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解螺旋公眾號·陪伴你科研的第2936天 本文獨家首發(fā)于君蓮書院，現(xiàn)在掃碼入群即送信號通路資源包，群內(nèi)每天更新相關(guān)科研內(nèi)容。 MAPK是mitogen-activated protein kinases的簡稱，是一組進化保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，它們會被一系列細(xì)胞外的刺激信號激活并介導(dǎo)信號從細(xì)胞膜向細(xì)胞核傳導(dǎo)包括肽生長因子，細(xì)胞因子，激素和各種細(xì)胞應(yīng)激物，如氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。這些信號通路調(diào)節(jié)各種細(xì)胞活動，包括增殖，分化，存活和死亡。因此它們能調(diào)控著許多生理活動，如炎癥、凋亡、癌化、腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移等。在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的有四種類型的MAPK級聯(lián)通路，它們會對不同的上游信號產(chǎn)生反應(yīng)。MAPK包含一組三級磷酸化依賴的激酶，MAP kinase kinase (MEK或者MKK)，MAP kinase kinase kinase (MEKK或者MKKK). 在這個類似磷酸化接力賽的系統(tǒng)中，MKKKs磷酸化并激活MEKs，MEKs再磷酸化并活化MAPKs。MEKs具有雙特異性激酶活性，能磷酸化底物的絲/蘇氨酸位點和酪氨酸位點。迄今被發(fā)現(xiàn)的MAPKs至少有11種，MEKs只有7種及至少20種MKKKs。多樣的MKKKs保證多種刺激信號的特異性，包括細(xì)胞因子，生長因子，藥物和細(xì)胞壓力信號。研究得最為廣泛的是ERK1/ERK2 (p42/p44)激酶。通常活化的順序是生長因子，如EGF，激活酪氨酸激酶受體，提供接頭蛋白Grb2的結(jié)合位點，招募Sos蛋白到細(xì)胞膜上。Sos通過消耗GTP活化Ras。Ras-GTP直接和一個絲/蘇氨酸激酶Raf結(jié)合，形成一個瞬時的信號。Raf家族由A-Raf，B-Raf和Raf-1 (C-Raf)組成。其中Raf-1研究得最多，它和14-3-3蛋白形成穩(wěn)定的低或高活性結(jié)構(gòu)。Raf通常和Hsp90,14-3-3蛋白形成復(fù)合物?；罨腞af激酶會磷酸化MEK的218位和222位的絲氨酸。通常的觀點認(rèn)為MEK1會結(jié)合ERK，磷酸化它的蘇氨酸或酪氨酸位點，然后解離。然后單磷酸化的ERK會重新再結(jié)合活化的MEK1，進行雙磷酸化，完成活化?；罨腗EK會磷酸化ERK1/ERK2的183位的蘇氨酸和185位的酪氨酸?；罨腅RK的靶點是p90核糖體S6激酶(RSK)和細(xì)胞質(zhì)磷脂酶A2。ERK也會入核磷酸化轉(zhuǎn)錄因子Elk-1(383位和389位的絲氨酸)。最近克隆出來的ERK3，是一個核蛋白激酶，在催化結(jié)構(gòu)域和ERK1/ERK2有大約50%的同源性。但是它并不磷酸化任何典型的ERK底物。通常只有一種高度活化的ERK1或ERK2存在于細(xì)胞內(nèi)，相比非磷酸化的形式其活性高出1000倍。在細(xì)胞中，隨時都有三種活性較低的ERKs：一種沒有磷酸化的，兩種單磷酸化的（酪氨酸位點或蘇氨酸位點）。JNK/SAPK (c-Jun kinase/stress activated protein kinase)級聯(lián)反應(yīng)能被UV輻射，熱激或者炎癥因子激活。這類MAPK通路由兩種小G蛋白，Rac和Cdc42介導(dǎo)?；罨腃dc42結(jié)合并活化PAK65蛋白激酶。活化的PAK65能激活MEKK，MEKK接下來在219位和223位絲氨酸位點磷酸化SEK/JNKK?；罨腟EK/JNKK磷酸化JNK/SAPK（于TPY基序），JNK/SAPK再結(jié)合c-Jun的N端并于63位和73位絲氨酸位點將其磷酸化。P38激酶，是MAPK家族的另一位成員，在酵母中和MAPK有相似性。哺乳動物細(xì)胞中有四種不同的p38異構(gòu)體，分別為p38 SAPK2a，p38β SAPK2b，p38γ SAPK3和p38δ SAPK4。P38α是生理相關(guān)性最大，研究得最為清楚的異構(gòu)體，它的分布非常廣泛。P38δ主要位于睪丸，胰腺，小腸和CD4+T細(xì)胞。P38γ主要在肌肉中表達(dá)。P38 MAPKs活化應(yīng)答于炎癥因子，內(nèi)毒素和滲透壓，和ERKs有50%同源性，它們的上游活化步驟還不是很清楚。被MKK3磷酸化激活后，p38會入核并磷酸化ATF-2，其它已知的p38靶標(biāo)是MAPKAPK2，MNK1和MNK2。P38同樣也磷酸化一些MAPK下游的蛋白激酶，如RSK和MSK。第四種也是研究得最少的MAPK通路是big MAP kinase 1 (BMK1)，也稱作ERK5。BMK1被生長因子和壓力激活。活化的BMK1不僅和正常的細(xì)胞存活，增殖，分化有關(guān)，同時也和病理形成有關(guān)，如癌癥，心肌肥大和動脈硬化。EGF, BDNF, NGF, VEGF, FGF-2, 佛波脂，氧化壓力都能激活BMK1。ERK5信號級聯(lián)中的信號分子包括MEKK2/3，MEK5和ERK5。雖然和MEK1，MEK2有相似性，但MEK5不會被Raf-1磷酸化或活化。BMK1是已知的MEK5唯一的底物。MEF-2，Sap1a，Bad和SGK都是已知的BMK1的底物。雖然不同的MAPK級聯(lián)信號有著高度的特異性和功能區(qū)分，這些通路也有一些交叉。比如JNKK，一種JNK/SAPK的激活物，被報導(dǎo)也能激活p38，而MKK3只激活p38，不激活JNK/SAPK。MEKK1激活SEK/JNKK1，對p38也有一點激活作用。上游信號中，Sos只激活ERK不影響JNK或p38通路。另一個重要發(fā)現(xiàn)是能引起有絲分裂的物質(zhì)處理細(xì)胞，ERKs會明顯活化，而JNK/SAPK不會受影響。相反，細(xì)胞處于壓力狀態(tài)只會激活JNK/SAPK通路，而不影響ERKs的活性。在轉(zhuǎn)錄水平，三種MAPK都可以磷酸化ATF-2，而c-Jun和Elk-1只會被ERKs和JNK/SAPK磷酸化。用最精煉的方式介紹MAPK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式：胞外信號 → 膜受體 → RAS → MAP3K → MAP2K → MAPK 然后再進一步活化其他下游靶基因。上文提到，MAPK主要由四個亞家族，分別是：· 細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)· 細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶5(ERK5)這幾種MAPK亞家族參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路司職不同的功能，如ERK調(diào)控細(xì)胞生長和分化，JNK和p38 MAPK信號通路在炎癥和細(xì)胞凋亡等應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。目前，研究MAPK信號傳導(dǎo)與腫瘤之間關(guān)系取得了不錯的進展，在已知的四類MAPK信號通路中，主要介紹其中Ras/Raf/MEK/ERK途徑與腫瘤千絲萬縷的關(guān)系。熟悉信號通路的童鞋們肯定知道Ras、Raf、MEK和ERK蛋白就是該通路中的關(guān)鍵因子，其中任何一個蛋白的功能異常都會導(dǎo)致嚴(yán)重的腫瘤疾病。一張圖記住Ras/Raf/MEK/ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：RAS蛋白就是我們平時常說的小G蛋白，當(dāng)它結(jié)合GTP后具有磷酸化活性，行使下游蛋白的激活功能。RAS是多種細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵組分，它的活性狀態(tài)對細(xì)胞的生長和分化具有重要影響。目前，在人類的癌癥發(fā)生過程中，主要有KRAS、HRAS和NRAS這三類RAS蛋白。突變導(dǎo)致的RAS蛋白永久性激活在所有人類癌癥中占據(jù)非常高的比例，故針對RAS的抑制劑是治療癌癥的有效藥物。RAS蛋白參與多種細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：原癌基因和抑癌基因時下非常熱門，如YY1、FBW7、CD177和PPEF2等。接下來，我們以FBW7基因在胰腺癌中的研究成果，對“信號通路——癌基因”的研究思路有大致的了解。FBW7基因編碼的蛋白是SCF型泛素連接酶中介導(dǎo)底物識別的部分，常參與底物的泛素化，引導(dǎo)底物被蛋白酶體降解。FBW7可介導(dǎo)包括原癌蛋白在內(nèi)的許多重要蛋白的泛素化，如cyclin E、Notch、mTOR、c-Jun和c-Myc等眾多在細(xì)胞周期、細(xì)胞增殖及分化過程中發(fā)揮重要作用的蛋白質(zhì)。因此FBW7的失活會引起多種惡性腫瘤的發(fā)生，如胃癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌等。上海腫瘤醫(yī)院的虞先濬教授曾在Cell Research上發(fā)表FBW7與胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）相關(guān)的研究性論文。其科研團隊發(fā)現(xiàn)磷酸激酶ERK能夠?qū)BW7進行磷酸化促進其降解，這一過程影響了FBW7發(fā)揮其腫瘤抑制因子功能，誘導(dǎo)胰腺癌發(fā)生。胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）是胰腺癌中常見的一種可怕疾病，其5年生存率不到5%，是所有癌癥中致死率最高的一種。由于缺少有效的早期檢測方法以及該種癌癥初次診斷后的高轉(zhuǎn)移率，只有15%~20%的病人能夠進行切除手術(shù)。因此，提高臨床治療的實踐性迫在眉睫，同時需要對PDAC發(fā)生發(fā)展的分子機制有更深入的了解。根據(jù)早期的研究我們知道FBW7與Ras/Raf/MEK/ERK信號通路存在密切的關(guān)系，但是并不清楚FBW7的表達(dá)水平是如何受到調(diào)控的。在本研究中，科學(xué)家首先在胰腺癌臨床樣本中發(fā)現(xiàn)FBW7低表達(dá)與ERK激活顯著相關(guān)，ERK激活主要是由于胰腺癌中KRAS突變導(dǎo)致的。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)ERK能夠直接磷酸化FBW7的205位蘇氨酸，促進其發(fā)生自身泛素化降解。研究人員隨后證實FBW7的T205A突變體能抵抗ERK的磷酸化，并導(dǎo)致其中一個重要的原癌基因c-Myc表達(dá)水平下降，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胰腺癌細(xì)胞增殖及腫瘤發(fā)生過程均受到顯著抑制。總的來說這些結(jié)果揭示了癌基因KRAS突變是如何通過抑制腫瘤抑制因子FBW7促進胰腺癌進展，對于胰腺癌臨床實踐治療提供了良好的分子基礎(chǔ)。MAPK信號通路與FBW7相互調(diào)節(jié)示意圖：該文是如何確定FBW7的磷酸化位點及ERK對FBW7的磷酸化作用？作者根據(jù)最新的研究，確認(rèn)Thr205-Pro206是FBW7上唯一的潛在磷酸化位點，然后通過兩方面來確定Thr205是否為確切的激活位點：1）FBW7蛋白上的Thr205與特異性抗體結(jié)合后，顯著降低FBW7的磷酸化水平；2）構(gòu)建FBW7的T205A突變體，發(fā)現(xiàn)其難以被磷酸化。后續(xù)實驗中，作者過表達(dá)持續(xù)磷酸化的ERK蛋白，并檢測到FBW7的磷酸化水平升高而FBW7-T205A的磷酸化水平降低。目前的研究發(fā)現(xiàn)，MAPK信號傳導(dǎo)途徑出現(xiàn)異常已被證明與許多人類疾病相關(guān)，包括阿爾茨海默?。ˋD），帕金森?。≒D），肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）和各種類型的癌癥。如持續(xù)激活JNK或p38信號通路已被證明在AD，PD和ALS中發(fā)揮介導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的作用; 而ERK信號通路在包括癌細(xì)胞增殖，遷移和侵襲的腫瘤發(fā)生的幾個步驟中起關(guān)鍵作用。
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