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Las proteínas activadoras de GTPasa o proteínas aceleradoras de GTPasa ( GAP ) son una familia de proteínas reguladoras cuyos miembros pueden unirse a proteínas G activadas y estimular su actividad GTPasa , con el resultado de terminar el evento de señalización. [1] Las GAP también se conocen como proteína RGS , o proteínas RGS, [2] y estas proteínas son cruciales para controlar la actividad de las proteínas G. La regulación de las proteínas G es importante porque estas proteínas están involucradas en una variedad de procesos celulares importantes. Las proteínas G grandes, por ejemplo, están involucradas en la transducción de la señalización del receptor acoplado a la proteína Gpara una variedad de procesos de señalización como la señalización hormonal, [2] y las proteínas G pequeñas están involucradas en procesos como el tráfico celular y el ciclo celular. [3] El papel de GAP en esta función es apagar la actividad de la proteína G. En este sentido, la función de las GAP es opuesta a la de los factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF), que sirven para mejorar la señalización de la proteína G. [4]

Mecanismo

Los GAP están fuertemente ligados a la familia de receptores ligados a la proteína G. La actividad de las proteínas G proviene de su capacidad para unirse al trifosfato de guanosina (GTP). La unión de GTP cambia de forma inherente la actividad de las proteínas G y aumenta su actividad, mediante la pérdida de subunidades inhibidoras. [5] En este estado más activo, las proteínas G pueden unirse a otras proteínas y activar objetivos de señalización descendentes. Todo este proceso está regulado por GAP, que pueden regular negativamente la actividad de las proteínas G.

Las proteínas G pueden hidrolizar débilmente el GTP, rompiendo un enlace de fosfato para producir GDP. [5] En el estado de unión a GDP, las proteínas G se inactivan posteriormente y ya no pueden unirse a sus objetivos. [5] Sin embargo, esta reacción de hidrólisis ocurre muy lentamente, lo que significa que las proteínas G tienen un temporizador incorporado para su actividad. Las proteínas G tienen una ventana de actividad seguida de una hidrólisis lenta, que las apaga. GAP acelera este temporizador de proteína G al aumentar la actividad hidrolítica de GTPasa de las proteínas G, de ahí el nombre de proteína activadora de GTPasa.

Las proteínas G tienen una actividad hidrolítica de GTPasa inherente que es lenta. Sin embargo, en presencia de GAP, esta actividad hidrolítica es rápida.

Se cree que las GAP sirven para hacer de GTP en la proteína G un mejor sustrato para el ataque nucleofílico y reducir la energía del estado de transición para la reacción de hidrólisis. Por ejemplo, muchas GAP de las proteínas G pequeñas tienen un dominio similar a un dedo conservado, generalmente un dedo de arginina , que cambia la conformación de la proteína G unida a GTP para orientar la GTP para un mejor ataque nucleófilo por el agua. [6] Esto hace que el GTP sea un mejor sustrato para la reacción. De manera similar, las BPA parecen inducir una distribución de cargos similar al PIB en el GTP consolidado. [7] Debido a que el cambio en la distribución de carga hace que el sustrato de GTP se parezca más a los productos de la reacción, el GDP y el monofosfato, esto, junto con la apertura de la molécula para el ataque nucleofílico, reduce la barrera energética del estado de transición de la reacción y permite que el GTP se hidrolice más fácilmente. . Las GAP, entonces, trabajan para mejorar la reacción de hidrólisis de GTP de las proteínas G. Al hacerlo, aceleran el temporizador incorporado de la proteína G, que inactiva las proteínas G más rápidamente y, junto con la inactivación de los GEF, mantiene apagada la señal de la proteína G. Las GAP, entonces, son críticas en la regulación de las proteínas G.

GAP trabaja para abrir la proteína G para el ataque nucleofílico por el agua e inducir una distribución de carga similar a la de GDP.

Especificidad para las proteínas G

En general, las GAP tienden a ser bastante específicas para sus proteínas G objetivo. El mecanismo exacto de la especificidad de la diana no se conoce completamente, pero es probable que esta especificidad provenga de una variedad de factores. [ cita requerida ] En el nivel más básico, la especificidad de la proteína GAP-a-G puede provenir simplemente del momento y la ubicación de la expresión de la proteína. RGS9-1, por ejemplo, se expresa específicamente en los fotorreceptores de bastón y cono en la retina del ojo, y es el único que interactúa con las proteínas G involucradas en la fototransducción en esta área. [8] Una determinada GAP y una determinada proteína G se expresan en el mismo tiempo y lugar, y así es como la célula asegura la especificidad. Mientras tanto, las proteínas de andamio también pueden secuestrar el GAP adecuado a su proteína G y mejorar las interacciones de unión adecuadas. [8] Estas interacciones de unión pueden ser específicas para una proteína GAP y G en particular. Además, las GAP pueden tener dominios de aminoácidos particulares que reconocen solo una proteína G particular. La unión a otras proteínas G puede no tener las mismas interacciones favorables y, por lo tanto, no interactúan. Por tanto, las GAP pueden regular proteínas G específicas.

Ejemplos y clasificación

EIF5 es una proteína activadora de GTPasa. [9] Además, YopE es un dominio de proteína que es una proteína activadora de Rho GTPasa (GAP), que se dirige a pequeñas GTPasas como RhoA, Rac1 y Rac2. [10]

Monomérico

Las GAP que actúan sobre pequeñas proteínas de unión a GTP de la superfamilia Ras tienen estructuras conservadas y utilizan mecanismos similares.

Un ejemplo de GTPasa es el monómero Ran , que se encuentra tanto en el citosol como en el núcleo. Se cree que la hidrólisis de GTP por Ran proporciona la energía necesaria para transportar proteínas nucleares al interior de la célula. Ran es activado y desactivado por GEF y GAP, respectivamente.

Heterotrimérico

La mayoría de las GAP que actúan sobre las subunidades alfa de las proteínas G heterotriméricas pertenecen a una familia distinta, la familia de proteínas RGS .

Reglamento

Si bien las GAP sirven para regular las proteínas G, también existe cierto nivel de regulación de las mismas GAP. Muchos GAP tienen sitios alostéricos que sirven como interfaces con objetivos posteriores de la ruta particular que regulan. Por ejemplo, RGS9-1, el GAP en los fotorreceptores de arriba, interactúa con cGMP fosfodiesterasa (cGMP PDE), un componente de la fototransducción en la retina. Tras la unión con cGMP PDE, se mejora la actividad de RGS9-1 GAP. [8] En otras palabras, un objetivo aguas abajo de la señalización inducida por fotorreceptores se une y activa el inhibidor de la señalización, GAP. Esta unión reguladora positiva de los objetivos aguas abajo a GAP sirve como un bucle de retroalimentación negativa que finalmente apaga la señalización que se activó originalmente. Las GAP están reguladas por dianas de la proteína G que regulan.

También hay ejemplos de mecanismos reguladores negativos, en los que los objetivos posteriores de la señalización de la proteína G inhiben las GAP. En los canales de potasio activados por proteína G, el fosfatidilinositol 3, 4, 5-trifosfato (PIP3) es un objetivo aguas abajo de la señalización de la proteína G. PIP3 se une e inhibe el RGS4 GAP. [11] Tal inhibición de GAP tal vez pueda "preparar" la vía de señalización para la activación. Esto crea una ventana de actividad para las proteínas G una vez activadas porque la GAP se inhibe temporalmente. Cuando se activa el canal de potasio, se libera Ca2 + y se une a la calmodulina. Juntos, desplazan PIP3 de GAP al unirse competitivamente al mismo sitio y, al hacerlo, reactivan GAP para desactivar la señalización de la proteína G. [11] Este proceso en particular demuestra tanto la inhibición como la activación de GAP por parte de sus reguladores. Existe una intercomunicación entre GAP y otros componentes de la vía de señalización que regulan la actividad de GAP.

Ha habido algunos hallazgos que sugieren la posibilidad de diafonía entre GAP. Un estudio reciente mostró que p120Ras GAP podría unirse a DLC1 Rho GAP en su dominio catalítico. La unión de Ras GAP a Rho GAP inhibe la actividad de Rho GAP, activando así la proteína Rho G. [12] Un GAP sirve como regulador negativo de otro GAP. Las razones de tal regulación cruzada entre los GAP aún no están claras, pero una posible hipótesis es que este diálogo cruzado entre los GAP atenúa la señal de "apagado" de todos los GAP. Aunque p120Ras GAP está activo, por lo tanto inhibe esa vía en particular, otros procesos celulares aún pueden continuar porque inhibe otras GAP. Esto puede garantizar que todo el sistema no se apague de una sola vez.señal. La actividad de GAP es muy dinámica e interactúa con muchos otros componentes de las vías de señalización.

Asociaciones de enfermedades y relevancia clínica

La importancia de las GAP proviene de su regulación de las proteínas G cruciales. Muchas de estas proteínas G están implicadas en el ciclo celular y, como tales, se conocen como protooncogenes . La superfamilia Ras de proteínas G, por ejemplo, se ha asociado con muchos cánceres porque Ras es un objetivo corriente abajo común de muchos factores de crecimiento como FGF, o factor de crecimiento de fibroblastos. [13] En condiciones normales, esta señalización finalmente induce el crecimiento y la proliferación celular regulados. Sin embargo, en el estado canceroso, dicho crecimiento ya no está regulado y da como resultado la formación de tumores.

Normalmente, las proteínas G están reguladas por GAP, lo que da como resultado una división celular controlada.

A menudo, este comportamiento oncogénico se debe a una pérdida de función de las GAP asociadas con esas proteínas G o una pérdida de la capacidad de la proteína G para responder a su GAP. Con el primero, las proteínas G son incapaces de hidrolizar GTP rápidamente, lo que resulta en una expresión sostenida de la forma activa de las proteínas G. Aunque las proteínas G tienen una actividad hidrolítica débil, en presencia de GEF funcionales, las proteínas G inactivadas se reemplazan constantemente por otras activadas porque los GEF intercambian GDP por GTP en estas proteínas. Sin GAP para frenar la actividad de la proteína G, esto da como resultado proteínas G constitutivamente activas, crecimiento celular no regulado y el estado canceroso. En el caso de este último, una pérdida de la capacidad de la proteína G para responder a GAP, las proteínas G han perdido su capacidad para hidrolizar GTP. Con una enzima de proteína G no funcional,Las GAP no pueden activar la actividad de GTPasa y la proteína G está activa de forma constitutiva. Esto también da como resultado un crecimiento celular no regulado y cáncer. Los ejemplos de mal funcionamiento de GAP son omnipresentes clínicamente. Algunos casos involucran una expresión disminuida del gen GAP. Por ejemplo, algunos casos recientemente caracterizados deLas células de cáncer de tiroides papilar en pacientes muestran una expresión disminuida de Rap1GAP, y esta expresión aparentemente es causada por una expresión disminuida del ARNm de GAP, que se muestra mediante experimentos de qRT-PCR. [14] En este caso, parece haber una pérdida de la expresión adecuada del gen Rap1GAP. En otro caso, la expresión de Ras GAP se pierde en varios cánceres debido a un silenciamiento epigenético inadecuado del gen. Estas células tienen metilaciones de CpG cerca del gen que, en efecto, silencian la transcripción del gen. [15] La regulación de las proteínas G se pierde porque el regulador está ausente, lo que resulta en cáncer.

Sin GAP, las proteínas G están constitutivamente activas debido a su lenta actividad hidrolítica y los GEF reemplazan constantemente el GDP por GTP. Esto da como resultado una división celular no regulada y la formación de tumores.

Otros cánceres muestran una pérdida de sensibilidad de la proteína G a las GAP. Estas proteínas G adquieren mutaciones sin sentido que interrumpen la actividad GTPasa inherente de las proteínas. Las proteínas G mutantes todavía están unidas por las GAP, [16] pero la mejora de la actividad de la GTPasa por las GAP no tiene sentido cuando se pierde la actividad de la GTPasa de la propia proteína G. GAP actúa para activar una enzima hidrolítica no funcional. Se demostró que las células de cáncer de vejiga T24, por ejemplo, tienen una mutación de sentido erróneo, G12V, que da como resultado la proteína Ras constitutivamente activa. [17] A pesar de la presencia del regulador de la proteína G, la regulación se pierde debido a una pérdida de función en la propia proteína G. Esta pérdida de función también se manifiesta en el cáncer. Las GAP y su interacción con las proteínas G son, por tanto, muy importantes desde el punto de vista clínico y son objetivos potenciales para las terapias contra el cáncer.

Las proteínas G sin actividad hidrolítica no pueden hidrolizar el GTP unido. Las GAP no pueden activar una enzima no funcional y la proteína G es constitutivamente activa, lo que da como resultado una división celular no regulada y la formación de tumores.

Referencias

  1. ^ Gerhard Krauss (2008). Bioquímica de la transducción y regulación de señales . Wiley-VCH. págs. 235–. ISBN 978-3-527-31397-6. Consultado el 15 de diciembre de 2010 .
  2. ^ a b Kimple, AJ "Determinantes estructurales de la selectividad de la subunidad α de la proteína G por el regulador de la señalización 2 de la proteína G (RGS2)". La revista de química biológica . 284 (2009): 19402-19411.
  3. ^ Xu, Haiming y col. "La pérdida de la proteína activadora de Rho GTPasa p190-B mejora el potencial de injerto de células madre hematopoyéticas". Sangre . 114 (2009): 3557–3566.
  4. ^ Krendel, M. "Factor de intercambio de nucleótidos GEF-H1 media la conversación cruzada entre microtúbulos y el citoesqueleto de actina". Biología celular de la naturaleza . 4 (2002): 294–301.
  5. ^ a b c Berg y col. "Vías de transducción de señales". Bioquímica . Nueva York: WH Freeman and Company, 2007.
  6. ^ Scheffzek, K. et al. "El complejo Ras-RasGAP: base estructural para la activación de GTPasa y su pérdida en mutantes Ras oncogénicos". Ciencia . 277 (1997): 333–338.
  7. ^ Kötting, C. et al. "Los estudios FTIR de resolución temporal proporcionan energía libre de activación, entalpía de activación y entropía de activación para reacciones de GTPasa". Física química . 307 (2004): 227–232.
  8. ^ a b c Xie, Guo-xi y col. "Cómo los reguladores de la señalización de la proteína G logran la regulación selectiva". Revista de Biología Molecular . 366 (2007): 349–365.
  9. ^ Das S, Ghosh R, Maitra U (marzo de 2001). "El factor 5 de iniciación de la traducción eucariota funciona como una proteína activadora de GTPasa" . J. Biol. Chem . 276 (9): 6720–6. doi : 10.1074 / jbc.M008863200 . PMID 11092890 . 
  10. ^ Rosqvist R, Forsberg A, Rimpiläinen M, Bergman T, Wolf-Watz H (abril de 1990). "La proteína citotóxica YopE de Yersinia obstruye la defensa primaria del huésped". Mol. Microbiol . 4 (4): 657–67. doi : 10.1111 / j.1365-2958.1990.tb00635.x . PMID 2191183 . 
  11. ^ a b Ishii, Masaru et al. "Fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato y Ca2 + / Calmodulina se unen competitivamente a los reguladores del dominio de señalización de proteína G (RGS) de RGS4 y regulan recíprocamente su acción". Revista de bioquímica . 385 (2005): 65–73.
  12. ^ Yang, Xu-Yu y col. "p120Ras-GAP se une a la proteína supresora de tumores DLC1 Rho-GAP e inhibe su RhoA GTPasa y actividades supresoras del crecimiento". Oncogén . 28 (2009): 1401–1409.
  13. ^ Berg y col. "Vías de transducción de señales". Bioquímica. Nueva York: WH Freeman and Company, 2007.
  14. ^ Nellore, Anoma et al. "Pérdida de Rap1GAP en cáncer de tiroides papilar". Revista de Endocrinología Clínica y Metabolismo . 94 (2009): 1026–1032.
  15. ^ Jin, Hongchuan y col. "Silenciamiento epigenético de una proteína activadora de GTPasa Ras regulada por Ca2 + RASAL define un nuevo mecanismo de activación de Ras en cánceres humanos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 104 (2007): 12353-12358.
  16. ^ Raepple, D. et al. "Determinación de Ras-GTP y Ras-GDP en pacientes con leucemia mielógena aguda (LMA), síndrome mieloproliferativo (MPS), leucemia mielomonocítica juvenil (LMMJ), leucemia linfocítica aguda (LLA) y linfoma maligno: evaluación de la activación mutacional e indirecta ". Annals of Hematology . 88 (2009): 319–324.
  17. ^ Premkumar Reddy, E. et al. "Una mutación puntual es responsable de la adquisición de propiedades de transformación por el oncogén de carcinoma de vejiga humana T24". Naturaleza . 300 (1982): 149-152.

Enlaces externos

  • Proteínas activadoras de GTPasa + en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .