Белки, активирующие ГТФазу , или белки, ускоряющие ГТФазу ( GAP ), представляют собой семейство регуляторных белков, члены которого могут связываться с активированными белками G и стимулировать их активность ГТФазы , в результате чего происходит прекращение сигнального события. [1] GAP также известны как белок RGS или белки RGS, [2], и эти белки играют решающую роль в контроле активности белков G. Регулирование белков G важно, поскольку эти белки участвуют в различных важных клеточных процессах. Например, большие белки G участвуют в передаче сигналов от рецептора, связанного с белком G, для различных сигнальных процессов, таких как гормональная сигнализация, [2], а малые белки G участвуют в таких процессах, как клеточный трафик и клеточный цикл. [3] Роль GAP в этой функции заключается в отключении активности белка G. В этом смысле функция GAP противоположна функции факторов обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), которые служат для усиления сигнализации белка G. [4]
GAP тесно связаны с семейством рецепторов, связанных с G-белком. Активность G-белков обусловлена их способностью связывать гуанозинтрифосфат (GTP). Связывание GTP по своей сути изменяет 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 включать нисходящие сигнальные мишени. Весь этот процесс регулируется GAP, которые могут снижать активность G-белков.
G-белки могут слабо гидролизовать GTP, разрывая фосфатную связь, чтобы создать GDP. [5] В состоянии GDP-связанные G-белки впоследствии инактивируются и больше не могут связывать свои цели. [5] Однако эта реакция гидролиза происходит очень медленно, что означает, что у G-белков есть встроенный таймер для их активности. У G-белков есть окно активности, за которым следует медленный гидролиз, который их отключает. GAP ускоряет этот таймер G-белка, увеличивая гидролитическую GTPase-активность G-белков, отсюда и название GTPase-activating protein.
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 белка, чтобы сориентировать GTP для лучшей нуклеофильной атаки водой. [6] Это делает GTP лучшим субстратом для реакции. Аналогично, GAP, по-видимому, вызывают GDP-подобное распределение заряда в связанном GTP. [7] Поскольку изменение в распределении заряда делает GTP-субстрат более похожим на продукты реакции, GDP и монофосфат, это, наряду с открытием молекулы для нуклеофильной атаки, снижает энергетический барьер переходного состояния реакции и позволяет GTP гидролизоваться более легко. Таким образом, GAP работают над усилением реакции гидролиза GTP G-белков. Поступая таким образом, они ускоряют встроенный таймер G-белка, который быстрее инактивирует G-белки, и вместе с инактивацией GEF это отключает сигнал G-белка. Таким образом, GAP играют решающую роль в регуляции G-белков.
В целом, GAP, как правило, довольно специфичны для своих целевых G-белков. Точный механизм целевой специфичности не полностью известен, но, вероятно, эта специфичность обусловлена множеством факторов. [ необходима цитата ] На самом базовом уровне специфичность GAP-к-G-белку может просто зависеть от времени и места экспрессии белка. Например, RGS9-1 специфически экспрессируется в палочковых и колбочковых фоторецепторах сетчатки глаза и является единственным, кто 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, белки-каркасы также могут изолировать надлежащий GAP к его G-белку и усиливать надлежащие связывающие взаимодействия. [8] Эти связывающие взаимодействия могут быть специфичными для определенного 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. Поэтому GAP могут регулировать определенные G-белки.
EIF5 — это белок, активирующий ГТФазу. [9] Кроме того, YopE — это домен белка , который является белком, активирующим ГТФазу Rho (GAP), который нацелен на малые ГТФазы, такие как RhoA, Rac1 и Rac2. [10]
GAP, действующие на малые GTP-связывающие белки суперсемейства Ras , имеют консервативные структуры и используют схожие механизмы,
Примером ГТФазы является мономер Ran , который находится в цитозоле и ядре. Считается, что гидролиз GTP Ran обеспечивает энергию, необходимую для транспортировки ядерных белков в клетку. Ran включается и выключается GEF и GAP соответственно.
Большинство GAP, действующих на альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков, принадлежат к отдельному семейству — семейству белков RGS .
В то время как GAP служат для регулирования G-белков, существует также некоторый уровень регулирования самих GAP. Многие GAP имеют аллостерические сайты, которые служат интерфейсами с нижестоящими мишенями конкретного 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 индуцированной фоторецепторами сигнализации связывает и активирует ингибитор сигнализации, GAP. Это положительное регуляторное связывание нижестоящих мишеней с GAP служит отрицательной обратной связью, которая в конечном итоге отключает сигнализацию, которая была первоначально активирована. GAP регулируются мишенями G-белка, которые они регулируют.
Существуют также примеры негативных регуляторных механизмов, где нижестоящие цели сигнализации G-белка ингибируют GAP. В калиевых каналах, управляемых G-белком, фосфатидилинозитол 3, 4, 5-трифосфат (PIP3) является нижестоящей целью сигнализации G-белка. PIP3 связывает и ингибирует RGS4 GAP. [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, конкурентно связываясь с тем же сайтом, и тем самым они реактивируют GAP, чтобы отключить сигнализацию G-белка. [11] Этот конкретный процесс демонстрирует как ингибирование, так и активацию GAP его регуляторами. Существует перекрестное взаимодействие между GAP и другими компонентами сигнального пути, которые регулируют активность GAP.
Были получены некоторые данные, предполагающие возможность перекрестных помех между GAP. Недавнее исследование показало, что p120Ras GAP может связывать DLC1 Rho GAP в его каталитическом домене. Связывание Ras GAP с Rho GAP ингибирует активность Rho GAP, тем самым активируя белок Rho G. [12] Один GAP служит отрицательным регулятором другого GAP. Причины такой перекрестной регуляции через GAP пока неясны, но одна из возможных гипотез заключается в том, что эти перекрестные помехи через GAP ослабляют сигнал «выключения» всех GAP. Хотя p120Ras GAP активен, следовательно, ингибируя этот конкретный путь, другие клеточные процессы все еще могут продолжаться, поскольку он ингибирует другие GAP. Это может гарантировать, что вся система не отключится от одного сигнала выключения . Активность GAP очень динамична, взаимодействуя со многими другими компонентами сигнальных путей.
Важность GAP обусловлена его регуляцией важнейших G-белков. Многие из этих G-белков участвуют в клеточном цикле и, как таковые, известны как протоонкогены . Например, суперсемейство Ras G-белков связано со многими видами рака, поскольку Ras является общей нисходящей мишенью многих факторов роста, таких как FGF или фактор роста фибробластов. [13] В нормальных условиях эта сигнализация в конечном итоге вызывает регулируемый рост и пролиферацию клеток. Однако в раковом состоянии такой рост больше не регулируется и приводит к образованию опухолей.
Часто это онкогенное поведение обусловлено потерей функции GAP, связанных 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 GDP на GTP в этих белках. При отсутствии GAP для сдерживания активности G-белка это приводит к конститутивно активным G-белкам, нерегулируемому росту клеток и раковому состоянию. В последнем случае, при потере 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 работы GAP повсеместны в клинической практике. Некоторые случаи связаны со сниженной экспрессией гена GAP. Например, некоторые недавно охарактеризованные случаи клеток папиллярного рака щитовидной железы у пациентов демонстрируют сниженную экспрессию Rap1GAP, и эта экспрессия, по-видимому, вызвана сниженной экспрессией мРНК GAP, что было показано экспериментами с ОТ-ПЦР. [14] В этом случае, по-видимому, происходит потеря надлежащей экспрессии гена Rap1GAP. В другом случае экспрессия Ras GAP теряется при нескольких видах рака из-за неправильного эпигенетического подавления гена. Эти клетки имеют метилирование CpG вблизи гена, что, по сути, подавляет транскрипцию гена. [15] Регуляция G-белков теряется, поскольку регулятор отсутствует, что приводит к раку.
Другие виды рака демонстрируют потерю чувствительности белка G к GAP. Эти белки G приобретают миссенс-мутации, которые нарушают свойственную белкам активность GTPase. Мутантные белки G по-прежнему связаны с GAP, [16] но усиление активности GTPase с помощью GAP бессмысленно, когда теряется активность GTPase самого белка G. GAP работает для активации нефункционального гидролитического фермента. Например, было показано, что клетки рака мочевого пузыря T24 имеют миссенс-мутацию, G12V, что приводит к конститутивно активному белку Ras. [17] Несмотря на наличие регулятора белка G, регуляция теряется из-за потери функции самого белка G. Эта потеря функции также проявляется при раке. Поэтому GAP и их взаимодействие с белками G имеют большое клиническое значение и являются потенциальными целями для терапии рака.
