Las proteínas activadoras de GTPasa o proteínas aceleradoras de GTPasa ( GAP ) son una familia de proteínas reguladoras cuyos miembros pueden unirse a proteínas G activadas y estimular su actividad GTPasa , con el resultado de terminar el evento de señalización. [1] Las GAP también se conocen como proteína RGS o proteínas RGS, [2] y estas proteínas son cruciales para controlar la actividad de las proteínas G. La regulación de las proteínas G es importante porque estas proteínas participan en una variedad de procesos celulares importantes. Las proteínas G grandes, por ejemplo, participan en la transducción de la señalización del receptor acoplado a la proteína G para una variedad de procesos de señalización como la señalización hormonal, [2] y las proteínas G pequeñas participan en procesos como el tráfico celular y el ciclo celular. [3] El papel de GAP en esta función es desactivar la actividad de la proteína G. En este sentido, la función de los GAP es opuesta a la de los factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF), que sirven para mejorar la señalización de la proteína G. [4]
Los GAP están fuertemente vinculados a la familia de receptores vinculados a la proteína G. La actividad de las proteínas G proviene de su capacidad para unirse al trifosfato de guanosina (GTP). La unión de GTP cambia inherentemente la actividad de las proteínas G y aumenta su actividad mediante la pérdida de subunidades inhibidoras. [5] En este estado más activo, las proteínas G pueden unirse a otras proteínas y activar objetivos de señalización posteriores. Todo este proceso está regulado por GAP, que pueden regular negativamente la actividad de las proteínas G.
Las proteínas G pueden hidrolizar débilmente el GTP, rompiendo un enlace de fosfato para producir PIB. [5] En el estado unido a GDP, las proteínas G se inactivan posteriormente y ya no pueden unirse a sus objetivos. [5] Sin embargo, esta reacción de hidrólisis ocurre muy lentamente, lo que significa que las proteínas G tienen un temporizador incorporado para su actividad. Las proteínas G tienen una ventana de actividad seguida de una hidrólisis lenta, que las desactiva. GAP acelera este temporizador de proteína G al aumentar la actividad hidrolítica de la GTPasa de las proteínas G, de ahí el nombre de proteína activadora de GTPasa.
Se cree que los GAP sirven para hacer del GTP de la proteína G un mejor sustrato para el ataque nucleofílico y reducir la energía del estado de transición para la reacción de hidrólisis. Por ejemplo, muchas GAP de las proteínas G pequeñas tienen un dominio conservado en forma de dedo, generalmente un dedo de arginina , que cambia la conformación de la proteína G unida a GTP para orientar el GTP para un mejor ataque nucleofílico por parte del agua. [6] Esto hace que el GTP sea un mejor sustrato para la reacción. De manera similar, las BPA parecen inducir una distribución de cargas similar al PIB en el GTP consolidado. [7] Debido a que el cambio en la distribución de carga hace que el sustrato de GTP se parezca más a los productos de la reacción, PIB y monofosfato, esto, junto con la apertura de la molécula para el ataque nucleofílico, reduce la barrera energética del estado de transición de la reacción y permite que el GTP sea hidrolizado más fácilmente. Los GAP, entonces, trabajan para mejorar la reacción de hidrólisis de GTP de las proteínas G. Al hacerlo, aceleran el temporizador incorporado de la proteína G, que inactiva las proteínas G más rápidamente y, junto con la inactivación de los GEF, esto mantiene apagada la señal de la proteína G. Por tanto, las GAP son fundamentales en la regulación de las proteínas G.
En general, los GAP tienden a ser bastante específicos para sus proteínas G diana. El mecanismo exacto de la especificidad del objetivo no se conoce completamente, pero es probable que esta especificidad provenga de una variedad de factores. [ cita necesaria ] En el nivel más básico, la especificidad de la proteína GAP a G puede provenir simplemente del momento y la ubicación de la expresión de la proteína. RGS9-1, por ejemplo, se expresa específicamente en los fotorreceptores de conos y bastones de la retina del ojo y es el único que interactúa con las proteínas G implicadas en la fototransducción en esta área. [8] Un determinado GAP y una determinada proteína G se expresan en el mismo momento y lugar, y así es como la célula garantiza la especificidad. Mientras tanto, las proteínas de andamio también pueden secuestrar el GAP adecuado a su proteína G y mejorar las interacciones de unión adecuadas. [8] Estas interacciones de unión pueden ser específicas para una proteína GAP y G en particular. Además, las GAP pueden tener dominios de aminoácidos particulares que reconocen sólo una proteína G particular. La unión a otras proteínas G puede no tener las mismas interacciones favorables y, por lo tanto, no interactúan. Por tanto, los GAP pueden regular proteínas G específicas.
EIF5 es una proteína activadora de GTPasa. [9] Además, YopE es un dominio proteico que es una proteína activadora de GTPasa Rho (GAP), que se dirige a GTPasas pequeñas como RhoA, Rac1 y Rac2. [10]
Los GAP que actúan sobre pequeñas proteínas de unión a GTP de la superfamilia Ras tienen estructuras conservadas y utilizan mecanismos similares.
Un ejemplo de GTPasa es el monómero Ran , que se encuentra tanto en el citosol como en el núcleo. Se cree que la hidrólisis de GTP por Ran proporciona la energía necesaria para transportar proteínas nucleares al interior de la célula. Los GEF y GAP activan y desactivan Ran, respectivamente.
La mayoría de las GAP que actúan sobre las subunidades alfa de las proteínas G heterotriméricas pertenecen a una familia distinta, la familia de proteínas RGS .
Si bien los GAP sirven para regular las proteínas G, también existe cierto nivel de regulación de los propios GAP. Muchos GAP tienen sitios alostéricos que sirven como interfaces con objetivos posteriores del camino particular que regulan. Por ejemplo, RGS9-1, el GAP en los fotorreceptores superiores, interactúa con la cGMP fosfodiesterasa (cGMP PDE), un componente posterior de la fototransducción en la retina. Tras la unión con cGMP PDE, se mejora la actividad de RGS9-1 GAP. [8] En otras palabras, un objetivo posterior de la señalización inducida por fotorreceptores se une y activa el inhibidor de la señalización, GAP. Esta unión reguladora positiva de objetivos posteriores a GAP sirve como un circuito de retroalimentación negativa que eventualmente apaga la señalización que se activó originalmente. Los GAP están regulados por objetivos de la proteína G que regulan.
También hay ejemplos de mecanismos reguladores negativos, donde los objetivos posteriores de la señalización de la proteína G inhiben las GAP. En los canales de potasio dependientes de la proteína G, el fosfatidilinositol 3, 4, 5-trifosfato (PIP3) es un objetivo posterior de la señalización de la proteína G. PIP3 se une e inhibe el RGS4 GAP. [11] Tal inhibición de GAP quizás pueda "preparar" la vía de señalización para su activación. Esto crea una ventana de actividad para las proteínas G una vez activadas porque el GAP se inhibe temporalmente. Cuando se activa el canal de potasio, se libera Ca2+ y se une a la calmodulina. Juntos, desplazan a PIP3 de GAP uniéndose competitivamente al mismo sitio y, al hacerlo, reactivan GAP para desactivar la señalización de la proteína G. [11] Este proceso particular demuestra tanto la inhibición como la activación de GAP por parte de sus reguladores. Existe una interacción entre GAP y otros componentes de la vía de señalización que regulan la actividad de GAP.
Ha habido algunos hallazgos que sugieren la posibilidad de interferencia entre las BPA. Un estudio reciente demostró que p120Ras GAP podría unirse al DLC1 Rho GAP en su dominio catalítico. La unión de Ras GAP a Rho GAP inhibe la actividad de Rho GAP, activando así la proteína Rho G. [12] Un GAP sirve como regulador negativo de otro GAP. Las razones de tal regulación cruzada entre las GAP aún no están claras, pero una posible hipótesis es que esta interferencia entre las GAP atenúa la señal de "apagado" de todas las GAP. Aunque el p120Ras GAP está activo y, por lo tanto, inhibe esa vía en particular, otros procesos celulares aún pueden continuar porque inhibe otros GAP. Esto puede garantizar que todo el sistema no se apague debido a una única señal de apagado . La actividad de GAP es muy dinámica e interactúa con muchos otros componentes de las vías de señalización.
La importancia de las GAP proviene de su regulación de las proteínas G cruciales. Muchas de estas proteínas G participan en el ciclo celular y, como tales, se conocen como protooncogenes . La superfamilia Ras de proteínas G, por ejemplo, se ha asociado con muchos cánceres porque Ras es un objetivo común de muchos factores de crecimiento como el FGF o factor de crecimiento de fibroblastos. [13] En condiciones normales, esta señalización finalmente induce el crecimiento y la proliferación celular regulados. Sin embargo, en el estado de cáncer, dicho crecimiento ya no está regulado y da lugar a la formación de tumores.
A menudo, este comportamiento oncogénico se debe a una pérdida de función de las GAP asociadas con esas proteínas G o a una pérdida de la capacidad de la proteína G para responder a sus GAP. En el caso del primero, las proteínas G no pueden hidrolizar el GTP rápidamente, lo que da como resultado una expresión sostenida de la forma activa de las proteínas G. Aunque las proteínas G tienen una actividad hidrolítica débil, en presencia de GEF funcionales, las proteínas G inactivadas se reemplazan constantemente por otras activadas porque los GEF intercambian GDP por GTP en estas proteínas. Sin GAP para frenar la actividad de la proteína G, esto da como resultado proteínas G constitutivamente activas, crecimiento celular desregulado y estado canceroso. En el caso de este último, una pérdida de la capacidad de la proteína G para responder a GAP, las proteínas G han perdido su capacidad para hidrolizar GTP. Con una enzima proteína G no funcional, las GAP no pueden activar la actividad GTPasa y la proteína G está activada constitutivamente. Esto también da como resultado un crecimiento celular desregulado y cáncer. Los ejemplos de mal funcionamiento de GAP son omnipresentes en la clínica. Algunos casos implican una expresión disminuida del gen GAP. Por ejemplo, algunos casos recientemente caracterizados de células de cáncer papilar de tiroides en pacientes muestran una expresión disminuida de Rap1GAP, y esta expresión aparentemente es causada por una expresión disminuida del ARNm de GAP, como se muestra en experimentos de qRT-PCR. [14] En este caso, parece haber una pérdida de la expresión adecuada del gen Rap1GAP. En otro caso, la expresión de Ras GAP se pierde en varios cánceres debido a un silenciamiento epigenético inadecuado del gen. Estas células tienen metilaciones CpG cerca del gen que, de hecho, silencian la transcripción del gen. [15] La regulación de las proteínas G se pierde porque el regulador está ausente, lo que provoca cáncer.
Otros cánceres muestran una pérdida de sensibilidad de la proteína G a los GAP. Estas proteínas G adquieren mutaciones sin sentido que alteran la actividad GTPasa inherente de las proteínas. Las proteínas G mutantes todavía están unidas a las GAP, [16] pero mejorar la actividad GTPasa mediante las GAP no tiene sentido cuando se pierde la actividad GTPasa de la propia proteína G. GAP actúa para activar una enzima hidrolítica no funcional. Por ejemplo, se demostró que las células de cáncer de vejiga T24 tienen una mutación sin sentido, G12V, que da como resultado la proteína Ras constitutivamente activa. [17] A pesar de la presencia del regulador de proteína G, la regulación se pierde debido a una pérdida de función en la propia proteína G. Esta pérdida de función también se manifiesta en el cáncer. Por lo tanto, los GAP y su interacción con las proteínas G son muy importantes desde el punto de vista clínico y son objetivos potenciales para las terapias contra el cáncer.
