Rho-sõltuv proteiinkinaas

Rho-sõltuv proteiinkinaas (ROCK, Rho-kinaas) on AGC kinaasiperekonna seriin/treoniin kinaas, mille aktiveerivad Rho-perekonna väikesed GTPaasid. Rho-kinaas fosforüleerib mitmeid tsütoskeleti dünaamikaga seotud substraate ning on sellega rakkude kasvu, migratsiooni, metabolismi ja apoptoosi regulaator. ROCK-i kõrvalekaldeid normaalsest aktiivsusest seostatakse mitmete haigustega, mis on põhjustatud rakkude võimetusest relakseeruda (lõdvenduda). Nendeks on näiteks südame- ja veresoonkonna haigused. Rho-kinaasi struktuur koosneb kolmest osast: N-terminaalne kinaasidomeen, keskel asuv teisese heeliksi (coiled-coil) ala ja C-terminaalne plekstriini homoloogia ala. Teisese heeliksi ala sisaldab Rho-seostumisdomeeni ning plekstriini homoloogia domeen tsüsteiinirikast ala. Rho-kinaasil on kaks isovormi, ROCK-I (ehk Rho-kinaas β ehk ROKβ) ja ROCK-II (ehk Rho-kinaas α ehk ROKα). Mõlema molekulmass on umbes 160 kDa. ROCK isovormide üldine aminohappeline järjestus on 65% ulatuses homoloogiline, kusjuures kinaasidomeeni sarnasus on 92%. Seetõttu on nende toime ja funktsioonid rakkudes sarnased. Rho-kinaas on organismis laialdaselt ekspresseeritud, kusjuures isovormidel on erinev lokalisatsioon: ROCK-I on enam ekspresseeritud kopsudes, skeletilihastes, neerudes, maksas, põrnas, testistes ja pankreases, kuid ROCK-II rohkem ajus ja südames. Rho-kinaasi aktiivsust reguleerib molekulisisene autoinhibeerimine. Mitteaktiivses olekus on plekstriini homoloogia ja Rho-sidumisala seostunud sama valgumolekuli N-terminaalsesse piirkonda (nn suletud konformatsioon). ROCK-i muudab aktiivseks Rho seostumine ning sellele järgnev kinaasi kinnitumine plasmamembraanile. Kui Rho on seotud GDP-ga, on ta mitteaktiivne (Rho-GDP), ja GTP-ga seotuna aktiivne (Rho-GTP). Puhkeolekus stabiliseerib mitteaktiivset Rho-GDP olekut guaniini nukleotiidi dissotsiatsiooni inhibiitor. Vastusena rakuvälistele mõjutajatele (nt lüsofosfatidüülhape) transporditakse Rho-GDP plasmamembraani lähedale ning muudetakse guanosiinnukleotiidi vahetusfaktorite vahendusel aktiivseks GTP-ga seotud vormiks. Aktiveeritud Rho-GTP saab seostuda ROCK-ile, mille tulemusel muutub kinaasi konformatsioon avatuks ja kinaas aktiivseks. Rho-kinaasi aktiveerib ka lipiid arahhidoonhappe seostumine plekstriini homoloogia alasse või kaspaas-3 (ROCK-I puhul) ja gransüüm B (ROCK-II puhul) vahendatud lõhustamine C-terminaalis, mis muudab ensüümi püsivalt aktiivseks. Rho-kinaas kuulub basofiilsete seriin/treonin proteiinkinaaside hulka, mistõttu on tema fosforüleeritavas substraadis fosforüülrühma aktseptoorse seriini- (Ser) või (Thr) treoniinijäägi lähedal eelistatud aluselised aminohappejäägid (arginiini- (Arg) ja lüsiinijääk (Lys)). ROCK-i substaatidele on iseloomulik fosforüleerimissaidi aminohappeline järjestus Arg/Lys-X-Set/Thr või Arg/Lys-X-X-Set/Thr, kus X tähendab ükskõik mis aminohappejääki. Rho-kinaasil on rakus rohkem kui 20 substraati, millest enamik on aktiini tsütoskeleti regulatsiooniga seotud valgud. Kuna ROCK-I ja ROCK-II kinaasi domeenid on 92% ulatuses sarnased, pole tõestust, et erinevad Rho-kinaasi isovormid fosforüleerivad erinevaid substraate. Rho-kinaas on oluline rakkude kasvu, migratsiooni, metabolismi ja apoptoosi regulaator, mis toimib läbi tsütoskeleti ümberkorraldamise. 1. ROCK on oluline aktiini-tsütoskeleti regulaator: Rho kinaas fosforüleerib rakus mitmeid substraate, milleks on näiteks müosiin II kerge ahel (myosine light chain, MLC), müosiini kerge ahela fosfataas ja LIM-kinaas. Loetletud substraatide fosforüleerimine reguleerib aktiinifilamentide ümberpaiknemist ja kontraktsiooni järgnevalt: aktiinifilamentide hulk ROCK fosforüleerib ja aktiveerib LIM-kinaasi, mis omakorda fosforüleerib kofiliini. Kofiliin on aktiinile seostuv ja aktiini depolümeriseeriv valk. Kofiliini fosforüleeritud vorm on mitteaktiivne ning seega tema fosforüleerimisel väheneb aktiini depolümeriseeriv toime ja tulemuseks on aktiinifiibrite stabilisatsioon ja nende arvu kasv. Basaalne ROCK-i aktiivsus on vajalik rakkude liikumiseks, kuid kõrgendatud aktiivsus takistab migratsiooni. rakkude kontraktsioon Lisaks reguleerib Rho-kinaas rakkude migratsiooni suurendates nende kokkutõmbumist (kontraktsiooni). Müosiin II filamentide fosforüleerimine on vajalik aktiinifiibrite moodustamiseks. Müosiin II kerge ahela (MLC) aktiivsust saab tõsta kahel moel: otsene fosforüleerimine ja müosiini fosfataasi fosforüleerimisel viimase aktiivsuse vähendamine. ROCK saab fosforüleerida otse müosiini kerget ahelat, mille tulemusel suureneb interaktsioon aktiiniga ning toimub raku kokkutõmbumine. ROCK inhibeerib fosforüleerides müosiini kerge ahela fosfataasi aktiivsust ning seeläbi suurendab MLC fosforüleerimist ning aktiinifiibrite arv ja kontraktsioon tõusevad (fosfataas viib läbi defosforüleerimist ehk fosforüülrühma ülekandmist veemolekulile). Fosforüleerimine toimub fosfataasi müosiini siduval alaühikul ning seeläbi on takistatud müosiini seostumine. Mõlema Rho-kinaasi substraadi fosforüleerimise tulemusel suureneb aktiinifiibrite moodustumine ning rakkude kontraktsioon. 2. Muud funktsioonid Lisaks osaleb Rho-kinaas (sulgudes toodud ROCK-i substraadid, mis on seotud antud funktsiooniga): rakutsükli kontrollis (GFAP, Vimentin, ERM); rakkudevaheliste ühenduste tekitamisel (NHE1, ERM); rakkude kasvus ja diferentseerumises (CREB); insuliini signaalrajas (IRS1); rakkude fagotsütoosis ja apoptoosis (CR3, MLC); neuriitide sissetõmbamisel (LIM-kinaas, MLC, neurofilament (NF-L), MAP2/Tau, CRMP2). Uuringud on näidanud, et Rho-kinaasi häirunud aktiivsus on seotud mitme haiguse, näiteks kõrgvererõhktõve, südame pärgarteri ja aju vasospasmi, ateroskleroosi, infarkti ja südamepuudulikkuse väljakujunemisega. Ainus kliinilisse kasutusse jõudnud Rho-kinaasi inhibiitor on Fasudil ehk HA-1077. Fasudil võeti kliinilisse kasutusse 1995. aastal Jaapanis ning seda kasutatakse tserebraalse vasospasmi ravis. Kuna Fasudil on näidanud kasulikku mõju mitme kardiovaskulaarse haiguse ravis, on ROCK-ist saanud oluline farmaatsitööstuse sihtmärk. Proteiinkinaas Liao JK, Seto M, Noma K (2007). "Rho kinase (ROCK) inhibitors". J Cardivasc Pharm. 50 (1): 17–24. DOI:10.1097/FJC.0b013e318070d1bd. PMID 17666911.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Liao JK, Amano M, Nakayama M, Kaibuchi K (2010). "Rho-kinase/ROCK: A key regulator of the cytoskeleton and cell polarity". Cytosceleton. 67 (9): 545–554. DOI:10.1002/cm.20472. PMID 20803696.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Shimokawa H, Rashid M (2007). "Development of Rho-kinase inhibitors for cardiovascular medicine". Trends Pharmacol Sci. 28 (6): 545–554. DOI:10.1016/j.tips.2007.04.006. PMID 17482681. Riento K, Ridley AJ (2003). "Rocks: multifunctional kinases in cell behaviour". Trends Pharmacol Sci. 4 (6): 446–456. DOI:10.1038/nrm1128. PMID 12778124. Amano M, Fukata Y, Kaibuchi K (2000). "Regulation and functions of Rho-associated kinase". FEBS Lett. 392 (2): 189–193. DOI:10.1006/excr.2000.5046. PMID 11082274.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) LoGrasso PV, Feng Y (2009). "Regulation and functions of Rho-associated kinase". Curr Top Med Chem. 8 (9): 704–723. DOI:10.2174/156802609789044452. PMID 19689376. Hahmann c, Schroeter T (2010). "Rho-kinase inhibitors as therapeutics: from pan inhibition to isoform selectivity". Cell Mol Life Sci. 67 (2): 171–177. DOI:10.1007/s00018-009-0189-x. PMID 19907920. Nakagawa O, Fujisawa K, Ishizaki T, Saito Y, Nakao K, Narumiya S (1996). "ROCK-I and ROCK-II, two isoforms of Rho-associated coiled-coil forming protein serine/threonine kinase in mice". FEBS Lett. 392 (2): 189–193. DOI:10.1016/0014-5793(96)00811-3. PMID 8772201.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Murthy KS (2006). "Signaling for contraction and relaxation in smooth muscle of the gut". Annu Rev Physiol. 68: 345–374. DOI:10.1146/annurev.physiol.68.040504.094707. PMID 16460276. Kaibuchi K, Kuroda S, Amano M (1999). "Regulation of the cytoskeleton and cell adhesion by the Rho family GTPases in mammalian cells". Annu Rev Biochem. 68: 459–486. DOI:10.1146/annurev.biochem.68.1.459. PMID 10872457.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Somlyo AP, Somlyo AV (2000). "Signal transduction by G-proteins, rho-kinase and protein phosphatase to smooth muscle and non-muscle myosin II". J Physiol. 522 (2): 177–185. DOI:DOI: 10.1111/j.1469-7793.2000.t01-2-00177.x. PMID 10639096. {{cite journal}}: kontrolli parameetri |doi= väärtust (juhend) Jacobs M, Hayakawa K, Swenson L, Bellon S, Fleming M, Taslimi P, Doran J (2006). "The structure of dimeric ROCK I reveals the mechanism for ligand selectivity". Annu Rev Biochem. 281 (1): 260–268. DOI:10.1074/jbc.M508847200. PMID 16249185.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Kennelly PJ, Krebs EG (1991). "Consensus sequences as substrate specificity determinants for protein kinases and protein phosphatases". J Biol Chem. 266 (24): 15555–15558. PMID 1651913. Smith CM, Radzio-Andzelm E, Madhusudan, Akamine P, Taylor SS (1999). "The catalytic subunit of cAMP-dependent protein kinase: prototype for an extended network of communication". Prog Biophys Mol Biol. 71 (3–4): 313–341. DOI:10.1016/S0079-6107(98)00059-5. PMID 10354702.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Shi J, Wei L (2007). "Rho kinase in the regulation of cell death and survival". Arch Immunol Ther Exp. 55 (2): 61–75. DOI:10.1007/s00005-007-0009-7. PMID 17347801. Maekawa M, Ishizaki T, Boku S, Watanabe N, Fujita A, Iwamatsu A, Obinata T, Ohashi K, Mizuno K, Narumiya S (1999). "Signaling from Rho to the actin cytoskeleton through protein kinases ROCK and LIM-kinase". Science. 285 (5429): 895–898. DOI:10.1126/science.285.5429.895. PMID 10436159.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Fukata Y, Amano M, Kaibuchi K (2001). "Rho-Rho-kinase pathway in smooth muscle contraction and cytoskeletal reorganization of non-muscle cells". Trends Pharmacol Sci. 22 (1): 32–39. DOI:10.1016/S0165-6147(00)01596-0. PMID 11165670.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Cohen P (2002). "Protein kinases-the major drug targets of the twenty-first century?". Nat Rev Drug Discov. 1 (4): 309–315. DOI:10.1038/nrd773. PMID 11165670. Satoh K, Fukumoto Y, Shimokawa H (2011). "Rho-kinase: important new therapeutic target in cardiovascular diseases". Am J Physiol Heart Circ Physiol. 301 (2): H287–H296. DOI:10.1152/ajpheart.00327.2011. PMID 21622831.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)