RAS และ Small GTPases

Small GTPases ซึ่งรวมถึงโปรตีน RAS เป็นโปรตีนชนิด guanine-nucleotide-binding แบบโมโนเมอร์ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลในการส่งสัญญาณภายในเซลล์ โปรตีนเหล่านี้จะหมุนเวียนระหว่างสถานะที่จับกับ GTP ซึ่งเป็นสถานะทำงาน และสถานะที่จับกับ GDP ซึ่งเป็นสถานะไม่ทำงาน และในสถานะทำงานจะไปกระตุ้นตัวส่งสัญญาณ (effectors) ที่ขับเคลื่อนกระบวนการต่างๆ เช่น การเพิ่มจำนวนเซลล์ การขนส่งถุงน้ำ และพลวัตของโครงร่างเซลล์

Definition

Small GTPase คือโปรตีน guanine-nucleotide-binding แบบหน่วยย่อยเดี่ยว (~20-25 kDa) ที่ส่งสัญญาณเมื่อจับกับ GTP และจะถูกปิดการทำงานโดยการไฮโดรไลซิส GTP เป็น GDP โดยสถานะนิวคลีโอไทด์ของมันถูกกำหนดโดยโปรตีนควบคุมเสริม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวงจรการทำงานของ GTPase switch ตัวควบคุมที่ควบคุมวงจรนี้ (GEFs, GAPs และ GDIs) การจัดระเบียบของ Ras superfamily ออกเป็นสาขาการทำงานต่างๆ และวิถีการส่งสัญญาณของ RAS effector แบบดั้งเดิม หัวข้อนี้จะพิจารณา small GTPases ในฐานะกลไกการส่งสัญญาณ โดยจะอธิบายความเกี่ยวข้องกับโรคในฐานะบริบทอ้างอิงเท่านั้น

Core questions

• สวิตช์ GTPase เปลี่ยนสัญญาณชั่วคราวให้เป็นผลลัพธ์ที่ควบคุมได้อย่างไร?
• โปรตีนใดบ้างที่ควบคุมอัตราการแลกเปลี่ยนนิวคลีโอไทด์และการไฮโดรไลซิส?
• Ras superfamily ถูกจัดระเบียบเป็นสาขาการทำงานต่างๆ ได้อย่างไร?

Key concepts

• สวิตช์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง GTP/GDP
• บริเวณ Switch I และ switch II
• Guanine-nucleotide exchange factors (GEFs)
• GTPase-activating proteins (GAPs)
• Guanine-nucleotide dissociation inhibitors (GDIs)
• สาขาของ Ras superfamily (Ras, Rho, Rab, Ran, Arf)
• การกระตุ้นตัวส่งสัญญาณและการขยายสัญญาณ

Mechanisms

Small GTPases ทำงานเป็นสวิตช์ไบนารี ในสถานะที่จับกับ GTP บริเวณที่ยืดหยุ่นสองส่วนที่เรียกว่า switch I และ switch II จะอยู่ในโครงสร้างที่เป็นระเบียบซึ่งสร้างพื้นผิวการจับสำหรับตัวส่งสัญญาณปลายน้ำ การไฮโดรไลซิส GTP เป็น GDP จะทำให้บริเวณเหล่านี้คลายตัวและปิดสวิตช์ (Vetter & Wittinghofer, 2001) เนื่องจากการแลกเปลี่ยนและการไฮโดรไลซิสภายในตัวเป็นไปอย่างช้าๆ วงจรจึงถูกควบคุมโดยโปรตีนเสริม: guanine-nucleotide exchange factors (GEFs) ส่งเสริมการปล่อย GDP เพื่อให้ GTP สามารถจับและกระตุ้นสวิตช์ได้ ในขณะที่ GTPase-activating proteins (GAPs) เร่งการไฮโดรไลซิสเพื่อปิดการทำงานของสวิตช์; guanine-nucleotide dissociation inhibitors (GDIs) จะกักเก็บ GTPases บางชนิดไว้ในไซโตซอล (Bos et al., 2007) Ras superfamily ประกอบด้วยสาขาการทำงานต่างๆ ได้แก่ Ras, Rho, Rab, Ran และ Arf ซึ่งควบคุมการส่งสัญญาณการเพิ่มจำนวนเซลล์ การจัดระเบียบโครงร่างเซลล์ การขนส่งถุงน้ำ และการขนส่งระหว่างนิวเคลียสกับไซโตพลาสซึมและเยื่อหุ้มเซลล์ตามลำดับ (Wennerberg et al., 2005)

Clinical relevance

โปรตีน RAS เป็นหนึ่งในโมเลกุลส่งสัญญาณที่ได้รับการศึกษาบ่อยที่สุดในด้านเนื้องอกวิทยา เนื่องจากการกลายพันธุ์ที่กระตุ้นซึ่งทำให้การไฮโดรไลซิส GTP บกพร่องจะทำให้สวิตช์อยู่ในสถานะทำงานและคงการส่งสัญญาณการเพิ่มจำนวนเซลล์ไว้ ชีววิทยาเช่นนี้เป็นพื้นฐานของการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับการบำบัดที่มุ่งเป้าไปที่วิถี RAS (Downward, 2003) ข้อมูลนี้อธิบายกลไกดังกล่าวในฐานะความรู้เชิงอ้างอิงเท่านั้น และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษา

Evidence & guidelines

หัวข้อนี้อ้างอิงจากการทบทวนโครงสร้างและชีวเคมีของวงจร GTPase และการจัดระเบียบของ superfamily (Vetter & Wittinghofer, 2001; Wennerberg et al., 2005; Bos et al., 2007) มากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

ยีน RAS ถูกระบุว่าเป็นยีนก่อมะเร็งที่เปลี่ยนแปลงเซลล์จากเรโทรไวรัสและเนื้องอกในมนุษย์ประมาณปี 1982 และการศึกษาโครงสร้างของ GTPase fold และการค้นพบ GEFs และ GAPs ในภายหลังได้สร้างแบบจำลองสวิตช์โมเลกุลที่ปัจจุบันนำไปใช้กับ Ras superfamily ทั้งหมด (Vetter & Wittinghofer, 2001; Bos et al., 2007)

Key figures

• Alfred Wittinghofer
• Channing Der
• Johannes Bos
• Julian Downward

Seminal works

• vetter-2001
• bos-2007
• wennerberg-2005

Frequently asked questions

ทำไม GTPase จึงถูกเรียกว่าสวิตช์โมเลกุล?

เนื่องจากมีสองสถานะที่เสถียร — ทำงานเมื่อจับกับ GTP และไม่ทำงานเมื่อจับกับ GDP — และการสลับไปมาระหว่างสถานะเหล่านี้จะเปิดหรือปิดการส่งสัญญาณปลายน้ำ

GEFs และ GAPs ทำหน้าที่อะไร?

GEFs ส่งเสริมการจับของ GTP เพื่อกระตุ้น GTPase และ GAPs เร่งการไฮโดรไลซิส GTP เพื่อปิดการทำงานของมัน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะกำหนดระยะเวลาที่สวิตช์จะทำงาน