MAPK信号通路取得重要进展，这个热门信号通路必须学！

2022-05-23 08:05

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MAPK知多少

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MAPK是mitogen-activated protein kinases的简称，是一组进化保守的丝/苏氨酸蛋白激酶，它们会被一系列细胞外的刺激信号激活并介导信号从细胞膜向细胞核传导包括肽生长因子，细胞因子，激素和各种细胞应激物，如氧化应激和内质网应激。

这些信号通路调节各种细胞活动，包括增殖，分化，存活和死亡。因此它们能调控着许多生理活动，如炎症、凋亡、癌化、肿瘤细胞的侵袭和转移等。

MAPK信号通路简述

在哺乳动物细胞中发现的有四种类型的MAPK级联通路，它们会对不同的上游信号产生反应。MAPK包含一组三级磷酸化依赖的激酶，MAP kinase kinase (MEK或者MKK)，MAP kinase kinase kinase (MEKK或者MKKK). 在这个类似磷酸化接力赛的系统中，MKKKs磷酸化并激活MEKs，MEKs再磷酸化并活化MAPKs。MEKs具有双特异性激酶活性，能磷酸化底物的丝/苏氨酸位点和酪氨酸位点。迄今被发现的MAPKs至少有11种，MEKs只有7种及至少20种MKKKs。多样的MKKKs保证多种刺激信号的特异性，包括细胞因子，生长因子，药物和细胞压力信号。

研究得最为广泛的是ERK1/ERK2 (p42/p44)激酶。通常活化的顺序是生长因子，如EGF，激活酪氨酸激酶受体，提供接头蛋白Grb2的结合位点，招募Sos蛋白到细胞膜上。Sos通过消耗GTP活化Ras。Ras-GTP直接和一个丝/苏氨酸激酶Raf结合，形成一个瞬时的信号。Raf家族由A-Raf，B-Raf和Raf-1 (C-Raf)组成。其中Raf-1研究得最多，它和14-3-3蛋白形成稳定的低或高活性结构。Raf通常和Hsp90,14-3-3蛋白形成复合物。活化的Raf激酶会磷酸化MEK的218位和222位的丝氨酸。

通常的观点认为MEK1会结合ERK，磷酸化它的苏氨酸或酪氨酸位点，然后解离。然后单磷酸化的ERK会重新再结合活化的MEK1，进行双磷酸化，完成活化。活化的MEK会磷酸化ERK1/ERK2的183位的苏氨酸和185位的酪氨酸。活化的ERK的靶点是p90核糖体S6激酶(RSK)和细胞质磷脂酶A2。ERK也会入核磷酸化转录因子Elk-1(383位和389位的丝氨酸)。

最近克隆出来的ERK3，是一个核蛋白激酶，在催化结构域和ERK1/ERK2有大约50%的同源性。但是它并不磷酸化任何典型的ERK底物。通常只有一种高度活化的ERK1或ERK2存在于细胞内，相比非磷酸化的形式其活性高出1000倍。在细胞中，随时都有三种活性较低的ERKs：一种没有磷酸化的，两种单磷酸化的（酪氨酸位点或苏氨酸位点）。

JNK/SAPK (c-Jun kinase/stress activated protein kinase)级联反应能被UV辐射，热激或者炎症因子激活。这类MAPK通路由两种小G蛋白，Rac和Cdc42介导。活化的Cdc42结合并活化PAK65蛋白激酶。活化的PAK65能激活MEKK，MEKK接下来在219位和223位丝氨酸位点磷酸化SEK/JNKK。活化的SEK/JNKK磷酸化JNK/SAPK（于TPY基序），JNK/SAPK再结合c-Jun的N端并于63位和73位丝氨酸位点将其磷酸化。

P38激酶，是MAPK家族的另一位成员，在酵母中和MAPK有相似性。哺乳动物细胞中有四种不同的p38异构体，分别为p38 SAPK2a，p38β SAPK2b，p38γ SAPK3和p38δ SAPK4。P38α是生理相关性最大，研究得最为清楚的异构体，它的分布非常广泛。P38δ主要位于睾丸，胰腺，小肠和CD4+T细胞。P38γ主要在肌肉中表达。P38 MAPKs活化应答于炎症因子，内毒素和渗透压，和ERKs有50%同源性，它们的上游活化步骤还不是很清楚。被MKK3磷酸化激活后，p38会入核并磷酸化ATF-2，其它已知的p38靶标是MAPKAPK2，MNK1和MNK2。P38同样也磷酸化一些MAPK下游的蛋白激酶，如RSK和MSK。

第四种也是研究得最少的MAPK通路是big MAP kinase 1 (BMK1)，也称作ERK5。BMK1被生长因子和压力激活。活化的BMK1不仅和正常的细胞存活，增殖，分化有关，同时也和病理形成有关，如癌症，心肌肥大和动脉硬化。EGF, BDNF, NGF, VEGF, FGF-2, 佛波脂，氧化压力都能激活BMK1。ERK5信号级联中的信号分子包括MEKK2/3，MEK5和ERK5。虽然和MEK1，MEK2有相似性，但MEK5不会被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。

虽然不同的MAPK级联信号有着高度的特异性和功能区分，这些通路也有一些交叉。比如JNKK，一种JNK/SAPK的激活物，被报导也能激活p38，而MKK3只激活p38，不激活JNK/SAPK。MEKK1激活SEK/JNKK1，对p38也有一点激活作用。上游信号中，Sos只激活ERK不影响JNK或p38通路。另一个重要发现是能引起有丝分裂的物质处理细胞，ERKs会明显活化，而JNK/SAPK不会受影响。相反，细胞处于压力状态只会激活JNK/SAPK通路，而不影响ERKs的活性。在转录水平，三种MAPK都可以磷酸化ATF-2，而c-Jun和Elk-1只会被ERKs和JNK/SAPK磷酸化。

用最精炼的方式介绍MAPK 信号转导方式：胞外信号 → 膜受体 → RAS → MAP3K → MAP2K → MAPK 然后再进一步活化其他下游靶基因。上文提到，MAPK主要由四个亚家族，分别是：

· 细胞外信号调节激酶(extracellular-signalregulated protein kinase, ERK)

· p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)

· c-Jun氨基末端激酶(JNK)

· 细胞外信号调节激酶5(ERK5)

这几种MAPK亚家族参与的信号转导通路司职不同的功能，如ERK调控细胞生长和分化，JNK和p38 MAPK信号通路在炎症和细胞凋亡等应激反应中发挥重要作用。

目前，研究MAPK信号传导与肿瘤之间关系取得了不错的进展，在已知的四类MAPK信号通路中，主要介绍其中Ras/Raf/MEK/ERK途径与肿瘤千丝万缕的关系。

熟悉信号通路的童鞋们肯定知道Ras、Raf、MEK和ERK蛋白就是该通路中的关键因子，其中任何一个蛋白的功能异常都会导致严重的肿瘤疾病。

一张图记住Ras/Raf/MEK/ERK信号转导途径：

RAS蛋白与RAS抑制剂

RAS蛋白就是我们平时常说的小G蛋白，当它结合GTP后具有磷酸化活性，行使下游蛋白的激活功能。RAS是多种细胞信号转导途径中的关键组分，它的活性状态对细胞的生长和分化具有重要影响。目前，在人类的癌症发生过程中，主要有KRAS、HRAS和NRAS这三类RAS蛋白。突变导致的RAS蛋白永久性激活在所有人类癌症中占据非常高的比例，故针对RAS的抑制剂是治疗癌症的有效药物。

RAS蛋白参与多种细胞信号转导途径：

抑癌因子FBW7与胰腺导管腺癌

原癌基因和抑癌基因时下非常热门，如YY1、FBW7、CD177和PPEF2等。接下来，我们以FBW7基因在胰腺癌中的研究成果，对“信号通路——癌基因”的研究思路有大致的了解。

FBW7基因编码的蛋白是SCF型泛素连接酶中介导底物识别的部分，常参与底物的泛素化，引导底物被蛋白酶体降解。FBW7可介导包括原癌蛋白在内的许多重要蛋白的泛素化，如cyclin E、Notch、mTOR、c-Jun和c-Myc等众多在细胞周期、细胞增殖及分化过程中发挥重要作用的蛋白质。因此FBW7的失活会引起多种恶性肿瘤的发生，如胃癌、结肠癌、乳腺癌、肝癌等。

上海肿瘤医院的虞先濬教授曾在Cell Research上发表FBW7与胰腺导管腺癌（PDAC）相关的研究性论文。其科研团队发现磷酸激酶ERK能够对FBW7进行磷酸化促进其降解，这一过程影响了FBW7发挥其肿瘤抑制因子功能，诱导胰腺癌发生。

胰腺导管腺癌（PDAC）是胰腺癌中常见的一种可怕疾病，其5年生存率不到5%，是所有癌症中致死率最高的一种。由于缺少有效的早期检测方法以及该种癌症初次诊断后的高转移率，只有15%~20%的病人能够进行切除手术。因此，提高临床治疗的实践性迫在眉睫，同时需要对PDAC发生发展的分子机制有更深入的了解。

根据早期的研究我们知道FBW7与Ras/Raf/MEK/ERK信号通路存在密切的关系，但是并不清楚FBW7的表达水平是如何受到调控的。在本研究中，科学家首先在胰腺癌临床样本中发现FBW7低表达与ERK激活显著相关，ERK激活主要是由于胰腺癌中KRAS突变导致的。

通过进一步研究发现ERK能够直接磷酸化FBW7的205位苏氨酸，促进其发生自身泛素化降解。研究人员随后证实FBW7的T205A突变体能抵抗ERK的磷酸化，并导致其中一个重要的原癌基因c-Myc表达水平下降，结果发现胰腺癌细胞增殖及肿瘤发生过程均受到显著抑制。

总的来说这些结果揭示了癌基因KRAS突变是如何通过抑制肿瘤抑制因子FBW7促进胰腺癌进展，对于胰腺癌临床实践治疗提供了良好的分子基础。

MAPK信号通路与FBW7相互调节示意图：

该文是如何确定FBW7的磷酸化位点及ERK对FBW7的磷酸化作用？作者根据最新的研究，确认Thr205-Pro206是FBW7上唯一的潜在磷酸化位点，然后通过两方面来确定Thr205是否为确切的激活位点：

1）FBW7蛋白上的Thr205与特异性抗体结合后，显著降低FBW7的磷酸化水平；

2）构建FBW7的T205A突变体，发现其难以被磷酸化。

后续实验中，作者过表达持续磷酸化的ERK蛋白，并检测到FBW7的磷酸化水平升高而FBW7-T205A的磷酸化水平降低。

目前的研究发现，MAPK信号传导途径出现异常已被证明与许多人类疾病相关，包括阿尔茨海默病（AD），帕金森病（PD），肌萎缩侧索硬化症（ALS）和各种类型的癌症。如持续激活JNK或p38信号通路已被证明在AD，PD和ALS中发挥介导神经元细胞凋亡的作用; 而ERK信号通路在包括癌细胞增殖，迁移和侵袭的肿瘤发生的几个步骤中起关键作用。

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