RhoファミリーのGTPase

Rhoファミリーの GTPase は、小さな (~21 kDa) シグナル伝達G タンパク質のファミリーであり、Ras スーパーファミリーのサブファミリーです。Rho GTPaseファミリーのメンバーは、細胞内アクチンダイナミクスの多くの側面を制御することが示されており、酵母や一部の植物を含むすべての真核生物界に存在します。ファミリーの 3 つのメンバー、Cdc42、Rac1、およびRhoA が詳細に研究されています。すべての G タンパク質は「分子スイッチ」であり、Rho タンパク質は細胞小器官の発達、細胞骨格のダイナミクス、細胞運動、およびその他の一般的な細胞機能に役割を果たします。^{[1] [2] [3] [4] [5]}

Rho ファミリーの GTPase の同定は 1980 年代半ばに始まりました。最初に同定された Rho メンバーは RhoA で、1985 年に低ストリンジェンシーcDNAスクリーニングから偶然に分離されました。^[6]次に Rac1 と Rac2 が 1989 年に同定され^[7]、続いて Cdc42 が 1990 年に同定されました。^[8] 1990 年代後半まで、生物学的スクリーニングによってさらに 8 つの哺乳類 Rho メンバーが同定されました。これは、完全なゲノム配列が利用可能になり、遺伝子ファミリーを完全に同定できるようになった生物学の転換点でした。すべての真核細胞には Rho GTPase が含まれています (酵母では 6 個、哺乳類では 20 個)。したがって、哺乳類では、Rho ファミリーは 8 つのサブファミリーに分布する 20 のメンバーで構成されています: Rho、Rnd、RhoD/F、RhoH、Rac、Cdc42、RhoU/V、および RhoBTB。^[1]

1990年初頭、パターソンらはスイス3T3線維芽細胞で活性化Rhoタンパク質の発現を開始しました。^[9]

1990年代半ばまでに、Rhoタンパク質は線維芽細胞の細胞突起（「突起」）の形成に影響を与えることが観察されました。1998年のレビュー記事で、アラン・ホールは、線維芽細胞がRhoの活性化によって突起を形成するだけでなく、事実上すべての真核細胞も突起を形成することを示す証拠をまとめました。^[10]

2006年にBementらが発表したレビュー記事では、Rho活性化の空間領域の重要性が検討された。^[11]

Rho ファミリーの GTPase は、哺乳類で 150 種類以上存在するRas スーパーファミリーのタンパク質に属します。Rho タンパク質は、Rho ファミリーの一部のメンバー ( RhoA、RhoB、RhoC ) を指す場合もあれば、ファミリーのすべてのメンバーを指す場合もあります。この記事では、ファミリー全体について説明します。^{[引用が必要]}

哺乳類では、Rhoファミリーには20のメンバーが含まれています。^[1]ほとんどすべての研究は、Rhoファミリーの最も一般的な3つのメンバー、Cdc42、Rac1、およびRhoAを対象としています。^{[引用が必要]}

これら20種の哺乳類メンバーは、Racサブファミリー（Rac1、Rac2、Rac3、およびRhoG）、Cdc42サブファミリー（Cdc42、TC10/RhoQ、TCL/RhoJ）、RhoUVファミリー（RhoV/ChpおよびRhoU/Wrch-1/）、RhoAサブファミリー（RhoA、RhoB、およびRhoC）、Rndサブファミリー（Rnd1/Rho6、Rnd2/RhoNおよびRnd3/RhoE）、RhoDサブファミリー（RhoDおよびRhoF/Rif）、RhoBTB（RhoBTB1および2）、およびRhoH/TTFに分類されます。^[1]

Rhoタンパク質シグナル伝達の調節因子として、グアニンヌクレオチド交換因子（GEF）、GTPase活性化タンパク質（GAP）、およびグアニンヌクレオチド解離阻害剤（GDI）の3つの一般的なクラスが特定されています。^{[12] GEFは、GDPからGTPへの交換を触媒することでRhoタンパク質を活性化します。GAPは、GTPaseが}GTPをGDPに加水分解する能力を制御し、活性構造から不活性構造への自然な移動速度を制御します。GDIタンパク質はRhoタンパク質と大きな複合体を形成し、膜内および細胞質への拡散を防ぎ、アンカーとして機能してRho活性化の厳密な空間制御を可能にします。^[12]ヒトでは、82個のGEF（71個のDbl様^[13]および11個のDOCK様^[14]）がRhoメンバーの活性を正に制御し、66個のGAPタンパク質がそれを負に制御します。^[15]

最近の研究では、重要な追加の制御メカニズムが明らかになりました。マイクロRNAはRho GTPaseをコードするmRNAの転写後処理を制御します。パルミトイル化と核標的化は細胞内分布に影響を及ぼします。翻訳後リン酸化、トランスグルタミン化、AMP化はRho GTPaseシグナル伝達を調節します。ユビキチン化はRho GTPaseタンパク質の安定性とターンオーバーを制御します。これらの制御モードは、Rho GTPaseシグナル伝達ネットワークの複雑さを増し、個々のRho GTPaseの正確な時空間制御を可能にします。^[16]

各Rhoタンパク質は下流の多数のタンパク質に影響を与え、それらはすべてさまざまな細胞プロセスで役割を果たしています。3つの一般的なRho GTPaseの60以上のターゲットが発見されています。^[17]アクチンの重合を直接刺激する2つの分子は、Arp2/3タンパク質とDiaphanous関連フォルミンです。^[18]

Rho/Racタンパク質は、細胞極性、小胞輸送、細胞周期、転写ダイナミクスなど、さまざまな細胞機能に関与しています。^[2]

動物細胞は、その機能と体内の位置に基づいてさまざまな形状を形成します。Rho タンパク質は、細胞がそのライフサイクルを通じて形状の変化を調節するのに役立ちます。細胞が出芽、有糸分裂、運動などの重要なプロセスを経る前に、何らかの細胞極性が必要です。^{[引用が必要]}

Rho GTPase の細胞極性における役割の一例は、よく研究されている酵母細胞に見られます。細胞が出芽する前に、Cdc42 は新しい細胞に膨らみ始める細胞膜の領域を見つけるために使用されます。Cdc42 が細胞から除去されると、成長は依然として形成されますが、組織化されていない方法で形成されます。^[17]

Rhoタンパク質によって制御される細胞形態の最も明らかな変化の1つは、ラメリポディアとフィロポディアの形成です。これらは「指」または「足」のように見える突起で、多くの場合、細胞または成長円錐を表面上で推進します。ほぼすべての真核細胞は、Rho活性化時にこのような突起を形成します。^{[10]これらの現象の研究には、スイス3T3細胞などの} 線維芽細胞がよく使用されます。

細胞形態の変化と Rho タンパク質の効果について知られていることの多くは、タンパク質の恒常的に活性な変異形態の作成から来ています。重要なアミノ酸の変異により、タンパク質全体の構造が変化し、GTP 結合状態に似た構造を永久に採用することになります。^[9]このタンパク質は通常、GTP 加水分解によって不活性化することができないため、「固着」しています。このように活性化された Rho タンパク質が 3T3 細胞で発現すると、収縮や糸状仮足形成などの形態変化が起こります。^[9]

Rhoタンパク質はGタンパク質であり、細胞膜に結合しているため、その位置は簡単に制御できます。創傷治癒、細胞質分裂、出芽など、それぞれの状況で、Rho活性化の位置を画像化して特定できます。たとえば、球状の細胞に円形の穴を開けると、Cdc42やその他の活性Rhoが円形の損傷の周囲に最も集中していることがわかります。^[11]活性化の空間ゾーンを維持する1つの方法は、アクチン細胞骨格に固定して、膜​​結合タンパク質が最も必要な領域から拡散しないようにすることです。^[11]維持するもう1つの方法は、拡散に抵抗し、Rho自体よりも膜にしっかりと結合した大きな複合体を形成することです。^[11]

ラメリポディアとフィロポディアの形成に加えて、細胞内の濃度と異なる Rho タンパク質間のクロストークが、細胞運動を引き起こす伸長と収縮を促進します。Sakumura らは、Rho タンパク質の活性と運動との関係を説明するのに役立つ微分方程式に基づくモデルを提案しました。このモデルには、Cdc42、RhoA、および Rac の 3 つのタンパク質が含まれていました。Cdc42 は、フィロポディアの伸長を促進し、アクチンの脱重合を阻害すると想定されていました。RhoA はアクチンの収縮を促進すると考えられていました。Rac は、ラメリポディアの伸長を促進し、アクチンの脱重合を阻害するように処理されました。これら 3 つのタンパク質は、大幅に簡略化されていますが、細胞運動の重要なステップをカバーしています。さまざまな数学的手法により、細胞内活動に基づいてさまざまな活動領域を説明する微分方程式の解が見つかりました。論文は、モデルの予測によると、細胞の活動に興味深い影響を与える閾値濃度がいくつかあることを示しています。ある濃度以下では活動がほとんどなく、細胞の腕や足は伸びません。ある濃度以上では、Rhoタンパク質はラメリポディアとフィロポディアの伸縮によく似た正弦波振動を引き起こします。本質的に、このモデルは、これら3つの主要な活性Rhoタンパク質の細胞内濃度が増加すると、細胞の位相がずれた活動が引き起こされ、位相がずれた伸縮が生じると予測しています。^[19]

Rho GTPase タンパク質によって調節される行動の一例は、創傷治癒である。創傷治癒は、若いひなと成鶏とでは異なる。若いひなの場合、創傷は収縮によって治癒し、袋を閉じるために引き紐を引くのとよく似ている。成鶏の場合、細胞は移動によって創傷を這って移動する。若いひなの創傷を癒すために必要なアクチン形成は、Rho GTPase タンパク質によって制御される。なぜなら、rho と rac の活性を阻害する細菌外酵素を注入した後、アクチンポリマーが形成されず、したがって治癒が完全に失敗するからである。^[20]

線維芽細胞を用いた研究では、遊走細胞の先端にあるNa-H交換アイソフォーム1（NHE1）によるCdc42活性とH+排出との間に正のフィードバックがあることが示されている。NHE1を介したH+排出は、グアニンヌクレオチド交換因子（GEF）が触媒するGTPがCdc42に結合するために必要であり、遊走細胞におけるこの小さなGTPaseによる極性制御のメカニズムを示唆している。^[21]

Rhoタンパク質の影響を受けるもう一つの細胞行動は貪食作用です。他のほとんどのタイプの細胞膜調節と同様に、貪食作用は他の物質を飲み込むためにアクチン細胞骨格を必要とします。アクチンフィラメントは貪食カップの形成を制御し、活性Rac1とCdc42がこのシグナル伝達カスケードに関与していることが示唆されています。^[22]

rhoタンパク質シグナル伝達を含むと考えられる細胞行動のもう一つの重要な側面は有糸分裂である。rho GTPase活性はアクチン重合、したがって有糸分裂後に起こる細胞質分裂に限定されると長年考えられていたが、微小管形成と有糸分裂のプロセス自体に何らかの活性があることを示す新たな証拠が出てきている。このテーマは依然として議論されており、有糸分裂におけるrhoの重要性については賛否両論の証拠がある。^[23]

Rho タンパク質は、細胞の運動性と形状に影響を及ぼすことから、神経系における軸索の生成と再生中に形成される成長円錐の研究において明確なターゲットとなりました。Rho タンパク質は、外傷後の脊髄損傷部への送達の潜在的なターゲットとなる可能性があります。脊髄損傷後、細胞外空間はニューロンが再生するために受ける自然な努力を阻害するようになります。^{[引用が必要]}

これらの自然な努力には、損傷した軸索の近位端での成長円錐の形成が含まれます。新しく形成された成長円錐は、その後、損傷部を「這って」移動しようとします。これらは細胞外環境の化学的なシグナルに敏感です。多くの阻害シグナルの 1 つに、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン(CSPG) があります。培養されたニューロンは、恒常的に活性な Cdc42 または Rac1 ^[24]の発現、または RhoA の優性負性形態 (阻害) の発現後に、CSPG で覆われた基質領域を横断する能力が向上します^[要出典]。

これは、細胞外からのシグナルがアポトーシスと成長円錐の崩壊を促進するにもかかわらず、外因性の Rho タンパク質が細胞運動を駆動していることに一部起因しています。そのため、Rho タンパク質の細胞内調節は、脊髄再生を目的とした研究で関心を集めています。^{[引用が必要]}

Rho タンパク質の機能不全も知的障害に関係していると考えられています。知的障害には、ニューロン間のシナプス後結合を形成する樹状突起棘の奇形が関与している場合があります。樹状突起棘の奇形は、rho タンパク質シグナル伝達の変調によって生じる可能性があります。X連鎖性知的障害に関係するさまざまな遺伝子のクローニングの後、Rho シグナル伝達に影響を与える 3 つの遺伝子が特定されました。これには、オリゴフレニン 1 (Rac1、Cdc42、および RhoA の GTPase 活性を刺激する GAP タンパク質)、PAK3 (アクチン細胞骨格に対する Rac および Cdc42 の効果に関係)、およびαPIX (Rac1 および Cdc42 の活性化を助ける GEF) が含まれます。^[25] Rhoシグナル伝達がアクチン細胞骨格に及ぼす影響のため、Rhoタンパク質の遺伝的機能不全は、精神遅滞のいくつかの症例で見られる神経樹状突起の不規則な形態を説明できる可能性がある。^[要出典]

ヒトの癌の30%でRasタンパク質が変異していることが判明した後、変異したRhoタンパク質も癌の再生に関与しているのではないかと疑われました。 ^[12]しかし、2007年8月現在、Rhoタンパク質に発癌性変異は見つかっておらず、遺伝子改変が見つかっているのは1つだけです。^[12]変異のないRho経路の役割を説明するために、研究者たちは現在、Rho活性の調節因子とRhoタンパク質の発現レベルに答えを求めています。^{[引用が必要]}

突然変異がない状態でシグナル伝達が変化した理由の一つは、発現の増加です。RhoA、RhoB、RhoC、Rac1、Rac2、Rac3、RhoE、RhoG、RhoH、Cdc42の過剰発現は、複数の種類の癌で示されています。^[12]シグナル伝達分子がこれほど多く存在するということは、これらのタンパク質が癌細胞で過剰に活性化する細胞機能を促進することを意味します。

がんにおけるRhoタンパク質の役割を説明する2番目のターゲットは、その調節タンパク質です。Rhoタンパク質はさまざまなソースによって非常に厳密に制御されており、60を超える活性化因子と70を超える不活性化因子が特定されています。^[17]複数のGAP、GDI、およびGEFが、さまざまな種類のがんにおいて過剰発現、ダウンレギュレーション、または変異を起こすことが示されています。^[12]上流のシグナルが変化すると、その下流のターゲット、つまりRhoタンパク質の活性が変化します。

Ellenbroekらは、癌細胞におけるRho活性化のさまざまな効果を概説しました。まず、腫瘍の開始時にRho活性の改変によりアポトーシスが抑制され、人工的な細胞寿命の延長に寄与します。自然なアポトーシスが抑制された後、Rhoタンパク質が重要な役割を果たす極性の喪失を通じて異常な腫瘍の成長が観察されます。次に、成長する塊は、Rhoタンパク質によって引き起こされる可能性のある接着タンパク質の変化を通じて、その正常な境界を越えて侵入する可能性があります。^[12]最後に、アポトーシス、細胞極性、接着分子の阻害後、癌の塊は自由に転移し、体の他の領域に広がります。

がんの大規模な配列解析で、Rho タンパク質のいくつかの変異が特定されています。これらの変異は、体細胞変異カタログ データベース (http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/) に記載されています。これらの変異の機能的影響は不明です。

• MBInfo: GTPase の Rho ファミリー
• RHOタンパク質GDP解離阻害剤