Guaninnukleotidutbytesfaktor - Guanine nucleotide exchange factor
Guaninnukleotidutbytesfaktorer ( GEF ) är proteiner eller proteindomäner som aktiverar monomera GTPaser genom att stimulera frisättningen av guanosindifosfat (BNP) för att möjliggöra bindning av guanosintrifosfat (GTP). En mängd olika orelaterade strukturella domäner har visat sig uppvisa guaninnukleotidutbytesaktivitet. Vissa GEF: er kan aktivera flera GTPaser medan andra är specifika för en enda GTPase.
Fungera
Guaninnukleotidutbytesfaktorer (GEF) är proteiner eller proteindomäner som är involverade i aktiveringen av små GTPaser . Små GTPaser fungerar som molekylära switchar i intracellulära signalvägar och har många nedströmsmål. De mest kända GTPaserna omfattar Ras-superfamiljen och är involverade i väsentliga cellprocesser såsom celldifferentiering och proliferation, cytoskeletal organisation, vesikelhandel och kärntransport. GTPaser är aktiva när de är bundna till GTP och inaktiva när de är bundna till BNP, vilket gör att deras aktivitet kan regleras av GEF: er och de motsatta GTPas-aktiverande proteinerna (GAP).
BNP avskiljer sig mycket långsamt från inaktiva GTPaser. Bindningen av GEF: er till deras GTPas-substrat katalyserar dissociationen av BNP, vilket gör att en GTP-molekyl kan bindas på sin plats. GEF fungerar för att främja dissociationen av BNP. Efter att BNP har lossnat från GTPas binder GTP generellt på sin plats, eftersom det cytosoliska förhållandet mellan GTP är mycket högre än BNP vid 10: 1. Bindningen av GTP till GTPase resulterar i frisättningen av GEF, som sedan kan aktivera ett nytt GTPase. Således destabiliserar GEF både GTPas-interaktionen med BNP och stabiliserar det nukleotidfria GTPas tills en GTP-molekyl binder till det. GAP (GTPas-aktiverande protein) agerar antagonistiskt för att inaktivera GTPaser genom att öka deras inneboende hastighet för GTP-hydrolys. BNP förblir bunden till det inaktiva GTPase tills en GEF binder och stimulerar dess frigörande.
Lokaliseringen av GEF kan avgöra var i cellen ett visst GTPas kommer att vara aktivt. Till exempel är Ran GEF, RCC1 , närvarande i kärnan medan Ran GAP är närvarande i cytosolen, vilket modulerar kärnimport och export av proteiner. RCC1 omvandlar RanGDP till RanGTP i kärnan och aktiverar Ran för export av proteiner. När Ran GAP katalyserar omvandling av RanGTP till RanGDP i cytosolen, frigörs proteinlasten.
Mekanism
Mekanismen för GTPase-aktivering varierar mellan olika GEF. Det finns emellertid vissa likheter i hur olika GEF förändrar konformationen av det G-protein nukleotidbindande stället. GTPaser innehåller två slingor som heter switch 1 och switch 2 som är belägna på vardera sidan om den bundna nukleotiden. Dessa regioner och den fosfatbindande slingan hos GTPasen interagerar med fosfaterna i nukleotiden och en koordinerande magnesiumjon för att bibehålla hög affinitetsbindning av nukleotiden. GEF-bindning inducerar konformationsförändringar i P-loop- och switchregionerna i GTPase medan resten av strukturen i stort sett är oförändrad. Bindningen av GEF hindrar steriskt magnesiumbindningsstället och stör den fosfatbindande regionen, medan den basbindande regionen förblir tillgänglig. När GEF binder GTPas frigörs fosfatgrupperna först och GEF förskjuts vid bindning av den inkomna GTP-molekylen. Även om detta allmänna schema är vanligt bland GEF, varierar de specifika interaktionerna mellan regionerna i GTPase och GEF mellan individuella proteiner.
Struktur och specificitet
Vissa GEF: er är specifika för ett enda GTPase medan andra har flera GTPase-substrat. Medan olika underfamiljer av Ras-superfamilj GTPaser har en bevarad GTP-bindande domän, är detta inte fallet för GEF. Olika familjer av GEF motsvarar olika Ras-underfamiljer. De funktionella domänerna för dessa GEF-familjer är inte strukturellt relaterade och delar inte sekvenshomologi. Dessa GEF-domäner verkar vara evolutionärt oberoende trots liknande funktion och substrat.
CDC25-domän
CDC25-homologidomänen, även kallad RasGEF-domänen , är den katalytiska domänen för många Ras GEF, som aktiverar Ras GTPaser. CDC25-domänen omfattar cirka 500 aminosyror och identifierades först i CDC25-proteinet i spirande jäst ( Saccharomyces cerevisiae ) .
DH- och PH-domäner
Dbl-liknande RhoGEF var närvarande vid ursprunget till eukaryoter och utvecklades som mycket adaptiva cellsignaleringsförmedlare. Dbl-liknande RhoGEFs kännetecknas av närvaron av en Dbl-homologidomän ( DH-domän ), som är ansvarig för GEF-katalytisk aktivitet för Rho GTPaser . Det mänskliga genomet kodar 71 medlemmar, fördelade på 20 underfamiljer. Alla 71 medlemmar var redan närvarande i tidiga ryggradsdjur, och de flesta av de 20 underfamiljerna var redan närvarande i tidiga Metazoans. Många av däggdjurs-Dbl-familjeproteinerna är vävnadsspecifika och deras antal i Metazoa varierar i proportion av cellsignaleringskomplexitet. Pleckstrins homologidomäner ( PH-domäner ) är associerade i kombination med DH-domäner i 64 av de 71 Dbl-familjemedlemmarna. PH-domänen ligger omedelbart intill DH-domänens C-terminal. Tillsammans utgör dessa två domäner den minsta strukturella enhet som krävs för aktiviteten hos de flesta Dbl-familjeproteiner. PH-domänen är inblandad i intracellulär inriktning av DH-domänen. Det anses allmänt att modulera membranbindning genom interaktioner med fosfolipider, men dess funktion har visat sig variera i olika proteiner. Denna PH-domän finns också i andra proteiner bortom RhoGEF.
DHR2-domän
Den DHR2 domänen är den katalytiska domänen av dockan familjen Rho GEFs. Liksom DH-domänen var DHR2 redan närvarande vid eukaryoternas ursprung. DOCK-familjen är en separat delmängd av GEF: er från Dbl-familjen och har ingen strukturell eller sekvensrelation till DH-domänen. Det finns 11 identifierade DOCK-familjemedlemmar uppdelade i underfamiljer baserat på deras aktivering av Rac och Cdc42 . DOCK-familjemedlemmar är involverade i cellmigrering, morfogenes och fagocytos. DHR2-domänen är cirka 400 aminosyror. Dessa proteiner innehåller också en andra konserverad domän, DHR1, som är cirka 250 aminosyror. DHR1-domänen har visat sig vara involverad i membranlokaliseringen av vissa GEF.
Sec7-domän
Sec7-domänen ansvarar för den GEF-katalytiska aktiviteten i ARF GTPases . ARF-proteiner fungerar vid handel med vesiklar . Även om ARF GEF: er skiljer sig åt i sina totala sekvenser, innehåller de en bevarad Sec 7-domän. Denna 200 aminosyraregion är homolog med jäst Sec7p-proteinet.
Förordning
GEF rekryteras ofta av adapterproteiner som svar på uppströms signaler. GEF är flerdomänproteiner och interagerar med andra proteiner inuti cellen genom dessa domäner. Adapterproteiner kan modulera GEF-aktivitet genom att interagera med andra domäner förutom den katalytiska domänen. Till exempel rekryteras SOS 1, Ras GEF i MAPK / ERK-vägen , av adapterproteinet GRB2 som svar på EGF-receptoraktivering . Bindningen av SOS1 till GBR2 lokaliserar den till plasmamembranet, där den kan aktivera de membranbundna Ras . Andra GEF, såsom Rho GEF Vav1 , aktiveras vid fosforylering som svar på uppströms signaler. Sekundära budbärare som cAMP och kalcium kan också spela en roll i GEF-aktivering.
Crosstalk har också visats mellan GEF: er och flera GTPase-signalvägar. Till exempel innehåller SOS en Dbl-homologidomän utöver dess CDC25-katalytiska domän. SOS kan fungera som en GEF för att aktivera Rac1 , ett RhoGTPase, förutom dess roll som en GEF för Ras. SOS är därför en länk mellan signalvägarna Ras-Family och Rho-Family GTPase.
Cancer
GEFs är potentiellt mål för cancerterapi på grund av sin roll i många signalvägar, i synnerhet celltillväxt. Till exempel är många cancerformer orsakade av mutationer i MAPK / ERK-vägen som leder till okontrollerad tillväxt. GEF SOS1 aktiverar Ras, vars mål är kinas Raf . Raf är en proto-onkogen eftersom mutationer i detta protein har hittats i många cancerformer. Rho GTPase Vav1 , som kan aktiveras av GEF-receptorn, har visat sig främja tumörproliferation i bukspottkörtelcancer. GEF representerar möjliga terapeutiska mål eftersom de potentiellt kan spela en roll för att reglera dessa vägar genom deras aktivering av GTPaser.
Exempel
- Son of sevenless (SOS1) är en viktig GEF i den celltillväxtreglerande MAPK / ERK-vägen. SOS1 binder GRB2 vid plasmamembranet efter EGF-receptoraktivering. SOS1 aktiverar det lilla G-proteinet Ras.
- eIF-2b är en eukaryot initieringsfaktor som är nödvändig för att initiera protein-translation. eIF-2b regenererar den GTP-bundna formen av eIF-2 för en ytterligare cykel vid proteinsyntesinitiering, dvs dess bindning till Met-t-RNA.
- G-proteinkopplade receptorer är trans-membranreceptorer som fungerar som GEF för deras besläktade G-proteiner vid bindning av en ligand. Ligandbindning inducerar en konformationsförändring som gör det möjligt för GPCR att aktivera ett associerat GTPas.
- RCC1 är guaninnukleotidutbytesfaktorn för Ran GTPase. Det lokaliseras till kärnan och katalyserar aktiveringen av Ran för att möjliggöra kärnkraftsexport av proteiner.
- Ras-GRF1
- Kalirin
- PLEKHG2
- Ephexin5 är en RhoA GEF involverad i neuronal synapsutveckling.