0
9381

JNK киназы

Компас посвящен JNK киназам- стресс-активируемым протеинкиназам, участвующим в ответе на воздействие цитокинов, ультрафиолетовое облучение, тепловой и осмотический шок, в дифференцировке и апоптозе Т-лимфоцитов.

на сайте с 27 августа 2008

JNK киназы

JNK (c-Jun N-terminal kinases, c-Jun N-концевые киназы)- стресс-активируемые протеинкиназы (SAPK) , участвующие в ответе на действие цитокинов, ультрафиолетовое облучение, тепловой и осмотический шок, в дифференцировке и апоптозе Т-лимфоцитов. Впервые идентифицированы по связыванию и фосфорилированию серина 63 и серина 73 траскрипционно активационного домена белка c-Jun, входящего в состав транскрипционного фактора AP-1. JNK киназа непосредственно связывается со специфическими белковыми доменами c-Jun и ATF2 , которые образуют один из димерных факторов транскрипции семейства АР1 . В результате c-Jun и ATF2 фосфорилируются по N- концевым доменам. Эти домены являются активаторными и их фосфорилирование приводит к увеличению транскрипционной активности их димера АР1.
 JNK относится к семейству митоген- активируемых серин/треониновых протеинкиназ (поэтому JNK также называются MAPK8, MAPK9, MAPK10).
JNK киназы имеют 10 изоформ, происходящих из 3 генов JNK1, JNK2 and JNK3. JNK1 и JNK2 обнаружены во всех клетках и тканях. JNK3 обнаруживается в основном в мозге, но есть и в сердце и яичках.

JNK1 участвует в апоптозе, нейродегенерации, дифференцировке и пролиферации клеток, воспалении и продукции цитокинов, регулироемой AP-1 (RANTES, IL-8 и ГМ-КСФ).
JNK связаны со скаффолд- белками и с киназами JNKK1 и JNKK2.
JNK через фосфорилирование модифицируют активность некоторых белков, которые находятся в митохондриях или действуют в ядре. Таким образом JNK регулируют различные функции клетки. Воспаление, изменения уровня активных форм кислорода (АФК), облучение ультрафиолетом, ингибиторы синтеза белков и различные стрессовый факторы могут активировать JNK. Одним из путей активации является нарушение конформации чувствительных фосфатаз, которые в норме подавляют JNK и белков, которые ее активируют.

JNK являются частью сложного молекулярного каскада, который запускается каким- либо внешним или внутренним стимулом и приводит к активации различных генов.

На рисунке представлен молекулярный каскад, запускаемый с толл- подобных рецепторов (TLR) в ходе иммунного ответа. IKK - IкB киназа; IRAK - IL-1 рецептор-ассоциированная киназа; MKK - митоген-активированная киназа; P - фосфат.

JNK  участвуют в запуске апоптоза. Все типы клеток, изучаемых до сих пор, - от дрожжевых до человеческих – отвечают на различные формы стресса путем активации этого класса сигнальных белков. Однако необходимо отметить, что роль JNK в активации апоптоза зависит от типа клетки и вида стимула. Было предположено, что влияние активации JNK на апоптоз зависит от активности других сигнальных путей, например ERK или NFkB-опосредованных, что позволяет предположить, что активация JNK облегчает, но не обязательно инициирует процесс апоптоза.

Каспаза катализирует расщепление регулирующих JNK-путь киназ, что усиливает апоптоз. Ассоциация адаптерного протеина Daxx с активированным Fas также инициирует активацию JNK. Однако значение этих событий для апоптоза, т.е. требовала или нет активация апоптоза в этой модели участия JNK – достоверно не выяснено. Эксперименты на моделях с отсутствием отдельных генов JNK не смогли показать дефектов в процессе апоптоза. Однако мыши с отсутствием и JNK1 и JNK2 погибали в эмбриогенезе из-за нарушений нейронального апоптоза. Эмбриональные мышиные фибробласты (MEF) с отсутствием JNK1 и JNK2 резистентны к стресс-индуцируемому, но не опосредованному через клеточные рецепторы гибели апоптозу. Было показано, что такие MEF не способны высвобождать цитохром C из дестабилизированных митохондрий – необходимый шаг в стресс-индуцируемом апоптозе, который можно обойти при одном типе апоптоза, индуцированном рецепторами клеточной гибели.

Более ясная картина роли JNK в активации апоптоза наблюдается у двукрылых насекомых, у которых JNK-сигнальный путь необходим для апоптоза, опосредованного через рецепторы клеточной гибели. Этот вывод обнаружился после клонирования аналога TNFRI у дрозофиллы – Eiger. В отличие от своих аналогов у млекопитающих, лиганд-активированный Eiger не вызывает образования DISC (death-inducing signaling complex -белковый комплекс, образуемый членами семейства индуцирующих апоптоз клеточных рецепторов), но необходим для активации апоптоза, опосредованного через рецепторы гибели, прямым путем, не требующим изменения митохондрий. Однако Eiger-индуцированная клеточная гибель зависит от других компонентов механизма апоптоза у дрозофилы (например, каспаза-9 – подобная протеаза, Dronc, Apaf-1-подобный белок, Dark/Dapaf-1). Сигнальный путь JNK ведет к активации Dronc за счет подавления функции класса белков – т.н. протеинов-ингибиторов апоптоза (IAP). Eiger/JNK путь необходим для активации транскрипции двух ключевых генов апоптоза у Двукрылых – hid и reaper. Hid и Reaper связывают и блокируют функцию IAP дрозофиллы, открывая путь апоптозу. Остается выяснить, сохраняется ли этот прямой путь JNK у более организованных животных, млекопитающих (Tilly et al, 2004).

Молекулярный каскад запуска апоптоза


Активность JNK приводит к нарушениям гомеостаза у дрозофил

Heinrich Jasper Обсудим подробнее роль JNK в апоптозе у излюбленного объекта исследований геронтологов-дрозофил. Как и другие многоклеточные , они используют различные защитные и регенеративные механизмы для поддержания тканевого гомеостаза. Понимание этих механизмов необходимо для создания точных моделей старения и возраст- ассоциированных заболеваний. Ученые из Department of Biology, University of Rochester под руководством Heinrich Jasper показали, что JNK- сигналлинг влияет на регенерацию в кишечнике дрозофилы через пролиферацию кишечных стволовых клеток (ISCs) (статья). Важно, что JNK способствует нарушению гомеостаза в кишечнике старых и подвергнутых стрессу мух через накопление неправильно дифференцированных ISC- дочерних клеток. Внешний Delta/Notch- сигналлинг вызывает в этих клетках ненормальную дифференцировку и ограничивает JNK- индуцированную пролиферацию. Защитная JNK- сигнализация и контроль пролиферации и дифференцировки клеток с помощью Delta/Notch- сигнализации находятся в сбалансированном состоянии в целях контроля тканевого гомеостаза. Ученые пришли у выводу, что этот баланс нарушается при старении, что повышает риск опухолевой трансформации.

SHC-1/p52Shc влияет на инсулин/ИФР и JNK сигнальный путь

Ralf Baumeister JNK-сигнализация -не единственный путь, который участвует в ответе на стресс и процессе старения. В связи с этим необходимо исследовать его взаимосвязь с этими путями. Существует множество данных, которые связывают стресс, накопление оксидативных повреждений в клетке и старение у некоторых видов. Генетические исследования разных организмов- от дрожжей до млекопитающих- показали наличие сигнальных путей, которые участвуют в ответе на стресс и регуляции продолжительности жизни, включая потребление калорий, дыхание в митохондриях, инсулин/ИФР сигнальный путь (IIS) и JNK- сигнализация. Как IIS и JNK сигнализация взаимодействуют и защищают от стресса, ведущего к старению, до сих пор неизвестно. Немецкие ученые Neumann-Haefelin E, Qi W, Finkbeiner E, Walz G, Baumeister R и Hertweck M из Университета Фрайбурга провели исследование адапторного белка SHC-1, аналога человеческого p52Shc у нематод Caenorhabditis elegans, координирующего механизм ответа на стресс и старение (статья).
С помощью генетических и биохимических методов они обнаружили, что
SHC-1 не только противодействует IIS ,но и активирует JNK. Потеря
функции SHC-1 ведет к ускоренному старению и повышенной
чувствительности к тепловому шоку, оксидативному стрессу, тяжелым металлам, кроме того человеческий p52Shc компенсирует SHC-1-мутантный фенотип. SHC-1 действует на инсулин/ИФР-рецептор DAF-2 и PI3 киназу AGE-1. Кроме того, SHC-1 активирует JNK сигнальный путь, связываясь с MEK-1 киназой. Оба пути сходятся, контролируя активацию FOXO, транскрипционного фактора DAF-16. В свою очередь, FOXO являются важнейшими транскрипционными факторами, контролирующими метаболизм, пролиферацию клеток, апоптоз, сопротивляемость стрессу и долголетие. Эти данные свидетельствуют о том, что SHC-1 у C. elegans связывает два параллельных сигнальных пути- JNK и  IIS,а также объясняют как эти сигнальные пути обеспечивают ответ на стресс и продолжительность жизни у C. elegans.
Будут весьма интересны и полезны подобные исследования на человеке.

Регуляция апоптоза сиртуинами через влияние на p53 и JNK

Yinsheng Wan, Ph.D. Если говорить об апоптозе, то JNK взаимосвязан не только с сигнальным путем инсулино-подобного фактора роста, но и с сиртуинами. SIRT1- член семейства генов, кодирующих белки сиртуины. Сиртуины- НАД- зависимые деацетилазы, в основном деацетилирующие гистоны, таким образом стабилизирующие ДНК и увеличивающие продолжительность жизни дрожжей и высших организмов. SIRT1 деацетилирует и другие мишени, участвуя в различных клеточных сигнальных путях, ответе на стресс, апоптоз и дегенерации аксонов. Роль SIRT1 в ответе на ультрафиолетовое облучение пока неизвестна. Ученые из Department of Biology, Providence College под руководством Yinsheng Wan обнаружили экспрессию SIRT1 в культуре человеческих кератиноцитов (статья).
Воздействие ультрафиолета и перекиси водорода на кожу подавляет SIRT1. В этот процесс вовлечена АФК- зависимая активация JNK. В свою очередь SIRT1 модулирует УФ- индуцированную активность JNK. Ингибиторы сиртуинов усиливают активацию JNK, а ресвератрол подавляет. Активатор SIRT1, антиоксидант ресвератрол, защищает от клеточной смерти, индуцированной ультрафиолетом и перекисью водорода, в то время как ингибиторы сиртуинов, сиртинол и никотинамид усиливают гибель клеток. Активация SIRT1 отрицательно регулирует УФ- и перекись- индуцированное ацетилирование p53, никотинамид, сиртинол и siRNA усиливают ацетилирование p53, ресвератрол это ацетилирование подавляет. SIRT1 участвует в УФ-индуцированном фосфорилировании AMPK, ацетил-КоА и киназы PFK-2. Эти данные улучшают понимание механизмов УФ-зависимого старения кожи и свидетельствуют о том, что активаторы SIRT1, такие как ресвератрол, могут применяться в качестве средств анти-старения для кожи.

JNK, каспаза 2 и апоптоз мышечных клеток

Monica Ferrini, Ph.D. Рассмотрим роль JNK в апоптозе на конкретном примере. В процессе старения мышечные клетки гибнут апоптозом, возникает возраст- ассоциированная саркопения. Ученые из Charles R. Drew University Braga M, Sinha Hikim AP, Datta S, Ferrini MG, Brown D, Kovacheva EL, Gonzalez-Cadavid NF и Sinha-Hikim I решили проверить гипотезу, согласно которой каспаза 2- и JNK- регулируемый путь способствуют апоптозу мышечных клеток в процессе старения (статья). Они сравнили активацию каспазы 2 и JNK, экспрессию in vivo 4-гидроксиненаловых белковых аддуктов (4-HNE), индуцибельной NO-синтазы (iNOS), глюкозо- 6- фосфатдегидрогеназы (G6PDH), BCL-2, BAX, фосфо-BCL-2 в мышцах молодых (5 месяцев) и старых (25 месяцев) мышей. Было отмечено возраст-ассоциированное увеличение экспрессии 4-HNE и iNOS. Нарастание оксидативного стресса и индукция iNOS сочетались со снижением экспрессии G6PDH, активацией каспазы 2 и JNK, инактивацией BCL-2 через фосфорилирование серина 70, а также активацией каспазы 9. Анализ показал, что возрастное усиление гибели мышечных клеток значительно коррелирует с изменением уровней вышеперечисленных молекул. Ученые пришли к выводу, что каспаза 2 и JNK приводят к гибели мышечных клеток в процессе старения.

Однако существует множество работ, в которых показано, что гиперэкспрессия JNK продлевает жизнь, например, работа ученых из Университета Рочестера "JNK увеличивает продолжительность жизни и ограничивает рост".
Остается надеяться, что в результате исследований ученые выработают единую позицию по этому вопросу.

Роль JNK и p38 MAPK в стареющих яйцеклетках

Radko Rajmon, Ph.D. JNK участвует и в репродуктивном старении. После достижения метафазы II мейоза в зрелых яйцеклетках развиваются комплексные процессы, сходные со старением. Чешские ученые из Czech University of Life Sciences Ivana PETROVÁ, Markéta SEDMÍKOVÁ, Jaroslav PETR, Zuzana VODKOVÁ, Petr PYTLOUN, Eva CHMELÍKOVÁ, Dalibor REHÁK, Andrea CTRNÁCTÁ, Radko RAJMON и František JÍLEK провели исследование этих процессов (статья).
В условиях культуры некоторые яйцеклетки оставались на стадии метафазы II, некоторые подвергались спонтанной партеногенетической активации, другие погибали через апоптоз (фрагментация) или лизис. Ученые изучили эффекты ингибирования JNK и p38 MAPK на старение яйцеклеток свиней, а также активность JNK и p38 MAPK в процессе старения. Ингибирование JNK защищает яйцеклетки от фрагментации (0% фрагментации при ингибировании JNK по сравнению с 26% в контрольной группе). Ингибирование p38 MAPK не имело никакого эффекта на фрагментацию. Ингибирование JNK также оказывало эффект на спонтанную партеногенетическую активацию яйцеклеток. Отношение активированной JNK к общей снижается в процессе старения. Выход из метафазы II не оказывает эффекта на это явление. Отношение активированной p38 MAPK к общей изменилось незначительно. В фрагментированных и активированных яйцеклетках обнаруживалась фосфорилированная (активная) форма JNK, в то время как в лизированных яйцеклетках ее не было. Ученые пришли к выводу, что JNK играет важную роль в апоптозе яйцеклеток, а p38 MAPK в этом процессе не участвует.

Роль JNK в системной чувствительности к инсулину

Gökhan S. Hotamisligil Роль JNK в процессе старения не ограничивается лишь участием в апоптозе. JNK1 играет важную роль в патогенезе инсулинорезистентности и диабета 2-го типа. Несмотря на то, что JNK влияет на сигнальные пути воспаления, остается неясным как активность JNK в макрофагах участвует в воспалении жировой ткани и регуляции системного метаболизма. Для того, чтобы определить действие этой киназы в клетках, произошедших из костного мозга (т.е. клетками иммунной системы и клеток крови), в воспалительном ответе при ожирении, определить ее роль в ухудшении чувствительности к инсулину, ученые из Department of Genetics and Complex Diseases, Harvard School of Public Health под руководством Gökhan S. Hotamisligil провели ряд опытов по трансплантации костного мозга между мышами дикого типа и JNK1-дефицитными мышами (статья). Исследование показало, что дефицит JNK1 в эпителиальных клетках, произошедших из костного мозга (BMDE), был недостаточным для нарушения инфильтрации макрофагами или чувствительности к инсулину, несмотря на некоторые изменения в воспалительном профиле жировой ткани. Значительное возрастание чувствительности к инсулину было достигнуто только когда JNK1 отсутствовал в паренхимальных элементах (т.е. в самой ткани, а не в клетках иммунной системы, участвующих в воспалении). На основании этого был сделан вывод, что  JNK1 в BMDE задействована в регуляции метаболизма жировой ткани, но основную роль в этой регуляции играет активность JNK1 в самой ткани.Данные говорят о том, что JNK1 миелоидных клеток играет роль в экспрессии цитокинов в жировой ткани и развитии инсулинорезистентности при диабете 2-го типа.

В заключение

Резюмируя все вышесказанное, необходимо отметить, что киназы JNK имеют важное значение в процессе старения, участвуют в процессе апоптоза, нарушение их функционирования приводит к различным заболеваниям, в том числе онкологическим.
1) Как регулируется активность JNK в процессе старения?
2) JNK играет положительную роль (сдерживание опухолевых процессов) или отрицательную (гибель клеток) роль в процессе старения?
3) Какие методы можно предложить для влияния на активность JNK?
4) Как эти методы можно применить для терапии возраст-ассоциированных заболеваний?
На эти и другие вопросы ученые постараются ответить в ближайшее время.

15 января 2009 года

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter