细胞信号通路MAPK信号通路分析详解

导读

RTKs既是承接胞外信号的细胞膜受体，也是将信号传递至细胞内的“中转站”。本期我们将打开细胞的大门，走进细胞，学习一种重要的细胞内信号传递通路，感受信号通路从胞外进入胞内，直到进入核内并调控基因的表达、诱导特定生理效应产生的神奇过程。

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前言

促分裂素原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPK)信号通路是真核生物信号传递网络中的重要途径之一，是细胞增殖、分化、细胞凋亡以及正常条件和病理条件下应激反应的关键信号通路。MAPK 是一组进化保守的丝氨酸-苏氨酸激酶，可分为4个亚族：ERK、p38、JNK和BMK1（也称：ERK5），分别代表四条经典的MAPK通路。

MAPK信号通路是一个级联磷酸化的过程，核心成员包括：MAP kinase kinase kinase ( MAPKKK或MKKK)、MAP kinase kinase (MAPKK或MKK)和MAP Kinase（MAPK）。目前，已经分别有25、7、13种MAPKKK、MAPKK、MAPK被鉴定出。其中，以RAF为代表的MAPKKK，作用于以MEK为代表的MAPKK，使之磷酸化并活化，活化的MEK再作用于MAPK家族信号分子，使之磷化并活化，活化的MAPK进入细胞核内调节转录调控。

图 1. MAPK的四条经典通路

RAS-Raf-MEK 1/2-ERK 1/2 通路

1.1 信号传递过程

目前，MAPK家族中研究最为广泛的是ERK1/ERK2激酶。该通路的具体过程是：胞外的生长因子如EGF，激活酪氨酸激酶受体（如EGFR），提供接头蛋白GRB2的结合位点，招募SOS蛋白到细胞膜上。SOS通过消耗GTP活化Ras形成Ras-GTP。

图 2. Ras的下游蛋白

如上图所示，Ras活化后可以与下游多个蛋白产生效应，包括：AF6、PI3K、PLCε、RAF等。其中，Ras-GTP通过将Raf蛋白招募到质膜上后，使其被其他多种激酶(PKA、PAK、SRC)磷酸化，激活其激酶功能。Raf蛋白家族包含BRAF、ARAF和CRAF（Raf1），BRAF在恶性肿瘤形成、发展过程中发挥重要作用。

活化的Raf激酶再进一步与下游的MEK 1/2结合并使ERK1/2激活。激活的ERK1/2 能够继续磷酸化ELK1, ETS, FOS, JUN, MYC 和SP1等转录因子，诱导与细胞周期与细胞增殖有关的基因表达；此外，激活的ERK1/2 也可以磷酸化多种细胞内的激酶，例如：RAKs、MSKs、MNKs，这些激酶对细胞的增殖和粘附产生作用。

1.2 信号通路与肿瘤

下图是不同实体瘤中发现的与RTK/RAS/RAF 通路相关的突变，这条信号通路与多个癌种的发生密切相关，针对这条通路上的关键靶点，已成功上市多个药物。

图 3. 实体瘤中与Ras-Raf-MEK通路有关的突变

1.2.1 Ras与肿瘤

Ras是一种GTP结合蛋白，主要包括：H-Ras/K-Ras/N-Ras，三者相互间具有85％的氨基酸同源序列，是癌症研究的重要靶标。其中， Kras是Ras家族中最常出现的亚型，占Ras基因突变总数的85%。研究发现，Kras在90 % 胰腺导管癌中均发现突变；此外，在黑色素瘤中，Ras突变近于28％左右，其中N-Ras为主要突变体（93％）。

虽然Ras与肿瘤的发生发展密切相关，但是目前仍未有直接针对Ras的靶向药物上市。最主要一个原因在于Ras蛋白的无特征、近乎球形的结构，无明显结合位点，因此在很长一段时间都被当做“不可成药靶点”。但是近年来，针对共价抑制剂研究和靶向降解剂的出现使得靶向KRAS突变体成为可能。

图 4. 针对该通路各个环节开发靶向药物

1.2.2 BRAF与肿瘤

RAF基因家族包含BRAF、ARAF和CRAF，其中，BRAF在恶性肿瘤形成、发展过程中发挥重要作用。BRAF最常见突变形式为第15外显子的第1,799位核苷酸上T突变为A，导致其编码的缬氨酸变为谷氨酸，即BRAF V600E突变（占BRAF所有突变的80 %）。这一突变使BRAF蛋白持续激活，活性提高约500倍，并且能够不依赖于上游RAS激酶单体，持续激活下游的ERK，最终导致细胞的无限增殖和分裂。

目前针对BRAF单靶点/多靶点的药物主要有：达拉非尼、瑞戈非尼、维罗非尼、索拉非尼等。

1.2.3 MEK与肿瘤

MEK1/2作为易突变的蛋白Ras、Raf下游蛋白，因此也可以作为一个靶点。目前，该靶点获批的抑制剂主要用于黑色素瘤以及肺腺癌，如曲美替尼（trametinib）、司美替尼（selumetinib）等。

1.2.4 ERK与肿瘤

ERK激酶是MEK激酶的唯一下游靶点，研究显示，靶向于ERK靶点的抑制剂能够有效阻断RAS-RAF-MEK-ERK信号通路，同时能够有效逆转由上游BRAF、MEK突变而导致的耐药。目前ERK抑制剂处于临床试验的主要有：AZD0364、KO-947、Ulixertinib。值得注意的是，由上海海和药物与中国科学院上海药物研究所合作开发的小分子抑制剂HH2710也已于2019年9月获美国FDA的临床试验许可，拟用于治疗经检测确认存在MAPK信号通路基因异常的恶性肿瘤。

其他三种MAPK通路

图 5. ERK 1/2 和其他三种MAPK通路

除了大家熟知的的Ras-Raf-MEK-ERK通路，根据MAPK的种类不同（p38、JNK、ERK5），MAPK还有三条经典的通路。其中，p38和JNK通路涉及的生理效应主要与炎症和细胞凋亡等应激反应有关。

2.1 JNK/SAPK级联反应

JNK（JUN N -terminal kinases, JNK）主要包括JNK1/2/3，也称作SAPKs（stress-activated protein kinases）。JNK/SAPK信号通路可被应激刺激(如紫外线、热休克、高渗刺激及蛋白合成抑制剂等)、细胞因子(TNFα，IL-1)、生长因子(EGF)及某些G蛋白偶联的受体激活。应激反应信号经小分子G蛋白Ras超家族的成员之一Rho 亚家族（Rac、Rho、cdc42）传递到MAPKKK，进一步地依次活化MEK4/7和JNK。JNK磷酸化激活后可以作用下游多种转录因子（例如：JUN、ELK1、ETS2等）与激酶（主要是MNK），产生促进生长、分化、存活、凋亡等多种生理效应。