[科普中國]-MAPK

MAPK是信號從細胞表面?zhèn)鲗?dǎo)到細胞核內(nèi)部的重要傳遞者。絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是一組能被不同的細胞外刺激，如細胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、細胞應(yīng)激及細胞黏附等激活的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶。由于MAPK是培養(yǎng)細胞在受到生長因子等絲裂原刺激時被激活而被鑒定的，因而得名。所有的真核細胞都能表達MAPK。MAPK通路的基本組成是一種從酵母到人類都保守的三級激酶模式，包括MAPK激酶激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK激酶（MAP kinase kinase，MKK）和MAPK，這三種激酶能依次激活，共同調(diào)節(jié)著細胞的生長、分化、對環(huán)境的應(yīng)激適應(yīng)、炎癥反應(yīng)等多種重要的細胞生理/病理過程。1 促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAP激酶,MAPK)鏈是真核生物信號傳遞網(wǎng)絡(luò)中的重要途徑之一，在基因表達調(diào)控和細胞質(zhì)功能活動中發(fā)揮關(guān)鍵作用。MAPK鏈由3類蛋白激酶MAP3K-MAP2K-MAPK組成,通過依次磷酸化將上游信號傳遞至下游應(yīng)答分子。MAPK屬于CMGC（CDK/MAPK/GSK3/CLK）激酶組。與MAPKs親緣關(guān)系最近的蛋白是細胞周期蛋白依賴性激酶（CDKs）。

MAPK信號通路成員MAPK是信號從細胞表面?zhèn)鲗?dǎo)到細胞核內(nèi)部的重要傳遞者。已在哺乳動物細胞中鑒定了14種MKKK，7種MKK和12種MAPK。分析顯示，這些激酶屬于不同亞族。1

MKKKMKKK的4個亞族已得到鑒定，其中Raf亞族研究的最為透徹，包括B-Raf、A-Raf、Raf1。MEKK亞族由4種MEKK（MEKK1~MEKK4）構(gòu)成。ASK1和Tpl2組成了MKKK的第三個亞族。第四個亞族與上述三個有較大不同，它包括MST（mammalian sterile 20-like）、SPRK、MUK（MAPK upstream kinase）、TAK1，以及相關(guān)程度最小的MOS（molony sarcoma oncoprotein）。1

MKK對于MKK來說，MEK1與MEK2密切相關(guān)，而MKK3則與MKK6密切相關(guān)。1

MAPKMAPK可分為4個亞族：ERK、p38、JNK和ERK5。這些通路由它們而得名，例如利用JNK的MAPK通路被稱為JNK通路。1

發(fā)現(xiàn)在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的第一個絲裂原活化蛋白激酶是ERK1（MAPK3）。由于ERK1及其近親ERK2（MAPK1）均參與生長因子信號傳導(dǎo)，因此該家族被冠名“絲裂原激活”。隨著其他MAPK成員的發(fā)現(xiàn)，越來越明確這個名字是一個誤稱，因為大多數(shù)MAPK實際上參與對潛在有害的非生物應(yīng)激刺激（高滲透壓、氧化應(yīng)激、DNA損傷、低滲透壓）的反應(yīng)。哺乳動物ERK1/2激酶作為細胞增殖調(diào)節(jié)劑的作用不是一般的，而是高度特化的功能。

類型大多數(shù)MAPK具有許多共同的特征，例如依賴于兩個磷酸化事件的激活、三層通路結(jié)構(gòu)和類似的底物識別位點。這些是“經(jīng)典”的MAPK。但是，也有一些古老的“離群”激酶，它們不具有雙重磷酸化位點，僅形成兩層通路，并且缺乏其他MAPK所需的底物結(jié)合特征。這些通常被稱為“非典型”MAPKs。還不清楚這些非典型MAPKs是否形成與經(jīng)典MAPKs相反的獨立群體。

MAPK結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)MKK都是通過雙位點，即蘇氨酸（T）和酪氨酸（Y）同時磷酸化激活MAPK。這兩個磷酸化位點中間被一氨基酸隔開，構(gòu)成三肽基TXY。不同的MAPK亞族成員，其雙磷酸化位點之間的X殘基不同，但是其各個亞族都具有標準的12個保守亞區(qū)，這些亞區(qū)是區(qū)分真核細胞蛋白激酶超家族的標志之一。MAPK家族成員之間具有較高的同源性。例如，p38β、p38γ和p38δ分別與p38α具有75%、62%和64%的同源性，而與其他MAPK家族成員的同源性約為40%~50%。三肽基位于蛋白激酶地VII和VIII亞區(qū)之間的Loop12環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，該環(huán)位于分子表面并臨近活性位點，其中部分殘基形成一種唇狀結(jié)構(gòu)，被稱為磷酸化唇或活化唇（activation lip）。這一區(qū)域被認為是決定包括MAPK在內(nèi)的多種蛋白激酶活性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。1

二級和超二級結(jié)構(gòu)與其他蛋白激酶相似，ERK2、p38和JNK1都具有一個較小的氨基酸結(jié)構(gòu)域和一個較大的羧基端結(jié)構(gòu)域，兩者之間由一個交叉區(qū)連接在一起。氨基酸結(jié)構(gòu)域主要由β折疊組成，而羧基端結(jié)構(gòu)域則主要為α螺旋，兩個結(jié)構(gòu)與交界處形成一個裂隙，為ATP結(jié)合位點。1

空間結(jié)構(gòu)大體結(jié)構(gòu)：

p38與ERK2具有約40%序列同源性。將p38和ERK2的兩個結(jié)構(gòu)域同時重疊在一起時，其根均平方（root mean square ，RMS）偏離為0.17nm。JNK與ERK2和p38的同源性分別為40%和51%，其總體結(jié)構(gòu)也與ERK2和p38非常相似。將ERK2和p38的羧基端結(jié)構(gòu)域與JNK的羧基端結(jié)構(gòu)域重疊式，兩者較JNK3的羧基端結(jié)構(gòu)域分別旋轉(zhuǎn)了2.5°和4°。將ERK2的氨基酸和羧基端結(jié)構(gòu)域與JNK3的對應(yīng)結(jié)構(gòu)域重疊時，其RMS偏離分別為0.115nm和0.158nm。1

底物結(jié)合口袋的結(jié)構(gòu)特征：

在所有MAPK中，形成底物結(jié)合口袋的氨基酸殘基都是相當保守的。在未受到刺激時，ERK2的底物結(jié)合口袋被Arg192占據(jù)；當ERK2被磷酸化后，Arg192轉(zhuǎn)離原來的位置，從而暴露出底物結(jié)合口袋來進行底物的結(jié)合。p38中，該位點活化機制尚不清楚。1

MAPK的激活

MAPK的活性被認為是由活化環(huán)的氨基酸序列中的雙磷酸化位點所調(diào)控。MAPK活化環(huán)中的TXY序列是特定的MKK催化進行雙磷酸化反應(yīng)的位點。對于ERK/ERK2來說，雙磷酸化位點是Thr183和Tyr185。這些位點的雙磷酸化使MAPK的活性增加一千倍以上。1

MAPK在它們的堿形式中是沒有催化活性的。為了變得活躍，它們需要它們的活化環(huán)中發(fā)生（可能多個）磷酸化事件。這是由STE蛋白激酶組的專門酶進行的。

在經(jīng)典MAP激酶的情況下，活化環(huán)包含一個特征性的TxY (蘇氨酸-x-酪氨酸) motif (哺乳動物ERK1和ERK2中的TEY，ERK5中的TDY，JNK中的TPY，p38激酶中的TGY)，為了把激酶結(jié)構(gòu)域鎖定在一個有催化活性的構(gòu)象上，需要在蘇氨酸和酪氨酸兩個殘基上都進行磷酸化。在體內(nèi)和體外，酪氨酸的磷酸化常常先于蘇氨酸的磷酸化，盡管任一殘基的磷酸化都可以在沒有另一殘基的情況下發(fā)生。

這個串聯(lián)活化環(huán)的磷酸化由Ste7蛋白激酶家族的成員，也就是MAP2激酶來執(zhí)行。MAP2激酶又由許多不同的上游絲氨酸蘇氨酸激酶（MAP3激酶）磷酸化激活。由于MAP2激酶在其同源MAPK以外的底物上顯示非常小的活性，經(jīng)典MAPK通路形成多層次，但相對線性的信號通路。這些信號通路可以有效地將刺激從細胞膜（在這里許多MAP3K被激活）傳遞到細胞核（只有MAPK可以進入核內(nèi)）或許多其他的亞細胞靶點。

與三層的經(jīng)典MAPK通路相比，一些非典型MAP激酶似乎具有更古老的兩層系統(tǒng)。ERK3(MAPK6)和ERK4(MAPK4)最近被證明是被直接磷酸化的，因此被PAK激酶(與其他MAP3激酶相關(guān))激活。與經(jīng)典的MAP激酶相比，這些非典型MAPK只需要在它們的活化環(huán)中有一個殘基被磷酸化。NLK和Erk7（MAPK15）激活的細節(jié)尚不清楚。

失活MAPKs的失活是由各種磷酸酶執(zhí)行的。一個非常保守的專門磷酸酶家族是所謂的MAP激酶磷酸酶(MKP)，它是雙特異性磷酸酶(DUSP)的一個亞群。[5]顧名思義，這些酶能夠從磷酸酪氨酸和磷酸蘇氨酸殘基中水解磷酸基團。由于去除任一磷酸基團將大大降低MAPK活性，基本上消除信號，因此一些酪氨酸磷酸酶也參與滅活MAP激酶(例如，哺乳動物中的磷酸酶HePTP、STEP和PTRR)。

信號級聯(lián)如上所述，MAPK通常形成多層通路，接收比實際MAP激酶高幾層的輸入。與MAPKs和MAP2Ks相對簡單、磷酸化依賴的激活機制相比，MAP3Ks具有驚人的復(fù)雜調(diào)控。許多了解得更多的MAP3K，如c-Raf、MEKK4或MLK3，需要多個步驟來激活它們。這些酶通常是受變構(gòu)效應(yīng)控制的酶，通過多種機制緊密地鎖定在非活性狀態(tài)。激活它們的第一步是通過較小的配體（如c-Raf的Ras、MEKKK4的GADD45或MLK3的Cdc42）來減輕它們的自抑制。這通常發(fā)生在細胞膜上（但不總是），它們的大多數(shù)激活劑是結(jié)合在細胞膜上的（注意，由于異戊烯化修飾，小G蛋白是一直聯(lián)系在細胞膜上的）。此步驟之后是“背靠背”的對它們現(xiàn)在可訪問的激酶結(jié)構(gòu)域的同源和異源二聚化。最近確定的復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示二聚體的形成方向使它們的兩個底物結(jié)合區(qū)都自由。重要的是，這種二聚化事件還迫使MAP3激酶結(jié)構(gòu)域采用部分活性構(gòu)象。只有當這些二聚體在它們的活化環(huán)上相互磷酸化時，才能達到完全活性。后一步驟也可以通過輔助蛋白激酶（MAP4激酶，Ste20家族的成員）實現(xiàn)或輔助。一旦MAP3激酶完全激活，它可以磷酸化其底物MAP2激酶，這反過來又讓MAP2激酶磷酸化它們的MAP激酶底物。

MAPK通路MAPK通路是細胞增殖、應(yīng)激、炎癥、分化、功能同步化、轉(zhuǎn)化、凋亡等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的共同交匯通路之一，把胞外信號經(jīng)受體、G蛋白/小G、蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子等組成的信號網(wǎng)絡(luò)，傳遞到胞內(nèi)，參與細胞增殖、分化、癌變、轉(zhuǎn)移、凋亡等，不同的生長刺激、應(yīng)激刺激，在不同的細胞．經(jīng)不同細胞骨架局限的不同信號通路，可產(chǎn)生多種效應(yīng)。MAPK的激活是細胞內(nèi)磷酸化級聯(lián)反應(yīng)的最終步驟，經(jīng)典的MAPK級聯(lián)反應(yīng)包括MAPKKKK(如Ras、Rho)一MAPKK激酶(MAPKKK)一將MAPKK絲氨酸/蘇氨酸磷酸化一激活的MAPKK將MAPK的蘇氨酸/酪氨酸雙重磷酸化，激活MAPK。MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中存在的增強因子，可與MAPKKKs、MAPKKs和MAPKs結(jié)合，增碣卜游漸酶對官們的漸活能力2。

MAPK通路模式與功能很多刺激，如生長因子、細胞因子、射線、滲透壓以及體液流過細胞表面時產(chǎn)生的切應(yīng)力等因素都可以激活MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。模式圖如右圖所示。1

MAPK級聯(lián)激活是多種信號通路的中心，是接收膜受體轉(zhuǎn)換與傳遞的信號并將其帶入細胞核內(nèi)的一類重要分子，在許多細胞增殖相關(guān)信號通路中具有關(guān)鍵作用。在未受刺激的細胞內(nèi)，MAPK處于靜止狀態(tài)。細胞受到生長因子或其他因素刺激后，MAPK接收MKK和MKKK的活化信號而被激活，表現(xiàn)為逐級磷酸化。哺乳動物中，ERK廣泛存在于各種組織，參與細胞的增殖分化的調(diào)控。多種生長因子受體、營養(yǎng)相關(guān)因子受體等都需要ERK的活化來完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。JNK家族是細胞對各種應(yīng)激原誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵分子，參與細胞對輻射、滲透壓、溫度變化等應(yīng)激反應(yīng)。p38介導(dǎo)炎癥、凋亡等，因而成為開發(fā)抗炎藥物的靶位。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

江松敏 - 副教授 - 復(fù)旦大學(xué)