MAP-Kinase

Mitogen-aktivierte Proteinkinase (EC 2.7.11.24, MAP-Kinase) gehört zur Klasse der Transferasen, ist eine serin/threonin-spezifische Proteinkinase, die durch extrazelluläre Stimulation aktiviert wird. Nach der Aktivierung katalysiert sie die Phosphorylierung von Substraten. Der systematische Name dieser Enzymklasse ist ATP:Protein-Phosphotransferase. Die erste MAP-Kinase ERK1 wurde bei Säugetieren identifiziert, und spätere Studien fanden heraus, dass MAP-Kinasen nur in Eukaryoten existieren, einschließlich Pflanzen, Tieren und Pilzen. Der MAP-Kinase-Signalweg reguliert die Genexpression, Zellproliferation, Differenzierung und Apoptose als Reaktion auf extrazelluläre Stimulation, wie Mitogene, Wachstums hormone, osmotischen Schock und UV-Strahlung.

Klassifikation

Säugetiere enthalten 14 MAP-Kinasen, die in zwei Kategorien unterteilt sind: konventionelle MAP-Kinase und atypische MAP-Kinase. Jede Gruppe der konventionellen MAP-Kinase besteht aus drei Kinasen, die in Folge wirken, einschließlich einer MAP-Kinase (MAPK), einer MAPK-Kinase (MAPKK) und einer MAPKK-Kinase (MAPKKK). Atypische MAP-Kinasen teilen nicht die Eigenschaften der konventionellen MAP-Kinasen und bilden keine klassischen dreistufigen Kinase-Kaskaden.

Abbildung 1. Schematische Darstellung von konventionellen und atypischen MAPKs. (Cargnello M, Roux P.P. 2011)

Struktur

MAP-Kinase ist ein Mitglied der Familie der Proteinkinasen. Die MAP-Kinasen der Säugetiere umfassen die Familie der extrazellulär signalregulierten Kinasen (ERK), die Familie der c-Jun N-terminalen Kinasen (JNK) und die p38-Kinase-Familie. Alle Proteinkinasen enthalten zwei Domänen, die N-terminale Domäne und die C-terminale Domäne. Die N-terminale Domäne der ERK MAP-Kinase besteht aus mehreren β-Strängen und zwei Helices und enthält das glycinreiche ATP-Phosphat-Bindungsband. Die C-terminale Domäne besteht hauptsächlich aus Helices, enthält die Phosphorylierungslippe und die MAP-Kinase-Einschaltung und ist der Ort der P+1-Stelle, der katalytischen Schleife. Der Substrat-Phosphoakzeptor bindet an die konservierten Reste in der Nähe der "katalytischen Schleife", und der P+1-Rest des Substrats bindet an die Oberflächenmulde der C-terminalen Domäne. MAP-Kinasen unterscheiden sich von anderen Proteinkinasen durch eine 50-Rest-Einschaltung (MAP-Kinase-Einschaltung).

Abbildung 2. Struktur der unphosphorylierten ERK2 (A) und phosphorylierten ERK2 (B). (Canagarajah B.J. 1997)

Katalytischer Mechanismus

Proteinkinasen katalysieren den Transfer von Phosphorylgruppen (PO₃^2-) von ATP zur Hydroxylgruppe des Protein-Substrats. MAP-Kinase ist eine prolin-gesteuerte Phosphotransferase, die nur Substrate katalysiert, die Prolin an der P+1-Stelle 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 Motiv namens K/D/D (Lys/Asp/Asp) ihre katalytische Funktion. Der β3-Strang-Lysin (K88/71) bildet Salzbrücken mit ATP. Asp166/149 in der katalytischen Schleife ist die Grundlage der Katalyse. Dieses Aspartat nimmt das Proton von der -OH-Gruppe des Substrats auf und fördert nucleophile Angriffe der Sauerstoffatome auf die γ-Phosphorylgruppe von MgATP. Das zweite Aspartat bindet an das Magnesiumion, das die α-, β- und γ-Phosphatgruppen von ATP koordiniert.

Abbildung 3. Katalytischer Mechanismus der 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 der MAP-Kinasen wird durch zwei Phosphorylierungsstellen in der Phosphorylierungslippe reguliert. Alle MAP-Kinasen enthalten eine Thr-Xxx-Tyr-Sequenz, die die Stelle einer spezifischen von MAPKK katalysierten Doppelphosphorylierung ist. In der ERK-Phosphorylierungslippe vermittelt MEK zunächst die Phosphorylierung des Tyrosinrests. Dann trennt sich das Tyrosin-phosphorylierte ERK von MEK und verbindet sich dann wieder mit MEK, das dann Threonin phosphoryliert. Die Phosphorylierung von Threonin und Tyrosin erhöht die ERK-Aktivität um das 1000-fache. Die Deaktivierung der MAP-Kinase wird durch MAP-Kinase-Phosphatasen (MKPs) vermittelt. Die MKPs katalysieren die Dephosphorylierung aktivierter MAP-Kinasen in einer unidirektionalen Reaktion: Protein–OPO₃²⁻ + HO : H → Protein–OH + HO : PO₃²⁻.

Anwendung

Es gibt vier MAP-Kinase-Weg in Menschen. Der kanonische MAP-Kinase-Weg besteht aus MAPKKK, MAPKK und nachgelagerter MAPK. Der MAP-Kinase-Weg ist entscheidend für das Überleben, die Verbreitung und die Resistenz von menschlichen Krebszellen gegenüber der medikamentösen Therapie. Der MAP-Kinase-Weg ist ein Signal-Knotenpunkt, der Eingaben von Stimulationen empfängt, es gibt zeitliche und räumliche Regulationen in Zellen, um den Output des MAP-Kinase-Wegs zu steuern. Der normale MAP-Kinase-Weg unterdrückt Tumore, indem er Zellseneszenz induziert und die ubiquitinabhängige Degradation kritischer Proteine fördert. Genmutationen in der Tumorigenese führen zu einer Dysregulation der Kinase und einer Hyperaktivierung des MAP-Kinase-Wegs. Die Entdeckung spezifischer Onkogenmutationen, die den MAP-Kinase-Weg aktivieren, hat zur Entwicklung gezielter Therapien für viele Tumorarten geführt, wobei ERK- und MEK-Proteine erfolgreich als Ziele verwendet wurden.

Der MAP-Kinase-Weg ist ein zweischneidiges Schwert. Therapeutika, die Elemente im MAP-Kinase-Weg hemmen, haben einige Erfolge erzielt, aber kleine Molekülinhibitoren, die auf spezifische Proteinziele abzielen, haben zur Entstehung sekundärer bösartiger Tumoren geführt, sodass die Anwendung dieser Methode weiter evaluiert werden muss.

Referenzen