингибирующих механизмов и обычно не может быть активирован в один шаг. Наиболее важный механизм регулирования включает прямую физическую связь N-терминального автоингибирующего блока с киназным доменом c Raf. Это приводит к окклюзии каталитического участка и полному прекращению активности киназы. необходимы для активации киназы и связывания субстрата. Белок также способствует автоингибированию. Поскольку все белки 1433 образуют конститутивные димеры, их сборки имеют два места связывания. Таким образом, димер действует как "молекулярная наручница", блокируя их связующих партнеров на определенном расстоянии и ориентации. Когда точно расположенные двойные 14 3 3 связующие мотивы связываются с одним димером белка 14 3 3 (например, 14 3 3 zeta), они замыкаются в конформации, которая способствует автоингибированию и не позволяет отключать автоингибирующие и каталитические домены. Эта "замыкание" c Raf (и других Raf, а также KSR) контролируется фосфорилированием мотивов. Нефосфорилированные 14 3 3 ассоциирующие мотивы не связывают своих партнеров: они должны быть сначала фосфорилированы на консервированных серинах (Ser 259 и Ser 621), другими белковыми киназами. Наиболее важной киназой, участвующей в этом событии, является бета-активированная киназа 1 TGF (TAK1), а ферменты, предназначенные для удаления этих фосфатов, являются комплексами белковой фосфатазы 1 (PP1) и белковой фосфатазы 2A (PP2A). Следует отметить, что связывание 14 3 3 ферментов Raf не обязательно является ингибирующим: как только Raf открывается и димеризируется, 14 3 3 могут также связываться в транс, соединяя две киназы и "прикусывая" их вместе, чтобы усилить димер, вместо того, чтобы держать их подальше друг от друга. Существуют и другие виды взаимодействия с c Raf, но их роль не совсем известна. Димеризация является еще одним важным механизмом регулирования активности Raf и необходим для фосфорилирования цикла активации Raf. Обычно в димеризации участвуют только "открытые" домены киназы. В отличие от B Raf, который легко образует гомодимеры с самим собой, c Raf предпочитает гетеродимеризацию с B Raf или KSR1. Гомодимеры и гетеродимеры ведут себя одинаково. Взаимодействуя с сохраненными остатками Arg и Lys в домене киназы, фосфорилированные циклы активации меняют конформацию и становятся упорядоченными, постоянно блокируя домен киназы в полностью активное состояние до дефосфорилирования. Фосфорилированные циклы активации также делают киназу нечувствительной к присутствию ее автоингибирующего домена. КРС не могут пройти этот последний этап, поскольку в их циклах активации отсутствуют любые фосфорилируемые остатки. Но как только c Raf полностью активируется, нет больше необходимости делать это: активные ферменты Raf теперь могут задействовать свои субстраты. Как и большинство белковых киназ, c Raf имеет несколько субстратов. BAD (атагонист клеточной смерти Bcl2) непосредственно фосфорилируется c Raf, наряду с несколькими типами аденилат циклаз, миозинфосфатазой (MYPT), тропонином Т сердечной мышцы (TnTc) и т. д. В качестве возможных субстратов также были предложены протеин ретинобластомы (pRb) и фосфатаза Cdc25. Наиболее важными мишенями всех ферментов Рафа являются MKK1 ((MEK1) и MKK2 ((MEK2). Хотя структура ферментального комплекса c Raf:MKK1 неизвестна, его можно точно смоделировать по комплексу KSR2:MKK1. Эти МКК становятся фосфорилированными по крайней мере в двух местах в их циклах активации при связывании с Рафом: это также активирует их. Целями каскада киназ являются ERK1 и ERK2, которые избирательно активируются MKK1 или MKK2. ERK имеют многочисленные субстраты в клетках; они также способны транслоцироваться в ядро для активации факторов ядерной транскрипции. Активированные ERK являются плеиотропными эффекторами клеточной физиологии и играют важную роль в контроле экспрессии генов, участвующих в цикле деления клеток, клеточной миграции, ингибировании апоптоза и дифференцировке клеток.
Связанные с этим заболевания человека
Наследственная мутация c Raf, повышающая функцию, связана с некоторыми редкими, но тяжелыми синдромами. Большинство этих мутаций связаны с изменениями одной аминокислоты в одном из двух 14 3 3 связывающих мотивов. Мутация c Raf является одной из возможных причин синдрома Нунана: у пострадавших людей врожденные пороки сердца, низкий и дисморфный рост и несколько других деформаций. Подобные мутации в c Raf могут также вызывать связанное с этим заболевание, называемое синдромом ЛЕОПАРДА (Лентиго, электрокардиографические аномалии, глазный гипертелоризм, стеноз легких, аномальные гениталии, замедленный рост, глухота), со сложной ассоциацией дефектов.
Роль в раковых заболеваниях
Хотя c Raf очень четко способен мутировать в онкоген в экспериментальных условиях, и даже в нескольких опухолях человека, его сестра киназа B Raf является истинным основным игроком в канцерогенезе у людей.
Мутации B-Raf
Примерно 20% всех исследованных образцов опухоли человека имеют мутированный ген B Raf. Подавляющее большинство этих мутаций включают обмен одной аминокислоты: Val 600 на Glu, и этот аберрантный генный продукт (BRAF V600E) может быть визуализирован иммуногистохимией для клинической молекулярной диагностики. Аберрация может имитировать фосфорилирование цикла активации и, пропустив все контрольные шаги при нормальной активации, немедленно приводит к полной активности домена киназы. Поскольку B Raf также может активироваться гомодимеризацией, а c Raf - гетеродимеризацией, эта мутация оказывает катастрофическое воздействие, превращая путь ERK1/2 в конститутивно активный и приводящий к неконтролируемому процессу деления клеток.
В качестве терапевтической мишени
Из-за важности мутаций Ras и B Raf в процессе опухолеобразования было разработано несколько ингибиторов Raf для борьбы с раком, особенно против B Raf, проявляющего мутацию V600E. Сорафениб был первым клинически полезным средством, которое обеспечивает фармакологическую альтернативу для лечения ранее в значительной степени не поддающихся лечению злокачественных новообразований, таких как карцинома почечных клеток и меланома. Затем последовали несколько других молекул, таких как вемурафениб, регорафениб, дабрафениб и т. д. К сожалению, конкурентные ингибиторы B Raf АТФ могут оказывать нежелательное воздействие на раковые заболевания, зависящие от K Ras: они просто слишком избирательны для B Raf. Хотя они прекрасно ингибируют активность B Raf в случае, если мутантный B Raf является основным виновником, они также способствуют гомо и гетеродимеризации B Raf, с самим собой и с Raf. Это фактически усилит активацию c Raf вместо ее ингибирования в случае отсутствия мутации в любых генах Raf, но их общий активатор K Ras - это мутированный белок.