丝裂原活化蛋白激酶

• MAPK通路模式
• MAPK的激活 • MAPK信号转导通路间的关系
一、MAPK 信号通路的成员
MAPK是信号从细胞表面→核内的重 要转递者。 已鉴定的 (据1999的统计)： MAPK激酶激酶 (MKKK) 14种
MAPK激酶 (MKK)
MAPK
7种
12种
MKKK(MAP Kinase Kinase Kinase) 亚族：
在高渗透压条件下
• Sho1 感受高渗透
• Sho1激活Ste11
• Pbs2发挥支架蛋白 的作用 • Pbs2含有多聚脯氨 酸富集区
3. 裂殖酵母菌中的渗透压感受通路和 应激通路
环境应激时激活2个相关的MAPK通路
• WIK/WIS/SPC1通路
• WIN1/WIS/SPC1通路
(在渗透压应激时起主要作用)
生长因子、细胞因子、射线、渗透压
MAP3K、MEKK MAP2K、MEK ERK, JNK/SAPK, p38, ERK5/BMK 转录因子、蛋白激酶、细胞骨架蛋白等
四、MAPK的激活
MAPK激活机制的发现 重要的实验观察： • 20世纪80年代，观察到当GF刺激时， Tyr被磷酸化的主要蛋白为42kDa • 佛波酯醇刺激时，产生同样的蛋白 • 胰岛素RTK催化Ser/Thr蛋白激酶 • 胰岛素刺激，产生Thr和Tyr双磷酸化的 42kDa蛋白
交界处的裂隙 — ATP结合位点
（三）MAPK的空间结构特征
大体结构：非常相似 底物结合口袋的结构特征： 无活性时被阻断，有活性时暴露出。 ATP结合位点的结构特征：
大小、形状、疏水性和电荷等不同
磷酸基团结合位点： 4个保守位点
三、MAPK通路模式
刺激 MKKK MKK MAPK 反应底物
3. ERK1/2蛋白激酶的作用底物及灭活 • 底物的保守性磷酸化位点模体为 Pro-Lue-Ser/Thr-Pro • 底物蛋白 —
二、MAPK的蛋白结构
（一）MAPK的一级结构
苏氨酸磷酸化位点与其他蛋白激酶同 源，酪氨酸磷酸化位点是MAPK独特的。 磷酸化位点的三肽模体 — TXY
ERK和ERK5 — TEY
p38 — TGY
JNK — TPY
• 三肽模体位于L12 • 各亚族L12长度不同 • 活化唇 (activation lip) • 各亚族都具有12个保守亚区 — 真核细胞蛋白激酶超家族区分标志之一
第九章
丝裂原活化蛋白激酶 信号转导通路
丝裂原活化蛋白激酶
(mitogen-activated protein kinase,MAPK) • Ser/Thr蛋白激酶
• 受细胞外刺激而激活
• 在所有真核细胞中高度保守
• 通路组成 — 三级激酶模式
• 调节多种重要的细胞生理/病理过程
本章主要内容： • MAPK 信号通路的成员 • MAPK的蛋白结构
（三）浸润通路 缺乏氮源 — 形态改变
假菌丝： 缺乏氮源时，椭圆型的双倍酵母进行 不对称的细胞分裂以产生一个细而长的子 细胞，后者又不断产生长的子细胞。由于 母细胞与子细胞仍然相连，因此这种单级 分裂方式的不断重复将产生由延长的细胞 组成的丝状物。
KSS1： 丝状生长所需要 (单倍体，双倍体) 注： 未被Ste7激活时， 是浸润生长的抑制 物，被Ste7激活时， 刺激浸润生长。
Raf1对于H-、K-和N- Ras显示应答 B-Raf 可被Rap1a活化 TC21能够与Raf1和B-Raf相互作用， 激活它们。 • 上游激酶的调节: 已知磷酸化Raf1的激酶有Src 、PAK、 PKC及其他蛋白激酶
• 其他的磷酸化位点 — Ser259和Ser621
调节Raf1与14-3-3蛋白结合，稳定其活 性。不过， 14-3-3蛋白也可能抑制Raf 活性。抑制性的磷酸化位点是由Akt (Ser259)和PKA催化的。 • 抑制：RKIP可干扰Raf-MEK的结合， 抑制后者磷酸化和活化。
MAPK的激活机制 • 活性部位位于两个折叠域的界面
• 是通过Thr和Tyr的双位点同时磷酸化 而被激活 例：ERK2 — Tyr-185 , Thr-183
pY185 — 解除L12对底物结合的阻断
• MAPK是Pro指导的蛋白激酶
对于ERK2来说，其底物的一般保守性 序列为 Pro-X-Ser/Thr-Pro • 活化环中Tyr-185 和Thr-183的磷酸化， 引起该环重新折叠，与Arg结合位点相 互作用 • 酸性氨基酸替代，不导致组成性活化 • MAPK的点突变不影响其活性
（二）单倍体酵母与交配有关的通路
• 酿酒酵母的2种交配型(单倍体)：
a细胞型和 α细胞型 • 2种性信息素：a因子和 α因子 • 7次跨膜受体：Ste3和 Ste2 • 异三聚体G蛋白： Gpa1 — α亚基 Ste4 — β亚基 Ste18 — γ亚基
Ste2 receptor
酿 酒 酵 母 的 交 配 通 路
在低渗透压条件下 • Sln1 是有活性的 • Ssk1是无活性的 • HOG1也无活性 在高渗透压条件下 • Sln1 是无活性的 • Ssk1是有活性的 • HOG1也有活性
2. Sho1依赖的渗透压感受器 Sho1：跨膜蛋白渗透压感受器 结构 ：4个跨膜区 + C-末端胞质区 ( 含SH3域)
• 已鉴定出4条MAPK通路
• MAPK有多种亚族和多种不同的剪接体
（一）ERK通路 • 研究得最为透彻
• ERK的MAPK有5种 (1~5) 它们分属于不同的亚族 • ERK1和ERK2(ERK1/2)研究得最为透彻
为细胞内主要的MAPK
• ERK3存在于细胞核
• ERK4通过Ras依赖性通路而被激活
88 100 43 42 40 41 40
100 74 87 100 88
哺乳动物MAPK
MAPK 其他名称
与ERK2的 同一亚族成员 同源性% 序列相似性%
ERK2 p42 MAPK p38 α p38 CSBP p38 β p38 -2 p38 γ ERK6 SAPK3 p38 δ SAPK4 ERK5 BMK1 ERK7
• MKK1和MKK2的
重叠作用意义不清
（五）渗透压感受器和应激通路 酿酒酵母的2种渗透压感受器：
• “双组分”渗透压感受器 低渗透压条件下激活 • 膜渗透压感受器 高渗透压条件下激活 • 2种渗透压感受器对MAPK通路的调节
作用不同
1. “双组分”渗透压感受器 • “双组分”转导体系通常见于原核细胞 • “双组分”转导体系的组成 感受器分子 — 胞外区 + 胞质His激酶域 + 反应-调节分子 — 接受域 + DNA结合域 是一种His-Asp磷酸化体系 • “双组分”转导体系在哺乳类尚未鉴定 出
• “双组分”转导过程 感受器蛋白活化 ↓ 胞质激酶域的His磷酸化 ↓ 反应-调节分子接受域 的Asp磷酸化 ↓ 启动输出功能，即转录激活作用
酵母 “双组分”渗透压感受器： • 由3种蛋白组成 Sln1 + Ypd1 +Ssk1 • 两个相连的“双组分”体系 第一个 — Sln1(His激酶域和接受域) 第二个 — Ypd1 (His激酶域) + Ssk1 (接受域)
五、酵母MAPK通路 酿酒酵母 — 已鉴定出5条 • 单倍体的交配途径 • 浸润性生长通路 • 细胞壁重构通路 • 双组分渗透压感受器通路 • Sho1渗透压感受器通路
（一）酵母菌中MAPK模式的组成和作用 酿酒酵母：4种MKKK 4种MKK 6种MAPK 其中，4种参加明确的5种MAPK通路 2种 (SMK1, YKL161C)参加未知 的MAPK通路 3个成员通过与支架蛋白结合而联在一起
FUS3和KSS1的鉴别： • 刺激激活的条件不同
FUS3 — 信息素
• 表达不同
KSS1 — 缺乏氮源
FUS3 — 单倍体细胞中
KSS1 — 单倍体细胞和双倍体细胞中
• 对浸润生长的调节作用
FUS3 — 抑制 KSS1 — 刺激
（四）细胞壁重构通路
• 酵母的生长依赖于
有效的细胞壁重构
• PKC1：MKKKK
• 家族成员之间具有较高的同源性
哺乳动物MAPK
MAPK 其他名称
与ERK2的 同一亚族成员 同源性% 序列相似性%
ERK1 p44 MAPK ERK2 p42 MAPK ERK3α p62 rat ERK3 ERK3β human ERK3 JNK1 SAPKγ JNK2 SAPK α JNK3 SAPK β
1. ERK1/2通路中MKKK 许多受体通过活化Ras激活ERK1/2通路 Raf: 是该通路中的重要的MKKK • 亚型: 有3种 — A-Raf 、 B-Raf 、 Raf1
Baidu Nhomakorabea
• 组成: 含3个结构域
— C-末端的激酶域
富含Cys的调节域
含Ras结合位点的调节域
• 表达: Raf1在体内广泛表达 而A-Raf 和B-Raf表达方式严格 如B-Raf 主要在神经组织中表达 • 激活: 酶水平的调节较复杂 主要包括2个过程: 一是结合于GTP- Ras 二是 磷酸化 ( 一簇 — Ser338, Ser339, Tyr340, Tyr341)
100 50 47 44 42 51 41
100 75 62 64
（二）MAPK的二级结构和超二级结构 以ERK2为例 N端域 — 主要由β折叠和2个α螺旋组成 （1~109和320~358位氨基酸残基） C端域 — α螺旋，含磷酸化唇和MAPK插 入，催化环（Arg-147~152)
（110~319位氨基酸残基）
MKK (MAP Kinase Kinase)亚族：
MKK4 MKK6
MKK3
MKK
MKK7 MEK5 MEK2 MEK1
MAPK (MAP Kinase)亚族：
ERK2 ERK1 ERK4 ERK3 ERK5 JNK2 JNK3 JNK1
JNK2 JNK3 JNK1
p38β p38α p38δ p38γ
• 减数分裂
• 双层膜的原孢子壁包裹单层核膜的4个单倍体 • 从原孢子壁的双层间隙沉积孢子壁。
孢子壁的组成：共4层： 第一、二层：同植物细胞壁
第三层：孢子特异性的结构
聚乙酰氨基葡糖 + 聚氨基葡萄糖 第四层：电子密集层 双酪氨酸包被
从以上酵母MAPK通路的研究中看到: • MAPK通路是一个连续的蛋白激酶激
ste： 不育基因 Ste5： 支架蛋白 Ste12： 转录因子
支架蛋白 ( Scaffold protein) 其主要功能是将其他蛋白质结合在一
起，促进它们相互作用。
• 将细胞信号通路中的各种信号分子结
合在一起，形成复合物
• 起生理性隔室化的效应,从而防止该通
路与其他通路发生交联
• 含有许多蛋白结合域
•上游调节因子Mcs4是Ssk1蛋白的同源物
• ATF1是SPC1的主要核内底物
• SPC1只有经磷 酸化后才能入核 • 热休克和氧应激 时SPC1磷酸化 激活，但不需要 WIS的作用。
• Pyp1使SPC1脱
磷酸化
（六）芽孢形成通路
芽孢形成：是指将单倍体核包装入芽孢的过程 包括减数分裂。 • 仅发生在双倍体 芽孢形成过程： • 由饥饿诱发
2. ERK1/2通路中MKK (MEK) • MEK1和MEK2是该通路主要的MEK
• 为双特异性蛋白激酶
• 通过两个残基的磷酸化而被激活
( Ser或Thr) (同MAPK)
• 突变可引起其活性增加(不同于MAPK)
• 酸性氨基酸替代，明显增加其活性
• 特异性较高，仅磷酸化少数底物
• MEK4可磷酸化非MAPK • MEK1和MEK2含3个非酶活性结构域 — ERK1/2结合位点 ( D域 ) 富含Pro结构域
核输出序列 ( NES )
MEK1 NES 激酶域 富含Pro域 D域
• MEK1和MEK2的上游调节因子 — Raf、RTK、非RTK、GPCR 在转化细胞： Ras → Raf1 → MEK1 → ERK1/2 在心肌细胞 A-Raf → MEK1 → ERK1/2 在PC细胞 B-Raf → MEK1 → ERK1/2
活的途径
• MAPK的主要底物为转录因子
• MAPK通路受不同的上游因子调节
• 信号转导是高度特异的
• 某一种蛋白成员存在于数种通路时,支
架蛋白起着隔室化的作用
六、哺乳动物MAPK通路 哺乳动物MAPK通路不同于酵母: • 多种MAPK通路可被一种受体型所激活 • MAPK的主要底物包括转录因子、 胞 质蛋白质 、细胞骨架、蛋白激酶和磷 脂酶