Familia Rho de GTPasas - Rho family of GTPases
La familia Rho de GTPasas es una familia de proteínas G de señalización pequeñas (~ 21 kDa) y es una subfamilia de la superfamilia Ras . Se ha demostrado que los miembros de la familia Rho GTPasa regulan muchos aspectos de la dinámica de la actina intracelular y se encuentran en todos los reinos eucariotas, incluidas las levaduras y algunas plantas. Se han estudiado en detalle tres miembros de la familia: Cdc42 , Rac1 y RhoA . Todas las proteínas G son "interruptores moleculares" y las proteínas Rho desempeñan un papel en el desarrollo de los orgánulos , la dinámica del citoesqueleto , el movimiento celular y otras funciones celulares comunes.
Historia
La identificación de la familia Rho de GTPasas comenzó a mediados de la década de 1980. El primer miembro Rho identificado fue RhoA, aislado por casualidad en 1985 a partir de un cribado de ADNc de baja rigurosidad . A continuación, se identificaron Rac1 y Rac2, en 1989 seguidos por Cdc42 en 1990. Se identificaron ocho miembros Rho de mamíferos adicionales a partir de exámenes biológicos hasta finales de la década de 1990, un punto de inflexión en la biología donde la disponibilidad de secuencias genómicas completas permitió la identificación completa de familias de genes. Todas las células eucariotas contienen Rho GTPasa (que varía de 6 en levaduras a 20 en mamíferos). En los mamíferos, la familia Rho está formada por 20 miembros distribuidos en 8 subfamilias: Rho, Rnd, RhoD / F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU / V y RhoBTB.
Ya en 1990, Paterson et al. comenzó a expresar la proteína Rho activada en fibroblastos Swiss 3T3 .
A mediados de la década de 1990, se había observado que las proteínas Rho afectaban la formación de proyecciones celulares ("procesos") en los fibroblastos. En un artículo de revisión de 1998, Alan Hall recopiló evidencia que muestra que los fibroblastos no solo forman procesos tras la activación de Rho, sino que también lo hacen prácticamente todas las células eucariotas.
Un artículo de revisión de 2006 de Bement et al. exploró la importancia de las zonas espaciales de activación de Rho.
Categorización
La familia Rho de GTPasas pertenece a la superfamilia de proteínas Ras , que consta de más de 150 variedades en mamíferos. Las proteínas Rho a veces denotan a algunos miembros de la familia Rho ( RhoA , RhoB y RhoC ) y, a veces, se refieren a todos los miembros de la familia. Este artículo trata sobre la familia en su conjunto.
En los mamíferos, la familia Rho contiene 20 miembros. Casi todas las investigaciones involucran a los tres miembros más comunes de la familia Rho: Cdc42, Rac1 y RhoA.
| Miembro de la familia Rho | Acción sobre los filamentos de actina |
|---|---|
| Cdc42 | afecta a la filopodia |
| Rac1 | afecta lamellipodia |
| RhoA | afecta las fibras de tensión |
Estos 20 miembros de mamíferos se subdividen en la subfamilia Rac (Rac1, Rac2, Rac3 y RhoG), la subfamilia Cdc42 (Cdc42, TC10 / RhoQ, TCL / RhoJ), la familia RhoUV (RhoV / Chp y RhoU / Wrch-1 /) , Subfamilia RhoA (RhoA, RhoB y RhoC), la subfamilia Rnd (Rnd1 / Rho6, Rnd2 / RhoN y Rnd3 / RhoE), la subfamilia RhoD (RhoD y RhoF / Rif), RhoBTB (RhoBTB1 y 2) y RhoH / TTF.
| Subclase | Efecto citoesquelético | Miembros de la familia Rho |
|---|---|---|
| Subclase Cdc42 | filopodia | Cdc42 |
| RhoQ (TC10) | ||
| RhoJ (TCL) | ||
| Subclase RhoUV | filopodia y lamellipodia | RhoU (Wrch) |
| RhoV ( Chp ) | ||
| Rac | lamellipodia | Rac1 |
| Rac2 | ||
| Tac3 | ||
| RhoG | ||
| RhoBTB | estabilidad proteica | RhoBTB1 |
| RhoBTB2 | ||
| RhoBTB3 | ||
| RhoH | ¿Agonista racista? | RhoH |
| Rho (subclase) | ↑ fibras de tensión y ↑ adherencias focales | RhoA |
| RhoB | ||
| RhoC | ||
| Rnd | ↓ fibras de tensión y ↓ adherencias focales | Rnd1 |
| Rnd2 | ||
| Rnd3 (RhoE) | ||
| RhoF | Transporte de vesículas , filopodios | RhoD |
| RhoF (Rif) |
Reguladores
Se han identificado tres clases generales de reguladores de la señalización de la proteína Rho: factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) , proteínas activadoras de GTPasa (GAP) e inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI) . Los GEF activan las proteínas Rho catalizando el intercambio de GDP por GTP. Las GAP controlan la capacidad de la GTPasa para hidrolizar GTP a GDP , controlando la tasa natural de movimiento desde la conformación activa a la conformación inactiva. Las proteínas GDI forman un gran complejo con la proteína Rho, lo que ayuda a prevenir la difusión dentro de la membrana y al citosol y, por lo tanto, actúa como un ancla y permite un control espacial estricto de la activación de Rho. En humanos, 82 GEF (71 similares a Dbl y 11 similares a DOCK) controlan positivamente la actividad de los miembros Rho, mientras que 66 proteínas GAP la controlan negativamente.
Un trabajo reciente ha revelado importantes mecanismos reguladores adicionales: los microARN regulan el procesamiento postranscripcional de los ARNm que codifican Rho GTPasa; la palmitoilación y la focalización nuclear afectan la distribución intracelular; la fosforilación, transglutaminación y AMPilación postraduccionales modulan la señalización de Rho GTPasa; y la ubiquitinación controla la estabilidad y el recambio de la proteína Rho GTPasa. Estos modos de regulación se suman a la complejidad de la red de señalización Rho GTPasa y permiten un control espacio-temporal preciso de Rho GTPasas individuales.
Efectores
Cada proteína Rho afecta a numerosas proteínas aguas abajo, todas las cuales tienen funciones en varios procesos celulares. Se han encontrado más de 60 dianas de las tres Rho GTPasas comunes. Dos moléculas que estimulan directamente la polimerización de actina son las proteínas Arp2 / 3 y las forminas relacionadas con la diáfana.
| GTPasa | Efector |
|---|---|
| RhoA | Cit , Cnksr1 , Diaph1 , Diaph2 , DgkQ , FLNA , KcnA2 , Ktn1 , Rtkn1 , Rtkn2 , Rhpn1 , Rhpn2 , Itpr1 , plcg1 , PI-5-P5K , PLD1 , pKN1 , PKN2 , Rock1 , Rock2 , PRKCA , Ppp1r12A |
| Rac1 | Sra1 , IRSp53 , PAK1 , PAK2 , PAK3 |
| Cdc42 | Proteína del síndrome de Wiskott-Aldrich , N-WASP , IRSp53 , Dia2 , Dia3 , ROCK1 , ROCK2 , PAK4 |
Funciones
Las proteínas Rho / Rac están implicadas en una amplia variedad de funciones celulares como la polaridad celular, el tráfico vesicular, el ciclo celular y la dinámica transcriptómica.
Morfología
Las células animales forman muchas formas diferentes según su función y ubicación en el cuerpo. Las proteínas Rho ayudan a las células a regular los cambios de forma a lo largo de su ciclo de vida. Antes de que las células puedan experimentar procesos clave como la gemación, la mitosis o la locomoción, debe tener algún tipo de polaridad celular .
Un ejemplo del papel de las Rho GTPasas en la polaridad celular se ve en la célula de levadura muy estudiada. Antes de que la célula pueda brotar, se utiliza Cdc42 para localizar la región de la membrana de la célula que comenzará a abultarse en la nueva célula. Cuando se elimina Cdc42 de la celda, las excrecencias aún se forman, pero lo hacen de manera desorganizada.
Uno de los cambios más obvios en la morfología celular controlada por las proteínas Rho es la formación de lamelipodios y filopodios , que proyectan procesos que parecen "dedos" o "pies" y que a menudo impulsan células o conos de crecimiento a través de las superficies. Prácticamente todas las células eucariotas forman tales procesos tras la activación de Rho. Los fibroblastos , como las células Swiss 3T3, se utilizan a menudo para estudiar estos fenómenos.
Técnicas de estudio
Mucho de lo que se sabe sobre los cambios en la morfología celular y los efectos de las proteínas Rho proviene de la creación de una forma mutada constitutivamente activa de la proteína. La mutación de un aminoácido clave puede alterar la conformación de toda la proteína, haciendo que adopte permanentemente una conformación que se asemeja al estado de unión a GTP. Esta proteína no se puede inactivar normalmente, a través de la hidrólisis de GTP, y por lo tanto se "pega". Cuando una proteína Rho activada de esta manera se expresa en células 3T3, se producen cambios morfológicos tales como contracciones y formación de filopodios.
Debido a que las proteínas Rho están unidas a proteínas G y a la membrana plasmática, su ubicación puede controlarse fácilmente. En cada situación, ya sea que se trate de cicatrización de heridas, citocinesis o gemación , se puede visualizar e identificar la ubicación de la activación de Rho. Por ejemplo, si se inflige un agujero circular en una celda esférica, Cdc42 y otros Rhos activos se ven en la concentración más alta alrededor de la circunferencia de la lesión circular. Un método para mantener las zonas espaciales de activación es mediante el anclaje al citoesqueleto de actina, evitando que la proteína unida a la membrana se difunda lejos de la región donde más se necesita. Otro método de mantenimiento es mediante la formación de un gran complejo que es resistente a la difusión y se une más rígidamente a la membrana que el propio Rho.
Movimiento
Además de la formación de lamelipodios y filopodios, la concentración intracelular y la interferencia entre diferentes proteínas Rho impulsa las extensiones y contracciones que provocan la locomoción celular. Sakumura y col. propuso un modelo basado en ecuaciones diferenciales que ayuda a explicar la actividad de las proteínas Rho y su relación con el movimiento. Este modelo abarcó las tres proteínas Cdc42, RhoA y Rac. Se asumió que Cdc42 estimula el alargamiento de filopodia y bloquea la despolimerización de actina. Se consideró que RhoA fomentaba la retracción de la actina. Se trató Rac para estimular la extensión de lamellipodia pero bloquear la despolimerización de actina. Estas tres proteínas, aunque significativamente simplificadas, cubrieron los pasos clave en la locomoción celular. A través de diversas técnicas matemáticas, se encontraron soluciones a las ecuaciones diferenciales que describían varias regiones de actividad basadas en la actividad intracelular. El artículo concluye mostrando que el modelo predice que hay algunas concentraciones umbral que causan efectos interesantes sobre la actividad de la célula. Por debajo de cierta concentración, hay muy poca actividad, lo que provoca que no se extiendan los brazos y los pies de la celda. Por encima de una cierta concentración, la proteína Rho provoca una oscilación sinusoidal muy parecida a las extensiones y contracciones de los lamelipodios y filopodios. En esencia, este modelo predice que el aumento de la concentración intracelular de estas tres proteínas Rho activas clave provoca una actividad fuera de fase de la célula, lo que resulta en extensiones y contracciones que también están fuera de fase.
Cicatrización de la herida
Un ejemplo de comportamiento modulado por las proteínas Rho GTPasa es la curación de heridas. Las heridas se curan de manera diferente entre los pollos jóvenes y los pollos adultos. En los polluelos jóvenes, las heridas se curan por contracción, como si se tirara de una cuerda para cerrar una bolsa. En los pollos más viejos, las células se arrastran por la herida mediante la locomoción. La formación de actina necesaria para cerrar las heridas en los pollos jóvenes está controlada por las proteínas Rho GTPasa, ya que, después de la inyección de una exoenzima bacteriana utilizada para bloquear la actividad rho y rac, los polímeros de actina no se forman y, por tanto, la cicatrización falla por completo.
Polaridad celular
Los estudios en fibroblastos indican una retroalimentación positiva entre la actividad de Cdc42 y la salida de H + por la isoforma 1 del intercambiador de Na-H (NHE1) en el borde de ataque de las células migratorias. La salida de H + mediada por NHE1 es necesaria para la unión de GTP catalizada por factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) a Cdc42, lo que sugiere un mecanismo para la regulación de la polaridad por esta pequeña GTPasa en células migratorias.
Fagocitosis
Otro comportamiento celular que se ve afectado por las proteínas rho es la fagocitosis. Como ocurre con la mayoría de los otros tipos de modulación de la membrana celular, la fagocitosis requiere el citoesqueleto de actina para engullir otros elementos. Los filamentos de actina controlan la formación de la copa fagocítica, y Rac1 y Cdc42 activos se han implicado en esta cascada de señalización.
Mitosis
Otro aspecto importante del comportamiento celular que se cree que incluye la señalización de la proteína rho es la mitosis . Si bien durante años se pensó que la actividad de la rho GTPasa estaba restringida a la polimerización de actina y, por lo tanto, a la citocinesis , que ocurre después de la mitosis, ha surgido nueva evidencia que muestra cierta actividad en la formación de microtúbulos y el proceso de mitosis en sí. Este tema aún se debate y existen evidencias tanto a favor como en contra de la importancia de la rho en la mitosis.
Aplicaciones
Regeneración del sistema nervioso.
Debido a sus implicaciones en la motilidad y la forma celular, las proteínas Rho se convirtieron en un objetivo claro en el estudio de los conos de crecimiento que se forman durante la generación y regeneración axonal en el sistema nervioso. Las proteínas Rho pueden ser un objetivo potencial para la administración a las lesiones de la médula espinal después de una lesión traumática. Después de una lesión en la médula espinal, el espacio extracelular se vuelve inhibidor de los esfuerzos naturales que realizan las neuronas para regenerarse.
Estos esfuerzos naturales incluyen la formación de un cono de crecimiento en el extremo proximal de un axón lesionado. Posteriormente, los conos de crecimiento recién formados intentan "arrastrarse" a través de la lesión. Son sensibles a las señales químicas del entorno extracelular. Una de las muchas señales inhibitorias incluye proteoglicanos de condroitín sulfato (CSPG). Las neuronas que crecen en cultivo se vuelven más capaces de cruzar regiones de sustrato recubiertas con CSPG después de la expresión de Cdc42 o Rac1 constitutivamente activos o la expresión de una forma negativa dominante (inhibición) de RhoA. Esto se debe en parte a las proteínas Rho exógenas que impulsan la locomoción celular a pesar de las señales extracelulares que promueven la apoptosis y el colapso del cono de crecimiento. Por tanto, la modulación intracelular de las proteínas Rho se ha vuelto de interés en la investigación dirigida a la regeneración de la médula espinal.
Discapacidad intelectual
La disfunción de las proteínas Rho también se ha relacionado con la discapacidad intelectual . La discapacidad intelectual en algunos casos implica la malformación de las espinas dendríticas , que forman las conexiones postsinápticas entre neuronas . Las espinas dendríticas deformadas pueden resultar de la modulación de la señalización de la proteína rho. Después de la clonación de varios genes implicados en el retraso mental ligado al cromosoma X, se identificaron tres genes que tienen efectos sobre la señalización de Rho, incluida la oligofrenina-1 (una proteína GAP que estimula la actividad GTPasa de Rac1, Cdc42 y RhoA), PAK3 (involucrada con los efectos de Rac y Cdc42 sobre el citoesqueleto de actina) y αPIX (un GEF que ayuda a activar Rac1 y Cdc42). Debido al efecto de la señalización Rho sobre el citoesqueleto de actina, las disfunciones genéticas de una proteína rho podrían explicar la morfología irregular de las dendritas neuronales observadas en algunos casos de retraso mental.
Cáncer
Después de descubrir que las proteínas Ras están mutadas en el 30% de los cánceres humanos, se sospechó que las proteínas Rho mutadas también podrían estar involucradas en la reproducción del cáncer. Sin embargo, en agosto de 2007, no se han encontrado mutaciones oncogénicas en las proteínas Rho y solo una está alterada genéticamente. Para explicar el papel de las vías Rho sin mutación, los investigadores ahora han recurrido a los reguladores de la actividad rho y los niveles de expresión de las proteínas Rho en busca de respuestas.
Una forma de explicar la alteración de la señalización en ausencia de mutación es mediante un aumento de la expresión. La sobreexpresión de RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH y Cdc42 se ha demostrado en múltiples tipos de cáncer. Esta mayor presencia de tantas moléculas de señalización implica que estas proteínas promueven las funciones celulares que se vuelven demasiado activas en las células cancerosas.
Un segundo objetivo para explicar el papel de las proteínas Rho en el cáncer son sus proteínas reguladoras. Las proteínas Rho están muy controladas por una amplia variedad de fuentes, y se han identificado más de 60 activadores y 70 inactivadores. Se ha demostrado que múltiples GAP, GDI y GEF sufren sobreexpresión, regulación a la baja o mutación en diferentes tipos de cáncer. Una vez que se cambia una señal en sentido ascendente, la actividad de sus objetivos en sentido descendente, es decir, las proteínas Rho, cambiará de actividad.
Ellenbroek y col. describió varios efectos diferentes de la activación de Rho en células cancerosas. En primer lugar, en el inicio del tumor, la modificación de la actividad de Rho puede suprimir la apoptosis y, por tanto, contribuir a la longevidad de las células artificiales. Una vez que se suprime la apoptosis natural, se puede observar un crecimiento tumoral anormal a través de la pérdida de polaridad en la que las proteínas Rho desempeñan un papel integral. A continuación, la masa en crecimiento puede invadir a través de sus límites normales mediante la alteración de las proteínas de adhesión causadas potencialmente por las proteínas Rho. Finalmente, después de la inhibición de la apoptosis, la polaridad celular y las moléculas de adhesión, la masa cancerosa queda libre para hacer metástasis y extenderse a otras regiones del cuerpo.
Referencias
Se han identificado varias mutaciones en las proteínas Rho en la secuenciación a gran escala de cánceres. Estas mutaciones se enumeran en la base de datos del Catálogo de mutaciones somáticas ( http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/ ). Se desconocen las consecuencias funcionales de estas mutaciones.
