MAP-Kinase

Mitogen-aktivierte Proteinkinase (EC 2.7.11.24, MAP-Kinase) gehört zur Klasse der Transferasen und ist eine Serin/Threonin-spezifische Proteinkinase, die durch extrazelluläre Stimuli aktiviert wird. Nach Aktivierung katalysiert sie die Phosphorylierung von Substraten. Die systematische Bezeichnung dieser Enzymklasse lautet ATP:Protein-Phosphotransferase. Die erste MAP-Kinase, ERK1, wurde in Säugetieren identifiziert; spätere Untersuchungen zeigten, dass MAP-Kinasen ausschließlich in Eukaryoten vorkommen, einschließlich Pflanzen, Tieren und Pilzen. Der MAP-Kinase-Signalweg reguliert als Antwort auf extrazelluläre Stimuli wie Mitogene, Wachstumsfaktoren/-hormone, osmotischen Schock und UV-Strahlung die Genexpression, Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose.

Klassifizierung

Säugetiere besitzen 14 MAP-Kinasen, die in zwei Kategorien eingeteilt werden: konventionelle MAP-Kinasen und atypische MAP-Kinasen. Jede konventionelle MAP-Kinase-Gruppe besteht aus drei Kinasen, die sequenziell wirken, darunter eine MAP-Kinase (MAPK), eine MAPK-Kinase (MAPKK) und eine MAPKK-Kinase (MAPKKK). Atypische MAP-Kinasen weisen die charakteristischen Merkmale konventioneller MAP-Kinasen nicht auf und bilden keine klassischen dreistufigen Kinase-Kaskaden.

Abbildung 1. Schematische Darstellung konventioneller und atypischer MAPKs. (Cargnello M, Roux P.P. 2011)

Struktur

MAP-Kinasen sind Mitglieder der Proteinkinase-Familie. Zu den MAP-Kinasen der Säugetiere zählen die Familie der extrazellulär signalregulierten Kinasen (ERK), die c-Jun-N-terminale Kinase-Familie (JNK) sowie die p38-Kinase-Familie. Alle Proteinkinasen besitzen zwei Domänen, eine N-terminale und eine C-terminale Domäne. Die N-terminale Domäne der ERK-MAP-Kinase wird durch mehrere β-Stränge und zwei Helices gebildet und enthält das glycinreiche ATP-Phosphat-Bindemotiv („ribbon“). Die C-terminale Domäne besteht überwiegend aus Helices und enthält die Phosphorylierungsschleife („phosphorylation lip“) sowie die MAP-Kinase-Insertion; zudem befindet sich dort die P+1-Stelle und die katalytische Schleife. Der Phosphozeptor des Substrats bindet an konservierte Aminosäurereste in der Nähe der „katalytischen Schleife“, und der P+1-Rest des Substrats bindet an eine Oberflächentasche der C-terminalen Domäne. MAP-Kinasen unterscheiden sich von anderen Proteinkinasen durch eine Insertion von etwa 50 Aminosäureresten (MAP-Kinase-Insertion).

Abbildung 2. Struktur von unphosphoryliertem ERK2 (A) und phosphoryliertem ERK2 (B). (Canagarajah B.J. 1997)

Katalytischer Mechanismus

Proteinkinasen katalysieren die Übertragung von Phosphorylgruppen (PO₃^2-) von ATP auf die Hydroxylgruppe eines Proteinsubstrats. MAP-Kinasen sind prolin-gerichtete Phosphotransferasen und katalysieren ausschließlich Substrate, die an der P+1-Position Prolin enthalten. Die N-terminale Domäne des Substrats bindet an die C-terminale Domäne der MAP-Kinase. In der Sequenz der ERK-MAP-Kinase veranschaulicht ein als K/D/D (Lys/Asp/Asp) bezeichnetes Motiv die katalytische Funktion. Das Lysin des β3-Strangs (K88/71) bildet Salzbrücken mit ATP. Asp166/149 in der katalytischen Schleife ist essenziell für die Katalyse. Dieses Aspartat entzieht der -OH-Gruppe des Substrats ein Proton und fördert den nukleophilen Angriff des Sauerstoffatoms auf die γ-Phosphorylgruppe von MgATP. Das zweite Aspartat bindet das Magnesiumion, das die α-, β- und γ-Phosphatgruppen von ATP koordiniert.

Abbildung 3. Katalytischer Mechanismus von Proteinkinasen. (Robert Roskoski Jr. 2012)

Abbildung 4. Katalytischer Mechanismus der ERK-MAP-Kinase. (Robert Roskoski Jr. 2012)

Aktivierung und Deaktivierung der MAP-Kinase

Die Aktivierung von MAP-Kinasen wird durch zwei Phosphorylierungsstellen in der Phosphorylierungsschleife reguliert. Alle MAP-Kinasen enthalten eine Thr-Xxx-Tyr-Sequenz, die Ziel einer spezifischen, durch MAPKK katalysierten Doppelphosphorylierung ist. In der ERK-Phosphorylierungsschleife vermittelt MEK zunächst die Phosphorylierung des Tyrosinrests. Anschließend dissoziiert das tyrosinphosphorylierte ERK von MEK und bindet erneut an MEK, das dann Threonin phosphoryliert. Die Phosphorylierung von Threonin und Tyrosin steigert die ERK-Aktivität um das 1000-Fache. Die Deaktivierung der MAP-Kinase wird durch MAP-Kinase-Phosphatasen (MKPs) vermittelt. MKPs katalysieren die Dephosphorylierung aktivierter MAP-Kinasen gemäß folgender unidirektionaler Reaktion: Protein–OPO₃²⁻ + HO : H → Protein–OH + HO : PO₃²⁻.

Anwendung

Beim Menschen existieren vier MAP-Kinase-Signalwege. Der kanonische MAP-Kinase-Signalweg besteht aus MAPKKK, MAPKK und der nachgeschalteten MAPK. Der MAP-Kinase-Signalweg ist entscheidend für das Überleben, die Dissemination und die Resistenz von humanen Krebszellen gegenüber Arzneimitteltherapien. Der MAP-Kinase-Signalweg stellt einen Signal-Knotenpunkt dar, der Eingänge aus Stimuli empfängt; in Zellen erfolgt eine zeitliche und räumliche Regulation, um den Output des MAP-Kinase-Signalwegs zu steuern. Ein normal regulierter MAP-Kinase-Signalweg unterdrückt Tumoren, indem er zelluläre Seneszenz induziert und den ubiquitinierungsvermittelten Abbau kritischer Proteine fördert. Genmutationen im Rahmen der Tumorentstehung führen zu einer Dysregulation von Kinasen und zu einer Hyperaktivierung des MAP-Kinase-Signalwegs. Die Identifizierung spezifischer onkogener Mutationen, die den MAP-Kinase-Signalweg aktivieren, hat zur Entwicklung zielgerichteter Therapien für zahlreiche Tumorentitäten geführt; ERK- und MEK-Proteine wurden dabei erfolgreich als Targets eingesetzt.

Der MAP-Kinase-Signalweg ist ein zweischneidiges Schwert. Therapeutika, die Elemente des MAP-Kinase-Signalwegs inhibieren, haben gewisse Erfolge erzielt; jedoch haben niedermolekulare Inhibitoren, die auf spezifische Protein-Targets abzielen, zum Auftreten sekundärer maligner Tumoren geführt. Daher bedarf die Anwendung dieses Ansatzes einer weiteren Bewertung.

Literatur