عائلة راس

تاريخ

تم اكتشاف أول جينَين مترجمَين لبروتنيات راس (HRAS وKRAS) من خلال الدراسات التي أُجريت على نوعين من الفيروسات المسببة للسرطان، هما:  فيروس هارفي وفيروس كريستن، من قبل إدوارد م.سكولنك وزملاؤه في منظمات الصحة الوطنية (National Institutes of Health). لقد اكتُشفت هذه الفيروسات داخل الفئران في السيتينات من القرن الماضي من قبل جينيفر هارفي وويرنر كريستن، على التوالي، وعليه سمي بورم الفئران الخبيث (ساركوما الفئران) .
عام 1982 جينات راس المفعلة و المحولة اكتشفت في جسم الإنسان داخل الخلايا السرطانية من قبل جيفري م. كوبر في هارفرد، ماريانو بارباسيد وستيوارت أ. آرونسون في منظمات الصحة الوطنية، روبرت واينبرغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا،  ومايكل ويغلر في مختبر كولد سبرينغ هاربور. بعد ذلك تم التعرف على الجين الثالث على يد مجموعة من الباحثين : روبن فايس في معهد أبحاث السرطان، ومايكل ويغلر في مختبر كولد سبرينغ هاربور، سمي هذا الجين بNRAS لدوره المهم في تحديد طبيعة الورم الخبيث الذي يصيب الخلايا العصبية البشرية (Neuroblastoma).
جينات راس الثلاثة تشفر بروتينات في غاية التشابه، تتكون من سلاسل من 188 إلى 189 حمض أميني. رموز الجينات الخاصة بهذه البروتينات هي: HRAS، KRAS، و NRAS.KRAS  ينتج النظائر K-Ras4A و K-Ras4B من خلال الروابط التجديلية.

بنية بروتينات راس

يحتوي البروتين على ستة  خيوط بيتا (بالانجليزية: beta strands) وخمسة لوالب الفا (بالانجليزية:alpha helices)  كما يتركب من مجموعتين رئيسيتين، المجموعة (ج) تتكون من 166 حمض اميني، ما يقارب 20 كيلودالتون، الذي يربط النوكليوتيدات الغوانوزينية ،ومنطقة استهداف الغشاءالطرفي (سي)  (CAAX-COOH )، المعروف أيضًا باسم ( CAAX box)، وهو معدل للدهون بواسطة فرانسيل ترانسفيراز ( بالانجليزية: farnesyl transferase) و RCE1 و ICMT.
تحتوي المجموعة (ج) على خمسة مجموعات جزئية من (ج) التي تربط الناتج المحلي الإجمالي  GTP مباشرة.
العنصر (ج1) أو P-loop، إلى فوسفات بيتا من الناتج المحلي الإجمالي و GTP.العنصر(ج2) والمعروف أيضاً بالمفتاح 1، يحتوي على ثريونين 35، الذي يربط الفوسفات الطرفي (γ-phosphate) لـ GTP وأيون المغنيسيوم ثنائي التكافؤ المتواجد في الموقع النشط.العنصر (ج3)، الذي يُعرف أيضًا بـالمفتاح 2 ،يحتوي ( DXXGQ ) , (D) هو الاسبرتيت 57 ، وهو محدد لربط الغوانين مقابل الأدينين ، و (Q) هو جلوتامين 61 ، وهو المتبقي الحيوي الذي ينشط جزيء ماء محفز للتحلل بالماء من (GTP) إلى إجمالي الناتج المحلي
العنصر(ج4) يحتوي على نموذج (LVGNKxDL) ، ويوفر تفاعلًا محددًا مع الجوانين.
يحتوي العنصر (ج5) على تسلسل إجماع (SAK. A) وهو الاانيين 146،الذي يوفر خصوصية  لغوانين بدلا من الأدينين.
يمثل كل من المفتاح 1 والمفتاح 2 ، (ج2)و(ج3) ، الأجزاء الرئيسية من البروتين التي تتحرك عند التنشيط بواسطة GTP.
هذا التغير التطابقي من خلال (ج2) و (ج3) هو ما يتوسط الوظيفة الأساسية كبروتين تبديل جزيئي.
حالة بروتين راس القائمة على بروتوكول GTP هي حالة "التشغيل"، والحالة المرتبطة بالناتج المحلي الإجمالي (GDP) هي حالة "التعطيل".
بروتين راس أيضا يحتوي [أيون المغنيسيوم] الذي يساعد على تنسيق ربط النوكليوتيدات.

الوظيفة

تعمل بروتينات راس كمفاتيح جزيئية ثنائية تتحكم في شبكات الإشارات داخل الخلايا. تتحكم بمسارات توصيل الاشارة للتنظيم في مثل هذه العمليات كسلامة الهيكل الخلوي للاكتين، وتكاثر الخلايا، وتمايز الخلايا، والتصاق الخلايا، واستماتة الخلية، وترحيل الخلايا (بالإنجليزية:  cell migration). غالبًا ما يتم تحرير البروتينات ذات الصلة بالبروتين راس وبروتين راس في السرطانات، مما يؤدي إلى زيادة الغزو والانبثاث، وتراجع الموت المنظم للخلية.
ينشط البروتين راس العديد من المسارات، التي تمت دراستها بشكل جيد. ينقل هذا البروتين الإشارات باتجاه محدد وينتج عنه نسخ الجينات المعنية بنمو الخلايا وتقسيمها . وينقل البروتين راس اشارات  تنشيط مسار  آخر هو مسار (PI3K/AKT/mTOR pathway)، الذي يحفز تخليق البروتين والنمو الخلوي، ويحول دون موت الخلايا المنظم.

التنشيط والغاء التنشيط

البروتين راس هو جي بروتين، أو بروتين ربط غوانوزين - النوكليوتيد. على وجه التحديد، وهو عبارة عن وحدة (GTPase) وهي وحدة صغيرة أحادية، وهو مرتبط في بنية الوحدة الفرعية (جα).
تعمل البروتينات (ج) كمفاتيح تشوير ثنائية مع حالات "التشغيل" و"ايقاف التشغيل". في حالة "إيقاف التشغيل"، يكون مرتبطًا بنواة ثنائي أكسيد الجوانوزين (بالإنجليزية: guanosine diphosphate (GDP).
بينما في حالة "التشغيل"، يكون مرتبطا بغوانوسين ثلاثي الفوسفات (بالانجليزية : (guanosine triphosphate (GTP)، التي لديها مجموعة فوسفات إضافية مقارنة بالناتج المحلي الإجمالي (GDP ).
يحمل هذا الفوسفات الإضافي منطقتين للتبديل في تكوين "الربيع المحمل" (على وجه التحديد ، Thr-35 و Gly-60). مناطق تبديل الاسترخاء الذي يسبب تغيير في الحالة إلى غير نشط. وبالتالي، يتم التحكم في تنشيط وتعطيل راس وغيرها من البروتينات (ج) الصغيرة عن طريق التدوير بين الحالتين في (GTP) والحالة الناتجة عن الناتج المحلي الإجمالي(GDP).
يتم تسهيل عملية تبادل النوكليوتيدات المربوطة من قبل عوامل تبادل النوكليوتيدات في الغوانين (GEF), و GTPase لتنشيط البروتينات (GAPs). حسب تصنيفها، فإن  بروتين راس لها نشاط GTPase جوهري، ما يعني أن البروتين بمفرده يقوم بتحلل مائي لجزيء GTP إلى إجمالي الناتج المحلي(GDP). ومع ذلك، فإن هذه العملية بطيئة للغاية بالنسبة للوظيفة الفعالة، وبالتالي فإن GAP في راس ، RasGAP ، قد ترتبط وتثبّت الماكينة التحفيزية في بروتين راس ،توفير بقايا تحفزية إضافية ("إصبع أرجينين") بحيث يتم وضع جزيء الماء على النحو المحب للنواة على فوسفات جاما من GTP. يتم تحرير الفوسفات غير العضوي ويكون جزيء الراس مرتبطًا بالناتج المحلي الإجمالي. ونظرًا لأن الشكل المحدد للناتج المحلي الإجمالي هو "إيقاف" أو "غير نشط" للإشارة ، فإن GTPase Activating Protein يعطل رأسه عن طريق تنشيط نشاط GTPase.
وبالتالي، تعمل GAP على تسريع تعطيل نشاط  بروتين راس.
تقوم GEF بتحفيز رد فعل "الدفع والجذب" الذي يطلق الناتج المحلي الإجمالي من بروتين راس. أنها تضاف قريبة من موقع ربط حلقة بي وايون المغنيسيوم وتمنع تفاعل هذه مع أيون فوسفات جاما. البقايا الحمضية (السلبية) في التبديل II "سحب"  ليسين في P-lo بعيدا عن الناتج المحلي الإجمالي الذي "يدفع" التبديل بعيدا عن الجوانين. تم كسر جهات الاتصال التي تحتفظ بالناتج المحلي الإجمالي في المكان ويتم إطلاقها في السيتوبلازم.
لأن GTP داخل الخلايا وفيرة نسبة إلى الناتج المحلي الإجمالي (حوالياكثر من  10 أضعاف) [15] GTP في الغالب يقوم بإعادة إدخال جيب الربط النوكليوتيد من البروتبن راس وإعادة تحميل الربيع.
وبالتالي فإن GEF تسهل تفعيل رأس.  وتشمل GEFs المعروفة جيدا (Son of Sevenless) و cdc25 التي تتضمن نطاق RasGEF.
يحدد التوازن بين نشاط GEF و GAP وضع النوكليوتيد الغوانين في البروتين راس، وبالتالي تنظيم نشاط البروتين راس.
في التصميم المكوّن من GTP ، فإن راس لديها تقارب كبير للعديد من المستجيبات التي تسمح لها بتنفيذ وظائفها. وتشمل هذه PI3K. GTPases صغيرة أخرى لربط محولات مثل ارفبتين أو أنظمة رسول الثاني مثل انزيم محلقة الأدينيلات.
تم العثور على المجموعة الرابطة راس في العديد من المستجيبات ويربط دائمًا بإحدى مناطق التحويل ، نظرًا لأن هذا التغيير يتغير بين الأشكال النشطة وغير النشطة, قد ترتبط أيضًا ببقية سطح البروتين, بروتينات أخرى موجودة قد تغير نشاط بروتينات عائلة راس, مثال واحد هو GDI (مثبط انفصال الناتج المحلي الإجمالي) ؛ هذه الوظيفة عن طريق إبطاء تبادل الناتج المحلي الإجمالي ل GTP وبالتالي ،طالة أمد حالة عدم نشاط أفراد عائلة راس. قد توجد بروتينات أخرى تزيد من هذه الدورة.

ارتباطها على الغشاء

يرتبط بروتين راس في الغشاء الخلوي نتيجة لعملية اضافة البرينيل او البرنلة (بالانجليزية:Prenylation) وعملية اضافة البالميتول (بالانجليزية: Palmitoylation) ل (HRAS و NRAS) ، او نتيجة لمزيج من عملية البرنلة (بالانجليزية:Prenylation) وتسلسل متعدد القواعد مجاور لمكان عملية البرنلة (بالانجليزية:Prenylation) ل (KRAS). النهاية الطرفية سي ( C-terminal) CaaX box لبروتين راس في البداية يتم التعديل عليها من خلال عملية اضافة farnesyl group لجزيء الحمض الاميني سيستين (cysteine) في السايتوسول (cytosol)، مما يسمح لبروتين راس بالدخول الي غشاء الشبكة الاندوبلازمية و الاغشية الخلوية الاخرى بسهولة. ثم يتم فصل ثلاثي الببتيد (aaX) عن النهاية الطرفية سي (C-terminal) من خلال استخدام انزيمات خاصة لقطع البروتين ثم يتم اضافة مجموعة ميثل الي النهاية الطرفية سي (C-terminal) الجديدة من خلال الميثيل ترانسفيريز (بالانجليزية: methyltransferase). في هذه المرحلة يتم الانتهاء من معالجة KRas. التفاعلات الحركية الكهربائية بين الشحنات الموجبة للقواعد المسلسلة و الشحنات السالبة في الجزء الداخلي من الغشاء البلازمي مسؤولة عن بقائها مستقرة على سطح الخلية بشكل ثابت . يتم التعديل ايضا على NRAS و HRAS على سطح جهاز جولجي من خلال عملية البالميتوليشن (بالانجليزية: Palmitoylation) لواحد او اثنين من جزيئات الحمض الاميني سيستين (cysteine). وبذلك تصبح البروتينات مثبتة على الغشاء ويتم نقلها الي الغشاء البلازمي عن طريق حويصلات في المسار الافرازي. عملية الديبالميتوليشن ( بالانجليزية: Depalmitoylation) عن طريق acyl-protein thioesterases تسمح باطلاق سراح البروتين من الغشاء من اجل السماح له بالدخول الي دورة اخرى من عمليتي البالميتوليشن والديبالميتوليشن. وهذه الدورة المستمرة تمنع تسرب NRAS وHRAS للاغشية الاخرى وتحافظ على استقرارها على سطح جهاز جولجي ، المسار الافرازي و الغشاء الخلوي

أفراد عائلة راس

ابرز اعضاء هذه الفصيلة التي تم ملاحظتها سريرياK RAS و NRAS و HRAS نتيجة لمشاركتها ودورها في انواع عديدة من السرطان.
اضافة إلى ذلك هناك افراد اخرى من هذه الفصيلة:DIRAS1; DIRAS2; DIRAS3; ERAS; GEM; MRAS; NKIRAS1; NKIRAS2; NRAS; RALA; RALB; RAP1A; RAP1B; RAP2A; RAP2B; RAP2C; RASD1; RASD2; RASL10A; RASL10B; RASL11A; RASL11B; RASL12; REM1; REM2; RERG; RERGL; RRAD; RRAS; RRAS2

بروتينات راس والسرطان

حدوث الطفرات في عائلة راس من الجينات المسرطنة والتي تضم ( H-RAS وN-RAS و K-RAS ) عملية شائعة جدا، وجدت هذه الطفرات في 20% الي 30% من مجموع الاورام التي تصيب الانسان. نتيجة لذلك فمن الطبيعي التوقع بان العلاج الدوائي الذي يحد من نشاط بروتين راس يمثل طريقة لتثبيط بعض انواع السرطان في الانسان. الطفرات النقطية الناتجة عن خلل في نيكليوتيد واحد في جينات راس هو الحالة الغير طبيعية الأكثر شيوعا في الجينات المسرطنة عند الانسان. مثبط بروتين راس trans- farnesylthiosalicylic acid (FTS, Salirasib)) اظهر اثر كبير في كمضاد لتطور الورم في الكثير من الخلايا السرطانية.

التنشيط الغير مناسب

لقد اظهر التنشيط الزائد والغير مناسب لجينات راس دورا رئيسيا في نقل الاشارات الخاطئة التي تؤدي بدورها إلى نمو الخلايا وانقسامها بشكل كبير وهذا النمو الغير طبيعي ينتج عنه تكون الورم السرطاني. الطفرات التي تحدث في عدد من الجينات المختلفة كما الحال في الجينات المترجمة لبروتين راس يمكن ان يكون لها هذا الاثر.الجينات السرطانية (Oncogenes) مثل p210BCR-ABL او مستقبلات النمو erbB عبارة عن اشارات تنشيط قبلية ل راس. لذلك فانه اذا كانت منشطة اساسا فإن اشاراتها سوف تنتقل من خلال راس. يقوم الجين المثبط للورم NF1 بتشفير Ras-GAP حيث ان الطفرة في الورم الليفي العصبي ( neurofibromatosis) تعني ان راس اقل عرضة للتثبيط وعدم التفعيل. ممكن ان يحدث تضخم راس، لكن هذه الحالة تحدث فقط في بعض الاورام.
اخيرا، يمكن ان يتم تنشيط الجينات السرطانية راس من خلال الطفرات النقطية بحيث ان تفاعلات GTPase لا يمكن تحفيزها من خلال GAP وهذا يزيد العمر النصفي ل Ras-GTP النشط والذي حدثت فيه الطفرة.

علاجات السرطان التي تستهدف بروتين راس

لقد لوحظ ان الريوفايروس (Reovirus ) قد يكون علاجا فعالا للسرطان عندما اوضحت الدراسات انه يتكاثر بشكل جيد في بعض الخلايا السرطانية. يتكاثر بشكل خاص في الخلايا التي تحتوي على مسار راس نشط (وهو مسار خلوي يدخل في نمو الخلية وتمايزها). يتكاثر الريوفايروس (Reovirus ) ويقتل الخلايا السرطانية التي تحتوي على بروتين راس نشط، عندما تموت الخلايا فاين بقايا القيروس لها الحرية والامكانية بالدخول الي خلايا سرطانية اخرى. يعتقد ان هذه الدورة من الاصابة و التكاثر و موت الخلايا تتكرر حتى يتم تدمير جميع الخلايا السرطانية التي يتواجد فيها مسار نشط من بروتين راس.
هناك فايروس اخر يستهدف الخلايا السرطانية التي تحتوي على مسار راس نشط ويقوم بتحليل الورم، و هو النوع الثاني من فيروس الهربس البسيط (HSV-2). الطفرات النشطة في بروتينات راس تلعب دورا في حوالي ثلثي انواع السرطانات التي تصيب الانسان وتتضمن السرطانات القابلة للانتشار. ريوليوسين ( Reolysin ) وهو نوع من انواع الريوفايروس و FusOn-H2 المستخدم حاليا في التجارب السريرية او قيد التطوير لعلاج انواع مختلفة من السرطان. بالاضافة إلى ذلك العلاج القائم على siRNA مضاد الطفرات في K-RAS (G12D) المسمى siG12D LODER حاليا هو قيد التجارب لعلاج سرطان البنكرياس متقدم المراحل.