Введение
P38 митоген-активированные протеинкиназы
Митоген-активированная протеинкиназа (MAPK или MAP-киназа) – это тип протеинкиназы, специфичный к аминокислотам серину и треонину (то есть, серин/треонин-специфичная протеинкиназа). MAPK участвуют в направлении клеточных ответов на разнообразные стимулы, такие как митогены, осмотический стресс, тепловой шок и провоспалительные цитокины. Они регулируют клеточные функции, включая пролиферацию, экспрессию генов, дифференцировку, митоз, выживание клеток и апоптоз. Протеинкиназы MAPK встречаются только у эукариот, но они достаточно разнообразны и обнаружены у всех животных, грибов и растений, а также у ряда одноклеточных эукариот. MAPK относятся к группе киназ CMGC (CDK/MAPK/GSK3/CLK). Ближайшими родственниками MAPK являются циклин-зависимые киназы (CDK).
Открытие
Первой обнаруженной митогеноактивированной протеинкиназой был ERK1 (MAPK3) у млекопитающих. Поскольку ERK1 и его близкий родственник ERK2 (MAPK1) участвуют в передаче сигналов факторов роста, семейство получило название "активируемые митогенами". С открытием других представителей семейства, даже у далеких организмов (например, растений), стало все более очевидным, что это название – неточность, так как большинство протеинкиназ MAPK на самом деле участвуют в ответе на потенциально вредные абиотические стрессовые факторы (гиперосмос, окислительный стресс, повреждение ДНК, низкая осмолярность, инфекция и т.д.). Поскольку растения не могут избежать стресса, наземные растения обладают наибольшим количеством генов MAPK на организм из всех известных. Таким образом, роль киназ ERK1/2 млекопитающих в качестве регуляторов клеточной пролиферации не является универсальной, а представляет собой высокоспециализированную функцию.
Каскады сигнализации
Как упоминалось выше, MAPK обычно формируют многоуровневые сигнальные каскады, получая входные сигналы на нескольких уровнях выше фактической MAP-киназы. В отличие от относительно простого механизма активации MAPKs и MAP2Ks, зависящего от фосфорилирования, MAP3Ks обладают поразительно сложной регуляцией. Многие хорошо известные MAP3Ks, такие как c Raf, MEKK4 или MLK3, требуют нескольких этапов для своей активации. Это, как правило, аллостерически контролируемые ферменты, надежно заблокированные в неактивном состоянии множеством механизмов. Первый этап на пути к их активации заключается в снятии их аутоингибирования посредством связывания с небольшим лигандом (например, Ras для c Raf, GADD45 для MEKK4 или Cdc42 для MLK3). Это обычно (но не всегда) происходит на клеточной мембране, где связано большинство их активаторов (следует отметить, что малые G-белки конститутивно ассоциированы с мембраной благодаря пренилированию). За этим следует гомо- и гетеродимеризация их теперь доступных киназных доменов. Недавно определенные структуры комплексов показали, что димеры формируются в ориентации, оставляющей свободными обе области связывания субстрата. Важно отметить, что это событие димеризации также заставляет домены MAP3-киназы принимать частично активную конформацию. Полная активность достигается только после того, как эти димеры трансфосфорилируют друг друга в петлях активации. Этот последний этап также может быть достигнут или облегчен вспомогательными протеинкиназами (MAP4-киназами, членами семейства Ste20). После полной активации MAP3-киназа может фосфорилировать свои субстратные MAP2-киназы, которые, в свою очередь, фосфорилируют свои MAP-киназные субстраты.
У животных
ERK1/2 путь млекопитающих, вероятно, является наиболее хорошо охарактеризованной системой MAPK. Наиболее важными восходящими активаторами этого пути являются белки Raf (A Raf, B Raf или c Raf), ключевые медиаторы ответа на факторы роста (EGF, FGF, PDGF и т. д.); однако другие MAP3K, такие как c Mos и Tpl2/Cot, также могут играть ту же роль. Все эти ферменты фосфорилируют и тем самым активируют киназы MKK1 и/или MKK2, которые являются высокоспецифичными активаторами для ERK1 и ERK2. Последние фосфорилируют ряд субстратов, важных для пролиферации клеток, прогрессирования клеточного цикла, деления и дифференцировки клеток (киназы RSK, транскрипционный фактор Elk 1 и т. д.). В отличие от относительно хорошо изолированного пути ERK1/2, у млекопитающих p38 и JNK-киназы разделяют большинство своих активаторов на уровне MAP3K (MEKK1, MEKK4, ASK1, TAK1, MLK3, TAOK1 и т. д.). Кроме того, некоторые ферменты MAP2K могут активировать как p38, так и JNK (MKK4), в то время как другие более специфичны для JNK (MKK7) или p38 (MKK3 и MKK6). Из-за этих взаимосвязей существует очень мало, если вообще есть, стимулы, которые могут вызвать активацию JNK без одновременной активации p38 или наоборот. Оба сигнальных пути JNK и p38 реагируют на стрессовые стимулы, такие как цитокины, ультрафиолетовое облучение, тепловой шок и осмотический шок, и участвуют в адаптации к стрессу, апоптозе или дифференцировке клеток. JNK имеют ряд специфических субстратов, которые только они могут фосфорилировать (c Jun, NFAT4 и т. д.), в то время как p38 также имеют некоторые уникальные мишени (например, MAPKAP-киназы MK2 и MK3), что обеспечивает необходимость в обоих для реагирования на стрессовые стимулы. ERK5 является частью относительно хорошо отделенного пути у млекопитающих. Его единственный специфический восходящий активатор MKK5 активируется в ответ на MAP3-киназы MEKK2 и MEKK3. Специфичность этих взаимодействий обеспечивается уникальной архитектурой MKK5 и MEKK2/3, обе содержат N-концевые домены PB1, что позволяет осуществлять прямую гетеродимеризацию друг с другом. Домен PB1 MKK5 также способствует взаимодействию ERK5-MKK5: он обеспечивает специальный интерфейс (в дополнение к мотиву D, обнаруженному в MKK5), через который MKK5 может специфически распознавать свой субстрат ERK5. Хотя детали на молекулярном уровне плохо известны, MEKK2 и MEKK3 реагируют на определенные сигналы развития для направления образования эндотелия и сердечного морфогенеза. Хотя они также вовлечены в развитие мозга, эмбриональная летальность при инактивации ERK5 из-за сердечных аномалий подчеркивает его центральную роль в сосудообразовании млекопитающих. Примечательно, что условное выключение ERK5 у взрослых животных также является летальным из-за широко распространенного нарушения эндотелиальных барьеров. Считается, что мутации в восходящих компонентах пути ERK5 (комплекс CCM) лежат в основе церебральных кавернозных мальформаций у человека.
В грибах
Пути MAPK грибов также хорошо изучены. У дрожжей Fus3 MAPK отвечает за остановку клеточного цикла и спаривание в ответ на стимуляцию феромонами. Феромон альфа-фактор воспринимается семитрансмембранным рецептором. Набор и активация компонентов пути Fus3 строго зависят от активации гетеротримерного G-белка. Путь MAPK спаривания состоит из трех уровней (Ste11 Ste7 Fus3), но MAP2 и MAP3 киназы используются совместно с другим путем – Kss1, или путем нитевидного роста. Хотя Fus3 и Kss1 являются близкородственными киназами типа ERK, клетки дрожжей все же могут активировать их раздельно, с помощью каркасного белка Ste5, который избирательно рекрутируется G-белками пути спаривания. Суть в том, что Ste5 может связываться и "разблокировать" Fus3 для Ste7 в качестве субстрата в третичном комплексе, в то время как для Kss1 он этого не делает, оставляя путь нитевидного роста активированным только при отсутствии рекрутирования Ste5. Грибы также имеют путь, напоминающий JNK/p38 сигнализацию у млекопитающих. Это путь Hog1: он активируется высокой осмолярностью (у *Saccharomyces cerevisiae*) или рядом других абиотических стрессов (у *Schizosaccharomyces pombe*). MAP2-киназа этого пути называется Pbs2 (гомологична MKK3/4/6/7 у млекопитающих), а MAP3-киназы, участвующие в активации, – Ssk2 и SSk22. Система у *S. cerevisiae* активируется сложным осмосенсорным модулем, состоящим из белков Sho1 и Sln1, но пока неясно, как другие стимулы могут вызывать активацию Hog1. Дрожжи также демонстрируют ряд других путей MAPK, не имеющих близких гомологов у животных, таких как путь поддержания целостности клеточной стенки (Mpk1/Slt2) или путь споруляции (Smk1).
В растениях
Несмотря на большое количество генов MAPK, пути MAPK высших растений изучались меньше, чем у животных или грибов. Хотя их сигнальные системы представляются весьма сложными, киназы MPK3, MPK4 и MPK6 Arabidopsis thaliana являются ключевыми посредниками реакций на осмотический шок, окислительный стресс, воздействие холода и участвуют в противопатогенных реакциях. Модель иммунитета, опосредованного MAPK, предложенная Асаи и др. в 2002 году, описывает передачу сигнала распознавания эффектора по следующей цепочке: FLS2 → MEKK1 → MKK4 или MKK5 → MPK3 и MPK6 → WRKY22 или WRKY29.
Эволюционные отношения
Члены семейства MAPK обнаружены во всех изученных на сегодняшний день эукариотических организмах. В частности, как классические, так и атипичные MAP-киназы можно проследить до корня радиации основных эукариотических групп. Наземные растения содержат четыре группы классических MAPK (MAPK A, MAPK B, MAPK C и MAPK D), участвующие в ответе на множество абиотических стрессов. Однако ни одна из этих групп не может быть напрямую сопоставлена с кластерами классических MAPK, обнаруженных у опистоконтов (грибов и животных). У последних основные подгруппы классических MAPK формируют ветвь, подобную ERK/Fus3 (которая далее подразделяется у метазоанов на подгруппы ERK1/2 и ERK5), и киназы, подобные p38/Hog1 (которые также разделились на подгруппы p38 и JNK у многоклеточных животных). Кроме того, как у грибов, так и у животных есть несколько MAPK, происхождение которых менее ясно, либо из-за высокой дивергенции (например, NLK), либо из-за возможного раннего ответвления от всего семейства MAPK (ERK3, ERK4, ERK7). У позвоночных, вследствие двойного дублирования генома после разделения цефалохордат и позвоночных, в каждой группе присутствует несколько паралогов. Таким образом, ERK1 и ERK2 соответствуют киназе rolled у дрозофилы, JNK1, JNK2 и JNK3 являются ортологами гена basket у дрозофилы. Хотя в группе p38 альфа и бета являются четкими паралогичными парами, а также гамма и дельта у позвоночных, время исходного разделения менее определенно, учитывая, что многие метазоаны уже обладают несколькими гомологами p38 (у дрозофилы есть три киназы типа p38: Mpk2 (p38a), p38b и p38c). Единственный белок ERK5 выполняет очень специализированную роль (необходимую для развития сосудов у позвоночных) везде, где он присутствует. Эта линия была утрачена у протостомов вместе с компонентами восходящего пути (MEKK2/3, MKK5), хотя они явно присутствуют у снододерм, губок и даже у некоторых одноклеточных организмов (например, хоанофлагелляты Monosiga brevicollis), тесно связанных с происхождением многоклеточных животных. Разделение между классическими и некоторыми атипичными MAP-киназами произошло довольно рано. Это подтверждается не только высокой дивергенцией между существующими генами, но и недавними открытиями атипичных MAPK у примитивных базальных эукариот. Секвенирование генома Giardia lamblia выявило наличие двух генов MAPK, один из которых похож на уже известные MAPK млекопитающих (ERK, p38 и т. д.), а другой демонстрирует сходство с белком ERK7 млекопитающих. Аналогичная ситуация наблюдается у многоклеточной амебы Dictyostelium discoideum, где белок ddERK1 представляется классическим MAPK, в то время как ddERK2 больше похож на наши белки ERK7 и ERK3/4. Атипичные MAPK также можно обнаружить у высших растений, хотя они изучены недостаточно. Как и у млекопитающих, большинство аспектов атипичных MAPK остаются нехарактеризованными из-за недостатка исследовательского внимания в этой области.
Признание субстрата и партнера
Как и типично для группы киназ CMGC, каталитический сайт MAP-киназ характеризуется очень свободной консенсусной последовательностью для субстратов. Подобно всем своим родственникам, они требуют лишь наличия целевых серина или треонина, за которыми следует небольшая аминокислота, предпочтительно пролин ("пролин-направленные киназы"). Однако, поскольку участки SP/TP чрезвычайно распространены во всех белках, для обеспечения точности передачи сигнала эволюционировали дополнительные механизмы распознавания субстратов. Многие известные субстраты MAPK содержат D-мотивы, которые не только связываются с киназами, но и обеспечивают их специфическое распознавание. D-мотивы не ограничиваются субстратами: MAP2-киназы также содержат такие мотивы на своих N-концах, которые абсолютно необходимы для взаимодействия с MAP2K и активации MAPK. Аналогично, и MAP-киназные фосфатазы двойной специфичности, и MAP-специфические тирозинфосфатазы связываются с MAP-киназами через один и тот же сайт докинга. D-мотивы можно обнаружить даже в некоторых регуляторах и скелетных белках MAPK-пути (например, в белках JIP млекопитающих). Существуют и другие, менее изученные участки связывания субстратов. Один из таких участков (DEF-сайт) формируется активационной петлей (в активной конформации) и специфической вставкой MAP-киназы, расположенной ниже нее. Этот участок может вмещать пептиды с консенсусной последовательностью FxFP, обычно расположенные ниже сайта фосфорилирования. Важно отметить, что последний участок встречается только в белках, которым необходимо избирательно распознавать активные MAP-киназы, поэтому он почти исключительно обнаруживается в субстратах. Различные мотивы могут действовать совместно, как, например, в семействе факторов транскрипции Elk, которые содержат как D-мотив, так и FxFP-мотив. Наличие FxFP-мотива в скелетном белке KSR1 также делает его субстратом ERK1/2, обеспечивая механизм отрицательной обратной связи для установления оптимальной силы активации ERK1/2.
Белок эшафотного строения
С момента открытия Ste5 у дрожжей, ученые приступили к поиску схожих неферментных каркасных элементов сигнальных путей у млекопитающих. Действительно, существует ряд белков, участвующих в ERK-сигнализации, способных связываться с несколькими компонентами пути: MP1 связывается как с MKK1/2, так и с ERK1/2, KSR1 и KSR2 могут связываться с B Raf или c Raf, MKK1/2 и ERK1/2. Аналогичные белки были также обнаружены для JNK-пути: семейства белков JIP1/JIP2 и JIP3/JIP4 показали способность связывать MLKs, MKK7 и любую JNK-киназу. К сожалению, в отличие от дрожжевого Ste5, механизмы, посредством которых они регулируют активацию MAPK, изучены значительно хуже. В то время как Ste5 фактически формирует тройственный комплекс с Ste7 и Fus3 для стимуляции фосфорилирования последнего, известные млекопитающие каркасные белки, по-видимому, действуют посредством совершенно иных механизмов. Например, KSR1 и KSR2 на самом деле являются MAP3-киназами и связаны с белками Raf. Хотя сами KSR проявляют незначительную активность MAP3-киназы, белки KSR все же могут участвовать в активации Raf-киназ, формируя с ними боковые гетеродимеры, обеспечивая аллостерическую пару для активации каждого фермента. JIP, с другой стороны, по-видимому, являются транспортными белками, ответственными за обогащение компонентов MAPK-сигнализации в определенных компартментах поляризованных клеток. В этом контексте JNK-зависимая фосфорилизация JIP1 (и, возможно, JIP2) служит сигналом для JIP высвободить связанные с ними неактивные компоненты вышестоящего пути, тем самым инициируя мощную локальную положительную обратную связь. Этот сложный механизм связывает зависимый от кинезина транспорт с локальной активацией JNK не только у млекопитающих, но и у плодовой мушки *Drosophila melanogaster*.
В качестве терапевтических целей
Поскольку сигнальный путь ERK участвует как в физиологической, так и в патологической пролиферации клеток, закономерно, что ингибиторы ERK1/2 представляли бы собой желательный класс противоопухолевых средств. Действительно, многие из протоонкогенных "драйверных" мутаций связаны с сигнализацией ERK1/2, таких как конститутивно активные (мутантные) рецепторные тирозинкиназы, белки Ras или Raf. Хотя ингибиторы MKK1/2 или ERK1/2 не были разработаны для клинического применения, киназные ингибиторы, которые также ингибируют киназы Raf (например, сорафениб), являются эффективными противоопухолевыми средствами против различных типов рака. Ингибитор MEK кобиметиниб изучался в доклинических моделях рака легких в сочетании с ингибированием пути PI3K, где два препарата приводили к синергетическому эффекту. Киназы JNK вовлечены в развитие инсулинорезистентности у людей с ожирением, а также в экзитотоксичность нейротрансмиттеров после ишемических состояний. Ингибирование JNK1 улучшает инсулинорезистентность в определенных животных моделях. Мыши, у которых генетически отсутствует функциональный ген JNK3 – основная изоформа в мозге – демонстрируют повышенную ишемическую толерантность и восстановление после инсульта. Хотя разрабатываются ингибиторы JNK на основе малых молекул, ни один из них пока не показал эффективности в клинических испытаниях на людях. Пептидный ингибитор JNK (AM 111, ретро-инверсный пептид с D-мотивом из JIP1, ранее известный как XG 102) также находится в стадии клинической разработки для лечения сенсорно-нейронной потери слуха. p38 когда-то считался идеальной мишенью для противовоспалительных препаратов. Однако неудача более дюжины химически различных соединений в клинической фазе позволяет предположить, что киназы p38 могут быть неэффективными терапевтическими мишенями при аутоиммунных заболеваниях. Многие из этих соединений в различной степени оказались гепатотоксичными, и в течение нескольких недель развивалась толерантность к противовоспалительному эффекту. Альтернативный подход заключается в оценке возможности воздействия на вышестоящие MAPK, такие как ASK1. Исследования на животных моделях воспалительного артрита дали многообещающие результаты, и недавно было обнаружено, что ASK1 уникален среди MAPK тем, что индуцируется воспалительными цитокинами, такими как TNF α.