MAPK/ERK経路
Cell signaling pathway
MAPK/ERK経路の主要な構成要素。「P」は シグナルを伝達するリン酸を表します。上図では、上皮成長因子（EGF）が細胞膜上のEGF受容体（EGFR）に結合し、シグナルカスケードが開始されます。さらに下流では、リン酸シグナルがMAPK（ERKとも呼ばれる）を活性化します。下図では、シグナルが細胞核に入り、DNAの転写を引き起こし、タンパク質として発現されます。

MAPK /ERK 経路( Ras-Raf-MEK-ERK 経路とも呼ばれる) は、細胞表面の受容体から細胞核内の DNAに信号を伝達する細胞内のタンパク質の鎖です。

シグナル伝達は、シグナル分子が細胞表面の受容体に結合したときに始まり、核内のDNAがタンパク質を発現し、細胞分裂などの細胞内変化を引き起こすことで終了します。この経路には、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）（元々は細胞外シグナル調節キナーゼ（ERK）と呼ばれていました）など、多くのタンパク質が含まれます。MAPKは、隣接するタンパク質にリン酸基を付加（リン酸化）することで情報伝達を行い、「オン」または「オフ」のスイッチとして機能します。

この経路におけるタンパク質の1つが変異すると、「オン」または「オフ」の状態で固定されてしまうことがあります。これは多くの癌の発生に不可欠なステップです。実際、MAPK/ERK経路の構成要素は癌細胞で初めて発見され、「オン」または「オフ」のスイッチを逆転させる薬剤が癌治療薬として研究されています。[1]

背景

MAPK/ERK経路を開始するシグナルは、細胞外マイトジェンが細胞表面受容体に結合することです。これにより、Rasタンパク質（低分子GTPase ）がGDP分子をGTP分子と交換し、経路の「オン/オフスイッチ」が切り替わります。Rasタンパク質はMAP3K（例：Raf）を活性化し、MAP3KはMAP2Kを活性化し、MAP2KはMAPKを活性化します。最終的に、MAPKはMycなどの転写因子を活性化します。このプロセスについては、以下で詳しく説明します。

Ras活性化

上皮成長因子受容体（EGFR）などの受容体結合チロシンキナーゼは、上皮成長因子（EGF）などの細胞外リガンドによって活性化されます。EGFがEGFRに結合すると、受容体の細胞質ドメインのチロシンキナーゼ活性が活性化されます。EGFRはチロシン残基がリン酸化されます。GRB2などのドッキングタンパク質には、活性化受容体のリン酸化チロシン残基に結合するSH2ドメインがあります。 [2] GRB2は、GRB2の2つのSH3ドメインを介してグアニンヌクレオチド交換因子SOSに結合します。GRB2-SOS複合体がリン酸化EGFRにドッキングすると、SOSが活性化されます。[3]活性化されたSOSは、 Rasサブファミリーのメンバー（最も顕著なのはH-RasまたはK-Ras ）からのGDPの除去を促進します。Rasタンパク質はGTPに結合して活性化します。

EGFR 以外にも、 GRB2 を介してこの経路を活性化できる細胞表面受容体には、Trk A/B、線維芽細胞増殖因子受容体(FGFR) およびPDGFRなどがあります。

キナーゼカスケード

活性化されたRasは、 RAFキナーゼのタンパク質キナーゼ活性を活性化します。[4] RAFキナーゼはMAPK/ERKキナーゼ（MEK1またはMEK2）をリン酸化して活性化します。MEKは、ミトゲン活性化タンパク質キナーゼ（MAPK）をリン酸化して活性化します。

RAFとMAPK/ERKはどちらもセリン/スレオニン特異的なタンパク質キナーゼです。MEKはセリン/チロシン/スレオニンキナーゼです。

技術的には、RAF、MEK、MAPKはいずれもMNK（下記参照）と同様にミトゲン活性化キナーゼです。MAPKはもともと「細胞外シグナル調節キナーゼ」（ERK）および「微小管関連タンパク質キナーゼ」（MAPK）と呼ばれていました。ERKによってリン酸化されることが最初に知られたタンパク質の一つは、微小管関連タンパク質（MAP）でした。後述するように、後にMAPKによるリン酸化の標的が多数発見され、このタンパク質は「ミトゲン活性化タンパク質キナーゼ」（MAPK）と改名されました。RAFからMEK、そしてMAPKへと続く一連のキナーゼは、タンパク質キナーゼカスケードの一例です。このような一連のキナーゼは、フィードバック制御とシグナル増幅の機会を提供します。

翻訳と転写の調節

MAP キナーゼ経路。

MAPKによってリン酸化される多くのタンパク質のうち3つが右の図に示されています。MAPK活性化の効果の一つは、mRNAからタンパク質への翻訳を変化させることです。MAPKは40Sリボソームタンパク質S6キナーゼ（RSK）をリン酸化します。これによりRSKが活性化され、RSKはリボソームタンパク質S6をリン酸化します。[5]リボソームタンパク質S6をリン酸化するマイトジェン活性化タンパク質キナーゼは、最初に単離されました。[4]

MAPKは複数の転写因子の活性を制御します。MAPKはC-mycをリン酸化します。MAPKはMNKをリン酸化して活性化し、MNKはCREBをリン酸化します。MAPKはまた、 C-Fos遺伝子の転写を制御します。転写因子のレベルと活性を変化させることで、MAPKは細胞周期に重要な遺伝子の転写を変化させます。

22q11、1q42、および19p13遺伝子は、ERK経路に影響を及ぼすことにより、統合失調症、統合失調感情障害、双極性障害、および片頭痛と関連しています。

細胞周期の開始と増殖の調節

細胞周期の進行におけるミトゲンシグナル伝達の役割

ERK経路は、多くの種類の哺乳類細胞において、上皮成長因子（EGF）などのミトゲンの存在からの外部シグナルを、細胞の成長と増殖を促進するシグナル伝達イベントに統合する重要な役割を果たしている。単純化したモデルでは、ミトゲンと成長因子の存在により、EGFRなどの標準的な受容体チロシンキナーゼが活性化され、それらの二量体化とそれに続く低分子GTPase Rasの活性化が引き起こされる。[6]これにより、MAPKカスケード（Raf-MEK-ERK）の下流で一連のリン酸化イベントが起こり、最終的にERKのリン酸化と活性化が生じる。ERKのリン酸化により、そのキナーゼ活性が活性化され、細胞増殖の調節に関与する多くの下流標的がリン酸化される。ほとんどの細胞では、細胞周期の開始を誘導し、細胞周期の負の調節因子を抑制する遺伝子を細胞が活性化するために、何らかの形の持続的なERK活性が必要である。そのような重要なターゲットの2つには、ERKによってリン酸化されるCdk4およびCdk6と複合体を形成するサイクリンD (Cdk4/6) が含まれます。[7] G1期からS期への移行はサイクリンD-Cdk4/6の活性によって調整され、細胞がミトゲンに反応してS期に入る準備をするG1期後期に増加します。Cdk4/6の活性化は網膜芽細胞腫タンパク質 (Rb) の過剰リン酸化とそれに続く不安定化に寄与します。[7]低リン酸化Rbは通常、G1初期に転写因子E2Fに結合し、その転写活性を阻害して、サイクリンE、サイクリンA2、Emi1などのS期エントリー遺伝子の発現を防ぎます。[6]ほとんどの哺乳類細胞で、この細胞周期ブロックを解除し、細胞をS期に進行させるには、ミトゲン誘導Rasシグナル伝達の下流のERK1/2活性化が必要かつ十分です。

細胞周期に組み込まれたミトゲン入力の概略図

下流フィードバック制御と双安定G1/Sスイッチの生成

制限点（R点）は、哺乳類細胞が増殖を開始し、成長刺激に依存しなくなる重要な段階を示す。R点は正常な分化と組織の恒常性維持に不可欠であり、事実上すべての癌において制御不全となっていると考えられる。R点は哺乳類細胞周期のG1-S期遷移の制御に関わる様々な活性と関連付けられているが、その根底にあるメカニズムは依然として不明である。Yaoらは、単一細胞測定を用いて、Rb-E2F経路が双安定スイッチとして機能し、段階的な血清入力をE2F応答の全てまたは全くない状態に変換することを示した。[8]

ERK経路の下流に伝達される増殖シグナルとマイトジェンシグナルは、複数の正のフィードバックループに組み込まれ、E2F活性化レベルで双安定スイッチを生成します。[8]これは、G1期後期における3つの主要な相互作用によって発生します。1つ目は、ERKを介したマイトジェン刺激によって、E2Fの直接的な活性化因子である転写因子Mycが発現することです。[7] 2つ目の経路は、ERK活性化によってサイクリンDとCdk4/6の活性複合体が蓄積することです。この複合体はリン酸化を介してRbを不安定化し、さらにE2Fを活性化して標的タンパク質の発現を促進します。最後に、これらの相互作用はすべて、E2F自身の発現によってサイクリンEとCDK2の活性複合体が産生され、これが細胞のS期移行の決定を固定する役割を果たすため、E2F自身による追加の正のフィードバックループによって強化されます。その結果、血清濃度が徐々に上昇すると、ほとんどの哺乳類細胞はスイッチのように反応してS期に移行します。このミトゲン刺激による双安定E2Fスイッチはヒステリシスを示し、E2F活性化後にミトゲンを除去しても細胞がG1に戻るのが阻害される。[8]

ERK経路による動的シグナル処理

EGF によって刺激される EGFR-ERK/MAPK (上皮成長因子受容体細胞外調節キナーゼ/マイトジェン活性化プロテインキナーゼ) 経路は細胞増殖に極めて重要ですが、シグナルと応答が時間的に離れているため、これまでの研究ではシグナルと応答の関係が不明瞭でした。2013 年に、Albeck ら[9]は、この知識のギャップを埋める重要な実験的証拠を提供しました。彼らは、シグナル伝達と出力が容易に関連付けられる定常状態の EGF 刺激で、シグナルの強度とダイナミクスを測定しました。さらに、経路の全ダイナミック レンジにわたってシグナルと応答の関係をマッピングしました。彼らは、リン酸化 ERK (pERK) の高コンテンツ免疫蛍光 (HCIF) 検出と生細胞 FRET バイオセンサーを使用して、生細胞と固定細胞の両方で ERK 経路の下流出力をモニタリングしました。 ERKシグナル伝達の定量的特性と増殖率をさらに結び付けるために、研究者らは、異なる濃度のEGFを適用することにより、さまざまなEGF濃度を使用した一連の定常状態を確立しました。

単一細胞イメージング実験により、ERKはEGF存在下で確率的なバーストで活性化されることが示されています。さらに、この経路は、その活動の周波数変調パルスを介してシグナル入力の強度をエンコードすることが示されています。生細胞FRETバイオセンサーを使用して、異なる濃度のEGFで誘導された細胞は、異なる周波数の不法な活動バーストを引き起こし、EGFレベルが高いほどERK活動のバーストの頻度が高まりました。低EGF濃度での散発的なERK活動パルスがS期移行にどのように影響するかを解明するために、EKAR-EVとRFP-gemininを共発現するMCF-10A細胞を使用し、スコアリングでERK活動パルスを識別し、このERK活動プロファイルをGFP-geminin誘導時間と整列させました。その結果、パルス長の増加から示唆されるように、ERK活動期間の延長がS期移行を刺激することが分かりました。 EGFR-ERK経路のダイナミクス、特に頻度と振幅がどのように調節されるかを理解するために、研究チームはEGFR阻害剤ゲフィチニブ、または選択性の高いMAPK/ERKキナーゼ（MEK）阻害剤PD0325901（PD）を適用しました。2つの阻害剤は実際には若干異なる結果をもたらしました。ゲフィチニブは中濃度で脈動挙動と二峰性シフトを引き起こしましたが、PDではこれは観察されませんでした。研究チームはさらにEGFとPDを組み合わせ、ERK活性の頻度は量的変化によって調節され、振幅はMEK活性の変化によって調節されるという結論を導き出しました。最後に、ERK活性を直接推定することは技術的に困難であるため、ERK経路の下流エフェクターの一つであるFra-1に着目しました。 ERK経路の総合的な出力（周波数や振幅とは独立しているはず）が増殖率にどのように影響するかを理解するために、研究者らは幅広い範囲のEGFとPD濃度の組み合わせを用いて、実際には逆「L」字型の単一曲線関係が存在することを発見しました。これは、ERK経路の出力レベルが低い場合、シグナル強度の小さな変化が増殖率の大きな変化に対応するのに対し、ダイナミックレンジの上限付近でのシグナル強度の大きな変化は増殖にほとんど影響を与えないことを示唆しています。ERKシグナル伝達の変動は、現在の治療法の潜在的な問題を浮き彫りにし、がんにおけるERK経路への薬物標的化を考える上で新たな視点を提供します。

EGF刺激、周波数変調ERK活性パルス

増殖におけるミトゲンシグナルとストレスシグナルの統合

MCF10A細胞およびMCF7細胞を用いた最近の生細胞イメージング実験では、ERKを介したミトゲンシグナル伝達と、母細胞におけるp53活性化を介したストレスシグナルの組み合わせが、新たに形成された娘細胞が細胞周期に直ちに復帰するか、あるいは有糸分裂に先立つ静止期（G0）に入るかの決定に寄与することが示された[10] 。娘細胞は分裂後に重要なシグナル伝達タンパク質を持たずに開始するのではなく、ミトゲン/ERK誘導サイクリンD1 mRNAとDNA損傷誘導p53タンパク質（どちらも細胞内で長寿命な因子）が、細胞分裂後に母細胞から安定的に継承される。これらの調節因子のレベルは有糸分裂後に細胞ごとに異なり、それらの間の化学量論はCdk2の活性化を介して細胞周期の決定に強く影響する。 ERKシグナル伝達阻害剤またはp53シグナル伝達誘導剤を用いた母細胞における化学的撹乱は、p53タンパク質レベルが高くサイクリンD1転写産物レベルが低い娘細胞が主にG0期に移行するのに対し、サイクリンD1レベルが高くp53レベルが低い細胞は細胞周期に再突入する可能性が最も高いことを示唆している。これらの結果は、ERKを介したミトゲンシグナル伝達とp53を介したストレス応答の歴史を通して、コード化された分子記憶の一形態を示している。[11] [12]

臨床的意義

制御不能な増殖は、あらゆる癌の発生に不可欠なステップです。[13] 多くの癌（例えば、メラノーマ）では、MAP/ERK経路の欠陥が制御不能な増殖を引き起こします。多くの化合物がMAP/ERK経路の段階を阻害できるため、ホジキン病などの癌の治療薬として有望視されています。[14] [ 15] [16] [17] [18 ] [19]

この経路に作用することが承認された最初の薬剤は、 Rafキナーゼ阻害剤であるソラフェニブです。その他のRaf阻害剤には、SB590885、PLX4720、XL281、RAF265、エンコラフェニブ、ダブラフェニブ、ベムラフェニブなどがあります。[18]

MEK阻害剤としては、コビメチニブ、CI-1040、PD0325901、ビニメチニブ（MEK162）、セルメチニブ[18]、トラメチニブ（GSK1120212）[ 20]などがある。

マウスモデルを用いた実験では、経穴灸がアルコール誘発性胃粘膜障害を軽減する効果があることがわかっており、これは上皮成長因子/ERKシグナル伝達経路の活性をアップレギュレーションする効果と密接に関連している可能性がある。[21]

RAF-ERK 経路は、多発性奇形性疾患であるヌーナン症候群の病態生理にも関与しています。

タンパク質マイクロアレイ解析は、シグナル伝達経路におけるタンパク質活性の微妙な変化を検出するために使用できます。[22] MAP/ERKシグナル伝達経路のRAS成分を変化させる遺伝子の生殖細胞系列変異によって引き起こされる発達症候群は、RAS症候群と呼ばれます。

参照

参考文献

  1. ^ Orton RJ, Sturm OE, Vyshemirsky V, Calder M, Gilbert DR, Kolch W (2005年12月). 「受容体チロシンキナーゼ活性化MAPK経路の計算モデル化」. The Biochemical Journal . 392 (Pt 2): 249–61 . doi :10.1042/BJ20050908. PMC 1316260.  PMID 16293107  .
  2. ^ Schulze WX, Deng L, Mann M (2005). 「ErbB受容体キナーゼファミリーのホスホチロシンインタラクトーム」. Molecular Systems Biology . 1 (1): 2005.0008. doi :10.1038/msb4100012. PMC 1681463. PMID  16729043 . 
  3. ^ Zarich N, Oliva JL, Martínez N, et al. (2006年8月). 「Grb2はhSos1の内因性Ras-GEF活性の負の調節因子である」. Molecular Biology of the Cell . 17 (8): 3591–7 . doi :10.1091/mbc.E05-12-1104. PMC 1525251. PMID 16760435  . 
  4. ^ ab Avruch J, Khokhlatchev A, Kyriakis JM, et al. (2001). 「RasによるRafキナーゼの活性化：MAPキナーゼカスケードへのチロシンキナーゼのリクルートメント」. Recent Progress in Hormone Research . 56 (1): 127– 55. doi : 10.1210/rp.56.1.127 . PMID  11237210.
  5. ^ Pende M, Um SH, Mieulet V, et al. (2004年4月). 「S6K1,(-/-)/S6K2(-/-)マウスは周産期致死性を示し、ラパマイシン感受性の5'末端オリゴピリミジンmRNA翻訳と、ミトゲン活性化プロテインキナーゼ依存性S6キナーゼ経路を明らかにする」. Molecular and Cellular Biology . 24 (8): 3112–24 . doi :10.1128/MCB.24.8.3112-3124.2004. PMC 381608. PMID 15060135  . 
  6. ^ ab Meloche, et al.. 「G1期からS期への移行におけるマスターレギュレーターとしてのERK1/2マイトジェン活性化プロテインキナーゼ経路」Oncogene, vol. 26, no. 22, 2007, pp. 3227–3239., doi :10.1038/sj.onc.1210414.
  7. ^ abc シャンバール、ジャン＝クロード、他。 「細胞周期調節におけるERKの影響」 Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - 分子細胞研究、vol. 1773年、いいえ。 8、2007、pp. 1299–1310、doi :10.1016/j.bbamcr.2006.11.010。
  8. ^ abc 4. Yao, Guang, et al. 「制限点の根底にある双安定Rb-E2Fスイッチ」Nature Cell Biology, vol. 10, no. 4, 2008, pp. 476–482., doi :10.1038/ncb1711.
  9. ^ Albeck, John A G., et al. “ERK活性の周波数変調パルスは定量的な増殖シグナルを伝達する。” Molecular Cell, vol. 49, no. 2, 2013, pp. 249–261., doi :10.1016/j.molcel.2012.11.002.
  10. ^ 8. Yang, Hee Won, et al. “Mitogenとp53シグナル伝達の競合記憶が細胞周期開始を制御する.” Nature, vol. 549, no. 7672, 2017年6月, pp. 404–408., doi :10.1038/nature23880.
  11. ^ Yang, Hee Won, et al. “Mitogenとp53シグナル伝達の競合記憶が細胞周期開始を制御する.” Nature, vol. 549, no. 7672, 2017年6月, pp. 404–408., doi :10.1038/nature23880.
  12. ^ Kedziora, Katarzyna M., Jeremy E. Purvis. 「細胞生物学：記憶の持続」Nature, vol. 549, no. 7672, 2017年6月, pp. 343–344., doi :10.1038/nature23549.
  13. ^ Downward J (2003). 「癌治療におけるRASシグナル伝達経路の標的化」. Nature Reviews Cancer . 3 (1): 11– 22. doi :10.1038/nrc969. PMID  12509763. S2CID  43074411.
  14. ^ Hilger RA, Scheulen ME, Strumberg D (2002年12月). 「癌治療におけるRas-Raf-MEK-ERK経路」(PDF) . Onkologie . 25 (6): 511–8 . doi :10.1159/000068621. PMID  12566895. S2CID  26673969. 2012年10月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  15. ^ Sebolt-Leopold JS (2008年6月). 「RAS-ミトゲン活性化プロテインキナーゼ経路を標的とした癌治療薬開発の進歩」 . Clin. Cancer Res . 14 (12): 3651–6 . doi :10.1158/1078-0432.CCR-08-0333. PMID  18559577. 2011年9月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  16. ^ 星野 亮、茶谷 勇、矢森 剛、他 (1999年1月). 「ヒト腫瘍における41-/43-kDaミトゲン活性化プロテインキナーゼシグナル伝達経路の恒常的活性化」. Oncogene . 18 (3): 813–22 . doi : 10.1038/sj.onc.1202367 . PMID  9989833.
  17. ^ McCubrey JA, Steelman LS, Chappell WH, et al. (2007年8月). 「細胞増殖、悪性転換、薬剤耐性におけるRaf/MEK/ERK経路の役割」. Biochim. Biophys. Acta . 1773 (8): 1263–84 . doi :10.1016/j.bbamcr.2006.10.001. PMC 2696318. PMID 17126425  . 
  18. ^ abc Kwong-Kwok Wong (2009). 「Ras/Raf/MEK/ERK経路を標的とする抗がん剤の最近の開発」(PDF) . 2010年6月16日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  19. ^ Zheng B, Fiumara P, Li YV, et al. (2003年8月). 「ホジキン病におけるMEK/ERK経路の異常な活性化：CD30、CD40、RANKが共有するシグナル伝達経路が細胞増殖と生存を制御する」Blood . 102 (3): 1019–27 . doi : 10.1182/blood-2002-11-3507 . PMID  12689928.
  20. ^ 「癌臨床試験：BRAFにおけるGSK1120212の有効性を確認するための研究…」。2012年7月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年11月26日閲覧。
  21. ^ Zhang H, Guo H, Zhang YC, Liu M, Ai K, Su YM, Li MH, Li TL (2014). 「ラット胃潰瘍における灸介入による胃上皮成長因子受容体および細胞外シグナル制御キナーゼ1/2の発現への影響」. Zhen Ci Yan Jiu . 39 (5​​): 351– 7. PMID  25518106.
  22. ^ Calvert VS, Tang Y, Boveia V, Wulfkuhle J, Schutz-Geschwender A, Oliver DM, Liotta LA, Petricoin EF (2004). 「近赤外検出法を用いた逆相タンパク質マイクロアレイによるマルチプレックスタンパク質プロファイリングおよび検出の開発」Clinical Proteomics Journal . 1 (1): 81– 89. doi :10.1385/CP:1:1:081.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=MAPK/ERK_pathway&oldid=1293758637"