proteína activadora de GTPasa

Las proteínas activadoras de GTPasa o proteínas aceleradoras de GTPasa ( GAP ) son una familia de proteínas reguladoras cuyos miembros pueden unirse a las proteínas G activadas y estimular su actividad GTPasa , lo que resulta en la terminación del evento de señalización. ^{[ 1 ]} Las GAP también se conocen como proteínas 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 señales desde el receptor acoplado a 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 ]} La función de las GAP en este proceso es desactivar la actividad de la proteína G. En este sentido, la función de las GAP es opuesta a la de los factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF), que sirven para potenciar la señalización de la proteína G. ^{[ 4 ]}

Las GAP están estrechamente relacionadas con la familia de receptores acoplados a proteínas G. La actividad de las proteínas G proviene de su capacidad para unirse al guanosín trifosfato (GTP). La unión del GTP modifica intrínsecamente la actividad de las proteínas G, incrementándola mediante 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 negativamente la actividad de las proteínas G.

Las proteínas G pueden hidrolizar débilmente el GTP, rompiendo un enlace fosfato para formar GDP. ^{[ 5 ]} En el estado unido al GDP, las proteínas G se inactivan y ya no pueden unirse a sus dianas. ^{[ 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 un período de actividad seguido de una hidrólisis lenta, que las desactiva. GAP acelera este temporizador de las proteínas G al aumentar la actividad GTPasa hidrolítica de las proteínas G, de ahí el nombre de proteína activadora de GTPasa.

Se cree que las GAP sirven para que el GTP unido a la proteína G sea un mejor sustrato para el ataque nucleofílico y para disminuir la energía del estado de transición de 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 al GTP para orientarlo y facilitar el ataque nucleofílico del 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 a la del GDP en el GTP unido. ^{[ 7 ]} Debido a que el cambio en la distribución de carga hace que el sustrato GTP se asemeje más a los productos de la reacción, GDP y monofosfato, esto, junto con la apertura de la molécula para el ataque nucleofílico, disminuye la barrera de energía del estado de transición de la reacción y permite que el GTP se hidrolice más fácilmente. Por lo tanto, las GAP trabajan para mejorar la reacción de hidrólisis del GTP de las proteínas G. De esta forma, aceleran el temporizador interno de la proteína G, lo que provoca su inactivación más rápida. Junto con la inactivación de las GEF, esto mantiene la señal de la proteína G desactivada. Por lo tanto, las GAP son fundamentales en la regulación de las proteínas G.

En general, las GAP tienden a ser bastante específicas para sus proteínas G diana. El mecanismo exacto de especificidad no se conoce completamente, pero es probable que esta especificidad provenga de una variedad de factores. En el nivel más básico, la especificidad de la GAP a la proteína G puede deberse simplemente al momento y lugar 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 la única que interactúa con las proteínas G involucradas en la fototransducción en esta área. ^{[ 8 ]} Una GAP y una proteína G determinadas se expresan al mismo tiempo y en el mismo lugar, y así es como la célula asegura la especificidad. Mientras tanto, las proteínas andamio 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 una proteína G particulares. Además, las GAP pueden tener dominios de aminoácidos particulares que reconocen solo una proteína G específica. 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 actúa sobre pequeñas GTPasas como RhoA, Rac1 y Rac2. ^{[ 10 ]}

Si bien las GAP regulan las proteínas G, también existe cierto grado de regulación de las propias GAP. Muchas GAP poseen sitios alostéricos que actúan como interfaces con las dianas posteriores de la vía específica que regulan. Por ejemplo, RGS9-1, la GAP de los fotorreceptores mencionada anteriormente, interactúa con la fosfodiesterasa de cGMP (cGMP PDE), un componente posterior de la fototransducción en la retina. Al unirse a la cGMP PDE, se potencia la actividad de la GAP RGS9-1. ^{[ 8 ]} En otras palabras, una diana posterior de la señalización inducida por el fotorreceptor se une y activa al inhibidor de la señalización, la GAP. Esta unión reguladora positiva de las dianas posteriores a la GAP actúa como un bucle de retroalimentación negativa que, finalmente, desactiva la señalización que se activó originalmente. Las GAP están reguladas por las dianas de la proteína G que regulan.

También existen ejemplos de mecanismos de regulación negativa, donde los objetivos posteriores de la señalización de la proteína G inhiben las GAP. En los canales de potasio regulados por proteína G, el fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3) es un objetivo posterior de la señalización de la proteína G. El PIP3 se une e inhibe la GAP RGS4. ^{[ 11 ]} Dicha inhibición de la GAP podría "preparar" la vía de señalización para su activación. Esto crea una ventana de actividad para las proteínas G una vez activadas, ya que la GAP se inhibe temporalmente. Cuando el canal de potasio se activa, se libera Ca2+ y se une a la calmodulina. Juntos, desplazan al PIP3 de la GAP al unirse 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 encontrado indicios de la posibilidad de interacción entre GAP. Un estudio reciente demostró que la GAP p120Ras puede unirse a la GAP Rho DLC1 en su dominio catalítico. La unión de la GAP Ras a la GAP Rho inhibe la actividad de esta última, activando así la proteína G Rho. ^{[ 12 ]} Una GAP actúa como regulador negativo de otra. Las razones de esta regulación cruzada entre GAP aún no están claras, pero una posible hipótesis es que esta interacción atenúa la señal de desactivación de todas las GAP. Aunque la GAP p120Ras esté activa, inhibiendo así esa vía en particular, otros procesos celulares pueden continuar porque inhibe otras GAP. Esto podría asegurar que todo el sistema no se detenga por una sola señal de desactivación . La actividad de las GAP es altamente dinámica e interactúa con muchos otros componentes de las vías de señalización.

La importancia de las GAP radica en su regulación de las cruciales proteínas G. 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 tipos de cáncer, ya que 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 un crecimiento y proliferación celular regulados. Sin embargo, en el estado canceroso, dicho crecimiento deja de estar 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 a las 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 resulta en la 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 activadas, ya que las GEF intercambian GDP por GTP en estas proteínas. Sin GAP que frenen la actividad de la proteína G, esto resulta en proteínas G constitutivamente activas, crecimiento celular descontrolado y el estado canceroso. En el segundo caso, una pérdida de la capacidad de la proteína G para responder a la 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 GTPasa y la proteína G está constitutivamente activa. Esto también resulta en crecimiento celular descontrolado y cáncer. Los ejemplos de disfunción de GAP son omnipresentes en la práctica clínica. Algunos casos implican una expresión disminuida del gen GAP. Por ejemplo, algunos casos recientemente caracterizados de células de cáncer de tiroides papilar en pacientes muestran una expresión disminuida de Rap1GAP, y esta expresión aparentemente es causada por una expresión disminuida del ARNm de GAP, demostrado 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 a un 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 cánceres muestran una pérdida de sensibilidad de la proteína G a las GAP. Estas proteínas G adquieren mutaciones de sentido erróneo que alteran la actividad GTPasa inherente de las proteínas. Las proteínas G mutantes aún se unen a las GAP, ^{[ 16 ]} pero la mejora de la actividad GTPasa por parte de las GAP carece de sentido cuando se pierde la actividad GTPasa de la propia proteína G. La GAP actúa activando una enzima hidrolítica no funcional. Por ejemplo, se ha demostrado que las células de cáncer de vejiga T24 presentan una mutación de sentido erróneo, G12V, que da como resultado 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 lo tanto, las GAP y su interacción con las proteínas G son de gran importancia clínica y constituyen posibles dianas para las terapias contra el cáncer.

• Proteínas activadoras de GTPasa en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.