ERK1

MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）通路是细胞内一种重要的信号传导途径，广泛参与调控细胞生长、分化、死亡、应激反应等多种生物学过程。MAPK通路对于细胞应对外界环境变化具有核心作用，涉及到多种疾病的发生发展，包括癌症、炎症性疾病等。 一、MAPK通路的组成 MAPK通路主要由三类蛋白激酶组成，它们按照特定的顺序激活： 1.MAPKKK（MAPK激酶激酶）：最上游的激酶，响应信号分子的刺激。 2.MAPKK（MAPK激酶）：由MAPKKK激活，进一步放大信号。 3.MAPK：最终的执行者，被MAPKK激活后，转移到细胞核内，通过磷酸化特定的基因调控蛋白，影响基因表达。 图：MAPK通路的基本组成（来自Targeting the Raf-MEK-ERK mitogen-activated protein kinase cascade for the treatment of cancer.） 二、MAPK通路的主要分支 MAPK通路可以分为几个主要分支，每个分支由不同的MAPK蛋白构成，主要包括：ERK通路，JNK通路和p38 MAPK通路。 1. ERK通路（Extracellular signal-Regulated Kinases） ERK通路，也称为经典的MAPK通路，主要响应生长因子和一些其他刺激。它通常与细胞增殖和分化过程相关联。 主要组成： ●上游激酶：包括Ras小GTPase，它激活RAF激酶（如BRAF）。 ●中间级激酶：RAF激活MEK1和MEK2（MAPK/ERK激酶）。 ●下游激酶：MEK激酶进一步激活ERK1和ERK2。 生物学功能： ●细胞增殖：ERK通路的激活促进细胞周期蛋白的表达，推动细胞周期进程。 ●细胞分化：在某些细胞类型中，ERK激活是细胞分化必需的。 ●生存信号：ERK可以激活抗凋亡蛋白，如Bcl-2，帮助细胞逃避程序性细胞死亡。 MAPK/Erk 信号级联放大通过生长和分化中涉及的各种不同受体进行激活，包括受体酪氨酸激酶 (RTKs)、整合素以及离子通道。由不同的刺激物激活的级联反应的特定组分差异较大，但通路的结构通常包含一组对接蛋白（Shc、GRB2、Crk 等），它们将受体连接到一个鸟苷酸交换因子上（SOS、C3G 等），信号则转导至小分子 GTP 结合蛋白 (Ras，Rap1)，后者再激活级联中的核心单位，包括一个 MAPKKK (Raf)、一个 MAPKK (MEK1/2) 和 MAPK (Erk)。激活的 Erk 二聚物可在胞质中调控靶蛋白，也可转运入胞核，在核内磷酸化多种调控基因表达的转录因子。 图：生长和分化中的 MAPK/Erk（来自Cell signaling） 2. JNK通路（c-Jun N-terminal Kinases） JNK通路，也称为应激激活蛋白激酶通路，主要响应应激信号，如紫外线照射、热休克和炎症因子。 主要组成： ●上游激酶：包括MKK4和MKK7。 ●下游激酶：它们激活JNK1、JNK2和JNK3。 生物学功能： ●细胞应激反应：JNK通路在细胞对环境应激做出反应中发挥关键作用。 ●调节细胞死亡：JNK的活化通常与细胞凋亡相关，尤其是在病理条件下。 ●炎症反应：JNK能够调节多种炎症细胞因子的表达。 应激活化蛋白激酶 (SAPK)/Jun 氨基末端激酶 (JNK) 是 MAPK 家族的成员，可由各种不同环境应激、炎症细胞因子、生长因子以及 GPCR 激动剂激活。应激反应信号经 Rho 家族（Rac、Rho、cdc42）的小分子 GTP 酶传递到这个级联。和其他 MAPK 一样，膜近端激酶是一个 MAPKKK（通常为 MEKK1–4），或是混合性谱系激酶（MLK）中一员，能磷酸化并激活 MKK4 (SEK) 或 MKK7（即 SAPK/JNK 激酶）。此外， MKK4/7 能由生发中心激酶 (GCK) 家族成员以独立于 GTP 酶的方式激活。SAPK/JNK 转运入胞核后可调节多种转录因子的活性。 图：SAPK/JNK信号级联放大（来自Cell signaling） 3. p38 MAPK通路 p38 MAPK通路同样响应应激信号，包括细胞因子和环境应激，常与细胞生存和炎症反应相关。 主要组成： ●上游激酶：包括MKK3、MKK4和MKK6。 ●下游激酶：p38 MAPK有四个不同的同源体：p38α、p38β、p38γ和p38δ。 生物学功能： ●炎症反应：p38 MAPK是许多炎症介质表达的调节者，对免疫细胞的活化起重要作用。 ●细胞周期调控：p38在某些情况下可以抑制细胞周期的进程，从而影响细胞增殖。 ●细胞分化：特别是在骨骼肌细胞和神经细胞的分化中，p38 MAPK的激活对某些分化途径至关重要。 p38 MAPK（α、β、γ 和 δ）是 MAPK 家族的成员，各种环境应激和炎症细胞因子均可将其激活。对于其他 MAPK 级联，膜近端组分是一个 MAPKKK，其为典型的 MEKK 或混合性谱系激酶 (MLK)。MAPKKK 磷酸化并激活 MKK3/6，后者即是 p38 MAPK 激酶。MKK3/6 也可在凋亡因素的刺激下直接由 ASK1 激活。p38 MAPK 参与调节 HSP27、MAPKAPK-2 (MK2)、MAPKAPK-3 (MK3) 和其他几种转录因子，包括 ATF-2、Stat1、Max/Myc 复合体、MEF-2 和 Elk-1，而 CREB 通过激活 MSK1 间接调控。 图：p38 MAPK信号转导相互作用通路（来自Cell signaling） 三、MAPK通路的激活机制 MAPK通路通常是通过细胞表面的受体如受体酪氨酸激酶（RTKs）或G蛋白偶联受体（GPCRs）接收信号，触发一系列下游事件： 1.受体激活：受到外界信号分子（如生长因子）的结合后，受体自身活化或聚合，激活与其相连的适配蛋白。 2.Ras蛋白的激活：在ERK通路中，适配蛋白进一步激活小G蛋白Ras。 3.MAPKKK的激活：Ras激活RAF家族蛋白（MAPKKK的一种），后者激活MEK（MAPKK）。 4.MAPK的激活：MEK进一步激活ERK，ERK磷酸化核内的靶蛋白，如转录因子，从而改变基因表达。 四、MAPK通路的生理与病理意义 MAPK通路在维持正常细胞功能和发展中起着关键作用，但当这些通路异常激活或抑制时，可能导致多种疾病的发生： ●癌症 MAPK通路的持续激活常见于多种肿瘤，促进肿瘤细胞的增殖和存活。 MAPK信号通路与细胞增殖和分化密切相关。在许多恶性肿瘤中发现MAPK信号的持续激活。细胞增殖在很大程度上有助于肿瘤发生。肿瘤转移和侵袭是致命原因。在哺乳动物MAPK通路中，ERK通路是研究最充分的，在大约三分之一的人类癌症中失调。 ERK1/2通路在肿瘤细胞的增殖、分化、转移和侵袭中起重要作用。 温等人发现乙型肝炎病毒x蛋白通过p38/MAPK通路使p53基因失活，从而诱导原发性肝癌（PLC）。Kim MS等人证明，p38 MAPK是Ras诱导的乳腺癌细胞侵袭和转移的关键信号分子。许多研究表明，p38 MAPK通路在细胞外刺激产生的MMP（基质金属蛋白酶）中发挥重要的调节功能。MMP是一种与肿瘤侵袭和迁移密切相关的蛋白水解酶。此外，p38 MAPK通路促进维持肿瘤细胞生长所必需的肿瘤血管生成。 癌症经常暴露于各种压力条件下，例如缺氧和炎症。许多MAPK通路都参与应激信号传导。因此，一些激酶在癌症中被应激激活，以响应炎症、DNA 损伤和细胞凋亡。缺氧状态在实体瘤中广泛存在。缺氧信号刺激MKP-1的激活。MKP-1 进一步激活 SAPK/JNK，从而激活 c-Jun。活性 c-Jun 促进多个下游基因转录，这对癌细胞的增殖和存活很重要。 MAPK信号转导的畸变会影响大多数致癌过程，对癌症的发展和进展至关重要。大多数癌症相关病变，如受体酪氨酸激酶的过表达、受体酪氨酸激酶的激活突变、激活配体的持续自分泌或旁分泌产生、Ras 突变和 B-Raf 突变导致 ERK 信号转导的组成型激活。据报道，c-Jun 的 JNK 活性和磷酸化在 Ras 诱导的肿瘤发生中起关键作用。 ●炎症性疾病 在炎症性疾病中，MAPK通路通过影响细胞因子、生长因子和应激反应等因素的表达和活性，起到了至关重要的调控作用。 MAPK通路参与调控包括肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素（如IL-1, IL-6）等多种炎症性细胞因子的产生。这些细胞因子是炎症反应中的关键介质，能够激活更多的免疫细胞和促进炎症反应的发展。MAPK通路通过调节各种趋化因子和黏附分子的表达，影响免疫细胞（如巨噬细胞、T细胞）的活化、迁移和入侵到炎症部位。在炎症和其他应激条件下，JNK和p38 MAPK的激活促进细胞应对损伤和恢复平衡。 由于MAPK通路在炎症反应中的核心角色，研究者开发了多种针对该路径的抑制剂，以治疗如类风湿性关节炎、银屑病等炎症性疾病。例如，p38 MAPK抑制剂已被证明可以减轻炎症反应，通过减少炎症性细胞因子的产生。 ●神经退行性疾病 在神经退行性疾病的研究中，MAPK通路显示出其在神经保护和神经损伤中的双重作用，这些疾病包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病（HD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）等。 AD中，异常的tau蛋白磷酸化与MAPK通路的过度活化有关。特别是JNK和p38 MAPK在tau磷酸化和神经纤维缠结的形成中起着重要作用。PD中，JNK和p38 MAPK的活化与多巴胺神经元的死亡相关。MAPK通路参与了氧化应激和炎症反应的调控，这些都是PD的关键病理过程。在HD中，JNK的激活与疾病相关的神经毒性密切相关。JNK抑制剂显示出在预防神经退行方面的潜力。 五、MAPK通路的治疗应用 由于MAPK通路在多种疾病中的核心作用，该通路的组分成为了药物开发的重要靶点。目前已有多种针对MAPK通路的抑制剂被开发用于治疗特定类型的癌症（如BRAF抑制剂在黑色素瘤中的应用）和其他疾病。此外，针对JNK和p38 MAPK的抑制剂也在被研究中，以期治疗炎症和神经退行性疾病。 六、总结 MAPK通路是一条复杂的信号传导途径，涉及到多种生理和病理过程。对其深入研究不仅有助于我们理解细胞如何响应外界信号并调控各种细胞功能，还可以为疾病的预防和治疗提供新的策略。随着研究的深入，未来可能会发现更多的关于这一信号通路的调控机制和治疗潜力。 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！ 长按关注本公众号  粉丝群/投稿/授权/广告等 请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓

*仅供医学专业人士阅读参考作为最强的促癌基因，KRAS激活突变自1982年发现以来，已经过去了40多年。然而，直到三年前，全球第一款针对KRAS突变的抑制剂才获批上市。在此之前，KRAS一直被认为是“不可成药”靶点。遗憾的是，虽然药物已经出现，但是治疗效果却不尽如人意。在接受治疗的患者中，对药物有反应的患者不足50%；即使是那些有反应的患者，大多也会在半年之内发生耐药且癌症复发。药物的疗效不够好，说明了一个问题：我们对KRAS突变驱动癌症发生发展的机制，仍没有认识清楚。事实确实如此，KRAS下游信号通路网络庞大的令人咋舌。今天，由美国北卡罗来纳大学教堂山分校Channing J. Der、Jeffrey A. Klomp和Clint A. Stalnecker等人领衔的研究团队，在顶级期刊《科学》上背靠背发表两篇研究论文，解开了KRAS控制的庞大促癌信号网络。他们深入研究胰腺导管腺癌（PDAC）之后发现，与以往的认知不同，KRAS突变对下游转录组的调控是通过激活ERK丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联实现的[1]；而ERK调控的蛋白也远超原来的认知，超过2000个，是过往发现的3倍[2]。简单来说，KRAS突变通过ERK支配着一个庞大的促癌网络。据了解，这也是迄今为止，围绕KRAS和ERK的最全面的分子图谱。▲ 两篇论文的通讯作者Channing J. Der（图源：UNC Lineberger）为了搞清楚KRAS驱动癌症发生发展的机制，科学家采用不同的研究手段做了很多探索，不过之前的研究发现的受调控基因不多，而且很少重叠。这让Channing J. Der团队认为，之前的研究可能不能全面反应KRAS的真实实力。于是他们采用新的思路研究KRAS的调控网络。先用KRAS抑制剂处理KRAS突变的PDAC细胞系，然后基于RNA测序数据了解这期间的转录变化。基于这一方法，他们发现的KRAS调控基因特征在PDAC细胞系和肿瘤，以及肺癌和肠癌中都出现了富集。这说明，他们发现的KRAS调控网络可能具有普遍的适用性。▲ 第一篇论文首页截图基于上述数据，他们还有一个出人意料的发现，虽然已经发现了很多KRAS的效应子，但是他们却发现，仅仅RAF-MEK-ERK效应信号就足以支持KRAS突变驱动的PDAC生长，而不需要PI3K-AKT-mTORC1通路。从转录组数据来看，KRAS调控的转录组与ERK调控的转录组重合率接近100%。显然，它俩穿的就是一条裤子。值得注意的是，他们发现的KRAS-ERK基因特征，与KRAS突变癌症患者对KRAS/ERK抑制剂治疗的临床反应有关联。这或许能指导临床治疗，或帮助患者找到耐药的原因。▲ 第一个研究的主要流程和发现既然第一个研究扒出来KRAS和ERK穿一条裤子，那第二个研究就顺理成章地是探索KRAS的“下手”ERK究竟帮KRAS掌控着多大一个摊子。实际上，ERK这条通路在肿瘤中被研究的也算是非常多了，毕竟RAF-MEK-ERK也是一条著名的促癌信号通路。不过，ERK究竟是如何帮助KRAS突变驱动癌症发生发展的，目前仍知之甚少。Channing J. Der团队打算从蛋白磷酸化的角度，一探究竟。▲ 第二篇论文首页截图于是他们首先开发了ERK1或ERK2组成型激活的KRAS突变PDAC细胞系。通过比较这两个细胞系，他们发现它俩确实发挥着冗余的作用。每个突变都足以支持KRAS突变PDAC细胞的生长，而且它们刺激的转录信号几乎相同。接下来是最关键的部分，他们用ERK抑制剂处理上述细胞系，分析蛋白组的磷酸化变化，结果在2123个蛋白质上发现了4666个依赖于ERK的磷酸化位点。值得注意的是，其中66%的蛋白和79%的磷酸化位点以前被认为与ERK无关。简单来说，二者分别增加了200%和300%。这大大扩展了ERK磷酸化事件影响的广度，说明ERK调控的促癌信号网络远复杂于之前的认知。▲ KRAS调控的庞大促癌网络总的来说，Channing J. Der、Jeffrey A. Klomp和Clint A. Stalnecker等人发表的这两篇研究论文，勾画了迄今为止最全面的KRAS-ERK促癌分子网络，让我们对KRAS的促癌机制有了全面的认知。更重要的是，这项研究得到的巨量数据也必将成为后续药物研发的宝库。期待后续研究能找到针对KRAS突变的更好药物，拯救KRAS突变癌症患者于水火。参考文献：[1].Klomp JA, Klomp JE, Stalnecker CA, et al. Defining the KRAS- and ERK-dependent transcriptome in KRAS-mutant cancers. Science. 2024;384(6700):eadk0775. doi:10.1126/science.adk0775[2].Klomp JE, Diehl JN, Klomp JA, et al. Determining the ERK-regulated phosphoproteome driving KRAS-mutant cancer. Science. 2024;384(6700):eadk0850. doi:10.1126/science.adk0850本文作者丨BioTalker

SARS-CoV-2感染破坏上皮屏障并引发气道炎症。冠状病毒的核心毒力结构成分包膜(E)蛋白可能在这一过程中发挥作用。病原体可能通过破坏囊性纤维化跨膜传导调节剂(CFTR)来干扰Cl-的经上皮转运，CFTR调节核因子κB (NF-κB)信号。然而，SARS-CoV-2 E蛋白对气道上皮屏障功能、Cl−转运和强烈炎症反应的病理影响仍有待阐明。2024年3月25日，广州医科大学钟南山团队在Signal Transduction and Targeted Therapy（IF=39）在线发表题为”SARS-CoV-2 envelope protein impairs airway epithelial barrier function and exacerbates airway inflammation via increased intracellular Cl− concentration“的研究论文，该研究证明了E蛋白下调紧密连接蛋白的表达，导致气道上皮屏障的破坏。E蛋白通过上调气道上皮细胞磷酸二酯酶4D (PDE4D)表达，激活Toll样受体(TLR) 2/4和下游c-Jun N末端激酶(JNK)信号，导致细胞内Cl−浓度([Cl−]i)升高。这种升高的[Cl−]i通过促进血清/糖皮质激素调节激酶1 (SGK1)的磷酸化而导致气道炎症加剧。此外，阻断SGK1或PDE4可减轻E蛋白诱导的强烈炎症反应。总的来说，这些发现为SARS-CoV-2 E蛋白在SARS-CoV-2感染期间气道上皮损伤和持续气道炎症中的致病作用提供了新的见解。SARS-CoV-2是导致COVID-19大流行的病原体，对全球公共卫生构成了重大挑战。SARS-CoV-2可能破坏肺泡上皮屏障，引发气道炎症加剧，导致呼吸困难，严重时进展为急性呼吸衰竭。然而，上皮屏障功能破坏和炎症增强的确切分子机制尚不完全清楚。了解SARS-CoV-2的致病机制有助于确定临床干预的新靶点。SARS-CoV-2是一种包膜病毒，具有正义单链RNA基因组。该病毒可破坏上皮细胞的完整性，加剧呼吸道上皮细胞的炎症，这是抵御病毒感染的第一道防线。SARS-CoV-2编码四种结构蛋白——刺突蛋白(S)、包膜蛋白(E)、膜蛋白(M)和核衣壳蛋白(N)。S蛋白介导病毒与宿主受体血管紧张素转换酶2 (ACE2)的结合和病毒与细胞膜的融合。M蛋白在病毒组装中起着至关重要的作用，而N蛋白对病毒基因组的包装和存活至关重要。值得注意的是，E蛋白是一种核心结构毒力因子，在维持病毒生命周期(如病毒组装)中起着至关重要的作用。一些研究探索了SARS-CoV-2 S、M和N蛋白的致病作用。然而，SARS-CoV-2 E蛋白在上皮紧密连接和粘膜炎症中的作用和机制尚不清楚。气道屏障由紧密连接、纤毛粘液清除和免疫细胞组成。紧密连接是由claudin家族跨膜蛋白组成的超分子实体，通过含有支架蛋白的细胞质PDZ结构域与肌动蛋白细胞骨架相连。紧密连接通过维持粘膜单层的完整性和细胞极性，建立物理屏障，调节分子的细胞旁通透性，调节先天免疫。然而，在呼吸道病毒感染期间，由于紧密连接蛋白的表达失调，屏障功能可能受损，导致入侵的病原体进入上皮下间隙。先前的研究表明，SARS-CoV-2的高病毒载量可破坏气道上皮紧密连接，部分涉及与Lin-7-1相关蛋白(PALS1)的相互作用。此外，SARS-CoV-2 E蛋白还可能与紧密连接蛋白zona occluden-1 (ZO-1)相互作用，导致上皮紧密连接损伤。这些观察结果表明，SARS-CoV-2 E蛋白在触发上皮屏障功能障碍中起关键作用。纤毛粘膜清除在维持气道微环境的稳态，确保有效清除入侵病原体方面起着至关重要的作用。纤毛黏液清除的有效性部分取决于水和离子运输的动力学。氯离子(Cl−)是人体内的主要阴离子，细胞内的Cl−浓度([Cl−]i)受到多种Cl−通道和转运体的严格调控。最近的证据表明，细胞内Cl-可能调节信号，细胞内Cl-稳态的破坏可能与多种细胞功能的改变有关，如炎症和免疫紊乱。文章模式图（图源自Signal Transduction and Targeted Therapy ）因此，细胞内Cl−的积累可能在病原体(如病毒)感染后持续气道炎症的放大中发挥重要作用。囊性纤维化跨膜传导调节剂(CFTR)是一种3'，5' -环单磷酸盐(cAMP)激活的Cl-通道，表达于全身上皮细胞的顶端膜。在上皮细胞中，各种病原体的感染可导致CFTR表达降低或功能障碍，导致阴离子分泌受损，细胞内Cl−失衡。有趣的是，CFTR和TMEM16介导的Cl-外排参与了SARS-CoV-2的进入和复制，这表明细胞内Cl-信号在SARS-CoV-2感染过程中发挥了作用。Toll样受体(TLRs)是一种模式识别受体(PRRs)，通过识别病原体相关分子模式(PAMPs)在感染过程中启动炎症反应和先天防御反应。研究证实TLR2能够识别SARS-CoV-2的S蛋白和E蛋白，在COVID-19的发生发展中发挥了至关重要的作用。丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联是高度保守的信号分子，负责将细胞外刺激转导为细胞信号。哺乳动物细胞中有三种主要的MAPK通路，包括细胞外信号调节激酶(ERK，也称为p42/p44 MAPK)、c-Jun N-末端激酶(JNK，也称为应激激活蛋白激酶，SAPK)和p38激酶。MAPK通路已被证明可被多种病毒激活，因此是缓解病毒诱导的炎症细胞因子风暴的关键靶点。因此，研究TLR信号通路和MAPK通路在SARS-CoV-2感染过程中的参与可能有助于阐明COVID-19的免疫发病机制，并探索有价值的抗病毒治疗靶点。因此，该研究旨在探讨SARS-CoV-2 E蛋白对气道上皮完整性和炎症反应的病理影响及其潜在机制。参考文献：https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41392-024-01753-z来源：iNature