Rolle der Mitogensignalisierung im Zellzyklusprogressionder ERK-Signalweg spielt eine wichtige Rolle bei der Integration externer Signale aus dem Vorhandensein von Mitogenen wie dem epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) in Signalereignisse, die das Zellwachstum und die Proliferation in vielen Säugetierzelltypen fördern. In einem vereinfachten Modell löst das Vorhandensein von Mitogenen und Wachstumsfaktoren die Aktivierung von kanonischen Rezeptor-Tyrosinkinasen wie EGFR aus, was zu deren Dimerisierung und anschließender Aktivierung der kleinen GTPase Ras führt. Dies führt dann zu einer Reihe von Phosphorylierungsereignissen stromabwärts in der MAPK-Kaskade (Raf-MEK-ERK), die letztendlich zur Phosphorylierung und Aktivierung von ERK führen. Die Phosphorylierung von ERK führt zu einer Aktivierung seiner Kinaseaktivität und führt zur Phosphorylierung seiner vielen nachgeschalteten Ziele, die an der Regulation der Zellproliferation beteiligt sind. In den meisten Zellen ist eine Form der anhaltenden ERK-Aktivität erforderlich, damit Zellen Gene aktivieren können, die den Eintritt in den Zellzyklus induzieren und negative Regulatoren des Zellzyklus unterdrücken. Zwei dieser wichtigen Ziele sind Cyclin-D-Komplexe mit Cdk4 und Cdk6 (Cdk4 / 6), die beide durch ERK phosphoryliert werden. Der Übergang von G1 zur S-Phase wird durch die Aktivität von Cyclin D-Cdk4 / 6 koordiniert, das während der späten G1-Phase zunimmt, wenn sich Zellen darauf vorbereiten, als Reaktion auf Mitogene in die S-Phase einzutreten. Die Cdk4 / 6-Aktivierung trägt zur Hyperphosphorylierung und anschließenden Destabilisierung des Retinoblastomproteins (Rb) bei. Hypophosphoryliertes Rb ist normalerweise an den Transkriptionsfaktor E2F im frühen G1 gebunden und hemmt seine Transkriptionsaktivität, wodurch die Expression von S-Phasen-Eintrittsgenen einschließlich Cyclin E, Cyclin A2 und Emi1 verhindert wird. Die ERK1 / 2-Aktivierung stromabwärts der mitogeninduzierten Ras-Signalisierung ist notwendig und ausreichend, um diesen Zellzyklusblock zu entfernen und es den Zellen zu ermöglichen, in den meisten Säugetierzellen in die S-Phase überzugehen.
Nachgeschaltete Rückkopplungssteuerung und Erzeugung eines bistabilen G1/ S-Schalters
Wachstums- und Mitogensignale werden stromabwärts des ERK-Signalwegs übertragen und in mehrere positive Rückkopplungsschleifen integriert, um die erzeugen Sie einen bistabilen Schalter auf der Ebene der E2F-Aktivierung. Dies geschieht aufgrund von drei Hauptwechselwirkungen während der späten G1-Phase. Der erste Weg ist ein Ergebnis der Mitogenstimulation des ERK, die zur Expression des Transkriptionsfaktors Myc führt, der ein direkter Aktivator von E2F ist. Der zweite Weg ist ein Ergebnis der ERK-Aktivierung, die zur Akkumulation aktiver Komplexe von Cyclin D und Cdk4 / 6 führt, die Rb durch Phosphorylierung destabilisieren und weiter dazu dienen, E2F zu aktivieren und die Expression seiner Ziele zu fördern. Schließlich werden diese Wechselwirkungen alle durch eine zusätzliche positive Rückkopplungsschleife von E2F auf sich selbst verstärkt, da seine eigene Expression zur Produktion des aktiven Komplexes von Cyclin E und CDK2 führt, der weiter dazu dient, die Entscheidung einer Zelle, in die S-Phase einzutreten, zu blockieren. Infolgedessen reagieren die meisten Säugetierzellen beim Eintritt in die S-Phase schalterartig, wenn die Serumkonzentration allmählich erhöht wird. Dieser mitogen stimulierte, bistabile E2F-Schalter weist eine Hysterese auf, da Zellen daran gehindert werden, auch nach dem Mitogenentzug nach der E2F-Aktivierung zu G1 zurückzukehren.
Dynamische Signalverarbeitung durch den ERK-Signalweg
Einzelzellbildgebungsexperimente haben gezeigt, dass ERK in stochastischen Bursts in Gegenwart von EGF aktiviert wird. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass der Signalweg die Stärke von Signaleingängen durch frequenzmodulierte Impulse seiner Aktivität kodiert. Unter Verwendung von Lebendzell-FRET-Biosensoren induzierten Zellen mit unterschiedlichen Konzentrationen von EGF und Aktivitätsausbrüchen unterschiedlicher Frequenz, wobei höhere EGF-Spiegel zu häufigeren Ausbrüchen der ERK-Aktivität führten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Dynamik der ERK-Aktivierung als Reaktion auf Mitogene für einzigartige Downstream-Reaktionen relevant ist, einschließlich des Zeitpunkts des Eintritts der S-Phase in MCF10A-Zellen. Verschiedene Arten von Wachstumsfaktoren können auch zu einer einzigartigen ERK-Dynamik in anderen Zelltypen führen, die das Zellschicksal beeinflussen, was darauf hindeutet, dass die zeitliche Dynamik der ERK-Aktivierung ein allgemeines Mittel zur Kodierung einzigartiger Genexpressionsprogramme durch Zellen ist.
Integration von Mitogen- und Stresssignalen bei der Proliferation
Jüngste Live-Cell-Imaging-Experimente in MCF10A- und MCF7-Zellen haben gezeigt, dass eine Kombination von Mitogensignalen durch ERK und Stresssignalen durch Aktivierung von p53 in Mutterzellen zur Wahrscheinlichkeit beiträgt, ob neu gebildete Tochterzellen sofort wieder in den Zellzyklus eintreten oder in die Ruhe (G0) vor der Mitose eintreten. Anstatt dass Tochterzellen nach der Teilung ohne wichtige Signalproteine beginnen, können Mitogen / ERK-induzierte Cyclin-D1-mRNA und DNA-schädigungsinduziertes p53-Protein, beides langlebige Faktoren in Zellen, nach der Zellteilung stabil von Mutterzellen vererbt werden. Die Niveaus dieser Regler schwanken von Zelle zu Zelle nach Mitose und Stöchiometrie zwischen ihnen beeinflußt stark Zellzyklus, obwohl Aktivierung von Cdk2. Chemische Störungen unter Verwendung von Inhibitoren der ERK-Signalisierung oder Induktoren der p53-Signalisierung in Mutterzellen deuten darauf hin, dass Tochterzellen mit hohem p53-Protein und niedrigen Cyclin-D1-Transkripten primär in G0 eintreten, während Zellen mit hohem Cyclin-D1 und niedrigen p53-Spiegeln höchstwahrscheinlich wieder in den Zellzyklus eintreten. Diese Ergebnisse veranschaulichen eine Form des kodierten molekularen Gedächtnisses durch die Geschichte der Mitogensignalisierung durch ERK und Stressreaktion durch p53.