Grundlagen
Bei vielen wichtigen zellulären Prozessen spielen kleine GTPasen eine wichtige Rolle. Sie können dabei zwei Zustände einnehmen: aktiv und inaktiv. Eine Familie stellt die Rho-GTPasen dar, zu welcher auch das Protein CDC42 gehört. So ist CDC42 wichtig beim Umbau des Zytoskeletts, der Zellteilung, dem Transport frisch hergestellter Proteine aus der Zelle und vielem mehr. Die Regulation der kleinen G-Proteine erfolgt durch sogenannte GTP-Austausch-Faktoren (GTP-Exchange-Factor GEF), die zu einer aktiven kleinen GTPase führen. GAP's (GTPase-Aktivierungs-Protein), die zu einer Inaktivierung führen und GDI's, die kleine GTPasen binden und in einem inaktiven Zustand halten.
GTP (Guanin-P-P-P) / GDP (Guanin-P-P)
Jede Zelle "verbrennt" Glucose und erzeugt daraus Energie. Diese Energie sind energiereiche Verbindungen, die so viel "Energie" aufweisen, dass sie auch andere Verbindungen aktivieren können. Solche energetisch reichen Verbindungen sind z.B. GTP oder ATP. Hier wird an ein Guanin bzw. Adenin, welches sie vielleicht aus dem Kapitel DNA und Proteine als DNA-Base kennengelernt haben, anorganisches Phosphat angehängt, um genau zu sein 3 Phosphatreste. Ein Abspalten eines der Phosphatreste setzt Energie frei, welches an andere Energie benötigenden Prozesse gekoppelt werden kann. Das GTP wird dann durch Abspalten eines Phosphatrests zu GDP und eine entsprechende gekoppelte Reaktion kann stattfinden.
Kleine GTPasen
Kleine GTPasen können entweder die energiereiche Form GTP binden, was zu einer Aktivierung führt. Hat die kleine GTPase, z.B. Cdc42, GTP gebunden ist sie aktiv. Nach einer gewissen Zeit kann die kleine GTPase das GTP selbst zu GDP spalten, in dem ein Phosphatrest abgespalten wird. Hat die kleine GTPase allerdings GDP gebunden liegt sie in einer inaktiven Form vor und ist ausgeschaltet. Damit die kleinen GTPasen der Rho-Familie wirken können sind sie über eine Isoprenylierung (Fettrest) am C-Terminus an die Zellmembran gebunden. Der Fettrest wird dabei in die Zellmembran inseriert. Kleine GTPasen aktivieren dann "downstream", also weiter "unten" liegende Effektoren. Ein sehr spezifischer Effektor von Cdc42 ist z.B. PAK1, welcher über weitere Effektoren zu Aktivierung spezifischer Gene über JNK, SRP oder Elk1-Signalwege führt. Je nach Signalen von außen während z.B. der Entwicklung des Embryos oder in verschiedenen Geweben zu unterschiedlichsten Zeitpunkten sind unterschiedliche GEF's, GAP's oder GDI's aktiv bzw. inaktiv.
Regulation der kleinen GTPase (GEF's)
GEF's sind GTP-Austausch-Faktoren und bewirken eine Aktivierung der kleinen GTPase. Da die kleinen GTPasen, wie etwa die der Rho-Familie sind an der Zellmembran aktiv und über ein Fettrest dort verankert. GEF's, wie etwa auch FGD1 binden ebenfalls an die Zellmembran. Im Falle von FGD1 findet die Bindung an die Membran jedoch nicht direkt über eine Isoprenylierung oder einen Fettrest statt, sondern über Bindung an andere Faktoren des Zytoskeletts, die bei Aktivierung verstärkt an die Zellmembran rektruiert werden. Für FGD1 weiß man, dass der Prolin-reiche N-Terminus an die Sh3-Domäne des Cortactin bindet und auch mit dem Arp2/3-Komplex interagiert. Beides Proteine die an sogenannten Fokalkontakten rekrutiert werden. Allgemein gibt es sehr spezifische GEF's, wie etwa FGD1 für Cdc42, aber auch weniger spezifische, wie etwa vav, welches viele Vertreter der Rho-GTPasen aktivieren kann. Sehen Sie hierzu auch die Abbildung oben.
Regulation der kleinen GTPasen (GAP's)
GAP's oder auch GTPase-activating-protein (GTPase-Aktivierendes-Protein) führen dazu, dass die eigene Aktvität der GTPase beschleunigt wird und ein Phosphat abgespaltet wird. Dadurch hat die kleine GTPase die niederenergetische GDP-Verbindung gebunden und liegt inaktiv an der Membran vor. Sie kann in dieser Phase erneut durch einen GEF aktiviert werden. Sehen Sie hierzu auch die Abbildung oben.
Regulation der kleinen GTPasen (GDI's)
GDI's oder GTPase-Dissoziation-Inhibitor bindet die kleine GTPase und verdeckt somit den Fettrest am N-Terminus. Eine Membranbindung ist dadurch nichtmehr möglich. Durch die Abwesenheit von der Membran ist eine Bindung bzw. ein Treffen der GEF's bzw. GAP's nicht möglich durch die unterschiedliche Lokalisation. Die kleine GTPase wird dadurch längerfristig abgeschalten. Sehen Sie hierzu auch die Abbildung oben.