rola sygnalizacji mitogenu w progresji cyklu komórkowegościeżka ERK odgrywa ważną rolę w integrowaniu zewnętrznych sygnałów z obecności mitogenów, takich jak naskórkowy czynnik wzrostu (EGF), w zdarzeniach sygnalizacyjnych promujących wzrost i proliferację komórek w wielu typach komórek ssaków. W uproszczonym modelu obecność mitogenów i czynników wzrostu powoduje aktywację kanonicznie receptorowych kinaz tyrozynowych, takich jak EGFR, co prowadzi do ich dimeryzacji, a następnie aktywacji małej Gtpazy Ras. Następnie prowadzi to do serii zdarzeń fosforylacji w dół kaskady MAPK (Raf-Mek-ERK) ostatecznie skutkujących fosforylacją i aktywacją ERK. Fosforylacja ERK powoduje aktywację aktywności kinazy i prowadzi do fosforylacji wielu dalszych celów zaangażowanych w regulację proliferacji komórek. W większości komórek pewna forma trwałej aktywności ERK jest wymagana, aby komórki aktywowały geny, które indukują wejście do cyklu komórkowego i tłumią negatywne regulatory cyklu komórkowego. Dwa takie ważne cele obejmują Cyklina d kompleksy z Cdk4 i Cdk6 (Cdk4/6), które są fosforylowane przez ERK. Przejście z fazy G1 do fazy S jest koordynowane przez aktywność cykliny D-Cdk4/6, która wzrasta w późnej fazie G1, gdy komórki przygotowują się do wejścia w fazę s W odpowiedzi na mitogeny. Aktywacja Cdk4 / 6 przyczynia się do hiperfosforylacji i późniejszej destabilizacji białka siatkówczaka (RB). Hipofosforylowany Rb, zwykle wiąże się z czynnikiem transkrypcyjnym E2F we wczesnym G1 i hamuje jego aktywność transkrypcyjną, zapobiegając ekspresji genów wejściowych w fazie s, W tym cykliny e, cykliny A2 i Emi1. Aktywacja ERK1/2 poniżej sygnalizacji Ras wywołanej mitogenem jest konieczna i wystarczająca do usunięcia tego bloku cyklu komórkowego i umożliwienia komórkom przejścia do fazy s W większości komórek ssaków.
Kontrola Sprzężenia Zwrotnego i generowanie bistabilnego przełącznika G1/s
sygnały wzrostu i mitogenu są przesyłane w dół ścieżka ERK jest włączona do wielu pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego w celu wygenerowania przełącznika bistabilnego na poziomie aktywacji E2F. Dzieje się tak z powodu trzech głównych interakcji w późnej fazie G1. Pierwszy jest wynikiem stymulacji mitogenu przez ERK prowadzącej do ekspresji czynnika transkrypcyjnego Myc, który jest bezpośrednim aktywatorem E2F. drugi szlak jest wynikiem aktywacji ERK prowadzącej do akumulacji aktywnych kompleksów cykliny D i Cdk4/6, które destabilizują Rb poprzez fosforylację i dalej służą do aktywacji E2F i promowania ekspresji jego celów. Wreszcie, wszystkie te interakcje są wzmacniane przez dodatkową dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego przez E2F na siebie, ponieważ jego własna ekspresja prowadzi do produkcji aktywnego kompleksu cykliny E i CDK2, co dodatkowo służy do blokowania decyzji komórki o wejściu w fazę S. W rezultacie, gdy stężenie w surowicy wzrasta w sposób stopniowy, większość komórek ssaków reaguje w sposób podobny do zmiany w fazie S. Ten stymulowany przez mitogen, bistabilny przełącznik E2F wykazuje histerezę, ponieważ komórki są hamowane przed powrotem do G1 nawet po odstawieniu mitogenu po aktywacji E2F.
dynamiczne przetwarzanie sygnału przez szlak ERK
eksperymenty obrazowania pojedynczych komórek wykazały, że ERK jest aktywowany w wybuchach stochastycznych w obecności EGF. Ponadto wykazano, że szlak koduje siłę sygnałów wejściowych poprzez impulsy modulowane częstotliwościowo swojej aktywności. Stosując biosensory promienia żywych komórek, komórki wywołały o różnym stężeniu nielegalnych wybuchów aktywności EGF o różnej częstotliwości, gdzie wyższe poziomy EGF powodowały częstsze wybuchy aktywności ERK. Ponadto stwierdzono, że dynamika aktywacji ERK w odpowiedzi na mitogeny ma znaczenie dla unikalnych reakcji następczych, w tym czasu wejścia fazy s w komórkach MCF10A. Różne typy czynników wzrostu mogą również prowadzić do unikalnej dynamiki ERK w innych typach komórek wpływających na los komórek, co sugeruje, że dynamika czasowa aktywacji ERK jest ogólnym sposobem kodowania unikalnych programów ekspresji genów przez komórki.
Integracja sygnałów mitogenu i stresu w proliferacji
Ostatnie eksperymenty obrazowania żywych komórek w komórkach MCF10A i MCF7 wykazały, że połączenie sygnalizacji mitogenu przez ERK i sygnały stresu poprzez aktywację p53 w komórkach macierzystych przyczynia się do prawdopodobieństwa, czy nowo utworzone komórki potomne natychmiast ponownie wejdą w cykl komórkowy lub wejdą w stan spoczynku (G0) poprzedzający mitozę. Zamiast komórek potomnych rozpoczynających się bez kluczowych białek sygnałowych po podziale, mitogen / ERK wywołał Cyklinę D1 mRNA i uszkodzenie DNA wywołane białkiem p53, oba długo żyjące czynniki w komórkach, mogą być stabilnie dziedziczone z komórek macierzystych po podziale komórek. Poziomy tych regulatorów różnią się w zależności od komórki po mitozie, a Stechiometria między nimi silnie wpływa na zaangażowanie cyklu komórkowego, chociaż aktywacja Cdk2. Perturbacje chemiczne wykorzystujące inhibitory sygnalizacji ERK lub induktory sygnalizacji p53 w komórkach macierzystych sugerują, że komórki potomne z wysokim poziomem białka p53 i niskim poziomem transkryptów cykliny D1 przede wszystkim wchodzą do G0, podczas gdy komórki z wysokim Cykliną D1 i niskim poziomem p53 najprawdopodobniej ponownie wchodzą w cykl komórkowy. Wyniki te ilustrują formę zakodowanej pamięci molekularnej, chociaż historia sygnalizacji mitogenu przez ERK i reakcji na stres przez p53.