Prenylaatiosta väitöskirja :Omar Khan, GGTase-1 in RA and atherosclerosis

Tänään  22.12. 2012 kirjastossa käydessäni lainasin  nivelreuman ja ateroskleroosin kehittymistä tutkivan väitöskirjatyön

http://hdl.handle.net/2077/28962 
Artikkeli myös asiasta ruotsinkielellä:
https://medicine.gu.se/avdelningar/samhallsmedicin_folkhalsa/allmanmedicin/Aktuellt/Nyheter/Nyheter+Detalj//ny-ovantad-mekanism-bakom-ledgangsreumatism.cid976065


Omar Khan. Defining the role of GGTase-I in the development of rheumatoid arthritis and atherosclerosis. ISBN 978-91-628-8483-3  University of Gothenburg, May 2012. 

Tämä entsyymi GGTaasi-I  on geranylgeranyltransferaasi tyyppi I.
Muita lyhennyksiä ja termejä mitä väitöskirjassa esiintyy on mm
FTaasi, farnesyltransferaasi.
FTI farnesyltransferase inhibitor 
GGTase-1 ,Geranylgeranyltransferase type I
GGTI, geranylgeranyltransferaasi inhibiittori
ICMT, isoprenylcysteine  carboxyl methyltransferase
MMP matrix metalloproteinaasi
HMG-CoA, 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-Coenzyme A

Koska kirjan taustateoriassa esitetään näitten prenyloitujen proteiinien osuudesta kehossa, niin suomennan taustasta jotain johdannon alueelta:

• CAAX proteiinit

Moni eukaryoottinen proteiini sisältää karboksyterminaalissa ( eli  -COOH päädyssä sijaitsevan)   sekvenssin -CAAX, jossa C on cysteiiniaminohappo ja A tarkoittaa  alifaattista aminohappoa  ja X on mikä tahansa aminohappo.
proteiinin CAAX- päätyä tunnistaa  kaksi prenyloivaa entsyymiä: geranylgeranyylitransferaasi-1(GGT-1) ja farnesyylitransferaasi (FT). Tietyt proteiinit antautuvat mielelään prenyloitaviksi posttranslationaalisesti. Siitä on niille funktionaalista hyötyä.

 Tällainen proteiinin pääty, "CAAX box", CAAX- motiivi,  stimuloi kolmea posttranslationaalista prosessoitumisaskelta.
 (1) Isoprenylaatio:
Kysteiininen pääty farnesyloituu FTaasi-entsyymillä tai  geranylgeranyloituu GGTaasi-I entsyymillä.
(2) Endoproteolyysi:
 Kolme viimeistä aminohappoa pilkkoutuvat irti: AAX aminohapot. Tämän vaikuttaa entsyymi nimeltä  RASia konvertoiva entsyymi 1 (RCE1) Ras-converting enzyme 1.
(3) Metylaatio:
Isoprenyloitunut kysteiini, josta puuttuu nyt aminohappopätkän   - AAX antama suoja, metyloituu ( eli metyyli-esteröityy) entsyymillä ICMT, isoprenyylikysteiinikarboksyyli- metyylitransferaasi ( isoprenylcysteine carboxyl methyltransferase).

Prenylaation merkitys proteiinille: Prenylaatio stimuloi  proteiinin kohdentumista kalvoon sekä sen interaktioita effektoriproteiinien kanssa ja aktivaatiota. Lisäksi prenylaatio avustaa proteiinin spesifisen  solusijainnin päättämistä, mikä taas kohentaa  proteiini-proteiini-interaktioita ja moduloi proteiinin stabiiliutta.

CAAX- proteiiniperhe on suuri.
 Siinä on 280 jäsentä, mutta kaikki CAAX- proteiinit eivät käy läpi juuri tällaista modifikaatiota, siis prenylaatiotietä. On todettu, että  ainakin 100  perheen jäsentä käy läpi tällaisen  farnesyyli- tai geranylgeranyylilipidillä modifioitumisen, todennäköisesti aapuna ovat juuri nämä entsyymit RCE1 ja ICMT.

CAAX- perheessa on muutamia jäseniä, jotka esiintyvät solusignalointikartoissa ja niitä tunnetaan nimillä RAS ja RAS- homologi RHO- perhe. Ne ovat pieniä GTP:tä sitovia proteiineja. Ne sitoutuvat G-proteiinin heterotrimeerin gamma-alayksikköön ja  tuman laminiiniin prelamiini A ja lamiini B.

Viime vuosikymmeninä prenylaatio on  yhä enemmän alkanut kiinnostaa  tiedemieskuntaa, koska CAAX- proteiinit osallistuvat eri tautien patofysiologiaan .

 Kaikkein perusteellisimmin tutkittu CAAX- proteiini on RAS ja siihen proteiinijoukkoon kuuluu N-RAS, K-RAS ja H-RAS.   RAS- proteiinit välittävät signaaleita solupintareseptoreista, jotka edistävät solun elossapysymistä, solun kasvua ja solun proliferoitumista. RAS- proteiineja sijaitsee  pitkin solun plasmakalvon sisäpintaa.  RAS - proteiini syntetisoituessaan pääsee kohdentumaan tuohon työpaikkaansa plasmakalvon läheisyyteen sen takia, että  CAAX- motiivi, joka peptidiketjun synteesissä siihen muodostuu, on muokkautunut  posttranslationaalisesti edelläkuvatulla tavalla kolmivaiheisessa prosessissa ( 1) isoprenylaatio, (2) endoproteolyysi ja  (3) metylaatio.

 Normaalisti nämä RAS-proteiinit vaihtelevat syklisesti  aktiivin ("ON")  ja inaktiivin ("OFF")  tilan kesken.  Kun ne ovat sitoutuneena GTP-muotoon, ne ovat aktiiveja ja kun ne ovat sitoutuneet GDP-muotoon, ne ovat inaktiiveja.

G-proteiinin energiapakkauksia ovat  GTP,  Guanosiinitrifosfaatti ja  GDP on guanosiinidifosfaatti.

Mutaatioiden merkitys 

RAS
 Jos RAS-.geenissä on tapahtunut jokin somaattinen mutaatio, se voi aiheuttaa , että RAS-proteiini  pysyy pinttyneesti  GTP-sitoutuneessa tilassa ja silloin se  antaa jatkuvaa signalointia ja aiheuttaa onkogeenistä solun muuntumista.  Jopa 30 %:ssa ihmisten syöpäkasvaimista on havaittavissa onkogeeninen RAS-mutaatio; paksunsuolen kasvaimissa jopa 50%:ssa ja haiman kasvaimissa  90%:ssa.  Myös hematologisissa pahanlaatuisissa taudeissa  on RAS - geenien onkogeeniset mutaatiot tavallisia. Sellaisia tauteja on mm. myeloproliferatiiviset häiriöt ja leukemia.

RHEB, RAS homologi, jota on runsaasti aivoissa on pieni GTPaasi, joka säätelee aktiinin sytoplasmisen tukirungon  järjestymistä ja kasvua. Tuumorisolulinjoissa sitäkin ilmenee ylimäärin.
 https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=RHEB&keywords=RHEB

CENP-E ja CENP-F*, sentromeeriin assosioituneet proteiinit, säätelevät mitoosissa kinetokorien mikrotubuluksia ja niitä on mainittu pään ja niskan kasvannaisten yhteydessä.

• (Päivitys  2.7. 2020: SARS2 nsp13 tekee interaktion CENP-F proteiinin kansssa.) 
• https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=CENPF&keywords=CENP-F

RHOB on pieni GTPaasi, joka  estää ihmisen tuumorisolujen muuntumisia, mutta ihmisen tuumoreissa se on säätyneenä vaimeaksi.  https://www.genecards.org/Search/Keyword?queryString=RHOB

RHO-proteiiniperhe on toinen hyvin tutkittu GTP-proteiinia sitova CAAX-proteiiniperhe. Tähän perheeseen kuuluvia jäseniä ovat RHOA*, RAC1 ja RHOC.  Niitä  mainitaan onkogeenisen muuntumisen yhteydessä ja ne ovat säätyneet ylös ihmisen syövissä.

• ( Päivitys 2.7. 2020: SARS2 nsp7 tekee interaktion RHOA*, Ras homologi geeniperheen jäsenen A, kanssa.  https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=RHOA&keywords=RHOA  .
• http://www.rcsb.org/pdb/protein/Q8WZ19  
  Function: Substrate-specific adapter of a BCR (BTB-CUL3-RBX1) E3 ubiquitin-protein ligase complex required for synaptic transmission (PubMed:19782033). The BCR(KCTD13) E3 ubiquitin ligase complex mediates the ubiquitination of RHOA, leading to its degradation by the proteasome (PubMed:19782033) Degradation of RHOA regulates the actin cytoskeleton and promotes synaptic transmission (By similarity).

RAC1, https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=RAC1&keywords=RAC1
RHOC,   https://www.genecards.org/Search/Keyword?queryString=RHOC
FBL2, eräs geranylgeranyloitu CAAX- proteiini, on välttämätön hepatiittiviruksen  HCV RNA:lle,  jotta se pystyy replikoitumaan.  https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=FBXL2&keywords=FBL2

Immuunivajeisilla tavallisimman sienitulehduksen aiheuttaja Candida albicans taas vaatii aktiivia entsyymiä  GGTaasi-1.

Eräs  CAAX-proteiini on Prelamiini A, joka on esimolekyyli lamiini A:lle, avainasemassa olevalle rakennemolekyylille tuman laminassa, proteiinipitoisessa verkostossa, joka verhoaa sisempää  tumakalvoa. Prelamiini A  on osana sitä patologiaa, mikä tavataan Hutchinson-Gilford progeria- oireyhtymässä (HGPS, tässä taudissa on nopeutunut  vanhenemisilmiö).  HGPS-mutaatio johtaa
prelamiini A-proteiinin farnesyloituneen ja metyloituneen muodon kertymiseen.
https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=LMNA&keywords=Prelamin,A

• Omar Khanin  väitöskirjan tarkoituksesta

Kaikkien näiden mainittujen CAAX- proteiinien aktivisuudet ja ominaisuudet, jotka  ilmenevät tautien patogeneesissa,   todennäköisesti johtuvat  CAAX- motiivin posttranslationaalisesta prosessoitumisesta.  Sentakia on olennaista ymmärtää CAAX-proteiinien biokemiallisen prosessoitumisen tiet,  aktivoituminen ja  aktivoitumistilan  vaihtelu.  Tästä voidaan löytää  sellaisia  tautien taustamekanismeja, joissa piilee assosiaatio  CAAX- proteiineihin  ja  näin voitaisiin tunnistaa mahdollisia lääkekohteita  terapeuttiseen interventioon.
Tämän väitöskirjan tarkoituksena on lisätä ymmärrystä CAAX-proteiinien posttranslationaalisen  prosessoitumisen perustavasta  biokemiallisesta merkityksestä. Asian luotaimena  tutkija käyttää GGTaasi-1 entsyymiä,  (geranylgeranyltransferaasi-1) ja määrittelee sen osuuden  tulehdustautien patogeneesissä.

 Suomennosta 21.12. 2012
 Tiedot tästä väitöstyöstä 
 https://www.jci.org/articles/view/43758

J Clin Invest. 2011 Feb 1; 121(2): 628–639.

Published online 2011 Jan 25. doi:  [10.1172/JCI43758]

PMCID: PMC3026725

PMID: 21266780

Geranylgeranyltransferase type I (GGTase-I) deficiency hyperactivates macrophages and induces erosive arthritis in mice

Omar M. Khan,¹ Mohamed X. Ibrahim et al. 

 Abstract

 RHO family proteins are important for the function of inflammatory cells. They are modified with a 20-carbon geranylgeranyl lipid in a process catalyzed by protein geranylgeranyltransferase type I (GGTase-I). Geranylgeranylation is viewed as essential for the membrane targeting and activity of RHO proteins. Consequently, inhibiting GGTase-I to interfere with RHO protein activity has been proposed as a strategy to treat inflammatory disorders. However, here we show that mice lacking GGTase-I in macrophages develop severe joint inflammation resembling erosive rheumatoid arthritis. The disease was initiated by the GGTase-I–deficient macrophages and was transplantable and reversible in bone marrow transplantation experiments. The cells accumulated high levels of active GTP-bound RAC1, CDC42, and RHOA, and RAC1 remained associated with the plasma membrane. Moreover, GGTase-I deficiency activated p38 and NF-κB and increased the production of proinflammatory cytokines. The results challenge the view that geranylgeranylation is essential for the activity and localization of RHO family proteins and suggest that reduced geranylgeranylation in macrophages can initiate erosive arthritis.

This study was supported by a Starting Investigator Grant from the European Research Council; by grants from the Swedish Cancer Society, the Swedish Medical Research Council, the Swedish Children’s Cancer Fund, and Västra Götalandsregionen (to M.O. Bergo); and by the Swedish Foundation for Strategic Research (to O.M. Khan, M. Bokarewa, and M.O. Bergo). We thank Stephen Ordway for editing the manuscript, Stephen Young and Loren Fong for the prelamin A antibody and helpful discussions, Patrick Casey for recombinant GGTase-I, Huamei Forsman for neutrophil preparations, Anette Hansevi for CT scans, and the late Andrej Tarkowski for his great contribution to this work.