MAPK/ERK -reitti - MAPK/ERK pathway

MAPK/ERK -reitin keskeiset komponentit. "P" edustaa fosfaattia , joka välittää signaalin. Yläosa, epidermaalinen kasvutekijä (EGF) sitoutuu solukalvon EGF -reseptoriin (EGFR) ja aloittaa signaalien kaskadin. Myöhemmin alavirtaan fosfaattisignaali aktivoi MAPK: n (tunnetaan myös nimellä ERK). Pohja, signaali tulee solun ytimeen ja aiheuttaa DNA: n transkription, joka sitten ilmentyy proteiinina.

MAPK / ERK-reitin (tunnetaan myös Ras-Raf-MEK-ERK-reitin ) on ketjun proteiinien että solu , joka viestii signaalin reseptorin pinnalla ja solun DNA: n tumassa solun.

Signaali alkaa, kun signaloiva molekyyli sitoutuu solun pinnan reseptoriin ja päättyy, kun ytimen DNA ilmentää proteiinia ja aiheuttaa jonkin verran muutoksia solussa, kuten solunjakautumista . Reitti sisältää monia proteiineja, mukaan lukien MAPK ( mitogeeni-aktivoidut proteiinikinaasit , alun perin nimeltään ERK, solunulkoiset signaalisääteiset kinaasit ), jotka kommunikoivat lisäämällä fosfaattiryhmiä naapuriproteiiniin ( fosforyloivat sen), joka toimii "päällä" tai " pois päältä "-kytkin.

Kun yksi reitin proteiineista on mutatoitunut, se voi juuttua "päällä" tai "pois" -asentoon, mikä on välttämätön askel monien syöpien kehittymisessä. MAPK/ERK -reitin komponentit löydettiin, kun ne löydettiin syöpäsoluista. Huumeita, jotka kääntävät "päälle" tai "pois" -kytkimen, tutkitaan syövän hoitoon.

Tausta

Kaiken kaikkiaan solunulkoinen mitogeeni sitoutuu kalvoreseptoriin. Tämän ansiosta Ras ( pieni GTPase ) voi vaihtaa BKT : n GTP: ksi . Se voi nyt aktivoida MAP3K: n (esim. Raf ), joka aktivoi MAP2K: n , joka aktivoi MAPK: n . MAPK voi nyt aktivoida transkriptiotekijän, kuten Myc . Yksityiskohtaisemmin:

Ras -aktivointi

Reseptoriin liittyvät tyrosiinikinaasit , kuten epidermaalinen kasvutekijäreseptori (EGFR), aktivoidaan solunulkoisilla ligandeilla , kuten epidermaalisella kasvutekijällä (EGF). EGF: n sitoutuminen EGFR: ään aktivoi reseptorin sytoplasmisen domeenin tyrosiinikinaasiaktiivisuuden. EGFR fosforyloituu tyrosiinitähteiden päälle. Telakointiproteiinit, kuten GRB2, sisältävät SH2 -domeenin, joka sitoutuu aktivoidun reseptorin fosfotyrosiinitähteisiin. GRB2 sitoutuu guaniinin nukleotidivaihtotekijään SOS GRB2: n kahden SH3 -domeenin välityksellä. Kun GRB2-SOS-kompleksi kiinnittyy fosforyloituun EGFR: ään, SOS aktivoituu. Aktivoitu SOS sitten edistää poistamalla BKT peräisin jäsenen Ras-alaryhmän (erityisesti H-Ras tai K-Ras ). Ras voi sitoa GTP: n ja tulla aktiiviseksi.

EGFR: n lisäksi muita solupinnan reseptoreita, jotka voivat aktivoida tämän reitin GRB2: n kautta, ovat Trk A/B , fibroblastikasvutekijäreseptori (FGFR) ja PDGFR .

Kinaasikaskadi

Aktivoitu Ras aktivoi RAF -kinaasin proteiinikinaasiaktiivisuuden. RAF -kinaasi fosforyloi ja aktivoi MEK: n (MEK1 ja MEK2). MEK fosforyloi ja aktivoi mitogeeniaktivoidun proteiinikinaasin (MAPK).

RAF ja ERK (tunnetaan myös nimellä MAPK) ovat molemmat seriini/treoniini-selektiivisiä proteiinikinaaseja . MEK on seriini/tyrosiini/treoniinikinaasi.

Teknisessä mielessä RAF, MEK ja MAPK ovat kaikki mitogeeniaktivoituja kinaaseja, kuten myös MNK (katso alla). MAPK: ta kutsuttiin alun perin " solunulkoisiksi signaalisääteisiksi kinaaseiksi " ( ERK ) ja "mikrotubuluksiin liittyväksi proteiinikinaasiksi" (MAPK). Yksi ensimmäisistä proteiineista, joiden tiedetään fosforyloituvan ERK: lla, oli mikrotubuluksiin liittyvä proteiini (MAP). Kuten jäljempänä käsitellään, myöhemmin löydettiin monia muita MAPK: n fosforylaatiokohteita, ja proteiini nimettiin uudelleen "mitogeeniaktivoiduksi proteiinikinaasiksi" (MAPK). Sarja kinaaseja RAF: sta MEK: iin MAPK: ksi on esimerkki proteiinikinaasikaskadista. Tällaiset kinaasisarjat tarjoavat mahdollisuuksia takaisinkytkennän säätöön ja signaalin vahvistamiseen.

Käännösten ja transkriptioiden sääntely

Kolme monista proteiineista, jotka MAPK fosforyloi, on esitetty kuvassa. Yksi vaikutus MAPK-aktivaation on muuttaa käännös ja mRNA: n ja proteiinien. MAPK fosforyloi 40S ribosomaalisen proteiinin S6 -kinaasin ( RSK ). Tämä aktivoi RSK: n, joka vuorostaan ​​fosforyloi ribosomaalisen proteiinin S6. Mitogeeni-aktivoidut proteiinikinaasit, jotka fosforyloivat ribosomaalista proteiinia S6, eristettiin ensimmäisenä.

MAPK säätelee useiden transkriptiotekijöiden toimintaa . MAPK voi fosforyloida C-myc: tä . MAPK fosforyloi ja aktivoi MNK: n, joka puolestaan ​​fosforyloi CREB: n . MAPK säätelee myös C-Fos- geenin transkriptiota . Muuttamalla transkriptiotekijöiden tasoja ja aktiivisuuksia MAPK johtaa solusyklin kannalta tärkeiden geenien muuttuneeseen transkriptioon .

22q11-, 1q42- ja 19p13 -geenit liittyvät skitsofreniaan , skitsoafektiiviseen , kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön ja migreeniin vaikuttamalla ERK -reittiin.

MAP -kinaasireitit.

Solusyklin sisäänpääsyn ja lisääntymisen säätely

Mitogeenisignaalin rooli solusyklin etenemisessä ERK -reitillä on tärkeä rooli integroida mitogeenien, kuten epidermaalisen kasvutekijän (EGF), läsnäolosta tulevat ulkoiset signaalit signalointitapahtumiin, jotka edistävät solujen kasvua ja lisääntymistä monissa nisäkkäiden solutyypeissä. Yksinkertaistetussa mallissa mitogeenien ja kasvutekijöiden läsnäolo laukaisee kanonisten reseptorityrosiinikinaasien, kuten EGFR: n, aktivoitumisen, mikä johtaa niiden dimeroitumiseen ja pienen GTPaasi Ras: n aktivoitumiseen. Tämä johtaa sitten sarjaan fosforylaatiotapahtumia MAPK-kaskadissa (Raf-MEK-ERK), mikä johtaa lopulta ERK: n fosforylaatioon ja aktivoitumiseen. ERK: n fosforylaatio johtaa sen kinaasiaktiivisuuden aktivoitumiseen ja johtaa sen monien loppupään kohteiden, jotka osallistuvat soluproliferaation säätelyyn, fosforylaatioon. Useimmissa soluissa tarvitaan jonkinlaista jatkuvaa ERK -aktiivisuutta, jotta solut aktivoivat geenit, jotka indusoivat solusyklin sisäänpääsyn ja tukahduttavat solusyklin negatiiviset säätimet. Kaksi tällaista tärkeää kohdetta ovat Cyclin D -kompleksit, joissa on Cdk4 ja Cdk6 (Cdk4/6), jotka molemmat fosforyloivat ERK. Siirtymistä G1-vaiheesta S-vaiheeseen koordinoi Cyclin D-Cdk4/6 -aktiivisuus, joka kasvaa myöhäisen G1-vaiheen aikana, kun solut valmistautuvat siirtymään S-vaiheeseen vasteena mitogeeneille. Cdk4/6-aktivaatio edistää hyperfosforylaatiota ja sitä seuraavaa retinoblastoomaproteiinin (Rb) epävakautta. Hypofosforyloitu Rb sitoutuu normaalisti transkriptiotekijään E2F varhaisessa G1: ssä ja estää sen transkription aktiivisuutta estäen S-vaiheen tulogeenien, mukaan lukien sykliini E, sykliini A2 ja Emi1, ilmentymisen. ERK1/2-aktivaatio alavirtaan mitogeenin indusoimasta Ras-signaloinnista on välttämätön ja riittävä poistamaan tämä solusyklin lohko ja antamaan solujen edetä S-vaiheeseen useimmissa nisäkässoluissa.

Kaavio solusykliin integroidusta mitogeenisyötteestä

Myöhemmän takaisinkytkennän ohjaus ja bistabiilin G1/S -kytkimen luominen

Rajoituspiste (R-piste) merkitsee kriittistä tapahtumaa, kun nisäkässolu sitoutuu lisääntymiseen ja tulee itsenäiseksi kasvun stimulaatiosta. Se on perustavanlaatuinen normaalille erilaistumiselle ja kudosten homeostaasille, ja se näyttää olevan säätelemätön lähes kaikissa syövissä. Vaikka R-piste on yhdistetty erilaisiin toimintoihin, jotka liittyvät nisäkkään solusyklin G1-S-siirtymän säätelyyn, taustalla oleva mekanismi on edelleen epäselvä. Käyttämällä yksisoluisia mittauksia Yao et ai., Osoittavat, että Rb-E2F-reitti toimii bistabiilina kytkimenä, joka muuntaa luokitellut seerumitulot E2F-vastauksiksi.

Kasvu- ja mitogeenisignaalit lähetetään alavirtaan ERK -reitistä, ja ne sisällytetään useisiin positiivisiin takaisinkytkentäsilmukoihin bistabiilin kytkimen luomiseksi E2F -aktivoinnin tasolla. Tämä johtuu kolmesta päävuorovaikutuksesta myöhäisen G1 -vaiheen aikana. Ensimmäinen on seurausta mitogeenistimulaatiosta ERK: n kautta, mikä johtaa transkriptiotekijän Myc ilmentymiseen, joka on E2F: n suora aktivaattori. Toinen reitti on seurausta ERK -aktivoinnista, joka johtaa sykliini D: n ja Cdk4/6: n aktiivisten kompleksien kertymiseen, jotka epävakauttavat Rb: n fosforylaation kautta ja toimivat edelleen aktivoimaan E2F: ää ja edistämään sen kohteiden ilmentymistä. Lopuksi kaikkia näitä vuorovaikutuksia vahvistaa E2F: n lisä positiivinen palautelenkki itselleen, koska sen oma ilmaisu johtaa Cyclin E: n ja CDK2: n aktiivisen kompleksin tuotantoon, mikä edelleen estää solun päätöksen siirtyä S-vaiheeseen. Tämän seurauksena, kun seerumin konsentraatiota lisätään asteittain, useimmat nisäkässolut reagoivat kytkimen kaltaisella tavalla siirtyessään S-vaiheeseen. Tällä mitogeenillä stimuloidulla, bistabiililla E2F -kytkimellä on hystereesi, koska soluja estetään palaamasta G1: een myös sen jälkeen, kun mitogeeni on poistettu E2F -aktivoinnin jälkeen.

Dynaaminen signaalinkäsittely ERK-reitin avulla
EGF: n stimuloima EGFR-ERK/MARK (epidermaalinen kasvutekijäreseptori, solunulkoinen säätelemä kinaasi/mitogeeni-aktivoitu proteiinikinaasi) -reitti on kriittinen solujen lisääntymiselle, mutta signaalin ja vasteen välinen ajallinen erottaminen peittää signaalin -vastaussuhde aiemmassa tutkimuksessa. vuonna 2013, Albeck et ai. toimitti keskeisiä kokeellisia todisteita tämän tiedon aukon täyttämiseksi. He mitasivat signaalin voimakkuuden ja dynamiikan vakaan tilan EGF-stimulaatiolla, jossa signalointi ja lähtö voidaan helposti yhdistää. He kartoittivat edelleen signaalin ja vasteen suhteen reitin koko dynaamisella alueella. Käyttämällä fosforyloidun ERK: n (pERK) ja elävien solujen FRET-biosensorien korkeapitoista immunofluoresenssi (HCIF) -tunnistusta, he seurasivat ERK-reitin loppupään ulostuloa sekä elävissä soluissa että kiinteissä soluissa. ERK-signaloinnin kvantitatiivisten ominaisuuksien liittämiseksi edelleen lisääntymisnopeuksiin he perustivat sarjan vakaan tilan olosuhteita käyttämällä erilaisia ​​EGF-pitoisuuksia soveltamalla EGF: ää eri pitoisuuksilla.

Yksisoluiset kuvantamiskokeet ovat osoittaneet, että ERK aktivoituu stokastisissa purskeissa EGF: n läsnä ollessa. Lisäksi reitin on osoitettu koodittavan signalointitulojen voimakkuutta sen aktiivisuuden taajuusmoduloiduilla pulsseilla. Käyttämällä elävien solujen FRET -biosensoreita solut indusoivat eri pitoisuuksilla EGF: n laittoman aktiivisuuden purskeita eri taajuuksilla, jolloin korkeammat EGF -tasot johtivat useammin ERK -aktiivisuuden purskeisiin. Selvittääkseen, miten S-vaiheen tuloon voivat vaikuttaa satunnaiset ERK-aktiivisuuden pulssit alhaisilla EGF-pitoisuuksilla, he käyttivät MCF-10A-soluja, jotka ilmentävät EKAR-EV: tä ja RFP-geminiiniä yhdessä, ja tunnistivat ERK-aktiivisuuden pulssit pisteytyksen kanssa ja tasasivat sitten tämä ERK-aktiivisuusprofiili, jossa on GFP-geminiinin induktioaika. He havaitsivat, että pidemmät ERK -aktiivisuusjaksot stimuloivat S -vaiheen tuloa, kuten lisääntynyt pulssin pituus ehdottaa. Ymmärtääkseen EGFR-ERK-reitin dynamiikan ja erityisesti sen, miten taajuus ja amplitudi moduloidaan, he käyttivät EGFR-estäjää gefitinibiä tai erittäin selektiivistä MAPK/ERK-kinaasin (MEK) estäjää PD0325901 (PD). Kaksi inhibiittoria tuottaa itse asiassa hieman erilaisen tuloksen: gefitinibi keskipitkällä pitoisuudella aiheuttaisi sykkivää käyttäytymistä ja myös kaksisuuntaista siirtymää, jota ei havaita PD: n kanssa. He yhdistävät edelleen EGF: n ja PD: n yhdessä ja tekevät johtopäätöksen, että ERK -aktiivisuuksien taajuutta moduloidaan määrällisellä vaihtelulla, kun taas amplitudia moduloidaan MEK -aktiivisuuden muutoksella. Lopuksi he kääntyivät Fra-1: n puoleen, joka on yksi ERK-reitin jatkokäyttäjistä, koska on teknisesti haastavaa arvioida ERK-toimintaa suoraan. Ymmärtääkseen, miten integroitu ERK -reittilähtö (jonka ei pitäisi olla riippuvainen taajuudesta tai amplitudista) vaikuttaa lisääntymisnopeuteen, he käyttivät laajan valikoiman EGF- ja PD -pitoisuuksia ja havaitsivat, että on todella käänteinen L -muotoinen yksi kaareva suhde, mikä viittaa siihen, että alhaisilla ERK -reittilähdön tasoilla pienet muutokset signaalin voimakkuudessa vastaavat suuria muutoksia lisääntymisnopeudessa, kun taas suuret muutokset signaalin voimakkuudessa lähellä dynaamisen alueen yläpäätä vaikuttavat vain vähän proliferaatioon. ERK -signaloinnin heilahtelu tuo esiin mahdollisia ongelmia nykyisissä terapeuttisissa lähestymistavoissa ja tarjoaa uuden näkökulman ajattelemaan lääkkeiden kohdistamista syövän ERK -reitillä.

EGF-stimuloidut, taajuusmoduloidut ERK-aktiivisuuspulssit

Mitogeeni- ja stressisignaalien integrointi lisääntymiseen

Äskettäiset elävien solujen kuvantamiskokeet MCF10A- ja MCF7-soluissa ovat osoittaneet, että mitogeenisignaalin yhdistelmä ERK: n ja stressisignaalien kautta p53: n aktivoimisen kautta emosoluissa edistää todennäköisyyttä, tulevatko uudet muodostuneet tytärsolut välittömästi takaisin solusykliin lepoaika (G0) ennen mitoosia. Sen sijaan, että tytärsolut alkavat ilman avainmerkinantoproteiineja jakautumisen jälkeen, mitogeeni/ERK: n aiheuttama Cyclin D1 -mRNA ja DNA -vaurioiden aiheuttama p53 -proteiini, molemmat solujen pitkäikäiset tekijät, voidaan periä vakaasti emosoluista solunjakautumisen jälkeen. Näiden säätelijöiden tasot vaihtelevat solusta soluun mitoosin jälkeen ja niiden välinen stökiometria vaikuttaa voimakkaasti solusyklin sitoutumiseen Cdk2: n aktivoinnin kautta. Kemialliset häiriöt, joissa käytetään ERK -signaloinnin estäjiä tai indusoijia p53 -signalointia emosoluissa, viittaavat siihen, että tytärsolut, joissa on korkea p53 -proteiinipitoisuus ja alhaiset sykliini -D1 -transkriptit, osoittautuivat pääsääntöisesti G0: ksi, kun taas solut, joilla on korkea sykliini D1 ja alhaiset p53 -tasot, ovat todennäköisesti päästäkseen solusykliin uudelleen. Nämä tulokset havainnollistavat koodatun molekyylimuistin muotoa, vaikka ERK: n kautta tapahtuva mitogeenisignaali ja stressivaste p53: n kautta.

Lääketieteellinen merkitys

Hallitsematon kasvu on välttämätön askel kaikkien syöpien kehittymiselle. Monissa syöpissä (esim. Melanooma ) MAP/ERK -reitin vika johtaa hallitsemattomaan kasvuun. Monet yhdisteet voivat estää vaiheita MAP/ERK -reitillä, ja siksi ne ovat mahdollisia lääkkeitä syövän hoitoon, esim. Hodgkinin tauti .

Ensimmäinen lääke, jolla on lupa toimia tällä reitillä, on sorafenibi - Raf -kinaasin estäjä.

Muut Raf -estäjät: SB590885, PLX4720, XL281, RAF265, enkorafenibi , dabrafenibi , vemurafenibi .

Jotkut MEK: n estäjät : kobimetinibi , CI-1040, PD0325901, binimetinibi ( MEK162 ), selumetinibi , trametinibi (GSK1120212) On havaittu, että akupistomoksibustiolla on merkitystä alkoholin aiheuttaman mahalaukun limakalvovaurion lievittämisessä hiirimallissa. liittyy läheisesti sen vaikutuksiin epidermaalisen kasvutekijän/ERK-signaalinsiirtoreitin säätelyssä.

RAF-ERK-reitti on mukana myös polyonanmuodostumissairauden Noonanin oireyhtymän patofysiologiassa , jossa simvastatiinia ehdotettiin keinona parantaa häiriön keskushermostoon liittyviä kognitiivisia oireita.

Proteiini microarray-analyysi voidaan käyttää havaitsemaan pieniä muutoksia proteiinin aktiivisuuden signalointireiteissä. Kehitysoireyhtymiä, jotka johtuvat ituradan mutaatioista geeneissä, jotka muuttavat MAP/ERK -signaalinsiirtoreitin RAS -komponentteja, kutsutaan RASopaatioiksi .

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit