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GTPase活性化タンパク質またはGTPase加速タンパク質（GAP ）は、活性化Gタンパク質に結合してGTPase活性を刺激し、シグナル伝達イベントを終結させる調節タンパク質のファミリーです。 [ 1 ] GAPはRGSタンパク質またはRGSタンパク質 とも呼ばれ、[ 2 ]これらのタンパク質はGタンパク質の活性を制御する上で重要です。Gタンパク質の調節は、これらのタンパク質がさまざまな重要な細胞プロセスに関与しているため重要です。たとえば、大きなGタンパク質は、ホルモンシグナル伝達などのさまざまなシグナル伝達プロセスに対するGタンパク質共役受容体からのシグナル伝達に関与し、 [ 2 ]小さなGタンパク質は、細胞輸送や細胞周期などのプロセスに関与しています。[ 3 ] この機能におけるGAPの役割は、Gタンパク質の活性をオフにすることです。この意味で、GAPの機能は、Gタンパク質シグナル伝達を増強するグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）の機能とは逆です。 [ 4 ]
GAPはGタンパク質共役受容体ファミリーと密接に関連しています。Gタンパク質の活性は、グアノシン三リン酸（GTP）に結合する能力に由来します。GTPの結合は、阻害サブユニットの喪失を通じて、Gタンパク質の活性を本質的に変化させ、活性を高めます。[ 5 ] このより活性な状態では、Gタンパク質は他のタンパク質に結合し、下流のシグナル伝達標的を活性化することができます。このプロセス全体はGAPによって制御されており、GAPはGタンパク質の活性をダウンレギュレーションすることができます。
Gタンパク質はGTPを弱く加水分解し、リン酸結合を切断してGDPを生成する。[ 5 ] GDP結合状態では、Gタンパク質は不活性化され、標的に結合できなくなる。[ 5 ] しかし、この加水分解反応は非常にゆっくりと起こるため、Gタンパク質には活性のためのタイマーが内蔵されている。Gタンパク質には活性のウィンドウがあり、その後ゆっくりとした加水分解が起こり、活性が停止する。GAPはGタンパク質の加水分解GTPase活性を高めることでこのGタンパク質タイマーを加速するため、GTPase活性化タンパク質という名前が付けられている。
GAPは、Gタンパク質上のGTPを求核攻撃のより良い基質にし、加水分解反応の遷移状態エネルギーを低下させる働きをすると考えられている。例えば、小型Gタンパク質の多くのGAPは、保存されたフィンガー様ドメイン（通常はアルギニンフィンガー）を持ち、GTP結合Gタンパク質の立体構造を変化させて、GTPを水による求核攻撃に適した方向に配向させる。[ 6 ] これにより、GTPは反応のより良い基質となる。同様に、GAPは結合したGTPにGDPのような電荷分布を誘導するようである。[ 7 ] 電荷分布の変化により、GTP基質は反応生成物であるGDPと一リン酸により近くなるため、分子が求核攻撃に対して開かれることと相まって、反応の遷移状態エネルギー障壁が低下し、GTPがより容易に加水分解されるようになる。したがって、GAPはGタンパク質のGTP加水分解反応を促進する働きをする。これにより、GAPはGタンパク質の内蔵タイマーを加速させ、Gタンパク質をより速やかに不活性化する。そして、GEFの不活性化と相まって、Gタンパク質シグナルをオフの状態に保つ。したがって、GAPはGタンパク質の調節において極めて重要な役割を果たす。
一般的に、GAPは標的Gタンパク質に対して非常に特異的である傾向があります。標的特異性の正確なメカニズムは完全には解明されていませんが、この特異性はさまざまな要因から生じていると考えられます。 最も基本的なレベルでは、GAPとGタンパク質の特異性は、タンパク質発現のタイミングと場所によって決まる可能性があります。たとえば、RGS9-1は眼の網膜の桿体および錐体光受容体に特異的に発現し、この領域で光伝達に関与するGタンパク質と相互作用する唯一のタンパク質です。[ 8 ] 特定のGAPと特定のGタンパク質がたまたま同じ時間と場所で発現することで、細胞は特異性を確保します。一方、足場タンパク質は、適切なGAPをそのGタンパク質に隔離し、適切な結合相互作用を強化することもできます。[ 8 ] これらの結合相互作用は、特定のGAPとGタンパク質に特異的である可能性があります。また、GAPは特定のGタンパク質のみを認識する特定のアミノ酸ドメインを持っている可能性があります。他のGタンパク質との結合では、同じ好ましい相互作用が得られないため、相互作用しません。したがって、GAPは特定のGタンパク質を調節することができる。
EIF5はGTPase活性化タンパク質である。[ 9 ]さらに、YopEはRho GTPase活性化タンパク質（GAP）であるタンパク質ドメインであり、RhoA、Rac1、Rac2などの低分子GTPaseを標的とする。[ 10 ]
Rasスーパーファミリーの小型GTP結合タンパク質に作用するGAPは、保存された構造を持ち、同様のメカニズムを使用する。
GTPaseの一例として、細胞質と核の両方に存在するモノマーRanが挙げられる。RanによるGTPの加水分解は、核タンパク質を細胞内に輸送するために必要なエネルギーを供給すると考えられている。Ranは、GEFとGAPによってそれぞれ活性化および不活性化される。
ヘテロ三量体Gタンパク質のαサブユニットに作用するGAPのほとんどは、RGSタンパク質ファミリーという明確なファミリーに属している。
GAPはGタンパク質を調節する役割を担っていますが、GAP自体もある程度調節されています。多くのGAPは、調節する特定の経路の下流標的とのインターフェースとして機能するアロステリック部位を持っています。例えば、上記の光受容体のGAPであるRGS9-1は、網膜の光伝達の下流成分であるcGMPホスホジエステラーゼ（cGMP PDE）と相互作用します。cGMP PDEと結合すると、RGS9-1 GAPの活性が増強されます。[ 8 ] つまり、光受容体誘導シグナル伝達の下流標的が、シグナル伝達阻害因子であるGAPに結合して活性化します。下流標的とGAPとのこの正の調節結合は、最終的に最初に活性化されたシグナル伝達をオフにする負のフィードバックループとして機能します。GAPは、調節するGタンパク質の標的によって調節されます。
Gタンパク質シグナル伝達の下流標的がGAPを阻害する負の制御機構の例もあります。Gタンパク質依存性カリウムチャネルでは、ホスファチジルイノシトール3,4,5-三リン酸（PIP3）がGタンパク質シグナル伝達の下流標的です。PIP3はRGS4 GAPに結合してこれを阻害します。[ 11 ] このようなGAPの阻害は、シグナル伝達経路を活性化するための「準備」となる可能性があります。GAPが一時的に阻害されるため、活性化されたGタンパク質の活動ウィンドウが作られます。カリウムチャネルが活性化されると、Ca2+が放出され、カルモジュリンに結合します。両者は競合的に同じ部位に結合することでGAPからPIP3を置換し、それによってGAPを再活性化してGタンパク質シグナル伝達をオフにします。[ 11 ] この特定のプロセスは、GAPの調節因子によるGAPの阻害と活性化の両方を示しています。GAPと、GAPの活性を調節するシグナル伝達経路の他の構成要素との間にはクロストークがあります。
GAP間のクロストークの可能性を示唆するいくつかの発見がある。最近の研究では、p120Ras GAPがDLC1 Rho GAPの触媒ドメインに結合する可能性があることが示された。Ras GAPがRho GAPに結合すると、Rho GAPの活性が阻害され、Rho Gタンパク質が活性化される。[ 12 ] あるGAPは、別のGAPの負の調節因子として機能する。GAP間のこのようなクロス調節の理由はまだ不明であるが、考えられる仮説の1つは、GAP間のこのクロストークがすべてのGAPの「オフ」シグナルを弱めるということである。p120Ras GAPは活性であるため、その特定の経路を阻害するが、他のGAPを阻害するため、他の細胞プロセスは継続することができる。これにより、単一のオフシグナルによってシステム全体が停止しないことが保証される可能性がある。GAPの活性は非常に動的であり、シグナル伝達経路の他の多くの構成要素と相互作用する。
GAPの重要性は、重要なGタンパク質の調節にある。これらのGタンパク質の多くは細胞周期に関与しており、そのため原癌遺伝子として知られている。例えば、RasスーパーファミリーのGタンパク質は、FGF（線維芽細胞増殖因子）などの多くの増殖因子の共通の下流標的であるため、多くの癌と関連付けられている。 [ 13 ] 通常の状態では、このシグナル伝達は最終的に制御された細胞増殖と分裂を誘導する。しかし、癌の状態では、このような増殖はもはや制御されず、腫瘍の形成につながる。
多くの場合、この発がん性挙動は、Gタンパク質に関連するGAPの機能喪失、またはGタンパク質がGAPに応答する能力の喪失に起因します。前者の場合、Gタンパク質はGTPを迅速に加水分解することができず、活性型のGタンパク質が持続的に発現します。Gタンパク質は弱い加水分解活性を持っていますが、機能的なGEFが存在すると、GEFがこれらのタンパク質中のGDPをGTPに交換するため、不活性化されたGタンパク質は常に活性化されたGタンパク質に置き換えられます。Gタンパク質の活性を抑制するGAPがないため、これは恒常的に活性化されたGタンパク質、制御不能な細胞増殖、および癌状態につながります。後者の場合、Gタンパク質がGAPに応答する能力を失うと、Gタンパク質はGTPを加水分解する能力を失います。機能しないGタンパク質酵素の場合、GAPはGTPase活性を活性化できず、Gタンパク質は恒常的に活性化されます。これもまた、制御不能な細胞増殖と癌につながります。 GAPの機能不全の例は臨床的に広く見られます。いくつかのケースでは、GAP遺伝子の発現低下が関係しています。たとえば、最近特徴づけられた患者の乳頭状甲状腺癌細胞のいくつかのケースでは、Rap1GAPの発現低下が見られ、この発現低下はqRT-PCR実験で示されたGAP mRNAの発現低下によって引き起こされているようです。[ 14 ] この場合、適切なRap1GAP遺伝子発現が失われているようです。別のケースでは、遺伝子の不適切なエピジェネティックサイレンシングにより、いくつかの癌でRas GAPの発現が失われています。これらの細胞では、遺伝子の近くにCpGメチル化があり、それが結果的に遺伝子転写をサイレンシングしています。[ 15 ] 調節因子が存在しないためにGタンパク質の調節が失われ、癌につながります。
他の癌では、Gタンパク質のGAPに対する感受性が失われている。これらのGタンパク質は、タンパク質本来のGTPase活性を阻害するミスセンス変異を獲得する。変異したGタンパク質は依然としてGAPに結合するが[ 16 ]、Gタンパク質自体のGTPase活性が失われている場合、GAPによるGTPase活性の増強は意味をなさない。GAPは機能しない加水分解酵素を活性化する働きをする。例えば、T24膀胱癌細胞は、構成的に活性化されたRasタンパク質をもたらすミスセンス変異G12Vを有することが示されている[ 17 ] 。G タンパク質調節因子が存在するにもかかわらず、Gタンパク質自体の機能喪失により調節が失われる。この機能喪失は癌でも現れる。したがって、GAPとGタンパク質との相互作用は臨床的に非常に重要であり、癌治療の潜在的な標的である。
