Familia Rho de GTPasas

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 GTPasas regulan muchos aspectos de la dinámica intracelular de la actina 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 orgánulos , la dinámica del citoesqueleto , el movimiento celular y otras funciones celulares comunes. ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

La identificación de la familia Rho de GTPasas comenzó a mediados de los años 1980. El primer miembro Rho identificado fue RhoA, aislado por casualidad en 1985 a partir de un cribado de ADNc de baja rigurosidad. ^[6] Rac1 y Rac2 se identificaron a continuación, en 1989 ^[7] seguidos por Cdc42 en 1990. ^[8] Se identificaron ocho miembros Rho de mamíferos adicionales a partir de cribados biológicos hasta finales de los años 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 GTPasa Rho (que van desde 6 en levaduras hasta 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. ^[1]

Ya en 1990, Paterson et al. comenzaron a expresar la proteína Rho activada en fibroblastos Swiss 3T3 . ^[9]

A mediados de los años 1990, se observó 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 mostraba que no sólo los fibroblastos forman procesos tras la activación de Rho, sino que también lo hacen prácticamente todas las células eucariotas. ^[10]

Un artículo de revisión de 2006 de Bement et al. exploró la importancia de las zonas espaciales de activación de Rho. ^[11]

La familia Rho de GTPasas pertenece a la superfamilia de proteínas Ras, que consta de más de 150 variedades en los mamíferos. Las proteínas Rho a veces denotan 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. ^{[ cita requerida ]}

En los mamíferos, la familia Rho contiene 20 miembros. ^[1] Casi todas las investigaciones involucran a los tres miembros más comunes de la familia Rho: Cdc42, Rac1 y RhoA. ^{[ cita requerida ]}

Estos 20 miembros 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/), la 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&2) y RhoH/TTF. ^[1]

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) . ^[12] Los GEF activan las proteínas Rho al catalizar el intercambio de GDP por GTP. Las GAP controlan la capacidad de la GTPasa de hidrolizar GTP a GDP , controlando la velocidad natural de movimiento desde la conformación activa a la conformación inactiva. Las proteínas GDI forman un gran complejo con la proteína Rho, ayudando a prevenir la difusión dentro de la membrana y hacia el citosol y actuando así como un ancla y permitiendo un control espacial estricto de la activación de Rho. ^[12] En humanos, 82 GEF (71 similares a Dbl ^[13] y 11 similares a DOCK ^[14] ) controlan positivamente la actividad de los miembros de Rho, mientras que 66 proteínas GAP la controlan negativamente. ^[15]

Trabajos recientes han revelado importantes mecanismos reguladores adicionales: los microARN regulan el procesamiento postranscripcional de los ARNm que codifican la GTPasa Rho; la palmitoilación y la orientación nuclear afectan la distribución intracelular; la fosforilación postranscripcional, la transglutaminación y la AMPilación modulan la señalización de la GTPasa Rho; y la ubiquitinación controla la estabilidad y el recambio de la proteína GTPasa Rho. Estos modos de regulación se suman a la complejidad de la red de señalización de la GTPasa Rho y permiten un control espaciotemporal preciso de las GTPasas Rho individuales. ^[16]

Cada proteína Rho afecta a numerosas proteínas posteriores, todas las cuales desempeñan funciones en diversos procesos celulares. Se han encontrado más de 60 dianas de las tres GTPasas Rho comunes. ^[17] Dos moléculas que estimulan directamente la polimerización de actina son las proteínas Arp2/3 y las forminas relacionadas con Diaphanous. ^[18]

Las proteínas Rho/Rac están involucradas en una amplia variedad de funciones celulares como la polaridad celular, el tráfico vesicular, el ciclo celular y la dinámica transcriptómica. ^[2]

Las células animales adoptan 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, deben tener algún tipo de polaridad celular . ^{[ cita requerida ]}

Un ejemplo del papel de las GTPasas Rho en la polaridad celular se observa en la célula de levadura, muy estudiada. Antes de que la célula pueda gemar, se utiliza Cdc42 para localizar la región de la membrana celular que comenzará a abultarse en la nueva célula. Cuando se elimina Cdc42 de la célula, las excrecencias se siguen formando, pero lo hacen de manera desorganizada. ^[17]

Uno de los cambios más obvios en la morfología celular controlados por las proteínas Rho es la formación de lamelipodios y filopodios , prolongaciones que se parecen a "dedos" o "pies" y que a menudo impulsan células o conos de crecimiento a través de superficies. Prácticamente todas las células eucariotas forman dichas prolongaciones tras la activación de Rho. ^[10] Los fibroblastos como las células Swiss 3T3 se utilizan a menudo para estudiar estos fenómenos.

Gran parte 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 unido a GTP. ^[9] Esta proteína no puede inactivarse normalmente, a través de la hidrólisis de GTP, y por lo tanto queda "pegada". Cuando una proteína Rho activada de esta manera se expresa en células 3T3, se producen cambios morfológicos como contracciones y formación de filopodios. ^[9]

Debido a que las proteínas Rho son proteínas G y están unidas a la membrana plasmática, su ubicación se puede controlar fácilmente. En cada situación, ya sea 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 célula esférica, Cdc42 y otros Rhos activos se ven en la concentración más alta alrededor de la circunferencia de la lesión circular. ^[11] Un método para mantener las zonas espaciales de activación es a través del anclaje al citoesqueleto de actina, evitando que la proteína unida a la membrana se difunda fuera de la región donde más se necesita. ^[11] Otro método de mantenimiento es a través de la formación de un gran complejo que es resistente a la difusión y está unido más rígidamente a la membrana que el propio Rho. ^[11]

Además de la formación de lamelipodios y filopodios, la concentración intracelular y la comunicación cruzada entre diferentes proteínas Rho impulsan las extensiones y contracciones que causan la locomoción celular. Sakumura et al. propusieron 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 supuso que Cdc42 fomentaba la elongación de los filopodios y bloqueaba la despolimerización de la actina. Se consideró que RhoA fomentaba la retracción de la actina. Rac fue tratada para fomentar la extensión de los lamelipodios pero bloquear la despolimerización de la actina. Estas tres proteínas, aunque significativamente simplificadas, cubrieron los pasos clave en la locomoción celular. A través de varias 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 en la actividad de la célula. Por debajo de una determinada concentración, hay muy poca actividad, lo que provoca que no se extiendan los brazos ni los pies de la célula. Por encima de una determinada 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 desfasada de la célula, lo que da lugar a extensiones y contracciones que también están desfasadas. ^[19]

Un ejemplo de comportamiento modulado por las proteínas Rho GTPasa es la cicatrización de heridas. Las heridas cicatrizan de forma diferente entre polluelos jóvenes y pollos adultos. En los polluelos jóvenes, las heridas cicatrizan por contracción, de forma muy similar a como se tira de un cordón para cerrar una bolsa. En los pollos mayores, las células se desplazan a través de la herida mediante la locomoción. La formación de actina necesaria para cerrar las heridas en los polluelos jóvenes está controlada por las proteínas Rho GTPasa, ya que, después de la inyección de una exoenzima bacteriana utilizada para bloquear la actividad de rho y rac, los polímeros de actina no se forman y, por lo tanto, la cicatrización falla por completo. ^[20]

Los estudios en fibroblastos indican una retroalimentación positiva entre la actividad de Cdc42 y el eflujo de H+ por la isoforma 1 del intercambiador de Na-H (NHE1) en el borde delantero de las células migratorias. El eflujo de H+ mediado por NHE1 es necesario para la unión de GTP catalizada por el factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) a Cdc42, lo que sugiere un mecanismo de regulación de la polaridad por parte de esta pequeña GTPasa en las células migratorias. ^[21]

Otro comportamiento celular que se ve afectado por las proteínas rho es la fagocitosis. Como ocurre con la mayoría de los demás tipos de modulación de la membrana celular, la fagocitosis requiere del citoesqueleto de actina para engullir otros elementos. Los filamentos de actina controlan la formación de la copa fagocítica, y se ha implicado a Rac1 y Cdc42 activos en esta cascada de señalización. ^[22]

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 GTPasa rho se limitaba a la polimerización de actina y, por lo tanto, a la citocinesis , que ocurre después de la mitosis, han surgido nuevas evidencias que muestran 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 rho en la mitosis. ^[23]

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 su administración en 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. ^{[ cita requerida ]}

Estos esfuerzos naturales incluyen la formación de un cono de crecimiento en el extremo proximal de un axón lesionado. Los conos de crecimiento recién formados posteriormente intentan "arrastrarse" a través de la lesión. Estos son sensibles a las señales químicas en el entorno extracelular. Una de las muchas señales inhibidoras incluye los proteoglicanos de sulfato de condroitina (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 ^[24] o la expresión de una forma negativa dominante (inhibición) de RhoA ^{[ cita requerida ]} .

Esto se debe en parte a que las proteínas Rho exógenas impulsan la locomoción celular a pesar de las señales extracelulares que promueven la apoptosis y el colapso del cono de crecimiento. Por lo tanto, la modulación intracelular de las proteínas Rho se ha vuelto de interés en la investigación dirigida a la regeneración de la médula espinal. ^{[ cita requerida ]}

La disfunción de las proteínas Rho también se ha relacionado con la discapacidad intelectual . En algunos casos, la discapacidad intelectual implica una malformación de las espinas dendríticas , que forman las conexiones postsinápticas entre las neuronas . Las espinas dendríticas deformes pueden ser resultado 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, entre ellos la oligofrenina-1 (una proteína GAP que estimula la actividad GTPasa de Rac1, Cdc42 y RhoA), PAK3 (involucrada en los efectos de Rac y Cdc42 en el citoesqueleto de actina) y αPIX (un GEF que ayuda a activar Rac1 y Cdc42). ^[25] Debido al efecto de la señalización de Rho en 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. ^{[ cita requerida ]}

Tras descubrir que las proteínas Ras se encuentran mutadas en el 30% de los cánceres humanos, se sospechó que las proteínas Rho mutadas también podrían estar implicadas en la reproducción del cáncer. ^[12] Sin embargo, hasta agosto de 2007, no se han encontrado mutaciones oncogénicas en las proteínas Rho, y sólo se ha descubierto que una está alterada genéticamente. ^[12] Para explicar el papel de las vías Rho sin mutación, los investigadores han recurrido ahora a los reguladores de la actividad de Rho y a los niveles de expresión de las proteínas Rho en busca de respuestas. ^{[ cita requerida ]}

Una forma de explicar la señalización alterada en ausencia de mutación es a través del aumento de la expresión. Se ha demostrado la sobreexpresión de RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH y Cdc42 en múltiples tipos de cáncer. ^[12] Esta mayor presencia de tantas moléculas de señalización implica que estas proteínas promueven las funciones celulares que se vuelven hiperactivas 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 estrechamente controladas por una amplia variedad de fuentes, y se han identificado más de 60 activadores y 70 inactivadores. ^[17] Se ha demostrado que múltiples GAP, GDI y GEF experimentan sobreexpresión, regulación negativa o mutación en diferentes tipos de cáncer. ^[12] Una vez que se modifica una señal ascendente, la actividad de sus objetivos descendentes (es decir, las proteínas Rho) cambiará.

Ellenbroek et al. describieron una serie de efectos diferentes de la activación de Rho en células cancerosas. En primer lugar, en la iniciación del tumor, la modificación de la actividad de Rho puede suprimir la apoptosis y, por lo tanto, contribuir a la longevidad artificial de las células. Una vez suprimida la apoptosis natural, se puede observar un crecimiento anormal del tumor 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 sus límites normales a través de la alteración de las proteínas de adhesión posiblemente causada por las proteínas Rho. ^[12] Finalmente, después de la inhibición de la apoptosis, la polaridad celular y las moléculas de adhesión, la masa cancerosa es libre de hacer metástasis y propagarse a otras regiones del cuerpo.

Se han identificado varias mutaciones en las proteínas Rho en secuenciaciones a gran escala de cánceres. Estas mutaciones están incluidas 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.

• MBInfo: Familia Rho de GTPasas
• Inhibidor de la disociación del GDP de la proteína RHO