Role of Proteins in Signal Transduction in Cells G-Proteins. If you re not part of solution, you re part of the precipitate.

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1 Role of Proteins in Signal Transduction in Cells G-Proteins If you re not part of solution, you re part of the precipitate. Steven Wright

2 -Signal Transduction -G Proteins, Cell Regulators -How G Proteins Work -Regulation of G Proteins -When G Protein Signaling is Disrupted -Monomeric G Proteins -Examples of G Protein Diseases

3 Human machine efficiency Body composed of numerous cells Cells communicate with each other to send information Efficient communication hormones + proper reception of signals

4 The evolution of complexity The ability of cells to work together in a co-ordinated fashion is paramount for a multicellular organisms to function. The multitude of cell types each have specialised roles to play, yet remain dependent upon the products of other cells for survival. Multicellular organisms had to develop complex systems to control in order to regulate the different processes going on in different cells at different times. For such a system to work, there must be a sophisticated means of communication between cells.

5 Zusammenfassung : Signaltransduktion Signalübetragung zwischen Zellen wird durch ein äußeres Signal (Ligand) initiiert. Ligand bindet sich an einem Rezeptor, der meistens ein Transmembranprotein ist. Diese Bindungsinteraktion muss in einer Sprache übersetzt werden, die die Zelle interpretieren kann. Die Übersetzung erfolgt mittels biochemischen Reaktionen im Zytosol. Die Reaktion, die der Rezeptor auslöst, kann in folgenden Prozessen bestehen:

6 1. eine Genexpression wird in Gang gesetzt, 2. die Aktivität eines intrazellulären Enzyms wird verändert, 3. das Cytoskelett der Zelle wird umorganisiert, 4. die Permeabilität der Membran für irgendeinen Stoff wird verändert, 5. es wird eine Mitose eingeleitet, 6. der Zelle wird der Selbstmord befohlen, 7. die Translation einer bereits vorhandenen mrna wird in Gang gesetzt.

7 Signaltransduktion Es gibt drei verschiedene Wege über die die Signalisierung erfolgen kann: durch Exocytose wird das Signal in die Blutbahn gebracht und von diesem im Körper verteilt (z.b. Insulin), durch Diffusion verteilt sich der Signalstoff in der Umgebung (z.b. Testosteron) oder durch Verankerung der signalisierenden Zelle auf der Membranoberfläche der zu erreichenden Zelle (z.b. Killerzellen, bei vielen Entwicklungsvorgängen).

8 Signaltransduktion Sezernierte Moleküle vermitteln drei Formen der Signalübertragung: parakrin (Zielzellen sind benachbarte Zellen), synaptisch (bei Erregungsübertragung zwischen Nervenzellen) und endokrin (Abgabe des Signalstoffes ins Blut).

9 Signaltransduktion Fast alle Signalmoleküle sind hydrophil, weil sie im Blut oder jedenfalls im wässrigen Medium transportiert werden müssen, ein bemerkenswertes Beispiel für ein hydrophobes Signal ist NO (gasförmiges Stickstoffmonoxid), das von Endothelzellen sezerniert wird und der Entspannung der glatten Muskulatur dient, daher wird die Wirkung von Nitroglycerin verständlich, das diesen Effekt hat.

10 Signaltransduktion Weitere hydrophobe Signalmoleküle sind Steroid-, Thyreoidhormone, Retinoide und Vitamin D. Alle diffundieren durch Membranen, binden im Cytosol an einen Rezeptor und schalten die Transcription bestimmter Gene ein, alle werden aus Cholesterol hergestellt, alle sind schlecht löslich, daher werden alle an Transportproteine im Blut gebunden (ein kleiner Teil ist im Blut gelöst) und verbleiben Stunden bis Tage im Blut. Ihre Rezeptoren sind miteinander verwandt und bilden die Großfamilie der intrazellulären Rezeptoren. Steroidhormone sind Cortisol, Sexualhormone, Vitamin D, Ecdyson. Sie werden alle aus Colesterol gebildet.

11 Links: Ein G-Proteinabhängiger Rezeptor wird durch ein Signal aktiviert. Dadurch wird ein second messenger aktiviert (Ca2+ oder camp). Dieser aktiviert seinerseits Kinasen. Deren Aktivierung führt zur Expression ganz bestimmter Gene. Mitte: Durch ein äußeres Signal dimerisiert der Tyrosinkinaserezeptor. Im Inneren phosphory-liert er bestimmte Kinasen. Diese aktivieren dann ganz bestimmte Transkriptionsfaktoren, die bestimmte Gene exprimieren. Rechts: Ein Steroidhormon diffundiert durch die Zell-membran. Im Inneren der Zelle verbindet es sich mit einem Rezeptor. Dieser Komplex kann nun in den Kern diffundieren und dort die Expression bestimmter Gene auslösen.

12 Four general types of receptors for fast-acting hormones Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren Katalytische Rezeptoren G-Protein gekoppelte Rezeptoren Integrine

13 G Protein-gekoppelte Rezeptoren Der Rezeptor besteht aus drei Teilen, einem äußerem, der den Liganden (primär messenger) bindet, einem Teil der in der Membran liegt und einem intrazellulären Teil, der eine Wirkung entfalten kann. G Protein gekoppelte Rezeptoren haben sieben α-spiralen, je ~22-24 hydrophoben Gruppen. G protein binds to: (1) the loop between α helices 5 and 6; and (2) the C-terminal region

14 G Protein-Linked Receptors G protein-linked receptors compose the largest family of cell-surface receptors: >100 members in mammals Includes: light-activated receptors (rhodopsins) in the eye odorant (olfactofy) receptors in the nose receptors on yeast that recognize the mating factors receptors for various hormones (adrenergic) and neurotransmitters

15 Dass die Hormone charakteristische Reaktionen hervorrufen liegt an zweierlei: 1. nur bestimmte Zelltypen verfügen über die Rezeptoren, an die die Hormone binden und 2. jeder Zelltyp kombiniert die Rezeptoren mit zelltypspezifischen anderen Regulatorproteinen, die zusätzlich an die DNA gebunden werden und zur Expression bestimmter Gene gebraucht werden.

16 G-Protein Die Bezeichnung G-Protein steht vereinfacht für Guaninnucleotide-bindendes Protein oder GTPbindendes Protein. G-Proteine besetzen eine Schlüsselposition in der Signalweiterleitung (Signaltransduktion) zwischen Rezeptor und Second- Messenger-Systemen. Man unterscheidet zwischen membranständigen heterotrimeren G-Proteinen und cytosolischen sogenannten kleinen G-Proteinen.

17 Signaltransduktion über ein G-Protein 1 - first messenger 2 - specific receptor 3 - transducer (G protein) 4 - amplifier (adenylate cyclase) 5 - second messenger (cyclic AMP) 6 - ATP 7 - enzymatic reactions 8 - phosphorylation 9 - glycogen 10 - glucose 11 - ion channels 1-2-3: Die Reaktion besteht darin, dass der Rezeptor nach der Aktivierung (2) durch das Signalmolekül ein heterotrimeres (aus drei verschiedenen Teilen aufgebautes) G-Protein bindet (3) und aktiviert : Wird das G-Protein vom G-Protein-Rezeptor gebunden (3), so wird das GDP am G-Protein durch ein GTP ersetzt, die a-untereinheit wird abgespalten und kann nun an die Adenylylcyclase binden und diese aktivieren (4). Letztere ist auch in der Zellmembran verankert. Die Adenylylcyclase stellt camp aus ATP her (5-6).

18 Aktivierung des Rezeptors Bindet an einen Rezeptor ein Ligand und wird dieser durch den Liganden aktiviert, so führt diese Anlagerung zu einer Sprengung der Salzbrücke zwischen der 3. und der 7. transmembranären Domäne des G-Proteingekoppelten Rezeptors. Dieser so aktivierte Rezeptor erhält mehr Flexibilität und ändert seine dreidimensionale Struktur. Die Änderung der Konformation des Rezeptors bedingt eine verringerte Bindungsaffinität des Rezeptors zum G-Protein, welches jetzt abdissoziieren kann.

19 Auch in Abwesenheit eines agonistisch wirksamen Liganden (Ruhezustand) befindet sich ein Rezeptor nicht zwingend in einem inaktiven Zustand. Er befindet sich vielmehr im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen inaktiven und spontan aktiven Zustand. Die Anbindung eines Agonisten verschiebt das Gleichgewicht in Richtung aktiver Zustand, während inverse Agonisten das Gleichgewicht in Richtung inaktiver Zustand verschieben.

20 Biochemische Reaktionen in Signaltransduktion A-B. Der G-Protein-Rezeptor wird durch Bindung des Liganden aktiviert. Der Rezeptor bindet auf der Innenseite das G-Protein, das an der Innenseite der Membran gebunden ist. B-C. Durch die Bindung an den Rezeptor wird im G-Protein GDP durch GTP ersetzt. Dadurch dissoziert die a-untereinheit ab und aktiviert den Effektor.

21 G Protein: Structure

22 Biochemische Reaktionen in Signaltransduktion Der Effektor ist in unserem Falle die Adenylylcyclase, die sich ebenfalls in der Membran befindet.

23 Biochemische Reaktionen in Signaltransduktion Adenylylcyclase bildet aus ATP camp, Durch selbstständige Dephosphorylierung wird die a-untereinheit wieder deaktiviert, verbindet sich wieder mit den anderen beiden Untereinheiten zum inaktiven G-Protein. Das camp ist secundärer messenger und aktiviert ein Zielprotein in der Zelle.

24 G protein activation/inactivation cycle

25 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994 The Nobel Assembly at the Karolinska Institute in Stockholm, Sweden, has awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine for 1994 jointly to Alfred G. Gilman and Martin Rodbell for their discovery of "G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells".

26 Discovery of G Proteins Martin Rodbell fand 1970, dass das Hormon Glucagon ohne die Anwesenheit von GTP nicht wirken konnte und postulierte einen GTP-abhändigen Zwischenschritt bei der Hormonwirkung Es dauerte bis 1980, ehe endlich Alfred Gilman mit seinen Mitarbeitern ein G-Protein aus eineinhalb Kilo Kaninchenleber reinigen und beschreiben konnte Etwa zur gleichen Zeit studierten Mark Bitensky und Lubert Stryer ein anscheinend völlig verschiedenes Phänomen: Unabhändig voneinander fanden beide in den Stäbchenzellen der Retina ein G-Protein heute bekannt als Transducin.

27 Discovery of G Proteins Normal Lymphoma Cell Mutated Lymphoma Cell

28 Discovery of G Proteins

29 Concept: Binding of ligand to many cell surface receptors activates a G protein, which in turns activates an effector enzyme to generate an intracellular secondary messenger. G proteins must constantly deal with a mass of incoming signals, which must be transmitted and integrated appropriately. To deal with this pletora of information, there needs be a method of targeting specific effectors to ensure that only the appropriate response is triggered. This is achieved through the diversity of G proteins subunits.

30 G Proteins and the Body

31 G Proteins Respond to Hormones Bindet dieses Hormon von außen an seinen spezifischen Rezeptor in der Zellmembran, macht der Rezeptor einem G-Protein Beine. Dieses besteht aus drei Untereinheiten Alpha, Beta und Gamma und ist auf der Innenseite der Membran lokalisiert. Die _-Untereinheit enthält ein gebundenes GDP. Auf den Rezeptor- Ruck hin tauscht zuerst diese Untereinheit das GDP gegen ein GTP aus. Daher auch der Name G-Protein. Dabei löst sich die _ -Untereinheit mit dem gebundenen GTP vom Rest ab, schwimmt zur Adenylatcyclase und bindet an sie. Die Cyclase wandelt dann ATP in camp um. camp-moleküle schwärmen nun in das Zellinnere aus und setzen eine enzymatische Lawine in Gang, die letztlich den Adrenalin-Befehl ausführt.

32 Wirkung von Adrenalin (umgebaute einzelne Aminosäure) Bei großer Erregung, wird das sympathische Nervensystem aktiviert. Dieses schickt über den Nervus splöanchnicus einen Reiz zum Nebennierenmark. Das Nebennierenmark schüttet darauf hin Adrenalin aus. Das Adrenalin gelangt über Blutgefäße in den gesamten Kreislauf, wo es an verschiedenen Stellen verschiedene Wirkungen entfaltet. Hier soll nun nur seine Wirkung auf die Leber beschrieben werden. Pauschal gesagt, regt es die Neubildung von Glucose (Gluconeogenese) in der Leber an, weil bei starker Erregung mehr Energie benötigt wird.

33 Leberzellen besitzen Adrenalinrezeptoren. Adrenalin bindet an diese Rezeptoren. In anderen Zellen, die keine solchen Rezeptoren besitzen, wird keine Reaktion ausgelöst. In wieder anderen Zellen, die auch solche Rezeptoren besitzen, können ganz andere Reaktionen ausgelöst werden.

34 Leberzellen besitzen Adrenalinrezeptoren. Adrenalin bindet an diese Rezeptoren. In anderen Zellen, die keine solchen Rezeptoren besitzen, wird keine Reaktion ausgelöst. In wieder anderen Zellen, die auch solche Rezeptoren besitzen, können ganz andere Reaktionen ausgelöst werden.

35 Durch die Bindung von Adrenalin an den Rezeptor, wird dieser nun (durch Konformationsänderung) aktiviert und bindet innen den G-Proteinkomplex. Dadurch werden die Bindungen der verschiedenen Teile des G-Proteinkomplexes geschwächt und er zerfällt in drei Teile. Das GDP löst sich vom Komplex ab und diffundiert ins Cytoplasma, die α-und die β-einheit trennen sich, bleiben aber an der Membran gebunden.

36 In der Leberzellmembran befindet sich nun (wie in der Membran vieler anderer Zelltypen auch) eine Adenylatcyclase, die aus ATP camp herstellen kann, wenn sie aktiv ist. Die α-untereinheit des G-Proteins bindet nun GTP, wird dadurch aktiviert und kann nun ihrerseits an die Adenylatcyclase binden und sie dadurch aktivieren.

37 Wie eben schon angedeutet, produziert die Adenylatcyclase in aktiviertem Zustand aus ATP camp. Dieses stellt einen sogenannten second messenger dar, der die weiteren Reaktionen auszulösen vermag.

38 Das camp bindet nun an einen Proteinkomplex, der aus zwei Kinasen und zwei regulatorische Proteinen besteht. Die regulatorischen Proteine inaktivieren die A-Kinasen im Ruhezustand. Durch die Bindung von camp an die regulatorischen Einheiten, werden die A-Kinasen freigesetzt.

39 Pro Komplex werden zwei A-Kinase-Moleküle feigesetzt.

40 Die A-Kinase diffundiert nun durch die Kernporen in das Kernplasma. Dort befindet sich CREB (camp-response-element-binding-protein). Dieses ist zunächst (in unphosphoryliertem Zustand) inaktiv. Die A-Kinase phosphoryliert nun CREB, wodurch es aktiviert wird.

41 Das aktivierte (phosphorylierte) CREB bindet nun an eine ganz bestimmte DNA-Sequenz, die CRE genannt wird (von camp-response-element). D.h. also, dass diese Sequenz das aktivierte CREB bindet.

42 An das CREB wird nun CBP (CREB-binding-protein) gebunden. Das ist ein Protein, dass die Transcription der Zielgene für die Gluconeogenese einleitet.

43 Es läuft nun der normale Weg der Proteinbiosynthese für die Gluconeogenesegene an, es werden also die entsprechenden Enzyme gebildet, diese bauen dann aus den Ausgangsstoffen Glucose auf. Dadurch wird der Glucosespiegel erhöht.

44 Adrenaline and noradrenaline bind to α- and β- adrenergic receptors different cellular response in different cell types All to do with response to stress, fright, and exercise Liver and adipose cells: glycogenolysis (breakdown of glucagon into glucose), and lipolysis (hydrolysis of triglyceride), gluconeogenesis (synthesis of glucose from amino acids) Cardiac muscle cells: increase contraction rate Skeletal muscle cells: conversion of glycogen into glucose Smooth muscle cells in blood vessels in the intestine tract, skin, and kidney: constrict the arteries to cut off circulation to these peripheral organs

45 STRESS Die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinde-Achse: Cortisol, Glucocorticoide Hypothalamus funktioniert nach einem tageszeitlichen Rhythmus. CRH (Corticotropin releasing hormone) wird freigesetz. CRH ist zentrale Komponente der Stressantwort, es steigert Aufmerksamkeit, Muskelreflexe und Konzentration, senkt den Appetit und erhöht die Schmerzschwelle. in Reaktion auf CRH produziert die Hypophyse das ACHT, adrenocorticotrope Hormon. An der Nebennierenrinde induziert der ACHT-Rezeptor über G-Proteine sowohl die Freisetzung von Cholesterin aus Depots als auch seine Aufnahme und Neusynthese. Cholesterin ist die Vorstufe der Cortisol-Synthese, die zunächst in den Mitochondrien durch die Bildung von Pregnenolon beginnt. In den Mitochondrium und Endoplasmatisches Reticulum wird das Cortisol gebildet, welches ins Plasma abgegeben wird und dort zum Großteil von dem Transportprotein Transcortin gebunden wird.

46 Regelung des Glucosehaushaltes 1. Eine erhöhte Glucosekonzentration im Blut löst in der Bauchspeicheldrüse die Ausschüttung von Insulin aus. 2. Leber-, Fett- und Muskelgewebe besitzen Rezeptoren, an die Insulin bindet. Über den RTK-Weg (Rezeptor-Tyrosin-Kinase- Weg) wird der Einbau zusätzlicher Glucosetransporter in die Zellmembran ausgelöst. 3. Glucagon ist der Gegenspieler von Insulin. Die Leber besitzt Rezeptoren für Glucagon. Es löst an diesen Rezeptoren über G-Protein-Rezeptoren die Freisetzung von Glucose, den Abbau von Glycogen und die Neusynthese von Glucose aus.

47 Concept: (1) Hormone binding to α- and β- adrenergic receptors. (2) Activation/inhibition of adenylate cyclase (effector enzyme). (3) Increase/decrease in intracellular camp (secondary messenger).

48 G Protein: Structure G proteins relay signals from each of more than 1000 receptors to many different intracellular effectors, including enzymes and ion channels. The G protein is composed of an α subunit that is loosely bound to a tightly associated dimer made up of a β subunit and a γ subunit; each of the three subunits is encoded by a separate gene, selected from 16 α, 5 β, and 12 γ genes, respectively.

49 Major Families of G Proteins G s (s = stimulatory) G i/o (i = inhibited; o=olfactory) G q/11 G 12/13

50 G i Familie G- Protein Familie _-Untereinheit Signaltransduktion Vorkommen/ Rezeptoren Effekte G i/o _ i, _ o Hemmung der Adenylylcyclase und der Bildung von camp, Öffnung von Kaliumkanälen, Hemmung von Calciumlanälen Hormon- und Neurotransmitter -rezeptoren Kontraktion glatter Muskulatur G t _ t (Transducin) Aktivierung der Phosphodiesterase 6, Abbau von cgmp Rhodopsin Sehen G gust _ gust (Gustducin) Aktivierung der Phosphodiesterase 6, Abbau von cgmp Geschmackrezeptoren Geschmack Hemmung der Adenylylcyclase?? G z _ z

51 G s Familie G- Protein Familie _-Untereinheit Signaltransduktion Vorkommen/ Rezeptoren Effekte G s _ s Aktivierung der Adenylylcyclase, Bildung von camp Hormon- und Neurotransmitterrezeptoren Steigerung der Nerzfrequenz, Relaxation glatter Muskulatur, Erregungsweiterleitung G olf _ olf Aktivierung der Adenylylcyclase, Bildung von camp olfactorische Rezeptoren Riechen

52 G q Familie/G 12/13 Familie G- Protein Familie _-Untereinheit Signaltransduktion Vorkommen/ Rezeptoren Effekte G q _ q, _ 11, _ 14, _ 15, Aktivierung der Phospholipase C, Bildung von IP 3 und DAG Hormon- und Neurotransmitte r-rezeptoren Kontraktion glatter Muskulatur, Erregungs- _ 16 weiterleitung G 12/13 _ 12, _ 13 Aktivierung der Rho-Kinase? Cytoskelett

53 G proteins Classes of GTP-binding Proteins Heterotrimeric: Composed of α, β, and γ subunits. Approx. 100 kda Associated with membrane receptors Role in information transfer from outside to inside of the cell Low molecular weight or small GTPases Members of the Ras superfamily of proteins (>50) All kda and monomeric Involved in intracellular processes Act as molecular switches Common structural features Variety of posttranslational modifications Activity modulated by regulatory proteins

54 Heterotrimeric G protein activity is regulated by the binding and hydrolysis of GTP by the _ subunit. Only the GTP-bound _ subunit is active. A GDP-bound subunit is inactive, because the switch regions in the a subunit are free to make contacts with the dimer to form stable complex that does not readily allow GDP dissociation. The association of the subunits covers the effector contact sites on both the _ subunit and the dimer, thereby preventing all effector interactions and terminating the signal. Therefore, the length of the G protein signal is controlled by the duration of GTP-bound _ subunit.

55 However, by itself, the intrinsic level of GTP hydrolysis by the _ subunit is too slow for the efficient cycling of G proteins. The lifespan of the GTP-bound _ subunit can be markedly reduced by RGS (regulator of G protein signaling) proteins. RGS proteins are multi-functional, GTPase-accelerating proteins that promote _ subunit GTP hydrolysis, thereby directly terminating _ subunit signaling and indirectly terminating dimer signaling (through _ subunit binding). There are over thirty known RGS proteins characterized in the human proteome alone.

56 G protein Amplification of signal: (a) Activated G sα -GTP can diffuse rapidly: one activated receptor can activate many G s. (b)one G sα -GTP can bind to only one adenylate cyclase, but this can catalyze the synthesize of many camp.

57 Amplification of signal: R G AC

58 Amplification of signal: R G AC

59 Amplification of signal: R G AC Epinephrine (10-10 M) Adenylylcyclase

60 Amplification of signal: Adenyl cyclase camp (10-6 M) Protein kinase A Activated enzyme Product

61 The stimulation of glycogen breakdown by epinephrine involves a G-proteinlinked receptor, a G protein, adenylyl cyclase, camp, and several protein kinases before glycogen phosphorylase is activated.

62 Sehen Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin in seine enzymatisch active Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo- Guanosinmonophosphat-Moleküle (cgmp) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.

63 Vom Duft zum elektrischen Signal Geruchsmolekül _ Rezeptor _ G-Proteine _ Adenylycyclase _ camp _ Ionkanäle in der Zellhaut _ die Kanäle sind geöffnet _ Ione können in die Zelle einströmen _Das elektrische Potenzial der Zellmembran ändert sich schlagartig. _ Aus dem chemischen ist auf diese Weise ein elektrisches Signal entstanden.

64 Protein Kinase O Protein OH + ATP Protein O P P i Protein Phosphatase H 2 O O O + ADP A protein kinase transfers the terminal phosphate of ATP to a hydroxyl group on a protein. A protein phosphatase catalyzes removal of the P i by hydrolysis.

65 G protein G proteins can both stimulate and inhibit adenylate cyclase In some cells, camp can be up-regulated or down-regulated by different hormones - e.g. adipose tissue: glucagon, epinephrine, and ACTH stimulate adenylate cyclase; but prostaglandin and adenosine inhibit adenylate cyclase.

66 G i may inhibit adenylate cyclase by two mechanisms: (a) G iα inhibit adenylate cyclase directly (b) The G β and G γ released by G i also inhibit adenylate cyclase indirectly by binding to G sα. G γ AC G γ G β G Sα GDP G iα GDP G β

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68 1

69 2

70 3

71 4

72 5 Hormone Transduction

73 6

74 7 GDP

75 8

76 9

77 10

78 11

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80 13 Endoplasmic Reticulum Containing Calcium

81 14

82 15 Hormone Action

83 16

84 17

85 Cell Signaling Pathway: Activation of PKC through G protein coupled receptor

86 Cell Signaling Pathway: Attenuation of GPCR Signaling

87 What is Monomeric G Protein _ Monomeric G protein is small G protein with molecular weight of kda. _ These G proteins are comprised of a single unit. To distinguish them from heterotrimeric G proteins they are often called GTPases. _ GTPAses activity depends on the binding of GTP. _ More that 100 GTPases have been identified and classified into five families: Ras, Rho, Rab, Sar1/Arf, Ran.

88 Regulation of Monomeric G Protein Activity _ Regulators of monomeric G protein GEFs guanine nucleotide exchange factors (proteins) Mediates exchange of GDP for GTP GAPs GTPase activating proteins Activate hydrolysis of GTP GDIs GDP dissociation inhibitors Prevent tethering of G protein to cell membrane Keeps G protein in GDP form Inhibits GDP release

89 There is a larger family of small GTP-binding switch proteins, related to G α. Small GTP-binding proteins include (roles indicated): initiation & elongation factors (protein synthesis). Ras (growth factor signal cascades). Rab (vesicle targeting and fusion). ARF (forming vesicle coatomer coats). Ran (transport of proteins into & out of the nucleus). Rho (regulation of actin cytoskeleton) All GTP-binding proteins differ in conformation depending on whether GDP or GTP is present at their nucleotide binding site. Generally, GTP binding induces the active state.

90 Functions of the GTPases _ Ras family proteins regulate cell signaling events that lead to alterations in gene transcription; _ Rho family proteins function as regulators of the actin cytoskeleton and can also influence gene transcription; _ Rab and Arf family proteins control the formation, fusion and movement of vesicular traffic between different membrane compartmens of the cell; _ Ran proteins regulate both microtubule organization and nucleocytoplasmic protein transport.

91 The GTPase Superfamily Subfamilies Ras Rho Rab ARF Ran Rad H-Ras K-RasA K-Ras-B N-Ras Rap1A Rap1B Rap2A Rap2B Ral A Ral B R-ras TC21 RhoA RhoB RhoC RhoG Rac1 Rac2 TC10 CDC42Hs Rab1A Rab1B Rab2 Rab3A Rab3B Rab3C Rab4 Rab5 Rab6 Rab7 Rab8 Rab9 Rab10 Rab11 Smg p25b Smg p25c Ram ARF1 ARF2 ARF3 ARF4 ARF5 ARF6 Ran TC4 Rad M-Gem H-Gem

92 Nomenclature: What s in a name? Ras derived from rat sarcoma: first identified as the transforming factor in Harvey and Kirsten strains of rat sarcoma viruses (1964). Rap derived from Ras-related protein (1988). Rho derived from Ras homologue gene (1985). Rac derived from Ras-related C3 botulinum toxin substrate (1989). Rab derived from Ras-like protein from rat brain (1987). ARF derived from ADP ribosylation factor, first discovered as a cofactor for cholera toxin-dependent ADP-ribosylation of Gα (1984). Rad derived from Ras associated with diabetes (1993). Gem derived from GTP-binding protein induced by mitogens (1994).

93 Ras: A Unique Molecular Switch Common functional mechanism based on the ability to cycle between inactive (GDP-bound) and active (GTP-bound) states. Intrinsic enzymatic activity allows them to act as timed switches to precisely control cellular processes. Modulated by external regulatory factors.

94 Role of Ras in Cancer About 20% of human tumors contain mutated ras genes which, when mutated, are known as oncogenes. Primarily caused by mutations in codons 12, 13, 59, and 61. These all cause inactivation of GTPase activity; thus, the GTPase remains in an on state. Ras genes may become mutated into oncogenes due to exposure to carcinogens or by sporadic errors in cell replication. Thus, oncogenes can precede onset of cancer. Often oncogenes remain silent until certain proliferative conditions (cigarette smoke) or additional genetic alteration triggers neoplastic development.

95 Ras oncogenes in human tumors Tumor Type Incidence Pancreatic carcinoma 90% Colon adenoma 50% Colon adenocarcinoma 50% Seminoma 40% Lung adenocarcinoma 30% Myelodisplastic syndrome 30% Acute myelogenous leukemia 30% Keratinoacanthoma 30% Thyroid carcinoma 25% Melanomas 20% Squamous cell line carcinoma 12% Bladder carcinoma 6% Cervical carcinoma, Esophageal carcinoma, Glioblastoma, Lymphocytic leukemia <5% ras oncogene K-ras K-ras K-ras K-ras, N-ras K-ras N-ras N-ras H-ras N-ras N-ras H-ras H-ras

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97 Signalerkennung und -übertragung durch Rezeptortyrosinkinasen Die meisten Rezeptor-Tyrosinkinasen sind Monomere, die durch die Bindung ihres Liganden dimerisieren (es verbinden sich zwei von ihnen), dadurch aktiviert werden, was zur Folge hat, dass sich ihre intrazellulären Teile gegenseitig phosphorylieren, wodurch bestimmte andere Proteine aus dem Cytosol gebunden und aktiviert werden.

98 Cell Signaling Pathway: Rho cell motility signaling

99 Diseases Caused by Defects in the Production or Activity of G Proteins Cause and Disease Protein Molecular Mechanism Distribution Caused by defective signal termination - signal excessive Cholera G s α ADP-ribosilation of Arg201 Intestinal inhibits GTP hydrolysis. epithelium Adenomas of the Point mutation Arg201 or Sporadic pituitary and thyroid G s α Gln227 inhibits GTP hydrolysis. (somatic mutation) Adenomas of the adrenal G i2 α Point mutation Arg179 Sporadic and ovary inhibits GTP hydrolysis. (somatic mutation McCune-Albright syndrome G s α Point mutation Arg201 Mosaic (mutation inhibits GTP hydrolysis. In early embryo) Caused by absent or inactive G α - signal deficient Pseudohypoparathyroidism G s α One null G s α allele decreases Germ-line type Ia response to hormones mutation Pseudohypoparathyroidism G s α The sole defect in decrease Germ-line type Ib response to parathyroid hormone mutation Night blindness G t α Point mutation Gly38Asp; Germ-line mechanism is not known mutation Caused by abnormal signal initiation - signal inadequate or excessive Pertussis G i α ADP-rybosylation of a cysteine Bronchial blocks activation by receptor epithelium and decreases signal.

100 Diseases Caused by Defects in the Production or Activity of G Proteins Cause and Disease Protein Molecular Mechanism Distribution Caused by abnormal signal initiation - signal inadequate or excessive Pseudohypoparathyroidism G i α Point mutation Arg385His Germ-line type Ia blocks activation by receptor mutation and decreases signal. Point mutation Arg231His impairs GTP binding and decreases signal. Testotoxicosis with G s α Point mutation Ala366Ser pseudohypoparathyroidism accelerates GDP release Germ-line type Ia G s α enhances signal at 34 0 C mutation (testis) or inactivates G s α at 37 0 C (pseudohypoparathyroidism). Essential hypertension β3 Short β3 enhances receptor Germ-line activation and increases signal. mutation

101 G protein Some bacterial toxins irreversibly modify G proteins Cholera toxin - a peptide produced by the bacterium Vibrio cholerae - caused serious diarrhea (loss of water from blood into the intestine through epithelial cells) death by dehydration. Cholera toxin irreversibly modify G sα (at Arg 201, which is located near the GTP-binding site in G sα ) modified G sα can bind GTP but cannot hydrolyze it to GDP permanent activation of adenylate cyclase sustained high camp level; in intestinal epithelial cells, this sustained increased in camp caused membrane proteins to allow water efflux into the intestine.

102 Cholera: G Proteins are at full speed ahead The cholera bacterium is shaped like a comma with a tail The toxin molecule is composed of several parts,one of which (yellow) penetrates the cell membrane (blue)

103 GTP-γS is an uncleavable analog of GTP used by scientists to activate a G protein and prevent its inactivation. Cholera toxin has a similar effect, permanently activating certain G proteins in intestinal cells, stimulating copious NaCl secretion, leading to death by dehydration without corrective measures. A simple corrective measure is to have cholera patients drink a cheap soup of water, salt, and glucose (or starch, which will break down to glucose). Using Na/glucose exchangers, the small intestine absorbs NaCl + glucose + water, counteracting the elevated secretion just enough to keep the patient alive until the toxin-affected cells slough off (~ 4 days).

104 Akromegalie Die Mutanten Gα Gene sind in etwa 40% alle Fälle (Tumore der Hypophyse) gefunden. Akromegalie = Vergrößerung an den Enden/Spitzen des Körpers Der Begriff der Akromegalie wurde zum ersten Mal von dem französischen Neurologen Pièrre Marie benutzt, der 1886 über zwei Patienten berichtete. Akromegalie entsteht durch einen gutartigen Tumor der Hypophyse (Hirnanhagsdrüse), der vermehrt und unkontrolliert Wachstumshormon ausschüttet. Äußerlich erkennt man die Erkrankung besonders an einer Vergröberung der Gesichtzüge mit wulstigen Lippen, hervorstehenden Augenbrauen und vermehrter Faltenbildung, große Zunge, Verlängerung des Gesichtes durch Wachstum des Unterkiefers und an großen plumpen Händen und Füssen. Ohne frühzeitige Behandlung könne Größen bis etwa 240 cm erreicht werden.

105 McCune-Albright-Syndrom Klassisch wird das McCune-Albright-Syndrom definiert als die klinische Trias von polyostotischer fibröser Dysplasie der Knochen (FD), Café-aulait-Flecken der Haut und Pubertas praecox (PP: Unter Pubertas praecox versteht man das vorzeitige Auftreten sekundärer Geschlechtsmerkmale - bei Mädchen im Alter von unter 8 Jahren und bei Knaben im Alter von unter 9 Jahren.) Zusätzlich zur PP ist eine gesteigerte Funktion auch in anderen endokrinen Systemen möglich, z.b. Hyperthyreose, vermehrte Produktion von Wachstumshormon, Cushing-Syndrom und renale Phosphatverlust. Die Café-au-lait-Flecken enwickeln sich meist schon in der Neugeborenenzeit. Die Krankheit resultiert aus somatischen Mutationen im GNAS1-Gen in der Chromosomenregion 20q13.2, das für die Alpha-Untereinheit des G Proteins kodiert.

106 Some bacterial toxins irreversibly modify G proteins Bordetella pertussis toxin causes pertussis (whooping cough), catalyzes the ADP ribosylation of G iα. Modified G iα fails to interact with receptors, and so unable to inhibit adenylate cyclase. The infection causes a paroxysmal cough that can persist for weeks and may be complicated by secondary infection and death.

107 Testoxicosis - autonomous production of testosterone It results in precocious puberty in boys. It is usually caused by a mutation involving a gain of function in the receptor for luteinizing hormone; this mutation stimulates G s, resulting in excess production of testisteron by testicular Leydig cells. Testotoxicosis, a gain of G s α function, results from accelerated (receptor-independent) release of GDP and consequent activation by binding of GTP.

108 Essential Hypertension A mutation in the gene encoding a β subunit of the G protein may be pathogenic in some patients with essential hypertension. The detection of increased G i -dependent signaling in cells cultured from patients with hypertension led to the discovery of an apparent mutation involving a gain of function in the gene encoding the β3 member of the G β family. The underlying molecular mechanism is not known. The mutation results in aberrant splicing of β3 messenger RNA and the production of G β3-s, a short protein that lacks 41 residuals in the middle of the amino acid sequence. This mutation can account for the elevated blood pressure of 15 percent of the patients with hypertension.

109 Night Blindness Affected patients in a family with dominantly inherited congenital night blindness were reported to carry a point mutation in the gene for G t α, which mediates rod-cell responses to photons; the biochemical mechanism is unknown.

110 Regulators of GTP Hydrolysis Diseases are likely to result from mutations in genes encoding the recently discovered RGS (regulators of G protein signaling proteins). Members of this large protein family (encoded by 16 or more genes) accelerate the hydrolysis of GTP by G i, G t, G 1, and G 13, thereby terminating signals in milliseconds rather than seconds. RGS proteins bind to Gα and stabilize the arginine and glutamine fingers in the active site of GTPase.

111 Regulators of GTP Hydrolysis The G proteins regulated by RGS proteins mediate fast physiologic responses, including vagal slowing of the heart rate (Gi), retinal detection of photons (Gt), and contraction of vascular smooth muscle (Gg). The RGS proteins play key parts in terminating the intracellular signals the mediate each of these responses. Thus, mutations od disregulation of genes that encode RGS proteins may be involved in diseases associated with gain of function.

112 Aortic Dissection RGS5, a regulator of G-protein signalling pathway and a GTPase activator, is expressed by medial actin-positive SMCs and is absent in the endothelium and actin-negative adventitial fibroblasts. RGS5 inhibits signal transduction by increasing the GTPase activity of G protein alpha subunits thereby driving them into their inactive GDP-bound form. Its expression is lower in dissected compared with normal aorta samples. Moreover, it is also known to be downregulated in atherosclerotic plaque. If there is not enough RGS5 protein, G protein signalling will last for longer. The contraction of SMCs will be altered.