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层层进击的磷酸化信号—MAPK通路解析(下)

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中华鲟

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发表于 2020.10.28 09:36:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 基迪奥-Jt桃 于 2020.10.28 09:35 编辑

在上期文章中,周老师向大家介绍了MAPK信号通路的简介及在kegg通路中的位置、MAPK通路简要结构介绍、MAPK基因家族以及kegg通路图解析(文章链接:《MAPK通路(ko04010)专题解析(上)》),本期将继续为大家分享的是MAPK通路各个支线解析。

通路各个支线解析

①Ras/Raf/MEK/ERK分支通路

这个分支在kegg通路图的最上面,其中的MAPK酶是ERK1/ERK2 (p42/p44)激酶。这是被研究的最为广泛最经典的MAPK通路,其与肿瘤有千丝万缕的关系,其中任何一个关键蛋白的功能异常,都可能导致肿瘤发生,这个通路的过程在上期文章图5展示过(文章链接:《MAPK通路(ko04010)专题解析(上)》),截取kegg通路中属于这个分支的部分如下图,我们来一步一步拆解这个过程。

图5 MAPK通路代表性途径——ERK途径[1]

图9 kegg的MAKP通路中最经典的部分

(a)Ras与Raf(MAPKKK)的活化

通常活化的起点是生长因子(GF)激活生长因子受体RTK(受体酪氨酸激酶, receptor tyrosine kinase),例如EGF激活EGFR。这个部分我们在PI3K-AKT通路也介绍过(文章链接:《PI3K-AKT通路专题解析(上)》《PI3K-AKT通路专题解析(下)》)。自磷酸化的RTK蛋白提供了生长因子受体结合蛋白GRB2的结合位点,招募SOS蛋白到细胞膜上。SOS促进Ras蛋白释放GDP,结合GTP,从而活化Ras。

Ras结合GTP后直接和丝/苏氨酸激酶Raf结合,使其Raf定位于质膜并被激活。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(也是一个蛋白家族,有6个成员)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。

Ras以及Raf活化本身是Ras signaling pathway(ko04014)核心步骤。如果关心这个过程中的相关调控,可以单独查询这个通路。

(b)MEK(MAPKK)与ERK(MAPK)的活化

活化的Raf激酶会磷酸化MEK的218位和222位的丝氨酸。活化的MEK会磷酸化ERK1/ERK2的183位的苏氨酸和185位的酪氨酸,形成双磷酸化完成活化。

(c)活化的ERK活化下游通路

活化的ERK的靶点包括p90核糖体S6激酶(RSK)和细胞质磷脂酶A2(cPLA2)。ERK也会入核,磷酸化转录因子Elk-1(383位和389位的丝氨酸)。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)。

②JNK/SAPK分支

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。如下图,举例其中一个途径:

这类MAPK通路可以由两种小G蛋白Rac和Cdc42介导。活化的Cdc42结合并活化PAK1/2蛋白激酶。活化的PAK1/2能激活MEKK,MEKK接下来在219位和223位丝氨酸位点磷酸化MKK7。活化的MKK7磷酸化JNK的TPY结构域。JNK再结合原癌基因转录因子c-Jun(AP-1)的N端并于63位和73位丝氨酸位点将其磷酸化,从而活化其转录活性。

这个途径上的相关基因,我们在下图中已经用红框标注出。当然,在kegg图中这个途径还有更多的旁支调控,这里就不一一介绍。

图10 kegg的MAPK通路中的JNK和P38分支

③p38分支
      
p38激酶参与控制细胞对细胞因子和应激反应的信号级联,哺乳动物中有四种p38激酶:p38α (MAPK14)、β (MAPK11)、γ (MAPK12)和δ (MAPK13 )。与JNK途径相似,p38激酶被多种细胞应激激活,包括渗透休克、炎性细胞因子、脂多糖(lps)、紫外线和生长因子。此外,氧化应激和G蛋白偶联受体刺激间接激活p38。

p38通路在转录和翻译水平上是促炎细胞因子生物合成的关键调节因子,这使得该通路的不同组分成为治疗自身免疫和炎性疾病的潜在靶点。

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。

参与p38调控的上下游分子同样非常丰富,下图提供的信息比kegg更加丰富。被MKK3/4/6磷酸化激活后,p38会入核并磷酸化ATF-2,Elk-1,p53等转录因子,激活转录。

p38靶标蛋白还包括丝氨酸/苏氨酸激酶MNK1/2,MK2/3/5(PRAK)。从下图看,p38的下游靶标蛋白涉及的蛋白种类包括转录组因子、DNA结合蛋白、RNA结合蛋白、丝氨酸/苏氨酸激酶、调控蛋白、膜蛋白、内体转运蛋白、结构蛋白和线粒体蛋白等丰度的类型。

图11 p38分支的详细机制[4]

④ERK5分支

第四种也是研究得最少的MAPK分支通路是ERK5(也叫BMK1)。ERK5被生长因子和压力激活。活化的ERK5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, 氧化压力都能激活ERK5通路。

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。ERK5是已知的MEK5唯一的底物。Nur77,MEF-2,Sap1a,Bad和SGK都是已知的ERK5的底物。

图12 ERK5分支在kegg的标注就比较简单,因为的确研究较少

小结

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。在kegg图中可以看到不同分支的交叉点,有些蛋白则虽然在kegg图中没有显示存在于不同分支,但在实际研究中已经有报道存在于不同分支中。比如JNK的激酶JNKK1(即MKK4)被报导也能激活p38,而MKK3只激活p38,不激活JNK。MEKK1激活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通路,而不影响ERKs的活性。在下游转录水平, ATF-2、Elk-1等可以被不同的分支激活。

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参考资料:
[1] Kim, Hong Joo, and Dafna Bar-Sagi. "Modulation of signalling by Sprouty: a developing story." Nature reviews Molecular cell biology 5.6 (2004): 441-450.
[2] https://www.genecards.org
[3] Cargnello, Marie, and Philippe P. Roux. "Activation and function of the MAPKs and their substrates, the MAPK-activated protein kinases." Microbiology and molecular biology reviews 75.1 (2011): 50-83.
[4] Trempolec, Natalia, Natalia Dave-Coll, and Angel R. Nebreda. "SnapShot: p38 MAPK signaling." Cell 152.3 (2013): 656-656.

本文作者:基迪奥-周老师
               

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