Família Rho de GTPases - Rho family of GTPases
A família Rho de GTPases é uma família de proteínas G de sinalização pequenas (~ 21 kDa) e é uma subfamília da superfamília Ras . Foi demonstrado que os membros da família Rho GTPase regulam muitos aspectos da dinâmica intracelular da actina e são encontrados em todos os reinos eucarióticos, incluindo leveduras e algumas plantas. Três membros da família foram estudados em detalhes: Cdc42 , Rac1 e RhoA . Todas as proteínas G são "interruptores moleculares" e as proteínas Rho desempenham um papel no desenvolvimento de organelas , na dinâmica do citoesqueleto , no movimento celular e em outras funções celulares comuns.
História
A identificação da família Rho de GTPases começou em meados da década de 1980. O primeiro membro Rho identificado foi RhoA, isolado por acaso em 1985 a partir de um rastreio de cDNA de baixo rigor . Rac1 e Rac2 foram identificados em seguida, em 1989, seguidos por Cdc42 em 1990. Oito membros Rho mamíferos adicionais foram identificados a partir de exames biológicos até o final dos anos 1990, um ponto de viragem na biologia onde a disponibilidade de sequências completas do genoma permitiu a identificação completa de famílias de genes. Todas as células eucariotas contêm Rho GTPase (variando de 6 em leveduras a 20 em mamíferos). Nos mamíferos, a família Rho é assim composta por 20 membros distribuídos em 8 subfamílias: Rho, Rnd, RhoD / F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU / V e RhoBTB.
Já em 1990, Paterson et al. começou a expressar a proteína Rho ativada em fibroblastos suíços 3T3 .
Em meados da década de 1990, observou-se que as proteínas Rho afetavam a formação de projeções celulares ("processos") nos fibroblastos. Em um artigo de revisão de 1998, Alan Hall compilou evidências mostrando que não apenas os fibroblastos formam processos após a ativação de Rho, mas o mesmo acontece com virtualmente todas as células eucarióticas.
Um artigo de revisão de 2006 de Bement et al. explorou a importância das zonas espaciais de ativação Rho.
Categorização
A família Rho de GTPases pertence à superfamília de proteínas Ras , que consiste em mais de 150 variedades em mamíferos. As proteínas Rho às vezes denotam alguns membros da família Rho ( RhoA , RhoB e RhoC ), e às vezes se referem a todos os membros da família. Este artigo é sobre a família como um todo.
Nos mamíferos, a família Rho contém 20 membros. Quase todas as pesquisas envolvem os três membros mais comuns da família Rho: Cdc42, Rac1 e RhoA.
| Membro da família Rho | Ação nos filamentos de actina |
|---|---|
| Cdc42 | afeta filopodia |
| Rac1 | afeta lamelipódios |
| RhoA | afeta as fibras de estresse |
Estes 20 membros mamíferos são subdivididos na subfamília Rac (Rac1, Rac2, Rac3 e RhoG), na subfamília Cdc42 (Cdc42, TC10 / RhoQ, TCL / RhoJ), na família RhoUV (RhoV / Chp e RhoU / Wrch-1 /) , Subfamília RhoA (RhoA, RhoB e RhoC), a subfamília Rnd (Rnd1 / Rho6, Rnd2 / RhoN e Rnd3 / RhoE), a subfamília RhoD (RhoD e RhoF / Rif), RhoBTB (RhoBTB1 / 2) e RhoBTB (RhoBTB1 / 2) e RhoB.
| Subclasse | Efeito citoesquelético | Membros da família Rho |
|---|---|---|
| Subclasse Cdc42 | filopodia | Cdc42 |
| RhoQ (TC10) | ||
| RhoJ (TCL) | ||
| Subclasse RhoUV | filopódios e lamelipódios | RhoU (Wrch) |
| RhoV ( Chp ) | ||
| Rac | lamelipodia | Rac1 |
| Rac2 | ||
| Rac3 | ||
| RhoG | ||
| RhoBTB | estabilidade de proteína | RhoBTB1 |
| RhoBTB2 | ||
| RhoBTB3 | ||
| RhoH | Agonista de racismo? | RhoH |
| Rho (subclasse) | ↑ fibras de estresse e ↑ aderências focais | RhoA |
| RhoB | ||
| RhoC | ||
| Rnd | ↓ fibras de estresse e ↓ aderências focais | Rnd1 |
| Rnd2 | ||
| Rnd3 (RhoE) | ||
| RhoF | Transporte de vesículas , filopódios | RhoD |
| RhoF (Rif) |
Reguladores
Foram identificadas três classes gerais de reguladores da sinalização da proteína Rho: fator de troca de nucleotídeo guanina (GEFs) , proteínas ativadoras de GTPase (GAPs) e inibidores de dissociação de nucleotídeos guanina (GDIs) . GEFs ativam proteínas Rho catalisando a troca de GDP por GTP. Os GAPs controlam a capacidade da GTPase de hidrolisar GTP em GDP , controlando a taxa natural de movimento da conformação ativa para a conformação inativa. As proteínas GDI formam um grande complexo com a proteína Rho, ajudando a prevenir a difusão dentro da membrana e no citosol, agindo assim como uma âncora e permitindo um controle espacial rígido da ativação de Rho. Em humanos, 82 GEF (71 Dbl-like e 11 DOCK-like) controlam positivamente a atividade de membros Rho, enquanto 66 proteínas GAP controlam negativamente.
Trabalhos recentes revelaram mecanismos regulatórios adicionais importantes: microRNAs regulam o processamento pós-transcricional de mRNAs que codificam Rho GTPase; palmitoilação e direcionamento nuclear afetam a distribuição intracelular; fosforilação pós-tradução, transglutaminação e AMPilação modulam a sinalização de Rho GTPase; e a ubiquitinação controla a estabilidade e o turnover da proteína Rho GTPase. Esses modos de regulação aumentam a complexidade da rede de sinalização Rho GTPase e permitem o controle espaço-temporal preciso de Rho GTPases individuais.
Efetores
Cada proteína Rho afeta várias proteínas a jusante, todas com funções em vários processos celulares. Mais de 60 alvos das três Rho GTPases comuns foram encontrados. Duas moléculas que estimulam diretamente a polimerização da actina são as proteínas Arp2 / 3 e as formas relacionadas ao diáfano.
| GTPase | Efetora |
|---|---|
| RhoA | Cit , Cnksr1 , Diaph1 , Diaph2 , DgkQ , FlnA , KcnA2 , Ktn1 , Rtkn1 , Rtkn2 , Rhpn1 , Rhpn2 , Itpr1 , PlcG1 , PI-5-p5K , Pld1 , Pkn1 , Pkn2 , Rock1 , Rock2 , PrkrcA , PpprcA , |
| Rac1 | Sra1 , IRSp53 , PAK1 , PAK2 , PAK3 |
| Cdc42 | Proteína da síndrome de Wiskott-Aldrich , N-WASP , IRSp53 , Dia2 , Dia3 , ROCK1 , ROCK2 , PAK4 |
Funções
As proteínas Rho / Rac estão envolvidas em uma ampla variedade de funções celulares, como polaridade celular, tráfego vesicular, ciclo celular e dinâmica transcriptomal.
Morfologia
As células animais têm muitas formas diferentes com base em sua função e localização no corpo. As proteínas Rho ajudam as células a regular as mudanças de forma ao longo de seu ciclo de vida. Antes que as células possam passar por processos-chave, como brotamento, mitose ou locomoção, ela deve ter algum tipo de polaridade celular .
Um exemplo do papel das Rho GTPases na polaridade celular é visto na célula de levedura muito estudada. Antes que a célula possa brotar, o Cdc42 é usado para localizar a região da membrana da célula que começará a se formar na nova célula. Quando o Cdc42 é removido da célula, as conseqüências ainda se formam, mas de uma maneira desorganizada.
Uma das mudanças mais óbvias na morfologia celular controlada pelas proteínas Rho é a formação de lamelipódios e filopódios , projetando processos que se parecem com "dedos" ou "pés" e frequentemente impulsionam células ou cones de crescimento através de superfícies. Praticamente todas as células eucarióticas formam esses processos após a ativação de Rho. Os fibroblastos , como as células Swiss 3T3, são freqüentemente usados para estudar esses fenômenos.
Técnicas de estudo
Muito do que se sabe sobre as mudanças na morfologia celular e os efeitos das proteínas Rho vem da criação de uma forma mutante constitutivamente ativa da proteína. A mutação de um aminoácido chave pode alterar a conformação de toda a proteína, fazendo com que ela adote permanentemente uma conformação que se assemelha ao estado ligado ao GTP. Essa proteína não pode ser inativada normalmente, por meio da hidrólise do GTP, e, portanto, fica "presa". Quando uma proteína Rho ativada dessa maneira é expressa em células 3T3, ocorrem mudanças morfológicas, como contrações e formação de filópodes.
Como as proteínas Rho são proteínas G e se ligam à membrana plasmática, sua localização pode ser facilmente controlada. Em cada situação, seja cicatrização de feridas, citocinese ou brotamento , a localização da ativação Rho pode ser visualizada e identificada. Por exemplo, se um buraco circular é infligido em uma célula esférica, Cdc42 e outros Rhos ativos são vistos em maior concentração em torno da circunferência da lesão circular. Um método de manter as zonas espaciais de ativação é por meio da ancoragem ao citoesqueleto de actina, evitando que a proteína ligada à membrana se difunda para longe da região onde é mais necessária. Outro método de manutenção é através da formação de um grande complexo que é resistente à difusão e mais rigidamente ligado à membrana do que o próprio Rho.
Movimento
Além da formação de lamelipódios e filópodes, a concentração intracelular e a interferência entre diferentes proteínas Rho conduzem as extensões e contrações que causam a locomoção celular. Sakumura et al. propôs um modelo baseado em equações diferenciais que ajuda a explicar a atividade das proteínas Rho e sua relação com o movimento. Este modelo englobou as três proteínas Cdc42, RhoA e Rac. Supõe-se que o Cdc42 estimula o alongamento dos filópodes e bloqueia a despolimerização da actina. RhoA foi considerado para encorajar a retração da actina. Rac foi tratado para estimular a extensão dos lamelipódios, mas bloquear a despolimerização da actina. Essas três proteínas, embora significativamente simplificadas, cobriram as etapas principais da locomoção celular. Por meio de várias técnicas matemáticas, foram encontradas soluções para as equações diferenciais que descreviam várias regiões de atividade com base na atividade intracelular. O artigo conclui mostrando que o modelo prevê que existem algumas concentrações de limiar que causam efeitos interessantes na atividade da célula. Abaixo de uma determinada concentração, há muito pouca atividade, não causando extensão dos braços e pés da célula. Acima de uma certa concentração, a proteína Rho causa uma oscilação sinusoidal muito semelhante às extensões e contrações dos lamelipódios e filópodes. Em essência, este modelo prevê que o aumento da concentração intracelular dessas três proteínas Rho ativas principais causa uma atividade fora de fase da célula, resultando em extensões e contrações que também estão fora de fase.
Cicatrização de feridas
Um exemplo de comportamento modulado pelas proteínas Rho GTPase é a cicatrização de feridas. As feridas cicatrizam de maneira diferente entre pintos jovens e galinhas adultas. Em pintinhos, as feridas cicatrizam por contração, como um cordão puxado para fechar um saco. Em galinhas mais velhas, as células rastejam pela ferida durante a locomoção. A formação de actina necessária para fechar as feridas em pintinhos é controlada pelas proteínas Rho GTPase, uma vez que, após a injeção de uma exoenzima bacteriana usada para bloquear a atividade rho e rac, os polímeros de actina não se formam e, portanto, a cicatrização falha completamente.
Polaridade celular
Estudos em fibroblastos indicam feedback positivo entre a atividade de Cdc42 e o efluxo de H + pela isoforma 1 do trocador Na-H (NHE1) na vanguarda das células em migração. O efluxo de H + mediado por NHE1 é necessário para a ligação de GTP catalisada pelo fator de troca de nucleotídeo guanina (GEF) a Cdc42, sugerindo um mecanismo para a regulação da polaridade por esta pequena GTPase em células em migração.
Fagocitose
Outro comportamento celular afetado pelas proteínas rho é a fagocitose. Como acontece com a maioria dos outros tipos de modulação da membrana celular, a fagocitose requer o citoesqueleto de actina para englobar outros itens. Os filamentos de actina controlam a formação do copo fagocítico, e Rac1 e Cdc42 ativos foram implicados nesta cascata de sinalização.
Mitose
Ainda outro aspecto importante do comportamento celular que se acredita incluir a sinalização da proteína rho é a mitose . Enquanto a atividade da rho GTPase era considerada por anos restrita à polimerização da actina e, portanto, à citocinese , que ocorre após a mitose, surgiram novas evidências que mostram alguma atividade na formação de microtúbulos e no próprio processo de mitose. Este tópico ainda é debatido, e há evidências tanto a favor quanto contra a importância de rho na mitose.
Formulários
Regeneração do sistema nervoso
Por causa de suas implicações na motilidade e forma celular, as proteínas Rho se tornaram um alvo claro no estudo dos cones de crescimento que se formam durante a geração e regeneração axonal no sistema nervoso. As proteínas Rho podem ser um alvo potencial para entrega em lesões da medula espinhal após lesão traumática. Após a lesão da medula espinhal, o espaço extracelular torna-se inibidor dos esforços naturais que os neurônios sofrem para se regenerar.
Esses esforços naturais incluem a formação de um cone de crescimento na extremidade proximal de um axônio lesado. Cones de crescimento recém-formados subsequentemente tentam "rastejar" através da lesão. Eles são sensíveis a sinais químicos no ambiente extracelular. Uma das muitas pistas inibitórias inclui proteoglicanos de sulfato de condroitina (CSPGs). Os neurônios que crescem em cultura tornam-se mais capazes de cruzar regiões do substrato revestido com CSPG após a expressão de Cdc42 ou Rac1 constitutivamente ativo ou expressão de uma forma negativa dominante (inibição) de RhoA. Isso se deve em parte às proteínas Rho exógenas que conduzem a locomoção celular, apesar dos sinais extracelulares que promovem a apoptose e o colapso do cone de crescimento. A modulação intracelular das proteínas Rho tornou-se, portanto, de interesse na pesquisa voltada para a regeneração da medula espinhal.
Deficiência intelectual
A disfunção das proteínas Rho também foi implicada na deficiência intelectual . A deficiência intelectual, em alguns casos, envolve a malformação das espinhas dendríticas , que formam as conexões pós-sinápticas entre os neurônios . As espinhas dendríticas deformadas podem resultar da modulação da sinalização da proteína rho. Após a clonagem de vários genes implicados no retardo mental ligado ao X, três genes que têm efeitos na sinalização Rho foram identificados, incluindo a oligofrenina-1 (uma proteína GAP que estimula a atividade GTPase de Rac1, Cdc42 e RhoA), PAK3 (envolvida com os efeitos de Rac e Cdc42 no citoesqueleto de actina) e αPIX (um GEF que ajuda a ativar Rac1 e Cdc42). Por causa do efeito da sinalização Rho no citoesqueleto de actina, o mau funcionamento genético de uma proteína rho poderia explicar a morfologia irregular dos dendritos neuronais observada em alguns casos de retardo mental.
Câncer
Depois de descobrir que as proteínas Ras são mutadas em 30% dos cânceres humanos, suspeitou-se que as proteínas Rho mutadas também poderiam estar envolvidas na reprodução do câncer. No entanto, até agosto de 2007, nenhuma mutação oncogênica foi encontrada nas proteínas Rho, e apenas uma foi encontrada geneticamente alterada. Para explicar o papel das vias Rho sem mutação, os pesquisadores agora se voltaram para os reguladores da atividade rho e os níveis de expressão das proteínas Rho para obter respostas.
Uma maneira de explicar a sinalização alterada na ausência de mutação é por meio do aumento da expressão. A superexpressão de RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH e Cdc42 foi demonstrada em vários tipos de câncer. Essa presença aumentada de tantas moléculas de sinalização implica que essas proteínas promovem as funções celulares que se tornam excessivamente ativas nas células cancerosas.
Um segundo alvo para explicar o papel das proteínas Rho no câncer são suas proteínas regulatórias. As proteínas Rho são rigidamente controladas por uma ampla variedade de fontes, e mais de 60 ativadores e 70 inativadores foram identificados. Foi demonstrado que vários GAPs, GDIs e GEFs sofrem superexpressão, regulação negativa ou mutação em diferentes tipos de câncer. Uma vez que um sinal a montante é alterado, a atividade de seus alvos a jusante - isto é, as proteínas Rho - mudará em atividade.
Ellenbroek et al. descreveu uma série de diferentes efeitos da ativação Rho em células cancerosas. Em primeiro lugar, no início da modificação tumoral da atividade Rho pode suprimir a apoptose e, portanto, contribuir para a longevidade das células artificiais. Depois que a apoptose natural é suprimida, o crescimento anormal do tumor pode ser observado através da perda de polaridade na qual as proteínas Rho desempenham um papel integral. Em seguida, a massa crescente pode invadir seus limites normais por meio da alteração das proteínas de adesão potencialmente causadas pelas proteínas Rho. Finalmente, após a inibição da apoptose, polaridade celular e moléculas de adesão, a massa cancerosa está livre para metastatizar e se espalhar para outras regiões do corpo.
Referências
Várias mutações nas proteínas Rho foram identificadas no sequenciamento em larga escala de cânceres. Essas mutações estão listadas no banco de dados do Catálogo de Mutações Somáticas ( http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/ ). As consequências funcionais dessas mutações são desconhecidas.
