חלבון G

חלבוני G (באנגלית ידועים גם כ-guanine nucleotide-binding proteins) הם חלבונים השייכים לקבוצת אנזימי GTPases ומשתתפים במסלולי מעבר אותות בתא, שהם מסלולי בקרה תוך־תאיים אשר מופעלים בתגובה לאותות חיצוניים. שמם נובע מיכולתם לקשור GTP, גואנין אליו מחוברים 3 מולקולות זרחה. חלבוני G מתווכים תהליכים רבים ברמה התאית. ישנם כ-1000 קולטנים שונים בגוף האדם המשתמשים בחלבוני G לצורך העברת אותות אל פנים התא. בין יתר פעילויותיהן, חלבוני G מעורבים במסלולי הקליטה של פוטונים, של ריחות, של הורמונים ושל נוירוטרנסמיטורים. אלפרד גילמן ומרטין רודבל היו חוקרים אשר גילו וחקרו את החלבון ועל כך הוענק להם פרס נובל בשנת 1994. ניתן לסווג את חלבוני G לשני סוגים: הטרוטרימרים, אליהם לעיתים מתייחסים כחלבוני G גדולים. משופעלים על ידי קולטנים (רצפטורים) טרנסממברנלים החוצים את הממברנה שבע פעמים (7TM), קולטנים המצומדים לחלבון G. מורכבים מ-3 תתי יחידות: אלפא (α), בטא (β) וגמא (γ). יחידת אלפא היא זו שקובעת את פעילות החלבון ויכולה לשמש כמפסק מולקולרי, על אף שבחלק מחלבוני ה-G יש תפקיד גם לתת־יחידות בטא וגמא בהפעלת חלבונים שונים. כאשר תת-יחידה אלפא קשורה ל-GTP המסלול משופעל, וכאשר היא קשורה ל-GDP המסלול כבוי. מונומרים, או חלבוני G קטנים. הם הומולוגים לתת-יחידה אלפא (α) של ההטרוטרימר. החלבון Ras, המשתתף בהעברת אותות של מסלולי גדילה והתמיינות, הוא דוגמה לחלבון G מונומרי. לאחר קישור סלקטיבי של מולקולת סיגנל-ראשוני לקולטן המצומד לחלבון G, המכונה גם GEF ונמצא על פני הממברנה של התא, יש השראה של שינוי מבני בו וכתוצאה מכך שפעולו. שפעול זה משרה שינוי קונפורמציה גם בחלבון G וכך לשחרור ה-GDP. כיוון שיש בתא פי עשרה יותר GTP לעומת GDP, הסבירות שה-GDP שהשתחרר יוחלף ב-GTP היא גבוהה יחסית. אם אכן הוחלף ל-GTP, חלבון ה-G משופעל והקישור לקולטן המצומד לחלבון G נחלש, ולכן חלבון ה-G ניתק מהקולטן. קיימים חילוקי דעות לגבי מנגנון השפעול הספציפי; המנגנון הקלאסי אומר ששפעול חלבון G מתבטא בכך שתת-יחידת אלפא קושרת GTP במקום GDP ונפרדת מיחידות בטא וגמא. במצב זה, תת-יחידה אלפא פעילה ויכולה לשפעל אנזימים שונים ולהמשיך את תגובת השרשרת בתא וכן תת-יחידות בטא-גמא יכולות לשפעל חלבונים אחרים. יחד עם זה, מחקרים מאוחרים יותר הראו שאין הכרח בהיפרדות של תת-היחידות. השליח השניוני של חלבון ה-G, וכך גם פעולתו, משתנה לפי תתי־היחידות הספציפיות שמשופעלות, בין היתר החלבונים שמופעלים הם אדנילאט ציקלאז, תעלות יונים ופוספוליפאז C. בטא-גמא חשובים בין היתר לבקרה ולהפסקת האות ולהפעלה של חלבונים. הסימן הראשון לתת-יחידות אלה גם תפקיד הגיע משינויים בשריר הלב כתוצאה מגירויים פאראסימפתטיים. במקרה זה, השליחים השניוניים שנצפו לא היו מסיסים, אולם היה ידוע באותה העת כי הפעילות הזו מתווכת באמצעות חלבוני ה-G. השינוי הוא בהכנסה של אשלגן לתא, על ידי תעלות אשלגן, וזו מתווכת באמצעות חלבון ה-G. באותה עת, נמצא גם שתת-היחידות בטא-גמא יכולות להפעיל איזופורמים מסוימים של פוספוליפאז C וכן פוספוליפאזים אחרים. לתת־יחידה Gα יש גם פעילות של GTPase, אך הקצב הקטליטי שלה נמוך ולכן רק לאחר זמן מה היחידה Gα מעודדת את פירוק ה-GTP ל-GDP+Pi. כאשר Gα קושרת שוב GDP, בעקבות הפירוק, היא חוזרת לקונפורמציה הקודמת והלא פעילה. נוסף על כך, שפעול של חלבונים משפעלי GTPase‏ (Regulator of G protein signalling או RGS) מאיץ את פעילות ה-GTPase, ובכך מזרז חזרה למצב הלא פעיל של החלבון. לאחר פירוק ה-GTP, יכול להתחיל מחזור העברת סיגנלים חדש. רבים מחלבוני ה-G מפעילים במישורין או בעקיפין חלבונים שעוצרים את פעולת חלבוני ה-G. גם לחלבונים המונומרים יש חלבונים המבקרים את פעולתם ומפרקים את ה-GTP, והם מכונים GAP. בנוסף קיימות בקרות על הפעילות של החלבונים על ידי קינאזות של קולטן המצומד לחלבון G, שגורמים להפסקת השפעול של חלבוני G נוספים. חלבונים אלה התגלו לראשונה בגלל פעילותם בוויסות מחזור התא ולכן פגיעה בהם עלולה להתבטא בפעילות סרטנית של התא. מנגנון הפעולה של חלבונים אלה דומה למנגנון של החלבונים ההטרוטרימרים. שפעולם נעשה באמצעות החלפה של GDP ב-GTP. ההחלפה נעשית באמצעות שחרור של ה-GDP, וכיוון שריכוזו של GTP בתא גבוה יחסית, לרוב נקשר GTP בעקבות השחרור. בצורה דומה לחלבונים ההטרוטרימרים, פירוק של ה-GTP באמצעות פעילות ה-GTPase של החלבון גורמת להפסקת הפעילות, וזו יכולה להיות מואצת באמצעות חלבוני GAP. יחד עם זה, יש שוני מסוים בין חלבונים אלה לחלבונים ההטרוטרימרים, שמתבטא בחלבוני מעכבים, Guanosine nucleotide dissociation inhibitors (או GDI), אשר שומרים את החלבון במצבו הלא-פעיל. אף שמבנם הכללי דומה, ישנם קומפלקסים שונים של חלבוני G הטרוטרימרים (Gαβγ), הנבדלים במסלולים בהם הם משתתפים. כל קומפלקס משופעל על ידי קולטן שונה, ומשפעל חלבוני מטרה שונים. ההבדלים בין הקומפלקסים השונים מתבטאים בהבדל בתת-יחידה אלפא וכן ביחידות בטא-גמא. ידועים מספר קבוצות של תתי־יחידות אלפא: Gα12/13 ,Gαi, Gαq, Gαs ובתוך כל קבוצה נמצאים חלבונים שונים. רוב התאים מבטאים רק חלק מהחלבונים השונים. חלק מהחלבונים, כגון αolf, αt או αgust מתבטאים בתאים ברקמה מסוימת בלבד. חלבוני G אחרים מתבטאים רק בתאים ממקור עוברי משותף, למשל αz מתבטא רק בתאים נוירונליים. אחרים, כגון αs מבוטאים בכל התאים. לדוגמה: ההורמון גלוקגון נקשר לקולטן 7TM, אשר לקומפלקס המכיל תת-יחידה Gαs. לאחר שפעולה Gαs-GTP נקשרת לאנזים אדנילט ציקלאז אשר יוצר את מולקולת הסיגנל השניוני cAMP. בהמשך המסלול cAMP משפעל את הקינאז PKA. לעומת זאת, ישנם הורמונים המשפעלים קולטן הקשור לקומפלקס חלבוני G המכילים תת-יחידה Gαq. תת-יחידה זו משפעלת את האנזים פוספוליפאז C, ובהמשך המסלול משופעל קינאז בשם PKC. שפעול קינאזות שונות (PKA לעומת PKC) על ידי חלבוני G השונים (Gαs לעומת Gαq, בהתאמה) מוביל לתגובה תאית שונה לסיגנל. ישנם חלבוני Gα נוספים (כגון Gαi), המשתתפים במסלולי מעבר אותות שונים, שלא פורטו כאן. קיימים סוגים שונים של תת-יחידות בטא וגמא, נוסף על הסוגים השונים של תת-היחידה אלפא. חמישה סוגים של תת-יחידה בטא ידועים (GNB1, GNB2, GNB3, GNB4, GNB5, GNB1L ו-GNB2L1). ‏12 סוגים של גמא (GNGT1, GNGT2, GNG2, GNG3, GNG4, GNG5, GNG7, GNG8, GNG10, GNG11, GNG12 ו-GNG13). בעוד בין תת-יחידות בטא השונות יש דמיון של מעל 50%, בין תת-יחידות גמא השונות רבה יותר. יש שילובים בין תת-היחידות שלא ידוע על קיומם באופן טבעי. המבנה של החלבונים ההטרוטרימרים מורכב מ-3 תתי־יחידות: אלפא (α), בטא (β) וגמא (γ). תת-יחידות בטא וגמא מחוברים ביניהם בקשר Coiled coil, קשר חזק שבו יש ליפוף של שני סלילי אלפא אחד סביב השני. בתת-יחידה אלפא יש אתר שקושר GTP וכן מתחם לו יש פעילות של פירוק GTP ל-GDP ‏(GTPase). צורתה של תת-יחידה בטא הוא כשל פרופלור, והיא מורכבת ממשטחי בטא רבים. הקצה הקרבוקסילי של תת-יחידה אלפא נקשר לקולטן המצומד לחלבון G, והוא שיוצר את הספציפיות של הקולטן. הקצה האמיני של תת-יחידה הוא שנקשר לתת־יחידות בטא-גמא. תת-יחידה אלפא יוצרת שני מתחמים נפרדים. לאחד מבנה דומה ל-Ras, והשני בנוי מהליקסים רבים ששונה מהחלבונים המונומרים. האזור השני משתנה מאוד בין תת-יחידות האלפא השונות. תת-יחידה אלפא קשורה לממברנת התא באמצעות מודיפיקציה בה מוסף ליפיד לחלבון. תת-יחידה גמא קשורה אף היא לממברנה באותה צורה. לעומת זאת לתת־יחידה בטא אין מודיפיקציה דומה, והיא מחוברת בעקיפין, על ידי קשרי ה-Coiled coil שדרכם היא מחוברת לתת־יחידה גמא. חלבונים אלה מורכבים משרשרת פפטידית אחת, המורכבת מכ-190 חומצות אמינו. בדומה לחלבונים הטרימריים, גם חלבונים אלה מחוברים באמצעות התמרה שומנית בקצה הקרבוקסילי לקרום התא. החלבונים המונומרים יכולים לקשור GTP או GDP, וגם להם פעילות של GTPase. למעשה, חלבונים אלה הומולוגיים לתת־היחידה אלפא של החלבונים הטרימרים, מלבד העובדה שהם יכולים לפעול בלא תלות בתת-יחידות אחרות. פעילות חלבוני G הכרחית למספר מסלולי העברת אותות בתא. בין המחלות שקשורות לתפקוד לא תקין של החלבון הן כולרה, הן שעלת והן מחלות אחרות. מעבר אותות קולטן המצומד לחלבון G Bastien D. Gomperts, Peter ER Tatham and Ijsbrand M. Kramer, Signal Transduction, USA: Academic Press, An Elsevier Science Imprint, Second printing, 2003 ארז גרטי, מירוץ השליחים של חלבוני G, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 ביולי 2009 חלבוני G, דף שער בספרייה הלאומית Shoshana Klein, Hadas Reuveni, and Alexander Levitzki, Signal transduction by a nondissociable heterotrimeric yeast G protein, PNAS, 21 March 2000 K. Wickman and DE Clapham, Ion Channel Regulation by G Proteins, Physiology review, American Physiology Society, October 1995 EJ Neer and DE Clapham, Roles of G protein subunits in transmembrane signalling, Nature 333, 1988 E Reuveny et al., Activation of the cloned muscarinic potassium channel by G protein βγ subunits, Nature 370, July 1994 CL Jelsema and J Axelrod, Stimulation of phospholipase A2 activity in bovine rod outer segments by the beta gamma subunits of transducin and its inhibition by the alpha subunit, PNAS, June 1987 M Camps et al., Stimulation of phospholipase C by guanine-nucleotide-binding protein beta gamma subunits, Wiley Online Library, 1992 RA Kahn and AG Gilman, The Protein Cofactor Necessary for ADP-ribosylation of G, by Cholera Toxin is Itself a GTP Binding Protein, Journal of Biological Chemistry, 1986 JD Thornton, GS Liu and JM Downey, Pretreatment with pertussis toxin blocks the protective effects of preconditioning: evidence for a G-protein mechanism, Journal of molecular and cellular, 1993