Ras GTPase - Ras GTPase

Поверхность Hras раскрашена консервацией.png
Структура HRas PDB 121p, поверхность окрашена консервацией при выравнивании семян Pfam : золото, наиболее консервативно; темно-голубой, наименее консервативный.
Идентификаторы
Условное обозначение Рас
Pfam PF00071
ИнтерПро IPR020849
ПРОФИЛЬ PDOC00017
SCOP2 5п21 / СФЕРА / СУПФАМ
CDD cd04138

Рас , от « Ра Т сек вируса arcoma», представляет собой семейство родственных белков , которые экспрессируются во всех родах и органах животных клеток. Все члены семейства белков Ras принадлежат к классу белков, называемых малой ГТФазой , и участвуют в передаче сигналов внутри клеток (передача клеточного сигнала ). Ras является прототипом суперсемейства белков Ras , которые связаны в трехмерной структуре и регулируют разнообразное поведение клеток.

Когда Ras «включается» поступающими сигналами, он впоследствии включает другие белки, которые в конечном итоге включают гены, участвующие в росте , дифференцировке и выживании клеток . Мутации в генах ras могут привести к выработке постоянно активированных белков Ras, которые могут вызывать непреднамеренную и сверхактивную передачу сигналов внутри клетки, даже в отсутствие входящих сигналов.

Поскольку эти сигналы приводят к росту и делению клеток, сверхактивная передача сигналов Ras может в конечном итоге привести к раку . Три гена Ras у человека ( 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 некоторых типах рака (например, рак поджелудочной железы ). По этой причине ингибиторы Ras изучаются для лечения рака и других заболеваний со сверхэкспрессией Ras.

История

Первые два гена ras , HRAS и KRAS , были идентифицированы Эдвардом М. Сколником и его коллегами из Национального института здоровья (NIH) в ходе исследований двух канцерогенных вирусов, вируса саркомы Харви и вируса саркомы Кирстен . Эти вирусы были обнаружены у крыс , первоначально в 1960 - х Дженнифер Харви и Вернер Х. Кирстен , соответственно, отсюда и название Ra T сек arcoma . В 1982 году Джеффри М. Купер из Гарварда, Мариано Барбакид и Стюарт А. Ааронсон из Национального института здравоохранения, Роберт Вайнберг из Массачусетского технологического института и Майкл Виглер из лаборатории Колд-Спринг-Харбор обнаружили активированные и трансформирующие гены ras человека в раковых клетках человека . Третий ген ras был впоследствии обнаружен исследователями из группы Робина Вайса из Института исследований рака и Майкла Виглера из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, названный NRAS , для его первоначальной идентификации в клетках нейробластомы человека.

Три гена ras человека кодируют чрезвычайно похожие белки, состоящие из цепочек из 188–189 аминокислот. Их генные символы - HRAS , NRAS и KRAS , последний из которых продуцирует изоформы K-Ras4A и K-Ras4B в результате альтернативного сплайсинга .

Состав

Структура HRas PDB 121p, лента, показывающая нити фиолетового цвета, спирали в голубом, петли серого цвета. Также показаны связанный аналог GTP и ион магния.

Ras содержит шесть бета-цепей и пять альфа-спиралей . Он состоит из двух доменов: G-домена из 166 аминокислот (около 20 кДа), который связывает гуанозиновые нуклеотиды, и C-концевого участка нацеливания на мембрану (CAAX-COOH, также известного как CAAX-бокс ), липид-модифицированного фарнезилом. трансфераза , RCE1 и ICMT .

Домен G содержит пять мотивов G, которые напрямую связываются с GDP / GTP. Мотив G1 или P-петля связывает бета-фосфат GDP и GTP. Мотив G2, также называемый Switch I, содержит треонин 35, который связывает конечный фосфат (γ-фосфат) GTP и двухвалентный ион магния, связанный в активном центре. Мотив G3, также называемый Switch II, имеет мотив DXXGQ. D представляет собой аспартат57, который специфичен для связывания гуанина по сравнению с аденином, а Q представляет собой глутамин61, решающий 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. А представляет собой аланин146, который обеспечивает специфичность в отношении гуанина, а не аденина.

Два мотива переключения, G2 и G3, являются основными частями белка, которые перемещаются при активации GTP. Это конформационное изменение с помощью двух мотивов переключения - это то, что опосредует базовую функциональность в качестве белка переключения молекул. Это связанное с GTP состояние Ras является состоянием «включено», а состояние привязки к GDP - состоянием «выключено».

Ras также связывает ион магния, который помогает координировать связывание нуклеотидов.

Функция

Обзор путей передачи сигналов, участвующих в апоптозе

Белки Ras функционируют как бинарные молекулярные переключатели, которые контролируют внутриклеточные сигнальные сети. Рас-регулируемых путей сигнала управления такие процессы , как актин цитоскелета целостности, клеточной пролиферации , дифференцировки клеток , клеточной адгезии , апоптоза и миграции клеток . Ras- и Ras-родственные белки часто нарушают регуляцию при раке, что приводит к усилению инвазии и метастазирования , а также к снижению апоптоза.

Ras активирует несколько путей, из которых каскад киназ, активируемых митогеном (MAP) , хорошо изучен. Этот каскад передает сигналы ниже по течению и приводит к транскрипции генов, участвующих в росте и делении клеток. Другим сигнальным путем, активируемым Ras, является путь PI3K / AKT / mTOR , который стимулирует синтез белка и рост клеток и ингибирует апоптоз.

Активация и деактивация

Ras является гуанозин - нуклеотид -связывающих белок. В частности, это малая ГТФаза , состоящая из одной субъединицы , которая по структуре связана с субъединицей G α гетеротримерных белков G (большие ГТФазы). G-белки функционируют как бинарные сигнальные переключатели с состояниями «включено» и «выключено». В состоянии «выключено» он связан с нуклеотид гуанозиндифосфат (ВВП), в то время как в положении «включено» состояние, Расы связаны с гуанозинтрифосфат (GTP), который имеет дополнительную фосфатную группу по сравнению с ВВП. Этот дополнительный фосфат удерживает две области переключателя в конфигурации «нагруженная пружина» (в частности, Thr-35 и Gly-60). При отпускании области переключателя расслабляются, что вызывает конформационное изменение в неактивное состояние. Следовательно, активация и дезактивация Ras и других малых G-белков контролируется циклическим переключением между активными GTP-связанными и неактивными GDP-связанными формами.

Процесс обмена связанного нуклеотида облегчается факторами обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) и белками, активирующими GTPase (GAP). Согласно своей классификации, Ras обладает внутренней активностью GTPase , что означает, что белок сам по себе гидролизует связанную молекулу GTP в GDP. Однако этот процесс слишком медленный для эффективного функционирования, и, следовательно, GAP для Ras, RasGAP, может связываться с каталитическим механизмом Ras и стабилизировать его, поставляя дополнительные каталитические остатки (« аргининовый палец »), так что молекула воды оптимально расположена для нуклеофильной атака на гамма-фосфат ГТФ. Высвобождается неорганический фосфат, и теперь молекула Ras связана с GDP. Поскольку форма, связанная с GDP, «выключена» или «неактивна» для передачи сигналов, белок , активирующий GTPase, инактивирует Ras, активируя его активность GTPase. Таким образом, GAP ускоряют инактивацию Ras .

ГЭФ катализируют реакцию «тяни и толкай», которая высвобождает ВВП из Ras. Они вставляются близко к Р-петле и сайту связывания катиона магния и ингибируют их взаимодействие с гамма-фосфат- анионом . Кислотные (отрицательные) остатки в переключателе II «отталкивают» лизин в P-петле от GDP, что «отталкивает» переключатель I от гуанина. Контакты, удерживающие GDP на месте, разрываются, и он попадает в цитоплазму. Поскольку количество внутриклеточного GTP относительно GDP (примерно в 10 раз больше) GTP преимущественно повторно входит в карман связывания нуклеотидов Ras и перезагружает весну. Таким образом, GEF способствуют активации Ras . 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 GTP-связанной конформации Ras имеет высокое сродство к многочисленным эффекторам, которые позволяют ему выполнять свои функции. К ним относятся PI3K . Другие малые GTPases могут связывать адаптеры, такие как арфаптин, или системы вторичных мессенджеров, такие как аденилилциклаза . Связывающий домен Ras обнаружен во многих эффекторах и неизменно связывается с одной из переключающих областей, потому что они изменяют конформацию между активной и неактивной формами. Однако они также могут связываться с остальной поверхностью белка.

Существуют и другие белки, которые могут изменять активность белков семейства Ras. Одним из примеров является GDI (ингибитор диссоциации GDP). Они работают, замедляя обмен GDP на GTP, тем самым продлевая неактивное состояние членов семьи Ras. Могут существовать и другие белки, которые увеличивают этот цикл.

Присоединение к мембране

Ras прикрепляется к клеточной мембране благодаря его пренилированию и пальмитоилированию ( HRAS и NRAS ) или комбинации пренилирования и многоосновной последовательности, смежной с сайтом пренилирования ( KRAS ). C-концевой CaaX-бокс Ras сначала фарнезилируется по остатку Cys в цитозоле, позволяя Ras свободно вставляться в мембрану эндоплазматического ретикулума и других клеточных мембран. Затем трипептид (aaX) отщепляется от С-конца специфической эндопротеазой, специфичной к пренил-белку, и новый С-конец метилируется метилтрансферазой . На этом обработка KRas завершена. 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, соседних с боксом CaaX . Белки , таким образом , становятся стабильно мембранным якорем (липидные-плотами) и транспортируются к плазматической мембране на везикулах в секреторном пути . Депальмитоилирование тиоэстеразами ацил-протеинов в конечном итоге высвобождает белки из мембраны, позволяя им вступить в другой цикл пальмитоилирования и депальмитоилирования. Считается, что этот цикл предотвращает утечку NRAS и HRAS на другие мембраны с течением времени и поддерживает их стационарную локализацию вдоль аппарата Гольджи , секреторного пути , плазматической мембраны и взаимосвязанного пути эндоцитоза .

Члены

Наиболее заметными с клинической точки зрения членами подсемейства Ras являются HRAS , KRAS и NRAS , в основном из-за того, что они причастны ко многим типам рака.

Однако есть много других членов этого подсемейства: DIRAS1 ; DIRAS2 ; DIRAS3 ; ERAS ; GEM ; MRAS ; NKIRAS1 ; NKIRAS2 ; РАЛА ; RALB ; RAP1A ; RAP1B ; RAP2A ; RAP2B ; RAP2C ; RASD1 ; RASD2 ; RASL10A ; RASL10B ; RASL11A ; RASL11B ; RASL12 ; REM1 ; REM2 ; RERG ; RERGL ; RRAD ; RRAS ; RRAS2

Рас в раке

Мутации в семействе протоонкогенов Ras (включая H-Ras, N-Ras и K-Ras) очень распространены и обнаруживаются в 20-30% всех опухолей человека. Разумно предположить, что фармакологический подход, ограничивающий активность Ras, может представлять собой возможный метод подавления определенных типов рака. Точечные мутации Ras - наиболее частая аномалия протоонкогенов человека. Ингибитор Ras транс-фарнезилтиосалициловая кислота (FTS, салиразиб ) проявляет глубокие антионкогенные эффекты во многих линиях раковых клеток.

Несоответствующая активация

Было показано, что неправильная активация гена играет ключевую роль в неправильной передаче сигнала, пролиферации и злокачественной трансформации.

Этот эффект могут иметь мутации в ряде различных генов, а также в самом RAS. Онкогены, такие как p210BCR-ABL или рецептор роста erbB, находятся выше Ras, поэтому, если они конститутивно активированы, их сигналы будут передаваться через Ras.

Ген- супрессор опухолей NF1 кодирует Ras-GAP - его мутация при нейрофиброматозе будет означать, что Ras с меньшей вероятностью будет инактивирован. Ras также может быть усилен, хотя в опухолях это происходит только изредка.

Наконец, онкогены Ras могут быть активированы точечными мутациями, так что GTPase реакция больше не может стимулироваться GAP - это увеличивает период полужизни активных мутантов Ras-GTP.

Учредительно активный Рас

Постоянно активный Ras ( Ras D ) - это тот, который содержит мутации, которые предотвращают гидролиз GTP, тем самым блокируя Ras в постоянно включенном состоянии.

Наиболее частые мутации обнаруживаются в остатке G12 в P-петле и каталитическом остатке Q61.

  • Мутация глицина в валин в остатке 12 делает домен GTPase Ras нечувствительным к инактивации GAP и, таким образом, застревает в состоянии «включено». Ras требует GAP для инактивации, поскольку сам по себе является относительно плохим катализатором, в отличие от других белков, содержащих G-домен, таких как альфа-субъединица гетеротримерных G-белков.
  • Остаток 61 отвечает за стабилизацию переходного состояния для гидролиза GTP. Поскольку ферментативный катализ обычно достигается за счет снижения энергетического барьера между субстратом и продуктом, мутация Q61 в K (глутамин в лизин) обязательно снижает скорость внутреннего гидролиза Ras GTP до физиологически бессмысленных уровней.

См. Также «доминантно-отрицательные» мутанты, такие как S17N и D119N.

Ras-таргетные методы лечения рака

Было отмечено, что реовирус является потенциальным терапевтическим средством против рака, когда исследования показали, что он хорошо воспроизводится в определенных линиях раковых клеток. Он специфически реплицируется в клетках, которые имеют активированный путь Ras (клеточный сигнальный путь, который участвует в росте и дифференцировке клеток). Реовирус реплицируется и в конечном итоге убивает Ras-активированные опухолевые клетки, и, когда происходит гибель клеток, дочерние вирусные частицы могут свободно инфицировать окружающие раковые клетки. Считается, что этот цикл инфицирования, репликации и гибели клеток повторяется до тех пор, пока все опухолевые клетки, несущие активированный путь Ras, не будут уничтожены.

Другой вирус, лизирующий опухоль, который специфически нацелен на опухолевые клетки с активированным путем Ras, представляет собой агент на основе вируса простого герпеса II типа (HSV-2), обозначенный как FusOn-H2. Активирующие мутации белка Ras и вышестоящих элементов белка Ras могут играть роль в более чем двух третях всех раковых заболеваний человека, включая большинство метастатических заболеваний. Реолизин , состав реовируса, и FusOn-H2 в настоящее время проходят клинические испытания или разрабатываются для лечения различных видов рака. Кроме того, лечение на основе siRNA, антимутантного K-RAS (G12D), называемое siG12D LODER, в настоящее время проходит клинические испытания для лечения местнораспространенного рака поджелудочной железы (NCT01188785, NCT01676259).

В моделях мышей с глиобластомой уровни SHP2 были повышены в раковых клетках мозга. Ингибирование SHP2, в свою очередь, ингибировало дефосфорилирование Ras. Это уменьшило размеры опухоли и, как следствие, повысило выживаемость.

Другие стратегии пытались манипулировать регуляцией вышеупомянутой локализации Ras. Ингибиторы фарнезилтрансферазы были разработаны, чтобы остановить фарнезилирование Ras и, следовательно, ослабить его сродство к мембранам. Другие ингибиторы нацелены на цикл пальмитоилирования Ras посредством ингибирования депальмитоилирования тиоэстеразами ацил-протеина , что потенциально приводит к дестабилизации цикла Ras.

У других видов

В большинстве типов клеток большинства видов большая часть Ras является типом GDP. Это верно для ооцитов Xenopus и фибробластов мыши .

Xenopus laevis

Как упоминалось выше, большая часть Ras X. ооцитов является конъюгатом GDP. Ras млекопитающих почти наверняка индуцирует мейоз в ооцитах X. laevis , потенцируя мейоз, индуцированный инсулином , но не прогестерон . Синтез белка , похоже, не является частью этого этапа. Инъекция увеличивает синтез диацилглицерина из фосфатидилхолина . Некоторые эффекты мейоза антагонизма по Rap1 (и с помощью Рас изменены , чтобы состыковать неправильно). Как rap1, так и модифицированный Ras являются ко-антагонистами с p120Ras GAP в этом пути.

Drosophila melanogaster

Экспрессируется во всех тканях Drosophila melanogster, но в основном в нервных клетках. Избыточная экспрессия в некоторой степени летальна и во время развития вызывает аномалии глаз и крыльев. (Это аналогично - и может быть причиной - подобных аномалий, вызванных мутировавшими рецепторными тирозинкиназами .) Гены D. гены ras у млекопитающих вызывают аномалии.

Аплизия

Наибольшая экспрессия у Aplysia spp. находится в нервных клетках.

Caenorhabditis elegans

Генов в C. Элеганс является пусть 60 . Также, по-видимому, играет роль в образовании рецепторной тирозинкиназы в этой модели. Избыточная экспрессия дает поливулвальное развитие из-за его участия в нормальном развитии этой области; сверхэкспрессия в эффекторных сайтах летальна.

Dictyostelium discoideum

Незаменим для Dictyostelium discoideum . Об этом свидетельствует серьезная недостаточность развития при недостаточной экспрессии ras и значительное нарушение различных видов жизнедеятельности при искусственном выражении, таких как: повышенная концентрация инозитолфосфатов ; вероятное снижение связывания цАМФ с рецепторами хемотаксиса ; и это, вероятно, причина нарушения синтеза цГМФ . На активность аденилатциклазы ras не влияет .

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Агравал А.Г., Сомани Р.Р. (июнь 2009 г.). «Ингибитор фарнезилтрансферазы как противораковое средство». Миниобзоры по медицинской химии . 9 (6): 638–52. DOI : 10.2174 / 138955709788452702 . PMID  19519490 .

внешние ссылки