MAPK/ERK経路

上皮成長因子受容体（EGFR）などの受容体結合型チロシンキナーゼは、上皮成長因子（EGF）などの細胞外リガンドによって活性化されます。EGFがEGFRに結合すると、受容体の細胞質ドメインのチロシンキナーゼ活性が活性化されます。EGFRはチロシン残基でリン酸化されます。GRB2などのドッキングタンパク質は、活性化された受容体のリン酸化チロシン残基に結合するSH2ドメインを持っています。 ^{[ 2 ]} GRB2は、GRB2の2つのSH3ドメインを介してグアニンヌクレオチド交換因子SOSに結合します。GRB2-SOS複合体がリン酸化されたEGFRにドッキングすると、SOSが活性化されます。^{[ 3 ]}活性化されたSOSは、 Rasサブファミリーのメンバー（特にH-RasまたはK-Ras ）からGDPを除去することを促進します。Rasタンパク質はGTPに結合して活性化されます。

EGFR以外にも、GRB2を介してこの経路を活性化できる細胞表面受容体には、Trk A/B、線維芽細胞増殖因子受容体（FGFR）、PDGFRなどがある。

活性化されたRasは、 RAFキナーゼのタンパク質キナーゼ活性を活性化します。^{[ 4 ]} RAFキナーゼはMAPK/ERKキナーゼ（MEK1またはMEK2）をリン酸化して活性化します。MEKは、マイトジェン活性化タンパク質キナーゼ（MAPK）をリン酸化して活性化します。

RAFとMAPK/ERKはどちらもセリン/スレオニン特異的なプロテインキナーゼである。MEKはセリン/チロシン/スレオニンキナーゼである。

技術的には、RAF、MEK、MAPKはすべてマイトジェン活性化キナーゼであり、MNKも同様である（下記参照）。MAPKは当初、「細胞外シグナル調節キナーゼ」（ERK）および「微小管結合タンパク質キナーゼ」（MAPK）と呼ばれていた。ERKによってリン酸化されることが最初に知られたタンパク質の1つは、微小管結合タンパク質（ MAP）であった。後述するように、その後、MAPKによるリン酸化の標的が多数発見され、このタンパク質は「マイトジェン活性化タンパク質キナーゼ」（MAPK）と改名された。RAFからMEK、MAPKに至る一連のキナーゼは、タンパク質キナーゼカスケードの一例である。このような一連のキナーゼは、フィードバック制御とシグナル増幅の機会を提供する。

MAPKによってリン酸化される多くのタンパク質のうち3つが右の図に示されています。MAPK活性化の効果の1つは、mRNAからタンパク質への翻訳を変化させることです。MAPKは40Sリボソームタンパク質S6キナーゼ（RSK）をリン酸化します。これによりRSKが活性化され、RSKはリボソームタンパク質S6をリン酸化します。^{[ 5 ]}リボソームタンパク質S6をリン酸化するマイトジェン活性化プロテインキナーゼは最初に単離されました。^{[ 4 ]}

MAPKは複数の転写因子の活性を調節する。MAPKはC-mycをリン酸化することができる。MAPKはMNKをリン酸化して活性化し、MNKはCREBをリン酸化する。MAPKはC-Fos遺伝子の転写も調節する。転写因子のレベルと活性を変化させることで、MAPKは細胞周期に重要な遺伝子の転写を変化させる。

22q11、1q42、および19p13遺伝子は、ERK経路に影響を与えることにより、統合失調症、統合失調感情障害、双極性障害、および片頭痛と関連している。

ERK経路は、上皮成長因子（EGF）などの分裂促進因子の存在による外部シグナルを、多くの哺乳類細胞種における細胞の成長と増殖を促進するシグナル伝達イベントに統合する重要な役割を果たしています。単純化されたモデルでは、分裂促進因子と成長因子の存在が、EGFRなどの典型的な受容体チロシンキナーゼの活性化を引き起こし、その結果、二量体化して低分子GTPase Rasが活性化されます。^{[ 6 ]}これにより、MAPKカスケード（Raf-MEK-ERK）の下流で一連のリン酸化イベントが発生し、最終的にERKのリン酸化と活性化が起こります。ERKのリン酸化は、そのキナーゼ活性の活性化をもたらし、細胞増殖の調節に関与する多くの下流標的のリン酸化につながります。ほとんどの細胞では、細胞周期への移行を誘導し、細胞周期の負の調節因子を抑制する遺伝子を活性化するために、何らかの持続的なERK活性が必要です。このような重要な標的の 2 つには、ERK によってリン酸化される Cdk4 および Cdk6 (Cdk4/6) とサイクリン D の複合体が含まれます。^{[ 7 ]} G1 期から S 期への移行は、細胞が分裂促進因子に応答して S 期に入る準備をするにつれて G1 期後期に増加するサイクリン D-Cdk4/6 の活性によって調整されます。Cdk4/6 の活性化は、網膜芽細胞腫タンパク質 (Rb) の過リン酸化とそれに続く不安定化に寄与します。^{[ 7 ]}低リン酸化 Rb は、通常、G1 期初期に転写因子 E2F に結合し、その転写活性を阻害し、サイクリン E、サイクリン A2、および Emi1 を含む S 期進入遺伝子の発現を妨げます。^{[ 6 ]}分裂促進因子によって誘導される Ras シグナル伝達の下流にある ERK1/2 の活性化は、この細胞周期ブロックを解除し、ほとんどの哺乳類細胞で細胞が S 期に進むことを可能にするために必要かつ十分です。

制限点（R点）は、哺乳類細胞が増殖を開始し、成長刺激に依存しなくなる重要なイベントを示します。これは正常な分化と組織恒常性にとって不可欠であり、事実上すべての癌で調節異常を起こしているようです。R点は、哺乳類細胞周期のG1-S移行の調節に関わるさまざまな活動と関連付けられていますが、その根底にあるメカニズムは不明です。Yaoらは、単一細胞測定を用いて、Rb-E2F経路が二安定スイッチとして機能し、段階的な血清入力を全か無かのE2F応答に変換することを示しています。^{[ 8 ]}

ERK経路の下流で伝達される成長および分裂促進因子シグナルは、複数の正のフィードバックループに組み込まれ、E2F活性化レベルで双安定スイッチを生成します。^{[ 8 ]}これは、G1期後期に3つの主要な相互作用によって発生します。1つ目は、ERKを介した分裂促進因子刺激の結果、E2Fの直接的な活性化因子である転写因子Mycが発現することです。^{[ 7 ]} 2つ目の経路は、ERK活性化の結果、サイクリンDとCdk4/6の活性複合体が蓄積し、リン酸化によってRbを不安定化させ、さらにE2Fを活性化してその標的の発現を促進することです。最後に、これらの相互作用はすべて、E2F自身による追加の正のフィードバックループによって強化されます。E2F自身の発現は、サイクリンEとCDK2の活性複合体の生成につながり、さらに細胞がS期に入る決定を固定する役割を果たします。その結果、血清濃度が徐々に増加すると、ほとんどの哺乳類細胞はスイッチのように反応してS期に入ります。この分裂促進因子刺激による双安定E2Fスイッチはヒステリシスを示し、E2F活性化後の分裂促進因子除去後も細胞はG1期に戻ることが阻害されます。^{[ 8 ]}

EGF によって刺激される EGFR-ERK/MAPK (上皮成長因子受容体細胞外調節キナーゼ/マイトジェン活性化プロテインキナーゼ) 経路は細胞増殖に不可欠ですが、シグナルと応答の時間的分離により、これまでの研究ではシグナルと応答の関係が不明瞭でした。2013 年に Albeck ら^{[ 9 ]}は、この知識のギャップを埋める重要な実験的証拠を提供しました。彼らは、シグナルと出力を容易に関連付けることができる定常状態の EGF 刺激でシグナル強度とダイナミクスを測定しました。さらに、経路の完全なダイナミック レンジにわたってシグナルと応答の関係をマッピングしました。高含量免疫蛍光法 (HCIF) によるリン酸化 ERK (pERK) の検出と生細胞 FRET バイオセンサーを使用して、生細胞と固定細胞の両方で ERK 経路の下流出力をモニタリングしました。 ERKシグナル伝達の定量的特性と細胞増殖率との関連性をさらに明らかにするため、研究者らは様々な濃度のEGFを投与することで、一連の定常状態を確立した。

単一細胞イメージング実験では、EGFの存在下でERKが確率的なバーストで活性化されることが示されています。さらに、この経路は、その活性の周波数変調パルスによってシグナル入力の強度を符号化することが示されています。生細胞FRETバイオセンサーを使用して、異なる濃度のEGFで誘導された細胞は、異なる周波数の活性バーストを引き起こし、EGFレベルが高いほどERK活性のバーストがより頻繁になりました。低EGF濃度での散発的なERK活性パルスがS期への移行にどのように影響するかを調べるために、EKAR-EVとRFP-gemininを共発現するMCF-10A細胞を使用し、スコアリングでERK活性のパルスを特定し、このERK活性プロファイルをGFP-geminin誘導の時間と合わせました。パルス長の増加が示唆するように、ERK活性の期間が長いほどS期への移行が促進されることがわかりました。 EGFR-ERK経路のダイナミクス、特に周波数と振幅がどのように変調されるかを理解するために、EGFR阻害剤ゲフィチニブまたは高選択的MAPK/ERKキナーゼ（MEK）阻害剤PD0325901（PD）を適用した。2つの阻害剤は実際にはわずかに異なる結果をもたらす。中間濃度のゲフィチニブは、PDでは観察されない脈動挙動と二峰性シフトを誘発する。さらに、EGFとPDを一緒に組み合わせ、ERK活性の周波数は量的変動によって変調され、振幅はMEK活性の変化によって変調されるという結論を導き出した。最後に、ERK活性を直接推定することは技術的に困難であるため、ERK経路の下流エフェクターの1つであるFra-1に着目した。統合されたERK経路の出力（周波数や振幅とは無関係であるはず）が細胞増殖率にどのように影響するかを理解するために、研究者らは幅広いEGFおよびPD濃度の組み合わせを使用し、実際には逆「L」字型の単一曲線関係があることを発見した。これは、ERK経路の出力が低いレベルでは、信号強度のわずかな変化が細胞増殖率の大きな変化に対応する一方、ダイナミックレンジの上限付近での信号強度の大きな変化は細胞増殖にほとんど影響を与えないことを示唆している。ERKシグナル伝達の変動は、現在の治療アプローチにおける潜在的な問題点を浮き彫りにし、癌におけるERK経路の薬剤標的化について考える新たな視点を提供する。

MCF10A細胞とMCF7細胞における最近の生細胞イメージング実験では、母細胞におけるERKを介した分裂促進因子シグナル伝達とp53活性化を介したストレスシグナル伝達の組み合わせが、新たに形成された娘細胞がすぐに細胞周期に再突入するか、有糸分裂に先立つ静止期（G0）に入るかの可能性に寄与することが示されている。^{[ 10 ]}分裂後に重要なシグナル伝達タンパク質を持たない状態で娘細胞が始まるのではなく、分裂促進因子/ERK誘導サイクリンD1 mRNAとDNA損傷誘導p53タンパク質（いずれも細胞内で長寿命の因子）が、細胞分裂後に母細胞から安定的に受け継がれる。これらの調節因子のレベルは有糸分裂後に細胞ごとに異なり、それらの化学量論比がCdk2活性化を介した細胞周期決定に強く影響する。 ERKシグナル伝達阻害剤またはp53シグナル伝達誘導剤を用いた母細胞における化学的摂動により、p53タンパク質レベルが高くサイクリンD1転写産物レベルが低い娘細胞は主にG0期に入るのに対し、サイクリンD1レベルが高くp53レベルが低い細胞は細胞周期に再突入する可能性が最も高いことが示された。これらの結果は、ERKを介した分裂促進因子シグナル伝達とp53を介したストレス応答の履歴を介した分子記憶の一形態を示している。^{[ 11 ] [ 12 ]}