La familia Rho de GTPasas es una familia de proteínas G de señalización pequeñas (~21 kDa) y es una subfamilia de la superfamilia Ras . Se ha demostrado que los miembros de la familia Rho GTPasa regulan muchos aspectos de la dinámica de la actina intracelular y se encuentran en todos los reinos eucariotas, incluidas las levaduras y algunas plantas. Se han estudiado en detalle tres miembros de la familia: Cdc42 , Rac1 y RhoA . Todas las proteínas G son "interruptores moleculares" y las proteínas Rho desempeñan un papel en el desarrollo de orgánulos , la dinámica del citoesqueleto , el movimiento celular y otras funciones celulares comunes. [1] [2] [3] [4] [5]
La identificación de la familia Rho de GTPasas comenzó a mediados de los años 1980. El primer miembro Rho identificado fue RhoA, aislado por casualidad en 1985 a partir de un análisis de ADNc de baja rigurosidad . [6] Rac1 y Rac2 fueron identificados a continuación, en 1989 [7] seguidos por Cdc42 en 1990. [8] Se identificaron ocho miembros Rho de mamíferos adicionales a partir de exámenes biológicos hasta finales de la década de 1990, un punto de inflexión en la biología donde la disponibilidad de secuencias genómicas completas permitió la identificación completa de familias de genes. Todas las células eucariotas contienen Rho GTPasa (que van desde 6 en levaduras hasta 20 en mamíferos). En los mamíferos, la familia Rho está formada por 20 miembros distribuidos en 8 subfamilias: Rho, Rnd, RhoD/F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU/V y RhoBTB. [1]
Ya en 1990, Paterson et al. Comenzó a expresar la proteína Rho activada en fibroblastos suizos 3T3 . [9]
A mediados de la década de 1990, se observó que las proteínas Rho afectaban la formación de proyecciones celulares ("procesos") en los fibroblastos. En un artículo de revisión de 1998, Alan Hall recopiló evidencia que muestra que no sólo los fibroblastos forman procesos tras la activación de Rho, sino que también lo hacen prácticamente todas las células eucariotas. [10]
Un artículo de revisión de 2006 de Bement et al. exploró la importancia de las zonas espaciales de activación de Rho. [11]
La familia Rho de GTPasas pertenece a la superfamilia de proteínas Ras , que consta de más de 150 variedades en mamíferos. Las proteínas Rho a veces denotan algunos miembros de la familia Rho ( RhoA , RhoB y RhoC ) y, a veces, se refieren a todos los miembros de la familia. Este artículo trata sobre la familia en su conjunto.
En los mamíferos, la familia Rho contiene 20 miembros. [1] Casi todas las investigaciones involucran a los tres miembros más comunes de la familia Rho: Cdc42, Rac1 y RhoA.
Estos 20 miembros de mamíferos se subdividen en la subfamilia Rac (Rac1, Rac2, Rac3 y RhoG), la subfamilia Cdc42 (Cdc42, TC10/RhoQ, TCL/RhoJ), la familia RhoUV (RhoV/Chp y RhoU/Wrch-1/). , la subfamilia RhoA (RhoA, RhoB y RhoC), la subfamilia Rnd (Rnd1/Rho6, Rnd2/RhoN y Rnd3/RhoE), la subfamilia RhoD (RhoD y RhoF/Rif), RhoBTB (RhoBTB1&2) y RhoH/TTF. [1]
Se han identificado tres clases generales de reguladores de la señalización de la proteína Rho: factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) , proteínas activadoras de GTPasa (GAP) e inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI) . [12] Los GEF activan las proteínas Rho catalizando el intercambio de GDP por GTP. Los GAP controlan la capacidad de la GTPasa para hidrolizar GTP a GDP , controlando la velocidad natural de movimiento desde la conformación activa a la conformación inactiva. Las proteínas GDI forman un gran complejo con la proteína Rho, lo que ayuda a prevenir la difusión dentro de la membrana y hacia el citosol y, por lo tanto, actúa como un ancla y permite un control espacial estricto de la activación de Rho. [12] En humanos, 82 GEF (71 similares a Dbl [13] y 11 similares a DOCK [14] ) controlan positivamente la actividad de los miembros Rho, mientras que 66 proteínas GAP la controlan negativamente. [15]
Trabajos recientes han revelado importantes mecanismos reguladores adicionales: los microARN regulan el procesamiento postranscripcional de los ARNm que codifican Rho GTPasa; la palmitoilación y la focalización nuclear afectan la distribución intracelular; la fosforilación postraduccional, la transglutaminación y la AMPilación modulan la señalización de Rho GTPasa; y la ubiquitinación controla la estabilidad y el recambio de la proteína Rho GTPasa. Estos modos de regulación aumentan la complejidad de la red de señalización de Rho GTPasas y permiten un control espaciotemporal preciso de Rho GTPasas individuales. [dieciséis]
Cada proteína Rho afecta a numerosas proteínas posteriores, todas las cuales desempeñan funciones en diversos procesos celulares. Se han encontrado más de 60 objetivos de las tres Rho GTPasas comunes. [17] Dos moléculas que estimulan directamente la polimerización de actina son las proteínas Arp2/3 y las forminas relacionadas con Diaphanous. [18]
Las proteínas Rho/Rac participan en una amplia variedad de funciones celulares como la polaridad celular, el tráfico vesicular, el ciclo celular y la dinámica transcriptomal. [2]
Las células animales adoptan muchas formas diferentes según su función y ubicación en el cuerpo. Las proteínas Rho ayudan a las células a regular los cambios de forma a lo largo de su ciclo de vida. Antes de que las células puedan experimentar procesos clave como la gemación, la mitosis o la locomoción, deben tener algún tipo de polaridad celular .
Un ejemplo del papel de las Rho GTPasas en la polaridad celular se observa en la muy estudiada célula de levadura. Antes de que la célula pueda brotar, se utiliza Cdc42 para localizar la región de la membrana celular que comenzará a sobresalir hacia la nueva célula. Cuando se elimina Cdc42 de la célula, las excrecencias aún se forman, pero lo hacen de manera desorganizada. [17]
Uno de los cambios más obvios en la morfología celular controlada por las proteínas Rho es la formación de lamellipodia y filopodia , procesos proyectantes que parecen "dedos" o "pies" y que a menudo impulsan células o conos de crecimiento a través de las superficies. Prácticamente todas las células eucariotas forman tales procesos tras la activación de Rho. [10] Los fibroblastos como las células suizas 3T3 se utilizan a menudo para estudiar estos fenómenos.
Gran parte de lo que se sabe sobre los cambios en la morfología celular y los efectos de las proteínas Rho proviene de la creación de una forma mutada constitutivamente activa de la proteína. La mutación de un aminoácido clave puede alterar la conformación de toda la proteína, haciendo que adopte permanentemente una conformación que se asemeja al estado unido a GTP. [9] Esta proteína no puede inactivarse normalmente mediante la hidrólisis de GTP y, por lo tanto, está "pegado". Cuando una proteína Rho activada de esta manera se expresa en células 3T3, se producen cambios morfológicos como contracciones y formación de filopodios. [9]
Debido a que las proteínas Rho están unidas a las proteínas G y a la membrana plasmática, su ubicación se puede controlar fácilmente. En cada situación, ya sea curación de heridas, citocinesis o gemación , se puede obtener imágenes e identificar la ubicación de la activación de Rho. Por ejemplo, si se produce un agujero circular en una célula esférica, Cdc42 y otros Rhos activos se observan en mayor concentración alrededor de la circunferencia de la lesión circular. [11] Un método para mantener las zonas espaciales de activación es mediante el anclaje al citoesqueleto de actina, evitando que la proteína unida a la membrana se difunda fuera de la región donde más se necesita. [11] Otro método de mantenimiento es mediante la formación de un gran complejo que es resistente a la difusión y está más rígidamente unido a la membrana que el propio Rho. [11]
Además de la formación de lamellipodios y filopodios, la concentración intracelular y la comunicación cruzada entre diferentes proteínas Rho impulsan las extensiones y contracciones que causan la locomoción celular. Sakumura y cols. propuso un modelo basado en ecuaciones diferenciales que ayuda a explicar la actividad de las proteínas Rho y su relación con el movimiento. Este modelo abarcaba las tres proteínas Cdc42, RhoA y Rac. Se supuso que Cdc42 estimulaba el alargamiento de los filopodios y bloqueaba la despolimerización de actina. Se consideró que RhoA fomentaba la retracción de actina. Rac fue tratado para estimular la extensión de los lamellipodios pero bloquear la despolimerización de actina. Estas tres proteínas, aunque significativamente simplificadas, cubrían los pasos clave de la locomoción celular. A través de diversas técnicas matemáticas se encontraron soluciones a las ecuaciones diferenciales que describían diversas regiones de actividad en función de la actividad intracelular. El artículo concluye mostrando que el modelo predice que existen algunas concentraciones umbral que causan efectos interesantes sobre la actividad de la célula. Por debajo de cierta concentración, hay muy poca actividad, lo que no provoca extensión de los brazos y pies de la célula. Por encima de cierta concentración, la proteína Rho provoca una oscilación sinusoidal muy parecida a las extensiones y contracciones de los lamellipodios y filopodios. En esencia, este modelo predice que el aumento de la concentración intracelular de estas tres proteínas Rho activas clave provoca una actividad desfasada de la célula, lo que da como resultado extensiones y contracciones que también están desfasadas. [19]
Un ejemplo de comportamiento modulado por las proteínas Rho GTPasa es la curación de heridas. Las heridas sanan de manera diferente entre los polluelos jóvenes y los pollos adultos. En los polluelos, las heridas sanan por contracción, de forma muy parecida a como se tira de un cordón para cerrar una bolsa. En los pollos mayores, las células se arrastran por la herida mediante locomoción. La formación de actina necesaria para cerrar las heridas en los polluelos está controlada por las proteínas Rho GTPasa, ya que después de la inyección de una exoenzima bacteriana utilizada para bloquear la actividad rho y rac, los polímeros de actina no se forman y, por lo tanto, la curación falla por completo. [20]
Los estudios en fibroblastos indican una retroalimentación positiva entre la actividad de Cdc42 y el flujo de salida de H+ por la isoforma 1 del intercambiador de Na-H (NHE1) en el borde de ataque de las células migratorias. El flujo de salida de H+ mediado por NHE1 es necesario para la unión del GTP catalizado por el factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) a Cdc42, lo que sugiere un mecanismo para la regulación de la polaridad por parte de esta pequeña GTPasa en las células migratorias. [21]
Otro comportamiento celular que se ve afectado por las proteínas rho es la fagocitosis. Como ocurre con la mayoría de los otros tipos de modulación de la membrana celular, la fagocitosis requiere el citoesqueleto de actina para fagocitar otros elementos. Los filamentos de actina controlan la formación de la copa fagocítica, y Rac1 y Cdc42 activos han sido implicados en esta cascada de señalización. [22]
Otro aspecto importante del comportamiento celular que se cree que incluye la señalización de la proteína rho es la mitosis . Si bien durante años se pensó que la actividad de la rho GTPasa estaba restringida a la polimerización de actina y, por lo tanto, a la citocinesis , que ocurre después de la mitosis, ha surgido nueva evidencia que muestra cierta actividad en la formación de microtúbulos y el proceso de mitosis en sí. Este tema todavía se debate y hay evidencia tanto a favor como en contra de la importancia de rho en la mitosis. [23]
Debido a sus implicaciones en la motilidad y la forma celular, las proteínas Rho se convirtieron en un objetivo claro en el estudio de los conos de crecimiento que se forman durante la generación y regeneración axonal en el sistema nervioso. Las proteínas Rho pueden ser un objetivo potencial para su administración en lesiones de la médula espinal después de una lesión traumática. Después de una lesión en la médula espinal, el espacio extracelular se vuelve inhibidor de los esfuerzos naturales que realizan las neuronas para regenerarse.
Estos esfuerzos naturales incluyen la formación de un cono de crecimiento en el extremo proximal de un axón lesionado. Posteriormente, los conos de crecimiento recién formados intentan "arrastrarse" a través de la lesión. Estos son sensibles a señales químicas en el ambiente extracelular. Una de las muchas señales inhibidoras incluye los proteoglicanos de sulfato de condroitina (CSPG). Las neuronas que crecen en cultivo se vuelven más capaces de cruzar regiones de sustrato recubiertas con CSPG después de la expresión de Cdc42 o Rac1 constitutivamente activo [24] o la expresión de una forma negativa dominante (inhibición) de RhoA [ cita requerida ] . Esto se debe en parte a que las proteínas Rho exógenas impulsan la locomoción celular a pesar de las señales extracelulares que promueven la apoptosis y el colapso del cono de crecimiento. Por tanto, la modulación intracelular de las proteínas Rho ha adquirido interés en la investigación dirigida a la regeneración de la médula espinal.
La disfunción de las proteínas Rho también se ha relacionado con la discapacidad intelectual . La discapacidad intelectual en algunos casos implica una malformación de las espinas dendríticas , que forman las conexiones postsinápticas entre las neuronas . Las espinas dendríticas deformadas pueden ser el resultado de la modulación de la señalización de la proteína rho. Después de la clonación de varios genes implicados en el retraso mental ligado al cromosoma X , se identificaron tres genes que tienen efectos sobre la señalización de Rho, incluida la oligofrenina-1 (una proteína GAP que estimula la actividad GTPasa de Rac1, Cdc42 y RhoA), PAK3 (implicada con los efectos de Rac y Cdc42 en el citoesqueleto de actina) y αPIX (un GEF que ayuda a activar Rac1 y Cdc42). [25] Debido al efecto de la señalización Rho en el citoesqueleto de actina, las disfunciones genéticas de una proteína rho podrían explicar la morfología irregular de las dendritas neuronales observadas en algunos casos de retraso mental.
Después de descubrir que las proteínas Ras están mutadas en el 30% de los cánceres humanos, se sospechó que las proteínas Rho mutadas también podrían estar implicadas en la reproducción del cáncer. [12] Sin embargo, en agosto de 2007, no se han encontrado mutaciones oncogénicas en las proteínas Rho, y sólo una se ha encontrado genéticamente alterada. [12] Para explicar el papel de las vías Rho sin mutación, los investigadores ahora han recurrido a los reguladores de la actividad rho y los niveles de expresión de las proteínas Rho en busca de respuestas.
Una forma de explicar la señalización alterada en ausencia de mutación es mediante una mayor expresión. Se ha demostrado la sobreexpresión de RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH y Cdc42 en múltiples tipos de cáncer. [12] Esta mayor presencia de tantas moléculas de señalización implica que estas proteínas promueven las funciones celulares que se vuelven demasiado activas en las células cancerosas.
Un segundo objetivo para explicar el papel de las proteínas Rho en el cáncer son sus proteínas reguladoras. Las proteínas Rho están estrechamente controladas por una amplia variedad de fuentes y se han identificado más de 60 activadores y 70 inactivadores. [17] Se ha demostrado que múltiples GAP, GDI y GEF sufren sobreexpresión, regulación negativa o mutación en diferentes tipos de cáncer. [12] Una vez que se cambia una señal aguas arriba, la actividad de sus objetivos aguas abajo (es decir, las proteínas Rho) cambiará en actividad.
Ellenbroek et al. Describió una serie de efectos diferentes de la activación de Rho en células cancerosas. En primer lugar, en el inicio del tumor, la modificación de la actividad Rho puede suprimir la apoptosis y, por tanto, contribuir a la longevidad celular artificial. Una vez suprimida la apoptosis natural, se puede observar un crecimiento tumoral anormal debido a la pérdida de polaridad en la que las proteínas Rho desempeñan un papel integral. A continuación, la masa en crecimiento puede invadir sus límites normales mediante la alteración de las proteínas de adhesión potencialmente causadas por las proteínas Rho. [12] Finalmente, después de la inhibición de la apoptosis, la polaridad celular y las moléculas de adhesión, la masa cancerosa queda libre para metastatizarse y extenderse a otras regiones del cuerpo.
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Se han identificado varias mutaciones en las proteínas Rho en la secuenciación a gran escala de cánceres. Estas mutaciones se enumeran en la base de datos del Catálogo de mutaciones somáticas (http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/). Se desconocen las consecuencias funcionales de estas mutaciones.
