Vía MAPK/ERK

Las tirosina quinasas ligadas a receptores , como el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR), se activan mediante ligandos extracelulares , como el factor de crecimiento epidérmico (EGF). La unión del EGF al EGFR activa la actividad tirosina quinasa del dominio citoplasmático del receptor. El EGFR se fosforila en residuos de tirosina. Las proteínas de acoplamiento, como GRB2, contienen un dominio SH2 que se une a los residuos de fosfotirosina del receptor activado. ^{[ 2 ]} GRB2 se une al factor de intercambio de nucleótidos de guanina SOS a través de los dos dominios SH3 de GRB2. Cuando el complejo GRB2-SOS se acopla al EGFR fosforilado, SOS se activa. ^{[ 3 ]} El SOS activado promueve la eliminación de GDP de un miembro de la subfamilia Ras (principalmente H-Ras o K-Ras ). La proteína Ras puede entonces unirse a GTP y activarse.

Además del EGFR, otros receptores de la superficie celular que pueden activar esta vía a través de GRB2 incluyen Trk A/B , el receptor del factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR) y el PDGFR .

La proteína Ras activada activa la actividad de la proteína quinasa de una quinasa RAF . ^{[ 4 ]} La quinasa RAF fosforila y activa una quinasa MAPK/ERK ( MEK1 o MEK2 ). La MEK fosforila y activa una proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK).

RAF y MAPK/ERK son quinasas de proteínas específicas de serina/treonina . MEK es una quinasa de serina/tirosina/treonina.

En términos técnicos, RAF, MEK y MAPK son quinasas activadas por mitógenos , al igual que MNK (véase más adelante). Las MAPK se denominaron originalmente " quinasas reguladas por señales extracelulares " (ERK) y "quinasas de proteínas asociadas a microtúbulos" (MAPK). Una de las primeras proteínas fosforiladas por ERK fue una proteína asociada a microtúbulos (MAP). Como se explica más adelante, posteriormente se descubrieron muchos otros objetivos de fosforilación por MAPK, y la proteína pasó a denominarse "quinasa de proteína activada por mitógenos" (MAPK). La serie de quinasas que va desde RAF hasta MEK y MAPK constituye un ejemplo de cascada de quinasas de proteínas . Esta serie de quinasas ofrece oportunidades para la regulación por retroalimentación y la amplificación de la señal.

Tres de las muchas proteínas que son fosforiladas por MAPK se muestran en la figura de la derecha. Uno de los efectos de la activación de MAPK es alterar la traducción del ARNm a proteínas. MAPK fosforila la proteína quinasa S6 ribosómica 40S (RSK) . Esto activa RSK, que, a su vez, fosforila la proteína ribosómica S6 . ^{[ 5 ]} Las quinasas de proteínas activadas por mitógenos que fosforilan la proteína ribosómica S6 fueron las primeras en ser aisladas. ^{[ 4 ]}

La MAPK regula la actividad de varios factores de transcripción . La MAPK puede fosforilar C-myc . La MAPK fosforila y activa MNK, que a su vez fosforila CREB . La MAPK también regula la transcripción del gen C-Fos . Al alterar los niveles y la actividad de los factores de transcripción, la MAPK provoca una alteración en la transcripción de genes importantes para el ciclo celular .

Los genes 22q11, 1q42 y 19p13, al afectar la vía ERK, están asociados con la esquizofrenia , el trastorno esquizoafectivo , el trastorno bipolar y las migrañas .

La vía ERK desempeña un papel importante al integrar señales externas, como la presencia de mitógenos (por ejemplo, el factor de crecimiento epidérmico [EGF]), en eventos de señalización que promueven el crecimiento y la proliferación celular en muchos tipos de células de mamíferos. En un modelo simplificado, la presencia de mitógenos y factores de crecimiento desencadena la activación de tirosina quinasas receptoras canónicas, como el EGFR, lo que conduce a su dimerización y posterior activación de la pequeña GTPasa Ras. ^{[ 6 ]} Esto, a su vez, desencadena una serie de eventos de fosforilación en la cascada MAPK (Raf-MEK-ERK), que finalmente resultan en la fosforilación y activación de ERK. La fosforilación de ERK activa su actividad quinasa y conduce a la fosforilación de sus numerosos genes diana implicados en la regulación de la proliferación celular. En la mayoría de las células, se requiere cierta actividad sostenida de ERK para que se activen los genes que inducen la entrada en el ciclo celular y suprimen los reguladores negativos del mismo. Dos objetivos importantes incluyen los complejos de ciclina D con Cdk4 y Cdk6 (Cdk4/6), ambos fosforilados por ERK. ^{[ 7 ]} La transición de la fase G1 a la fase S está coordinada por la actividad de la ciclina D-Cdk4/6, que aumenta durante la fase G1 tardía a medida que las células se preparan para entrar en la fase S en respuesta a los mitógenos. La activación de Cdk4/6 contribuye a la hiperfosforilación y la posterior desestabilización de la proteína del retinoblastoma (Rb). ^{[ 7 ]} La Rb hipofosforilada se une normalmente al factor de transcripción E2F en la fase G1 temprana e inhibe su actividad transcripcional, impidiendo la expresión de genes de entrada en la fase S, incluyendo la ciclina E, la ciclina A2 y Emi1. ^{[ 6 ]} La activación de ERK1/2 aguas abajo de la señalización Ras inducida por mitógenos es necesaria y suficiente para eliminar este bloqueo del ciclo celular y permitir que las células progresen a la fase S en la mayoría de las células de mamíferos.

El punto de restricción (punto R) marca el evento crítico en el que una célula de mamífero se compromete a proliferar y se independiza de la estimulación del crecimiento. Es fundamental para la diferenciación normal y la homeostasis tisular, y parece estar desregulado en prácticamente todos los cánceres. Aunque el punto R se ha relacionado con diversas actividades implicadas en la regulación de la transición G1-S del ciclo celular de los mamíferos, el mecanismo subyacente sigue sin estar claro. Mediante mediciones de células individuales, Yao et al. demuestran que la vía Rb-E2F funciona como un interruptor biestable para convertir entradas séricas graduadas en respuestas E2F de todo o nada. ^{[ 8 ]}

Las señales de crecimiento y mitógeno transmitidas aguas abajo de la vía ERK se incorporan a múltiples bucles de retroalimentación positiva para generar un interruptor biestable a nivel de la activación de E2F. ^{[ 8 ]} Esto ocurre debido a tres interacciones principales durante la fase G1 tardía. La primera es resultado de la estimulación mitogénica a través de ERK que conduce a la expresión del factor de transcripción Myc, que es un activador directo de E2F. ^{[ 7 ]} La segunda vía es resultado de la activación de ERK que conduce a la acumulación de complejos activos de ciclina D y Cdk4/6 que desestabilizan Rb mediante fosforilación y sirven además para activar E2F y promover la expresión de sus dianas. Finalmente, todas estas interacciones se refuerzan mediante un bucle de retroalimentación positiva adicional de E2F sobre sí mismo, ya que su propia expresión conduce a la producción del complejo activo de ciclina E y CDK2, que sirve además para fijar la decisión de una célula de entrar en la fase S. Como resultado, cuando la concentración de suero aumenta de manera gradual, la mayoría de las células de mamíferos responden de manera similar a un interruptor entrando en la fase S. Este interruptor E2F biestable estimulado por mitógenos presenta histéresis, ya que las células se ven inhibidas de regresar a G1 incluso después de la retirada del mitógeno tras la activación de E2F. ^{[ 8 ]}

La vía EGFR-ERK/MAPK (cinasa regulada extracelularmente del receptor del factor de crecimiento epidérmico/cinasa de proteína activada por mitógeno) estimulada por EGF es fundamental para la proliferación celular, pero la separación temporal entre la señal y la respuesta oscurece la relación señal-respuesta en investigaciones anteriores. En 2013, Albeck et al. ^{[ 9 ]} proporcionaron evidencia experimental clave para llenar esta laguna de conocimiento. Midieron la fuerza y ​​la dinámica de la señal con estimulación de EGF en estado estacionario, en la que la señalización y la salida pueden relacionarse fácilmente. Además, mapearon la relación señal-respuesta en todo el rango dinámico de la vía. Utilizando detección de inmunofluorescencia de alto contenido (HCIF) de ERK fosforilada (pERK) y biosensores FRET de células vivas, monitorearon la salida posterior de la vía ERK tanto en células vivas como en células fijas. Para vincular aún más las características cuantitativas de la señalización de ERK con las tasas de proliferación, establecieron una serie de condiciones de estado estacionario utilizando un rango de concentraciones de EGF al aplicar EGF con diferentes concentraciones.

Los experimentos de imagen de células individuales han demostrado que ERK se activa en ráfagas estocásticas en presencia de EGF. Además, se ha demostrado que la vía codifica la fuerza de las señales de entrada a través de pulsos de su actividad modulados en frecuencia. Utilizando biosensores FRET de células vivas, las células inducidas con diferentes concentraciones de EGF generan ráfagas de actividad de distinta frecuencia, donde niveles más altos de EGF resultaron en ráfagas más frecuentes de actividad de ERK. Para determinar cómo la entrada en la fase S puede verse afectada por pulsos esporádicos de actividad de ERK a bajas concentraciones de EGF, utilizaron células MCF-10A que coexpresaban EKAR-EV y RFP-geminin e identificaron los pulsos de actividad de ERK con la puntuación y luego alinearon estos perfiles de actividad de ERK con el tiempo de inducción de GFP-geminin. Encontraron que períodos más largos de actividad de ERK estimulan la entrada en la fase S, como lo sugiere el aumento de la duración del pulso. Para comprender la dinámica de la vía EGFR-ERK, específicamente cómo se modulan la frecuencia y la amplitud, aplicaron el inhibidor de EGFR gefitinib o el inhibidor altamente selectivo de la cinasa MAPK/ERK (MEK) PD0325901 (PD). Los dos inhibidores arrojaron resultados ligeramente diferentes: gefitinib, a concentración intermedia, indujo un comportamiento pulsátil y un cambio bimodal, lo cual no se observó con PD. Además, combinaron EGF y PD y concluyeron que la frecuencia de las actividades de ERK se modula mediante variación cuantitativa, mientras que la amplitud se modula mediante cambios en la actividad de MEK. Finalmente, recurrieron a Fra-1, uno de los efectores posteriores de la vía ERK, ya que es técnicamente difícil estimar las actividades de ERK directamente. Para comprender cómo la actividad de la vía ERK integrada (que debería ser independiente de la frecuencia o la amplitud) afecta la tasa de proliferación, utilizaron una combinación de diversas concentraciones de EGF y PD. Descubrieron que existe una relación curvilínea simple en forma de "L" invertida, lo que sugiere que, a bajos niveles de actividad de la vía ERK, pequeños cambios en la intensidad de la señal se corresponden con grandes cambios en la tasa de proliferación, mientras que grandes cambios en la intensidad de la señal cerca del extremo superior del rango dinámico tienen poco impacto en la proliferación. La fluctuación de la señalización de ERK pone de manifiesto posibles problemas con los enfoques terapéuticos actuales, lo que proporciona una nueva perspectiva para el desarrollo de fármacos dirigidos a la vía ERK en el cáncer.

Experimentos recientes de imágenes de células vivas en células MCF10A y MCF7 han demostrado que una combinación de señalización mitogénica a través de ERK y señales de estrés a través de la activación de p53 en las células madre contribuye a la probabilidad de que las células hijas recién formadas reingresen inmediatamente al ciclo celular o entren en quiescencia (G0) antes de la mitosis. ^{[ 10 ]} En lugar de que las células hijas comiencen sin proteínas de señalización clave después de la división, el ARNm de ciclina D1 inducido por mitógeno/ERK y la proteína p53 inducida por daño en el ADN, ambos factores de larga vida en las células, pueden heredarse de manera estable de las células madre después de la división celular. Los niveles de estos reguladores varían de célula a célula después de la mitosis y la estequiometría entre ellos influye fuertemente en el compromiso del ciclo celular a través de la activación de Cdk2. Las perturbaciones químicas mediante inhibidores de la señalización de ERK o inductores de la señalización de p53 en células madre sugieren que las células hijas con altos niveles de proteína p53 y bajos niveles de transcritos de ciclina D1 entrarían principalmente en G0, mientras que las células con altos niveles de ciclina D1 y bajos niveles de p53 tendrían mayor probabilidad de reingresar al ciclo celular. Estos resultados ilustran una forma de memoria molecular codificada a través de la historia de la señalización mitogénica mediante ERK y la respuesta al estrés mediante p53. ^{[ 11 ] [ 12 ]}