23.2: Kleine GTPasen – Ras und Rho

Ras und Rho sind kleine monomere GTPasen, die stromabwärts der Rezeptortyrosinkinase (RTK) wirken und verschiedene zelluläre Prozesse regulieren. Diese GTPasen wechseln zwischen aktiven und inaktiven Zuständen, indem sie an Guaninnukleotide binden.

Drei regulatorische Proteine steuern ihre Aktivität:

1. Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren oder GEF,
2. GTPase-aktivierende Proteine oder GAPs und
3. Guaninnukleotid-Dissoziationsinhibitoren oder GDIs.

Der GEF aktiviert die GTPase, indem er das gebundene GDP gegen GTP austauscht. Die Aktivität der GTPasen wird durch GAP ausgeschaltet. Sie hydrolysieren das gebundene GTP zu BIP. Der GDI blockiert die GTPase außerdem in ihrer GDP-gebundenen inaktiven Form.

Ras ist eine membrangebundene GTPase und bindet über Prenylketten an die Plasmamembran. Bei Säugetieren gibt es drei Arten von Ras: H-Ras, K-Ras und N-Ras. Die Bindung des Wachstumsfaktorliganden aktiviert RTKs und veranlasst Ras-GEF, GDP durch GTP zu ersetzen. Das aktive Ras-GTP kann nun die erste Kinase der MAPK-Signalkaskade, wie z. B. MAPKKK/Raf, rekrutieren und aktivieren, wodurch die MAPK-Signalisierung ausgelöst und dadurch die Zellproliferation initiiert wird. Allerdings hydrolysiert es das GTP schnell und wird abgeschaltet, wodurch eine unkontrollierte Zellproliferation verhindert wird. Hyperaktive mutierte Formen von Ras bleiben im GTP-gebundenen Zustand und führen häufig zur Tumorentstehung.

Proteine der Rho-Familie wie Cdc42, Rho und Rac modulieren die Zellform, -bewegung und -migration. Rho kann löslich oder membrangebunden sein. Lösliches RhoGDP bindet GDI und bleibt inaktiv. Nach der Stimulation dissoziiert GDI und erleichtert die Membranlokalisierung von Rho auf eine der folgenden Arten:

1. Elektrostatische Anziehungskräfte zwischen positiv geladenen C-Termini von Rho und den negativ geladenen Plasmamembranlipiden fördern seine Lokalisierung.
2. Der verkürzte Tropomyosin-verwandte Kinase-B-Rezeptor oder T1 bindet RhoGDI und bindet es auf der Plasmamembran, wodurch Rho zur Aktivierung zur Membran entweichen kann. Alternativ interagieren Verdrängungsfaktoren wie Ezrin (E), Radixin (R) und Moesin (M) oder Proteine der ERM-Familie mit dem RhoGTPasen-GDI-Komplex und verdrängen anschließend das GDI von Rho.
3. Alternativ destabilisiert die Phosphorylierung von RhoGDI durch Proteinkinasen den RhoGTPasen-GDI-Komplex und setzt Rho für die Membranlokalisierung frei.

Sobald Rho an der Membran lokalisiert ist, interagiert es mit einem in der Nähe befindlichen aktivierten RhoGEF und unterliegt einem GDP/GTP-Austausch. Aktiviertes RhoGTP fördert nun die nachgeschaltete Signalübertragung und reguliert verschiedene zelluläre Prozesse.

Ras und Rho sind kleine monomere GTPasen, die Signale stromabwärts von Rezeptor-Tyrosinkinasen oder RTKs weiterleiten, um das Zellwachstum, die Migration und die Differenzierung zu regulieren.

Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren oder GEFs fördern den Austausch von GDP zu GTP und helfen, diese GTPasen zu aktivieren. Umgekehrt beschleunigen GTPase-aktivierende Proteine oder GAPs die GTP-Hydrolyse, um sie zu inaktivieren.

Wenn Wachstumsfaktoren an RTKs binden, binden sich Adapterproteine an den zytosolischen Schwanz des RTK. Diese RTK-Adapter-Signalkomplexe bringen Ras-GEF in die Nähe eines membrangebundenen Ras, um es zu aktivieren.

Im Gegensatz zu Ras ist Rho zytosolisch und an den GDP-Dissoziationshemmer (GDI) gebunden, der seine inaktive Form beibehält. In Abwesenheit von GDI bindet Rho über eine Prenylgruppe an die Membran.

Die Ligandenbindung ermöglicht es RTK, eine Kinase zu rekrutieren, die Rho-GEF phosphoryliert, die GDP durch GTP ersetzt, um Rho zu aktivieren.

Die GTPasen können nun auf ihren Substraten, wie z.B. den MAP-Kinasen oder SHP2s, wirken und das Signal nachgeschaltet weiterleiten.