Ras GTPasa - Ras GTPase

Este artículo trata sobre la proteína p21 / Ras. Para la proteína p21 / waf1, consulte la p21 .
Superficie de hras coloreada por conservación.png
Estructura HRas PDB 121p, superficie coloreada por conservación en alineación de semillas Pfam : oro, más conservada; cian oscuro, menos conservado.
Identificadores
Símbolo Ras
Pfam PF00071
InterPro IPR020849
PROSITE PDOC00017
SCOP2 5p21 / SCOPe / SUPFAM
CDD cd04138

Ras , de " Ra t s virus Arcoma", es una familia de proteínas relacionadas que se expresan en todos los linajes de células animales y órganos. Todos los miembros de la familia de proteínas Ras pertenecen a una clase de proteína llamada GTPasa pequeña y participan en la transmisión de señales dentro de las células ( transducción de señales celulares ). Ras es el miembro prototípico de la superfamilia de proteínas Ras , que están todas relacionadas en una estructura tridimensional y regulan diversos comportamientos celulares.

Cuando Ras se 'enciende' por las señales entrantes, posteriormente enciende otras proteínas, que finalmente activan los genes involucrados en el crecimiento , la diferenciación y la supervivencia celular . Las mutaciones en los genes ras pueden conducir a la producción de proteínas Ras activadas permanentemente, que pueden causar una señalización no intencionada e hiperactiva dentro de la célula, incluso en ausencia de señales entrantes.

Debido a que estas señales dan como resultado el crecimiento y la división celular, la señalización de Ras hiperactiva puede, en última instancia, provocar cáncer . Los tres genes Ras en humanos ( HRas , KRas y NRas ) son los oncogenes más comunes en el cáncer humano; Las mutaciones que activan permanentemente Ras se encuentran en 20 a 25% de todos los tumores humanos y hasta 90% en ciertos tipos de cáncer (p. ej., cáncer de páncreas ). Por esta razón, los inhibidores de Ras se están estudiando como tratamiento para el cáncer y otras enfermedades con sobreexpresión de Ras.

Historia

Los dos primeros genes ras , HRAS y KRAS , fueron identificados a partir de estudios de dos virus causantes de cáncer, el virus del sarcoma de Harvey y el virus del sarcoma de Kirsten, por Edward M. Scolnick y sus colegas de los Institutos Nacionales de Salud (NIH). Estos virus fueron descubiertos originalmente en ratas durante la década de 1960 por Jennifer Harvey y Werner H. Kirsten , respectivamente, de ahí el nombre de Ra t s arcoma . En 1982, Geoffrey M. Cooper en Harvard, Mariano Barbacid y Stuart A. Aaronson en el NIH, Robert Weinberg en el MIT y Michael Wigler en el Laboratorio Cold Spring Harbor descubrieron genes ras humanos activados y transformadores en células cancerosas humanas . Un tercer gen ras fue descubierto posteriormente por investigadores del grupo de Robin Weiss en el Instituto de Investigación del Cáncer y Michael Wigler en el Laboratorio Cold Spring Harbor, llamado NRAS , para su identificación inicial en células de neuroblastoma humano.

Los tres genes ras humanos codifican proteínas extremadamente similares compuestas por cadenas de 188 a 189 aminoácidos. Sus símbolos genéticos son HRAS , NRAS y KRAS , el último de los cuales produce las isoformas K-Ras4A y K-Ras4B a partir de un empalme alternativo .

Estructura

Estructura HRas PDB 121p, cinta que muestra hebras en violeta, hélices en agua, bucles en gris. También se muestran el análogo de GTP unido y el ion magnesio.

Ras contiene seis hebras beta y cinco hélices alfa . Consta de dos dominios: un dominio G de 166 aminoácidos (aproximadamente 20 kDa) que se une a los nucleótidos de guanosina, y una región de dirección de membrana C-terminal (CAAX-COOH, también conocida como caja CAAX ), que está modificada por lípidos por farnesyl transferasa , RCE1 e ICMT .

El dominio G contiene cinco motivos G que se unen directamente a GDP / GTP. El motivo G1, o el bucle P, se une al fosfato beta de GDP y GTP. El motivo G2, también llamado Switch I, contiene treonina35, que se une al fosfato terminal (γ-fosfato) de GTP y al ion magnesio divalente unido en el sitio activo. El motivo G3, también llamado Switch II, tiene un motivo DXXGQ. La D es aspartato57, que es específico para la unión de guanina versus adenina, y Q es glutamina61, el residuo crucial que activa una molécula de agua catalítica para la hidrólisis de GTP a GDP. El motivo G4 contiene un motivo LVGNKxDL y proporciona una interacción específica con la guanina. El motivo G5 contiene una secuencia consenso SAK. La A es alanina146, que proporciona especificidad para la guanina en lugar de la adenina.

Los dos motivos de cambio, G2 y G3, son las partes principales de la proteína que se mueven tras la activación por GTP. Este cambio conformacional por los dos motivos de cambio es lo que media la funcionalidad básica como una proteína de cambio molecular. Este estado de Ras vinculado a GTP es el estado "encendido", y el estado vinculado al PIB es el estado "apagado".

Ras también se une a un ion de magnesio que ayuda a coordinar la unión de nucleótidos.

Función

Descripción general de las vías de transducción de señales involucradas en la apoptosis

Las proteínas Ras funcionan como interruptores moleculares binarios que controlan las redes de señalización intracelular. Las rutas de señales reguladas por Ras controlan procesos tales como la integridad citoesquelética de la actina , la proliferación celular , la diferenciación celular , la adhesión celular , la apoptosis y la migración celular . Las proteínas Ras y relacionadas con Ras a menudo se desregulan en los cánceres, lo que conduce a una mayor invasión y metástasis , y a una disminución de la apoptosis.

Ras activa varias vías, de las cuales la cascada de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAP) ha sido bien estudiada. Esta cascada transmite señales aguas abajo y da como resultado la transcripción de genes involucrados en el crecimiento y la división celular. Otra vía de señalización activada por Ras es la vía PI3K / AKT / mTOR , que estimula la síntesis de proteínas y el crecimiento celular e inhibe la apoptosis.

Activación y desactivación

Ras es una guanosina - nucleótidos -la proteína de unión. Específicamente, es una pequeña GTPasa de una sola subunidad , que está relacionada en estructura con la subunidad G α de las proteínas G heterotriméricas (GTPasas grandes). Las proteínas G funcionan como interruptores de señalización binaria con estados de "encendido" y "apagado". En el estado "apagado" se une al nucleótido guanosina difosfato (GDP), mientras que en el estado "encendido", Ras está unido al guanosina trifosfato (GTP), que tiene un grupo fosfato adicional en comparación con el GDP. Este fosfato adicional mantiene las dos regiones del interruptor en una configuración de "resorte cargado" (específicamente el Thr-35 y Gly-60). Cuando se liberan, las regiones de cambio se relajan, lo que provoca un cambio conformacional al estado inactivo. Por lo tanto, la activación y desactivación de Ras y otras proteínas G pequeñas se controlan mediante el ciclo entre las formas unidas a GTP activo y unidas a GDP inactivas.

El proceso de intercambio del nucleótido unido se ve facilitado por factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) y proteínas activadoras de GTPasa (GAP). Según su clasificación, Ras tiene una actividad GTPasa intrínseca , lo que significa que la proteína por sí sola hidrolizará una molécula de GTP unida en GDP. Sin embargo, este proceso es demasiado lento para una función eficiente y, por lo tanto, la GAP para Ras, RasGAP, puede unirse y estabilizar la maquinaria catalítica de Ras, suministrando residuos catalíticos adicionales (" dedo de arginina ") de modo que una molécula de agua se posiciona de manera óptima para nucleófilos. ataque al gamma-fosfato de GTP. Se libera un fosfato inorgánico y la molécula Ras ahora está unida a un GDP. Dado que la forma unida a GDP está "desactivada" o "inactiva" para la señalización, la proteína activadora de GTPasa inactiva Ras activando su actividad GTPasa. Por tanto, las GAP aceleran la inactivación de Ras .

Los FMAM catalizan una reacción de "tira y afloja" que libera el PIB de Ras. Se insertan cerca del bucle P y del sitio de unión del catión magnesio e inhiben la interacción de estos con el anión gamma fosfato . Los residuos ácidos (negativos) en el interruptor II "tiran" de una lisina en el bucle P lejos del GDP, lo que "empuja" al interruptor I lejos de la guanina. Los contactos que mantienen al PIB en su lugar se rompen y se libera en el citoplasma. Debido a que el GTP intracelular es abundante en relación con el GDP (aproximadamente 10 veces más), el GTP vuelve a entrar predominantemente en el bolsillo de unión de nucleótidos de Ras y recarga el resorte. Por tanto, los GEF facilitan la activación de Ras . Los FMAM bien conocidos incluyen Son of Sevenless (Sos) y cdc25, que incluyen el dominio RasGEF .

El equilibrio entre la actividad de GEF y GAP determina el estado de los nucleótidos de guanina de Ras, regulando así la actividad de Ras.

En la conformación unida a GTP, Ras tiene una alta afinidad por numerosos efectores que le permiten llevar a cabo sus funciones. Estos incluyen PI3K . Otras GTPasas pequeñas pueden unirse a adaptadores como la arfaptina o sistemas de segundo mensajero como la adenilil ciclasa . El dominio de unión de Ras se encuentra en muchos efectores e invariablemente se une a una de las regiones de cambio, porque estas cambian la conformación entre las formas activa e inactiva. Sin embargo, también pueden unirse al resto de la superficie de la proteína.

Existen otras proteínas que pueden cambiar la actividad de las proteínas de la familia Ras. Un ejemplo es GDI (inhibidor de disociación del PIB). Estos funcionan ralentizando el intercambio de GDP por GTP, prolongando así el estado inactivo de los miembros de la familia Ras. Pueden existir otras proteínas que aumentan este ciclo.

Accesorio de membrana

Ras se une a la membrana celular debido a su prenilación y palmitoilación ( HRAS y NRAS ) o la combinación de prenilación y una secuencia polibásica adyacente al sitio de prenilación ( KRAS ). La caja CaaX C-terminal de Ras primero se farnesila en su residuo Cys en el citosol, lo que permite que Ras se inserte libremente en la membrana del retículo endoplasmático y otras membranas celulares. A continuación, el tripéptido (aaX) se escinde del extremo C-terminal mediante una endoproteasa específica de prenil-proteína específica y el nuevo extremo C-terminal se metila mediante una metiltransferasa . El procesamiento de KRas se completa en esta etapa. Las interacciones electrostáticas dinámicas entre su secuencia básica cargada positivamente con cargas negativas en la valva interna de la membrana plasmática explican su localización predominante en la superficie celular en estado estable. NRAS y HRAS se procesan adicionalmente en la superficie del aparato de Golgi mediante palmitoilación de uno o dos residuos de Cys, respectivamente, adyacentes a la caja de CaaX . De este modo, las proteínas se anclan de manera estable a la membrana (balsas de lípidos) y se transportan a la membrana plasmática en vesículas de la vía secretora . La despalmitoilación por acil-proteína tioesterasas finalmente libera las proteínas de la membrana, lo que les permite entrar en otro ciclo de palmitoilación y despalmitoilación. Se cree que este ciclo previene la fuga de NRAS y HRAS a otras membranas a lo largo del tiempo y mantiene su localización en estado estable a lo largo del aparato de Golgi , la vía secretora , la membrana plasmática y la vía de endocitosis interconectada .

Miembros

Los miembros clínicamente más notables de la subfamilia Ras son HRAS , KRAS y NRAS , principalmente por estar implicados en muchos tipos de cáncer.

Sin embargo, también hay muchos otros miembros de esta subfamilia: DIRAS1 ; DIRAS2 ; DIRAS3 ; ERAS ; GEM ; MRAS ; NKIRAS1 ; NKIRAS2 ; RALA ; RALB ; RAP1A ; RAP1B ; RAP2A ; RAP2B ; RAP2C ; RASD1 ; RASD2 ; RASL10A ; RASL10B ; RASL11A ; RASL11B ; RASL12 ; REM1 ; REM2 ; RERG ; RERGL ; RRAD ; RRAS ; RRAS2

Ras en cáncer

Las mutaciones en la familia Ras de protooncogenes (que comprende H-Ras, N-Ras y K-Ras) son muy comunes y se encuentran en el 20% al 30% de todos los tumores humanos. Es razonable especular que un enfoque farmacológico que restringe la actividad de Ras puede representar un posible método para inhibir ciertos tipos de cáncer. Las mutaciones puntuales de Ras son la anomalía más común de los protooncogenes humanos. El ácido trans-farnesiltiosalicílico del inhibidor de Ras (FTS, Salirasib ) exhibe profundos efectos anti-oncogénicos en muchas líneas de células cancerosas.

Activación inapropiada

Se ha demostrado que la activación inapropiada del gen juega un papel clave en la transducción, proliferación y transformación maligna de señales inadecuadas.

Las mutaciones en varios genes diferentes, así como en el propio RAS, pueden tener este efecto. Oncogenes como p210BCR-ABL o el receptor de crecimiento erbB están aguas arriba de Ras, por lo que si se activan constitutivamente, sus señales se transducirán a través de Ras.

El gen supresor de tumores NF1 codifica un Ras-GAP; su mutación en la neurofibromatosis significará que es menos probable que Ras se inactive. Ras también se puede amplificar, aunque esto solo ocurre ocasionalmente en tumores.

Finalmente, Ras oncogenes se puede activar mediante mutaciones puntuales de modo que la reacción de GTPasa ya no pueda ser estimulada por GAP; esto aumenta la vida media de los mutantes Ras-GTP activos.

Ras constitutivamente activo

Ras constitutivamente activo ( Ras D ) es uno que contiene mutaciones que previenen la hidrólisis de GTP, bloqueando así Ras en un estado permanente de "encendido".

Las mutaciones más comunes se encuentran en el residuo G12 en el bucle P y el residuo catalítico Q61.

  • La mutación de glicina a valina en el residuo 12 hace que el dominio GTPasa de Ras sea insensible a la inactivación por GAP y, por lo tanto, se quede atascado en el "estado activado". Ras requiere una GAP para la inactivación, ya que es un catalizador relativamente pobre por sí solo, a diferencia de otras proteínas que contienen dominio G, como la subunidad alfa de las proteínas G heterotriméricas.
  • El residuo 61 es responsable de estabilizar el estado de transición para la hidrólisis de GTP. Debido a que la catálisis enzimática en general se logra reduciendo la barrera energética entre el sustrato y el producto, la mutación de Q61 a K (glutamina a lisina) reduce necesariamente la tasa de hidrólisis intrínseca de Ras GTP a niveles fisiológicamente sin sentido.

Véanse también mutantes "dominantes negativos" como S17N y D119N.

Tratamientos contra el cáncer dirigidos a Ras

Se observó que el reovirus es un potencial terapéutico contra el cáncer cuando los estudios sugirieron que se reproduce bien en ciertas líneas de células cancerosas. Se replica específicamente en células que tienen una vía Ras activada (una vía de señalización celular que está involucrada en el crecimiento y diferenciación celular). El reovirus se replica y finalmente destruye las células tumorales activadas por Ras y, a medida que ocurre la muerte celular, las partículas del virus de la progenie quedan libres para infectar las células cancerosas circundantes. Se cree que este ciclo de infección, replicación y muerte celular se repite hasta que se destruyen todas las células tumorales que llevan una vía Ras activada.

Otro virus de lisis de tumores que se dirige específicamente a las células tumorales con una vía Ras activada es un agente basado en el virus del herpes simple de tipo II (HSV-2), denominado FusOn-H2. La activación de mutaciones de la proteína Ras y los elementos aguas arriba de la proteína Ras pueden desempeñar un papel en más de dos tercios de todos los cánceres humanos, incluida la mayoría de las enfermedades metastásicas. Reolysin , una formulación de reovirus, y FusOn-H2 se encuentran actualmente en ensayos clínicos o en desarrollo para el tratamiento de varios cánceres. Además, un tratamiento basado en ARNip anti- K-RAS mutado (G12D) llamado siG12D LODER se encuentra actualmente en ensayos clínicos para el tratamiento del cáncer de páncreas localmente avanzado (NCT01188785, NCT01676259).

En modelos de ratón con glioblastoma, los niveles de SHP2 aumentaron en las células cerebrales cancerosas. La inhibición de SHP2 a su vez inhibió la desfosforilación de Ras. Esto redujo el tamaño de los tumores y el consiguiente aumento de las tasas de supervivencia.

Otras estrategias han intentado manipular la regulación de la localización de Ras antes mencionada. Se han desarrollado inhibidores de farnesiltransferasa para detener la farnesilación de Ras y, por lo tanto, debilitar su afinidad por las membranas. Otros inhibidores se dirigen al ciclo de palmitoilación de Ras a través de la inhibición de la depalmitoilación por las tioesterasas de acil-proteína , lo que potencialmente conduce a una desestabilización del ciclo de Ras.

En otras especies

En la mayoría de los tipos de células de la mayoría de las especies, la mayoría de Ras es del tipo GDP. Esto es cierto para los ovocitos de Xenopus y los fibroblastos de ratón .

Xenopus laevis

Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los ovocitos X. Ras es el conjugado del PIB. Mammal Ras induce la meiosis en los ovocitos de X. laevis casi con certeza al potenciar la meiosis inducida por insulina , pero no la inducida por progesterona . La síntesis de proteínas no parece formar parte de este paso. La inyección aumenta la síntesis de diacilglicerol a partir de fosfatidilcolina . Algunos efectos de la meiosis son antagonizados por rap1 (y por un Ras modificado para acoplarse incorrectamente). Tanto rap1 como Ras modificado son co-antagonistas con p120Ras GAP en esta vía.

Drosophila melanogaster

Expresado en todos los tejidos de Drosophila melanogster pero principalmente en células neurales. La sobreexpresión es algo letal y, durante el desarrollo, produce anomalías en los ojos y las alas. (Esto es paralelo, y puede ser la razón de, anomalías similares debidas a receptores de tirosina quinasas mutados .) Los genes D. de las erupciones en los mamíferos producen anomalías.

Aplysia

La mayor parte de la expresión en Aplysia spp. está en las células neurales.

Caenorhabditis elegans

El gen de C. elegans se deja 60 . También parece jugar un papel en la formación del receptor tirosina quinasa en este modelo. La sobreexpresión produce un desarrollo multivulval debido a su participación en el desarrollo normal de esa región; sobreexpresión en sitios efectores en letal.

Dictyostelium discoideum

Esencial en Dictyostelium discoideum . Esto se evidencia por una falla severa del desarrollo en la expresión deficiente de ras y por un deterioro significativo de varias actividades de la vida cuando se expresan artificialmente, tales como: aumento de la concentración de fosfatos de inositol ; probable reducción de la unión de AMPc a receptores de quimiotaxis ; y esa es probablemente la razón por la que se altera la síntesis de GMPc . La actividad de la adenilato ciclasa no se ve afectada por ras .

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos