JNK киназы

JNK киназы

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

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, 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

Многоклеточные 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. Защитный JNK- сигналлинг и контроль пролиферации и дифференцировки клеток с помощью Delta/Notch- сигналлинга 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

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- сигналлинг. Как IIS и JNK сигналлинг 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. 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.

Роль JNK в системной чувствительности к инсулину

G khan S. Hotamisligil

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), 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 G khan S. Hotamisligil провели ряд опытов по трансплантации костного мозга между мышами дикого типа и JNK1-дефицитными мышами (статья). Исследование показало, что дефицит JNK1 в клетках, произошедших из костного мозга (BMDE), был недостаточным для нарушения инфильтрации макрофагами или чувствительности к инсулину, несмотря на некоторые изменения в воспалительном профиле жировой ткане. 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, но основную роль в этой регуляции играет активность JNK1 в самой ткани.

Регуляция апоптоза сиртуинами через влияние на p53 и JNK

Yinsheng Wan, Ph.D.

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.

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.

Роль JNK и p38 MAPK в стареющих яйцеклетках

Radko Rajmon, Ph.D.

После достижения метафазы II мейоза в зрелых яйцеклетках развиваются комплексные процессы, сходные со старением. Чешские ученые из Czech University of Life Sciences Ivana PETROV , Mark ta SEDM KOV , Jaroslav PETR, Zuzana VODKOV , Petr PYTLOUN, Eva CHMEL KOV , Dalibor REH K, Andrea CTRN CT , Radko RAJMON и Franti ek J LEK 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.

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