Войти
Белки, активирующие ГТФазу или Белки, активирующие ГТФазу (GAPs ) представляют собой семейство регуляторных белков, члены которых могут связываться с активированными G-белками и стимулировать их активность GTPase, в результате чего прекращается сигнальное событие. GAP также известны как белок RGS или белки RGS, и эти белки имеют решающее значение для контроля активности G-белков. Регуляция G-белков важна, потому что эти белки участвуют во множестве важных клеточных процессов. Например, большие G-белки участвуют в передаче сигналов от G-белкового рецептора для различных процессов передачи сигналов, таких как гормональная передача сигналов, а малые G-белки участвуют в таких процессах, как перенос клеток и клеточная катание на велосипеде. Роль GAP в этой функции заключается в выключении активности G-белка. В этом смысле функция GAP противоположна функции факторов обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), которые служат для усиления передачи сигналов G-белка.
GAP сильно 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. В этом более активном состоянии G-белки могут связывать другие белки и включать нижерасположенные сигнальные мишени. Весь этот процесс регулируется GAP, которые могут подавлять активность G-белков.
G-белки могут слабо гидролизовать GTP, разрывая фосфатные связи и образуя GDP. В связанном с GDP состоянии G-белки впоследствии инактивируются и больше не могут связывать свои мишени. Однако эта реакция гидролиза происходит очень медленно, что означает, что G-белки имеют встроенный таймер для их активности. G-белки имеют окно активности, за которым следует медленный гидролиз, который их выключает. GAP ускоряет этот таймер G-белка за счет увеличения гидролитической активности GTPase G-белков, отсюда и название белка, активирующего GTPase.
G-белки обладают медленной гидролитической активностью GTPase. Однако в присутствии GAP эта гидролитическая активность является быстрой. 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 G-белка, чтобы ориентировать GTP для лучшей нуклеофильной атаки водой.. Это делает ГТФ лучшим субстратом для реакции. Точно так же GAP, по-видимому, вызывают распределение заряда, подобное GDP, в связанном GTP. Поскольку изменение распределения заряда делает субстрат GTP более похожим на продукты реакции, GDP и монофосфат, это, наряду с открытием молекулы для нуклеофильной атаки, снижает энергетический барьер реакции переходного состояния и позволяет GTP более легко гидролизоваться.. Таким образом, GAP усиливают реакцию GTP гидролиза G-белков. Поступая таким образом, они ускоряют встроенный таймер G-белка, который быстрее инактивирует G-белки, и, наряду с инактивацией GEF, это отключает сигнал G-белка. Таким образом, GAP играют важную роль в регуляции G-белков.
GAP работает, чтобы открыть G-белок для нуклеофильной атаки водой и вызвать распределение заряда, подобное GDP. В общем, GAP имеют тенденцию быть довольно специфичными для своей мишени G белки. Точный механизм специфичности мишени полностью не известен, но вполне вероятно, что эта специфичность обусловлена множеством факторов. На самом базовом уровне специфичность белка GAP-to-G может зависеть просто от времени и места экспрессии белка. RGS9-1, например, специфически экспрессируется в фоторецепторах палочки и колбочки в сетчатке глаза и является единственным, который взаимодействует с G-белками, участвующими в фототрансдукции в этой области. Определенный GAP и определенный белок G экспрессируются в одно и то же время и в одном месте, и именно так клетка обеспечивает специфичность. Между тем, каркасные белки могут также связывать правильный GAP с его G-белком и усиливать правильные связывающие взаимодействия. Эти связывающие взаимодействия могут быть специфичными для конкретного белка GAP и G. Кроме того, GAP могут иметь определенные аминокислотные домены, которые распознают только конкретный G-белок. Связывание с другими G-белками может не иметь таких же благоприятных взаимодействий, и поэтому они не взаимодействуют. Следовательно, GAP могут регулировать определенные G-белки.
EIF5 представляет собой белок, активирующий GTPase. Кроме того, YopE представляет собой белковый домен, который представляет собой белок, активирующий ГТФазу (GAP) Rho, который нацелен на малые ГТФазы, такие как RhoA, Rac1 и Rac2.
GAP, которые действуют на небольшие GTP-связывающие белки суперсемейства Ras, имеют консервативные структуры и используют аналогичные механизмы,
Примером GTPase является мономер Ran, который находится как в цитозоле, так и в ядре. Считается, что гидролиз GTP с помощью Ran обеспечивает энергию, необходимую для транспортировки ядерных белков в клетку. Ran включается и выключается GEF и GAP соответственно.
Большинство GAP, которые действуют на альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков, принадлежат к отдельному семейству, семейству RGS-протеинов.
Хотя GAP служат для регуляции G-белков, существует также некоторый уровень регуляции самих GAP. Многие GAP имеют аллостерические сайты, которые служат в качестве интерфейсов с нижележащими целями конкретного пути, который они регулируют. Например, RGS9-1, GAP в фоторецепторах сверху, взаимодействует с цГМФ-фосфодиэстеразой (цГМФ ФДЭ), нижележащим компонентом фототрансдукции в сетчатке. После связывания с cGMP PDE активность RGS9-1 GAP усиливается. Другими словами, нижележащая мишень индуцированной фоторецепторами передачи сигналов связывает и активирует ингибитор передачи сигналов, GAP. Это положительное регуляторное связывание нижестоящих мишеней с GAP служит петлей отрицательной обратной связи, которая в конечном итоге отключает передачу сигналов, которая была первоначально активирована. GAP регулируются мишенями G-белка, которые они регулируют.
Существуют также примеры негативных регуляторных механизмов, при которых нижестоящие мишени передачи сигналов G-белка ингибируют GAP. В калиевых каналах, управляемых G-белком, фосфатидилинозитол-3, 4, 5-трифосфат (PIP3) является последующей мишенью для передачи сигналов G-белка. PIP3 связывает и ингибирует RGS4 GAP. Такое ингибирование GAP может, возможно, «подготовить» сигнальный путь к активации. Это создает окно активности для G-белков после активации, потому что GAP временно подавляется. Когда калиевый канал активирован, Ca2 + высвобождается и связывает кальмодулин. Вместе они вытесняют PIP3 из GAP, конкурентно связываясь с одним и тем же сайтом, и таким образом они реактивируют GAP, чтобы отключить передачу сигналов G-белка. Этот конкретный процесс демонстрирует как ингибирование, так и активацию GAP его регуляторами. Между GAP и другими компонентами сигнального пути, которые регулируют активность GAP, существует перекрестная связь.
Были сделаны некоторые выводы, указывающие на 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. Один GAP служит негативным регулятором другого GAP. Причины такого перекрестного регулирования между GAP пока неясны, но одна из возможных гипотез состоит в том, что перекрестное взаимодействие между GAP ослабляет сигнал «выключено» всех GAP. Хотя p120Ras GAP активен, поэтому ингибирует этот конкретный путь, другие клеточные процессы все еще могут продолжаться, поскольку он ингибирует другие GAP. Это может гарантировать, что вся система не отключится по одному сигналу выключения. Активность GAP очень динамична, она взаимодействует со многими другими компонентами сигнальных путей.
Важность GAP проистекает из его регуляции критических G-белков. Многие из этих белков G участвуют в круговороте клеток и, как таковые, известны протоонкогенами. Суперсемейство Ras белков G, например, было связано со многими видами рака, потому что Ras является общей нижестоящей мишенью для многих факторов роста, таких как FGF или фактор роста фибробластов. В нормальных условиях эта передача сигналов в конечном итоге вызывает регулируемый рост и пролиферацию клеток. Однако в состоянии рака такой рост больше не регулируется и приводит к образованию опухолей.
Обычно GAP-белки регулируются GAP, что приводит к контролируемому делению клеток. Часто это онкогенное поведение происходит из-за потери функции GAP, связанных с этими G-белками, или потери способности G-белка к ответить на его ПРОБЕЛ. В первом случае G-белки не могут 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, потому что GEF обменивают GDP на GTP в этих белках. Отсутствие GAP, ограничивающих активность G-белка, приводит к конститутивно активным G-белкам, нерегулируемому росту клеток и злокачественному состоянию. В случае последнего, когда G-белок теряет способность отвечать на GAP, G-белки теряют свою 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 неисправности GAP клинически встречаются повсеместно. В некоторых случаях наблюдается снижение экспрессии гена GAP. Например, некоторые недавно охарактеризованные случаи папиллярного рака щитовидной железы у пациентов демонстрируют сниженную экспрессию Rap1GAP, и эта экспрессия, по-видимому, вызвана сниженной экспрессией мРНК GAP, как показали эксперименты с qRT-PCR. В этом случае, по-видимому, происходит потеря надлежащей экспрессии гена Rap1GAP. В другом случае экспрессия Ras GAP теряется при нескольких раковых заболеваниях из-за неправильного эпигенетического подавления гена. Эти клетки имеют метилирование CpG рядом с геном, которое, по сути, подавляет транскрипцию гена. Регуляция G-белков теряется из-за отсутствия регулятора, что приводит к раку.
Без GAP, G-белки постоянно включены из-за их медленной гидролитической активности, а GEF постоянно заменяют GDP на GTP. Это приводит к нерегулируемому делению клеток и образованию опухолей. Другие виды рака демонстрируют потерю чувствительности G-белка к GAP. Эти G-белки приобретают миссенс-мутации, которые нарушают присущую белкам активность GTPase. Мутантные G-белки по-прежнему связаны GAP, но усиление активности GTPase с помощью GAP бессмысленно, когда GTPase активность самого G-белка теряется. GAP активирует нефункциональный гидролитический фермент. Например, было показано, что раковые клетки мочевого пузыря Т24 имеют миссенс-мутацию, G12V, в результате чего образуется конститутивно активный белок Ras. Несмотря на присутствие регулятора G-белка, регуляция теряется из-за потери функции самого G-белка. Эта потеря функции также проявляется в раке. Следовательно, GAP и их взаимодействие с G-белками очень важны с клинической точки зрения и являются потенциальными мишенями для лечения рака.
G-белки без гидролитической активности не могут гидролизовать связанный GTP. GAP не могут активировать нефункциональный фермент, и G-белок является конститутивно активным, что приводит к нерегулируемому делению клеток и образованию опухолей. 