04.2_Hormon-Rezeptoren_RTK

• SH2- oder PTB (phospho-tyrosin-binding)- Domänen vermitteln die Bindung an phosphorylierte Tyrosinreste

• SH3-Domänen vermitteln die Bindung an Prolin-reiche Sequenzabschnitte

Aktivierung durch unterschiedliche Rezeptor-Typen als Antwort auf verschiedenste Stimuli:

• Hormone (z.B. Insulin)

• Wachstumsfaktoren (z.B. EGF, FGF)

• Inflammatorische Zytokine (z.B. TNF)

• Stressfaktoren (z.B. Osmotischer Schock, Bestrahlung)

• Proteinfamilie aus verschiedenen Kinasen

• Teil einer dreistufigen Kinasekaskade

• Drei Hauptgruppen von MAP-Kinasen:

  • ERK1/2: Extrazellulär regulierte KInasen

  • JNK: c-J un-N-terminale Kinasen

  • p38: p38 Mitogen-aktivierte Proteinkinasen a

MAP-Kinasen sind Teil einer Kaskade aus drei Kinasen:

• MAPKKK (MAPK-Kinase-Kinase): Phosphoryliert und aktiviert die MAPK-Kinase.

• MAPKK (MAPK-Kinase): Phosphoryliert und aktiviert die MAPK.

• MAPK (z. B. ERK, JNK, p38): Führt die Phosphorylierung von Substraten aus, die zelluläre Antworten vermitteln.

1. Jede MAP-Kinase besitzt eine spezifische Sequenzregion, den sogenannten Aktivierungsloop (oder Activation Loop), der die katalytische Aktivität der Kinase reguliert.

2. Im nicht-aktivierten Zustand ist der Aktivierungsloop in einer Konformation, die die Kinaseaktivität hemmt.

3. Durch die Phosphorylierung spezifischer Serin-, Threonin- oder Tyrosinreste im Aktivierungsloop (meist zwei benachbarte Reste, z. B. Threonin und Tyrosin im Fall von ERK) wird die Konformation so verändert, dass das aktive Zentrum der Kinase freigelegt wird

Extrazellulär regulierte Kinase

• Zentraler Regulatorweg der Zellproliferation durch Kontrolle des Zellwachstums und des Zellzyklus

  • aktiviert Transkriptionsfaktoren, die für das Zellwachstum von Bedeutung sind (z.B. c-myc)

  • inhibiert anti-proliferative Gene

c-Jun-N-terminale KInase

• Zentraler Regulatorweg der Apoptose

  • phosphoryliert c-myc beidseitig und führt so zur Inaktivierung

  • aktiviert c-Jun durch N-terminale Phosphorylierung

  • anti-apoptotische Regulationsfaktoren wie Bcl-2 und Bcl-xl werden durch Phosphorylierung inhibiert

p38 Mitogen-aktivierte Proteinkinasen

• Regulator von inflammatorischen Prozessen

  • ist essentiell für die Produktion von Interleukinen und Zytokinen

  • steuert die Signal-induzierte Stabilisierung von mRNAs, die für proinflammatorische Proteine codieren

Aktivierung des MAPK-Weges:

• Die Aktivierung des MAPK-Weges erfolgt in der Regel über die Adaptorproteine Grb2, SOS und Ras

• Bei Ras handelt es sich um ein G-Protein, das über den Austausch von GDP durch GTP aktiviert wird

• Bei der Aktivierung von Ras übernimmt SOS die Funktion eines GEF, d.h. der Austausch von GDP gegen GTP wird beschleunigt.

• Das aktive Ras bindet an Raf und aktiviert dessen Kinasedomäne und damit die nachfolgenden MAP-Kinasen. • Mutiertes, permanent aktives Ras ist ein Onkogen

—> Ständige Genaktivierung für stimulierende Gene

Regulation der Gen-Expression durch MAP-Kinasen

• MAPK-Signalwege wirken häufig auf die Genexpression.

• Dazu muss die aktivierte MAPK passiv durch Diffusion oder aktiv als Dimer in den Zellkern gelangen

• Im Zellkern wirken MAP-Kinasen auf verschiedene Transkriptionsfaktoren.

Zellspezifische Regulation durch RSKs:

• Ribosomale S6- Kinasen (RSKs) sind häufig an der MAPK Wirkung beteiligt

• RSKs können über den MAPK- oder den PI3K-Weg aktiviert werden

• RSKs wechselwirken mit unterschiedlichen Regulatoren

• RSKs können verschiedenste regulatorische Proteine sowohl im Cytosol als auch in Zellkern aktivieren

Ras- und Rac- MAPK-Signalkaskaden:

• Die Geschwindigkeit der MAPK-regulierten Genregulationen ist abhängig von den Adaptorproteinen, dem MAPK-Typ und von weiteren regulatorischen Strukturproteinen, wie z.B. des JNK interacting proteins -1 (JIP1)

• Unterschiedliche MAP-Kinasen regulieren unterschiedliche Transkriptionsfaktoren

Unterscheidung von Genen anhand ihrer transkriptionellen Aktivierung:

• „housekeeping genes“ (reizunabhängig, immer aktiv)

• „immediate early genes“ (IEG), z.B. JNK:

  • Stimulierung innerhalb weniger Minuten

  • Transkriptionsfaktoren:

    Komponenten des TCF-Komplexes (ELK1), SRF, Jun

• „delayed genes“ (DG), z.B. ERK

  • Langsame Aktivierung

  • Aktivierung von Transkriptionsfaktoren aus der IEG-Gruppe über Zwischenschritte

Interaktionen von Insulin-gesteuerten Stoffwechselwegen:

• Das Stresshormon Adrenalin bewirkt in Hepatozyten die Freisetzung von Glukose in den Blutkreislauf, um die Energieverfügbarkeit bei Stress zu sichern

• Ist der Blutzuckerspiegel bereits durch Nahrungsaufnahme hoch genug hat die Insulinwirkung in Hepatozyten Vorrang vor der Adrenalinwirkung

• Durch die Insulin-Signalwege kann der Adrenalinrezeptor gesteuert oder internalisiert werden

• Phosphorylierung des Adrenalinrezeptors und nachfolgende Induktion des Ras/ERK Signalwegs verstärkt das Insulinsignal um das 5 – 10 fache

• Internalisierung des ß2-adrenergen Rezeptors durch Insulin-Induktion des PI3K-Signalwegs

MAPK Phosphatasen (MKPs)

Dual specificity Phosphatasen (DUSPs)

• Für jede MAPK gibt es besondere regulatorische MKPs bzw. DUSPs, die im Cytoplasma oder nuclear lokalisiert sein können

• MAPK-Signalwege sind häufig vernetzt

• MKPs bzw. DUSPs steuern MAPK auf unterschiedlichen Ebenen

• MKPs und DUSPs steuern MAKP in unterschiedlichen Zellkompatimenten

• MKPs bzw. DUSPs werden selber durch verschiedene Prozesse reguliert.

• MAPK, MAPKK, etc. werden durch Phosphatasen deaktiviert:

  • PPTs: Protein Ser/Thr-Phosphatasen

  • PTPasen: Protein Tyr-Phosphatasen

• MKPs:

  MAPK-Phosphatasen mit dualer Aktivität (DUSP) (dephosphorylieren Thr und Tyr im Aktivierungsloop von MAPK)

  • Regulieren Aktivität und intrazelluläre Verteilung von MAPK

  • Zeigen Sequenzhomologie

  • Unterscheiden sich in:

    MAPK-Substratspezifitäten, subzellulärer Lokalisation, Gewebeverteilung, Induzierbarkeit durch externe Stimuli

• Regulation der Transkription und Translation von DUSPs

• Stabilisierung und Aktivierung von DUSPs durch Substratbindung

• Anbindung von DUSPs an Membrane durch Myristoylierung

• Destabilisierung von DUSPs durch Anhängen von Ubiquitinresten

• Aktivierung von DUSPs durch Reduktion katalytischer Cysteine

• Dauer und Stärke des extrazellulären Signals

• Interaktion mit Regulatorproteinen

• subzellulare Lokalisation

• Anwesenheit von verschiedenen Isoformen auf jeder einzelnen Stufe

• extensive Vernetzung der MAPK Kaskade mit anderen Stoffwechselwegen