Los factores de intercambio de nucleótidos de guanina ( GEF ) son proteínas o dominios proteicos que activan GTPasas monoméricas al estimular la liberación de difosfato de guanosina (GDP) para permitir la unión de trifosfato de guanosina (GTP). [1] Se ha demostrado que una variedad de dominios estructurales no relacionados exhiben actividad de intercambio de nucleótidos de guanina. Algunos GEF pueden activar múltiples GTPasas mientras que otros son específicos de una sola GTPasa.
Los factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) son proteínas o dominios proteicos que participan en la activación de las GTPasas pequeñas . Las GTPasas pequeñas actúan como interruptores moleculares en las vías de señalización intracelular y tienen muchos objetivos posteriores. Las GTPasas más conocidas comprenden la superfamilia Ras y están involucradas en procesos celulares esenciales como la diferenciación y proliferación celular, la organización del citoesqueleto, el tráfico de vesículas y el transporte nuclear. [2] Las GTPasas son activas cuando se unen a GTP e inactivas cuando se unen a GDP, lo que permite que su actividad sea regulada por los GEF y las proteínas activadoras de GTPasa opuestas (GAP). [3]
El GDP se disocia de las GTPasas inactivas muy lentamente. [3] La unión de los GEF a sus sustratos de GTPasa cataliza la disociación del GDP, lo que permite que una molécula de GTP se una en su lugar. Los GEF funcionan para promover la disociación del GDP. Después de que el GDP se ha disociado de la GTPasa, el GTP generalmente se une en su lugar, ya que la relación citosólica de GTP es mucho mayor que el GDP a 10:1. [4] La unión de GTP a la GTPasa da como resultado la liberación del GEF, que luego puede activar una nueva GTPasa. [5] [6] Por lo tanto, los GEF desestabilizan la interacción de la GTPasa con el GDP y estabilizan la GTPasa libre de nucleótidos hasta que una molécula de GTP se une a ella. [7] Las GAP (proteína activadora de GTPasa) actúan de manera antagónica para inactivar las GTPasas al aumentar su tasa intrínseca de hidrólisis de GTP. El GDP permanece unido a la GTPasa inactiva hasta que un GEF se une y estimula su liberación. [3]
La localización de los GEF puede determinar en qué parte de la célula estará activa una GTPasa en particular. Por ejemplo, el GEF Ran , RCC1 , está presente en el núcleo mientras que el Ran GAP está presente en el citosol, modulando la importación y exportación nuclear de proteínas. [8] RCC1 convierte RanGDP en RanGTP en el núcleo, activando a Ran para la exportación de proteínas. Cuando el Ran GAP cataliza la conversión de RanGTP en RanGDP en el citosol, se libera la carga proteica.
El mecanismo de activación de la GTPasa varía entre los distintos GEF. Sin embargo, existen algunas similitudes en la forma en que los distintos GEF alteran la conformación del sitio de unión del nucleótido de la proteína G. Las GTPasas contienen dos bucles llamados interruptor 1 e interruptor 2 que están situados a cada lado del nucleótido unido. Estas regiones y el bucle de unión al fosfato de la GTPasa interactúan con los fosfatos del nucleótido y un ion magnesio coordinador para mantener la unión de alta afinidad del nucleótido. La unión del GEF induce cambios conformacionales en el bucle P y las regiones de conmutación de la GTPasa mientras que el resto de la estructura permanece prácticamente inalterado. La unión del GEF obstaculiza estéricamente el sitio de unión al magnesio e interfiere con la región de unión al fosfato, mientras que la región de unión a las bases permanece accesible. Cuando el GEF se une a la GTPasa, los grupos fosfato se liberan primero y el GEF se desplaza al unirse a la molécula de GTP entrante. Aunque este esquema general es común entre los GEF, las interacciones específicas entre las regiones de la GTPasa y el GEF varían entre proteínas individuales. [9]
Algunos GEF son específicos de una única GTPasa, mientras que otros tienen múltiples sustratos de GTPasa. Si bien las diferentes subfamilias de GTPasas de la superfamilia Ras tienen un dominio de unión a GTP conservado, este no es el caso de los GEF. Diferentes familias de GEF corresponden a diferentes subfamilias Ras. Los dominios funcionales de estas familias de GEF no están relacionados estructuralmente y no comparten homología de secuencia. Estos dominios GEF parecen no estar relacionados evolutivamente a pesar de tener una función y sustratos similares. [7]
El dominio de homología CDC25, también llamado dominio RasGEF , es el dominio catalítico de muchos GEF Ras, que activan las GTPasas Ras. El dominio CDC25 comprende aproximadamente 500 aminoácidos y se identificó por primera vez en la proteína CDC25 en la levadura en ciernes ( Saccharomyces cerevisiae ) . [10]
Los RhoGEF similares a Dbl estuvieron presentes en el origen de los eucariotas y evolucionaron como mediadores de señalización celular altamente adaptativos. [11] Los RhoGEF similares a Dbl se caracterizan por la presencia de un dominio de homología Dbl ( dominio DH ), responsable de la actividad catalítica de GEF para las GTPasas Rho . [12] El genoma humano codifica 71 miembros, distribuidos en 20 subfamilias. Los 71 miembros ya estaban presentes en los primeros vertebrados, y la mayoría de las 20 subfamilias ya estaban presentes en los primeros metazoos. Muchas de las proteínas de la familia Dbl de mamíferos son específicas de tejido y su número en los metazoos varía en proporción a la complejidad de la señalización celular. Los dominios de homología de pleckstrina ( dominios PH ) están asociados en tándem con los dominios DH en 64 de los 71 miembros de la familia Dbl. El dominio PH se encuentra inmediatamente adyacente al extremo C del dominio DH. Juntos, estos dos dominios constituyen la unidad estructural mínima necesaria para la actividad de la mayoría de las proteínas de la familia Dbl. El dominio PH está involucrado en la orientación intracelular del dominio DH. En general, se cree que modula la unión a la membrana a través de interacciones con fosfolípidos, pero se ha demostrado que su función varía en diferentes proteínas. [13] [14] Este dominio PH también está presente en otras proteínas más allá de los RhoGEF.
El dominio DHR2 es el dominio catalítico de la familia DOCK de GEF Rho. Al igual que el dominio DH , DHR2 ya estaba presente en el origen de los eucariotas. [11] La familia DOCK es un subconjunto separado de GEF de la familia Dbl y no tiene relación estructural o de secuencia con el dominio DH. Hay 11 miembros identificados de la familia DOCK divididos en subfamilias según su activación de Rac y Cdc42 . Los miembros de la familia DOCK están involucrados en la migración celular, la morfogénesis y la fagocitosis. El dominio DHR2 tiene aproximadamente 400 aminoácidos. Estas proteínas también contienen un segundo dominio conservado, DHR1, que tiene aproximadamente 250 aminoácidos. Se ha demostrado que el dominio DHR1 está involucrado en la localización de la membrana de algunos GEF. [15]
El dominio Sec7 es responsable de la actividad catalítica de GEF en las GTPasas ARF. Las proteínas ARF funcionan en el tráfico de vesículas . Aunque los GEF ARF son divergentes en sus secuencias generales, contienen un dominio Sec 7 conservado. Esta región de 200 aminoácidos es homóloga a la proteína Sec7p de levadura. [16]
Los GEF suelen ser reclutados por proteínas adaptadoras en respuesta a señales ascendentes. Los GEF son proteínas multidominio e interactúan con otras proteínas dentro de la célula a través de estos dominios. [13] Las proteínas adaptadoras pueden modular la actividad de los GEF al interactuar con otros dominios además del dominio catalítico. Por ejemplo, SOS 1, el GEF Ras en la vía MAPK/ERK , es reclutado por la proteína adaptadora GRB2 en respuesta a la activación del receptor EGF . La unión de SOS1 a GRB2 lo localiza en la membrana plasmática, donde puede activar el Ras unido a la membrana . [17] Otros GEF, como el Rho GEF Vav1 , se activan tras la fosforilación en respuesta a señales ascendentes. [18] Los mensajeros secundarios como el AMPc y el calcio también pueden desempeñar un papel en la activación de los GEF. [3]
También se ha demostrado una comunicación cruzada entre los GEF y múltiples vías de señalización de GTPasa. Por ejemplo, SOS contiene un dominio de homología Dbl además de su dominio catalítico CDC25. SOS puede actuar como un GEF para activar Rac1 , una RhoGTPasa, además de su función como GEF para Ras. Por lo tanto, SOS es un vínculo entre las vías de señalización de GTPasa de la familia Ras y la familia Rho. [14]
Los GEF son un objetivo potencial para la terapia del cáncer debido a su papel en muchas vías de señalización, particularmente la proliferación celular. Por ejemplo, muchos cánceres son causados por mutaciones en la vía MAPK/ERK que conducen a un crecimiento descontrolado. El GEF SOS1 activa Ras, cuyo objetivo es la quinasa Raf . Raf es un protooncogén porque se han encontrado mutaciones en esta proteína en muchos cánceres. [6] [13] Se ha demostrado que la Rho GTPasa Vav1 , que puede ser activada por el receptor GEF, promueve la proliferación tumoral en el cáncer de páncreas. [18] Los GEF representan posibles objetivos terapéuticos ya que potencialmente pueden desempeñar un papel en la regulación de estas vías a través de su activación de GTPasas.
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