氮
第29卷第1期2009年2月
国际病理科学与临床杂志 htt p://www .gjbl
I nternati onal Journal of Pathol ogy and ClinicalMedicine
Vol .29 No .1
Feb . 2009
收稿日期:2008-11-05 修回日期:2008-12-22
作者简介：赵明哲，硕士研究生，主要从事磷酸化蛋白质组学和质谱技术的研究。通讯作者：姜勇,E 2mail:yjiang@fi m mu 基金项目：国家自然科学基金(30670828,30670829,30572151)；国家自然科学基金委员会-广东省人民政府自然科学联合基金
(U0632004)。 Thiswork was supported byNati onalNatural Science Foundati on (30670828,30670829,30572151)and Joint Fund of NSFC with the Guangdong Pr ovincial Government (U0632004).
赵明哲1,2，刘靖华2，李玉花1，姜勇2
(1.东北林业大学生命科学学院发育生物学实验室，哈尔滨150040;2.南方医科大学广东省蛋白质组学重点实验室，广州510515)
[摘要] 胞外信号调控激酶(ERK )是发现的第1个丝裂原活化蛋白激酶(MAPK )，它调控多种重要的细胞生 物学过程，包括细胞增殖、分化和凋亡等。ERK 信号级联反应能够特异地介导广泛的生物学过程，其机制主要是通过信号的反馈调控，与支架蛋白的相互作用，亚细胞定位的改变，在级联反应的每一个环节存在不同功能的多种组分，细胞内非磷酸酶抑制物和G 蛋白等的调控实现的。
[关键词] 激酶; 亚细胞定位; 支架蛋白; 信号调控
[中图分类号] R392.4 [文献标识码] A [文章编号] 167322588(2009)0120015205
Regul a tory m echan is m s of ERK si gna l tran sducti on pa thway
Z HAO M ingzhe
1,2
,L IU J inghua 2,L I Yuhua 1,J I A NG Yong
2
(1.L aboratory of D evelop m ental B iology,School of L ife Science,N ortheast Forestry U niversity,Harbin 150040;
2.Guang D ong Provincial Key Laboratory of Functional P roteo m ics,Southern M edical U niversity,Guangzhou 510515,China )
[Abstract] Extracellular signal 2regulated kinase (ERK ),the first m it ogen 2activated p r otein ki 2nase (MAPK )t o be identified,contr ols many kinds of i m portant cell bi ol ogical p r ocesses,such as cell p r oliferati on,differentiati on,apop t osis and more .MAPK signal cascade s pecificully regulates vari ous bi o 2l ogical p r ocesses,the mechanis m s of which including regulati on by feedback l oop s,interacti on with s pe 2cific scaffold p r oteins,changes in subcellular l ocalizati on,p resence of multi p le components with distinct functi ons in each tier of the cascade,nonphos phatase inhibit ors of ERK signaling and G p r otein .
[Key words] kinase; subcellular l ocalizati on; scaff old p r otein; signal regulati on
[I nt J Pathol Clin Med,2009,29(1):0015205]
丝裂原活化蛋白激酶(m it ogen 2activated p r otein kinase,MAPK )是真核生物中广泛存在的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。在哺乳动物中已经发现了4种不同的MAPK，它们分别是胞外信号调控激酶(extracellular signal 2regulated kinase,ERK )、c 2Jun N 末端激酶(c 2Jun N 2ter m inal kinase,JNK )、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38m it ogen 2activated p r otein ki 2nase,p38)和胞外信号调控激酶5(extracellular sig 2nal 2regulated kinase 5,ERK5)。MAPK 级联反应一
般由3至5个环节组成：丝裂原活化蛋白4激酶(m it ogen 2activated p r otein 4kinase,MAP4K )、丝裂原活化蛋白3激酶(MAP3K )、丝裂原活化蛋白2激酶(MAP2K )、MAPK 和MAPK 活化蛋白激酶(MAPK 2activating p r otein kinase,MAPK APK )，其中MAP3K,
MAP2K 和MAPK 是级联反应的中心(图1)[1]
。受
到刺激后MAP3K 磷酸化MAP2K 的Ser/Thr 残基并将其激活，双重特异性磷酸激酶MAP2K 磷酸化MAPK 的Thr/Tyr 残基并将其激活
[2]
。与其他
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MAPK 信号通路相比,ERK 级联反应可被多种刺激激活，如受体酪氨酸激酶、G 蛋白偶联受体(G 2p r o 2tein coup led recep t or,GPCR )等，并参与调控增殖、分
化、凋亡等过程
。
图1 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK )级联反应。 LAD：参与活化ERK5的一个接头蛋白;MNK:MAPK 相互作用丝氨酸/苏氨
关天经济区发展规划
酸激酶;MSK：一种MAPK APK，能够被ERK 和p38激活。
Fig .1 M it ogen 2activated p r otein kinase (MAPK )cascades . LAD:and adap t or p r otein that partici pates in the activati on of ERK5;
MNK:MAPK interacting serine /threonine kinase;MSK:a MAPK APK that can be activated by both EPK and p38.
1 ERK 信号通路的组成及转导
Ras/Raf/MEK/ERK 是ERK 通路的主要途
径
[3]
。Ras 是一条多肽链组成的单体蛋白，其分子
质量为21k D (1D =1u )，具有内源性GTP 酶活性，可催化GTP 分解为G DP 。Raf 是分子质量为40～75k D 的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr )蛋白激酶，为一种MAP3K，有A 2Raf,B 2Raf 和Raf 213种同工酶。
MEK (MAP kinase kinase )属于MAP2K 家族成员，有MEK1和MEK2两种亚型，分子质量分别为44kD 和45kD，能够磷酸化酪氨酸/苏氨酸(Tyr/Thr )残基,
其作用是磷酸化并激活下游底物ERK1/2。ERK 属于Ser/Thr 蛋白激酶，有ERK1和ERK2两种亚型，分子质量分别是44kD 和42k D 。ERK 下游的MAPK APK 主要是90kD 核糖体S6激酶(90kD ri 2bos omal S6kinase,RSK )，它可以独立地转位进入细
胞核并磷酸化一系列底物，如c 2Fos 、帽结合蛋白
(cap binding p r otein,CBP )等。
当细胞外刺激物(如生长因子)与相应受体结
合后，生长因子受体结合蛋白2(gr owth fact or recep 2t or 2bound p r otein 2,Grb2)与激活的受体结合，再与
鸟苷酸交换因子(guanine nucleotide exchange fact or,GEF )S OS 的C 端富含脯氨酸的序列相互作用形成受体2Grb22S OS 复合物。S OS 与受体或受体底物上的酪氨酸(Tyr )磷酸化位点结合，导致细胞质蛋白S OS 向膜转位，并在Ras 附近形成高浓度的S OS,S OS 与Ras 2G DP 结合，促使GTP 取代Ras 上的G DP
而活化Ras 。活化的Ras 作为衔接蛋白与Raf 结合，将Raf 从细胞质转移到细胞膜
[4]
河北大学人民武装学院。Raf 被Raf 激酶
激活后，其C 端催化区域能与MEK 结合，并使MEK 催化区中Thr 和Ser 磷酸化，从而使MEK 激活。MEK 可使ERK 的酶催化区域的TXY 基序磷酸化而无锡柴油机厂
活化。ERK 是Ras 丝裂原信号转导下游的核心元
6
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件。激活的ERK可促进细胞质靶蛋白磷酸化或调节其他蛋白激酶的活性，更重要的是激活的ERK进入核内，促进多种转录因子磷酸化，如ERK促进血清反应因子(seru m res ponse fact or,SRF)磷酸化，使其与含有血清反应元件(seru m res ponse ele ment, SRE)的靶基因启动子相结合，增强转录活性。
2 ERK信号转导的调控机制
2.1 反馈调控
ERK可以通过反馈调控来增加(正反馈)或者减弱(负反馈)ERK活性，从而实现对ERK信号强度和持续时间的控制。其中信号的持续时间是决定ERK信号输出的主要因素，如在PC12细胞中，表皮生长因子(ep ider mal gr owth fact or,EGF)能够引起细胞增殖，而神经生长因子(nerve gr owth fact or,NGF)则会引起轴突外向生长(分化)。进一步研究发现EGF刺激引起ERK短暂的激活，而NGF引起ERK 的持续激活，这是通过改变蛋白激酶C(p r otein kina2 ses C,PKC)的活性来实现的[5]，表明ERK介导的生物学效应与其信号的持续时间密切相关。
ERK通路的负反馈调控主要是通过该通路的几个核心激酶实现的。ERK可以磷酸化MEK1/2的Thr292和Thr212，阻碍p21激活蛋白1(p212activated kinase1,P AK1)对MEK活性的加强，进而减弱ERK 的活性[6]。ERK还可以在多个位点对Raf进行磷酸化,Raf的这种高度磷酸化阻碍了它与Ras2GTP的结合，并且促进蛋白磷酸酶2A(p r ortein phos phatae2A, PP2A)去磷酸化Ras2GTP，从而实现对ERK通路的负反馈调控。蛋白磷酸酶5(p r otein phos phatase5, PP5)是与Raf21相关的抑制因子，它能够选择性地使Raf21的Ser338去磷酸化，这是Raf21激活所必需的一个磷酸化位点。PP5介导Raf21的Ser338发生去磷酸化从而抑制了Raf21的活性，进而抑制MEK和ERK的活性[7]。ERK激活的负反馈调控可以限制信号的持续时间并且使信号通路恢复到基础水平。
ERK信号通路也存在正反馈调控。ERK对已经激活的Raf进行磷酸化可以使它的活性提高4倍，而且有些磷酸化位点与参与抑制Raf活性的位点是相同的。ERK对Raf磷酸化最终导致抑制还是激活的机制仍不清楚。双特异性磷酸酶6(dual s pe2 cificity phos phatase6,DUSP6)是一个双特异性磷酸酶，定位于细胞质中，它可以使ERK去磷酸化而失活。ERK能够磷酸化DUSP6的Ser159和Ser197，使DUSP6被蛋白酶降解[8]，从而延长ERK信号的持续
时间，增强ERK的活性。Cyclin D/CDK4,62pRB2 E2F通路处于多种丝裂原信号级联的下游，其中也包括ERK信号通路。E2F转录因子1(E2F tran2 scri p ti on fact or1,E2F1)能够诱导ERK发生磷酸化而激活，这是一个转录依赖的过程。ERK诱导细胞周期蛋白D1(cyclin D1)的表达，进而激活E2F1，这是细胞进入S期所必需的。两条信号通路之间存在正反馈调节，从而增强ERK和E2F1的活性[9]。
2.2 支架蛋白
支架蛋白(scaffold p r otein)形成多酶复合物不仅可以使激酶的级联反应组分在空间上靠近，而且可以保护级联反应不受其他无关刺激的影响，将信号快速转导至下游。MAPK信号通路的第一个支架蛋白Ste5p是在酵母中发现的[10]。Fus3和Kss1(两种MAPK)拥有共同的激活子Ste11p(MAP3K)和Ste7p(MAP2K),Fus3主要参与了酵母的交配反应，而Kss1主要参与菌丝的生长。Ste5p能够同时与Ste11p,Ste7p和Fus结合，但是Ste5p与Kss1的结合相对较弱。Kss1主要转导低水平、长时间和支架
蛋白非依赖性的信号，而Fus3则转导支架蛋白依赖性的信号，表明支架蛋白对ERK信号的转导发挥了重要的调控作用。
在调控哺乳动物信号级联反应中也有支架蛋白的存在，但是大部分的支架蛋白与酵母中发现的支架蛋白只有很少或者根本不存在序列的相似性。Ras1激酶抑制子(kinase supp ress or of Ras1,KSR1)是目前研究较为透彻的支架蛋白，是ERK级联反应的一个关键组分。在静息的细胞中,KSR1与M EK相互关联，而不是ER K或者Raf激酶。另外,KSR1还与c2Tak1(Cdc25C2associated kinase 1)、接头蛋白142323、非活化PP2A和抑制性E3泛素连接酶I M P1发生相互作用，其中c2Tak1可以组成性的磷酸化其Ser392,I M P1则有助于KSR1复合物在细胞质中定位。当受到刺激后,I M P1被Ras2GTP募集，导致I M P1发生泛素化并降解，同时, PP2A也被激活，并使KSR1的Ser392发生去磷酸化，这是142323蛋白脱离复合物的基本条件。这两个过程使得KSR1复合物转位并与细胞膜发生相互作用，进而募集活化的Raf1，易化MEK的激活[11]。同时,ERKs也被募集到活化的KSR1复合物，易化其磷酸化和激活，随后活化的ERKs从复合物中释放。释放的ERKs转位到细胞质或者细胞核中并介导ERKs依赖的细胞功能。
我心中的那片绿地71
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2.3 亚细胞定位
在许多信号系统中调控激酶均被限制在特定的细胞区域，这在蛋白激酶A(p r otein kinase A,PK A)信号通路中体现的最为充分。迄今已经发现了很多A激酶锚定蛋白。ERK的定位也对其功能发挥起重要的作用，不同的定位产生不同的生物学效应[12]，比如受到丝裂原刺激时，定位在细胞质中的ERK不能够激活c2f os启动子并使细胞进入S期。
在静息细胞中,ERK级联反应的各个组分主要定位于细胞质中，当受到细胞外刺激时,ERK级联反应的各个激酶组分在细胞质中的分布发生改变。Raf1与Ras发生相互作用而被募集到细胞膜,MEK, ERK和RSK从它们的锚定蛋白中释放，并且大多数信号分子发生转位进入细胞核。然而这些激酶并不含有核定位序列(nuclear l ocalizati on sequence, NLS)。最新研究发现这种核质穿梭可能是由于与核孔蛋白(nuclear pore p r otein,NUP)发生了直接的相互作用[13]。目前,ERK和MEK核转位的机制仍不清楚，需要更加深入的研究。
无论是在刺激前还是刺激后,ERK的定位很大程度上依赖于它们与多种调控蛋白发生相互作用。其中一种就是星形胶质细胞富含的一种磷酸化蛋白PEA215(phos phop r otein enriched in astr ocytes 15)[14]，它是一个广泛表达的15k D蛋白，含有一个死亡效应结构域(death2effect or2domain)。在细胞质中,PE A215与ERK结合，阻碍了ERK的核转位，但是并没有抑制其激酶活性，因此导致ERK在核中的
活性减少但并没有影响它在细胞质中的活性。PEA2 15阻碍ERK核转位的机制仍不清楚，可能是干扰了ERK与NUP的结合，也可能是PE A215的NES(nu2 clear export sequence)使得ERK保留在细胞质中，与MEK类似[15]。因此,PE A215作为一种细胞质调控蛋白，控制ERK信号与细胞质中靶目标的作用。2.4 级联反应各个环节存在多种亚型
MEK1和MEK2有80%的同源性,ERK1和ERK2也有70%的序列相似性，这些相似性主要集中在它们的激酶结构域。MEK1和MEK2在N端以及富含Pr o的区域只有40%同源性,ERK1和ERK2在N端和C端的侧翼序列同源性也比较低。MEK1和MEK2磷酸化ERK的能力是等同的,ERK1和ERK2也具有相似的激活动力学、细胞定位和底物，表明在大多数情况下它们的功能相似。
但是，基于生化特别是遗传学的研究发现，这些不同的亚型在调控功能上存在不同[16]。MEK1敲除导致的MEK12/2老鼠胚胎在10.5d左右死亡，主要是由于胎盘迷路区域血管发生的减少。另一方面, MEK22/2老鼠却可以存活和生殖，而且没有观察到表型的改变。ERK1缺陷小鼠可以存活、生殖、大小正常，但是胸腺细胞的成熟存在缺陷。此外这些小鼠纹状体的突触可塑性提高，可能是刺激依赖的ERK2磷酸化增高造成的。相反,ERK2缺陷的小鼠在发育早期死亡(平均6.5d)。总之，在调控某些生物过程的时候MEK1/2和ERK1/2的功能似乎存在冗余，但是在特定的条件下它们也展示了不同的功能，扩展了ERK级联反应的特异性。
2.5 非磷酸酶抑制物
非磷酸酶抑制物Raf激酶抑制子蛋白(Raf ki2 nase inhibit or p r otein,RKI P)能够同时与Raf和MEK 结合，但是这却阻碍了它们的相互作用。下调内源性的RKI P能够激活ERK通路，说明在体内RKI P是ERK信号的负调控因子。另外，受到丝裂原刺激后,RKI P与Raf发生分离从而激活MEK。在转移癌细胞中RKI P下调，而且与细胞迁移有一定关系，因此,RKI P可能是转移癌的抑制因子[17]。
2.6 G蛋白
7次跨膜结构域受体(seven trans me mbrane2do2 main recep t or,7T MR)，也称为G蛋白偶联受体(G2 p r otein2coup led recep t ors,GPCR s)。7T MR激活ERK 信号通路起始于G蛋白的激活，对ERK信号通路的调控主要是通过支架蛋白β2抑制蛋白(β2arrestins)来完成[18]。β2抑制蛋白能够使膜表面受体内化，进而阻碍G蛋白的激活，同时它还能够与其他的信号分子结合，启动新的信号通路。
整合素(integrin)介导的细胞黏附胞外基质蛋白能够激活ERK信号通路,GPCR介导的ERK的活化也是通过整合素依赖的方式。在转染的HEK293和NG108215(neur oblast oma×gli oma杂交细胞)细胞中,δ2阿片肽受体(δ2op i oid recep t or,DOR)能够以整合素依赖的方式激活ERK信号通路，而且DOR 介导的整合素的激活对磷脂酶C(phos pholi pase C, P LC)敏感[19]。
2.7 其他
在大鼠心肌细胞中，质膜Na+/H+交换子1 (p las ma me mbrane Na+/H+exchanger1,NHE1)的阻断可以抑制收缩引起的Raf21和ERK的激活，而对血管紧张素Ⅱ(angi otensin,AngⅡ)和内皮素1
第1期赵明哲，等:ERK信号通路的信号转导调控机制第29卷
(endothelin1,ET21)所诱导的ERK的激活却没有影响。另外在大鼠大动脉平滑肌细胞中,AngⅡ可以激活NHE1和ERK，阻断NHE1或者去除胞外的Na+后ERK活性大大降低[20]。提示NHE1可能是存在于ERK上游的调控因子。
3 展望
ERK信号通路是最重要的信号转导途径之一，它能够调节细胞的增殖、分化等多种生物反应，甚至在行为反应和认知方面如学习、记忆等方面也起关键作用。异常的ERK信号通路会诱发许多病变，如肿瘤生成等，所以许多MEK和ERK抑制剂得以开发，如非甾体抗炎症药物(non2ster oidal anti2infla m2 mat ory drug,NS A I D)NS398，能够阻断Ras和c2Raf 的相互作用，抑制ERK信号通路的激活[21]，从而使基质金属蛋白酶22(matrix metall op r oteinase22,MMP2 2)失活，抑制癌细胞的生长和肿瘤转移。但是由于ERK信号通路调控的复杂性，使得这些抑制剂存在很多副作用。因此，研究ERK信号转导通路的调控机制有助于到直接调控ERK功能的蛋白和阐明其如何参与ERK相关疾病，从而开发出靶向性更好、副作用更小的药物。
参 考 文 献
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