Unha proteína quinase activada por mitóxeno (ou MAP quinase ou MAPK polas súas siglas en inglés) é un tipo de proteína quinase que é específica para os aminoácidos serina e treonina (é dicir, é unha serina/treonina proteína quinase) e actúa sobre determinadas proteínas. As MAPK interveñen nas respostas celulares a un conxunto diverso de estímulos, como os mitóxenos, estrés osmótico, shock térmico e citrocinas proinflamatorias. Regulan funcións celulares como a proliferación celular, expresión xénica, diferenciación celular, mitose, supervivencia celular e apoptose.

As quinases MAP encóntranse só en eucariotas, pero son moi diversas e encóntranse en animais, fungos e plantas e tamén en moitos eucariotas unicelulares.

As MAPK pertencen ao grupo de quinases CMGC (CDK/MAPK/GSK3/CLK). As proteínas máis relacionadas coas MAPK son as quinases dependentes de ciclinas (CDK).

Descubrimento

A primeira proteína quinase activada por mitóxeno que se descubriu foi ERK1 (MAPK3) en mamíferos. Como ERK1 e a moi relacionada ERK2 (MAPK1) estaban ambas implicadas na sinalización de factores de crecemento, a familia foi denominada "activada por mitóxeno". Co descubrimento doutros membros, incluso en organismos moi afastados, como as plantas, quedou cada vez máis claro que o nome escollido era pouco axeitado, xa que a maioría das MAPK en realidade interveñen na resposta a danos potenciais, estímulos de estreses abióticos (hiperosmose, estrés oxidativo, danos no ADN, baixa osmolaridade, infección etc.). Como as plantas non poden "escapar fuxindo" dos estreses, as plantas terrestres están entre os organismos con maior número de xenes de MAPK. Por tanto, o papel das quinases de mamíferos ERK1/2 como reguladores da proliferación celular non indica unha función xenérica, senón moi especializada, aínda que se mantén o nome MAPK para esta familia.

Tipos

A maioría das MAPK comparten varias características, como a súa activación dependente de dous eventos de fosforilación, unha vía de actuación de tres pasos e uns sitios de recoñecemento de substrato similares. Estas son as MAPK "clásicas". Pero hai tamén algunhas antigas quinases raras dentro deste grupo, que non teñen sitios de fosforilación dual, só teñen vías de dous pasos, e carecen das características requiridas por outras MAPK para a unión ao substrato. Estas quinases raras denomínanse MAPK "atípicas". Non está aínda claro se as MAPK atípicas deberían clasificarse nun grupo propio diferente das clásicas.

Activación

miniatura|A estrutura de raios X da ERK2 MAP quinase na súa forma activa. Os residuos fosforilados móstranse en vermello. Baseado en . As MAPK son cataliticamente inactivas na súa forma básica. Para facerse activas necesitan que se produzan fosforilacións (xeralmente múltiples) nos seus bucles de activación. Estas fosforilacións realízanas encimas especializados do grupo das proteína quinases STE.

Nas MAPK quinases clásicas, o bucle de activación contén un motivo característico TxY (treonina-x-tirosina), que é TEY (treonina-ácido glutámico-tirosina) na ERK1 e ERK2 de mamíferos, TDY (treonina-ácido aspártico-tirosina) na ERK5, TPY (treonina-prolina-tirosina) nas JNK, e TGY (treonina-glicina-tirosina) en quinases p38, que teñen que ser fosforilados tanto en residuos de treonina coma de tirosina para que o dominio de quinase se peche nunha conformación cataliticamente competente. In vivo e in vitro, a fosforilación da tirosina ás veces precede á da treonina, aínda que a fosforilación en calquera dos residuos pode ocorrer en ausencia do outro.

Esta fosforilación do bucle de activación en tándem (que se propuxo que era ou ben distributiva ou ben procesiva, dependendo do ambiente celular) realízana membros da familia das proteína quinases Ste7, tamén coñecidas como MAP2K (son quinases doutra quinase). As MAP2 quinases, á súa vez, son tamén activadas por fosforilación por varias serina/treonina quinases situadas augas arriba da ruta (as MAP3K, que son quinases doutra quinase, á súa vez, doutra quinase). Como as MAP2 quinases mostran moi pouca actividade sobre substratos que non sexan as súas MAPK específicas, as vías da MAPK clásicas forman vías de múltiples pasos pero relativamente lineais. Estas vías poden efectivamente transmitir estímulos desde a membrana plasmática (onde son activadas moitas MAP3K) ao núcleo (onde só poden entrar as MAPK) ou a moitos outros destinos subcelulares.

En comparación coas vías de tres pasos ou banzos das MAPK clásicas, algunhas MAPK atípicas parecen ter un sistema máis antigo que funciona en dous pasos. A ERK3 (MAPK6) e ERK4 (MAPK4) son fosforiladas directamente e, por tanto, activadas por quinases PAK (relacionadas con outras MAP3K). A diferenza das MAP quinases clásicas, estas MAPK atípicas requiren que se fosforile só un único residuo nos seus bucles de activación. Os detalles da activación de NLK e ERK7 (MAPK15) aínda non se coñecen ben.

A inactivación das MAPK realízana diversas fosfatases. Unha familia moi conservada de fosfatases é a das denominadas MAP quinase fosfatases (MKPs), un subgrupo de fosfatases de especificidade dual (DUSP). Como o seu nome indica, estes encimas poden hidrolizar o fosfato de residuos de fosfotirosina ou de fosfotreonina. Como a retirada destes grupos fosfato reduce moito a actividade das MAPK, practicamente eliminando a súa sinalización, algunhas tirosina fosfatases están tamén implicadas na inactivación das MAPK (por exemplo as fosfatases HePTP, STEP e PTPRR de mamíferos).

Fervenzas de sinalización

miniatura|Exemplo do funcionamento das MAP3 quinases: o ciclo de activación das poteínas Raf de mamíferos (diagrama moi simplificado).

As MAPK forman normalmente vías de moitos pasos, que reciben sinais a varios niveis por encima da MAP quinase. A diferenza do relativamente simple mecanismo de activación dependente da fosforilación das MAPK e MAP2K, as MAP3K teñen unha regulación sorprendentemente máis complexa. Moitas das MAP3K mellor coñecidas, como c-Raf, MEKK4 ou MLK3 requiren múltiples pasos para a súa activación. Son encimas normalmente controlados alostericamente, moi estabilizados en estado inactivo por moitos mecanismos. O primeiro paso na ruta da súa activación é liberalos da súa autoinhibición por un ligando máis pequeno (como Ras para a quinase c-Raf, ou GADD45 para a MEKK4 ou Cdc42 para a MLK3). Isto ocorre xeralmente (pero non sempre) na membrana da célula, onde se unen a maioría dos seus activadores (nótese que pequenas proteínas G están asociadas á membrana constitutivamente debido á súa prenilación). Este paso vai seguido por unha homo- e heterodimerización dos seus agora accesibles dominios quinase. Estruturas complexas determinadas recentemente revelaron que os dímeros se forman cunha orientación que deixa libres ambas as rexións de unión ao substrato. Outro dato importante é que esta dimerización tamén forza a que estes dominios da MAP3K adopten unha conformación parcialmente activa. Só chegan a ter unha actividade completa unha vez que estes dímeros se transfosforilan entre si nos seus bucles de activación. O último paso pode tamén conseguirse ou ser favorecido por proteína quinases auxiliares (MAP4 quinases, membros da familia Ste20). Unha vez que unha MAP3 quinase está totalmente activa, pode fosforilar o seu substrato, que é unha MAP2 quinase, que á súa vez fosforilará ao seu substrato, que é unha MAP quinase. Por tanto, nesta fervenza de activación actúan en cadea unha quinase da quinase da quinase (MAP3K), seguida dunha quinase da quinase (MAP2K), e finalmente a quinase activada (MAPK).

En animais

miniatura|Diagrama global simplificado das vías MAPK en mamíferos, organizadas en tres módulos principais de sinalización (ERK1/2, JNK/p38 e ERK5).

A vía ERK1/2 dos mamíferos é probablemente a máis caracterísitca do sistema MAPK. Os activadores de augas arriba máis importantes desta vía son as proteínas Raf (A-Raf, B-Raf ou c-Raf), que son os mediadores clave da resposta a factores de crecemento (EGF, FGF, PDGF etc.); pero outras MAP3K como c-Mos e Tpl2/Cot poden tamén desempeñar a mesma función. Estes tres encimas fosforilan e activan as quinases MKK1 e/ou MKK2, que son activadores moi específicos para ERK1 e ERK2. Este último fosforila varios substratos importantes para a proliferación celular, progresión do ciclo celular, mitose e diferenciación celular (RSK quinases, factores de transcrición Elk-1 etc.)

A diferenza da relativamente ben illada vía ERK1/2, as quinases p38 e JNK de mamíferos comparten a maioría dos seus activadores a nivel da MAP3K (MEKK1, MEKK4, ASK1, TAK1, MLK3, TAOK1 etc.). Ademais, algúns encimas MAP2K poden activar tanto p38 coma JNK (MKK4), mentres que outras son máis específicas para JNK (MKK7) ou para p38 (MKK3 e MKK6). Debido a estas interconexións, hai moi poucos ou ningún estímulos que poidan provocar a activación de JNK sen activar tamén simultaneamente p38 ou ao revés. Tanto as vías de sinalización de JNK coma a de p38 son responsables de responder aos estímulos de estrés, como citocinas, irradiación ultravioleta, shock térmico e shock osmótico, e están implicadas na adaptación ao estrés, apoptose ou diferenciación celular. As JNK teñen varios substratos específicos que só elas poden fosforilar (c-Jun, NFAT4 etc.), mentres que as p38 teñen tamén dianas exclusivas (por exemplo as MAPKAP quinases MK2 e MK3), polo que cómpren ambas para responder axeitadamente aos estímulos de estrés.

ERK5 forma parte dunha vía bastante ben diferenciada en mamíferos. O seu único activador específico augas arriba é MKK5, que se activa en resposta ás MAP3 quinases MEKK2 e MEKK3. A especificidade destas interaccións débese á arquitectura especial das MKK5 e MEKK2/3, que conteñen ambas dominios N-terminais PB1, que permiten a heterodimerización directa entre elas. O dominio PB1 de MKK5 tamén contribúe á interacción ERK5-MKK5: proporciona unha interface especial (ademais do motivo D que se atopa na MKK5) por medio do cal MKK5 pode recoñecer especificamente o seu substrato ERK5. Aínda que os detalles a nivel molecular son pouco coñecidos, MEKK2 e MEKK3 responden a certos sinais de desenvolvemento para dirixir a formación de endotelios e a morfoxénese cardíaca. Aínda que tamén están implicadas no desenvolvemento cerebral, a letalidade embrional da inactivación de ERK5 debido a anormalidades cardíacas subliña o seu papel central na vasculoxénese de mamíferos. É notable que o knockout condicional de ERK5 en animais adultos é tamén letal, debido á unha estendida alteración das barreiras endoteliais. As mutacións nos compoñentes de augas arriba da vía ERK5 (o complexo CCM) crese que están detrás das malformacións cavernosas cerebrais en humanos.

En fungos

miniatura|Diagrama global da vía MAPK en lévedos. Os compoñentes non canónicos dos cinco módulos coñecidos (vías do apareamento, filamentación, hiperosmose, integridade da parede celular, esporulación) están coloreados en azul.

As vías MAPK dos fungos foron ben estudadas. En lévedos, a MAPK Fus3 é responsable da parada do ciclo celular e apareamento en resposta á estimulación por feromonas. A feromona factor-alfa é percibida por un receptor sete transmembrana. O recrutamento e activación dos compoñentes da vía Fus3 depende estritamente da activación da proteína G heterotrimérica. A vía MAPK do apareamento consta de tres pasos (Ste11-Ste7-Fus3), pero as MAP2 e MAP3 quinases que interveñen están compartidas con outra vía, a Kss1 ou vía do crecemento filamentoso. Aínda que Fus3 e Kss1 son quinases de tipo ERK estreitamente relacionadas, as células de lévedos poden activalas separadamente, coa axuda dunha proteína armazón Ste5 que é recrutada selectivamente polas proteínas G da vía do apareamento. O truco é que Ste5 pode asociarse con e "abrir" Fus3 para a súa fosforilación por Ste7 nun complexo terciario, mentres que non fai o mesmo para Kss1, deixando que a vía do crecemento filamentoso sexa activada só en ausencia de recrutamento de Ste5.