Ras , от " Ra t s arcoma virus", представляет собой семейство родственных белков , которые экспрессируются во всех линиях клеток и органах животных. Все члены семейства белков Ras относятся к классу белков, называемых малыми ГТФазами , и участвуют в передаче сигналов внутри клеток ( клеточная сигнальная трансдукция ). Ras является прототипическим членом суперсемейства белков Ras , которые все связаны трехмерной структурой и регулируют разнообразное поведение клеток.
Когда Ras «включается» входящими сигналами, он впоследствии включает другие белки, которые в конечном итоге включают гены, участвующие в росте клеток , дифференциации и выживании . Мутации в генах Ras могут привести к образованию постоянно активированных белков Ras, что может вызвать непреднамеренную и сверхактивную сигнализацию внутри клетки, даже при отсутствии входящих сигналов.
Поскольку эти сигналы приводят к росту и делению клеток, сверхактивная передача сигналов Ras может в конечном итоге привести к раку . [1] Три гена Ras у людей ( HRAS , KRAS и NRAS ) являются наиболее распространенными онкогенами при раке человека; мутации, которые постоянно активируют Ras, обнаруживаются в 20–25% всех опухолей человека и до 90% при определенных типах рака (например, раке поджелудочной железы ). [2] По этой причине ингибиторы Ras изучаются в качестве лечения рака и других заболеваний с повышенной экспрессией Ras.
Первые два гена Ras, HRAS и KRAS , были идентифицированы [3] в ходе исследований двух вирусов, вызывающих рак, вируса саркомы Харви и вируса саркомы Кирстен, Эдвардом М. Сколником и его коллегами из Национальных институтов здравоохранения (NIH). [4] Первоначально эти вирусы были обнаружены у крыс в 1960-х годах Дженнифер Харви [5] и Вернером Х. Кирстеном [6] соответственно , отсюда и название Rat s arcoma . [3] В 1982 году активированные и трансформирующие человеческие гены ras были обнаружены в раковых клетках человека Джеффри М. Купером в Гарварде [7], Мариано Барбацидом и Стюартом А. Ааронсоном в NIH [8] , Робертом Вайнбергом в Массачусетском технологическом институте [9] и Майклом Виглером в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. [10] Третий ген ras был впоследствии обнаружен исследователями из группы Робина Вайса из Института исследований рака [11] [12] и Майкла Виглера из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор [13] и назван NRAS , для его первоначальной идентификации в клетках нейробластомы человека.
Три человеческих гена ras кодируют чрезвычайно похожие белки, состоящие из цепочек из 188-189 аминокислот. Их генные символы — HRAS , NRAS и KRAS , последний из которых производит изоформы K-Ras4A и K-Ras4B из альтернативного сплайсинга . [ требуется цитата ]
Ras содержит шесть бета-цепей и пять альфа-спиралей . [14] Он состоит из двух доменов: домена G из 166 аминокислот (около 20 кДа), который связывает гуанозиновые нуклеотиды, и C-концевой мембранной целевой области (CAAX-COOH, также известной как CAAX-бокс), которая модифицирована липидами фарнезилтрансферазой , RCE1 и ICMT . [ необходима цитата ]
Домен G содержит пять мотивов G, которые напрямую связывают GDP/GTP. Мотив G1, или P-петля, связывает бета-фосфат GDP и GTP. Мотив G2, также называемый Switch I или SW1, содержит треонин35, который связывает терминальный фосфат (γ-фосфат) GTP и двухвалентный ион магния, связанный в активном центре. Мотив G3, также называемый Switch II или SW2, имеет мотив DXXGQ. D — это аспартат57, который специфичен для связывания гуанина по сравнению с аденином, а Q — это глутамин61, важный остаток, который активирует каталитическую молекулу воды для гидролиза GTP до GDP. Мотив G4 содержит мотив LVGNKxDL и обеспечивает специфическое взаимодействие с гуанином. Мотив G5 содержит консенсусную последовательность SAK. A — это аланин146, который обеспечивает специфичность для гуанина, а не для аденина.
Два переключающих мотива, G2 (SW1) и G3 (SW2), являются основными частями белка, которые перемещаются, когда GTP гидролизуется в GDP. Это конформационное изменение двумя переключающими мотивами является тем, что опосредует базовую функциональность как молекулярного переключающего белка. Это связанное с GTP состояние Ras является состоянием «включено», а связанное с GDP состояние является состоянием «выключено». Два переключающих мотива имеют ряд конформаций при связывании GTP или GDP или без нуклеотида (при связывании с SOS1, который высвобождает нуклеотид). [15]
Ras также связывает ион магния , который помогает координировать связывание нуклеотидов.
Белки Ras функционируют как бинарные молекулярные переключатели, которые контролируют внутриклеточные сигнальные сети. Регулируемые Ras сигнальные пути контролируют такие процессы, как целостность актинового цитоскелета , пролиферацию клеток , дифференциацию клеток , адгезию клеток , апоптоз и миграцию клеток . Ras и связанные с Ras белки часто дерегулированы при раке, что приводит к увеличению инвазии и метастазирования , а также снижению апоптоза.
Ras активирует несколько путей, из которых каскад митоген-активируемого белка (MAP) киназы был хорошо изучен. Этот каскад передает сигналы вниз по течению и приводит к транскрипции генов, участвующих в росте и делении клеток. [16] Другим сигнальным путем, активируемым Ras, является путь PI3K/AKT/mTOR , который стимулирует синтез белка, клеточную миграцию и рост, а также ингибирует апоптоз. [17] [18]
Ras — это белок, связывающий гуанозин - нуклеотид . В частности, это односубъединичная малая ГТФаза , которая по структуре связана с субъединицей G α гетеротримерных G-белков (больших ГТФаз). G-белки функционируют как бинарные сигнальные переключатели с состояниями «включено» и «выключено». В состоянии «выключено» он связан с нуклеотидом гуанозиндифосфатом (ГДФ), тогда как в состоянии «включено» Ras связан с гуанозинтрифосфатом (ГТФ), который имеет дополнительную фосфатную группу по сравнению с ГДФ. Этот дополнительный фосфат удерживает две области переключения в конфигурации «заряженной пружины» (в частности, Thr-35 и Gly-60). При высвобождении области переключения расслабляются, что вызывает конформационное изменение в неактивное состояние. Следовательно, активация и деактивация Ras и других малых G-белков контролируются циклическим переключением между активной ГТФ-связанной и неактивной ГДФ-связанной формами.
Процесс обмена связанного нуклеотида облегчается факторами обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) и активирующими GTPase белками (GAP). Согласно своей классификации, Ras обладает внутренней активностью GTPase , что означает, что белок сам по себе будет гидролизовать связанную молекулу GTP в GDP. Однако этот процесс слишком медленный для эффективной функции, и, следовательно, GAP для Ras, RasGAP, может связываться с каталитическим аппаратом Ras и стабилизировать его, поставляя дополнительные каталитические остатки (« аргининовый палец ») таким образом, что молекула воды оптимально располагается для нуклеофильной атаки на гамма-фосфат GTP. Высвобождается неорганический фосфат, и теперь молекула Ras связана с GDP. Поскольку связанная с GDP форма «выключена» или «неактивна» для сигнализации, GTPase Activating Protein инактивирует Ras, активируя его активность GTPase. Таким образом, GAP ускоряют инактивацию Ras .
GEF катализируют реакцию «толкай и тяни», которая высвобождает GDP из Ras. Они вставляются близко к P-петле и месту связывания катиона магния и ингибируют взаимодействие их с гамма-фосфатным анионом . Кислотные (отрицательные) остатки в переключателе II «оттягивают» лизин в P-петле от GDP, который «отталкивает» переключатель I от гуанина. Контакты, удерживающие GDP на месте, разрываются, и он высвобождается в цитоплазму. Поскольку внутриклеточный GTP обилен относительно GDP (примерно в 10 раз больше) [16], GTP преимущественно повторно входит в карман связывания нуклеотидов Ras и перезаряжает пружину. Таким образом, GEF облегчают активацию Ras . [14] Хорошо известные GEF включают Son of Sevenless (Sos) и cdc25 , которые включают домен RasGEF .
Баланс между активностью GEF и GAP определяет статус гуаниновых нуклеотидов Ras, тем самым регулируя активность Ras.
В конформации, связанной с ГТФ, Ras имеет высокое сродство к многочисленным эффекторам , которые позволяют ему выполнять свои функции. К ним относится PI3K . Другие малые ГТФазы могут связывать адаптеры, такие как арфаптин , или системы вторичных мессенджеров, такие как аденилатциклаза . Домен связывания Ras обнаруживается во многих эффекторах и неизменно связывается с одной из областей переключения, поскольку они изменяют конформацию между активной и неактивной формами. Однако они также могут связываться с остальной частью поверхности белка.
Существуют и другие белки, которые могут изменять активность белков семейства Ras. Одним из примеров является GDI (GDP Disassociation Inhibitor). Они функционируют, замедляя обмен GDP на GTP, тем самым продлевая неактивное состояние членов семейства Ras. Могут существовать и другие белки, которые дополняют этот цикл.
Ras прикрепляется к клеточной мембране благодаря его пренилированию и пальмитоилированию ( HRAS и NRAS ) или комбинации пренилирования и многоосновной последовательности, прилегающей к сайту пренилирования ( KRAS ). C-концевой CaaX-бокс Ras сначала фарнезилируется по остатку Cys в цитозоле, что позволяет Ras свободно встраиваться в мембрану эндоплазматического ретикулума и других клеточных мембран. Затем трипептид (aaX) отщепляется от C-конца специфической пренил-протеинспецифической эндопротеазой, а новый C-конец метилируется метилтрансферазой . На этом этапе обработка KRas завершается. Динамические электростатические взаимодействия между его положительно заряженной основной последовательностью с отрицательными зарядами на внутреннем листке плазматической мембраны объясняют его преимущественную локализацию на поверхности клетки в стационарном состоянии. NRAS и HRAS далее обрабатываются на поверхности аппарата Гольджи путем пальмитоилирования одного или двух остатков Cys, соответственно, прилегающих к коробке CaaX. Таким образом, белки становятся стабильно закрепленными на мембране (липидные плоты) и транспортируются к плазматической мембране на везикулах секреторного пути . Депальмитоилирование ацил-протеинтиоэстеразами в конечном итоге высвобождает белки из мембраны, позволяя им войти в другой цикл пальмитоилирования и депальмитоилирования. [19] Считается, что этот цикл предотвращает утечку NRAS и HRAS на другие мембраны с течением времени и поддерживает их устойчивую локализацию вдоль аппарата Гольджи , секреторного пути , плазматической мембраны и взаимосвязанного пути эндоцитоза .
Наиболее значимыми с клинической точки зрения членами подсемейства Ras являются HRAS , KRAS и NRAS , в основном из-за их причастности ко многим типам рака. [20]
Однако есть и много других членов этого подсемейства: [21] DIRAS1 ; DIRAS2; DIRAS3 ; ERAS; GEM ; MRAS ; NKIRAS1; NKIRAS2 ; RALA ; RALB ; RAP1A ; RAP1B ; RAP2A ; RAP2B ; RAP2C; RASD1 ; RASD2 ; RASL10A; RASL10B; RASL11A; RASL11B ; RASL12; REM1; REM2; RERG ; RERGL; RRAD ; RRAS ; RRAS2
Мутации в семействе протоонкогенов Ras (включая H-Ras, N-Ras и K-Ras) очень распространены и обнаруживаются в 20–30 % всех опухолей человека. [20] Разумно предположить, что фармакологический подход, который ограничивает активность Ras, может представлять собой возможный метод ингибирования определенных типов рака. Точечные мутации Ras являются единственной наиболее распространенной аномалией протоонкогенов человека. [22] Ингибитор Ras транс-фарнезилтиосалициловая кислота (FTS, Salirasib) проявляет выраженные антионкогенные эффекты во многих линиях раковых клеток. [23] [24]
Было показано, что неправильная активация гена играет ключевую роль в неправильной передаче сигнала, пролиферации и злокачественной трансформации. [16]
Мутации в ряде различных генов, а также в самом RAS могут иметь этот эффект. Онкогены, такие как p210BCR-ABL или рецептор роста erbB, находятся выше Ras, поэтому, если они конститутивно активированы, их сигналы будут передаваться через Ras. [ необходима цитата ]
Ген -супрессор опухолей NF1 кодирует Ras-GAP – его мутация при нейрофиброматозе будет означать, что Ras с меньшей вероятностью будет инактивирован. Ras также может быть амплифицирован, хотя это происходит только изредка в опухолях.
Наконец, онкогены Ras могут быть активированы точечными мутациями, так что реакция ГТФазы больше не может стимулироваться GAP – это увеличивает период полураспада активных мутантов Ras-GTP. [25]
Конститутивно активный Ras ( Ras D ) — это тот, который содержит мутации, предотвращающие гидролиз ГТФ, тем самым блокируя Ras в постоянном состоянии «включено».
Наиболее распространенные мутации обнаружены в остатке G12 в P-петле и каталитическом остатке Q61.
См. также «доминантно-негативные» мутанты, такие как S17N и D119N.
Реовирус был отмечен как потенциальное средство от рака, когда исследования показали, что он хорошо размножается в определенных линиях раковых клеток. Он реплицируется в клетках, которые имеют активированный путь Ras (клеточный сигнальный путь, который участвует в росте и дифференциации клеток). [27] Реовирус реплицируется и в конечном итоге убивает активированные Ras опухолевые клетки, и по мере того, как происходит гибель клеток, частицы вируса-потомка могут свободно инфицировать окружающие раковые клетки. Этот цикл инфекции, репликации и гибели клеток, как полагают, повторяется до тех пор, пока все опухолевые клетки, несущие активированный путь Ras, не будут уничтожены. [ необходима цитата ]
Другой вирус, лизирующий опухоль, который специфически нацелен на опухолевые клетки с активированным путем Ras, — это агент на основе вируса простого герпеса II типа (HSV-2), обозначенный как FusOn-H2. [28] Активирующие мутации белка Ras и вышестоящие элементы белка Ras могут играть роль в более чем двух третях всех видов рака у человека, включая большинство метастатических заболеваний. Реолизин , формула реовируса, и FusOn-H2 в настоящее время проходят клинические испытания или находятся в стадии разработки для лечения различных видов рака. [29] Кроме того, лечение на основе siRNA антимутированного K-RAS (G12D), называемое siG12D LODER, в настоящее время проходит клинические испытания для лечения местно-распространенного рака поджелудочной железы (NCT01188785, NCT01676259). [30]
В моделях глиобластомы у мышей уровни SHP2 были повышены в раковых клетках мозга. Ингибирование SHP2 в свою очередь ингибировало дефосфорилирование Ras. Это уменьшило размеры опухоли и сопровождалось повышением показателей выживаемости. [31] [32]
Другие стратегии пытались манипулировать регуляцией вышеупомянутой локализации Ras. Ингибиторы фарнезилтрансферазы были разработаны для остановки фарнезилирования Ras и, следовательно, ослабления его сродства к мембранам. [2] Другие ингибиторы нацелены на цикл пальмитоилирования Ras посредством ингибирования депальмитоилирования ацил-протеинтиоэстеразами , что потенциально приводит к дестабилизации цикла Ras. [33]
Новая стратегия поиска ингибиторов для мутировавших молекул Ras была описана в [34] . Мутации Ras в 12-м положении остатка ингибируют связь регуляторной молекулы GAP с мутировавшим Ras, вызывая неконтролируемый рост клеток. Новая стратегия предлагает найти небольшие молекулы клея, которые прикрепляют мутировавший Ras к GAP, запрещая неконтролируемый рост клеток и восстанавливая нормальную функцию. Для этой цели была разработана теоретическая конформация Ras-GAP с зазором в несколько Å между молекулами, и была проведена высокопроизводительная стыковка in silico для поиска склеивающих агентов. В качестве доказательства концепции были описаны две новые молекулы с удовлетворительной биологической активностью.
В большинстве типов клеток большинства видов большинство Ras являются GDP-типом. Это справедливо для ооцитов Xenopus и фибробластов мышей . [35]
Как упоминалось выше, большинство Ras ооцитов X. являются конъюгатами GDP. Ras млекопитающих почти наверняка индуцирует мейоз в ооцитах X. laevis , потенцируя мейоз, вызванный инсулином , но не прогестероном . Синтез белка , по-видимому, не является частью этого этапа. Инъекция увеличивает синтез диацилглицерина из фосфатидилхолина . Некоторые эффекты мейоза антагонизируются rap1 (и Ras , модифицированным для неправильной стыковки). Как rap1 , так и модифицированный Ras являются ко-антагонистами с p120Ras GAP в этом пути. [35]
Выражен во всех тканях Drosophila melanogaster , но в основном в нервных клетках. Сверхэкспрессия несколько летальна и в процессе развития вызывает аномалии глаз и крыльев. (Это соответствует — и может быть причиной — подобных аномалий из-за мутировавших рецепторных тирозинкиназ .) Гены D. для ras у млекопитающих вызывают аномалии. [35]
Большая часть экспрессии у Aplysia spp. находится в нервных клетках. [35]
Ген в C. elegans — let 60. Также, по-видимому, играет роль в формировании рецепторной тирозинкиназы в этой модели. Сверхэкспрессия приводит к развитию мультивульвы из-за ее участия в нормальном развитии этой области; сверхэкспрессия в эффекторных участках приводит к летальному исходу. [35]
Необходим в Dictyostelium discoideum . Об этом свидетельствует серьезная неудача развития при недостаточной экспрессии ras и значительное ухудшение различных жизненных функций при искусственной экспрессии, таких как: повышенная концентрация инозитолфосфатов ; вероятное снижение связывания цАМФ с рецепторами хемотаксиса ; и это, вероятно, причина нарушения синтеза цГМФ . Активность аденилатциклазы не зависит от ras . [35]