A Biology of p38 Kinase
Der p38 MAPK Signalweg ist eines der am intensivsten untersuchten Themen in der Biologie seit seiner ersten Identifizierung vor mehr als 10 Jahren. Das große Interesse an diesem Signalweg ist vor allem auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens wird dieser Signalweg durch eine Vielzahl von Reizen aktiviert und ist an zahlreichen Krankheiten beteiligt, vor allem an Entzündungen. Zweitens lieferte die frühe Verfügbarkeit selektiver p38-Inhibitoren die entscheidenden Werkzeuge, um die Rolle der Proteinkinasen in den Signalwegen weiter zu beschreiben und das therapeutische Potenzial der p38-Inhibition zu verfolgen. In den letzten fünf Jahren wurden zahlreiche p38-Inhibitoren in die klinische Erprobung gebracht.
Zum Zeitpunkt der Entdeckung der p38-MAP-Kinase war das erste Mitglied der MAP-Kinase-Familie, die extrazelluläre signalregulierte Kinase (ERK), bereits identifiziert worden. Es war jedoch nicht bekannt, dass es zwei weitere Unterfamilien von Threonin/Tyrosin-Kinasen mit doppelter Spezifität gab (p38 und JNK). Im Jahr 1994 entdeckten mehrere Forschergruppen unabhängig voneinander eine neuartige Kinaseaktivität (Freshney et al., 1994; Han et al., 1994; Rouse et al., 1994), und anschließend führte die Klonierung der menschlichen cDNA zur Identifizierung von p38 α (Lee et al., 1994). Kurz darauf wurden drei weitere Spleißvarianten der p38-Familie, p38β, P38y und p38h, identifiziert (Jiang et al., 1996, Jiang et al., 1997, Kumar et al., 1997). Zwei Mitglieder der Familie, p38α und β, werden ubiquitär exprimiert, aber in verschiedenen Zelltypen unterschiedlich reguliert, während die beiden anderen in ihrer Gewebeverteilung stärker eingeschränkt sind. Bis heute ist p38α, das mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung gebracht wird, das am besten verstandene Mitglied der Familie (siehe Kumar et al., 2003 und Saklatvala, 2004).
Die Aktivierung von p38 wurde in verschiedenen Organismen als Reaktion auf zahlreiche Reize beobachtet. Die p38α-Orthologen in Hefe, Wurm und Frosch sind an der Osmoregulation, Stressreaktion und Zellzyklusregulation beteiligt. Die Regulierung von p38α in Säugetierzellen ist ebenfalls gut untersucht worden (Übersicht in Zarubin und Han, 2005). Es ist inzwischen klar, dass der p38α-Signalweg komplex ist und nicht nur durch Reize und Zelltyp, sondern auch durch verschiedene Regulatoren und Kombinationen von vorgelagerten aktivierenden Kinasen beeinflusst wird. Es ist bekannt, dass es zwei wichtige vorgelagerte aktivierende Kinasen für p38α gibt, MKK3 und MKK6. Darüber hinaus gibt es einen MKK-unabhängigen Mechanismus der p38α-Aktivierung, an dem das durch den transformierenden Wachstumsfaktor aktivierte Proteinkinase 1 (TAK1)-bindende Protein (TAB) beteiligt ist (Ge et al., 2002). Die Aktivierung von p38α kann durch Autophosphorylierung nach Interaktion mit TAB1 erreicht werden. Es wird auch angenommen, dass p38 die TAK1-Signalgebung durch Phosphorylierung von TAB1 negativ reguliert (Cheung et al., 2003). Der TAK1-Signalübertragung nachgeschaltet ist IKK, die als wesentlicher Aktivierungsschritt der Tpl2-Kinase und ihrer nachgeschalteten Ziele MEK1 und ERK dient (Waterfield et al., 2004). So führt die Hemmung von p38 zu einer Hochregulierung von TAK1, was wiederum zur Aktivierung von ERK führt. Dies erklärt, warum in Zellen, die mit p38α-Inhibitoren behandelt werden, häufig eine ERK-Aktivierung beobachtet wird. Diese Erkenntnis unterstreicht die Notwendigkeit, mögliche nichtlineare Wechselwirkungen zwischen den Kinase-Signalwegen zu verstehen. Neben TAK1 sind auch andere vorgelagerte Kinasen (MAP3K) an der Aktivierung von p38α und dessen engem Nachbarn, JNK, beteiligt. Ebenfalls am Aktivierungsprozess beteiligt sind kleine GTP-bindende Proteine wie Rac1 und Cdc42 und deren Interaktion mit PAK (p21-aktivierte Kinasen) und MLK1.
Downstream-Substrate der p38 MAP-Kinasen sind MAPKAPK2 (Kotlyarov et al., 2002) und MAPKAPK3 (McLaughlin et al., 1996), die verschiedene Substrate phosphorylieren, darunter das kleine Hitzeschockprotein 27 (HSP27), das lymphozytenspezifische Protein 1 (LSP1), das cAMP-Response-Element-bindende Protein (CREB), den Transkriptionsfaktor (ATF1), SRF und Tyrosinhydroxylase. Von besonderem Interesse ist das MAPKAPK2-Substrat Tritetraprolin, ein Protein, das mRNA destabilisiert (Tchen et al., 2004). MNK ist ein weiteres p38-Substrat, das an der Translationsinitiation beteiligt zu sein scheint, da es eIF-4E phosphoryliert (Waskewicz et al., 1997). Darüber hinaus ist bekannt, dass die p38-aktivierte Kinase (PRAK) und die Mitogen- und Stress-aktivierte Proteinkinase (MSK1) ebenfalls durch p38α aktiviert werden, obwohl MSK1 auch durch ERK aktiviert wird (Deak et al., 1998). Es überrascht nicht, dass es eine große Anzahl von Transkriptionsfaktoren gibt, die durch p38 reguliert werden (Übersicht in Zarubin und Han, 2005). Einige Beispiele sind die aktivierenden Transkriptionsfaktoren 1, 2 und 6, das SRF-Accessory-Protein (Sap1), GADD153, p53, c/EBPb, der Myocyte Enhancing Factor 2C (MEF2C), MEF2A, DIT3, ELK1, NFAT und das High Mobility Group Box Protein (HBP1). Andere, nicht verwandte Proteine wie cPLA1, Na+/H+-Austauscher-Isoform-1 (NHE-1), Tau, Keratin 8 und Stathmin haben sich ebenfalls als Substrate für p38α erwiesen.
Der Mechanismus, durch den p38-MAP-Kinase-Inhibitoren die Expression von Entzündungszytokinen unterdrücken, war bisher nicht klar. Die Expression von Entzündungsgenen wird sowohl auf der transkriptionellen als auch auf der posttranskriptionellen Ebene stark reguliert. Frühe Studien, in denen die Wirkungen von p38-Inhibitoren in menschlichen Monozyten untersucht wurden, ließen vermuten, dass die Regulierung der Biosynthese entzündlicher Zytokine (vor allem IL-1 und TNF) auf der posttranskriptionellen Ebene erfolgt. In der Folge wurde deutlich, dass die mRNA-Stabilität durch die Hemmung des p38-Signalwegs negativ beeinflusst werden kann (Frevel et al., 2003). Diese Beobachtung führte zu weiteren Studien, die zeigten, dass andere Proteine der Entzündungsreaktion, wie COX-2, in ähnlicher Weise beeinflusst wurden (Lasa et al., 2000). Andere mRNAs, die durch p38 stabilisiert werden, sind MIP-1a, gm-CSF, VEGF sowie MMP-1 und -3 (Dean et al., 2004). Interessanterweise ist auch MAPKAPK-2, ein Substrat für p38, an der mRNA-Stabilisierung durch p38 beteiligt. Katalytisch aktive Formen von MAPKAPK-2 stabilisieren die Reporter-mRNA, während dominant negative MAPKAPK-2 ihre Expression blockiert (Winzen et al., 1999).
Ein gemeinsames Merkmal der strukturellen Merkmale, die die mRNA-Stabilität beeinflussen, ist das AU-reiche Motiv in der verlängerten 3′UTR. Dieses Motiv wurde erstmals von Shaw und Kamen (1986) beschrieben. Es gibt drei verschiedene Klassen solcher AU-reicher Elemente (AREs): eine enthält eine kleine Anzahl von AREs (wie c-Fos), die zweite enthält eine größere Anzahl von AREs, die mehrere Pentamere besitzen (wie TNFα, COX-2 usw.), und die dritte Klasse enthält AREs, denen die Pentamere fehlen, die aber U-reiche Regionen enthalten. Die AREs zielen auf eine schnelle Deadenylierung der mRNA in den Zellen ab. Im Allgemeinen haben die p38-regulierten AREs ähnliche strukturelle Motive mit mehreren, sich überlappenden Pentameren in den 3′UTRs. Es gibt jedoch Ausnahmen wie MMP-1 und -3 (Reunanen et al., 2002) und Tristetraprolin (Mahtani et al., 2001, Tchen et al., 2004), mRNAs, die mindestens eine pentamere und U-reiche Sequenz enthalten. Der genaue Mechanismus, durch den p38 die mRNA-Stabilität reguliert, bleibt unklar. Es wird vermutet, dass die nachgeschaltete Kinase MAPKAPK-2 sowie ein schwer fassbares ARE-bindendes Protein beteiligt sind. Es gibt eine Reihe von Kandidaten (Dean et al., 2004), aber keiner von ihnen erfüllt alle Kriterien, um das Protein zu sein, das die p38-Pfade und ARE-haltige mRNA miteinander verbindet. Von diesen ist Tristetraprolin eine interessante Möglichkeit, obwohl es hauptsächlich als „Aus-Schalter“ bei der mRNA-Stabilisierung dient.
Eine große Anzahl von Daten aus präklinischen Studien weist auf eine zentrale Rolle von p38 bei immunologischen und entzündlichen Reaktionen hin (Dong et al., 2002; Kracht und Saklatvala, 2002; Kumar et al., 2003). Es ist inzwischen bekannt, dass der p38-Signalweg in Th1-Effektor-T-Zellen als Reaktion auf IL-12 und IL-18 selektiv aktiviert wird. Die Produktion von Th1-Zytokinen, wie z. B. Interferon gamma, wird durch p38-Inhibitoren gehemmt, die Produktion von IL-4, einem Th2-Zytokin, hingegen nicht. In Makrophagen wird eine Reihe von Entzündungszytokinen – wie TNF, IL-1, IL-6 und IL-8 – durch p38-Signalwege reguliert. Der MKK3-Knockout-Mausembryo-Fibroblast reagiert auf TNF, aber nicht auf IL-1, UV oder Sorbitol, was auf eine Rolle von MKK3 bei der TNF-, aber nicht bei der IL-1-Wirkung hinweist. In p38α-Knock-out-Mausembryofibroblasten ist die IL-1-induzierte IL-6-Produktion jedoch stark beeinträchtigt. Diese Daten deuten darauf hin, dass verschiedene Liganden die Funktion verschiedener Kinasen im p38-Signalweg auslösen. Zusammen mit einer Vielzahl genetischer und in vivo pharmakologischer Nachweise stützen diese Ergebnisse p38 als ein gültiges Ziel, dessen Hemmung bei einer Reihe von Entzündungskrankheiten, insbesondere rheumatoider Arthritis, therapeutischen Nutzen bringen könnte (Foster et al., 2000). Weitere Möglichkeiten für pharmakologische Interventionen sind Herzhypertrophie, Alzheimer-Krankheit, Gefäßverletzungen, Psoriasis und entzündliche Darmerkrankungen.