Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路

Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路

一、Ras家族

Ras 蛋白是原癌基因 c-ras 的表达产物，Ras 是大鼠肉瘤（rat sarcoma，Ras）的英文缩写[1]。ras 基因是一类在生物进化过程中非常保守的原癌基因，广泛存在于生物界[2]。Ras 蛋白是第一个被发现的小G蛋白（Small G Protein），小G蛋白因分子量只有 20~30 KD而得名。Ras 蛋白相对分子质量为 21 kD，由 190 个氨基酸组成，属于单体 GTP 结合蛋白，具有弱的 GTP 酶活性[1,2]。

Ras 家族成员包括：H-Ras、K-Ras 、N-Ras、R-Ras 、Ral、Rap1A、Rap1B、Rap2[2]。人体内的 Ras 蛋白有 3 种异构体形式存在：H-Ras、K-Ras、N-Ras，三者相互间具有85％的氨基酸同源序列，且均与肿瘤相关[3,4]，突变可导致 Ras 蛋白永久性激活。

Ras 蛋白能与鸟苷酸结合，特别是与 GDP（失活）和 GTP（激活）结合，所以 Ras 的功能可视为分子开关[2]。Ras 的活性受两个蛋白的控制：鸟苷交换因子（GEF）、GTP酶激活蛋白（GAP）[1]。

• 激活：鸟苷交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF）能够促使 GDP 从 Ras 蛋白上释放出来，取而代之的是 GTP，从而将 Ras 激活[1]。GEF 的活性被鸟苷酸解离抑制因子（GDI）所抑制，而被鸟苷酸解离刺激因子（GDS）促进[2]。
• 失活：GTP 酶激活蛋白（GTPase activating protein，GAP）存在于正常细胞中，主要作用是激活 Ras 蛋白的 GTP 酶，将结合在 Ras 蛋白上的 GTP 水解成 GDP，使 Ras 蛋白失活。在正常情况下，Ras 蛋白基本上都与 GDP 结合在一起，定位在细胞质膜内表面上[1]。

1、RTK激活Ras

Ras 蛋白被上游的 RTK （见帖子：受体酪氨酸激酶（RTK））等激活。RTK 被激活后，生长因子受体结合蛋白2（Grb2）通过 SH2 结构域与 RTK 结合，并通过 SH3 结构域与 SOS （SOS见帖子：你想象不到的基因名称起源）结合，形成 Grb2-SOS 蛋白复合物。SOS 通过消耗 GTP 活化 Ras[2,4-6]。

2、Ras激活Raf

活化的 Ras 蛋白与 Raf 的 N 端结构域（CR1）结合，Ras 与 Raf-1 常以复合物形式存在。Ras 的主要作用是催化胞浆中的 Raf-1 使之固定于细胞膜内侧，并不直接激活 Raf-1 蛋白。Raf-1 一旦与细胞膜的脂质层相互作用即可暴露出其激酶功能区，进一步可能由其他非 Ras 依赖的信号分子（如PKA、PAK、SRC）而激活[4-6]。

二、Raf蛋白

Raf 蛋白是 raf 基因编码的蛋白产物，具有 3 个亚型：A-Raf、B-Raf、Raf-1（C-Raf）[2-4,8]。Raf-1 首先被发现，随后相继发现了 A-Raf、B-Raf，并证实 A-Raf、B-Raf 只表达在特定组织（泌尿生殖或神经系统）中[5]。

Raf-1 蛋白相对分子质量为 70~74 kD，由 648 个氨基酸组成，活化后具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性，其分子结构中含有 3 个保守区：CR1、CR2、CR3[5,6]。

• CR1 位于 N 端，富含半胱氨酸，含有锌指样结构，与蛋白激酶C（PKC）的配体活化区相似，是活化的 Ras 与 Raf-1 结合的部位；
• CR2 也靠近 N 端，富含丝、苏氨酸；
• CR3 位于 C 端，是蛋白激酶的催化功能区。

Raf-1 蛋白的丝氨酸43/259/621、酪氨酸340/341是主要的磷酸化位点[4]。

• 丝氨酸43位点磷酸化的作用是影响 Ras 与 Raf-1 的结合；
• 丝氨酸621位点的磷酸化直接 Raf-1 的活性；
• 丝氨酸259位点的磷酸化对 Raf-1 活性起抑制作用，还可能影响 Raf-1 与 14-3-3 蛋白的结合；
• 酪氨酸磷酸化位点对 Raf-1 蛋白的构象改变十分重要，可使其催化功能区得到活化。

三、MAPK级联反应

Raf-1 是一种 MAPKKK。定位于细胞膜内侧的 Raf-1 活化后，可使 MAPKK（MEK1/2）的丝/苏氨酸残基磷酸化，从而活化了 MAPKK（MEK1/2）。MAPKK （MEK1/2）是双特异性磷酸化激酶，可对 MAPK（ERK1/2）双位点磷酸化，最后活化的 MAPK（ERK1/2）从细胞质进入细胞核[2,4,7]。MAPK级联反应见帖子：MAPK信号通路。

1、入核

在没有外界刺激的情况下，由于蛋白质本身的原因或者通过与其他锚定蛋白的相互作用，MEK、ERK、RSK等通常定位于细胞质。在接受外界刺激后，MEK、ERK、RSK 与各自的锚定蛋白脱离而大量入核，定位发生巨大改变，它们的入核也是细胞内一些蛋白质表达及细胞周期转换的必需因素[8]。

2、出核

由于 MEK 的 N 端 NES（nuclear exporting sequence）序列以及 C 端结构域的作用，MEK 在短暂入核后即会迅速转移出核，而 ERK 则可在细胞核内停留较长时间。另外，MEK 还能通过与 ERK 相互作用形成复合体的形式而影响 ERK 的定位，促使 ERK 也随之一同转移出核，从而在一定程度上导致细胞恢复原始状态[8]。

四、ERK1/2

在生理状态下，ERK（extracellular-signal regulated kinase，细胞外信号调节激酶）是 MEK 的唯一下游底物[4,8]。ERK1/2 激酶由 ERK1 激酶和 ERK2 激酶组成[7]。

ERK2 被 MEK 磷酸化后，磷酸化的 ERK2 和磷酸化或未磷酸化的 ERK2 形成同源二聚体，转位入核。 同源二聚体的形成是其核转位所必需的[2]。

激活后的 ERK 通过磷酸化激活一系列细胞膜表面以及细胞质、细胞核内的类似核糖体 S6 蛋白激酶（ribosomal protein S6 kinase，RSK）的蛋白激酶底物，并与之共同入核的方式促进 CREB（cAMP responsive element binding protein，环腺苷酸应答元件结合蛋白）等重要转录因子的磷酸化， 从而调节 IEG（immediate early genes，即刻早期基因），如 Elk1、ETS、c-Fos、c-Myc、c-Jun、Egr1、SP1 等基因的转录表达[4,8]。

1、Elk1、c-Fos

三体复合物因子（TCF）属于核内活化转录因子，是 ERK 的主要靶物质。Elk 和 SAP1 都属于 TCF 家族，其 C 端有一组 S-T/P 模体结构，是 ERK 磷酸化部位的核心序列[2]。

ERK 使 Elk1 磷酸化之后，Elk1 与血清反应因子（SRF）、血清反应元件（SRE）形成三体复合物（TCF），从而激活 c-fos 基因转录。也可能 Elk 的磷酸化改变了原有三体复合物构型，解除了蛋白之间的抑制作用，从而激活转录[2]。

2、c-Jun

ERK 可磷酸化由 c-jun 基因表达的 c-Jun 蛋白。磷酸化的 c-Jun 和新产生的 Fos 结合成有活性的基因调节蛋白 AP-1（Fos 家族、Jun 家族见帖：AP-1复合体）。AP-1 可与多种基因的启动子和增强子结合。例如，AP-1 可识别并结合 DNA 上的 AP-1 位点，刺激胶原酶基因及其他有关基因转录，参与增殖调控。其中一个首先被激活的基因产物可能是 MAPK 磷酸酶（MKP1），它反馈作用于 MAPK，使其脱磷酸而失活，减弱此信号途径产生的反应[2]。

3、负反馈

激活的 ERK 可通过诱导 Raf-1 的过度磷酸化，使其丧失与 Ras 结合形成复合体的能力，从而阻断该通路的进展[8]。

五、下游通路

1、促凋亡

ERK1/2 通路通过以下途径启动细胞凋亡的内源性途径[9]：①p53 活性增加；②增强 Bax 表达；③Calpain 的介导。

• Calpain 是钙依赖性半胱氨酸中性蛋白酶，活化后具有强烈的破坏作用，既可裂解细胞骨架蛋白及结构蛋白，破坏溶酶体膜、导致细胞溶解坏死， 又可裂解 Bcl-XL、使其结合 Bax 的功能丧失，导致游离 Bax 增多、Caspases 蛋白活化，细胞发生凋亡[9]。

2、促增值

ERK 被磷酸化激活的持续时间与细胞命运密切相关（见帖：细胞周期）[8]。

• 通常持续且强度适宜的激活可通过促进蛋白质合成、CDK-cyclin 复合体形成、提高蛋白质稳定性等途径促进细胞增殖。ERK 通路所诱导的 cyclinD1 的表达即为细胞周期实现 G1/S 期转换的必需蛋白，而 CDK1-cyclinB 复合体的形成则能促进细胞进入 M 期[8]。
• 过度激活 ERK 通路则会阻滞细胞周期的进程，使细胞内 cyclinD1 积聚，过度积聚的 cyclinD1 可与细胞周期抑制蛋白 Cip1（p21）结合，使 Cip1（p21）免受降解，导致细胞进入静息状态[8]。

六、其他蛋白

1、KSR1

Ras 激酶抑制因子 1（kinase suppressor of Ras，KSR1）是一种支架蛋白，在 ERK 信号通路发挥重要作用。KSR1 与 Raf-1、MEK、ERK 均能相互作用，功能强大[8]。

• 在细胞静止时，KSR1 的 S392 位点因被 c-TAK1（TGF-βactivated kinase 1，转化生长因子 β 激活激酶 1）磷酸化，而与负性调节蛋白 14-3-3、PP2A（protein phosphatase 2A，蛋白磷酸酶 2A）、 IMP（inosine monophosphate，苷肌酸）结合，从而定位于细胞质[8]。
• 当细胞接受外界刺激后，S392 位点发生去磷酸化，使得 KSR1 失去了与 14-3-3 结合的能力，促使 KSR1 倾向定位于细胞膜，同时引导 MEK 靠近细胞膜与激活的 Raf 结合。另外，与 14-3-3 解离还能促使 KSR1 中可与 ERK 相互作用的 FXFP 位点暴露并结合 ERK，最终促进 Raf/MEK/ERK 复合体的形成，并实现该通路的依次磷酸化[8]。

2、Sef1

Sef1（similar expression to fgf genes 1）是一个可以调节 ERK 质核定位的蛋白质，它通常跨膜定位于高尔基体， 可通过阻止 MEK/ERK 复合体的解聚使 ERK 无法入核， 而只能停留在细胞质中发挥作用。相反，Sef1 也可以与 Ras 相互作用而抑制该通路的激活[8]。

七、与其他通路的交叉

1、PI3K/Akt信号通路

接受到酪氨酸激酶或 G 蛋白偶联受体的信号后，PI3K 的调节亚基 p85 和催化亚基 p110 依次被招募到细胞膜附近并被激活，进而激活 CREB，并与 ERK1/2 共同调节 CREB 的活性[8]。

另外，被激活的 AKT 还可通过磷酸化 Raf-1 的 S259 位点（B-Raf 的 S364、S428 位点）而使 Raf-1 与 14-3-3 蛋白结合而失活[8]。

星形细胞内富含的 PEA15（phosphoprotein enriched in astrocytes 15，磷酸蛋白 15）可与 ERK 紧密结合，并利用 ERK 的出核序列将其引导出核，因此通过过表达 PEA15 即能阻止 ERK 入核，降低 ERK 通路对细胞应答的调节活性。而过度激活的 AKT 可进一步提高 PEA15 蛋白的稳定性，从而大大降低 ERK 的入核概率。因此，为 了促使 ERK 正常入核以推动细胞周期进程，保证细胞内 AKT 活性维持在一个适当的水平至关重要。另外，PEA15 蛋白还可以作为支架蛋白增强 ERK 对 RSK2 的激活作用，进而通过 CREB 调节细胞应答[8]。

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参考文献

[1]Ras蛋白(Ras protein) - 实验方法 - 丁香通 (biomart.cn)

[2]张岩,黄文秀,吴春福.Ras依赖型的MAPK细胞内信号转导通路[J].医学综述,2007(03):189-191.

[3]RAS-RAF-MEK-ERK：经典肿瘤信号通路的全线药物_新浪医药新闻 (sina.com)

[4]学懂通路第三期： MAPK信号通路 - 知乎 (zhihu.com)

[5]李彪,李晓玫.Raf-1蛋白激酶在细胞信号转导研究中的新进展[J].生物化学与生物物理进展,1998(04):2-4.

[6]李彪,李晓玫.Raf-1蛋白激酶研究新进展[J].肾脏病与透折肾移植杂志,1999,8(1):44.DOI:10.3969/j.issn.1006-298X.1999.01.017. Raf-1蛋白激酶研究新进展_医生在线 (51daifu.com)

[7]祝盼盼,商亚珍.MAPK信号通路介导细胞凋亡的研究进展[J].承德医学院学报,2021,38(03):243-246.DOI:10.15921/j.cnki.cyxb.2021.03.019.

[8]常超. Ras／Raf／MEK／ERK信号通路与细胞命运的联系[J]. 中国医药生物技术, 2008(4):310-312.

[9]李旭光,赵雅宁,陈长香.细胞外信号调节激酶1/2信号转导通路与细胞凋亡的研究进展[J].河北联合大学学报(医学版),2012,14(03):334-335.DOI:10.19539/j.cnki.2095-2694.2012.03.024.