Akt/PKB-Signalweg - Akt/PKB signaling pathway
Der Akt-Signalweg oder PI3K-Akt-Signalweg ist ein Signalübertragungsweg , der als Reaktion auf extrazelluläre Signale das Überleben und das Wachstum fördert. Key - Proteine beteiligt sind , PI3K ( Phosphatidylinositol - 3-Kinase ) und Akt ( Proteinkinase B ).
Die anfängliche Stimulation durch einen der Wachstumsfaktoren bewirkt die Aktivierung eines Zelloberflächenrezeptors und die Phosphorylierung von PI3K. Aktiviertes PI3K phosphoryliert dann Lipide auf der Plasmamembran und bildet den zweiten Botenstoff Phosphatidylinositol (3,4,5)-trisphosphat (PIP 3 ). Akt, eine Serin/Threonin-Kinase , wird durch Interaktion mit diesen Phosphoinositid-Andockstellen an die Membran rekrutiert, so dass sie vollständig aktiviert werden kann. Aktiviertes Akt vermittelt nachgeschaltete Reaktionen, einschließlich Zellüberleben, Wachstum, Proliferation , Zellmigration und Angiogenese , indem es eine Reihe intrazellulärer Proteine phosphoryliert. Der Stoffwechselweg ist in allen Zellen höherer Eukaryoten vorhanden und hoch konserviert.
Der Signalweg wird durch mehrere Mechanismen stark reguliert, die oft ein Cross-Talk mit anderen Signalwegen beinhalten. Probleme mit der Regulation des PI3K-Akt-Signalwegs können zu einer Erhöhung der Signalaktivität führen. Dies wurde mit einer Reihe von Krankheiten wie Krebs und Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht . Ein Hauptantagonist der PI3K-Aktivität ist PTEN (Phosphatase- und Tensin-Homolog), ein Tumorsuppressor, der in Krebszellen oft mutiert ist oder verloren geht. Akt phosphoryliert bis zu 100 verschiedene Substrate, was zu einer Vielzahl von Wirkungen auf Zellen führt.
Mechanismus
PI3K-Aktivierung
Es gibt mehrere Arten von Phosphoinositid-3-Kinase, aber nur Klasse I ist für die Lipidphosphorylierung als Reaktion auf Wachstumsstimuli verantwortlich. PI3Ks der Klasse 1 sind Heterodimere, die aus einer regulatorischen Untereinheit p85 und einer katalytischen Untereinheit p110 bestehen, die nach ihrem Molekulargewicht benannt sind.
Der Signalweg kann durch eine Reihe von Signalen aktiviert werden, darunter Hormone , Wachstumsfaktoren und Komponenten der extrazellulären Matrix (ECM). Es wird durch die Bindung eines extrazellulären Liganden an eine Rezeptor-Tyrosin-Kinase (RTK) in der Plasmamembran stimuliert , was eine Rezeptor-Dimerisierung und Kreuzphosphorylierung von Tyrosin-Resten in den intrazellulären Domänen verursacht. Die regulatorische Untereinheit p85 bindet über ihre Src-Homologie-2-(SH2)-Domäne an phosphorylierte Tyrosinreste am aktivierten Rezeptor . Es rekrutiert dann die katalytische Untereinheit p110, um das vollständig aktive PI3K-Enzym zu bilden. Alternativ bindet das Adaptermolekül Grb2 an Phospho-YXN-Motive der RTK und rekrutiert p85 über das Grb2-assoziierte Bindungs- (GAB) -Gerüstprotein .
Die p110-Untereinheit kann auch unabhängig von p85 rekrutiert werden. Grb2 kann beispielsweise auch das Ras-GEF Sos1 binden, was zur Aktivierung von Ras führt . Ras-GTP aktiviert dann die p110-Untereinheit von PI3K. Andere Adaptermoleküle wie das Insulinrezeptorsubstrat (IRS) können ebenfalls p110 aktivieren.
PI3K kann auch durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR), über G-Protein-βγ-Dimere oder Ras, die PI3K direkt binden , aktiviert werden. Darüber hinaus aktiviert die Gα-Untereinheit die Src-abhängige Integrin- Signalgebung, die PI3K aktivieren kann.
Phosphoinositidbildung
Aktiviertes PI3K katalysiert die Addition von Phosphatgruppen an die 3'-OH-Position des Inositolrings von Phosphoinositiden (PtdIns) und produziert drei Lipidprodukte, PI(3)P, PI(3,4)P 2 und PI(3,4, 5) P 3 :
Phosphatidylinositol (PI) → PI 3-Phosphat , (PI(4)P) → PI 3,4-Bisphosphat , (PI(4,5)P 2 ) → PI 3,4,5-Triphosphat
Diese phosphorylierten Lipide sind an der Plasmamembran verankert, wo sie intrazelluläre Proteine mit einer Pleckstrin-Homologie (PH) oder FYVE- Domäne direkt binden können . Beispielsweise bindet die Triphosphatform (PI(3,4,5)P 3 ) Akt und die Phosphoinositid-abhängige Kinase 1 (PDK1), sodass sie sich in unmittelbarer Nähe an der Membran anreichern.
Akt-Aktivierung
Akt befindet sich im Zytosol in einer inaktiven Konformation, bis die Zelle stimuliert wird und zur Plasmamembran transloziert. Die Akt PH-Domäne hat eine hohe Affinität für den zweiten Messenger PI(3,4,5)P 3 und bindet daran bevorzugt gegenüber anderen Phosphoinositiden. Somit ist die PI3K-Aktivität für die Translokation von Akt zur Membran essentiell. Die Wechselwirkung mit PI(3,4,5)P 3 verursacht Konformationsänderungen und das Freilegen der Phosphorylierungsstellen Thr308 in der Kinasedomäne und Ser473 in der C-terminalen Domäne. Akt wird teilweise durch Phosphorylierung von T308 durch PDK1 aktiviert. Die vollständige Aktivierung erfordert die Phosphorylierung von S473, die durch mehrere Proteine katalysiert werden kann, einschließlich Phosphoinositid-abhängige Kinase 2 (PDK2), Integrin-linked Kinase (ILK), mechanistisches Ziel des Rapamycin- Komplexes 2 (mTORC2) und DNA-abhängige Proteinkinase ( DNA-PK). Die Regulation der Ser473-Phosphorylierung ist nicht vollständig verstanden, kann aber auch durch Autophosphorylierung nach Thr308-Phosphorylierung beeinflusst werden. Nach der Stimulation sinken die PIP 3 -Spiegel und die Akt-Aktivität wird durch Dephosphorylierung durch Serin/Threonin- Phosphatasen abgeschwächt .
PI3K-unabhängige Aktivierung
Obwohl PI3K der Hauptmodus der Akt-Aktivierung ist, wurde gezeigt, dass andere Tyrosin- oder Serin/Threonin-Kinasen Akt direkt als Reaktion auf Wachstumsfaktoren, Entzündungen oder DNA-Schäden aktivieren. Diese können auch dann funktionieren, wenn die PI3K-Aktivität gehemmt ist. Andere Studien haben gezeigt, dass Akt als Reaktion auf einen Hitzeschock oder eine Erhöhung der zellulären Ca 2+ -Konzentration über die Ca 2+ /Calmodulin-abhängige Proteinkinasekinase ( CAMKK ) aktiviert werden kann .
| Aktivierung der Kinase | Akt-Phosphorylierungsstelle | Einzelheiten |
|---|---|---|
| Aktivierte CDC42-Kinase 1 (Ack1) | Tyr176 | Akt bindet bevorzugt an Phosphatidsäure (PA) anstelle von PIP 3 und ermöglicht so die Translokation zur Plasmamembran. |
| Src | Tyr315, Tyr326 | Erfordert die Interaktion der Src SH3-Domäne und der prolinreichen Region am C-Terminus von Akt. |
| Protein-Tyrosinkinase 6 (PTK6) | Tyr215, Tyr315 und Tyr326 | Aktiviert Akt als Reaktion auf den epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) |
| IκB-Kinase ε (IKKε) | Ser137, Thr308 und Ser473 | Unabhängig von der PH-Domäne, PI3K, PDK1 und mTOR |
| TANK-bindende Kinase 1 (TBK1) | Thr195, Ser378 und Ser473 | Als Reaktion auf Toll-like-Rezeptor- Aktivierung in Makrophagen. |
| DNA-abhängige Proteinkinase (DNA-PK) | Ser473 | Aktiviert durch DNA-Doppelstrangbrüche, die durch ionisierende Strahlung gebildet werden. |
Verordnung
Der PI3K-Akt-Weg hat viele nachgelagerte Wirkungen und muss sorgfältig reguliert werden. Eine der Möglichkeiten, wie der Stoffwechselweg negativ reguliert wird, besteht darin, die PIP- 3- Spiegel zu senken. Phosphatase und Tensin-Homolog (PTEN) antagonisieren PI3K durch die Umwandlung von PI(3,4,5)P 3 in PI(4,5)P 2 . Der Verlust der PTEN-Funktion führt zu einer Überaktivierung von Akt und ist in Krebszellen häufig (PTEN ist ein Tumorsuppressor ). SH2-enthaltende Inositol - Phosphatase (SHIP) auch dephosphoryliert PI (3,4,5) P 3 , an der 5' - Position des Inositolrings. Der PI3K-Akt-Signalweg reguliert den PTEN-Spiegel, indem er seine Transkription und Aktivität beeinflusst. Der durch Akt aktivierte Transkriptionsfaktor NF-κB reguliert Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptor-Delta (PPARβ/δ)-Agonisten und Tumornekrosefaktor α (TNFα), die wiederum die PTEN-Expression unterdrücken. NEDD4-1, eine E3-Ligase, die PTEN für den Abbau erkennt, wird durch den PI3K-Weg hochreguliert. Daher wird bei Aktivierung von Akt PTEN in einer positiven Rückkopplungsschleife weiter unterdrückt .
Der Weg wird auch von der Proteinphosphatase 2A (PP2A) kontrolliert , die Akt an Thr308 dephosphoryliert und Phosphatase PHLPP Akt an Ser473 dephosphoryliert. Ein weiteres wichtiges Protein bei der Akt-Abschwächung ist das Carboxy Terminal Modulator Protein (CTMP). CTMP bindet an die regulatorische Domäne von Akt und blockiert dessen Phosphorylierung und Aktivierung.
Wenn der Signalweg durch Insulin aktiviert wird , wird die Transkription des Insulinrezeptorsubstrats 1 (IRS-1) in einer negativen Rückkopplungsschleife über mTORC1- und S6K1-Aktivierung herunterreguliert . S6K1 ist auch in der Lage, IRS-1 an mehreren Serinresten zu phosphorylieren, wodurch die Bindung an RTKs verhindert wird. Ein weiterer negativer Rückkopplungskontrollmechanismus, der den Signalweg reguliert, beinhaltet FoxO-Transkriptionsfaktoren . Aktiviertes Akt verursacht den Abbau von FoxO, so dass es PP2A nicht mehr hemmen kann, was zu einer Abnahme der Akt-Phosphorylierung führt.
Downstream-Effekte
Sobald es aktiv ist, transloziert Akt von der Plasmamembran in das Zytosol und den Zellkern , wo sich viele seiner Substrate befinden. Akt reguliert eine Vielzahl von Proteinen durch Phosphorylierung. Akt-Zielsubstrate enthalten eine minimale Konsensussequenz RXRXX-[Ser/Thr]-Hyd, wobei Hyd eine hydrophobe Aminosäure ist , obwohl andere Faktoren wie subzelluläre Lokalisierung und dreidimensionale Struktur wichtig sind. Die Phosphorylierung durch Akt kann hemmend oder stimulierend sein, indem sie die Aktivität von Zielproteinen entweder unterdrückt oder verstärkt.
Zellüberleben und Apoptose
Der Akt-PI3K-Weg ist für das Überleben der Zellen essentiell, da aktiviertes Akt viele Faktoren beeinflusst, die an der Apoptose beteiligt sind , entweder durch Transkriptionsregulation oder direkte Phosphorylierung. Im Zellkern hemmt Akt Transkriptionsfaktoren, die die Expression von Zelltodgenen fördern, und verstärkt die Transkription von anti-apoptotischen Genen. Ein gut untersuchtes Beispiel sind die Transkriptionsfaktoren der Forkhead-Familie (FoxO/FH), von denen FKHR/FoxO1 , FKHRL1/FoxO3 und AFX/FoxO4 direkt von Akt phosphoryliert werden. Diese Phosphorylierung induziert den Export in das Zytosol, wo sie von 14-3-3-Proteinen sequestriert und schließlich über den Ubiquitin-Proteasom- Weg abgebaut werden.
Akt reguliert auch positiv einige Transkriptionsfaktoren, um die Expression von Pro-Survival-Genen zu ermöglichen. Akt kann die IκB-Kinase IKKα phosphorylieren und aktivieren , was einen Abbau von IκB und eine nukleäre Translokation von NF-κB bewirkt, wo es die Expression der Caspase-Inhibitoren c-Myb und Bcl-xL fördert . Das ebenfalls das Zellüberleben fördernde cAMP-Response-Element-Bindungsprotein (CREB) wird durch Akt an Ser133 phosphoryliert, wodurch die Rekrutierung von CREB-bindendem Protein (CBP) an den Promotor von Zielgenen, wie Bcl-2 , stimuliert wird . Es wurde auch gezeigt, dass Akt murinen Doppelminute 2 (Mdm2), einen Schlüsselregulator von DNA-Schadensreaktionen, an Ser166 und Ser186 phosphoryliert. Die Phosphorylierung von Mdm2 durch Akt reguliert seine Ubiquitin-Ligase-Aktivität hoch und unterdrückt somit indirekt die p53- vermittelte Apoptose. Ein weiteres Ziel von Akt ist das Yes-assoziierte Protein (YAP), das an Ser127 phosphoryliert ist, was zu 14-3-3-Bindung und zytosolischer Lokalisation führt. Daher kann es die p73- vermittelte Apoptose als Reaktion auf DNA-Schäden nicht koaktivieren .
Akt reguliert pro-apoptotische Proteine durch direkte Phosphorylierung negativ. Zum Beispiel verursacht die Phosphorylierung von BAD , dem Mitglied der Bcl-2-Familie, auf Ser136 eine Translokation von der mitochondrialen Membran in das Cytosol, wo es von 14-3-3-Proteinen sequestriert wird . Akt phosphoryliert Caspase-9 auf Ser196 und verhindert so eine Caspase-Kaskade, die zum Zelltod führt. Akt phosphoryliert auch MAP-Kinase-Kinase-Kinasen (MAPKKK) stromaufwärts des stressaktivierten Proteinkinase-(SAPK)-Signalwegs. Die Phosphorylierung der Apoptosesignal-regulierenden Kinase 1 (ASK1) auf Ser83 und der gemischten Abstammungskinase 3 (MLK3) auf Ser674 hemmt deren Aktivität und verhindert die MAP-Kinase-induzierte Apoptose.
Lysosomenbiogenese und Autophagie
Akt reguliert TFEB , ein Hauptkontroller der lysosomalen Biogenese, durch direkte Phosphorylierung von TFEB an Serin 467. Phosphoryliertes TFEB ist aus dem Zellkern ausgeschlossen und weniger aktiv. Die pharmakologische Hemmung von Akt fördert die nukleäre Translokation von TFEB , die lysosomale Biogenese und die Autophagie.
Verlauf des Zellzyklus
Akt fördert die Zellzyklusprogression in der G1-S-Phase durch Phosphorylierung und Inaktivierung der Glykogen-Synthase-Kinase 3 (GSK-3) an Ser9. Dies verhindert die Phosphorylierung und den Abbau von Cyclin D1 . Daher fördert Akt den Verlauf der G1-Phase in einer positiven Rückkopplungsschleife. Akt fördert die Translation von Cyclin D1 über die indirekte Aktivierung von mTOR . mTOR erhöht die Translation von Cyclin D1, indem es das ribosomale Protein S6K aktiviert und das eukaryotische Translationsinitiationsfaktor 4E-bindende Protein (4E-BP) hemmt , wodurch die eIF4e- Aktivität erhöht wird .
Akt reguliert sowohl indirekt als auch direkt die Cyclin-abhängigen Kinase (CDK)-Inhibitoren p21 Cip1 und p27 Kip1 und ermöglicht so das Fortschreiten des Zellzyklus. Akt phosphoryliert p27 kip1 an Thr157 und verhindert so seinen nuklearen Import. Darüber hinaus phosphoryliert Akt Thr145 und Ser146 von p21 Cip1 , wodurch die PCNA- Bindung verhindert und die Stabilität verringert wird. Die Akt-Phosphorylierung von Foxo- Transkriptionsfaktoren beeinflusst auch den Zellzyklus, da die inhibitorische Phosphorylierung von FoxO4 (auch AFX genannt) die p27-Genexpression verhindert.
Zellmigration
Akt phosphoryliert viele Proteine in der Polymerisation und die Stabilisierung des beteiligten Aktin - Zytoskelett . In normalen Zellen kann dies entweder die Stabilität von Zytoskelett-Komponenten erhöhen oder die Migration durch Remodelling fördern . Beispiele sind unten aufgeführt:
- Aktinfilamente - Akt phosphoryliert Aktin direkt
- Akt-Phosphorylierungsverstärker (APE), auch Giridin genannt - phosphoryliert an Ser1416, was zur Translokation an die Vorderkante der Filamente führt, was für die Migration unerlässlich ist
- Natrium-Wasserstoff-Austauscher 1 (NHE1) - phosphoryliert an Ser648, fördert Zytoskelett-Umlagerungen und Migration
- Filamin A – phosphoryliert an Ser2152, fördert die Caveolin-1- vermittelte Zellmigration
- Kank - Nieren-Ankyrin-Repeat-haltiges Protein - reguliert die RhoA- Aktivierung und die Zellmigration als Reaktion auf Insulin und EGF . negativ
- Tuberöse Sklerose Komplex 2 (TSC2) - Akt1 destabilisiert die Rho GTPase, hemmt die F-Aktin- Assemblierung und reduziert die Zellmigration
- Palladin - Akt1 phosphoryliert das Aktin-bindende Protein an Ser507 und unterbricht die Vernetzung der F-Aktin-Bündel
Akt fördert die Zellmigration, indem es mit anderen Zytoskelettkomponenten interagiert. Das intermediäre Filament vom Typ III Vimentin wird durch Akt1 an Ser39 phosphoryliert, wodurch dessen Abbau verhindert wird. In normalen Zellen erhält dies die Gewebestabilität. S-Phasen-Kinase-assoziiertes Protein 2 (Skp2) - Ser72-Phosphorylierung erhöht die E3-Ligase- Aktivität und zytosolische Lokalisation, wodurch die Zellmotilität gefördert wird. Akt phosphoryliert GSK3 beta und aktiviert indirekt das Mikrotubuli- bindende Protein adenomatöse Polyposis coli (APC). Die endotheliale Stickoxid-Synthase (eNOS) wird an Ser1177 phosphoryliert, was zur NO-Synthese und Endothelzellmigration führt. Außerdem ist das pro-migratorische GTPase-aktivierende Protein RhoGAP22 an Ser16 phosphoryliert.
Oxidativen Stress
Unter oxidativem Stress fördert miR-126 die Aktivierung des Akt/PKB-Signalwegs. Dies erhöht die biologische Funktion von Zellen unter oxidativem Stress. Dies ist wichtig bei der Transplantation von endothelialen Vorläuferzellen zur Behandlung eines akuten Myokardinfarkts (AMI) und kann als ein neuer therapeutischer Ansatz zur Behandlung von AMI dienen.
Rolle bei Krebs
Eine fehlerhafte Aktivierung von Akt, entweder über PI3K oder unabhängig von PI3K, wird oft mit Malignität in Verbindung gebracht. Studien haben die Genamplifikation der Akt-Isoformen bei vielen Krebsarten identifiziert, einschließlich Glioblastom , Eierstock- , Bauchspeicheldrüsen- und Brustkrebs . Akt wird auch in Bezug auf die mRNA-Produktion bei Brust- und Prostatakrebs hochreguliert . Eine funktionelle Inaktivierung von PTEN, dem wichtigsten PI3K-Antagonisten, kann in Krebszellen durch Punktmutation , Gendeletion oder epigenetische Mechanismen auftreten. Mutationen im Signalweg können auch Rezeptor-Tyrosinkinasen, Wachstumsfaktoren, Ras und die PI3K-p110-Untereinheit beeinflussen, was zu einer abnormalen Signalaktivität führt. Daher sind viele der Proteine im Signalweg Ziele für Krebstherapeutika. Zusätzlich zu seinen Auswirkungen auf das Zellüberleben und das Fortschreiten des Zellzyklus fördert der PI3K-Akt-Signalweg andere Eigenschaften von Krebszellen . Eine Hyperaktivität des Signalwegs fördert den epithelial-mesenchymalen Übergang (EMT) und die Metastasierung aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Zellmigration.
Angiogenese
Angiogenese , die Bildung neuer Blutgefäße, ist oft entscheidend für das Überleben und Wachstum von Tumorzellen unter nährstoffarmen Bedingungen. Akt wird stromabwärts des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) in Endothelzellen in der Auskleidung von Blutgefäßen aktiviert und fördert so das Überleben und das Wachstum. Akt trägt auch zur Angiogenese bei, indem es die endotheliale Stickoxid-Synthase (eNOS) aktiviert , die die Produktion von Stickoxid (NO) erhöht . Dies stimuliert die Vasodilatation und den Gefäßumbau. Signalisieren durch die PI3K-Akt - Weg erhöht Übersetzung der Hypoxie-induzierbaren Faktor α (HIF1 & agr; und HIF2α) Transkriptionsfaktoren über mTOR. HIF fördert die Genexpression von VEGF und glykolytischen Enzymen und ermöglicht so den Stoffwechsel in sauerstoffarmen Umgebungen.
Zuckerstoffwechsel
In Krebszellen korreliert eine Zunahme der Akt-Signalgebung mit einer Zunahme des Glukosestoffwechsels im Vergleich zu normalen Zellen. Krebszellen bevorzugen die Glykolyse zur Energiegewinnung gegenüber der mitochondrialen oxidativen Phosphorylierung , selbst wenn die Sauerstoffversorgung nicht eingeschränkt ist. Dies ist als Warburg-Effekt oder aerobe Glykolyse bekannt. Akt beeinflusst den Glukosestoffwechsel, indem es die Translokation der Glukosetransporter GLUT1 und GLUT4 zur Plasmamembran erhöht, die Hexokinase- Expression erhöht und GSK3 phosphoryliert, was die Glykogensynthese stimuliert . Es aktiviert auch indirekt Glykolyseenzyme über HIF-Transkriptionsfaktoren und die Phosphorylierung von Phosphofructokinase-2 (PFK2), die Phosphofructokinase-1 (PFK1) aktiviert .