Rho GTPaz ailesi - Rho family of GTPases
GTPazların Rho ailesi sinyal (~ 21 kDa), küçük bir aile G proteinleri ve bir alt familyası olan süper ailesinin Ras . Rho GTPaz ailesinin üyelerinin, hücre içi aktin dinamiklerinin birçok yönünü düzenlediği gösterilmiştir ve mayalar ve bazı bitkiler dahil olmak üzere tüm ökaryotik krallıklarda bulunur. Ailenin üç üyesi ayrıntılı olarak incelenmiştir: Cdc42 , Rac1 ve RhoA . Tüm G proteinleri "moleküler anahtarlardır" ve Rho proteinleri organel gelişiminde, hücre iskeleti dinamiklerinde, hücre hareketinde ve diğer yaygın hücresel işlevlerde rol oynar .
Tarih
Rho GTPaz ailesinin tanımlanması 1980'lerin ortalarında başladı. Tanımlanan ilk Rho üyesi, 1985'te düşük katılıkta bir cDNA taramasından tesadüfen izole edilen RhoA idi . Daha sonra 1989'da Rac1 ve Rac2, ardından 1990'da Cdc42 belirlendi. Biyolojik taramalardan sekiz ek memeli Rho üyesi tanımlandı, 1990'ların sonuna kadar, tam genom dizilerinin mevcudiyetinin gen ailelerinin tam olarak tanımlanmasına izin verdiği biyolojide bir dönüm noktası. Tüm ökaryot hücreler, Rho GTPaz içerir (mayada 6'dan memelilerde 20'ye kadar). Memelilerde, Rho ailesi 8 alt aileye dağılmış 20 üyeden oluşur: Rho, Rnd, RhoD/F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU/V ve RhoBTB.
1990 gibi erken bir tarihte, Paterson ve ark. İsviçre 3T3 fibroblastlarında aktive edilmiş Rho proteinini eksprese etmeye başladı .
1990'ların ortalarında, Rho proteinlerinin fibroblastlarda hücresel projeksiyonların ("süreçler") oluşumunu etkilediği gözlemlendi. Alan Hall, 1998 tarihli bir gözden geçirme makalesinde, yalnızca fibroblastların Rho aktivasyonu üzerine süreçler oluşturduğunu değil, aynı zamanda neredeyse tüm ökaryotik hücreleri de oluşturduğunu gösteren kanıtları derledi.
Bement ve arkadaşlarının 2006 tarihli bir inceleme makalesi. Rho aktivasyonunun mekansal bölgelerinin önemini araştırdı.
sınıflandırma
Rho GTPaz ailesi , memelilerde 150'den fazla çeşitten oluşan Ras protein süper ailesine aittir . Rho proteinleri bazen Rho ailesinin bazı üyelerini ( RhoA , RhoB ve RhoC ) belirtir ve bazen ailenin tüm üyelerini ifade eder. Bu makale bir bütün olarak aile hakkındadır.
Memelilerde Rho ailesi 20 üyeden oluşur. Hemen hemen tüm araştırmalar, Rho ailesinin en yaygın üç üyesini içerir: Cdc42, Rac1 ve RhoA.
| Rho aile üyesi | Aktin filamentleri üzerinde eylem |
|---|---|
| Cdc42 | filopodia'yı etkiler |
| Kac1 | lamellipodia'yı etkiler |
| RhoA | stres liflerini etkiler |
Bu 20 memeli üyesi, Rac alt ailesinde (Rac1, Rac2, Rac3 ve RhoG), Cdc42 alt ailesinde (Cdc42, TC10/RhoQ, TCL/RhoJ), RhoUV ailesinde (RhoV/Chp ve RhoU/Wrch-1/) alt gruplara ayrılır. , RhoA alt ailesi (RhoA, RhoB ve RhoC), Rnd alt ailesi (Rnd1/Rho6, Rnd2/RhoN ve Rnd3/RhoE), RhoD alt ailesi (RhoD ve RhoF/Rif), RhoBTB (RhoBTB1&2) ve RhoH/TTF.
| Alt sınıf | hücre iskeleti etkisi | Rho aile üyeleri |
|---|---|---|
| Cdc42 alt sınıfı | filopodia | Cdc42 |
| RhoQ (TC10) | ||
| RhoJ (TCL) | ||
| RhoUV alt sınıfı | filopodia ve lamellipodia | RhoU (Wrch) |
| RhoV ( CHP ) | ||
| yarış | lamellipodia | Kac1 |
| Kac2 | ||
| Kac3 | ||
| RhoG | ||
| RhoBTB | protein kararlılığı | RhoBTB1 |
| RhoBTB2 | ||
| RhoBTB3 | ||
| RhoH | Rak agonisti mi? | RhoH |
| Rho (alt sınıf) | ↑ stres lifleri ve ↑ fokal adezyonlar | RhoA |
| RhoB | ||
| RhoC | ||
| Rnd | ↓ stres lifleri ve ↓ fokal adezyonlar | Rnd1 |
| Rnd2 | ||
| Rnd3 (RhoE) | ||
| RhoF | Vezikül taşıma , filopodia | RhoD |
| RhoF (Rif) |
düzenleyiciler
Rho protein sinyallemesinin üç genel düzenleyici sınıfı tanımlanmıştır: guanin nükleotid değişim faktörü (GEF'ler) , GTPaz aktive edici proteinler (GAP'ler) ve guanin nükleotid ayrışma inhibitörleri (GDI'ler) . GEF'ler, GTP için GDP değişimini katalize ederek Rho proteinlerini aktive eder. GAP'ler hidrolize etmek GTPaz kabiliyetini kontrol GTP için GSYİH aktiften aktif olmayan yapıya konformasyondan doğal hareket hızını kontrol etmek. GDI proteinleri, Rho proteini ile büyük bir kompleks oluşturur, zar içinde ve sitozol içine difüzyonun önlenmesine yardımcı olur ve böylece bir çapa görevi görür ve Rho aktivasyonunun sıkı uzamsal kontrolüne izin verir. İnsanda 82 GEF (71 Dbl benzeri ve 11 DOCK benzeri) Rho üyelerinin aktivitesini pozitif olarak kontrol ederken, 66 GAP proteini negatif olarak kontrol eder.
Son çalışmalar, önemli ek düzenleyici mekanizmaları ortaya çıkardı: mikroRNA'lar , Rho GTPaz kodlayan mRNA'ların transkripsiyon sonrası işlemlerini düzenler; palmitoilasyon ve nükleer hedefleme hücre içi dağılımı etkiler; translasyon sonrası fosforilasyon, transglutaminasyon ve AMPilasyon, Rho GTPaz sinyalini modüle eder; ve ubiquitination, Rho GTPase protein stabilitesini ve dönüşümünü kontrol eder. Bu düzenleme modları, Rho GTPaz sinyalleşme ağının karmaşıklığına katkıda bulunur ve bireysel Rho GTPaz'ların kesin uzaysal-zamansal kontrolüne izin verir.
efektörler
Her bir Rho proteini, tümü çeşitli hücre süreçlerinde rol oynayan sayısız proteini etkiler. Üç ortak Rho GTPaz'ın 60'tan fazla hedefi bulundu. Aktin polimerizasyonunu doğrudan uyaran iki molekül, Arp2/3 proteinleri ve Diyafanöz ilişkili formlardır.
| GTPaz | efektör |
|---|---|
| RhoA | Cit , Cnksr1 , Diaph1 , Diaph2 , DgkQ , FlnA , KcnA2 , Ktn1 , Rtkn1 , Rtkn2 , Rhpn1 , Rhpn2 , ITPR1 , PlcG1 , PI-5-P5K , Pld1 , Pkn1 , Pkn2 , rock1 , Rock2 , PrkcA , Ppp1r12A |
| Kac1 | Sra1 , IRSp53 , PAK1 , PAK2 , PAK3 |
| Cdc42 | Wiskott-Aldrich sendromu proteini , N-WASP , IRSp53 , Dia2 , Dia3 , ROCK1 , ROCK2 , PAK4 |
Fonksiyonlar
Rho/Rac proteinleri, hücre polaritesi, veziküler trafik, hücre döngüsü ve transkriptomal dinamikler gibi çok çeşitli hücresel fonksiyonlarda yer alır.
morfoloji
Hayvan hücreleri, işlevlerine ve vücuttaki konumlarına göre birçok farklı şekil oluşturur. Rho proteinleri, hücrelerin yaşam döngüleri boyunca şekil değişikliklerini düzenlemesine yardımcı olur. Hücreler tomurcuklanma, mitoz veya hareket gibi önemli işlemlerden geçmeden önce, bir tür hücre polaritesine sahip olmalıdır .
Rho GTPaz'ların hücre polaritesindeki rolünün bir örneği, üzerinde çokça çalışılan maya hücresinde görülmektedir. Hücre tomurcuklanmadan önce, Cdc42 hücre zarının yeni hücreye doğru şişmeye başlayacak bölgesini belirlemek için kullanılır. Cdc42 hücreden çıkarıldığında, büyümeler hala oluşur, ancak bunu organize olmayan bir şekilde yapar.
Rho proteinleri tarafından kontrol edilen hücre morfolojisindeki en belirgin değişikliklerden biri, "parmak" veya "ayak" gibi görünen ve genellikle hücreleri veya büyüme konilerini yüzeyler boyunca iten süreçleri yansıtan lamellipodia ve filopodia oluşumudur . Hemen hemen tüm ökaryotik hücreler, Rho aktivasyonu üzerine bu tür süreçleri oluşturur. İsviçre 3T3 hücreleri gibi fibroblastlar genellikle bu fenomenleri incelemek için kullanılır.
çalışma teknikleri
Hücresel morfoloji değişiklikleri ve Rho proteinlerinin etkileri hakkında bilinenlerin çoğu, proteinin yapısal olarak aktif mutasyona uğramış bir formunun yaratılmasından gelir. Bir anahtar amino asidin mutasyonu, tüm proteinin yapısını değiştirerek, GTP'ye bağlı duruma benzeyen bir yapıyı kalıcı olarak benimsemesine neden olabilir. Bu protein normal olarak GTP hidrolizi yoluyla inaktive edilemez ve bu nedenle "yapışır". Bu şekilde aktive olan bir Rho proteini 3T3 hücrelerinde eksprese edildiğinde, kasılmalar ve filopodia oluşumu gibi morfolojik değişiklikler meydana gelir.
Rho proteinleri G-proteinleri ve plazma zarına bağlı olduklarından, yerleri kolayca kontrol edilebilir. İster yara iyileşmesi, ister sitokinez veya tomurcuklanma olsun, her durumda Rho aktivasyonunun yeri görüntülenebilir ve tanımlanabilir. Örneğin, küresel bir hücrede dairesel bir delik açılırsa , Cdc42 ve diğer aktif Rhos, dairesel yaralanmanın çevresinde en yüksek konsantrasyonda görülür. Mekansal aktivasyon bölgelerini korumanın bir yöntemi, aktin hücre iskeletine demir atmak ve zara bağlı proteinin en çok ihtiyaç duyulan bölgeden uzağa yayılmasını engellemektir. Başka bir bakım yöntemi, difüzyona dirençli ve membrana Rho'nun kendisinden daha sıkı bağlı olan büyük bir kompleksin oluşturulmasıdır.
hareket
Lamellipodia ve filopodia oluşumuna ek olarak, hücre içi konsantrasyon ve farklı Rho proteinleri arasındaki çapraz konuşma, hücresel harekete neden olan uzantıları ve kasılmaları harekete geçirir. Sakuma et al. Rho proteinlerinin aktivitesini ve hareketle ilişkilerini açıklamaya yardımcı olan diferansiyel denklemlere dayalı bir model önerdi. Bu model, Cdc42, RhoA ve Rac adlı üç proteini kapsıyordu. Cdc42'nin filopodia uzamasını teşvik ettiği ve aktin depolimerizasyonunu bloke ettiği varsayılmıştır. RhoA'nın aktin retraksiyonunu teşvik ettiği düşünüldü. Rac, lamellipodia uzantısını teşvik etmek, ancak aktin depolimerizasyonunu engellemek için tedavi edildi. Bu üç protein, önemli ölçüde basitleştirilmiş olmasına rağmen, hücresel hareketin temel adımlarını kapsıyordu. Çeşitli matematiksel teknikler aracılığıyla, hücre içi aktiviteye dayalı çeşitli aktivite bölgelerini tanımlayan diferansiyel denklemlerin çözümleri bulundu. Makale, modelin hücre aktivitesi üzerinde ilginç etkilere neden olan birkaç eşik konsantrasyonu olduğunu öngördüğünü göstererek sona ermektedir. Belirli bir konsantrasyonun altında, hücrenin kol ve ayaklarında hiçbir genişlemeye neden olmayan çok az aktivite vardır. Belirli bir konsantrasyonun üzerinde, Rho proteini, lamellipodia ve filopodia'nın uzantıları ve kasılmalarına çok benzeyen sinüzoidal bir osilasyona neden olur. Özünde, bu model, bu üç anahtar aktif Rho proteininin hücre içi konsantrasyonunun arttırılmasının, hücrenin faz dışı aktivitesine neden olduğunu ve bunun da faz dışı olan uzantılara ve kasılmalara neden olduğunu tahmin eder.
Yara iyileşmesi
Rho GTPaz proteinleri tarafından modüle edilen bir davranış örneği, yaraların iyileşmesidir. Yaralar genç civcivler ve yetişkin tavuklar arasında farklı şekilde iyileşir. Genç civcivlerde yaralar, bir torbayı kapatmak için çekilen bir ipe çok benzer şekilde kasılma ile iyileşir. Yaşlı tavuklarda hücreler, hareket yoluyla yara boyunca sürünür. Genç civcivlerde yaraları kapatmak için gereken aktin oluşumu Rho GTPaz proteinleri tarafından kontrol edilir, çünkü rho ve rac aktivitesini bloke etmek için kullanılan bir bakteriyel ekzoenzimin enjeksiyonundan sonra aktin polimerleri oluşmaz ve bu nedenle iyileşme tamamen başarısız olur.
hücre polaritesi
Fibroblastlarda yapılan çalışmalar, göç eden hücrelerin ön kenarındaki Na-H değiştirici izoformu 1 (NHE1) tarafından Cdc42 aktivitesi ile H+ akışı arasında pozitif geri besleme olduğunu göstermektedir. Cdc42'ye bağlanan guanin nükleotid değişim faktörü (GEF) katalizli GTP için NHE1 aracılı H+ akışı gereklidir, bu da göç eden hücrelerde bu küçük GTPaz tarafından polaritenin düzenlenmesi için bir mekanizma önerir.
fagositoz
Rho proteinlerinden etkilenen diğer bir hücresel davranış fagositozdur. Diğer birçok hücre zarı modülasyonu türünde olduğu gibi, fagositoz, diğer öğeleri içine almak için aktin hücre iskeletine ihtiyaç duyar. Aktin filamentleri, fagositik kap oluşumunu kontrol eder ve aktif Rac1 ve Cdc42, bu sinyalleşme kaskadı ile ilişkilendirilmiştir.
mitoz
Hücresel davranışın rho protein sinyallemesini içerdiği düşünülen bir başka önemli yönü de mitozdur . Yıllar boyunca rho GTPaz aktivitesinin aktin polimerizasyonu ve dolayısıyla mitozdan sonra meydana gelen sitokinez ile sınırlı olduğu düşünülürken , mikrotübül oluşumunda ve mitoz sürecinin kendisinde bir miktar aktivite gösteren yeni kanıtlar ortaya çıkmıştır. Bu konu hala tartışılmaktadır ve mitozda rho'nun önemi için hem lehte hem de aleyhte kanıtlar vardır.
Uygulamalar
Sinir sistemi rejenerasyonu
Hücresel hareketlilik ve şekil üzerindeki etkileri nedeniyle, Rho proteinleri , sinir sisteminde aksonal oluşum ve rejenerasyon sırasında oluşan büyüme konilerinin incelenmesinde açık bir hedef haline geldi . Rho proteinleri, travmatik yaralanmadan sonra omurilik lezyonlarına iletim için potansiyel bir hedef olabilir. Omuriliğin yaralanmasını takiben, hücre dışı boşluk, nöronların yenilenmek için maruz kaldığı doğal çabalara engel olur.
Bu doğal çabalar, yaralı bir aksonun proksimal ucunda bir büyüme konisinin oluşumunu içerir. Yeni oluşan büyüme konileri daha sonra lezyon boyunca "sürünmeye" çalışır. Bunlar hücre dışı ortamdaki kimyasal ipuçlarına duyarlıdır. Birçok inhibitör ipucundan biri, kondroitin sülfat proteoglikanları (CSPG'ler) içerir. Kültürde büyüyen nöronlar, yapısal olarak aktif Cdc42 veya Rac1'in ekspresyonundan veya RhoA'nın baskın bir negatif formunun (inhibisyonu) ekspresyonundan sonra CSPG ile kaplanmış substrat bölgelerini daha fazla geçebilir hale gelir. Bu kısmen, apoptozu ve büyüme konisi çökmesini teşvik eden hücre dışı ipuçlarına rağmen hücresel hareketi yönlendiren eksojen Rho proteinlerinden kaynaklanmaktadır. Rho proteinlerinin hücre içi modülasyonu bu nedenle omurilik rejenerasyonunu amaçlayan araştırmalarda ilgi odağı haline geldi.
Zihinsel engelli
Rho proteinlerinin işlev bozukluğu da zihinsel engellilikle ilişkilendirilmiştir . Bazı durumlarda zihinsel engellilik, nöronlar arasındaki sinaptik sonrası bağlantıları oluşturan dendritik dikenlerin malformasyonunu içerir . Şekilsiz dendritik dikenler, rho protein sinyallemesinin modülasyonundan kaynaklanabilir. X'e bağlı zeka geriliği ile ilişkili çeşitli genlerin klonlanmasından sonra, oligophrenin-1 (Rac1, Cdc42 ve RhoA'nın GTPaz aktivitesini uyaran bir GAP proteini), PAK3 (ile ilgili olan) dahil olmak üzere Rho sinyali üzerinde etkisi olan üç gen tanımlandı. Rac ve Cdc42'nin aktin hücre iskeleti üzerindeki etkileri) ve αPIX (Rac1 ve Cdc42'yi etkinleştirmeye yardımcı olan bir GEF). Rho sinyalinin aktin hücre iskeleti üzerindeki etkisinden dolayı, bir rho proteininin genetik arızaları, bazı zeka geriliği vakalarında görülen nöronal dendritlerin düzensiz morfolojisini açıklayabilir.
Kanser
Ras proteinlerinin insan kanserlerinin %30'unda mutasyona uğradığını bulduktan sonra , mutasyona uğramış Rho proteinlerinin de kanser üremesinde rol oynayabileceğinden şüphelenildi. Bununla birlikte, Ağustos 2007 itibariyle, Rho proteinlerinde hiçbir onkojenik mutasyon bulunmamıştır ve yalnızca birinin genetik olarak değiştirilmiş olduğu bulunmuştur. Rho yollarının mutasyon olmadan rolünü açıklamak için, araştırmacılar şimdi cevaplar için rho aktivitesinin düzenleyicilerine ve Rho proteinlerinin ekspresyon seviyelerine döndüler.
Mutasyon yokluğunda değişen sinyalleşmeyi açıklamanın bir yolu, artan ifadedir. RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH ve Cdc42'nin aşırı ekspresyonu birçok kanser türünde gösterilmiştir. Bu kadar çok sinyal molekülünün artan varlığı, bu proteinlerin kanserli hücrelerde aşırı aktif hale gelen hücresel fonksiyonları desteklediğini ima eder.
Rho proteinlerinin kanserdeki rolünü açıklamak için ikinci bir hedef, düzenleyici proteinleridir. Rho proteinleri çok çeşitli kaynaklar tarafından çok sıkı bir şekilde kontrol edilir ve 60'ın üzerinde aktivatör ve 70 inaktivatör tanımlanmıştır. Çoklu GAP'ler, GDI'ler ve GEF'lerin farklı kanser türlerinde aşırı ekspresyona, aşağı regülasyona veya mutasyona uğradığı gösterilmiştir. Bir yukarı akış sinyali değiştirildiğinde, aşağı akış hedeflerinin aktivitesi - yani, Rho proteinleri - aktivitede değişecektir.
Ellenbroek et al. kanserli hücrelerde Rho aktivasyonunun bir dizi farklı etkisini özetledi. Birincisi, tümör modifikasyonunun başlangıcında, Rho aktivitesi apoptozu baskılayabilir ve bu nedenle yapay hücre ömrüne katkıda bulunabilir. Doğal apoptoz baskılandıktan sonra, Rho proteinlerinin bütünleyici bir rol oynadığı polarite kaybı yoluyla anormal tümör büyümesi gözlemlenebilir. Daha sonra, büyüyen kütle, potansiyel olarak Rho proteinlerinin neden olduğu yapışma proteinlerinin değiştirilmesi yoluyla normal sınırlarını aşabilir. Son olarak, apoptoz, hücre polaritesi ve adezyon moleküllerinin inhibisyonundan sonra, kanserli kitle metastaz yapmakta ve vücudun diğer bölgelerine yayılmakta serbesttir .
Referanslar
Rho proteinlerindeki çeşitli mutasyonlar, kanserlerin büyük ölçekli dizilişinde tanımlanmıştır. Bu mutasyonlar, Katalog Somatik Mutasyonlar veritabanında ( http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/ ) listelenmiştir . Bu mutasyonların fonksiyonel sonuçları bilinmemektedir.
