Ścieżka MAPK/ERK - MAPK/ERK pathway

Kluczowe elementy ścieżki MAPK/ERK. „P” reprezentuje fosforan , który przekazuje sygnał. Po pierwsze, naskórkowy czynnik wzrostu (EGF) wiąże się z receptorem EGF (EGFR) w błonie komórkowej, rozpoczynając kaskadę sygnałów. Dalej sygnał fosforanowy aktywuje MAPK (znany również jako ERK). Na dole sygnał wchodzi do jądra komórkowego i powoduje transkrypcję DNA, które jest następnie wyrażane jako białko.

Szlak MAPK/ERK (znany również jako szlak Ras-Raf-MEK-ERK ) to łańcuch białek w komórce, który przekazuje sygnał z receptora na powierzchni komórki do DNA w jądrze komórkowym.

Sygnał zaczyna się, gdy cząsteczka sygnalizacyjna wiąże się z receptorem na powierzchni komórki, a kończy, gdy DNA w jądrze wyraża białko i powoduje pewne zmiany w komórce, takie jak podział komórki . Szlak obejmuje wiele białek, w tym MAPK ( kinazy białkowe aktywowane mitogenami , pierwotnie nazywane ERK, kinazy regulowane sygnałem zewnątrzkomórkowym ), które komunikują się poprzez dodanie grup fosforanowych do sąsiedniego białka ( fosforylowanie go), które działa jako „on” lub „ wyłącznik.

Gdy jedno z białek w szlaku zostanie zmutowane, może utknąć w pozycji „włączonej” lub „wyłączonej”, co jest niezbędnym krokiem w rozwoju wielu nowotworów. Składniki szlaku MAPK/ERK odkryto, gdy znaleziono je w komórkach nowotworowych. Leki, które odwracają przełącznik „włącz” lub „wyłącz”, są badane jako leczenie raka.

Tło

Ogólnie rzecz biorąc, pozakomórkowy mitogen wiąże się z receptorem błonowym. Pozwala to Ras ( Small GTPaza ) na zamianę swojego GDP na GTP . Może teraz aktywować MAP3K (np. Raf ), który aktywuje MAP2K , co aktywuje MAPK . MAPK może teraz aktywować czynnik transkrypcyjny, taki jak Myc . Bardziej szczegółowo:

Aktywacja Ras

Kinazy tyrozynowe związane z receptorem, takie jak receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) są aktywowane przez ligandy zewnątrzkomórkowe , takie jak naskórkowy czynnik wzrostu (EGF). Wiązanie EGF z EGFR aktywuje aktywność kinazy tyrozynowej domeny cytoplazmatycznej receptora. EGFR ulega fosforylacji na resztach tyrozyny. Białka dokujące, takie jak GRB2, zawierają domenę SH2, która wiąże się z resztami fosfotyrozyny aktywowanego receptora. GRB2 wiąże się z czynnikiem wymiany nukleotydów guaninowych SOS poprzez dwie domeny SH3 GRB2. Kiedy kompleks GRB2-SOS zadokuje do ufosforylowanego EGFR, SOS zostaje aktywowany. Aktywowany SOS następnie promuje usuwanie GDP z członka podrodziny Ras (w szczególności H-Ras lub K-Ras ). Ras może wtedy związać GTP i stać się aktywnym.

Oprócz EGFR, inne receptory powierzchniowe komórki, które mogą aktywować ten szlak poprzez GRB2, obejmują Trk A/B , receptor czynnika wzrostu fibroblastów (FGFR) i PDGFR .

Kaskada kinaz

Aktywowany Ras aktywuje aktywność kinazy białkowej kinazy RAF . Kinaza RAF fosforyluje i aktywuje MEK (MEK1 i MEK2). MEK fosforyluje i aktywuje kinazę białkową aktywowaną mitogenem (MAPK).

RAF i ERK (znane również jako MAPK) to selektywne kinazy białkowe serynowo/treoninowe . MEK to kinaza serynowo-tyrozynowa/treoninowa.

W sensie technicznym RAF, MEK i MAPK są kinazami aktywowanymi mitogenami , podobnie jak MNK (patrz poniżej). MAPK była pierwotnie nazywana „ kinazami regulowanymi sygnałami pozakomórkowymi ” ( ERK ) i „kinazą białkową związaną z mikrotubulami” (MAPK). Jednym z pierwszych białek, o których wiadomo, że jest fosforylowane przez ERK, było białko związane z mikrotubulami (MAP). Jak omówiono poniżej, później znaleziono wiele dodatkowych celów fosforylacji przez MAPK, a białko przemianowano na „kinazę białkową aktywowaną mitogenem” (MAPK). Seria kinaz od RAF do MEK do MAPK jest przykładem kaskady kinaz białkowych. Takie serie kinaz dają możliwości regulacji sprzężenia zwrotnego i wzmocnienia sygnału.

Regulamin tłumaczenia i transkrypcji

Na rysunku pokazano trzy z wielu białek, które są fosforylowane przez MAPK. Jednym ze skutków aktywacji MAPK jest zmiana tłumaczenie z mRNA na białka. MAPK fosforyluje rybosomalną kinazę białkową S6 40S ( RSK ). To aktywuje RSK, który z kolei fosforyluje rybosomalne białko S6. Jako pierwsze wyizolowano kinazy białkowe aktywowane mitogenami, które fosforylują rybosomalne białko S6.

MAPK reguluje aktywność kilku czynników transkrypcyjnych . MAPK może fosforylować C-myc . MAPK fosforyluje i aktywuje MNK, który z kolei fosforyluje CREB . MAPK reguluje również transkrypcję genu C-Fos . Zmieniając poziomy i aktywność czynników transkrypcyjnych, MAPK prowadzi do zmienionej transkrypcji genów ważnych dla cyklu komórkowego .

W 22q11, 1q42 i 19p13 geny związane ze schizofrenią , schizoafektywnych , dwubiegunowej i migreny przez wpływ na szlak ERK.

Ścieżki kinaz MAP.

Regulacja wejścia i proliferacji cyklu komórkowego

Rola sygnalizacji mitogenu w progresji cyklu komórkowego Szlak ERK odgrywa ważną rolę w integrowaniu zewnętrznych sygnałów z obecności mitogenów, takich jak naskórkowy czynnik wzrostu (EGF), w zdarzenia sygnalizacyjne promujące wzrost i proliferację komórek w wielu typach komórek ssaków. W uproszczonym modelu obecność mitogenów i czynników wzrostu wyzwala aktywację kanonicznych receptorowych kinaz tyrozynowych, takich jak EGFR, prowadząc do ich dimeryzacji, a następnie aktywacji małej GTPazy Ras. To z kolei prowadzi do serii zdarzeń fosforylacji w dół kaskady MAPK (Raf-MEK-ERK), co ostatecznie prowadzi do fosforylacji i aktywacji ERK. Fosforylacja ERK powoduje aktywację jego aktywności kinazy i prowadzi do fosforylacji wielu dalszych celów związanych z regulacją proliferacji komórek. W większości komórek pewna forma trwałej aktywności ERK jest wymagana do aktywacji genów, które indukują wejście w cykl komórkowy i tłumią negatywne regulatory cyklu komórkowego. Dwa takie ważne cele obejmują kompleksy cykliny D z Cdk4 i Cdk6 (Cdk4/6), które są fosforylowane przez ERK. Przejście z fazy G1 do fazy S jest koordynowane przez aktywność cykliny D-Cdk4/6, która wzrasta podczas późnej fazy G1, gdy komórki przygotowują się do wejścia w fazę S w odpowiedzi na mitogeny. Aktywacja Cdk4/6 przyczynia się do hiperfosforylacji i późniejszej destabilizacji białka siatkówczaka (Rb). Hipofosforylowany Rb jest normalnie związany z czynnikiem transkrypcyjnym E2F na początku G1 i hamuje jego aktywność transkrypcyjną, zapobiegając ekspresji genów wejścia do fazy S, w tym cykliny E, cykliny A2 i Emi1. Aktywacja ERK1/2 poniżej indukowanej mitogenem sygnalizacji Ras jest konieczna i wystarczająca do usunięcia tej blokady cyklu komórkowego i umożliwienia komórkom przejścia do fazy S w większości komórek ssaczych.

Schemat wkładu mitogenu zintegrowanego z cyklem komórkowym

Kontrola sprzężenia zwrotnego i generowanie bistabilnego przełącznika G1/S

Punkt restrykcyjny (punkt R) oznacza krytyczne zdarzenie, kiedy komórka ssaka ulega proliferacji i staje się niezależna od stymulacji wzrostu. Ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowego różnicowania i homeostazy tkanek i wydaje się, że jest rozregulowana praktycznie we wszystkich nowotworach. Chociaż punkt R został powiązany z różnymi czynnościami zaangażowanymi w regulację przejścia G1–S w cyklu komórkowym ssaków, mechanizm leżący u jego podstaw pozostaje niejasny. Stosując pomiary jednokomórkowe, Yao i wsp. wykazali, że szlak Rb–E2F działa jako przełącznik bistabilny, który przekształca stopniowane sygnały surowicy w odpowiedzi E2F typu „wszystko lub wcale”.

Sygnały wzrostu i mitogenu są przesyłane w dół szlaku ERK i są włączane do wielu pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego w celu wygenerowania bistabilnego przełącznika na poziomie aktywacji E2F. Dzieje się tak z powodu trzech głównych interakcji podczas późnej fazy G1. Pierwszy jest wynikiem stymulacji mitogenu przez ERK prowadzące do ekspresji czynnika transkrypcyjnego Myc, który jest bezpośrednim aktywatorem E2F. Drugi szlak jest wynikiem aktywacji ERK prowadzącej do akumulacji aktywnych kompleksów Cykliny D i Cdk4/6, które destabilizują Rb poprzez fosforylację i dalej służą do aktywacji E2F i promowania ekspresji jego celów. Wreszcie, wszystkie te interakcje są wzmacniane przez dodatkową pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego przez E2F na samym sobie, ponieważ jego własna ekspresja prowadzi do wytwarzania aktywnego kompleksu Cykliny E i CDK2, co dalej służy zablokowaniu decyzji komórki o wejściu w fazę S. W rezultacie, gdy stężenie w surowicy wzrasta stopniowo, większość komórek ssaków reaguje w sposób podobny do przełącznika przy wejściu w fazę S. Ten stymulowany mitogenem, bistabilny przełącznik E2F wykazuje histerezę, ponieważ komórki są hamowane przed powrotem do G1, nawet po wycofaniu mitogenu po aktywacji E2F.

Dynamiczne przetwarzanie sygnału przez szlak ERK Szlak
EGFR-ERK/MARK (kinazy regulowanej zewnątrzkomórkowo receptora naskórkowego czynnika wzrostu/kinaza białkowa aktywowana mitogenem) stymulowany przez EGF ma kluczowe znaczenie dla proliferacji komórkowej, ale czasowe oddzielenie sygnału od odpowiedzi przesłania sygnał - zależność odpowiedzi we wcześniejszych badaniach. W 2013 r. Albeck et al. dostarczyli kluczowych dowodów eksperymentalnych, aby wypełnić tę lukę w wiedzy. Zmierzyli siłę i dynamikę sygnału za pomocą stymulacji EGF w stanie stacjonarnym, w której można łatwo powiązać sygnalizację i wyjście. Następnie zmapowali relację sygnał-odpowiedź w pełnym zakresie dynamicznym ścieżki. Wykorzystując wysokozawartą immunofluorescencję (HCIF) wykrywanie fosforylowanych bioczujników ERK (pERK) i żywych komórek FRET, monitorowali dalsze wyjście szlaku ERK zarówno w żywych, jak i utrwalonych komórkach. Aby dalej powiązać ilościową charakterystykę sygnalizacji ERK z szybkością proliferacji, ustanowili szereg warunków stanu stacjonarnego, wykorzystując zakres stężeń EGF, stosując EGF o różnych stężeniach.

Eksperymenty z obrazowaniem pojedynczych komórek wykazały, że ERK jest aktywowany w impulsach stochastycznych w obecności EGF. Ponadto wykazano, że ścieżka koduje siłę sygnałów wejściowych poprzez modulowane częstotliwościowo impulsy jego aktywności. Wykorzystując bioczujniki żywych komórek FRET, komórki indukowane różnymi stężeniami nielegalnej aktywności EGF o różnej częstotliwości, przy czym wyższe poziomy EGF skutkowały częstszymi wybuchami aktywności ERK. Aby dowiedzieć się, w jaki sposób sporadyczne impulsy aktywności ERK przy niskich stężeniach EGF mogą wpływać na wejście do fazy S, użyli komórek MCF-10A współwyrażających EKAR-EV i RFP-gemininę i zidentyfikowali impulsy aktywności ERK z punktacją, a następnie wyrównali ten profil aktywności ERK z czasem indukcji GFP-gemininy. Odkryli, że dłuższe okresy aktywności ERK stymulują wejście do fazy S, co sugeruje zwiększona długość impulsu. Aby zrozumieć dynamikę szlaku EGFR-ERK, a konkretnie sposób modulacji częstotliwości i amplitudy, zastosowali inhibitor EGFR gefitynib lub wysoce selektywny inhibitor kinazy MAPK/ERK (MEK) PD0325901 (PD). Dwa inhibitory dają w rzeczywistości nieco inny wynik: gefitynib w średnim stężeniu indukuje zachowanie pulsacyjne, a także przesunięcie bimodalne, czego nie obserwuje się w przypadku PD. Następnie łączą razem EGF i PD i wyciągają wniosek, że częstotliwość aktywności ERK jest modulowana przez zmienność ilościową, podczas gdy amplituda jest modulowana przez zmianę aktywności MEK. W końcu zwrócili się do Fra-1, jednego z efektorów niższego rzędu ścieżki ERK, ponieważ technicznie trudne jest bezpośrednie oszacowanie aktywności ERK. Aby zrozumieć, w jaki sposób zintegrowany sygnał wyjściowy szlaku ERK (który powinien być niezależny od częstotliwości lub amplitudy) wpływa na tempo proliferacji, wykorzystali kombinację szerokiego zakresu stężeń EGF i PD i odkryli, że w rzeczywistości istnieje pojedynczy krzywoliniowy kształt odwróconego „L”. związek, który sugeruje, że przy niskich poziomach sygnału wyjściowego szlaku ERK małe zmiany natężenia sygnału odpowiadają dużym zmianom szybkości proliferacji, podczas gdy duże zmiany natężenia sygnału w pobliżu górnego końca zakresu dynamicznego mają niewielki wpływ na proliferację. Fluktuacja sygnalizacji ERK podkreśla potencjalne problemy z obecnymi podejściami terapeutycznymi, zapewniając nową perspektywę w zakresie myślenia o ukierunkowaniu leków na szlak ERK w raku.

Stymulowane przez EGF, modulowane częstotliwościowo impulsy aktywności ERK

Integracja sygnałów mitogenu i stresu w proliferacji

Niedawne eksperymenty obrazowania żywych komórek w komórkach MCF10A i MCF7 wykazały, że połączenie sygnalizacji mitogenu poprzez ERK i sygnały stresu poprzez aktywację p53 w komórkach macierzystych przyczynia się do prawdopodobieństwa, że ​​nowo utworzone komórki potomne natychmiast wejdą w cykl komórkowy lub wejdą uśpienie (G0) poprzedzające mitozę. Zamiast komórek potomnych rozpoczynających się bez kluczowych białek sygnałowych po podziale, mRNA cykliny D1 indukowane mitogenem/ERK i białko p53 indukowane uszkodzeniem DNA, oba czynniki długowieczne w komórkach, mogą być stabilnie dziedziczone z komórek macierzystych po podziale komórki. Poziomy tych regulatorów różnią się w zależności od komórki po mitozie, a stechiometria między nimi silnie wpływa na zaangażowanie w cykl komórkowy poprzez aktywację Cdk2. Wykazano, że zakłócenia chemiczne z użyciem inhibitorów sygnalizacji ERK lub induktorów sygnalizacji p53 w komórkach macierzystych sugerują komórki potomne o wysokim poziomie białka p53 i niskim poziomie transkryptów cykliny D1, które wchodzą głównie do G0, podczas gdy komórki z wysokim poziomem cykliny D1 i niskim poziomem p53 są najprawdopodobniej aby ponownie wejść w cykl komórkowy. Wyniki te ilustrują formę zakodowanej pamięci molekularnej poprzez historię sygnalizacji mitogenu przez ERK i odpowiedź na stres przez p53.

Znaczenie kliniczne

Niekontrolowany wzrost jest niezbędnym krokiem do rozwoju wszystkich nowotworów. W wielu nowotworach (np. czerniakach ) defekt szlaku MAP/ERK prowadzi do tego niekontrolowanego wzrostu. Wiele związków może hamować etapy szlaku MAP/ERK, a zatem są potencjalnymi lekami do leczenia raka, np . choroby Hodgkina .

Pierwszym lekiem dopuszczonym do działania na tym szlaku jest sorafenib — inhibitor kinazy Raf .

Inne inhibitory Raf: SB590885, PLX4720, XL281, RAF265, enkorafenib , dabrafenib , wemurafenib .

Niektóre inhibitory MEK : cobimetinib , CI-1040, PD0325901, Binimetinib ( MEK162 ) selumetinib , Trametinib (GSK1120212) Stwierdzono, że acupoint-Moxiterapia odgrywa rolę w łagodzeniu wywoływanych przez alkohol uszkodzenie błony śluzowej żołądka w modelu myszy, którym może być ściśle związany z jego wpływem na regulację aktywności szlaku transdukcji sygnału naskórkowego czynnika wzrostu/ERK.

Szlak RAF-ERK jest również zaangażowany w patofizjologię zespołu Noonana , choroby polimalformacyjnej, w której jako sposób na poprawę objawów poznawczych OUN zaproponowano Simwastatynę.

Analiza mikromacierzy białkowych może być wykorzystana do wykrywania subtelnych zmian w aktywności białek w szlakach sygnałowych. Zespoły rozwojowe spowodowane mutacjami germinalnymi w genach, które zmieniają elementy RAS szlaku transdukcji sygnału MAP/ERK, nazywane są RASopatiami .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki