MAPK ist ein wichtiger Überträger der Signalübertragung von der Zelloberfläche zum Zellkerninneren. Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK) ist eine Gruppe von Serin-Threonin-Kinasen, die durch verschiedene extrazelluläre Stimuli wie Zytokine, Neurotransmitter, Hormone, Zellstress und Zelladhäsion aktiviert werden können. Proteinkinase. MAPK erhielt seinen Namen, weil kultivierte Zellen identifiziert wurden, als sie durch Mitogene wie Wachstumsfaktoren aktiviert wurden. Alle eukaryotischen Zellen können MAPK exprimieren. Die Grundstruktur des MAPK-Signalwegs ist ein dreistufiges Kinase-Modell, das von Hefen bis zum Menschen konserviert ist und MAPK-Kinase-Kinase (MKKK), MAP-Kinase-Kinase (MKK) und MAPK umfasst. Diese drei Kinasen können nacheinander aktiviert werden und regulieren viele wichtige zelluläre physiologische/pathologische Prozesse wie Zellwachstum, Differenzierung, Anpassung an Umweltstress und Entzündungsreaktionen. Die Kette der mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAP-Kinasen, MAPK) ist einer der wichtigsten Signalwege in eukaryotischen Signalnetzwerken und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulation der Genexpression und zytoplasmatischer Funktionsaktivitäten. Die MAPK-Kette besteht aus drei Typen von Proteinkinasen, MAP3K-MAP2K-MAPK, und überträgt durch sequentielle Phosphorylierung Signale von stromaufwärts zu nachgeschalteten Antwortmolekülen. MAPK gehört zur CMGC (CDK/MAPK/GSK3/CLK) Kinase-Gruppe. Die engsten mit MAPKs verwandten Proteine sind cyclin-abhängige Kinasen (CDKs).

Abbildung 1. Proteinstruktur von MAPK.

Entdeckung

Die erste mitogen-aktivierte Proteinkinase, die bei Säugetieren gefunden wurde, war ERK1 (MAPK3). Da ERK1 und sein naher Verwandter ERK2 (MAPK1) an der Signalübertragung von Wachstumsfaktoren beteiligt sind, wurde die Familie als "mitogen-aktiviert" bezeichnet. Mit der Entdeckung weiterer MAPK-Mitglieder wurde jedoch klar, dass der Name ein Fehlgriff war, da die meisten MAPKs tatsächlich an potenziell schädlichen abiotischen Stressreizen (hoher osmotischer Druck, oxidativer Stress, DNA-Schäden, niedriger osmotischer Druck) beteiligt sind. Die Rolle der ERK1/2-Kinase bei Säugetieren als Regulator der Zellproliferation ist nicht allgemein, sondern eine hochspezialisierte Funktion.

Typen

Die meisten MAPKs teilen viele gemeinsame Merkmale, wie die Abhängigkeit von der Aktivierung durch zwei Phosphorylierungsereignisse, eine dreischichtige Signalwegstruktur und ähnliche Substraterkennungsstellen. Dies sind die "klassischen" MAPKs. Es gibt jedoch einige urtümliche "Ausreißer"-Kinasen, die keine doppelten Phosphorylierungsstellen besitzen, nur zweischichtige Signalwege bilden und die für andere MAPKs erforderlichen Substratbindungsmerkmale fehlen. Diese werden oft als "atypische" MAPKs bezeichnet. Es ist unklar, ob diese atypischen MAPKs unabhängige Gruppen im Gegensatz zu klassischen MAPKs bilden.

MAPK-Struktur

Primärstruktur

MKK aktiviert MAPK durch gleichzeitige Phosphorylierung von zwei Stellen, Threonin (T) und Tyrosin (Y). Die beiden Phosphorylierungsstellen sind durch eine Aminosäure in der Mitte getrennt und bilden das Tripeptid TXY. Verschiedene Mitglieder der MAPK-Subfamilie haben unterschiedliche X-Reste zwischen ihren doppelten Phosphorylierungsstellen, aber jede Subfamilie besitzt standardmäßig 12 konservierte Subregionen, die als Marker zur Unterscheidung der eukaryotischen Proteinkinase-Superfamilie dienen. Die MAPK-Familienmitglieder weisen eine hohe Homologie auf. Zum Beispiel haben p38β, p38γ und p38δ eine Homologie von 75 %, 62 % bzw. 64 % mit p38α und etwa 40 % bis 50 % Homologie mit anderen Mitgliedern der MAPK-Familie. Die Tripeptidgruppe befindet sich in der Loop12-Schleifenstruktur zwischen den Subregionen VII und VIII der Proteinkinase. Diese Schleife liegt an der Oberfläche des Moleküls und nahe dem aktiven Zentrum. Einige der Reste bilden eine Lip-Struktur, die als phosphorylierte Lip oder Aktivierungslip bezeichnet wird. Dieser Bereich wird als Schlüsselstruktur angesehen, die die Aktivität verschiedener Proteinkinasen, einschließlich MAPK, bestimmt.

Sekundär- und Supersekundärstruktur

Ähnlich wie andere Proteinkinasen besitzen ERK2, p38 und JNK1 eine kleinere Aminosäure-Domäne und eine größere Carboxyterminal-Domäne, die durch eine Kreuzregion verbunden sind. Die Aminosäure-Domäne besteht hauptsächlich aus β-Faltblatt, während die Carboxyterminal-Domäne hauptsächlich aus α-Helix besteht. Die beiden Strukturen bilden mit der Verbindung eine Lücke, die die ATP-Bindungsstelle darstellt.

Aktivierung von MAPK

Im Fall der klassischen MAP-Kinase enthält die Aktivierungsschleife ein charakteristisches TxY (Threonin-x-Tyrosin)-Motiv (TEY bei Säugetier-ERK1 und ERK2, TDY bei ERK5, TPY bei JNK, p38-Kinase TGY). Um die Kinasedomäne in eine katalytisch aktive Konformation zu versetzen, ist eine Phosphorylierung sowohl an Threonin- als auch an Tyrosinresten erforderlich. In vivo und in vitro geht die Phosphorylierung von Tyrosin oft der von Threonin voraus, obwohl die Phosphorylierung einer der beiden Reste auch ohne den anderen erfolgen kann. Die Phosphorylierung dieser tandemartigen Aktivierungsschleife wird von einem Mitglied der Ste7-Proteinkinasefamilie durchgeführt, auch bekannt als MAP2-Kinase. MAP2-Kinase wird wiederum durch viele verschiedene upstream Serin-Threonin-Kinasen (MAP3-Kinasen) phosphoryliert und aktiviert. Da MAP2-Kinasen auf Substrate außer ihren homologen MAPKs nur sehr wenig Aktivität zeigen, bildet der klassische MAPK-Signalweg einen mehrstufigen, aber relativ linearen Signalweg. Diese Signalwege können die Stimulation effektiv von der Zellmembran (wo viele MAP3Ks aktiviert werden) zum Zellkern (nur MAPK kann in den Zellkern gelangen) oder zu vielen anderen subzellulären Zielen weiterleiten.

Inaktivierung von MAPK

Die Inaktivierung von MAPKs erfolgt durch verschiedene Phosphatasen. Eine sehr konservierte Familie spezialisierter Phosphatasen ist die sogenannte MAP-Kinase-Phosphatase (MKP), eine Untergruppe der bispezifischen Phosphatasen (DUSP). Wie der Name schon sagt, sind diese Enzyme in der Lage, Phosphatgruppen sowohl von Phosphotyrosin- als auch von Phosphothreoninresten zu hydrolysieren. Da die Entfernung einer der beiden Phosphatgruppen die MAPK-Aktivität stark reduziert und das Signal im Wesentlichen eliminiert, sind auch einige Tyrosinphosphatasen an der Inaktivierung von MAP-Kinasen beteiligt.

Referenz:

1. Pearson G; et al. Mitogen-aktivierte Protein (MAP)-Kinase-Signalwege: Regulation und physiologische Funktionen. Cellular and Molecular Life Sciences. Endocrine Reviews. 2001, 22 (2): 153–83.