Una proteína quinasa activada por mitógenos ( MAPK o MAP quinasa ) es un tipo de proteína quinasa que es específica de los aminoácidos serina y treonina (es decir, una proteína quinasa específica de serina/treonina ). Las MAPK participan en la dirección de las respuestas celulares a una amplia gama de estímulos, como mitógenos , estrés osmótico , choque térmico y citoquinas proinflamatorias . Regulan funciones celulares que incluyen proliferación , expresión genética , diferenciación , mitosis , supervivencia celular y apoptosis . [1]
Las MAP quinasas se encuentran únicamente en eucariotas , pero son bastante diversas y se encuentran en todos los animales, hongos y plantas, e incluso en una variedad de eucariotas unicelulares. [ cita necesaria ]
Las MAPK pertenecen al grupo de las quinasas CMGC (CDK/MAPK/GSK3/CLK). Los parientes más cercanos de las MAPK son las quinasas dependientes de ciclina (CDK). [2]
La primera proteína quinasa activada por mitógenos descubierta fue la ERK1 ( MAPK3 ) en mamíferos. Dado que ERK1 y su pariente cercano ERK2 ( MAPK1 ) están involucrados en la señalización del factor de crecimiento, la familia se denominó "activada por mitógenos". Con el descubrimiento de otros miembros, incluso de organismos distantes (por ejemplo, plantas), se ha vuelto cada vez más claro que el nombre es inapropiado, ya que la mayoría de las MAPK en realidad están involucradas en la respuesta a estímulos de estrés abiótico potencialmente dañinos (hiperosmosis, estrés oxidativo, Daño al ADN, baja osmolaridad, infección, etc.). Debido a que las plantas no pueden "huir" del estrés, las plantas terrestres tienen la mayor cantidad de genes MAPK por organismo jamás encontrada [ cita necesaria ] . Por tanto, el papel de las quinasas ERK1/2 de mamíferos como reguladores de la proliferación celular no es una función genérica, sino altamente especializada.
La mayoría de las MAPK tienen una serie de características compartidas, como la activación que depende de dos eventos de fosforilación , una arquitectura de vía de tres niveles y sitios de reconocimiento de sustrato similares. Estas son las MAP quinasas "clásicas". Pero también hay algunos valores atípicos antiguos del grupo esbozado anteriormente, que no tienen sitios de fosforilación duales, solo forman vías de dos niveles y carecen de las características requeridas por otras MAPK para la unión al sustrato. Suelen denominarse MAPK "atípicas". [3] Aún no está claro si las MAPK atípicas forman un solo grupo a diferencia de las clásicas. [ se necesita aclaración ]
La familia de quinasas MAPK de mamíferos incluye tres subfamilias:
Generalmente, las ERK son activadas por factores de crecimiento y mitógenos , mientras que el estrés celular y las citoquinas inflamatorias activan las JNK y p38. [4]
Las proteínas quinasas activadas por mitógenos son catalíticamente inactivas en su forma básica. Para volverse activos, requieren eventos de fosforilación (potencialmente múltiples) en sus bucles de activación. Esto lo llevan a cabo enzimas especializadas del grupo de proteínas quinasas STE. De esta manera, la dinámica de las proteínas puede inducir un cambio conformacional en la estructura de la proteína mediante alosteria de largo alcance .
En el caso de las MAP quinasas clásicas, el bucle de activación contiene un motivo TxY (treonina-x-tirosina) característico (TEY en ERK1 y ERK2 de mamíferos , TDY en ERK5 , TPY en JNK , TGY en p38 quinasas ) que necesita ser fosforilado en tanto los residuos de treonina como los de tirosina para bloquear el dominio quinasa en una conformación catalíticamente competente. In vivo e in vitro , la fosforilación de tirosina a menudo precede a la fosforilación de treonina, aunque la fosforilación de cualquiera de los residuos puede ocurrir en ausencia del otro. [ cita necesaria ]
Esta fosforilación del bucle de activación en tándem (que se propuso que fuera distributiva o procesiva, dependiendo del entorno celular) la realizan miembros de la familia de proteínas quinasas Ste7, también conocidas como quinasas MAP2 . Las MAP2 quinasas, a su vez, también se activan mediante fosforilación, mediante varias serina-treonina quinasas aguas arriba diferentes ( MAP3 quinasas ). Debido a que las MAP2 quinasas muestran muy poca actividad en sustratos distintos de su MAPK afín, las vías clásicas de MAPK forman vías de varios niveles, pero relativamente lineales. Estas vías pueden transmitir eficazmente estímulos desde la membrana celular (donde se activan muchas MAP3K) al núcleo (donde sólo pueden entrar las MAPK) o a muchos otros objetivos subcelulares. [ cita necesaria ]
En comparación con las vías MAPK clásicas de tres niveles, algunas MAP quinasas atípicas parecen tener un sistema más antiguo de dos niveles. Recientemente se demostró que ERK3 (MAPK6) y ERK4 (MAPK4) están directamente fosforiladas y, por lo tanto, activadas por las quinasas PAK (relacionadas con otras quinasas MAP3). [6] A diferencia de las MAP quinasas clásicas, estas MAPK atípicas requieren solo un residuo en sus bucles de activación para ser fosforiladas. Se desconocen los detalles de la activación de NLK y ERK7 (MAPK15).
La inactivación de MAPK se realiza mediante varias fosfatasas . Una familia muy conservada de fosfatasas dedicadas es la denominada MAP quinasa fosfatasas (MKP), un subgrupo de fosfatasas de doble especificidad (DUSP). [7] Como su nombre lo indica, estas enzimas son capaces de hidrolizar el fosfato de los residuos de fosfotirosina y fosfotreonina. Dado que la eliminación de cualquiera de los grupos fosfato reducirá en gran medida la actividad MAPK, esencialmente aboliendo la señalización, algunas tirosina fosfatasas también participan en la inactivación de las MAP quinasas (p. ej., las fosfatasas HePTP , STEP y PTPRR en mamíferos).
Como se mencionó anteriormente, las MAPK generalmente forman vías de varios niveles y reciben entradas varios niveles por encima de la MAP quinasa real. En contraste con el mecanismo de activación relativamente simple y dependiente de la fosforilación de las MAPK y MAP2K , las MAP3K tienen una regulación sorprendentemente compleja. Muchos de los MAP3K más conocidos , como c-Raf , MEKK4 o MLK3, requieren múltiples pasos para su activación. Por lo general, se trata de enzimas controladas alostéricamente, estrechamente bloqueadas en un estado inactivo mediante múltiples mecanismos. El primer paso en el camino hacia su activación consiste en aliviar su autoinhibición mediante un ligando más pequeño (como Ras para c-Raf , GADD45 para MEKK4 [10] o Cdc42 para MLK3 [11] ). Esto sucede comúnmente (pero no siempre) en la membrana celular, donde se unen la mayoría de sus activadores (tenga en cuenta que las proteínas G pequeñas están constitutivamente asociadas a la membrana debido a la prenilación ). A ese paso le sigue la homodimerización y heterodimerización de lado a lado de sus dominios quinasa ahora accesibles. Las estructuras complejas determinadas recientemente revelan que los dímeros se forman en una orientación que deja libres ambas regiones de unión al sustrato. [12] Es importante destacar que este evento de dimerización también obliga a los dominios de la quinasa MAP3 a adoptar una conformación parcialmente activa. La actividad completa sólo se logra una vez que estos dímeros se transfosforilan entre sí en sus bucles de activación. Este último paso también se puede lograr o ayudar mediante proteínas quinasas auxiliares (MAP4 quinasas, miembros de la familia Ste20). Una vez que una MAP3 quinasa está completamente activa, puede fosforilar sus sustratos MAP2 quinasas, que a su vez fosforilarán sus sustratos MAP quinasa. [ cita necesaria ]
La vía ERK1/2 de los mamíferos es probablemente el sistema MAPK mejor caracterizado. Los activadores anteriores más importantes de esta vía son las proteínas Raf ( A-Raf , B-Raf o c-Raf ), los mediadores clave de la respuesta a los factores de crecimiento ( EGF , FGF , PDGF , etc.); pero otros MAP3K como c-Mos y Tpl2/Cot también pueden desempeñar el mismo papel. Todas estas enzimas fosforilan y activan así las quinasas MKK1 y/o MKK2 , que son activadores altamente específicos de ERK1 y ERK2 . Estos últimos fosforilan una serie de sustratos importantes para la proliferación celular , la progresión del ciclo celular , la división y diferenciación celular ( quinasas RSK , factor de transcripción Elk-1 , etc.)
En contraste con la vía ERK1/2 relativamente bien aislada , las quinasas p38 y JNK de mamíferos tienen la mayoría de sus activadores compartidos en el nivel MAP3K ( MEKK1 , MEKK4 , ASK1 , TAK1 , MLK3 , TAOK1 , etc.). Además, algunas enzimas MAP2K pueden activar tanto p38 como JNK ( MKK4 ), mientras que otras son más específicas para JNK ( MKK7 ) o p38 ( MKK3 y MKK6 ). Debido a estos entrelazamientos, hay muy pocos o ningún estímulo que pueda provocar la activación de JNK sin activar simultáneamente p38 o revertirlo. [13] Tanto las vías de señalización JNK como p38 responden a estímulos de estrés, como citoquinas , irradiación ultravioleta , choque térmico y choque osmótico , y están involucradas en la adaptación al estrés , la apoptosis o la diferenciación celular . Las JNK tienen una serie de sustratos dedicados que solo ellos pueden fosforilar ( c-Jun , NFAT4 , etc.), mientras que las p38 también tienen algunos objetivos únicos (por ejemplo, las quinasas MAPKAP MK2 y MK3 ), lo que garantiza la necesidad de ambas para responder a estímulos estresantes.
ERK5 es parte de una vía bastante bien separada en mamíferos. Su único activador ascendente específico, MKK5, se activa en respuesta a las quinasas MAP3 MEKK2 y MEKK3 . La especificidad de estas interacciones la proporciona la arquitectura única de MKK5 y MEKK2/3, ambos con dominios PB1 N-terminales, lo que permite la heterodimerización directa entre sí. [14] El dominio PB1 de MKK5 también contribuye a la interacción ERK5-MKK5: proporciona una interfaz especial (además del motivo D que se encuentra en MKK5) a través de la cual MKK5 puede reconocer específicamente su sustrato ERK5. [15] Aunque los detalles a nivel molecular son poco conocidos, MEKK2 y MEKK3 responden a ciertas señales de desarrollo para dirigir la formación de endotelios y la morfogénesis cardíaca . Si bien también está implicada en el desarrollo del cerebro, la letalidad embrionaria de la inactivación de ERK5 debido a anomalías cardíacas subraya su papel central en la vasculogénesis de los mamíferos . [16] Es de destacar que la desactivación condicional de ERK5 en animales adultos también es letal, debido a la alteración generalizada de las barreras endoteliales . [17] Se cree que las mutaciones en los componentes anteriores de la vía ERK5 (el complejo CCM) subyacen a las malformaciones cavernosas cerebrales en humanos.
Las vías MAPK de los hongos también están bien estudiadas. En la levadura, Fus3 MAPK es responsable de la detención del ciclo celular y el apareamiento en respuesta a la estimulación de feromonas. La feromona factor alfa es detectada por un receptor transmembrana siete . El reclutamiento y la activación de los componentes de la vía Fus3 dependen estrictamente de la activación de la proteína G heterotrimérica . La vía de apareamiento MAPK consta de tres niveles (Ste11-Ste7-Fus3), pero las quinasas MAP2 y MAP3 se comparten con otra vía, la Kss1 o vía de crecimiento filamentoso. Si bien Fus3 y Kss1 son quinasas de tipo ERK estrechamente relacionadas, las células de levadura aún pueden activarlas por separado, con la ayuda de una proteína de andamio Ste5 que es reclutada selectivamente por las proteínas G de la vía de apareamiento. El truco es que Ste5 puede asociarse y "desbloquear" Fus3 para Ste7 como sustrato en un complejo terciario, mientras que no hace lo mismo para Kss1, dejando que la vía de crecimiento filamentoso se active solo en ausencia de reclutamiento de Ste5. [18]
Los hongos también tienen una vía que recuerda a la señalización JNK/p38 de los mamíferos. Esta es la vía Hog1: activada por una alta osmolaridad (en Saccharomyces cerevisiae ) o una serie de otros estreses abióticos (en Schizosaccharomyces pombe ). La quinasa MAP2 de esta vía se llama Pbs2 (relacionada con MKK3/4/6/7 de mamífero), las quinasas MAP3 dedicadas involucradas en la activación son Ssk2 y SSk22. El sistema en S. cerevisiae se activa mediante un sofisticado módulo osmosensivo que consta de las proteínas Sho1 y Sln1, pero aún no está claro cómo otros estímulos pueden provocar la activación de Hog1. La levadura también muestra otras vías MAPK sin homólogos cercanos en animales, como la vía de integridad de la pared celular (Mpk1/Slt2) o la vía de esporulación (Smk1). [19]
A pesar del gran número de genes MAPK, las vías MAPK de las plantas superiores se estudiaron menos que las de los animales o los hongos. Aunque su señalización parece muy compleja, las quinasas MPK3, MPK4 y MPK6 de Arabidopsis thaliana son mediadoras clave de las respuestas al shock osmótico , al estrés oxidativo , a la respuesta al frío y participan en las respuestas antipatógenos. [20] [21] [22] Asai et al. El modelo de inmunidad mediada por MAPK de 2002 pasa la señal de reconocimiento de efector de FLS2 ⇨ MEKK1 ⇨ MKK4 o MKK5 ⇨ MPK3 y MPK6 ⇨ WRKY22 o WRKY29. [22] Sin embargo, el trabajo de Mészáros et al. 2006 y Suárez-Rodríguez et al. 2007 dan otras órdenes para esta vía y es posible que sean vías paralelas que funcionen simultáneamente. [22] También participan en la morfogénesis , ya que los mutantes MPK4 muestran un enanismo severo . [23]
Se pueden encontrar miembros de la familia MAPK en todos los organismos eucariotas examinados hasta ahora. En particular, tanto las MAP quinasas clásicas como las atípicas se remontan a la raíz de la radiación de los principales grupos eucariotas. Las plantas terrestres contienen cuatro grupos de MAPK clásicas (MAPK-A, MAPK-B, MAPK-C y MAPK-D) que participan en respuesta a innumerables estreses abióticos. [25] Sin embargo, ninguno de estos grupos puede equipararse directamente con los grupos de MAPK clásicas que se encuentran en opistocontes (hongos y animales). En este último, los subgrupos principales de MAPK clásicas forman la rama similar a ERK/Fus3 (que se subdivide en metazoos en subgrupos ERK1/2 y ERK5), y las quinasas tipo p38/Hog1 (que también se ha dividido en los subgrupos p38 y JNK en animales multicelulares). [26] Además, hay varias MAPK tanto en hongos como en animales, cuyos orígenes son menos claros, ya sea debido a la alta divergencia (por ejemplo, NLK) o debido a que posiblemente sean una rama temprana de toda la familia MAPK (ERK3, ERK4, ERK7). En los vertebrados, debido a las duplicaciones del genoma completo de los gemelos después de la división cefalocordado/vertebrado, [27] hay varios parálogos en cada grupo. Por lo tanto, ERK1 y ERK2 corresponden a la quinasa enrollada de Drosophila , JNK1, JNK2 y JNK3 son todos ortólogos de la canasta de genes en Drosophila . Aunque entre el grupo p38, p38 alfa y beta son pares claramente parálogos, al igual que p38 gamma y delta en los vertebrados, el momento de la división de bases es menos claro, dado que muchos metazoos ya poseen múltiples homólogos de p38 (hay tres p38- tipo quinasas en Drosophila , Mpk2 ( p38a ), p38b y p38c ). La única proteína ERK5 parece desempeñar una función muy especializada (esencial para el desarrollo vascular en los vertebrados) dondequiera que esté presente. Este linaje ha sido eliminado en los protóstomos , junto con sus componentes de la vía aguas arriba (MEKK2/3, MKK5), aunque están claramente presentes en cnidarios , esponjas e incluso en ciertos organismos unicelulares (por ejemplo, el coanoflagelado Monosiga brevicollis ) estrechamente relacionados con los orígenes de animales multicelulares. [28]
La división entre las MAP quinasas clásicas y algunas atípicas se produjo bastante temprano. Esto lo sugiere no sólo la alta divergencia entre los genes existentes, sino también los recientes descubrimientos de MAPK atípicas en eucariotas basales primitivos. La secuenciación del genoma de Giardia lamblia reveló la presencia de dos genes MAPK, uno de ellos similar a las ya conocidas MAPK de los mamíferos (ERK, p38, etc.), y el otro que muestra similitudes con la proteína ERK7 de los mamíferos. [29] La situación es similar en la ameba multicelular Dictyostelium discoideum , donde la proteína ddERK1 parece ser una MAPK clásica, mientras que ddERK2 se parece más a nuestras proteínas ERK7 y ERK3/4. [30] Las MAPK atípicas también se pueden encontrar en plantas superiores, aunque son poco conocidas. De manera similar a la situación en los mamíferos, la mayoría de los aspectos de las MAPK atípicas no están caracterizados debido a la falta de investigación centrada en esta área.
Como es típico del grupo de las quinasas CMGC, el sitio catalítico de las MAP quinasas tiene una secuencia consenso muy flexible para los sustratos . Como todos sus parientes, sólo requieren que los aminoácidos diana serina / treonina vayan seguidos de un pequeño aminoácido, preferiblemente prolina ("quinasas dirigidas a prolina"). Pero como los sitios SP/TP son extremadamente comunes en todas las proteínas, se han desarrollado mecanismos adicionales de reconocimiento de sustratos para garantizar la fidelidad de la señalización. [31] A diferencia de sus parientes más cercanos, las quinasas dependientes de ciclina (CDK), donde los sustratos son reconocidos por la subunidad de ciclina , las MAPK se asocian con sus sustratos a través de regiones de unión auxiliares en sus dominios de quinasa. La región más importante de este tipo está formada por el surco de acoplamiento hidrofóbico y la región CD cargada negativamente. Juntos reconocen el llamado acoplamiento MAPK o motivos D (también llamado motivo de interacción quinasa / KIM). Los motivos D consisten esencialmente en uno o dos aminoácidos cargados positivamente, seguidos de residuos hidrofóbicos alternos (principalmente leucinas), típicamente aguas arriba del sitio de fosforilación por 10 a 50 aminoácidos. [32] Muchos de los sustratos de MAPK conocidos contienen motivos D que no solo pueden unirse a ciertas MAPK, sino que también pueden proporcionar un reconocimiento específico por parte de ellas. Los motivos D no se limitan a los sustratos: las quinasas MAP2 también contienen motivos en sus extremos N que son absolutamente necesarios para la interacción MAP2K-MAPK y la activación de MAPK. [33] De manera similar, tanto las MAP quinasas fosfatasas de especificidad dual como las tirosina fosfatasas específicas de MAP se unen a las MAP quinasas a través del mismo sitio de acoplamiento. [34] [35] Los motivos D incluso se pueden encontrar en ciertos andamios y reguladores de la vía MAPK (por ejemplo, en las proteínas JIP de los mamíferos).
También existen otros sitios de unión a sustratos menos caracterizados. Uno de esos sitios (el sitio DEF) está formado por el bucle de activación (cuando está en la conformación activa) y el inserto específico de MAP quinasa debajo de él. Este sitio puede acomodar péptidos con una secuencia consenso de FxFP, normalmente aguas abajo del sitio de fosforilación. [36] Tenga en cuenta que este último sitio solo se puede encontrar en proteínas que necesitan reconocer selectivamente las MAP quinasas activas, por lo que se encuentran casi exclusivamente en sustratos. Diferentes motivos pueden cooperar entre sí, como en la familia de factores de transcripción Elk, que poseen tanto un motivo D como un motivo FxFP. La presencia de un motivo FxFP en la proteína de andamio KSR1 también sirve para convertirla en un sustrato de ERK1/2, proporcionando un mecanismo de retroalimentación negativa para establecer la fuerza correcta de activación de ERK1/2.
Desde el descubrimiento de Ste5 en la levadura, los científicos han estado buscando descubrir elementos similares de la vía de andamiaje no enzimático en los mamíferos. De hecho, hay una serie de proteínas involucradas en la señalización de ERK, que pueden unirse a múltiples elementos de la vía: MP1 se une tanto a MKK1/2 como a ERK1/2, KSR1 y KSR2 pueden unirse a B-Raf o c-Raf, MKK1/2 y ERK1/2. También se descubrieron proteínas análogas para la vía JNK: se demostró que las familias de proteínas JIP1 / JIP2 y JIP3 /JIP4 se unen a MLK, MKK7 y cualquier quinasa JNK. Desafortunadamente, a diferencia de la levadura Ste5, los mecanismos mediante los cuales regulan la activación de MAPK se conocen considerablemente menos. Si bien Ste5 en realidad forma un complejo ternario con Ste7 y Fus3 para promover la fosforilación de este último, las proteínas de andamio conocidas de los mamíferos parecen funcionar mediante mecanismos muy diferentes. Por ejemplo, KSR1 y KSR2 son en realidad quinasas MAP3 y están relacionadas con las proteínas Raf. [37] Aunque las KSR por sí solas muestran una actividad quinasa MAP3 insignificante, las proteínas KSR aún pueden participar en la activación de las quinasas Raf formando heterodímeros de lado a lado con ellas, proporcionando un par alostérico para activar cada enzima. [38] Las JIP, por otro lado, aparentemente son proteínas de transporte, responsables del enriquecimiento de los componentes de señalización de MAPK en ciertos compartimentos de las células polarizadas. [39] En este contexto, la fosforilación de JIP1 (y posiblemente de JIP2) dependiente de JNK proporciona una señal para que los JIP liberen los componentes de la vía ascendente inactivos y unidos a JIP, generando así un fuerte circuito de retroalimentación positiva local. [40] Este mecanismo sofisticado combina el transporte dependiente de cinesina con la activación local de JNK, no solo en mamíferos, sino también en la mosca de la fruta Drosophila melanogaster . [41]
Dado que la vía de señalización de ERK está implicada en la proliferación celular tanto fisiológica como patológica, es natural que los inhibidores de ERK1/2 representen una clase deseable de agentes antineoplásicos . De hecho, muchas de las mutaciones "impulsoras" protooncogénicas están ligadas a la señalización de ERK1/2, como las tirosina quinasas receptoras constitutivamente activas (mutantes) , las proteínas Ras o Raf . Aunque no se desarrollaron inhibidores de MKK1/2 o ERK1/2 para uso clínico, los inhibidores de quinasa que también inhiben las quinasas Raf (por ejemplo, Sorafenib ) son agentes antineoplásicos exitosos contra varios tipos de cáncer. [42] [43] El inhibidor de MEK cobimetinib se ha investigado en modelos preclínicos de cáncer de pulmón en combinación con la inhibición de la vía PI3K , donde los dos fármacos conducen a una respuesta sinérgica. [44] [45]
Las JNK quinasas están implicadas en el desarrollo de resistencia a la insulina en individuos obesos [46], así como en la excitotoxicidad de neurotransmisores después de condiciones isquémicas. La inhibición de JNK1 mejora la resistencia a la insulina en ciertos modelos animales. Los ratones que fueron modificados genéticamente para carecer de un gen JNK3 funcional (la principal isoforma del cerebro) muestran una mayor tolerancia isquémica y recuperación del accidente cerebrovascular. [47] Aunque se están desarrollando inhibidores de JNK de molécula pequeña, ninguno de ellos demostró ser eficaz en pruebas en humanos todavía. También se está desarrollando clínicamente un inhibidor de JNK basado en péptidos (AM-111, un péptido con motivo D retroinverso de JIP1, anteriormente conocido como XG-102) para la pérdida auditiva neurosensorial . [48]
Alguna vez se creyó que p38 era un objetivo perfecto para los medicamentos antiinflamatorios. Sin embargo, el fracaso de más de una docena de compuestos químicamente diferentes en la fase clínica sugiere que las p38 quinasas podrían ser objetivos terapéuticos deficientes en las enfermedades autoinmunes . Se descubrió que muchos de estos compuestos eran hepatotóxicos en diversos grados y se desarrolló tolerancia al efecto antiinflamatorio en cuestión de semanas. [49] Un enfoque alternativo es evaluar el potencial para apuntar a MAPK ascendentes, como ASK1 . [50] Los estudios en modelos animales de artritis inflamatoria han arrojado resultados prometedores, y recientemente se ha descubierto que ASK1 es única entre las MAPK porque es inducible por citocinas inflamatorias como el TNF-α . [50]
