Биологические перекрестные помехи относятся к случаям, когда один или несколько компонентов одного пути передачи сигнала влияют на другой. Этого можно достичь несколькими способами, наиболее распространенным из которых являются перекрестные помехи между белками сигнальных каскадов. В этих путях передачи сигнала часто имеются общие компоненты, которые могут взаимодействовать с любым путем. Более сложный случай перекрестных помех можно наблюдать при трансмембранных перекрестных помехах между внеклеточным матриксом (ECM) и цитоскелетом .
Одним из примеров перекрестных помех между белками в сигнальном пути можно увидеть роль циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в регуляции пролиферации клеток путем взаимодействия с киназным путем митоген-активируемого протеина (MAP). цАМФ представляет собой соединение, синтезируемое в клетках аденилатциклазой в ответ на различные внеклеточные сигналы. [1] цАМФ в первую очередь действует как внутриклеточный вторичный мессенджер, основным внутриклеточным рецептором которого является цАМФ-зависимая протеинкиназа (ПКА), которая действует посредством фосфорилирования белков-мишеней. [2] Путь передачи сигнала начинается с внеклеточных взаимодействий лиганд-рецептор. Затем этот сигнал передается через мембрану, стимулируя аденилатциклазу на внутренней поверхности мембраны, которая катализирует превращение АТФ в цАМФ. [3] [4]
ERK, белок, участвующий в сигнальном пути МАРК, может активироваться или ингибироваться цАМФ. [5] цАМФ может ингибировать ERK различными способами, большинство из которых включают цАМФ-зависимую протеинкиназу (PKA) и ингибирование Ras-зависимых сигналов Raf-1. [6] Однако цАМФ также может стимулировать пролиферацию клеток, стимулируя ERK. Это происходит за счет индукции специфических генов посредством фосфорилирования фактора транскрипции CREB с помощью PKA. [5] Хотя ERKs, по-видимому, не являются обязательными для фосфорилирования CREB, путь MAPK снова участвует в перекрестных помехах, поскольку ERKs необходимы для фосфорилирования белков, находящихся ниже CREB. [5] Другие известные примеры необходимости ERK для транскрипционных эффектов, индуцированных цАМФ, включают индукцию гена пролактина в клетках гипофиза и гена бета-гидроксилата дофамина в феохромоцитомальных клетках (PC12). [6] Существует ряд разнообразных механизмов, с помощью которых цАМФ может влиять на передачу сигналов ERK. Большинство механизмов, включающих ингибирование цАМФ ERK, отсоединяют Raf-1 от активации Ras посредством прямого взаимодействия PKA с Raf-1 или опосредованно через взаимодействие PKA с ГТФазой Rap1 [6] (см. рисунок 1). PKA также может отрицательно регулировать ERK за счет активации PTPases. Механизмы активации ERK с помощью цАМФ еще более разнообразны, обычно включая Rap1 или Ras и даже непосредственно цАМФ. [6]
Перекрестные помехи можно наблюдать даже через мембраны. Мембранные взаимодействия с внеклеточным матриксом (ECM) и соседними клетками могут вызывать различные реакции внутри клетки. Однако топография и механические свойства ЕСМ также играют важную роль в мощных и сложных перекрестных помехах с клетками, растущими на матрице или внутри нее. [7] Например, физическое состояние ЕСМ влияет на опосредованную интегрином сборку цитоскелета и даже подвижность клеток . [7] Связывание интегрина α5β1 с его лигандом ( фибронектином ) активирует образование фибриллярных спаек и актиновых нитей . [5] Тем не менее, если ЕСМ иммобилизован, подобная реорганизация матрикса и образование фибриллярных спаек тормозятся. [7] В свою очередь, связывание того же интегрина (α5β1) с иммобилизованным лигандом фибронектина приводит к образованию высокофосфорилированных фокальных контактов/ фокальной адгезии (клеток, участвующих в адгезии матрикса) внутри мембраны и снижает скорость миграции клеток [7] В другом В качестве примера перекрестных помех это изменение состава фокальных контактов в цитоскелете может ингибироваться участниками еще одного пути: ингибиторами киназ легкой цепи миозина или киназ Rho, H-7 или ML-7, которые снижают сократимость клеток и, следовательно, подвижность. [7] (см. рисунок 2).
Более сложный и конкретный пример перекрестных помех между двумя основными сигнальными путями можно наблюдать при взаимодействии сигнальных путей цАМФ и МАРК при активации лимфоцитов . В этом случае компоненты пути цАМФ прямо или косвенно влияют на сигнальный путь МАРК, предназначенный для активации генов, участвующих в иммунитете и лимфоцитах.
Новообразованный цАМФ высвобождается из мембраны и диффундирует по внутриклеточному пространству , где служит для активации ПКА. Для активации каталитическая субъединица ПКА должна связать четыре молекулы цАМФ, после чего активация заключается в расщеплении между регуляторной и каталитической субъединицами . [4] Это расщепление, в свою очередь, активирует PKA, обнажая каталитические сайты субъединиц C, которые затем могут фосфорилировать ряд белков в клетке. [4]
В лимфоцитах внутриклеточные уровни цАМФ повышаются при стимуляции антиген-рецепторов и даже в большей степени в ответ на простагландин Е и другие иммуносупрессивные агенты. [8] В этом случае цАМФ служит для подавления иммунитета игроков. ПКА типа I колокализуется с рецепторами антигенов Т- и В-клеток [9] и вызывает ингибирование активации Т- и В-клеток. ПКА даже был отмечен как прямой индуктор генов, способствующих иммуносупрессии. [10]
Кроме того, путь цАМФ также взаимодействует с путем МАРК более опосредованно через взаимодействие с гемопоэтической ПТФазой (HePTP). HePTP экспрессируется во всех лейкоцитах. При сверхэкспрессии в Т-клетках HePTP снижает активацию транскрипции промотора интерлейкина-2, обычно индуцируемую активированным рецептором Т-клеток через сигнальный каскад МАРК. [11] Способ, которым HePTP эффективно ингибирует передачу сигналов MAPK, заключается во взаимодействии с MAP-киназами Erk1, Erk2 и p38 через короткую последовательность на некаталитическом N-конце HePTP, называемую мотивом взаимодействия киназы (KIM)., [11] [ 12] Высокоспецифическое связывание Erk и p38 с этой субъединицей HePTP приводит к быстрой инактивации сигнального каскада (см. рисунок 3).
Тем не менее, поскольку и HePTP, и Erk являются цитозольными ферментами , [13] разумно заключить, что существует механизм прекращения ингибирования Erk с помощью HePTP, чтобы обеспечить транслокацию активированного Erk в ядро . Действительно, как и во многих других случаях белок-белкового взаимодействия, HePTP, по-видимому, фосфорилируется Erk и p38 по сайтам Thr45 и Ser72. [11] Однако важно отметить, что на некаталитическом N-конце (область KIM) HePTP был обнаружен третий сайт фосфорилирования, который фосфорилируется до гораздо более высокой стехиометрии по пути цАМФ, [1] в еще одном примере перекрестные помехи между путями цАМФ и МАРК.
Фосфорилирование этого третьего сайта с помощью PKAs пути цАМФ ингибирует связывание MAP-киназ с HePTP и тем самым активирует сигнальный каскад MAPK/ERK. Путь МАРК через Ras, Raf, Mek и Erk демонстрирует низкую активность в присутствии нефосфорилированного (активного) HePTP. Однако активация пути цАМФ стимулирует активацию PKA, которая, в свою очередь, фосфорилирует HePTP по Ser23. Это предотвращает связывание HePTP с Erk и освобождает путь MAPK от ингибирования, позволяя продолжить передачу сигналов ниже по ходу (см. Рисунок 4).
Более того, исследования с участием гладкомышечных клеток предсердий сердца показали, что PKA может снижать активацию MAP-киназ в ответ на фактор роста тромбоцитов ( PDGF ) путем фосфорилирования киназы c-Raf . [14] Таким образом, кажется правдоподобным, что PKA в пути цАМФ может даже в дальнейшем участвовать в регуляции активации лимфоцитов не только путем ингибирования сигнального пути антиген-рецептор MAPK на его конечной стадии, но даже дальше.