MAPK/ERK -sti - MAPK/ERK pathway

Nøkkelkomponenter i MAPK/ERK -banen. "P" representerer fosfat , som kommuniserer signalet. Øverste, epidermale vekstfaktor (EGF) binder seg til EGF -reseptoren (EGFR) i cellemembranen, og starter kaskaden av signaler. Videre nedstrøms aktiverer fosfatsignal MAPK (også kjent som ERK). I bunnen kommer signalet inn i cellekjernen og forårsaker transkripsjon av DNA, som deretter uttrykkes som protein.

Den MAPK / ERK-reaksjonsveien (også kjent som Ras-Raf-MEK-ERK-reaksjonsveien ) er en kjede av proteiner i den celle som kommuniserer et signal fra en reseptor på overflaten av cellen til DNA i cellekjernen.

Signalet starter når et signalmolekyl binder seg til reseptoren på celleoverflaten og slutter når DNA i kjernen uttrykker et protein og produserer en viss endring i cellen, for eksempel celledeling . Veien inkluderer mange proteiner, inkludert MAPK ( mitogenaktiverte proteinkinaser , opprinnelig kalt ERK, ekstracellulære signalregulerte kinaser ), som kommuniserer ved å legge fosfatgrupper til et naboprotein ( fosforylere det), som fungerer som en "på" eller " av "bryteren.

Når et av proteinene i banen er mutert, kan det bli sittende fast i "på" eller "av" posisjon, som er et nødvendig trinn i utviklingen av mange kreftformer. Komponenter i MAPK/ERK -banen ble oppdaget da de ble funnet i kreftceller. Legemidler som reverserer "på" eller "av" bryteren blir undersøkt som kreftbehandling.

Bakgrunn

Totalt sett binder det ekstracellulære mitogen seg til membranreseptoren. Dette gjør at Ras (en liten GTPase ) kan bytte BNP med en GTP . Den kan nå aktivere MAP3K (f.eks. Raf ), som aktiverer MAP2K , som aktiverer MAPK . MAPK kan nå aktivere en transkripsjonsfaktor, for eksempel Myc . I mer detalj:

Ras aktivering

Reseptorkoblede tyrosinkinaser som epidermal vekstfaktorreseptor (EGFR) aktiveres av ekstracellulære ligander , slik som epidermal vekstfaktor (EGF). Binding av EGF til EGFR aktiverer tyrosinkinaseaktiviteten til det cytoplasmatiske domenet til reseptoren. EGFR blir fosforylert på tyrosinrester. Dokkingproteiner som GRB2 inneholder et SH2 -domene som binder seg til fosfotyrosinrestene i den aktiverte reseptoren. GRB2 binder seg til guaninnukleotid utveksling faktor SOS ved hjelp av de to SH3-domenene av GRB2. Når GRB2-SOS-komplekset legger til fosforylerte EGFR, blir SOS aktivert. Aktiverte SOS fremmer deretter fjerning av BNP fra et medlem av Ras-underfamilien (særlig H-Ras eller K-Ras ). Ras kan deretter binde GTP og bli aktiv.

Bortsett fra EGFR inkluderer andre celleoverflatereseptorer som kan aktivere denne veien via GRB2 Trk A/B , Fibroblast vekstfaktorreseptor (FGFR) og PDGFR .

Kinase kaskade

Aktiverte Ras aktiverer proteinkinaseaktiviteten til RAF -kinase. RAF kinase fosforylerer og aktiverer MEK (MEK1 og MEK2). MEK fosforylerer og aktiverer en mitogen-aktivert proteinkinase (MAPK).

RAF og ERK (også kjent som MAPK) er begge serin/treoninselektive proteinkinaser . MEK er en serin/tyrosin/treoninkinase.

I teknisk forstand er RAF, MEK og MAPK alle mitogenaktiverte kinaser, i likhet med MNK (se nedenfor). MAPK ble opprinnelig kalt " ekstracellulære signalregulerte kinaser " ( ERK ) og "mikrotubuli assosiert proteinkinase" (MAPK). Et av de første proteinene som er kjent for å bli fosforylert av ERK, var et mikrotubuli-assosiert protein (MAP). Som diskutert nedenfor ble mange ytterligere mål for fosforylering av MAPK senere funnet, og proteinet ble omdøpt til "mitogen-aktivert proteinkinase" (MAPK). Serien kinaser fra RAF til MEK til MAPK er et eksempel på en proteinkinasekaskade. Slike kinaserier gir muligheter for tilbakemeldingsregulering og signalforsterkning.

Regulering av oversettelse og transkripsjon

Tre av de mange proteiner som fosforyleres av MAPK er vist på figuren. En effekt av MAPK -aktivering er å endre oversettelsen av mRNA til proteiner. MAPK fosforylerer 40S ribosomalt protein S6 kinase ( RSK ). Dette aktiverer RSK, som igjen fosforylerer ribosomalt protein S6. Mitogenaktiverte proteinkinaser som fosforylerer ribosomalt protein S6 var de første som ble isolert.

MAPK regulerer aktivitetene til flere transkripsjonsfaktorer . MAPK kan fosforylere C-myc . MAPK fosforylerer og aktiverer MNK, som igjen fosforylerer CREB . MAPK regulerer også transkripsjonen av C-Fos- genet. Ved å endre nivåene og aktivitetene til transkripsjonsfaktorer, fører MAPK til endret transkripsjon av gener som er viktige for cellesyklusen .

Genene 22q11, 1q42 og 19p13 er assosiert med schizofreni , schizoaffektiv , bipolar og migrene ved å påvirke ERK -banen.

MAP Kinase Pathways.

Regulering av cellesyklusinngang og spredning

Mitogensignaleringens rolle i cellesyklusprogresjon ERK -banen spiller en viktig rolle for å integrere eksterne signaler fra tilstedeværelsen av mitogener som epidermal vekstfaktor (EGF) i signalhendelser som fremmer cellevekst og spredning i mange pattedyrcelletyper. I en forenklet modell utløser tilstedeværelsen av mitogener og vekstfaktorer aktivering av kanoniske reseptortyrosinkinaser som EGFR som fører til deres dimerisering og påfølgende aktivering av de små GTPase Ras. Dette fører deretter til en serie fosforyleringshendelser nedstrøms i MAPK-kaskaden (Raf-MEK-ERK) som til slutt resulterer i fosforylering og aktivering av ERK. Fosforyleringen av ERK resulterer i en aktivering av kinaseaktiviteten og fører til fosforylering av dens mange nedstrøms mål involvert i regulering av celleproliferasjon. I de fleste celler er det nødvendig med en form for vedvarende ERK -aktivitet for at celler skal aktivere gener som induserer cellesyklusinngang og undertrykker negative regulatorer av cellesyklusen. To slike viktige mål inkluderer Cyclin D -komplekser med Cdk4 og Cdk6 (Cdk4/6) som begge er fosforylerte av ERK. Overgangen fra G1 til S-fasen koordineres av aktiviteten til Cyclin D-Cdk4/6, som øker i løpet av sen G1-fase etter hvert som cellene forbereder seg på å gå inn i S-fase som respons på mitogener. Cdk4/6-aktivering bidrar til hyperfosforylering og den påfølgende destabiliseringen av retinoblastomprotein (Rb). Hypo-fosforylert Rb, er normalt bundet til transkripsjonsfaktor E2F i tidlig G1 og hemmer dets transkripsjonelle aktivitet, og forhindrer uttrykk for S-fase-inngangsgener inkludert Cyclin E, Cyclin A2 og Emi1. ERK1/2-aktivering nedstrøms for mitogenindusert Ras-signalering er nødvendig og tilstrekkelig for å fjerne denne cellesyklusblokken og la celler gå videre til S-fase i de fleste pattedyrceller.

Skjematisk av mitogeninngang integrert i cellesyklusen

Nedstrøms tilbakemeldingskontroll og generering av en bistabil G1/S -bryter

Begrensningspunktet (R-punkt) markerer den kritiske hendelsen når en pattedyrcelle forplikter seg til spredning og blir uavhengig av vekststimulering. Det er grunnleggende for normal differensiering og vevshomeostase, og ser ut til å være dysregulert i praktisk talt alle kreftformer. Selv om R-punktet har vært knyttet til forskjellige aktiviteter som er involvert i reguleringen av G1 – S-overgangen til pattedyrscellesyklusen, er den underliggende mekanismen fortsatt uklar. Ved å bruke encellede målinger, viser Yao et al., At Rb-E2F-banen fungerer som en bistabil bryter for å konvertere graderte seruminnganger til alle eller ingen E2F-responser.

Vekst- og mitogensignaler overføres nedstrøms ERK -banen, er inkorporert i flere positive tilbakemeldingssløyfer for å generere en bistabil bryter på nivået med E2F -aktivering. Dette skjer på grunn av tre hovedinteraksjoner under sen G1 -fase. Den første er et resultat av mitogenstimulering selv om ERK fører til uttrykk for transkripsjonsfaktoren Myc, som er en direkte aktivator av E2F. Den andre veien er et resultat av ERK -aktivering som fører til akkumulering av aktive komplekser av Cyclin D og Cdk4/6 som destabiliserer Rb via fosforylering og ytterligere tjener til å aktivere E2F og fremme uttrykk for sine mål. Til slutt blir disse interaksjonene alle forsterket av en ekstra positiv tilbakemeldingssløyfe fra E2F på seg selv, ettersom sitt eget uttrykk fører til produksjon av det aktive komplekset av Cyclin E og CDK2, som ytterligere tjener til å låse en celles beslutning om å gå inn i S-fase. Som et resultat, når serumkonsentrasjonen økes gradvis, reagerer de fleste pattedyrceller på en bryterlignende måte når de går inn i S-fase. Denne mitogenstimulerte, bistabile E2F -bryteren viser hysterese, ettersom celler hindres i å gå tilbake til G1 selv etter mitogenuttak etter E2F -aktivering.

Dynamisk signalbehandling av ERK-banen
EGFR-ERK/MARK (ekstremcellulær regulert kinase/mitogen-aktivert proteinkinase) epidermal vekstfaktor reseptor-vei stimulert av EGF er kritisk for cellulær spredning, men den tidsmessige separasjonen mellom signal og respons skjuler signalet -responsforhold i tidligere forskning. I 2013, Albeck et al. ga viktige eksperimentelle bevis for å fylle dette kunnskapsgapet. De målte signalstyrke og dynamikk med steady-state EGF-stimulering, der signalering og utgang lett kan relateres. De kartla videre signal-respons-forholdet over hele veiens dynamiske område. Ved å bruke høyinnholds immunfluorescens (HCIF) påvisning av fosforylerte ERK (pERK) og levende celle FRET-biosensorer, overvåket de nedstrøms produksjon av ERK-banen i både levende celler og faste celler. For ytterligere å koble de kvantitative egenskapene til ERK-signalering til spredningshastigheter, etablerte de en rekke steady-state-forhold ved å bruke en rekke EGF-konsentrasjoner ved å påføre EGF med forskjellige konsentrasjoner.

Enkeltcelle avbildningseksperimenter har vist at ERK skal aktiveres i stokastiske utbrudd i nærvær av EGF. Videre har banen vist seg å kode for styrken til signalinnganger selv om frekvensmodulerte pulser av aktiviteten. Ved bruk av levende celle FRET -biosensorer induserte celler med forskjellige konsentrasjoner av EGF ulovlig aktivitetsutbrudd med ulik frekvens, der høyere nivåer av EGF resulterte i hyppigere utbrudd av ERK -aktivitet. For å finne ut hvordan S-faseoppføring kan påvirkes av sporadiske pulser av ERK-aktivitet ved lave EGF-konsentrasjoner, brukte de MCF-10A-celler som uttrykker EKAR-EV og RFP-geminin samtidig og identifiserte pulser av ERK-aktivitet med poengsummen og justerte deretter denne ERK-aktivitetsprofilen med tiden for GFP-geminin-induksjon. De fant at lengre perioder med ERK -aktivitet stimulerer S -faseinngang, som antydet av økt pulslengde. For å forstå dynamikken i EGFR-ERK-banen, spesielt hvordan frekvensen og amplituden moduleres, brukte de EGFR-hemmer gefitinib eller den svært selektive MAPK/ERK kinase (MEK) hemmer PD0325901 (PD). To hemmere gir faktisk litt forskjellige resultater: gefitinib, ved middels konsentrasjon, ville forårsake pulserende oppførsel og også bimodalt skift, som ikke observeres med PD. De kombinerer videre EGF og PD sammen og trekker den konklusjon at frekvensen av ERK -aktiviteter moduleres av kvantitativ variasjon mens amplituden moduleres av MEK -aktivitetens endring. Til slutt henvendte de seg til Fra-1, en av nedstrøms effektorer av ERK-banen, da det er teknisk utfordrende å estimere ERK-aktiviteter direkte. For å forstå hvordan den integrerte ERK -baneutgangen (som bør være uavhengig av enten frekvens eller amplitude) påvirker spredningshastigheten, brukte de kombinasjonen av et bredt spekter av EGF- og PD -konsentrasjoner og fant ut at det faktisk er en invertert "L" -formet enkelt krumlinjær forhold, noe som antyder at ved lave nivåer av ERK -baneutgang tilsvarer små endringer i signalintensitet store endringer i proliferativ hastighet, mens store endringer i signalintensitet nær den høye enden av det dynamiske området har liten innvirkning på spredning. Svingningen i ERK -signalisering fremhever potensielle problemer med dagens terapeutiske tilnærminger, og gir nytt perspektiv når det gjelder å tenke legemiddelmålretting i ERK -banen for kreft.

EGF-stimulerte, frekvensmodulerte ERK-aktivitetspulser

Integrering av mitogen- og stressignaler i spredning

Nyere levende celleavbildningseksperimenter i MCF10A- og MCF7-celler har vist at en kombinasjon av mitogensignalering selv om ERK- og stressignaler gjennom aktivering av p53 i morceller bidrar til sannsynligheten for om nydannede datterceller umiddelbart kommer inn i cellesyklusen igjen eller kommer inn hvile (G0) før mitose. Snarere enn datterceller som starter uten viktige signalproteiner etter divisjon, kan mitogen/ERK indusert Cyclin D1 mRNA og DNA -skade indusert p53 -protein, begge langlivede faktorer i celler, stabilt arves fra morsceller etter celledeling. Nivåene til disse regulatorene varierer fra celle til celle etter mitose og støkiometri mellom dem påvirker sterkt cellesyklusengasjementet selv om aktivering av Cdk2. Kjemiske forstyrrelser ved bruk av hemmere av ERK -signalering eller induktorer p53 -signalering i morsceller antyder datterceller med høye nivåer av p53 -protein og lave nivåer av Cyclin D1 -transkripsjoner som hovedsakelig kommer inn i G0, mens celler med høyt Cyclin D1 og lave nivåer av p53 mest sannsynlig er å gå inn i cellesyklusen igjen. Disse resultatene illustrerer en form for kodet molekylært minne selv om historien til mitogensignalering gjennom ERK og stressrespons skjønt p53.

Klinisk signifikans

Ukontrollert vekst er et nødvendig skritt for utviklingen av alle kreftformer. Ved mange kreftformer (f.eks. Melanom ) fører en defekt i MAP/ERK -banen til den ukontrollerte veksten. Mange forbindelser kan hemme trinn i MAP/ERK -banen, og er derfor potensielle legemidler for behandling av kreft, f.eks. Hodgkins sykdom .

Det første stoffet som er lisensiert for å virke på denne veien er sorafenib - en Raf kinase -hemmer.

Andre Raf -hemmere: SB590885, PLX4720, XL281, RAF265, encorafenib , dabrafenib , vemurafenib .

Noen MEK-hemmere : cobimetinib , CI-1040, PD0325901, Binimetinib ( MEK162 ), selumetinib , Trametinib (GSK1120212) Det har blitt funnet at akupunkt-moxibustion har en rolle i å lindre alkoholindusert mageslimhinneskade i en musemodell, som kan være nært knyttet til dens effekter i oppregulerende aktiviteter av epidermal vekstfaktor/ERK signaltransduksjonsvei.

RAF-ERK-banen er også involvert i patofysiologien til Noonans syndrom , en polymalformativ sykdom, der Simvastatin ble foreslått som en måte å forbedre CNS-kognitive symptomer på lidelsen.

Protein mikromatriseanalyse kan anvendes for å detektere subtile endringer i proteinaktivitet i signaliseringsveier. Utviklingssyndromene forårsaket av germline -mutasjoner i gener som endrer RAS -komponentene i MAP/ERK -signaltransduksjonsveien kalles RASopathies .

Se også

Referanser

Eksterne linker