长篇综述：哺乳动物MAPK途径简述（一）

哺乳动物MAPK途径简述

“生物通”通讯作者：徐晶

摘要

    MAPK三酶级联途径是哺乳动物细胞中重要的信号通路。根据双磷酸化激活的MAPK种类不同，哺乳动物细胞中MAPK途径大致分为四种：ERK1/2途径、JNK途径、p38途径、ERK5途径。它们参与了多种神经递质、激素、生长因子、细胞因子、应激刺激对细胞生理活动的调节。MAPK途径的特异性通过多种方式实现，包括酶－底物的专一性作用、成员空间组织、途径激活时间差异、分子平台和接头的使用等等。不仅如此，MAPK途径之间、MAPK途径和胞内其它途径之间都存在特异性的交叉和整合作用，构成了复杂的信号网络，协同调节着细胞增殖、分化、死亡等多种生理活动。

    本文简单介绍了哺乳动物细胞中MAPK途径的一些基本组织形式、成员、特点、以及特异性如何实现，对其重要核内底物ETS转录因子家族也略有论及。

关键词：MAPK途径，三酶级联反应，双磷酸化，MAP激酶，ERK途径，JNK途径，p38途径，ETS转录因子家族，信号途径特异性，分子平台和接头，信号交叉和整合

目录

摘要，关键词	#1
第1部分 MAPK途径简介	#2
1.1哺乳动物MAPK途径的发现	#3
1.2 MAPK途径基本特点	#4
1.2.1三酶级联反应	#5
1.2.2MAPK的双磷酸化激活	#6
第2部分 哺乳动物MAPK途径的组织	#7
2.1 MAPKerk途径（ERK途径）	#8
2.1.1 激活因素及上游分子的募集	#9
2.1.2 三酶模体构成	#10
2.1.3作用底物&ETS转录因子家族	#11
2.1.4途径功能	#12
2.2MAPKjnk 途径（SAPK/JNK途径）	#13
2.3MAPK p38途径（p38途径）	#14
2.4MKK5/MAPKerk途径	#15
第3部分 MAPK途径特异性的实现	#16
3.1酶－底物相互作用	#17
3.2分子平台和接头	#18
3.3MAPK途径功能模块的空间组织	#19
3.4MAPK模块的时间组织	#20
3.5信号的交叉与整合	#21
3.5.1 与其它途径相互作用	#22
3.5.2 MAPK途径之间相互作用	#23
参考文献	#24

第1部分 MAPK途径简介

1.1哺乳动物MAPK途径的发现

     80年代早期，研究者发现PDGF和EGF 刺激可以诱导一个42KD蛋白Tyr基团磷酸化(1)。后在佛波醇脂刺激的细胞中(2)，在一些病毒转化的细胞中，均发现了相同的现象(3)。

     与此同时的研究发现胰岛素受体在活化后可以激活一个42KDSer/Thr蛋白激酶(4)，它的激活需要Tyr磷酸化和Thr的双重磷酸化。研究者将其命名为MAPK（有丝分裂原激活的蛋白激酶）。不久，谜底接晓：这两项研究都揭示了一个独特的激酶的存在，它的激活需要其Tyr和Ser/Thr基团同时被磷酸化(5)。

     这个42KD蛋白，就是在哺乳动物细胞中最早发现的MAPK途径的核心成员之一－ERK1（extracellular signal regulated kinase 1），MAPK途径也因此得名(6)。很快，与其高度同源的ERK2、ERK3相继被克隆，对哺乳动物MAPK途径的研究从此开始。

     ERK被发现与酿酒酵母中的蛋白激酶Fus3、Kss1具有很高的同源性，揭示了单细胞酵母中MAPK途径的存在。之后的研究在多种低等生物（如非洲栗酒裂殖酵母、白色念珠菌、镰刀菌）、植物（如燕麦、烟草）、高等生物（哺乳动物、鸟类、爬行动物、鱼类）中均发现MAPK途径发挥着作用。这证实了MAPK这条古老的途径在所有真核生物中都是保守的。

     ERK的发现也是一个开端，研究者很快克隆了它的上游激酶(7)。借助这条途径得天独厚的优势－在哺乳动物细胞和酵母中MAPK途径成员、组织方式之间高度同源性，利用可进行基因组遗传学研究的酵母模型，与哺乳动物中的发现相互印证，终于勾勒出了MAPK途径三酶级联反应的轮廓。

     在近20年的时间内，MAPK途径成员相继被发现，相互作用相继被阐明。它们构成了一个庞大、复杂而又精细的网络，成为目前发现成员最多、关系最复杂，也是研究最详尽的途径之一。它们参与细胞生长、分裂、分化、死亡各个阶段的生理活动，调节着一系列复杂的生物功能。

1.2 MAPK途径基本特点(8)

 1.2.1 三酶级联反应:

     这是MAPK途径最显著的特点。三个激酶构成一个最小的功能模块，被级联激活（示意图如下）。胞外多种刺激因素，从神经递质、激素、生长因子、细胞因子到各种应激刺激如辐射伤害、渗透压变化等等，都可以激活这个三酶级联反应。

MKKK是一个Ser/Thr蛋白激酶，它直接的激活因素也有多种：MKKKK、小G蛋白家族成员Ras、Rho、寡聚化、胞内位置的变化等等。MKKK激活后可Ser/Thr磷酸化激活下游激酶MKK

MKK被Ser/Thr磷酸化后激活，作为一个极具特色的Tyr、Thr双功能激酶发挥作用。它识别下游MAPK分子中“Thr-X-Thr”模序，将两种不同的氨基酸分别磷酸化后激活MAPK。

MAPK是一个双磷酸化激活的Ser/Thr蛋白激酶，是MAPK途径的核心。MAPK底物包括一些胞质蛋白激酶、磷脂酶、骨架蛋白，但绝大部分是核内转录因子。

     一些特异性磷酸酶对“Thr-X-Tyr”模序的去磷酸化导致MAPK的失活。它们包括：MKP-1(CL100,3CH134,Erp,hVH-1)、MKP-2(hVH-2, Typ-1)、MKP-3(rVH6, Pyst1)、MKP-4、PAC1 VHR、B23(hVH-3)、M3/6(hVH-5)。不同种类的磷酸酶有较高的特异性。

     这种复杂的三酶级联反应的分子基础是什么呢？很多科学家认为，它是由MAPK独特的双磷酸化激活的性质决定的。“Thr-X-Tyr”存在于MAPK分子的激活环状结构之中，MKK识别这种三氨基酸形成的特定空间结构，具有很高的特异性，这就使得上游信号对MAPK的调节受到限制。因此，上游MKKK的存在成为必然，它可以被多种因素激活，允许尽量多的上游信号输入。
     所以显然，MKKK的种类最多，目前在哺乳动物细胞中已发现14种，MAPK12种，MKK种类最少，只有7种。具体家族成员在后文有详细描述。

1.2.2 MAPK的双磷酸化激活

     这也是MAPK途径的标识性特点。MAPK具有特定构象的“Thr-X-Tyr”模序的双磷酸化，可以使其活性提高数千倍。具体过程是：两个氨基酸残基的磷酸化，使它们所在的激活环状结构重新折叠，后与分子表面的精氨酸结合位点相互作用，形成激活状态分子构象(9)。

     值得一提的是，将Thr、Tyr置换成Glu不能导致MAPK的持续激活，证明双磷酸化后诱发的酶的一系列精巧的构象变化是不能用简单的氨基酸置换代替的。正是这个原因，使点突变对MAPK酶活的促进无能为力。这解释了为什么MAPK从未以癌基因的形式出现，也证实了这条古老的途径对于细胞增殖的调节是相对安全的。