A Biology of p38 Kinase
De p38 MAPK signaleringsroute is een van de meest intensief bestudeerde onderwerpen in de biologie sinds de eerste identificatie meer dan 10 jaar geleden. De belangstelling voor deze signaalweg wordt hoofdzakelijk door twee factoren bepaald. Ten eerste wordt deze signaalweg geactiveerd door een breed scala van stimuli, en is hij betrokken bij talrijke ziekten, met name ontstekingen. Ten tweede verschafte de vroege beschikbaarheid van selectieve p38 remmers de kritische hulpmiddelen die nodig zijn om de rol van proteïnekinasen in signaaltransductiepaden verder af te bakenen, en de middelen om het therapeutisch potentieel van p38 remming na te streven. De laatste 5 jaar is een groot aantal p38 remmers klinisch getest.
Toen p38 MAP kinase werd ontdekt, was het eerste lid van de MAP kinase familie, extracellulair signaal-gereguleerd kinase (ERK), reeds geïdentificeerd. Men was zich er echter niet van bewust dat er nog twee andere sub-families bestonden van threonine/tyrosine kinasen met dubbele specificiteit (p38 en JNK). In 1994 identificeerden verschillende onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar een nieuwe kinaseactiviteit (Freshney et al., 1994; Han et al., 1994; Rouse et al., 1994;) en vervolgens leidde het klonen van het menselijke cDNA tot de identificatie van p38 α (Lee et al., 1994). Kort daarna werden drie andere splice varianten van de p38 familie, p38β, P38y, en p38h geïdentificeerd (Jiang et al., 1996, Jiang et al., 1997, Kumar et al., 1997). Twee leden van de familie, p38α en β, komen ubiquitair tot expressie maar worden verschillend gereguleerd in verschillende celtypes, terwijl de andere twee meer beperkt zijn in weefsel distributie. Tot op heden is p38α, die betrokken is bij een groot aantal ziekten, het best begrepen lid van de familie (besproken in Kumar et al., 2003 en Saklatvala, 2004).
Activatie van p38 is waargenomen in verschillende organismen als een reactie op vele stimuli. De p38α orthologen in gist, worm, en kikker zijn betrokken bij osmoregulatie, stressreacties, en celcyclusregulatie. De regulatie van p38α in zoogdiercellen is ook goed bestudeerd (besproken in Zarubin en Han, 2005). Het is nu duidelijk dat de p38α signaalweg complex is, niet alleen beïnvloed door stimuli en celtype, maar ook door verschillende regulatoren en combinaties van upstream activerende kinasen. Het is bekend dat er twee belangrijke upstream activerende kinasen voor p38α zijn, MKK3 en MKK6. Daarnaast is er een MKK-onafhankelijk mechanisme van p38α-activering waarbij transforming growth factor activated protein kinase 1 (TAK1)-bindend eiwit (TAB) betrokken is (Ge et al., 2002). De activering van p38α kan worden bereikt door autofosforylering na interactie met TAB1. Er wordt ook gesuggereerd dat p38 de TAK1 signalering negatief reguleert door TAB1 te fosforyleren (Cheung et al., 2003). Stroomafwaarts van TAK1 signalering is IKK, dat dient als een essentiële activeringsstap van het Tpl2 kinase en zijn stroomafwaartse doelen, MEK1 en ERK (Waterfield et al., 2004). Remming van p38 resulteert dus in TAK1 upregulatie, wat leidt tot ERK activatie. Dit verklaart waarom activering van ERK vaak wordt waargenomen in cellen behandeld met p38α remmers. Deze bevinding benadrukt de noodzaak om potentiële niet-lineaire kruisbestuiving tussen kinase signaalwegen te begrijpen. Naast TAK1 zijn ook andere upstream kinasen (MAP3K) betrokken bij de activering van p38α en zijn naaste buur, JNK. Ook kleine GTP-bindende proteïnen zoals Rac1 en Cdc42 en hun interactie met PAK (p21-activated kinases) en MLK1 dragen bij tot het activeringsproces.
Downstream-substraten van p38 MAP-kinasen zijn MAPKAPK2 (Kotlyarov et al., 2002) en MAPKAPK3 (McLaughlin et al., 1996), die verschillende substraten fosforyleren – waaronder klein heat shock protein 27 (HSP27), lymfocyt-specifiek proteïne 1 (LSP1), cAMP response element-bindend proteïne (CREB), transcriptiefactor (ATF1), SRF, en tyrosine hydroxylase. Van bijzonder belang is het MAPKAPK2-substraat tritetraprolin, een eiwit dat mRNA destabiliseert (Tchen et al., 2004). MNK is een ander p38-substraat dat betrokken lijkt te zijn bij translatie-initiatie, omdat het eIF-4E fosforyleert (Waskewicz et al., 1997). Daarnaast is ook bekend dat p38 geactiveerd kinase (PRAK) en mitogeen en stress-geactiveerd proteïne kinase (MSK1) door p38α worden geactiveerd, hoewel MSK1 ook door ERK wordt geactiveerd (Deak et al., 1998). Het is dan ook niet verwonderlijk dat een groot aantal transcriptiefactoren door p38 wordt gereguleerd (besproken in Zarubin en Han, 2005). Enkele voorbeelden zijn activerende transcriptiefactoren 1, 2, en 6, SRF accessoire proteïne (Sap1), GADD153, p53, c/EBPb, myocyte enhancing factor 2C (MEF2C), MEF2A, DIT3, ELK1, NFAT, en high mobility group-box protein (HBP1). Andere niet-gerelateerde eiwitten, zoals cPLA1, Na+/H+ exchanger isoform-1 (NHE-1), tau, keratine 8, en stathmin zijn ook substraten voor p38α gebleken.
Het mechanisme waarmee p38 MAP kinase remmers de expressie van ontstekingsbevorderende cytokines onderdrukken is ongrijpbaar gebleken. Inflammatoire genexpressie wordt sterk gereguleerd op zowel transcriptioneel als post-transcriptioneel niveau. Vroege studies die de effecten van p38 remmers in menselijke monocyten onderzochten, suggereerden dat de regulatie van de biosynthese van inflammatoire cytokines (voornamelijk IL-1 en TNF) plaatsvond op post-transcriptioneel niveau. Vervolgens werd duidelijk dat de mRNA-stabiliteit negatief kan worden beïnvloed door remming van de p38 pathway (Frevel et al., 2003). Deze waarneming leidde tot verdere studies om aan te tonen dat andere ontstekingsreactie-eiwitten, zoals COX-2, op soortgelijke wijze werden beïnvloed (Lasa et al., 2000). Andere mRNA’s die door p38 worden gestabiliseerd zijn MIP-1a, gm-CSF, VEGF, en MMP-1 en -3 (Dean et al., 2004). Interessant is dat MAPKAPK-2, een substraat voor p38, ook betrokken is bij mRNA stabilisatie door p38. Katalytisch actieve vormen van MAPKAPK-2 stabiliseren reporter-mRNA, terwijl dominant negatieve MAPKAPK-2 de expressie ervan blokkeert (Winzen et al., 1999).
Een gemeenschappelijk kenmerk van structurele kenmerken die de mRNA-stabiliteit beïnvloeden, is het AU-rijke motief in het verlengde 3′UTR. Dit motief werd voor het eerst beschreven door Shaw en Kamen (1986). Er zijn drie verschillende klassen van dergelijke AU-rijke elementen (ARE’s): de ene bevat een klein aantal ARE’s (zoals c-Fos), de tweede bevat een groter aantal ARE’s met meerdere pentameren (zoals TNFα, COX-2, enz.), en de derde klasse bevat ARE’s zonder pentameren, maar met U-rijke gebieden. De ARE’s richten zich op mRNA voor snelle deadenylering in de cellen. In het algemeen hebben p38-gereguleerde ARE’s vergelijkbare structurele motieven met meerdere, elkaar overlappende pentamers in de 3′UTRs. Er zijn echter uitzonderingen, zoals MMP-1 en -3 (Reunanen et al., 2002) en tristetraprolin (Mahtani et al., 2001, Tchen et al., 2004), mRNA’s die ten minste één pentamere en U-rijke sequentie bevatten. Het precieze mechanisme waarmee p38 de mRNA stabiliteit reguleert blijft onduidelijk. Men denkt dat het stroomafwaartse kinase MAPKAPK-2 hierbij betrokken is, evenals een ongrijpbaar ARE-bindend eiwit. Er zijn een aantal kandidaten (Dean et al., 2004), maar geen daarvan voldoet aan alle criteria om het eiwit te zijn dat p38 pathways en ARE-bevattend mRNA met elkaar verbindt. Hiervan is tristetraprolin een interessante mogelijkheid, hoewel het voornamelijk dient als een “off-switch” in mRNA stabilisatie.
Een grote hoeveelheid gegevens uit preklinische studies wijst op een centrale rol van p38 in immunologische en ontstekingsreacties (Dong et al., 2002; Kracht en Saklatvala, 2002; Kumar et al., 2003). Het is nu bekend dat de p38 pathway selectief geactiveerd wordt in Th1 effector T cellen in reactie op IL-12 en IL-18. De productie van Th1 cytokines, zoals interferon gamma, wordt geremd door p38 remmers, terwijl de productie van IL-4, een Th2 cytokine, dat niet doet. In macrofagen worden een aantal ontstekingsbevorderende cytokinen – zoals TNF, IL-1, IL-6 en IL-8 – gereguleerd via p38-wegen. De MKK3 knock-out muis embryo fibroblast reageert op TNF, maar niet op IL-1, UV, of sorbitol, wat wijst op een rol voor MKK3 in TNF, maar niet IL-1 actie. In p38α knock-out muis embryo fibroblasten, echter, is IL-1 geïnduceerde IL-6 productie ernstig gecompromitteerd. Deze gegevens suggereren dat verschillende liganden de functie van verschillende kinasen in de p38 pathway zullen uitlokken. Samen met een grote hoeveelheid genetisch en in vivo farmacologisch bewijsmateriaal, ondersteunen deze resultaten p38 als een geldig doelwit, waarvan remming therapeutisch voordeel zou kunnen opleveren bij een verscheidenheid van ontstekingsziekten, met name reumatoïde artritis (Foster et al., 2000). Andere mogelijkheden voor farmacologische interventie omvatten cardiale hypertrofie, de ziekte van Alzheimer, vasculaire schade, psoriasis, en inflammatoire darmziekten.