Ruolo della segnalazione mitogena nella progressione del ciclo cellularela via ERK svolge un ruolo importante nell’integrazione di segnali esterni dalla presenza di mitogeni come il fattore di crescita epidermico (EGF) in eventi di segnalazione che promuovono la crescita e la proliferazione cellulare in molti tipi di cellule di mammiferi. In un modello semplificato, la presenza di mitogeni e fattori di crescita innescano l’attivazione delle tirosin chinasi del recettore canonico come l’EGFR che porta alla loro dimerizzazione e alla successiva attivazione della piccola GTPasi Ras. Questo porta quindi a una serie di eventi di fosforilazione a valle nella cascata MAPK (Raf-MEK-ERK), con conseguente fosforilazione e attivazione di ERK. La fosforilazione di ERK provoca un’attivazione della sua attività chinasica e porta alla fosforilazione dei suoi numerosi obiettivi a valle coinvolti nella regolazione della proliferazione cellulare. Nella maggior parte delle cellule, è necessaria una qualche forma di attività ERK sostenuta affinché le cellule attivino i geni che inducono l’ingresso nel ciclo cellulare e sopprimono i regolatori negativi del ciclo cellulare. Due obiettivi così importanti includono complessi di ciclina D con Cdk4 e Cdk6 (Cdk4 / 6) che sono entrambi fosforilati da ERK. La transizione dalla fase G1 alla fase S è coordinata dall’attività della Ciclina D-Cdk4/6, che aumenta durante la fase G1 tardiva mentre le cellule si preparano ad entrare nella fase S in risposta ai mitogeni. L’attivazione di Cdk4/6 contribuisce all’iper-fosforilazione e alla successiva destabilizzazione della proteina del retinoblastoma (Rb). Ipofosforilato Rb, è normalmente legato al fattore di trascrizione E2F nei primi G1 e inibisce la sua attività trascrizionale, impedendo l’espressione dei geni di ingresso della fase S, tra cui Ciclina E, Ciclina A2 e Emi1. L’attivazione ERK1 / 2 a valle della segnalazione Ras indotta da mitogeno è necessaria e sufficiente per rimuovere questo blocco del ciclo cellulare e consentire alle cellule di progredire nella fase S nella maggior parte delle cellule di mammifero.
a Valle di controllo di feedback e la generazione di un bistabile G1/S switch
La crescita e la chinasi di proteina mitogene i segnali vengono trasmessi a valle della via ERK sono incorporati in più positive feedback loop per generare un interruttore bistabile a livello di E2F di attivazione. Ciò si verifica a causa di tre interazioni principali durante la fase G1 tardiva. Il primo è un risultato di stimolo mitogeno se ERK, con conseguente espressione del fattore di trascrizione Myc, che è un attivatore diretto di E2F. Il secondo percorso è il risultato dell’attivazione di ERK che portano all’accumulo di complessi attivi della Ciclina D e Cdk4/6 che destabilizzano la Rb tramite la fosforilazione e servire per attivare E2F e promuovere l’espressione dei suoi obiettivi. Infine, queste interazioni sono tutte rinforzate da un ulteriore ciclo di feedback positivo da E2F su se stesso, poiché la sua stessa espressione porta alla produzione del complesso attivo della Ciclina E e CDK2, che serve ulteriormente a bloccare la decisione di una cellula di entrare nella fase S. Di conseguenza, quando la concentrazione sierica viene aumentata in modo graduale, la maggior parte delle cellule di mammifero risponde in modo simile a un interruttore entrando nella fase S. Questo mitogeno stimolato, commutatore bistabile di E2F è isteresi delle esposizioni, poichè le cellule sono inibite dal ritorno a G1 anche dopo l’attivazione della posta E2F di ritiro del mitogeno.
Elaborazione dinamica del segnale tramite la via ERK
Esperimenti di imaging a cellule singole hanno dimostrato che ERK è attivato in raffiche stocastiche in presenza di EGF. Inoltre, il percorso ha dimostrato di codificare la forza degli ingressi di segnalazione attraverso impulsi modulati in frequenza della sua attività. Utilizzando biosensori a FRET di cellule vive, le cellule indotte con diverse concentrazioni di esplosioni di attività illecite del FEG di diversa frequenza, dove livelli più elevati di FEG hanno provocato esplosioni più frequenti di attività ERK. Inoltre, la dinamica dell’attivazione di ERK in risposta ai mitogeni è risultata rilevante per risposte uniche a valle, compresa la tempistica dell’ingresso della fase S nelle cellule MCF10A. Vari tipi di fattori di crescita possono anche portare a dinamiche ERK uniche in altri tipi di cellule che effettuano il destino delle cellule, suggerendo che la dinamica temporale dell’attivazione di ERK è un mezzo generale per codificare programmi di espressione genica unici da parte delle cellule.
Integrazione di segnali mitogeni e di stress nella proliferazione
Recenti esperimenti di imaging cellulare in cellule MCF10A e MCF7 hanno dimostrato che una combinazione di segnali mitogeni attraverso ERK e segnali di stress attraverso l’attivazione di p53 nelle cellule madri contribuisce alla probabilità che le cellule figlie appena formate rientrino immediatamente nel ciclo cellulare o entrino in quiescenza (G0) prima della mitosi. Piuttosto che le cellule figlie che iniziano senza proteine di segnalazione chiave dopo la divisione, l’mRNA ciclina D1 indotto da mitogen/ERK e la proteina p53 indotta dal danno al DNA, entrambi fattori di lunga durata nelle cellule, possono essere ereditati stabilmente dalle cellule madri dopo la divisione cellulare. I livelli di questi regolatori variano da cellula a cellula dopo la mitosi e la stechiometria tra di loro influenza fortemente l’impegno del ciclo cellulare sebbene l’attivazione di Cdk2. Le perturbazioni chimiche che utilizzano inibitori della segnalazione ERK o induttori della segnalazione p53 nelle cellule madri suggeriscono che le cellule figlie con alti livelli di proteina p53 e bassi livelli di trascritti di Ciclina D1 sono stati dimostrati entrare principalmente in G0 mentre le cellule con alta Ciclina D1 e bassi livelli di p53 hanno maggiori probabilità di rientrare Questi risultati illustrano una forma di memoria molecolare codificata attraverso la storia della segnalazione mitogena attraverso ERK e la risposta allo stress attraverso p53.