MAPK ist ein wichtiger Signalüberträger für die Weiterleitung von Signalen von der Zelloberfläche in das Zellkerninnere. Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK) ist eine Gruppe von Serin/Threonin-Proteinkinasen, die durch unterschiedliche extrazelluläre Stimuli wie Zytokine, Neurotransmitter, Hormone, zellulären Stress und Zelladhäsion aktiviert werden kann. MAPK erhielt diese Bezeichnung, weil sie in kultivierten Zellen bei Aktivierung durch Mitogene wie Wachstumsfaktoren identifiziert wurde. Alle eukaryotischen Zellen können MAPK exprimieren. Die Grundarchitektur des MAPK-Signalwegs ist ein dreistufiges Kinase-Modell, das von Hefe bis zum Menschen konserviert ist und MAPK-Kinase-Kinase (MKKK), MAPK-Kinase (MKK) und MAPK umfasst. Diese drei Kinasen werden nacheinander aktiviert und regulieren zahlreiche wichtige zelluläre physiologische/pathophysiologische Prozesse wie Zellwachstum, Differenzierung, Anpassung an Umweltstress und Entzündungsreaktionen. Die Kaskade der mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAP-Kinasen, MAPK) ist einer der zentralen Signalwege in eukaryotischen Signalnetzwerken und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulation der Genexpression sowie bei zytoplasmatischen Funktionsaktivitäten. Die MAPK-Kaskade besteht aus drei Typen von Proteinkinasen, MAP3K–MAP2K–MAPK, und überträgt upstream Signale durch sequenzielle Phosphorylierung an downstream Antwortmoleküle. MAPK gehört zur CMGC-(CDK/MAPK/GSK3/CLK)-Kinasegruppe. Die MAPKs am nächsten verwandten Proteine sind die Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs).

Abbildung 1. Proteinstruktur von MAPK.

Entdeckung

Die erste in Säugetieren identifizierte mitogen-aktivierte Proteinkinase 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 deutlich, dass diese Bezeichnung irreführend ist, da die meisten MAPKs tatsächlich an Reaktionen auf potenziell schädliche abiotische Stressreize (hoher osmotischer Druck, oxidativer Stress, DNA-Schädigung, niedriger osmotischer Druck) beteiligt sind. Die Rolle der Säuger-ERK1/2-Kinasen als Regulatoren der Zellproliferation ist nicht allgemein, sondern eine hochspezialisierte Funktion.

Typen

Die meisten MAPKs weisen zahlreiche gemeinsame Merkmale auf, darunter die Abhängigkeit von der Aktivierung durch zwei Phosphorylierungsereignisse, eine dreistufige Signalwegarchitektur und ähnliche Substraterkennungsstellen. Diese werden als „klassische“ MAPKs bezeichnet. Daneben existieren jedoch einige evolutionär alte „Ausreißer“-Kinasen, die keine Doppelphosphorylierungsstellen besitzen, nur zweistufige Signalwege bilden und die für andere MAPKs erforderlichen Substratbindungsmerkmale nicht aufweisen. Diese werden häufig als „atypische“ MAPKs bezeichnet. Ob diese atypischen MAPKs im Gegensatz zu den klassischen MAPKs eigenständige Gruppen bilden, ist unklar.

MAPK-Struktur

Primärstruktur

MKK aktiviert MAPK durch gleichzeitige Phosphorylierung zweier Stellen, Threonin (T) und Tyrosin (Y). Die beiden Phosphorylierungsstellen sind durch eine dazwischenliegende Aminosäure getrennt und bilden das Tripeptid TXY. Unterschiedliche Mitglieder der MAPK-Subfamilien besitzen unterschiedliche X-Reste zwischen ihren Doppelphosphorylierungsstellen; jede Subfamilie weist jedoch standardmäßig 12 konservierte Subregionen auf, die als Kennzeichen der eukaryotischen Proteinkinase-Superfamilie gelten. Mitglieder der MAPK-Familie sind hoch homolog. Beispielsweise weisen p38β, p38γ und p38δ im Vergleich zu p38α eine Homologie von 75 %, 62 % bzw. 64 % auf und gegenüber anderen Mitgliedern der MAPK-Familie etwa 40 % bis 50 %. Das Tripeptidmotiv befindet sich in der Loop12-Schleifenstruktur zwischen den Subregionen VII und VIII der Proteinkinase. Diese Schleife liegt an der Moleküloberfläche und in der Nähe des aktiven Zentrums. Einige der Reste bilden eine lippenartige Struktur, die als Phosphorylierungs- bzw. Aktivierungslippe (activation lip) bezeichnet wird. Dieser Bereich gilt als Schlüsselstruktur zur Bestimmung der Aktivität verschiedener Proteinkinasen, einschließlich MAPK.

Sekundär- und supersekundäre Struktur

Ähnlich wie andere Proteinkinasen besitzen ERK2, p38 und JNK1 eine kleinere Amino-terminalen Domäne und eine größere Carboxy-terminale Domäne, die durch eine Verbindungsregion gekoppelt sind. Die Amino-terminale Domäne besteht überwiegend aus β-Faltblättern, während die Carboxy-terminale Domäne überwiegend aus α-Helices aufgebaut ist. Beide Strukturelemente bilden zusammen mit der Verbindungsregion eine Spalte, die die ATP-Bindungsstelle darstellt.

Aktivierung von MAPK

Bei klassischen MAP-Kinasen enthält die Aktivierungsschleife ein charakteristisches TxY-(Threonin-x-Tyrosin)-Motiv (TEY bei den Säuger-ERK1 und ERK2, TDY bei ERK5, TPY bei JNK, TGY bei p38-Kinasen). Um die Kinase-Domäne in eine katalytisch aktive Konformation zu überführen, ist die Phosphorylierung sowohl des Threonin- als auch des Tyrosinrests erforderlich. In vivo und in vitro geht die Phosphorylierung von Tyrosin häufig der Phosphorylierung von Threonin voraus, obwohl die Phosphorylierung jedes einzelnen Restes auch ohne den jeweils anderen erfolgen kann. Die Phosphorylierung dieser tandemartigen Aktivierungsschleife wird durch ein Mitglied der Ste7-Proteinkinasefamilie durchgeführt, auch als MAP2-Kinase bezeichnet. MAP2-Kinasen werden wiederum durch zahlreiche unterschiedliche upstream Serin/Threonin-Kinasen (MAP3-Kinasen) phosphoryliert und aktiviert. Da MAP2-Kinasen auf Substrate außerhalb ihrer homologen MAPKs nur sehr geringe Aktivität zeigen, bildet der klassische MAPK-Signalweg eine mehrstufige, jedoch relativ lineare Signalkaskade. Diese Signalwege können Stimuli effizient von der Zellmembran (wo viele MAP3Ks aktiviert werden) in den Zellkern (in den nur MAPK eintreten kann) oder zu zahlreichen anderen subzellulären Zielstrukturen weiterleiten.

Inaktivierung von MAPK

Die Inaktivierung von MAPKs erfolgt durch verschiedene Phosphatasen. Eine hochkonservierte Familie spezialisierter Phosphatasen sind die sogenannten MAP-Kinase-Phosphatasen (MKP), eine Untergruppe der dual-spezifischen Phosphatasen (DUSP). Wie der Name nahelegt, 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 weitgehend eliminiert, sind auch einige Tyrosinphosphatasen an der Inaktivierung von MAP-Kinasen beteiligt.

Referenz:

1. Pearson G; et al. Mitogen-activated protein (MAP) kinase pathways: regulation and physiological functions. Cellular and Molecular Life Sciences. Endocrine Reviews. 2001, 22 (2): 153–83.