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Rho GTPase と活性酸素種: クロストークとフィードバック CYTOSKELETON NEWS 2014年6月号

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CYTOSKELETON NEWS 2014年6月号 Rho GTPase と活性酸素種: クロストークとフィードバック

Rho GTPase と活性酸素種: クロストークとフィードバック

活性酸素種(ROS)や活性窒素種(RNS)のような酸化・還元剤は、インテグリンシグナル伝達、細胞外マトリックスの接着、炎症などの様々なシグナル伝達経路における重要な制御因子です1-3。Rho GTPase もまた、細胞増殖、運動、接着などの多くの細胞プロセスにおける重要な制御因子です4。酸化・還元剤と Rho GTPase は、多種の制御機構に作用しており、ROS/RNS - Rho GTPase 間のクロストークは、多くの生理機能や5,6、急性肺損傷、癌などの発病、進行過程において7,8、極めて重要な役割を果たしていると考えられます。急速に発展する本分野において、広く知られる知見および最近の新しい報告を以下にまとめます(図1)。

 

Rho GTPase による ROS の制御

細胞内の ROS/RNS 生成は、主に、NADPH オキシダーゼ(NOX)、一酸化窒素合成酵素(NOS)、スーパーオキシドジスムターゼ(SOD)などの、主要な酸化還元酵素に由来します5,9,10(図1)。Rho GTPase(特に Rac1と Rac2)は、活性化されたNOX 複合体の構成要素であり、続いて起こる酸素分子(O2)からの ROS(スーパーオキシドアニオン、O2.-)生成に必要となります11。細胞外シグナルによって活性化されると、NOX 複合体は細胞膜で会合し、Rac(GTP結合型、おそらくGDIが結合)の関与によりROS が生成されます12,13(図1)。Rac が、アダプターとして作用するのか、O2.- 生成の電子伝達を仲介するのかは、未だ明らかになっていません12。また、Rac(特に Rac1)は、一酸化窒素(NO)の生成を制御する酵素である NOS と、直接相互作用することが示されています13。NOS は、ヌクレオチドフリー型の GTPase に優先的に結合することが報告されており、Rac が仲介する NO 産生に、グアニンヌクレオチド交換因子(GEF)、及び GEF を介した細胞内区画化が関与していることが示唆されます13。さらに、Rac は、O2.- の過酸化水素(H2O2)への変換を触媒する酵素である SOD と、酸化還元によって直接相互作用することが示されています14。還元条件下では、細胞内と同様に、Rac-GTP が SOD に結合することで Rac の活性が維持され、NOX による O2.- の産生が促進されます。酸化条件下では、局所的な O2.- / H2O2 生成と同様に、まだ同定されていない GTPase 活性化タンパク質(GAP)によって、SOD が Rac から解離し、不活性型である GDP 結合型に変換されると考えられています14。これらの報告から、Rho GTPase は、多数の活性酸素中間体(RIs)を生成し、多様なタンパク質修飾をもたらす可能性があることが明確に示されます。生成される ROS/RNS、及び誘発される細胞応答の種類は、与えられた刺激、細胞内の局所的な酸化還元電位、細胞の位置などによると考えられます。

 

シグナル伝達における Rho GTPase - ROS 間のクロストーク

図1 シグナル伝達における Rho GTPase - ROS 間のクロストーク
細胞内において想定される Rho GTPase − ROS/RNS 間のクロストーク概略図。間接的(オレンジ色)、直接的(青色)、フィードバック(ピンク)に分類し、その下に、最も一般的なメカニズムを示した。各経路の詳細については、参考文献および本文中の例を参照。

ROS による直接的/間接的な Rho GTPase の制御

近年、 酸化還元を介した翻訳後修飾(PTMs)によって、ROS/RNS が直接 Rho GTPase を制御する可能性がある、という興味深い報告がなされています。例えば、Heo と Campbell15 は、Rho GTPase(RhoA、Rac、Cdc42 など)の P-ループにある保存配列(GXXXXGK(S/T))の端に位置する、保存されたレドックス感受性モチーフ Cys18 (Rac のナンバリング)が、in vitro で酸化還元を介して可逆的に酸化されることを示しました。この酸化によって、ヌクレオチドの置換が起こり、還元条件下では、GTPヌクレオチド交換や GTPase の活性化が起こります15。このメカニズムは、in vivo においても証明されており、H2O2を介した RhoA の活性化とストレスファイバーの形成が、Cys16 と Cys20 (Rho のナンバリング)の変異によって阻害されることがわかっています16。重要なことに、これらのシステイン変異は、GEFs によって活性化されたRhoA の機能は阻害しません16。筆者らは、GTPase の活性化は、酵素(GEFs/GAPs)及び酸化還元を介した交換の、2つの並行するメカニズムを介して起こることを示唆しています(図1)。また、筆者らは、使用されるメカニズムの決定に、細胞の酸化還元電位が影響すると考えています16。酸化還元を介した交換メカニズムの根拠として、急性肺損傷により増強されたNO産生を介して、RhoA のスイッチ1領域にある Tyr34 がニトロ化されるという報告があります7。筆者らは、このPTMによって、 RhoA が GEF 様のメカニズムで活性化されることを示しました。さらに、酸化還元を介した PTM は、Rho GTPase を不活性化する場合があることも示唆しています17

直接的な制御に加えて、ホスファターゼが関与する Rho GTPase の間接的なレドックス依存的制御が報告されています。例えば、Rac によって活性化される、 ROS 産生が RhoA の不活性化を引き起こすメカニズムには、酸化還元を介した低分子量タンパク質チロシンホスファターゼ(LMW-PTP)の不活性化、p190 RhoGAP 活性の上昇、RhoA の非活性化が含まれます18。興味深いことに、ROS によるホスファターゼの不活性化は、多様な細胞経路において ROS を制御するための共通のメカニズムであると考えられます19(図1)。

 

ROS と Rho GTPase 間のフィードバックループ

近年、白血球の走化性の制御に関して20、Rho GTPase が酸化還元のフィードバックループに関与するという仮説が示されています5(図1)。Rac が介する ROS 産生は、酸化還元によるホスファターゼの不活性化を引き起こします。そのことによって、Rac の GEF による活性化を仲介するキナーゼが活性化されます20(図1)。Rac を介する ROS 産生の SOD による制御に関しても、フィードバックのメカニズムが提案されています14

 

まとめ

Rho GTPase と酸化・還元剤との関係は、非常に複雑であり、GAP/GEF 制御による交換プロセスと、酸化還元が介する交換プロセスとの関係についての研究は、今後の興味深い分野になると考えられます。2つのメカニズムは並行して、あるいは相乗的に働いていると考えられ、有望な新薬のターゲットとなる可能性があります。

参考文献

1 Yan B. & Smith J.W. 2000. A redox site involved in integrin activation. J. Biol. Chem. 275, 39964-39972.
2 Chiarugi P. et al. 2003. Reactive oxygen species as essential mediators of cell adhesion: the oxidative inhibition of a FAK tyrosine phosphatase is required for cell adhesion. J. Cell Biol. 161, 933-944.
3 Leto T.L. & Geiszt M. 2006. Role of Nox family NADPH oxidases in host defense. Antioxid. Redox Signal. 8, 1549-1561.
4 Jaffe A.B. & Hall A. 2005. Rho GTPases: biochemistry and biology. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21, 247-269.
5 Mitchell L. et al. 2013. Redox regulation of Ras and Rho GTPases: mechanism and function. Antioxid. Redox Signal.18, 250-258.
6 Ferro E. et al. 2014. Ras GTPases are both regulators and effectors of redox agents. Ras Signaling: Methods Mol. Biol. 1120, 55-74.
7 Rafikov R. et al. 2014. Lipopolysaccharide-induced lung injury involves the nitration-mediated activation of RhoA. J. Biol. Chem. 289, 4710-4722.
8 Myant K.B. et al. 2013. ROS production and NF-kappaB activation triggered by Rac1 facilitate WNT-driven intestinal stem cell proliferation and colorectal cancer initiation. Cell Stem Cell. 12, 761-773.
9 Ueyama T. et al. 2006. Involvement of Rac1 in activation of multicomponent Nox-1 and Nox-3 based NADPH oxidases. Mol. Cell Biol. 26, 2160-2174.
10 Werner E. 2004. GTPases and reactive oxygen species: switches for killing and signaling. J. Cell Sci. 117, 143-153.
11 Hordijk P.L. 2006. Regulation of NADPH oxidases: the role of Rac proteins. Circ. Res. 98, 453-462.
12 Bokoch G.M. 1995. Regulation of the phagocyte respiratory burst by small GTP-binding proteins. Trends Cell Biol.5, 109-113.
13 Di-Poi N. et al. 2001. Mechanism of NADPH oxidase activation by Rac/Rho-GDI complex. Biochemistry. 40, 10014-10022.
14 Harraz M.M. et al. 2008. SOD1 mutations disrupt redox-sensitive Rac regulation of NADPH oxidase in a familial ALS model. J. Clin. Invest. 118, 659-670.
15 Heo J. and Campbell S.L. 2005. Mechanism of redox-mediated guanine nucleotide exchange on redox-active Rho GTPases. J. Biol. Chem. 280, 31003-31010.
16 Aghajanian A. et al. 2009. Direct activation of RhoA by reactive oxygen species requires a redox-sensitive motif.PLoS ONE. 4, e8045.
17 Zuckerbraun B.S. et al. 2007. Nitric oxide-induced inhibition of smooth muscle cell proliferation involves S-nitrosation and inactivation of RhoA. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 292, C824-C831.
18 Nimnual A.S. et al. 2003. Redox-dependent downregulation of Rho by Rac. Nat. Cell Biol. 5, 236-241.
19 Meng T.C. et al. 2002. Reversible oxidation and inactivation of protein tyrosine phosphatases in vivo. Mol. Cell. 9, 387-399.
20 Kuiper J.W. et al. 2011. Rac regulates PtdInsP3 signaling and the chemotactic compass through a redox-mediated feedback loop. Blood118, 6164-6171.

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