Семейство Rho GTPases - Rho family of GTPases

Семейство Rho GTPases представляет собой семейство небольших (~ 21 кДа) сигнальных G-белков и является подсемейством суперсемейства Ras . Было показано, что члены семейства Rho GTPase регулируют многие аспекты внутриклеточной динамики актина и обнаруживаются во всех царствах эукариот, включая дрожжи и некоторые растения. Подробно изучены три члена семейства: Cdc42 , Rac1 и RhoA . Все G-белки являются «молекулярными переключателями», а Rho-белки играют роль в развитии органелл , динамике цитоскелета , перемещении клеток и других общих клеточных функциях.

История

Идентификация семейства Rho GTPases началась в середине 1980-х годов. Первым идентифицированным членом Rho был RhoA, случайно выделенный в 1985 году в результате скрининга кДНК с низкой строгостью . Следующими были идентифицированы Rac1 и Rac2, в 1989 г. за ними последовал Cdc42 в 1990 г. Восемь дополнительных членов Rho млекопитающих были идентифицированы в ходе биологических скринингов до конца 1990-х гг., Что стало поворотным моментом в биологии, когда доступность полных геномных последовательностей позволила полностью идентифицировать семейства генов. Все клетки эукариот содержат Rho GTPase (от 6 у дрожжей до 20 у млекопитающих). Таким образом, у млекопитающих семейство Rho состоит из 20 членов, распределенных по 8 подсемействам: Rho, Rnd, RhoD / F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU / V и RhoBTB.

Еще в 1990 г. Патерсон и др. начали экспрессировать активированный белок Rho в швейцарских фибробластах 3T3 .

К середине 1990-х годов было обнаружено, что белки Rho влияют на формирование клеточных выступов («отростков») в фибробластах. В обзорной статье 1998 года Алан Холл собрал доказательства, показывающие, что не только фибробласты образуют отростки при активации Rho, но и практически все эукариотические клетки.

В обзорной статье 2006 г., опубликованной Bement et al. исследовали значение пространственных зон активации Rho.

Категоризация

Семейство Rho GTPases принадлежит к суперсемейству белков Ras , которое у млекопитающих насчитывает более 150 разновидностей. Белки Rho иногда обозначают некоторых членов семейства Rho ( RhoA , RhoB и RhoC ), а иногда относятся ко всем членам семейства. Эта статья о семье в целом.

У млекопитающих семейство Rho состоит из 20 членов. Почти все исследования включают трех наиболее распространенных членов семейства Rho: Cdc42, Rac1 и RhoA.

Сравнение
Член семьи Ро Действие на актиновые филаменты
Cdc42 влияет на филоподии
Rac1 влияет на ламеллиподии
RhoA влияет на стрессовые волокна

Эти 20 представителей млекопитающих подразделяются на подсемейство Rac (Rac1, Rac2, Rac3 и RhoG), подсемейство Cdc42 (Cdc42, TC10 / RhoQ, TCL / RhoJ), семейство RhoUV (RhoV / Chp и RhoU / Wrch-1 /). , Подсемейство RhoA (RhoA, RhoB и RhoC), подсемейство Rnd (Rnd1 / Rho6, Rnd2 / RhoN и Rnd3 / RhoE), подсемейство RhoD (RhoD и RhoF / Rif), RhoBTB (RhoBTB1 / TTF) и RhoHH.

Сравнение
Подкласс Цитоскелетный эффект Члены семьи Ро
Подкласс cdc42 филоподии Cdc42
RhoQ (TC10)
RhoJ (TCL)
Подкласс RhoUV филоподии и ламеллиподии RhoU (Wrch)
RhoV ( Chp )
Рац ламеллиподии Rac1
Rac2
Rac3
RhoG
RhoBTB стабильность белка RhoBTB1
RhoBTB2
RhoBTB3
RhoH Рас-агонист? RhoH
Ро (подкласс) стрессовые волокна и ↑ очаговые спайки RhoA
RhoB
RhoC
Rnd стрессовые волокна и ↓ очаговые спайки Rnd1
Rnd2
Rnd3 (RhoE)
RhoF Транспорт везикул , филоподии RhoD
РоФ (Риф)

Регуляторы

Были идентифицированы три основных класса регуляторов передачи сигналов Rho-белка: фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEFs) , белки, активирующие GTPase (GAP) и ингибиторы диссоциации гуаниновых нуклеотидов (GDI) . GEF активируют белки Rho, катализируя обмен GDP на GTP. GAP контролируют способность GTPase гидролизовать GTP до GDP , контролируя естественную скорость движения от активной конформации к неактивной конформации. Белки GDI образуют большой комплекс с белком Rho, помогая предотвратить диффузию внутри мембраны и в цитозоль и, таким образом, действуя как якорь и обеспечивая жесткий пространственный контроль активации Rho. У человека 82 GEF (71 Dbl-подобный и 11 DOCK-подобный) положительно контролируют активность членов Rho, тогда как 66 белков GAP контролируют его отрицательно.

Недавняя работа раскрыла важные дополнительные регуляторные механизмы: микроРНК регулируют посттранскрипционный процессинг мРНК, кодирующих Rho GTPase; пальмитоилирование и ядерное нацеливание влияют на внутриклеточное распределение; посттрансляционное фосфорилирование, трансглютаминирование и AMPилирование модулируют передачу сигналов Rho GTPase; и убиквитинирование контролирует стабильность и оборот белка Rho GTPase. Эти способы регуляции увеличивают сложность сигнальной сети Rho GTPase и обеспечивают точный пространственно-временной контроль индивидуальных Rho GTPases.

Эффекторы

Каждый белок Rho влияет на многочисленные нижестоящие белки, каждый из которых играет роль в различных клеточных процессах. Обнаружено более 60 мишеней трех распространенных Rho GTPases. Две молекулы, которые непосредственно стимулируют полимеризацию актина, - это белки Arp2 / 3 и родственные Diaphanous формины.

GTPase Эффектор
RhoA Cit , Cnksr1 , Diaph1 , Diaph2 , DgkQ , FlnA , KcnA2 , Ktn1 , Rtkn1 , Rtkn2 , Rhpn1 , Rhpn2 , Itpr1 , PlcG1 , ПИ-5-P5K , Pld1 , Pkn1 , Pkn2 , Rock1 , ROCK2 , PrkcA , Ppp1r12A
Rac1 Sra1 , IRSp53 , PAK1 , PAK2 , PAK3
Cdc42 Белок синдрома Вискотта-Олдрича , N-WASP , IRSp53 , Dia2 , Dia3 , ROCK1 , ROCK2 , PAK4

Функции

Белки Rho / Rac участвуют в большом количестве клеточных функций, таких как полярность клеток, везикулярный транспорт, клеточный цикл и транскриптомная динамика.

Морфология

Клетки животных образуют множество различных форм в зависимости от их функции и расположения в организме. Белки Rho помогают клеткам регулировать изменения формы на протяжении их жизненного цикла. Прежде чем клетки смогут подвергнуться ключевым процессам, таким как почкование, митоз или перемещение, они должны иметь некоторую клеточную полярность .

Один из примеров роли Rho GTPases в полярности клеток можно увидеть в хорошо изученных дрожжевых клетках. Прежде чем клетка сможет отпочковаться, Cdc42 используется для определения области клеточной мембраны, которая начнет выступать в новую клетку. Когда Cdc42 удаляется из клетки, наросты все еще образуются, но неорганизованно.

Одним из наиболее очевидных изменений морфологии клеток, контролируемых белками Rho, является образование ламеллиподий и филоподий , выступающих отростками, которые выглядят как «пальцы» или «ступни» и часто продвигают клетки или конусы роста по поверхности. Практически все эукариотические клетки образуют такие отростки при активации Rho. Для изучения этих явлений часто используются фибробласты, такие как клетки Swiss 3T3.

Методы обучения

Многое из того, что известно об изменениях клеточной морфологии и влиянии белков Rho, связано с созданием конститутивно активной мутированной формы белка. Мутация ключевой аминокислоты может изменить конформацию всего белка, заставляя его навсегда принять конформацию, которая напоминает состояние, связанное с GTP. Этот белок не может быть инактивирован обычным образом посредством гидролиза GTP, и поэтому он «застревает». Когда активированный таким образом белок Rho экспрессируется в клетках 3T3, возникают морфологические изменения, такие как сокращения и образование филоподий.

Поскольку белки Rho являются G-белками и связаны с плазматической мембраной, их расположение можно легко контролировать. В каждой ситуации, будь то заживление ран, цитокинез или почкование , место активации Rho может быть визуализировано и идентифицировано. Например, если круглое отверстие сделано в сферической ячейке, Cdc42 и другие активные Rhos будут видны в наибольшей концентрации по окружности кругового повреждения. Один из методов поддержания пространственных зон активации - это прикрепление к актиновому цитоскелету, предотвращение диффузии связанного с мембраной белка из области, где он больше всего необходим. Другой метод поддержания - образование большого комплекса, устойчивого к диффузии и более жестко связанного с мембраной, чем сам Rho.

Движение

Помимо образования ламеллиподий и филоподий, внутриклеточная концентрация и перекрестная связь между различными белками Rho управляют растяжениями и сокращениями, которые вызывают клеточное перемещение. Сакумура и др. предложили модель, основанную на дифференциальных уравнениях, которая помогает объяснить активность белков Rho и их связь с движением. Эта модель включает три белка: Cdc42, RhoA и Rac. Cdc42, как полагают, стимулирует удлинение филоподий и блокирует деполимеризацию актина. Считалось, что RhoA стимулирует ретракцию актина. Rac лечили, чтобы стимулировать распространение ламеллиподий, но блокировать деполимеризацию актина. Эти три белка, хотя и значительно упрощены, охватывают ключевые этапы клеточного передвижения. С помощью различных математических методов были найдены решения дифференциальных уравнений, описывающих различные области активности на основе внутриклеточной активности. В заключение в статье показано, что модель предсказывает наличие нескольких пороговых концентраций, которые вызывают интересные эффекты на активность клетки. Ниже определенной концентрации активность очень мала, не вызывая разгибания рук и ног клетки. Выше определенной концентрации белок Rho вызывает синусоидальные колебания, похожие на растяжения и сокращения ламеллиподий и филоподий. По сути, эта модель предсказывает, что увеличение внутриклеточной концентрации этих трех ключевых активных белков Rho вызывает противофазную активность клетки, что приводит к растяжениям и сокращениям, которые также не совпадают по фазе.

Лечение раны

Одним из примеров поведения, которое модулируется белками Rho GTPase, является заживление ран. Раны заживают по-разному у молодых цыплят и взрослых цыплят. У молодых цыплят раны заживают за счет сжатия, как за шнурок, который затягивают, чтобы закрыть мешок. У цыплят старшего возраста клетки ползают по ране посредством передвижения. Образование актина, необходимое для закрытия ран у молодых цыплят, контролируется белками Rho GTPase, поскольку после инъекции бактериального экзофермента, используемого для блокирования активности rho и rac, полимеры актина не образуются, и, таким образом, заживление полностью не происходит.

Полярность клеток

Исследования фибробластов указывают на положительную обратную связь между активностью Cdc42 и оттоком H + изоформой 1 обменника Na-H (NHE1) на переднем крае мигрирующих клеток. NHE1-опосредованный отток H + необходим для катализируемого фактором обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) связывания GTP с Cdc42, что предполагает механизм регуляции полярности этой небольшой GTPase в мигрирующих клетках.

Фагоцитоз

Еще одно клеточное поведение, на которое влияют белки rho, - это фагоцитоз. Как и в случае с большинством других типов модуляции клеточной мембраны, фагоцитозу требуется актиновый цитоскелет, чтобы поглощать другие элементы. Актиновые филаменты контролируют образование фагоцитарной чашки, и активные Rac1 и Cdc42 участвуют в этом сигнальном каскаде.

Митоз

Еще один важный аспект клеточного поведения, который, как считается, включает передачу сигналов rho-белка, - это митоз . Хотя в течение многих лет считалось, что активность rho GTPase ограничивается полимеризацией актина и, следовательно, цитокинезом , который происходит после митоза, появились новые доказательства, которые показывают некоторую активность в формировании микротрубочек и самом процессе митоза. Эта тема все еще обсуждается, и есть свидетельства как за, так и против важности rho в митозе.

Приложения

Регенерация нервной системы

Из-за их влияния на клеточную подвижность и форму, белки Rho стали четкой мишенью при изучении конусов роста, которые формируются во время генерации аксонов и регенерации в нервной системе. Белки Rho могут быть потенциальной мишенью для доставки в повреждения спинного мозга после травматического повреждения. После повреждения спинного мозга внеклеточное пространство становится препятствием для естественных усилий нейронов по регенерации.

Эти естественные усилия включают формирование конуса роста на проксимальном конце поврежденного аксона. Вновь сформированные конусы роста впоследствии пытаются «ползти» по поражению. Они чувствительны к химическим сигналам внеклеточной среды. Один из многих ингибирующих сигналов включает протеогликаны хондроитинсульфата (CSPG). Нейроны, растущие в культуре, становятся более способными пересекать области субстрата, покрытые CSPG, после экспрессии конститутивно активных Cdc42 или Rac1 или экспрессии доминантно-отрицательной формы (ингибирования) RhoA. Частично это происходит из-за экзогенных белков Rho, управляющих движением клеток, несмотря на внеклеточные сигналы, способствующие апоптозу и коллапсу конуса роста. Таким образом, внутриклеточная модуляция белков Rho стала интересной в исследованиях, направленных на регенерацию спинного мозга.

Интеллектуальная недееспособность

Дисфункция белков Rho также связана с умственной отсталостью . Умственная отсталость в некоторых случаях связана с пороками развития дендритных шипов , которые образуют постсинаптические связи между нейронами . Деформированные дендритные шипы могут быть результатом модуляции передачи сигналов rho-белка. После клонирования различных генов, участвующих в X-связанной умственной отсталости, были идентифицированы три гена, которые влияют на передачу сигналов Rho, включая олигофренин-1 (белок GAP, который стимулирует активность GTPase Rac1, Cdc42 и RhoA), PAK3 (связанный с эффекты Rac и Cdc42 на актиновый цитоскелет) и αPIX (GEF, который помогает активировать Rac1 и Cdc42). Из-за эффекта передачи сигналов Rho на актиновый цитоскелет, генетические нарушения rho-белка могут объяснять нерегулярную морфологию нейрональных дендритов, наблюдаемую в некоторых случаях умственной отсталости.

Рак

После обнаружения мутации белков Ras в 30% случаев рака у человека возникло подозрение, что мутировавшие белки Rho также могут участвовать в репродукции рака. Однако по состоянию на август 2007 года онкогенных мутаций в белках Rho обнаружено не было, и только одна была обнаружена генетически измененной. Чтобы объяснить роль путей Rho без мутаций, исследователи теперь обратились за ответами к регуляторам активности rho и уровням экспрессии белков Rho.

Один из способов объяснить измененную передачу сигналов в отсутствие мутации - увеличение экспрессии. Сверхэкспрессия RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH и Cdc42 показана при нескольких типах рака. Это повышенное присутствие такого количества сигнальных молекул означает, что эти белки способствуют клеточным функциям, которые становятся чрезмерно активными в раковых клетках.

Вторая цель для объяснения роли белков Rho в развитии рака - это их регуляторные белки. Белки Rho очень жестко контролируются множеством источников, и было идентифицировано более 60 активаторов и 70 инактиваторов. Было показано, что множественные GAP, GDI и GEF подвергаются сверхэкспрессии, подавлению или мутации при различных типах рака. После изменения восходящего сигнала активность его нижестоящих мишеней, т. Е. Белков Rho, изменится.

Ellenbroek et al. описал ряд различных эффектов активации Rho в раковых клетках. Во-первых, при инициации опухоли модификация активности Rho может подавлять апоптоз и, следовательно, способствовать искусственному долголетию клеток. После подавления естественного апоптоза можно наблюдать аномальный рост опухоли по потере полярности, в которой белки Rho играют неотъемлемую роль. Затем растущая масса может вторгаться через свои нормальные границы через изменение белков адгезии, потенциально вызываемых белками Rho. Наконец, после подавления апоптоза, полярности клеток и молекул адгезии, раковая масса может метастазировать и распространяться в другие области тела.

Рекомендации

Несколько мутаций в белках Rho были идентифицированы при крупномасштабном секвенировании рака. Эти мутации перечислены в базе данных «Каталог соматических мутаций» ( http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/ ). Функциональные последствия этих мутаций неизвестны.

Смотрите также