Nejznámější signální dráhy 

Rodinu mitogenem-aktivovaných proteinkinas tvoří jednak MAPK, jednak SAPK (stresem aktivované proteinkinasy). Společně tvoří síť kaskád signálních transdukci, které zprostředkovávají buněčnou odpověď na řadu stimulů (růstové faktory, chemický nebo osmotický stres, ozáření, bakteriální infekce, prozánětlivé cytokiny). Jde o skupinu serin/threonin-proteinkinas strukturně příbuznou. Každá MAPK je aktivována duální fosforylací na motivu Thr-Xaa-Tyr předcházejícími kinasami jako MAPK nebo MEK (=MKK). MEKs (bylo jich popsáno 30) jsou zase aktivovány MAP3K (=MKK-kinasy nebo-li MKKKs). MAPK a SAPK často působí jako multiproteinové komplexy. MAP-kinasy fosforylují a tím aktivuji přídatné a následné kinasy a transkripční faktory (p90 Rsk, CREB, Elk a Egr-1) na serinu nebo threoninu v řetězci před prolinem; specifita je však ještě určena odlišnými zakotvujícími místy, které usnadňují interakci se substráty. Cílové molekuly jsou (transkripční faktory): Elk1; c-Jun; ATF-2; HSP27.

·        MAPK-dráha (klasická ERK1/2)
[Receptor tyrosinkinasy] – [Grb-2] – [mSOS] – [Ras] – [Raf] – [MEK] – [MAPK] –  - [Rsk-1]

·        SAPK1 (JNK)
[Rac a Cdc42] – [HPK] – [GCK] – [MLK3] – [MEKK] – [SEK] – [SAPK]

·        p38 (SAPK2)
[PAK] – [MEKK-X] – [MKK3 a 6] – [p38] – [MAPKAP-kinasa-2]  

Klasická MAPK, také zvaná ERK (Extracellular signal – Regulation Kinase) hraje důležitou úlohu v buněčné proliferaci a diferenciaci. Začíná aktivací receptoru kinasy  pro růstový faktor a pro receptory spřažené s G-proteinem; následuje aktivace ERK1/ERK2 (p44/p42 MAPK)-proteinů, které dále aktivují tzv. p90 ribosomal S6-kinase/MAP-kinase activated proteinkinase-1 (Rsk/MAPKAPK-1) a dále ELK-1 a STAT-3 transkripční faktory, což umožní vstup těchto transkripčních faktorů do buněčného jádra, kde navodí expresi příslušného genu stimulací  c-fos promotoru.

Vyjma mitogenů jako jsou růstové faktory (PDGF, CSF-1, IGF-2 etc), je aktivátorem této dráhy též insulin, PMA a další signální molekuly. Neadekvátní aktivací této dráhy může v buňce dojít k maligní transformaci a ke vzniku nádorové proliferace.

Až dosud bylo identifikováno 7 typů MEK (MEK1 až MEK7), dále ERK3, ERK3-kinasa, ERK7 (neboli CLIC3); kromě toho MAPKAP-kinasy (=MAPK-aktivované proteinkinasy): 4 isoformy MAPKAP-K1, MAPKAP-K2, MAPKAP-K3. 

Obr.: Zjednodušené schéma signálních drah realizovaných prostřednictvím MAPK

(1)   Signální dráhy protein-tyrosinkinas

Protein-tyrosinkinasy (PTKs) katalyzují fosforylaci tyrosinových zbytků; jsou dvě velké třídy: (A) Receptorové PTKs a (B) Celulární neboli non-receptorové PTKs. Tyto enzymy regulují řadu buněčných funkcí jako proliferaci, diferenciaci, anti-apoptózovou signalizaci nebo vyrůstání neuritů. Neregulovaná aktivace těchto enzymů navozená bodovou mutací nebo nadměrnou expresí může způsobit různé formy nádorového onemocnění stejně jako benigní proliferaci; více než 70% známých proto-onkogenů a onkogenů kóduje nádorové PTKs. Důležitost PTKs ve zdraví i nemoci podtrhují ještě odchylky signalizace PTK u zánětlivých onemocnění a diabetu.

Poznámka:
Fylogenetický strom tyrosin-proteinkinas
Při studiu charakteristik proteinkinas se vycházelo z databáze 457 popsaných proteinkinas u člověka. Fylogeneze katalytické domény byla odvozena od sekvencí polypeptidového řetězce všech známých kinas. Podle příbuznosti byly charakterizovány velké skupiny a v nich jednotlivé rodiny. Vysoký stupeň příbuznosti byl podkladem pro určení nadrodin.

Při klasifikaci savčích proteinkinas se vychází z rozdělení do 2 velkých tříd, lišících se substrátovou specifitou:
·         Protein-tyrosinkinasy
·         Serin/threonin-proteinkinasy

Tyto třídy byly dále rozděleny na podtřídy a podrodiny. Tak třída tyrosinkinas sestává z receptorů tyrosinkinas a z cytoplasmatických tyrosin-kinas, rozdělených dále do několika rodin (viz schéma na obrázcích).

Serin/threonin-proteinkinasy tvoří tři hlavní skupiny: (a) AGC-skupina zahrnuje rodiny nukleotidem-regulované proteinkinasy: PKA (cAMP-dependentní proteinkinasa) a PKG (cGMP-dependentní proteinkinasa), dále rodiny aktivované diacylglycerolem a fosfolipidy (PKC) a dalčí příbuzné kinasy, (b) Skupina kinas CaMK regulovaná komplexem Ca²⁺/kalmodulin, (c) Skupina CMGC obsahující řadu rodin jako cyklin-dependentní kinasy (CDK), MAPK/Erk rodiny , GSK-3 nebo Clk-rodiny a další.

Obr.: Fylogenetický strom receptorových tyrosinkinas

Signalizace receptorové PTK prostřednictvím  EGF-receptoru (EGFR neboli ErbB )

Rodina receptorů tyrosinkinasy pro epidermální růstový faktor (EGF-R) sestává ze 4 receptorů: EGF-R (ErbB1), ErbB2 (Neu), ErbB3 a ErbB4. Tyto receptory mají cytoplasmatickou tyrosinkinasovou doménu, jednotlivou transmembránovou doménu
a extracelulární doménu realizující vazbu ligandu a dimerizaci receptoru. Aktivace EGF-R (dimerizace) má za následek iniciaci řady různých nitrobuněčných reakcí v odpovědi na škodlivé stimuly zevního prostředí jako ozáření UV anebo obsazení receptoru EGF. EGF-R tvoří homo- i heterodimery s jinými členy rodiny. Každý z dimerových receptorových komplexů může iniciovat rozdílné signální cesty vytvořením efektorových proteinů obsahujících Src-homologii 2 (SH-2). Dimerizace má za následek iniciaci postupné autofosforylační kaskády vrcholící  v buněčných odpovědích jako proliferace nebo apoptóza. Aktivované EGF-R dimerové komplexy s adaptorovým proteinem - Grb - spřažené s faktorem uvolňujícím guanin-nukleotidy (SOS) v úzké návaznosti na Ras, což umožňuje aktivaci Ras.  Tento komplex následně aktivuje signální dráhy ERK a JNK, čímž se aktivují transkripční faktory jako c-fos, AP-1 a ELK-1, které podporují expresi promotorových genů, a podílejí se tak na proliferaci buněk.

Aktivace EGF-R může též navodit aktivaci membránového enzymu fosfolipasy C (PLC), která štěpí fosfatidylinositol-4,5-bisfosfát (PIP₂) (membránový fosfolipid) na inositol-1,4,5-trisfosfát (IP₃) a sn-1,2-diacylglycerol (DAG), které jsou součástí fosfoinositidové signální kaskády. Její aktivací může dojít k přesunům Ca²⁺ ze zásobníků (kalcisomy) do cytosolu, což spouští různé pochody prostřednictvím komplexu s kalmodulinem a jeho homologů jako je svalový stah nebo glukogeneze anebo přenos nervového vzruchu (Ca²⁺ zde pochází z extracelulárního prostoru). Nepolární DAG zůstává v membráně a tam aktivuje proteinkinasu C (PKC), která pak aktivuje proteinkinasovou kaskádu. Je třeba si uvědomit, že DAG je převážně 1-steroyl-2-arachidonoyl-sn-glycerol; v něterých buňkách se rozkládá za vzniku kyseliny arachidonové, která je substrátem pro syntézu prostaglandinů, prostacyklinů, thromboxanů a leukotrienů, tedy působků s velmi rozmanitou fyziologickou i patologickou funkcí. 

Obr.: Schéma signální transdukce EGF-receptoru

Signalizace prostřednictvím nereceptorových (celulárních) tyrosinkinas

Tyto PTKs jsou lokakizovány v cytoplasmě nebo buněčném jádře nebo jsou ukotveny na vnitřním listu plasmatické membrány. Tvoří je rodiny jako Src, JAK, Abl, FAK, Fps, Csk, Syk, Btk; každá rodina má několik členů s relativně malou strukturální podobností. Src se podílí na růstu buněk, Abl PTK naopak na inhibici růstu, aktivita FAK je združena
s buněčnou adhezí.

Obr.: Fylogenetický strom cytoplasmatických tyrosinkinas

(3) Dráhy intacelulárních proteinů Ras-Jak-Stat a MAPK/ JAK/STAT

Má cytokin/interferonový receptor sdružený s JAK-kinasou, která je aktivovaná příslušným ligandem za tvorby oligomerů, následuje fosforylace STAT molekul na tyrosinových zbytcích, to vede k dimerizaci STAT a tím k možnosti translokace do jádra a genové expresi. Této dráhy využívají kupř. IL-2R, IL-3R, IL-5R,Epo-R, GM-CSFR a další.

MAPK dráha zajišťuje nepřímé spojení mezi povrchem buňky a jádrem s aktivací řady signálních molekul. Jednou z nich je dráha JAK/STAT (JAK - Janus kinasa, STAT - signal transducers and activators of transcription). JAK má významnou úlohu při intracelulární tyrosinové fosforylaci a JAK/STAT dráha zajišťuje velmi rychlé spojení mezi tyrosinkinasami a transkripčními faktory. Tato fosforylace přímo ovlivňuje lokalizaci transkripčních faktorů a jejich funkci. Vazbou (např. cytokinu) na receptor dochází k fosforylaci JAK kinasy spojené s receptorem. STAT se váže svými SH2 doménami na sekvence cytoplasmatické domény receptoru, obsahující fosfotyrosin.  Navázané STAT proteiny jsou fosforylovány JAK nereceptorovými tyrosinkinasami, které jsou asociovány s cytokinovým receptorem.

Fosforylace tyrosinu vede k dimerizaci STAT proteinů, které jsou následně translokovány do jádra, kde stimulují transkripci genů. STAT transkripční faktory zajišťují přímé spojení mezi receptory pro cytokiny a růstovými faktory na povrchu buňky a regulaci genové exprese v jádře. 

Obr.: Schéma intracelurární transdukce signálu prostřednictví dráhy Jak/STAT a RAS-Raf-MAPK
Epidermální růstový faktor (EGF) začíná kaskádu autofosforylací vlastního receptoru (EGFR). Prostřednictvím adaptorového proteinu Grb2 se na guanin-nukleotid uvolňující faktor SOS; tento komplex aktivuje Ras výměnou guanosindifosfátu za guanosintrifosfát. Aktivovaný Ras se váže a aktivuje serin/threonin-kinasu raf, která pak aktivuje (fosforyluje) MAPK-kinasu a ta dále aktivuje mitogenem aktivovanou proteinkinasu (MAPK). Cílovými proteiny MAPK jsou jak cytoplasmatické, tak jaderné proteiny (transkripční faktory), které navodí transkripci genů, regulujících proliferaci buňky.

Jak/STAT dráhu zahajuje interferon g, který aktivuje svůj receptor, což vede k aktivaci non-receptorové tyrosinkinasy rodiny Jak. Tyto kinasy fosforylují serin/threonin-kinasy rodiny STAT, čímž je umožněna  jejich translokace a aktivace transkripce příslušného genu, vazbou na specifickou sekvenci DNA

(4) Akt-signální dráhy (PDK 1 – PKB/AKT-dráha)

Tato proteinkinasová kaskáda hraje centrální úlohu v regulaci přežívání buněk, v metabolismu (transport glukosy přes membánu podporovaný insulinem, tvorba glykogenu katalyzovaná glykogensynthasou, vstup buněk do cyklu dělení, genová exprese). Serin/threonin-proteinkinasa Akt/PKB je aktivován různými faktory růstu a přežívání buněk, insulinem, integriny a receptory spřaženými s G-proteinem. Byly popsány 3 isoformy: Akt1, Akt2, Akt3. Signál je na Akt přenášen aktivací fosfoinositid-3 kinasy (PI3). Ta vytváří fosfoinositol-3,4-bisfosfát (PI-3,4-P2) a fosfoinositol-3,4,5-trisfosfát (PI-3,4,5-P3)
z inositolfosfatidu buněčné membrány, které se pak vážou na PH-doménu. Akt. PI₃-kinasa také aktivuje fosfoinositid-dependentní kinasu 1 (PDK 1), která fosforyluje threonin 308 na Akt; serin 473 je fosforylován pomocí ILK (Integrin-linked kinase). Akt, která je v signalizaci až za PI3K, působí jako část wortmannin-signální dráhy. Aktivovaná Akt podporuje přežívání buněk (antiapoptóza) prostřednictvím dvou odlišných drah.: (1) Inhibuje apoptózu fosforylací Bad-komponenty Bad/Bacl-X_L-komplexu; fosforylovaný Bad se váže na faktor 14-3-3, který navozuje disociaci Bad/Bacl-X_L-komplexu, (2) Aktivuje IKK-a, což nakonec vede k aktivaci NFkB a k antiapoptóze. Členové této dráhy jsou v současné době cílem možného terapeutického zásahu při léčení řady chorobných stavů (diabetes, nádory).

PDK 1 aktivuje řadu proteinkinas AGC-rodiny (název od proteinkinas A,G a C) a proteinkinasu B (neboli Akt). Mezi různými isoformami PKB/Akt existuje funkční překrývání, protože všechny obsahují  motif RXRXXS/T. PDK 1 hraje tedy centrální úlohu při kontrole četných signálních drah.

Na rozsáhlé funkční spektrum signalizace PKB/Akt ukazuje i úloha GSK3 (glykogensynthasa-kinasa-3) při regulaci stability b-kateninu, a tím genové exprese. Další člen této signální sítě – mTOR má aktivitu jak serin/threonin-proteinkinasy tak lipid-kinasy. Tento molekulový komplex má i vliv na aktivaci p70^S6K a tedy je důležitý pro kontrolu proteosyntézy a kontrolu vývoje a růstu buněk.

Obr.: Schéma Akt-signalizace (PDK 1 – PKB/Akt-dráha)

(5)   Schéma transkripční aktivace genů potlačujících apoptózu

Proteiny kódované těmito geny působí na různé úrovni kaspasové kaskády. Indukce transkripčního faktoru NF-kB vede k transkripční aktivitě potlačující apoptózu. Stimulem může být kupř. TNFa. 

(5)   Signální dráhy ovlivňující genovou expresi cyklinů

Má-li buňka vstoupit z G₀ do G₁ a dále do S-fáze buněčného cyklu dělení, musí být aktivována řada cyklin-dependentních kinas (cdk). Je-li klidová buňka atakována signálem některého růstového faktoru, začne být podporována transkripce genu pro cyklin D₁. Cyklin D₁ se pak napojí na existující cyklin-dependentní kinasu 4 (cdk4) a za vzniku aktivního komplexu (cyklin D1/cdk4) je  kinasa aktivována. Může tak dojít k fosforylaci na specifických místech na retinoblastoma-proteinu (pRb) a tím jeho uvolnění z vazby na faktor E2F; tím dojde k odblokování inhibice exprese genu pro cyklin E; ten se může navázat na další cyklin-dependentní kinasu (cdk2), což vede k její aktivaci a tím ke kaskádě fosforylace dalších proteinových faktorů, jejímž důsledkem je přechod do S-fáze buněčného dělení. Komplexy cyklinE/cdk2 se napojí na komplexy E2F/p107, čímž se aktivuje exprese cyklinu A a iniciace dráhy, vedoucí k replikaci DNA. Kromě toho komplexy cyklinE/cdk2 kooperují s cyklinem D₁, což má za následek amplifikaci fosforylace pRb. V kaskádě můž dojít na několika místech k blokádám: Tak aktivace exprese cyklinu E může být zastavena cdk-inhibitorem p16; faktor p27 blokuje kaskádu na několika místech.

Obr.: Regulační kaskáda exprese cyklinových genů

(5)   Signální dráha proteinu p53

Tumorový supresorový protein p53 má specifickou sekvenci pro vazbu na DNA, reaguje přímo s různými buněčnými nebo virovými proteiny a způsobuje zástavu buněčného cyklu dělení při poškození DNA v důsledku různých genotoxických škodlivin. Signalizace p53-dependentní drahou udržuje stabilitu genomu, protože pozdrží další průběh buněčného cyklu až do doby opravy poškozeného úseku DNA; v případě, že k opravě nedojde, navodí zánik buňky. Cyklus pracuje tak, že kupř. ozáření buňky g-paprsky aktivuje p53, což má za následek transkripci p21^CiP1 a dále inhibici cyklin-dependentních kinas (CDK4 a CDK2); to vede k hypofosforylaci pRb a k zábraně uvolnění z komplexu s faktorem E2F; důsledek je nemožnost přechodu z G₁-  do S-fáze. Některé účinky p53 mohou být blokovány snížením exprese c-Myc, Bcl-2 nebo E2F. Aktivita p53 podléhá též autoregulaci (zpětnou vazbou) prostřednictvím MDM2.