Ric-8

Ric-8 (inglise keeles resistant to inhibitors of cholinesterase 8) on evolutsiooni käigus konserveerunud tsütosoolne guaniini nukleotiidivahetusfaktor (inglise keeles guanine exchange factor, GEF), mis mängib olulist rolli sünaptilisel info ülekandmisel ning asümmeetrilisel rakujagunemisel nematoodides ja kärbestes. Imetajates esineb Ric-8 kahe paraloogina, Ric-8a ja Ric-8b, mis on samuti GEF aktiivsusega ning liiguvad plasmamembraanile, vastates erinevatele G-valguga seotud retseptorite (inglise keeles G protein-coupled receptor, GPCR) ligandidele. Ric-8 valgud on olulised, et säilitada rakkudes G-valkude rohkus. Nad hoiavad G-valkude taset, olles nn molekulaarsed lapsehoidjad (inglise keeles molecular chaperones), mis soodustavad G-valkude α-alaühikute biosünteesi. Ric-8 geen kodeerib samanimelist valku, millele ingliskeelsetes allikates viidatakse mõnel juhul kui synembryn. Ric-8a geen on konserveerunud inimesel, šimpansil, reesusmakaagil, koeral, lehmal, hiirel, rotil, kanal, sebrakalal, äädikakärbsel, sääsel ning konnal. Ric-8b geen on konserveerunud lisaks inimesele veel šimpansil, koeral, lehmal, hiirel, rotil, kanal, sebrakalal ja konnal. Inimese Ric-8a geeniga on ortoloogid ehk ühest eellasgeenist evolutsioneerunud geenid 151 organismil. Inimese Ric-8b geeniga leidub ortolooge 167 organismil. Ric-8 geen ja selle paraloogid on leitavad paljudes organismides, kuid asukoht on kõigis erinev. Ric-8a asub koduhiire (Mus musculus) 7. kromosoomis ning sisaldab 10 eksonit , Ric-8b seevastu 10. kromosoomis 13 eksoniga. Varbussil (Caenorhabditis elegans) paikneb Ric-8 4. kromosoomis ja sisaldab 11 eksonit. Inimesel (Homo sapiens) on Ric-8a geen 11. kromosoomis 10 eksoniga., selle paraloog Ric-8b asub aga 12. kromosoomis ning sisaldab 16 eksonit Ric-8 on 63 kDa suurune valk, mis leiti esmalt varbussi mutageneesi uuringutel, mille käigus otsiti mutatsioone geenidel, mis on olulised signaali ülekandeks ühelt neuronilt teisele. Varbussi geneetilised uuringud osutasid faktile, et Ric-8 seondub G-valkudega. Füüsilist seondumist näidati esialgu imetajate G-valkudega. Imetajatel leiti kaks varbussi Ric-8 homoloogi, Ric-8a ja Ric-8b, mis identifitseeriti pärmiga läbi viidud katsete käigus. Nende katsete eesmärgiks oli tuvastada uusi ühendeid, mis seonduvad aktiveeritud GTP-ga seotud Gα alaühikute o ja s-iga. Katsete tulemusena leiti, et Ric-8a ja Ric-8b seonduvad erinevatele Gα alaühikutele, ühiseks oli vaid q-alaühik. Ühte Ric-8 geeni on kirjeldatud nii varbussil kui harilikul äädikakärbsel (Drosophila melanogaster), imetajatel on kirjeldatud geeni kahte paraloogi: Ric-8a-d ja Ric-8b-d. Ric-8 seondumine G-valkudega on ensüümidele sarnane. Suur osa G-valkudest on heterotrimeerid ehk nad koosnevad kolmest erinevast polüpeptiidist: α-alaühikust, mis seob ja hüdrolüüsib GTP-d, β-alaühikust ning γ-alaühikust. Kanoonilises heterotrimeerses G-valgu signaalirajas seondub ligand G-valguga seotud retseptorile ning võimaldab seeläbi G-valgu α-alaühikul vahetada GDP GTP-ks. Protsessi tulemusena eraldub α-alaühik βγ-heterodimeerist ning võimaldab mõlemal üksusel seonduda edasi erinevate allavoolu efektoritega. Kui GTP on hüdrolüüsitud, seondub Gα-GDP taas βγ-heterodimeeri ja retseptoriga, ning lõpetab signaali. Ric-8a on mitteretseptoorne guaniini nukleotiidivahetusfaktor G-valgu α-alaühikutele nende varases biosünteesis. Puhastatud Ric-8a võimendab GTPγS-i (guanosiin 5’-O-[gamma-tio]trifosfaat) seondumist puhastatud Gαi, Gαq ja Gα13 alaühikutele, kuid mitte Gαs-ile. Ric-8a osaleb nimetatud alaühikute konformatsiooni saavutamisel ja alaühikute transpordil õigetele endomembraanidele, et G-valgud saaksid moodustada heterotrimeeri. Imetajate Ric-8b ja Xenopus’e Ric-8 toimisid GEF-idena Gαs/Gαolf-idele. Ric-8 mõju uurimiseks on tehtud palju katseid nii mudelorganismide kui imetaja rakkudega. Tulemused on näidanud, et Ric-8 homoloogid mõjutavad kollektiivselt kõigi nelja klassi G-valkude α-alaühikute signalisatsiooni omadusi. Katseliselt on tõestatud, et Ric-8 avaldub nii emasorganismis kui ka embrüos. Ric-8 mõjutab suurel määral embrüogeneesi. Paljud Ric-8 mutantsed embrüod ei ole võimelised läbima embrüogeneesi, sest neil esinevad erinevates arenguetappides ja organites defektid, mis põhjustavad embrüonaalset hukkumist, mõnedel puhkudel neonataalset (inglise keeles neonatal – vastsündinute) suremust. Hiireembrüod, kellel on välja lülitatud Ric-8a, jõuavad gastrulatsioonini, kuid surevad embrüonaalses vanuses 6,5–8,5 päeva (inglise keeles embryonic development, E6.5-E8.5) defektide tõttu gastrulatsioonis. Mutantsed embrüod on väiksemad kui nende pesakonnakaaslased ning gastrulatsiooni läbimiseks olulised organid arenevad neil välja hiljem ja on tavaliselt defektsed. Ric-8 on olemas nii noorte kui täiskasvanud varbussi isendite (peaaegu) kõikides neuronites ning asub pigem neuronite kehades kui nende aksonites. Ric-8 esinemine neuronites annab alust arvata, et Ric-8 saab seonduda ka teiste Gαo-Gαq signaalraja osadega. Varbussi Ric-8 ja imetajate Ric-8a reguleerivad positiivselt Gαq-sõltuvat info ülekannet neuronites. Ric-8a ekspresseerub väikeajus laialt molekulaar- ja granulaarkihis ning nende vahel asuvates Bergmanni gliias ja Purkinje rakkude kehades. Ric-8a kustutamine väikeajust viib tõsiste defektideni sagarike moodustumises, granulaarrakkude migratsioonis, Purkinje rakkude lokaliseerumises ja Bergmanni gliia "laudise" (inglise keeles scaffold) organiseerumises. Ric-8a mutatsioon ei mõjuta eriliselt granulaarrakkude eellasrakkude jagunemist, kasvu ega diferentseerumist. Väikeajus mõjutab Ric-8a ka basaalmembraani korrektset moodustumist kurdude tekkeks nii embrüonaalses kui ka postnataalses (inglise keeles postnatal – pärast sündi) arengus. Mitoosikäävi moodustumise ajal kiigub posterioorne tsentrosoom edasi-tagasi ja ületab selle käigus embrüo keskosa neljal kuni kuuel korral. Selline tsentrosoomi liikumine tagab mitoosikäävi suunatuse embrüo posterioorsele poolele ja järgnevad lõigustumised, millega tagatakse suuremad anterioorsed ja väiksemad posterioorsed rakud. Ric-8 mutantidel on tsentrosoomi kiikumine nõrk või puudub üldse, mistõttu paikneb valesti ka mitoosikääv. Seega põhjustab Ric-8 rakkude asümmeetrilist jagunemist. Ric-8b ekspresseerub tavaliselt sensoorsetes lõhna edastavates neuronites ja seondub Gαolf-iga , mis omakorda tugevdab lõhnaretseptorite ekspressiooni heteroloogsetes rakkudes. Arvatakse, et Ric-8b võib olla oluline ka endogeensele lõhnasignaalirajale. Seetõttu peaks Ric-8b avaldumine tagama, et lõhnaretseptorid tunneksid lõhnaaineid paremini ära. Ric-8 GEF-id on molekulaarsed lapsehoidjad, aidates G-valgu α-alaühikutel seonduda rakusiseste membraanidega. Selle tõestuseks tehti katsed hiire embrüonaalsete tüvirakkudega (mES cells, inglise keeles mouse embryonic stem cells), kust kustutati Ric-8a või Ric-8b. Nähti, et G-valgu α-alaühikute tavaliselt püsiv arvukus langes, mille põhjustasid G-valkudega seotud retseptorite signaali edastamise defektid. See viis aga tõdemusele, et Ric-8 valgud on olulised G-valkude biosünteesil nii ussides, kärbestes kui imetajates ja käituvad kui molekulaarsed lapsehoidjad. Ric-8a mõju on uuritud ka immuunsüsteemis, kus ta mõjutab Gαi2, Gαi3, Gα13, ja Gαq normaalset taset hematopoieetilistes rakkudes, kuid Gα12 taset mitte. On leitud, et Ric-8a kadumine immuunsüsteemi rakkudest põhjustab hiirtel kerget aneemiat, vähendab nende eluiga ja B-rakkude arvukust lümfisõlmedes ja koondlümfifolliikulis ehk Peyer’i naastudes. Samuti on häirunud B-rakkude areng põrnas, nende diferentseerumine ja kemotaksis. T-rakkude areng toimub Ric-8a puudusel normaalselt ning sekundaarsed lümfoidorganid sisaldavad normaalselt hulgal T-rakke. Miller, K.G., Emerson, M., McManus, J., Rand, J.B. (2000) RIC-8 (Synembryn): a novel conserved protein that is required for G(q)alpha signaling in the C. elegans nervous system. Neuron 27:289–299 Tall, G.G., Krumins, AM, Gilman, A.G. (2003) Mammalian Ric-8A (Synembryn) is a heterotrimeric G alpha protein guanine nucleotide exchange factor. J. Biol. Chem. 278:8356–8362 Miller, K.G., Rand, J.B. (2000) A role for RIC-8 (Synembryn) and GOA-1 (G(o)alpha) in regulating a subset of centrosome movements during early embryogenesis in C. elegans. Genetics 156:1649–1660 David, N.B., Martin, C.A., Segalen, M., Rosenfeld, F., Schwisguth, F., Bellaiche, Y. (2005) Drosophila Ric-8 regulates Gαi cortical localization to promote Gαi-dependent planar orientation of the mitotic spindle during asymmetric cell division. Nat. Cell Biol. 7:1083–1090 Reynolds, N.K., Schade, M.A., Miller, K.G. (2005) Convergent, RIC-8-depentent Galpha signaling pathways in the Caenorhabditis elegans synaptic signaling network. Genetics 169:651–670 Hampoelz, B., Hoeller, O., Bowman, S.K., Dunican, D., Knoblich, J.A. (2005) Drosophila Ric-8 is essential for plasma-membrane localization of heterotrimeric G proteins. Nat. Cell Biol. 7:1099–1105 Hinrichs, M.V., Torrejon, M., Montecino, M., Olate, J. (2012) Ric-8: different cellular roles for a heterotrimeric G-protein GEF. J. Cell. Biochem. 113:2797–2805 Klattenhoff, C., Montecino, M., Soto, X., Guzman, L., Romo, X., Garcia, MA., Mellstrom, B., Naranjo, J.R., Hinrichs, M.V., Olate, J. (2003) Human brain synembryn interacts with Gsalpha and Gqalpha and is translocated to the plasma membrane in response to isoproterenol and carbachol. J. Cell. Physiol. 195:151–157 Nishimura, A., Okamoto, M., Sugawara, Y., Mizuno, N., Yamauchi, J., Itoh, H. (2006) Ric-8A potentiates Gq-mediated signal transduction by acting downstream of G protein-coupled receptor in intact cells. Genes Cells 11:487–498 Gabay, M., Pinter, M.E., Wright, F.A., Chan, P.Y., Murphy, A.J., Valenzuela, D.M., Yancopoulos, G.D., Tall, G.G. (2011) Ric-8 Proteins Are Molecular Chaperones That Direct Nascent G Protein α Subunit Membrane Association. Sci Signal 4(200):10,1126/scisignal 2002223 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/60626 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/55188 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/101489 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/237422 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/177048 Miller, K.G., Alfonso, A., Nguyen, M., Crowell J.A., Johnson, C.D., Rand, J.B. (1996) A genetic selection for Caenorhabditis elegans synaptic transmission mutants. PNAS 93:12593–12598 Hurowitz, E.H., Melnyk, J.M., Chen, Y.J., Kouros-Mehr, H., Simon, M.I., Shizuya, H. (2000) Genomic Characterization of the Human Heterotrimeric G Protein α, β, and γ Subunit Genes. DNA Research 7:111–120 Neer, E.J. (1995) Heterotrimeric G Proteins: Organizers of Transmembrane Signals. Cell 80:249–257 Afshar, K., Willard, F.S., Colombo, K., Johnston, C.A., McCudden, C.R., Siderovski, D.P., Gonczy, P. (2004) RIC-8 is required for GPR-1/2-dependent Galpha function during asymmetric division of C. elegans embryos. Cell 119:219–230 Tall, G.G. (2013) Ric-8 regulation of heterotrimeric G proteins. Author manuscript. J Recept Signal Transduct Res. 33(3):10,3109/10799893,2013,763828 Chan, P., Gabay, M., Wright, F.A., Tall, G.G. (2011) Ric-8B is a GTP-dependent G protein alphas guanine nucleotide exchange factor. J Biol Chem. 286:19932–19942 Ximena, R., Pasten, P., MartÌnez, S., et al. (2008) xRic-8 is a GEF for Gsα and participates in maintaining meiotic arrest in Xenopus laevis oocytes. J Cell Physiol. 214:673–680 Tõnissoo, T., Lulla, S., Meier, R., Saare, M., Ruisu, K., Pooga, M., Karis, A. (2010) Nucleotide exchange factor RIC-8 is indispensable in mammalian early development. Dev Dyn 239:3404–3415 Tõnissoo, T., Meier, R., Talts, K., Plaas, M., Karis, A. (2003) Expression of ric-8 (synembryn) gene in the nervous system of developing and adult mouse. Gene Expr Patterns 3:591–594 Lein, E.S., Hawrylycz, M.J., Ao, N., Ayres, M., Bensinger, A., Bernard, A., Boe, A.F., Boguski, M.S., Brockway, K.S., Byrnes, E.J., Chen, L., Chen, L., Chen, T.M., Chin, M.C., Chong, J., Crook, B.E., Czaplinska, A., Dang, C.N., Datta, S., Dee, N.R., et al. (2007) Genome-wide atlas of gene expression in the adult mouse brain. Nature 445:168–176 Ma, S., Kwon, H.J., Huang, Z. (2012) Ric-8a, a Guanine Nucleotide Exchange Factor for Heterotrimeric G Proteins, Regulates Bergmann Glia-Basement Membrane Adhesion during Cerebellar Foliation. The Journal of Neuroscience 32(43):14979-14993 Strome, S., Wood, W.B. (1983) Generation of asymmetry and segregation of germ-line granules in early C. elegans embryos. Cell 35:15–25 Von Dannecker, L.E., Mercadante, A.F., Malnic, B. (2005) Ric-8B, an olfactory putative GTP exchange factor, amplifies signal transduction through the olfactory-specific G-protein Galphaolf. J Neurosci 25(15):3793-800 Von Dannecker, L.E., Mercadente, A.F., Malnic, B. (2006) Ric-8B promotes functional expression of odorant receptors. Proc Natl Acad Sci USA 103(24):9310–9314 Boularan, C., Hwang, I.Y., Kamenyeva, O., Park, C., Harrison, K., Huang, Z., Kehrl, J.H. (2015) B Lymphocyte-Specific Loss of Ric-8A Results in a Gα Protein Deficit and Severe Humoral Immunodeficiency. The Journal of Immunology 195(5):2090–2102