FAK

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Einleitung

Die Zellmigration ist ein komplexer und koordiniert ablaufender Prozess, der rasche Veränderungen der Dynamik von Aktinfilamenten sowie die Bildung und den Abbau von Zelladhäsionsstellen umfasst. Das komplexe Zusammenspiel zwischen dem Aktinzytoskelett und den Zelladhäsionsstellen führt zu Membranprotrusionen und Traktionskräften. Transmembrane Integrine transduzieren externe Stimuli für die Zellmigration in intrazelluläre biochemische Signale.

Damit Zellen diese unterschiedlichen, die Motilität fördernden Umweltstimuli adäquat verarbeiten können (z. B. Scherstress, der die Deformation des Aktinzytoskeletts begünstigt), sind sie auf intrazelluläre Signalproteine angewiesen, die durch multiple extrazelluläre Inputs aktiviert werden und die Regulation mehrerer Outputs von Signalwegen übernehmen. Im Folgenden beschreiben wir die einzigartigen molekularen Verknüpfungen der Focal Adhesion Kinase (FAK), die es dieser Tyrosinkinase ermöglichen, als wichtiger rezeptorproximaler Regulator von Zellform, Adhäsion und Motilität zu fungieren.

Die FERM- und FAT-Domänen von FAK

FAK ist eine 125-kDa-Protein-Tyrosinkinase, bestehend aus einer N-terminalen FERM-Domäne, einer zentralen Kinase-Domäne, einer prolinreichen Region sowie einer C-terminalen Focal-Adhesion-Targeting-(FAT)-Domäne. Die FERM-Domäne von FAK fördert Signalverknüpfungen mit Rezeptoren wie dem Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) und dem Platelet-Derived Growth Factor Receptor (PDGFR). Bei der Analyse zellmotilitätsfördernder Signale, die durch G‑Protein‑gekoppelte Rezeptoren (GPCR) initiiert werden, verhinderte die Überexpression der FAK-FERM-Domäne die Aktivierung von FAK und inhibierte letztlich die durch G‑Proteine stimulierte Zellmigration. FAK wird posttranslational modifiziert, indem ein Small Ubiquitin-Related Modifier (SUMO) kovalent an die ε‑Aminoposition von Lys152 angefügt wird. In den meisten Fällen ist die Sumoylierung mit dem nukleären Import von Proteinen assoziiert. Obwohl der Einsatz von Leptomycin B zur Blockade des nukleären Exports die nukleäre Akkumulation von FAK fördert und die exogene Expression der FAK-FERM-Domäne eine ausgeprägte nukleäre Lokalisation zeigt, ist unklar, ob diese Ereignisse von der Sumoylierung abhängig sind.

Die C-terminale Domäne von FAK enthält zwei prolinreiche Regionen, die Bindungsstellen für Proteine mit SRC-Homologie-(SH)3-Domäne darstellen. Die SH3-domänenvermittelte Bindung des Adapterproteins p130Cas an FAK fördert die Zellmigration durch koordinierte Aktivierung von Rac an der Membranextension.

Das am besten charakterisierte FAK-Phosphorylierungsereignis ist die Autophosphorylierung an Tyr397, die in cis oder trans erfolgen kann. Verschiedene Proteine mit SH2-Domäne können die durch die Phosphorylierung an Tyr397 erzeugten Motive erkennen; hierzu zählen Phospholipase Cγ (PLCγ), SRC-Familienkinasen (SFKs), Growth-Factor-Receptor-Bound Protein‑7 (GRB7), das Shc-Adapterprotein, p120 RasGAP sowie die p85‑Untereinheit der Phosphatidylinositol‑3‑Kinase (PI3K). In diesem Zusammenhang existiert ein sequenzieller Assoziationsmodus, bei dem die Bindung von zellulärem Src (im Folgenden als Src bezeichnet) an FAK die Signaltransduktion initiiert, während die Assoziation von SOCS mit FAK ein terminales Ereignis darstellt, das zur ubiquitinvermittelten Degradation von FAK führt.

Abbildung 1. Domänenstruktur und Phosphorylierungsstellen der Focal Adhesion Kinase (Mitra, S.K.; et al. 2005)

FAK als Biosensor

Integrine können Umweltreize „wahrnehmen“ und die an die Verankerung gebundene Zellproliferation sowie das Überleben steuern. Integrine sind zudem eng an der Umwandlung physikalischer Signale (z. B. kontraktile Kräfte oder externe mechanische Perturbationen) in chemische Signalereignisse beteiligt, und die Aktivierung von FAK ist ein wesentlicher Bestandteil dieses zellulären „Mechanosensing“. Frühe Beobachtungen zeigen, dass FAK durch tangentialen Flüssigkeitsscherstress in Endothelzellen aktiviert werden kann, was mit der Bildung des FAK‑Src‑Signalkomplexes sowie der Phosphorylierung von FAK an Tyr925 etc. in Zusammenhang steht. Die FAK-Phosphorylierung ist am führenden Rand motiler Zellen verstärkt.

Ein weiterer Mechanismus der „Mechanoperzeption“ ist die Fähigkeit von Zellen, die „Steifigkeit“ der umgebenden extrazellulären Matrix (ECM) zu erfassen. Diese Antwort erfordert die Expression von FAK, und FAK‑/‑‑Zellen reagieren nicht sensitiv auf Veränderungen der Substratflexibilität. Interessanterweise zeigte der Tyr397Phe‑Mutant von FAK eine ähnliche Durotaxis‑Antwort wie Wildtypzellen. Obwohl unklar ist, ob die intrinsische katalytische Aktivität von FAK oder die Rolle von FAK als Scaffold‑Protein am fokalen Kontakt den Ausschlag für die Durotaxis‑Antwort gibt, stellt diese Beobachtung dennoch eines der wenigen Beispiele dar, bei denen die Phosphorylierung von FAK an Tyr397 keine Signalantwort erfordert.

Abbildung 2. Die Focal Adhesion Kinase beeinflusst die Phospholipid- und Mikrotubuli-Struktur (Mitra, S.K.; et al. 2005)