Регуляторная функция ГТФ-связывающих белков - Ras, Rho, Rac, Cdc42
• Небольшие белки, связывающиеся с ГТФ, активны, когда связаны с ГТФ и неактивны при связывании с ГДФ
• Активация ускоряется под действием GEF (фактора обмена гуаниловых нуклеотидов), который является катализатором обмена ГДФ/ГТФ
• GAP ускоряет гидролиз и инактивацию
• Ингибиторы диссоциации ГДФ (GDI) замедляют спонтанный обмен нулеотидов
ГТФ-связывающие белки, обладающие мономерной структурой, у млекопитающих кодируются примерно 150 генами. Они модулируют самые разнообразные внутриклеточные процессы, включая передачу сигнала, перемещение органелл и транспорт в них метаболитов, сборку цитоскелета и морфогенез. К числу небольших ГТФ-связывающих белков, участвующих в системах передачи сигналов, относятся Ras и родственные белки (Ral, Rap), а также Rho/Rac/Cdc42. Общее их количество достигает 10-15 белков. Их размер обычно составляет 20-25 кДа, и они гомологичны ГТФ-связывающим доменам субъединиц Ga.
Регуляторные свойства небольших ГТФ-связывающих белков находятся под контролем ГТФ и цикла гидролиза, так же как это имеет место для гетеротримеров G-белков, проявляющих аналогичные регуляторные функции. Они активируются под действием ГТФ, и гидролиз связанного ГТФ до ГДФ приводит к их инактивации. Катализаторы обмена ГДФ/ГТФ, известные как GEF (факторы обмена гуаниловых нуклеотидов, функционально аналогичные GPCR), способствуют активации, и белки GAP ускоряют гидролиз и последующую инактивацию. Наряду с этим, ингибиторы диссоциации ГДФ (GDI) замедляют спонтанный обмен нуклеотидов и активацию, что снижает базальную активность, свойственную субъединицам Gβγ гетеротримеров G-белков.
Хотя основные регуляторные элементы для мономеров и гетеротримеров G-белков одинаковы, мономерные белки дополнительно используют основной ГТФазный цикл. Считается, что выходной сигнал гетеротримеров G-белков и многих их мономеров обычно отражает состояние равновесия между их активным (связанным с ГТФ) и неактивным (связанным с ГДФ) состоянием, которое существует в быстро оборачивающемся ГТФазном цикле. GEF способствуют образованию более активного G-белка, a GAP, его неактивному состоянию. Напротив, примерно одинаковое количество мономеров G-белков функционируют в качестве переключателей. Они начинают выполнять свои функции (регуляцию, мобилизацию других белков) после связывания ГТФ. Затем, в течение многих секунд или минут, они сохраняют свою активность до тех пор, пока на них не подействуют GAP.
Например, мономерный G-белок, Ran, вместе с белками переносчиками, которые называются кариоферинами, регулируют ядерно-цитоплазматический транспорт белка и РНК в обоих направлениях. В ядре высокая активность Ran GFE способствует связыванию ГТФ. После этого ядерный Ran-ГТФ связывает импортирующие кариоферины, что вызывает диссоциацию вновь доставленного карго, и способствует возврату кариоферинов в цитоплазмму. Он также связывается с экспортирующими кариоферинами, что обеспечивает связывание с ними выходящего карго. Высокая активность Ran GAP способствует гидролизу ГТФ вне ядра.
Ras-ГТФ связывается со многими белками.
Три распространенных эффектора включают Raf, PI 3-киназу и RaIGDS.
При активации этих эффекторов активируются процессы с участием МАРК,
увеличивается активность PI 3-киназы и сборка белкового комплекса, участвующего в экзоцитозе секреторных везикул.
Цитоплазматический комплекс Ran-ГДФ отщепляется от экспортирующих кариоферинов, что облегчет диссоциацию выходящего карго, и от импортирующих кариоферинов, тем самым позволяя предназначенному на импорт карго связаться с ними. Таким образом, для таких мономерных G-белков, как Ran, каждая фаза ГТФазного цикла определяет специфический сопряженный этап в параллельном регуляторном цикле.
Следующее основное различие между мономерами и гетеротримерами G-белков касается структуры GEF, GAP, и GDI. Как GEF, так и GAP для мономеров ГТФ-связывающих белков гетерогенны по своей структуре (хотя существуют отдельные структурно близкие семейства). Вместе с тем, механизмы, регулирующие эти GEF и GAP, различны. Они включают фосфорилирование протеин-киназами, аллостерическую регуляцию гетеротримерами и/или мономерами G-белков, вторичными мессенджерами и другими регуляторными белками; особенности субклеточной локализации или мобилизации на каркасных структурах, а также другие механизмы.
Белки Ras представляют собой первые из обнаруженных небольших ГТФ-связывающих белков. Они были идентифицированы как продукты онкогенов, поскольку при гиперэкспрессии или при постоянной активации за счет мутации вызывают злокачественный рост. Они относятся к числу наиболее часто мутирующих генов в опухолях человека. Некоторые вирусные ras гены представляют собой хорошо известные онкогены.
В клетках млекопитающих присутствуют три гена ras (Н, N и К). Они в различной степени могут участвовать в формировании реакций на входе и выходе и заменять друг друга в некоторых генетических проявлениях. Отдельным Ras белкам трудно приписать уникальные функции. С участием Ras белков на входе происходит много различных процессов, что свидетельствует об их роли в качестве критических узлов цепей передачи сигналов.
Регуляция активности Ras GEF и GAPS осуществляется посредством Туг киназ рецепторного и нерецепторного происхождения, за счет прямого фосфорилирования и мобилизации регуляторов на плазматической мембране. В активации Ras также принимают участие другие серин/треонин киназы цитоплазматического происхождения. Еще один представитель семейства Ras, Rap1, также участвует в активации, поскольку предполагается, что он конкурирует с белками Ras за мишени протеинкиназ; in vivo он может подавлять онкогенную активность Ras. Однако, Rapl регулируется независимо и также влияет на независимые пути передачи сигналов.
Например, один из его GAP стимулируется представителями Gi группы G-белков, а несколько GEF активируются Са2+, диацилглицерином и цАМФ.
Белки Ras обычно регулируют рост, пролиферацию и дифференцировку клеток, модулируя активность многих эффекторных белков. К числу наиболее известных и хорошо изученных эффекторов Ras относится протеинкиназа Raf, запускающая МАРК каскад. На рисунке ниже представлены некоторые из эффекторов Ras.
Rho, Rac и Cdc42 представляют собой родственные ГТФ-связывающие белки, обладающие мономерной структурой, которые участвуют в формировании сигналов, влияющих на морфологию клеток Каждый класс белков регулирует собственный набор эффекторов и контролируется отдельными группами GEF, GAP и GDI. Эффекторы, находящиеся под контролем этих групп белков, включают фосфолипазы С и D, различные протеинкиназы и липидные киназы, белки, участвующие в нуклеации или реорганизации актиновых филаментов, и компоненты системы генерации активного кислорода в нейтрофилах.
