Famille Rho de GTPases - Rho family of GTPases
La famille Rho des GTPases est une famille de petites protéines G de signalisation (~21 kDa) et est une sous-famille de la superfamille Ras . Il a été démontré que les membres de la famille Rho GTPase régulent de nombreux aspects de la dynamique de l' actine intracellulaire et se trouvent dans tous les règnes eucaryotes, y compris les levures et certaines plantes. Trois membres de la famille ont été étudiés en détail : Cdc42 , Rac1 et RhoA . Toutes les protéines G sont des "commutateurs moléculaires", et les protéines Rho jouent un rôle dans le développement des organites , la dynamique du cytosquelette , le mouvement cellulaire et d'autres fonctions cellulaires courantes.
Histoire
L'identification de la famille Rho des GTPases a commencé au milieu des années 1980. Le premier membre Rho identifié était RhoA, isolé par hasard en 1985 à partir d'un criblage d' ADNc à faible stringence . Rac1 et Rac2 ont ensuite été identifiés, en 1989, suivis de Cdc42 en 1990. Huit membres Rho mammifères supplémentaires ont été identifiés à partir de criblages biologiques jusqu'à la fin des années 1990, un tournant dans la biologie où la disponibilité de séquences génomiques complètes a permis l'identification complète des familles de gènes. Toutes les cellules eucaryotes contiennent Rho GTPase (allant de 6 chez la levure à 20 chez les mammifères). Chez les mammifères, la famille Rho est ainsi constituée de 20 membres répartis en 8 sous-familles : Rho, Rnd, RhoD/F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU/V et RhoBTB.
Dès 1990, Paterson et al. a commencé à exprimer la protéine Rho activée dans les fibroblastes Swiss 3T3 .
Au milieu des années 90, il a été observé que les protéines Rho affectaient la formation de projections cellulaires (« processus ») dans les fibroblastes. Dans un article de revue de 1998, Alan Hall a compilé des preuves montrant que non seulement les fibroblastes forment des processus lors de l'activation de Rho, mais aussi pratiquement toutes les cellules eucaryotes.
Un article de revue de 2006 par Bement et al. ont exploré l'importance des zones spatiales d'activation de Rho.
Catégorisation
La famille Rho des GTPases appartient à la superfamille des protéines Ras , qui comprend plus de 150 variétés de mammifères. Les protéines Rho désignent parfois certains membres de la famille Rho ( RhoA , RhoB et RhoC ) et font parfois référence à tous les membres de la famille. Cet article concerne la famille dans son ensemble.
Chez les mammifères, la famille Rho comprend 20 membres. Presque toutes les recherches impliquent les trois membres les plus courants de la famille Rho : Cdc42, Rac1 et RhoA.
| membre de la famille Rho | Action sur les filaments d'actine |
|---|---|
| Cdc42 | affecte les filopodes |
| Rac1 | affecte les lamellipodes |
| RhoA | affecte les fibres de stress |
Ces 20 membres mammifères sont subdivisés dans la sous-famille Rac (Rac1, Rac2, Rac3 et RhoG), la sous-famille Cdc42 (Cdc42, TC10/RhoQ, TCL/RhoJ), la famille RhoUV (RhoV/Chp et RhoU/Wrch-1/) , la sous-famille RhoA (RhoA, RhoB et RhoC), la sous-famille Rnd (Rnd1/Rho6, Rnd2/RhoN et Rnd3/RhoE), la sous-famille RhoD (RhoD et RhoF/Rif), RhoBTB (RhoBTB1&2) et RhoH/TTF.
| Sous-classe | Effet cytosquelettique | Membres de la famille Rho |
|---|---|---|
| Sous-classe Cdc42 | filopodes | Cdc42 |
| RhoQ (TC10) | ||
| RhoJ (TCL) | ||
| Sous-classe RhoUV | filopodes et lamellipodes | RhoU (Wrch) |
| RhoV (Chp) | ||
| Rac | lamellipodes | Rac1 |
| Rac2 | ||
| Rac3 | ||
| RhoG | ||
| RhoBTB | stabilité des protéines | RhoBTB1 |
| RhoBTB2 | ||
| RhoBTB3 | ||
| RhoH | Agoniste du Rac ? | RhoH |
| Rho (sous-classe) | ↑ fibres de contrainte et ↑ adhérences focales | RhoA |
| RhoB | ||
| RhoC | ||
| Rnd | ↓ fibres de contrainte et ↓ adhérences focales | Rnd1 |
| Rnd2 | ||
| Rnd3 (RhoE) | ||
| RhoF | Transport de vésicules , filopodes | RhoD |
| RhoF (Rif) |
Régulateurs
Trois classes générales de régulateurs de la signalisation de la protéine Rho ont été identifiées : le facteur d'échange de nucléotide guanine (GEF) , les protéines activatrices de GTPase (GAP) et les inhibiteurs de dissociation de nucléotide guanine (GDI) . Les GEF activent les protéines Rho en catalysant l'échange de GDP contre GTP. Les GAP contrôlent la capacité de la GTPase à hydrolyser le GTP en GDP , contrôlant le taux naturel de mouvement de la conformation active à la conformation inactive. Les protéines GDI forment un grand complexe avec la protéine Rho, aidant à empêcher la diffusion à l'intérieur de la membrane et dans le cytosol et agissant ainsi comme un point d'ancrage et permettant un contrôle spatial étroit de l'activation de Rho. Chez l'homme, 82 GEF (71 Dbl-like et 11 DOCK-like) contrôlent positivement l'activité des membres Rho, tandis que 66 protéines GAP la contrôlent négativement.
Des travaux récents ont dévoilé d'importants mécanismes de régulation supplémentaires : les microARN régulent le traitement post-transcriptionnel des ARNm codant pour la Rho GTPase ; la palmitoylation et le ciblage nucléaire affectent la distribution intracellulaire ; la phosphorylation post-traductionnelle, la transglutamination et l'AMPylation modulent la signalisation Rho GTPase ; et l'ubiquitination contrôle la stabilité et le renouvellement de la protéine Rho GTPase. Ces modes de régulation ajoutent à la complexité du réseau de signalisation Rho GTPase et permettent un contrôle spatio-temporel précis des Rho GTPases individuelles.
Effecteurs
Chaque protéine Rho affecte de nombreuses protéines en aval, qui ont toutes des rôles dans divers processus cellulaires. Plus de 60 cibles des trois Rho GTPases communes ont été trouvées. Deux molécules qui stimulent directement la polymérisation de l'actine sont les protéines Arp2/3 et les formines apparentées aux diaphanes.
| GTPase | Effecteur |
|---|---|
| RhoA | Cit , Cnksr1 , Diaph1 , Diaph2 , DgkQ , FLNA , KcnA2 , Ktn1 , Rtkn1 , Rtkn2 , Rhpn1 , Rhpn2 , Itpr1 , PLCG1 , PI-5-P5K , PLD1 , Pkn1 , Pkn2 , Rock1 , Rock2 , PrkcA , Ppp1r12A |
| Rac1 | Sra1 , IRSp53 , PAK1 , PAK2 , PAK3 |
| Cdc42 | Protéine du syndrome de Wiskott-Aldrich , N-WASP , IRSp53 , Dia2 , Dia3 , ROCK1 , ROCK2 , PAK4 |
Les fonctions
Les protéines Rho/Rac sont impliquées dans une grande variété de fonctions cellulaires telles que la polarité cellulaire, le trafic vésiculaire, le cycle cellulaire et la dynamique transcriptomique.
Morphologie
Les cellules animales forment de nombreuses formes différentes en fonction de leur fonction et de leur emplacement dans le corps. Les protéines Rho aident les cellules à réguler les changements de forme tout au long de leur cycle de vie. Avant que les cellules puissent subir des processus clés tels que le bourgeonnement, la mitose ou la locomotion, elles doivent avoir une certaine polarité cellulaire .
Un exemple du rôle des Rho GTPases dans la polarité cellulaire est observé dans la cellule de levure très étudiée. Avant que la cellule ne puisse bourgeonner, Cdc42 est utilisé pour localiser la région de la membrane de la cellule qui commencera à se gonfler dans la nouvelle cellule. Lorsque Cdc42 est retiré de la cellule, les excroissances se forment toujours, mais le font de manière non organisée.
L'un des changements les plus évidents de la morphologie cellulaire contrôlé par les protéines Rho est la formation de lamellipodes et de filopodes , projetant des processus qui ressemblent à des "doigts" ou des "pieds" et propulsent souvent des cellules ou des cônes de croissance à travers les surfaces. Pratiquement toutes les cellules eucaryotes forment de tels processus lors de l'activation de Rho. Des fibroblastes tels que les cellules Swiss 3T3 sont souvent utilisés pour étudier ces phénomènes.
Techniques d'étude
Une grande partie de ce que l'on sait des changements de morphologie cellulaire et des effets des protéines Rho provient de la création d'une forme mutée constitutivement active de la protéine. La mutation d'un acide aminé clé peut altérer la conformation de la protéine entière, l'amenant à adopter de façon permanente une conformation qui ressemble à l'état lié au GTP. Cette protéine ne peut pas être inactivée normalement, par hydrolyse du GTP, et est donc "collée". Lorsqu'une protéine Rho activée de cette manière est exprimée dans les cellules 3T3, des changements morphologiques tels que des contractions et la formation de filopodes s'ensuivent.
Étant donné que les protéines Rho sont des protéines G et liées à la membrane plasmique, leur emplacement peut être facilement contrôlé. Dans chaque situation, qu'il s'agisse de cicatrisation, de cytokinèse ou de bourgeonnement , l'emplacement de l'activation de Rho peut être imagé et identifié. Par exemple, si un trou circulaire est infligé dans une cellule sphérique, Cdc42 et d'autres Rhos actifs sont observés en concentration maximale autour de la circonférence de la blessure circulaire. Une méthode de maintien des zones spatiales d'activation consiste à s'ancrer au cytosquelette d'actine, empêchant la protéine liée à la membrane de se diffuser loin de la région où elle est le plus nécessaire. Une autre méthode d'entretien consiste à former un grand complexe résistant à la diffusion et plus rigidement lié à la membrane que le Rho lui-même.
Mouvement
En plus de la formation de lamellipodes et de filopodes, la concentration intracellulaire et l'interaction entre les différentes protéines Rho entraînent les extensions et les contractions qui provoquent la locomotion cellulaire. Sakumura et al. ont proposé un modèle basé sur des équations différentielles permettant d'expliquer l'activité des protéines Rho et leur relation avec le mouvement. Ce modèle englobait les trois protéines Cdc42, RhoA et Rac. Cdc42 a été supposé encourager l'allongement des filopodes et bloquer la dépolymérisation de l'actine. RhoA a été considéré comme favorisant la rétraction de l'actine. Rac a été traité pour encourager l'extension des lamellipodes mais bloquer la dépolymérisation de l'actine. Ces trois protéines, bien que considérablement simplifiées, couvraient les étapes clés de la locomotion cellulaire. Grâce à diverses techniques mathématiques, des solutions aux équations différentielles qui décrivaient diverses régions d'activité basées sur l'activité intracellulaire ont été trouvées. L'article conclut en montrant que le modèle prédit qu'il existe quelques concentrations seuils qui provoquent des effets intéressants sur l'activité de la cellule. En dessous d'une certaine concentration, il y a très peu d'activité, ne provoquant aucune extension des bras et des pieds de la cellule. Au-dessus d'une certaine concentration, la protéine Rho provoque une oscillation sinusoïdale un peu comme les extensions et les contractions des lamellipodes et des filopodes. Essentiellement, ce modèle prédit que l'augmentation de la concentration intracellulaire de ces trois protéines Rho actives clés provoque une activité hors phase de la cellule, entraînant des extensions et des contractions également hors phase.
Cicatrisation des plaies
Un exemple de comportement modulé par les protéines Rho GTPase est la cicatrisation des plaies. Les blessures guérissent différemment entre les jeunes poussins et les poulets adultes. Chez les jeunes poussins, les blessures guérissent par contraction, un peu comme un cordon tiré pour fermer un sac. Chez les poulets plus âgés, les cellules rampent à travers la plaie par locomotion. La formation d'actine nécessaire pour fermer les plaies chez les jeunes poussins est contrôlée par les protéines Rho GTPase, car, après injection d'une exoenzyme bactérienne utilisée pour bloquer l'activité rho et rac, les polymères d'actine ne se forment pas, et donc la cicatrisation échoue complètement.
Polarité des cellules
Des études sur les fibroblastes indiquent une rétroaction positive entre l'activité Cdc42 et l'efflux de H+ par l'isoforme 1 de l'échangeur Na-H (NHE1) à la pointe des cellules en migration. L'efflux de H+ médié par NHE1 est requis pour la liaison du GTP catalysée par le facteur d'échange de nucléotides de guanine (GEF) à Cdc42, suggérant un mécanisme de régulation de la polarité par cette petite GTPase dans les cellules en migration.
Phagocytose
Un autre comportement cellulaire affecté par les protéines rho est la phagocytose. Comme avec la plupart des autres types de modulation de la membrane cellulaire, la phagocytose nécessite le cytosquelette d'actine afin d'engloutir d'autres éléments. Les filaments d'actine contrôlent la formation de la coupe phagocytaire, et les actifs Rac1 et Cdc42 ont été impliqués dans cette cascade de signalisation.
Mitose
Encore un autre aspect majeur du comportement cellulaire qui est censé inclure la signalisation de la protéine rho est la mitose . Alors que l'activité rho GTPase a été considérée pendant des années comme limitée à la polymérisation de l'actine et donc à la cytokinèse , qui se produit après la mitose, de nouvelles preuves sont apparues qui montrent une certaine activité dans la formation des microtubules et le processus de mitose lui-même. Ce sujet est encore débattu et il existe des preuves à la fois pour et contre l'importance du rho dans la mitose.
Applications
Régénération du système nerveux
En raison de leurs implications dans la motilité et la forme cellulaires, les protéines Rho sont devenues une cible claire dans l'étude des cônes de croissance qui se forment pendant la génération et la régénération axonale dans le système nerveux. Les protéines Rho peuvent être une cible potentielle pour la livraison dans les lésions de la moelle épinière après une lésion traumatique. Suite à une lésion de la moelle épinière, l'espace extracellulaire devient inhibiteur des efforts naturels que subissent les neurones pour se régénérer.
Ces efforts naturels comprennent la formation d'un cône de croissance à l'extrémité proximale d'un axone blessé. Les cônes de croissance nouvellement formés tentent ensuite de « ramper » à travers la lésion. Ceux-ci sont sensibles aux signaux chimiques de l'environnement extracellulaire. L'un des nombreux indices inhibiteurs comprend les protéoglycanes de sulfate de chondroïtine (CSPG). Les neurones en culture deviennent plus capables de traverser des régions de substrat recouvertes de CSPG après l'expression de Cdc42 ou Rac1 constitutivement actifs ou l'expression d'une forme négative dominante (inhibition) de RhoA. Ceci est en partie dû aux protéines Rho exogènes qui entraînent la locomotion cellulaire malgré les signaux extracellulaires favorisant l'apoptose et l'effondrement des cônes de croissance. La modulation intracellulaire des protéines Rho est ainsi devenue un intérêt pour les recherches visant la régénération de la moelle épinière.
Déficience intellectuelle
Le dysfonctionnement des protéines Rho a également été impliqué dans la déficience intellectuelle . La déficience intellectuelle implique dans certains cas une malformation des épines dendritiques , qui forment les connexions post-synaptiques entre les neurones . Les épines dendritiques difformes peuvent résulter de la modulation de la signalisation des protéines rho. Après le clonage de divers gènes impliqués dans le retard mental lié à l' X , trois gènes ayant des effets sur la signalisation Rho ont été identifiés, dont l'oligophrénine-1 (une protéine GAP qui stimule l'activité GTPase de Rac1, Cdc42 et RhoA), PAK3 (impliquée dans les effets de Rac et Cdc42 sur le cytosquelette d'actine) et αPIX (un GEF qui aide à activer Rac1 et Cdc42). En raison de l'effet de la signalisation Rho sur le cytosquelette d'actine, des dysfonctionnements génétiques d'une protéine rho pourraient expliquer la morphologie irrégulière des dendrites neuronales observée dans certains cas de retard mental.
Cancer
Après avoir découvert que les protéines Ras sont mutées dans 30% des cancers humains, il a été suspecté que les protéines Rho mutées pourraient également être impliquées dans la reproduction du cancer. Cependant, en août 2007, aucune mutation oncogène n'a été trouvée dans les protéines Rho, et une seule s'est avérée génétiquement modifiée. Pour expliquer le rôle des voies Rho sans mutation, les chercheurs se sont maintenant tournés vers les régulateurs de l'activité rho et les niveaux d'expression des protéines Rho pour trouver des réponses.
Une façon d'expliquer la signalisation altérée en l'absence de mutation consiste à augmenter l'expression. La surexpression de RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH et Cdc42 a été démontrée dans plusieurs types de cancer. Cette présence accrue de tant de molécules de signalisation implique que ces protéines favorisent les fonctions cellulaires qui deviennent trop actives dans les cellules cancéreuses.
Une deuxième cible pour expliquer le rôle des protéines Rho dans le cancer est leurs protéines régulatrices. Les protéines Rho sont très étroitement contrôlées par une grande variété de sources, et plus de 60 activateurs et 70 inactivateurs ont été identifiés. Il a été démontré que plusieurs GAP, GDI et GEF subissent une surexpression, une régulation négative ou une mutation dans différents types de cancer. Une fois qu'un signal en amont est modifié, l'activité de ses cibles en aval, c'est-à-dire les protéines Rho, changera d'activité.
Ellenbroek et al. ont décrit un certain nombre d'effets différents de l'activation de Rho dans les cellules cancéreuses. Premièrement, dans l'initiation de la tumeur, la modification de l'activité Rho peut supprimer l' apoptose et donc contribuer à la longévité des cellules artificielles. Une fois l'apoptose naturelle supprimée, une croissance tumorale anormale peut être observée par la perte de polarité dans laquelle les protéines Rho jouent un rôle essentiel. Ensuite, la masse en croissance peut envahir ses limites normales par l'altération des protéines d'adhésion potentiellement causées par les protéines Rho. Enfin, après inhibition de l'apoptose, de la polarité cellulaire et des molécules d'adhésion, la masse cancéreuse est libre de métastaser et de se propager à d'autres régions du corps.
Les références
Plusieurs mutations des protéines Rho ont été identifiées dans le séquençage à grande échelle des cancers. Ces mutations sont répertoriées dans la base de données Catalog of Somatic Mutations ( http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/ ). Les conséquences fonctionnelles de ces mutations sont inconnues.
