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 están involucradas en una variedad de procesos celulares importantes. Las proteínas G grandes, por ejemplo, están involucradas en la transducción de la señalización del receptor acoplado a proteína G para una variedad de procesos de señalización como la señalización hormonal, [2] y las proteínas G pequeñas están involucradas 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 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]
Las GAP están estrechamente relacionadas con la familia de receptores ligados a la proteína G. La actividad de las proteínas G proviene de su capacidad para unirse al guanosín trifosfato (GTP). La unión del GTP modifica inherentemente la actividad de las proteínas G y aumenta su actividad, a través de la pérdida de subunidades inhibidoras. [5] En este estado más activo, las proteínas G pueden unirse a otras proteínas y activar dianas de señalización posteriores. Todo este proceso está regulado por las GAP, que pueden regular a la baja la actividad de las proteínas G.
Las proteínas G pueden hidrolizar débilmente el GTP, rompiendo un enlace de fosfato para formar GDP. [5] En el estado unido al 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 proteínas G al aumentar la actividad hidrolítica de la GTPasa de las proteínas G, de ahí el nombre de proteína activadora de la GTPasa.
Se cree que las GAP sirven para hacer que el GTP en la proteína G sea 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 similar a un 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 el agua. [6] Esto hace que el GTP sea un mejor sustrato para la reacción. De manera similar, las GAP parecen inducir una distribución de carga similar al GDP en el GTP unido. [7] Debido a que el cambio en la distribución de carga hace que el sustrato de GTP sea más similar a los productos de la reacción, GDP y monofosfato, esto, junto con la apertura de la molécula para el ataque nucleofílico, reduce la barrera de energía del estado de transición de la reacción y permite que el GTP se hidrolice más fácilmente. Las GAP, entonces, funcionan 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. Las GAP, entonces, son fundamentales en la regulación de las proteínas G.
En general, las GAP tienden a ser bastante específicas para sus proteínas G objetivo. El mecanismo exacto de la especificidad del objetivo no se conoce por completo, pero es probable que esta especificidad provenga de una variedad de factores. [ cita requerida ] En el nivel más básico, la especificidad de la GAP a la proteína 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 bastones y conos en la retina del ojo, y es el único que interactúa con las proteínas G involucradas en la fototransducción en esta área. [8] Una cierta GAP y una cierta proteína G se expresan en el mismo momento y lugar, y así es como la célula asegura la especificidad. Mientras tanto, las proteínas de andamiaje también pueden secuestrar la GAP adecuada a su proteína G y mejorar las interacciones de unión adecuadas. [8] Estas interacciones de unión pueden ser específicas para una GAP y proteína G en particular. Además, las GAP pueden tener dominios de aminoácidos particulares que reconocen solo una proteína G en particular. La unión a otras proteínas G puede no tener las mismas interacciones favorables y, por lo tanto, no interactúan. Por lo tanto, las 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 pequeñas GTPasas como RhoA, Rac1 y Rac2. [10]
Las 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 a la célula. Ran se activa y desactiva mediante GEF y GAP, 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 las GAP sirven para regular las proteínas G, también existe cierto nivel de regulación de las GAP mismas. Muchas GAP tienen sitios alostéricos que sirven como interfaces con objetivos posteriores de la ruta particular que regulan. Por ejemplo, RGS9-1, la GAP en los fotorreceptores de arriba, interactúa con la fosfodiesterasa de cGMP (cGMP PDE), un componente posterior de la fototransducción en la retina. Al unirse con cGMP PDE, la actividad de GAP de RGS9-1 se mejora. [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 los objetivos posteriores a GAP sirve como un ciclo de retroalimentación negativa que finalmente desactiva la señalización que se activó originalmente. Las GAP están reguladas por objetivos de la proteína G que regulan.
También existen ejemplos de mecanismos reguladores negativos, en los que los objetivos posteriores de la señalización de la proteína G inhiben las GAP. En los canales de potasio regulados por la proteína G, el fosfatidilinositol 3, 4, 5-trifosfato (PIP3) es un objetivo posterior de la señalización de la proteína G. PIP3 se une a la GAP RGS4 y la inhibe. [11] Tal inhibición de la GAP puede tal vez "preparar" la vía de señalización para la activación. Esto crea una ventana de actividad para las proteínas G una vez activadas porque la 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 la GAP uniéndose competitivamente al mismo sitio y, al hacerlo, reactivan la GAP para desactivar la señalización de la proteína G. [11] Este proceso particular demuestra tanto la inhibición como la activación de la GAP por sus reguladores. Existe una comunicación cruzada entre la GAP y otros componentes de la vía de señalización que regulan la actividad de la GAP.
Se han realizado algunos hallazgos que sugieren la posibilidad de una comunicación cruzada entre GAP. Un estudio reciente mostró que el GAP p120Ras podría unirse al GAP Rho de DLC1 en su dominio catalítico. La unión del GAP Ras al GAP Rho inhibe la actividad del GAP Rho, activando así la proteína G Rho. [12] Un GAP actúa como regulador negativo de otro GAP. Las razones de dicha regulación cruzada entre GAP aún no están claras, pero una posible hipótesis es que esta comunicación cruzada entre GAP atenúa la señal de "apagado" de todos los GAP. Aunque el GAP p120Ras está activo, por lo que inhibe esa vía en particular, otros procesos celulares pueden continuar porque inhibe otros GAP. Esto puede garantizar que todo el sistema no se apague a partir de 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 están involucradas en el ciclo celular y, como tales, se las conoce 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 induce en última instancia el crecimiento y la proliferación celular regulados. Sin embargo, en el estado de cáncer, dicho crecimiento ya no está regulado y da como resultado 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 su GAP. En el primer caso, las proteínas G no pueden hidrolizar 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 las activadas porque los GEF intercambian GDP por GTP en estas proteínas. Sin GAP que frene la actividad de la proteína G, esto da como resultado proteínas G constitutivamente activas, crecimiento celular descontrolado y estado canceroso. En el segundo caso, 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 de proteína G no funcional, las GAP no pueden activar la actividad de GTPasa y la proteína G está constitutivamente activa. Esto también da como resultado un crecimiento celular descontrolado y cáncer. Los ejemplos de mal funcionamiento de GAP son omnipresentes en la clínica. Algunos casos implican una expresión reducida del gen GAP. Por ejemplo, algunos casos recientemente caracterizados de células de cáncer de tiroides papilar en pacientes muestran una expresión reducida de Rap1GAP, y esta expresión es aparentemente causada por una expresión reducida del ARNm de GAP, demostrada por 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 al silenciamiento epigenético inadecuado del gen. Estas células tienen metilaciones de CpG cerca del gen que, en efecto, silencian la transcripción del gen. [15] La regulación de las proteínas G se pierde porque el regulador está ausente, lo que resulta en cáncer.
Otros tipos de cáncer muestran una pérdida de sensibilidad de la proteína G a las GAP. Estas proteínas G adquieren mutaciones sin sentido que alteran la actividad GTPasa inherente de las proteínas. Las proteínas G mutantes siguen unidas a las GAP [16] , pero el aumento de la actividad GTPasa por las GAP no tiene sentido cuando se pierde la actividad GTPasa de la propia proteína G. Las GAP actúan activando una enzima hidrolítica no funcional. Por ejemplo, se ha demostrado que las células de cáncer de vejiga T24 tienen una mutación sin sentido, G12V, que da lugar a una proteína Ras constitutivamente activa [17] . A pesar de la presencia del regulador de la 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 tanto, las 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.
