Основы биосигнализации: Сигнальный путь митоген-активируемой протеинкиназы ( MA

(MAPK-pathway)


Одним из элементов адаптации

метаболизма клеток является запуск пролиферативных процессов. Быстрый переход к проли-ферации актуален в физиологических процессах: иммунный ответ, регенерация и функционировании стволовых клеток. Пролифера-ция важна также в процессах роста и формирования тканей и орга-нов.

Митогены (соединения, несущие пролиферативный сигнал):
цитокины (интерлейкины, интерфероны, ФНО и др.);
ростовые факторы;
некоторые гормоны (инсулин);
медиаторы воспаления;
некоторые физические факторы.

пролиферативных сигналов. Он действует во всех известных типах клеток.

Путь МАП-киназы начинается от рецепторов, обладающих собственной тирозинкиназной активностью. На дистанции от рецептора до каскада из трёх протеинкиназ, фосфорилирующих и активирующих транскрипционные факторы, работают ряд белков-посредников, важнейшим из которых является малый G-белок (мономер) или белок Ras (Rat sarcoma): Ras/МАП-киназный путь (Ras/MAPK-pathway).

Путь МАП-киназы «выключен» (неактивен) в полностью диффе-ренцированных и неделящихся клетках. При необходимости репарации поврежденной ткани МАП-каскад вновь активируется. Некоторые типы опухолей возникают при нарушении регуляции каскада (при не «выключении» каскада).

Помимо МАП-киназного пути, эффекты митогенов могут быть переданы посредством цАМФ (ПКС), JAK – STAT- сигнального пути и др.

Взаимодействие лиганда (митогена) с рецептором, относя-щемся к классу рецепторов с

собственной тирозин-киназной активностью. Рецепторы образуют гомодимер (гетеродимер), что изменяет конформацию цитозольных доменов и сближает их. В результате открывается собственная тирозин-киназная актив-ность рецептора и происходи аутофосфориирование остатков тирозина цитозольных доменов.
2. Фосфотирозины становятся докинг-центрами, с которыми связываются адапторные белки, посредством содержащихся в них SH2-доменов (Src homology 2). SH2-домены обладают высо-ким сродством к аминокислотному окружению фосфо-тирозинов. Таким белком является белок Grb2 (Growth factor receptor-bound protein 2). Наряду с SH2-доменами, в Grb2 содержатся SH3-доме-ны (Src homology 3). SH3-домены имеют высокое сродство к последовательности аминокислот в других белках, содержащих остатки пролина (левозакрученная полипролиновая спираль II типа).

фосфотирозином
цитозольного домена рецептора. С помощью своего второго до-
мена (SH3-домена),

белок Grb2 связывается со следующим белком
«вниз по течению»: SOS (от Son of Sevenless – название мутации
белка GEF у дрозофил) или GEF (guanine nucleotide exchange factor).
Эта способность делает белок Grb2 поливалентным белком.
SOS/GEF обменивает гуаниновые нуклеотиды в составе белка Ras.
Белок Ras (высокогомологичен a-субъединице гетеротример-
ного G-белка) связан с внутренним слоем плазматической мембра-
ны. В неактивной конформации Ras содержит в нуклеотид-связы-
вающем центре ГДФ (Ras-ГДФ). С помощью белка SOS/GEF ГДФ за-
меняется на ГТФ и белок Ras переходит в активную конформацию:
Ras-ГТФ. Активированный Ras взаимодействует со следующим
белком «вниз по течению»: с серин-треониновой киназой Raf – с
первой из трёх протеинкиназ МАП-киназного каскада. В результа-
те такого взаимодействия киназа Raf активируется.

ГТФазной активности: гидролиз ГТФ до ГДФ + Фн в
нуклеотид-связывающем

центре. Исходно ГТФ-азная активность в Ras невелика. Стимулирует ГТФазную активность специальный белок GAP (GTPase activating protein): повышает GTPазную актив-ность более, чем в 100 раз.

NB: Активированный белок Ras имеет и другие мишени:
фосфатидилинозитол-3-киназу (PI3K);
протеинкиназу С;
другие белки.

(сигнальный путь) назван по имени последней (на схеме № 3)

киназы: митоген активируемой протеин киназы (МАПК). МАРК – серин-треониновая протеинкиназа.
МАРК активируется с участием лежащей «выше по течению» тирозин-треониновой киназы - киназы МАР киназы (МАР2К, на схеме № 2).

2.

1.

3.

с
N-концевым доменом Raf и
активирует киназу
Raf
MAP2K
или
киназа МАР-киназы
MAPK
MEK: Mitogen Extracellular

Signal Regulated
Kinase

ERK: Extracellular Signal
Regulated Kinase

Транскрипционный
фактор

Киназа № 1
серин-треониновая
киназа

Киназа № 2
тирозин-
-треониновая
киназа

Киназа № 3
серин-треониновая
киназа

=

=

Ras.
Стадия 1. Связыване Raf с активным Ras.
1
3
2
1
3
2
2
3
3
Стадия 2. Связывание

и фосфорилирование
МЕК белком Raf

1

Стадия 3. Фосфорилирование и активация
МАПК с участием МЕК

2

1

3

МЕК

МЕК

и последу-ющему фосфорилированию транскрипционных факторов, кото-рые отвечают за активность генов

митоза, т.н. онкогенов (с-fos,
c-mys и др.). Запускается процесс бласттрансформации, т.е. начи-нется серия митотических делений. Стимулируется рост, диффе-ренцировка клеток и изменяется профиль экспрессии генов.
Разные гормоны запускают МАР-киназные каскады в разных типах клеток, которые отличаются набором поверхностных ре-цепторов.
Активированная МАРК таже способна фосфорилировать:
другие внутриклеточные белки (цитоскелет и др.);
другие протеинкиназы, влияя на их активность.

Каскад киназ, в котором каждая из киназ, лежащих «ниже по течению», активируется фосфорилированием с участием киназ, лежащих «выше по течению» – представляет собой ещё один способ усиления сигнала.

активатор ПКС)

цитозольных доменов рецептора клето-
чными фосфатазами;
фосфорилирование цитозольных доменов

по остаткам серина и
теронина (с участием ПКА и ПКС);
другие специфические фосфо(тирозин-серин-треонин) фосфа-
тазы удаляют остаток фосфорной кислоты из внутриклеточных
белков (адаптерных и промежуточных протеинкиназ), снимая
этим эффекты их фосфорилирования (активации).

каскада.

Мутации генов, кодирующих цитоплазматический домен рецепторов с

собственной тирозинкиназной активностью, нару-шает:
тирозин-киназную активность цитозольных доменов рецептора;
формирование на этом домене докинг-центров.
Эти нарушения вызывает аномальный клеточный ответ и приво-дят к бесконтрольному росту мутантных клеток.
Многие онкогены вызывают мутацию генов, кодирующих рецепторы факторов роста.

го пути (ветвь а).
В молекуле STAT также при-сутствуют SH2-домены,

рас- познающие фосфотирозины и связывающиеся с ними.

2). МАРК-каскада (ветвь б).
В разных типах клеток каскад может быть сопря-жен с дополнительными сиг-нальными путями и активи-ровать различные транс-крипционные факторы.

(nuclear factor kappa B = NFkB)
Неактивный NFkB (гетеродимер:

р105+р50) существует в цитоплазме в
комплексе с белком – ингибитором (IkB). Активация рецепторов факторов
роста и/или цитокинов (посредством активации ПКВ или МАРК) фосфори-
лирует киназу IkB (IKK). Активированная IKK
фосфорилирует ингибитор (IkB), который
диссоциирует из комплекса, а
NFkB переходит в активное
состояние.

NFkB передаёт внешний
сигнал в ядро очень
быстро. Это обусловле-
но тем, что неактивный
фактор (в комплексе с
ингибитором) постоянно
присутствует в цитоплаз-
ме. Для активации NFkB не
требуется синтезировать
новые белки, достаточно вызвать диссоциацию комплекса NFkB-ингиби-
тор.

Рецептор инсулина изначально является димером: состоит из 2a- и 2b-субъединиц.

(Рецепторы факторов роста, в отличие от рецептора инсулина, димеризуются только после связывания с лигандом).
Две внеклеточные a-субъединицы рецептора содержат гормон-связывающий домен. В результате связывания инсулина с ними рецептор активируется, что приводит к появлению тирозинкиназ-ной активности в его цитозольных b-субъединицах. Это происхо-дит благодаря запуску перекрестного аутофосфорилирования: одна b-субъединица фосфорилирует вторую b-субъединицу (и наоборот) по трем остаткам тирозина.
В результате аутофосфорилирования обеих b-субъединиц, в них происходят конформационные изменения: участок цепи цитозоль-ного домена изменяет своё положение и открывает активный центр тирозинкиназы.

(IRS-1 – insulin receptor substrate-1). IRS-1 посредством своих фосфотирозинов связывается

с SH2-доменом белка Grb2. Белок Grb2 содержит второй тип домена - SH3-домен с высоким сродством к областям других белков, богатых пролином. С помощью этого домена белок Grb2 связывается с белком SOS/GEF. Комплекс Grb2-SOS/GEF переводит белок Ras в активную конформацию (Ras-ГТФ). Белок Ras активирует МАП-киназный каскад.

Активированная ERK (МАПК) проникает в ядро, где фосфорили-рует и активирует транскрипционный фактор Elk1. Последний далее присоединяет белок SRF – (serum response factor – сыворо-точный фактор ответа) и этот комплекс (Elk1/SRF) активирует гены, необходимые для деления клетки.

РЕГУЛЯЦИЯ ИНСУЛИНОМ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

Схема
регуляции экспрессии генов инсулином

её
помощью образуется мембранный
ФИ-3,4,5-трифосфат (ФИФ3). Эта
молекула становится начальным пунктом

собственного каскада
киназ. Сначала активируется киназа PDK-1 (3-phosphoinositide dependent protein kinase-1), которая далее активирует ПКВ. ПКВ фосфорилирует
GSK3 (glycogen synthase kinase-3),
Чем инактивирует её. В результате гликогенсинтаза остаётся в активном (нефосфорилированном) состоянии.

Инсулин активирует РР1

(посредством активации ПКВ)

ПКВ фосфорилирует по 5 остаткам
тирозина белок AS160. Активированный
AS160 посредством GEF переводит в актив-
ную конформацию белок Rab (из семейства
малых G-белков). Активный Rab стимулиру-
ет перенос ГЛЮТ4 из цитозоля в плазмати-
ческую мембрану.

В ядре ПКВ фосфорилирует инсулин-респонсивный транскрипционный фактор
FOXO1 (forkhead box

protein O1) по остаткам серина/треонина.
В результате этого FOXO1 диссоциирует с инсулин-респонсивных участков
генов, кодирующих ключевые ферменты глюконеогенеза (ФЕП-карбоксикиназа и
глюкозо-6-фосфатаза).
Покинувший ядро фосфорилированный FOXO1 в цитоплазме подвергается
протеолитической деградации.

SH2-домен
Сигнальный
путь 1
Сигнальный
путь 2
Сигнальный
путь 3
Сигнальный
путь N
+
+
+
+
Единичный рецептор,

действуя через разные представители
семейства IRS, способен «включить» несколько разных
сигнальных путей.