Ras/Raf/MEK/ERK Sinyal Yolağı
Şevval Özkaya - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Bilimleri Enstitüsü, Necmettin Erbakan Üniversitesi
Ras/Raf/MEK/ERK sinyal yolu, hücre proliferasyonu, farklılaşma ve apoptozun kontrolünde yer alan çok sayıda proteinin ifadesini düzenlemektedir [1]. Ökaryotik hücrelerin tümünde mevcut olan MAP kinazlar (Mitogen-activated protein kinases) hücre membranından çekirdeğe bilgi aktarılmasında rol oynarlar [2]. Ras/Raf/MEK/ERK sinyal yolunda Ras, Raf, MEK ve ERK olmak üzere dört ana protein kinaz bulunmaktadır. Bunlar arasından Ras, Raf ve MEK çok genli ailenin üyeleridir. Ras’ın (Ki-Ras, N-Ras ve Ha-Ras) ve Raf’ın (A-Raf, B-Raf ve C-Raf) üç üyesi, MEK’in (MEK1, MEK2, MEK3, MEK4 ve MEK5) beş gen ailesi üyesi vardır (MEK1, MEK2, MEK3, MEK4 ve MEK5). Ras/Raf/MEK/ERK sinyal yolunun aktivasyonu, hücre yüzeyinde reseptör tirozin kinazlara (RTKs) ligand bağlanması ile başlar ve sonra çekirdekte gen transkipsiyonunu düzenlemek için dört ana protein kinazın (Ras, Raf, MEK, ERK) fosforilasyonu gerçekleşir [3]. Ras/Raf/MEK/ERK sinyal yolunu aktifleştiren, farklılaşma faktörleri, büyüme faktörleri, hormonlar ve tümör-uyarıcı maddeler gibi bir dizi ekstraselüler sinyal bulunmaktadır [4]. Reseptör aracılığıyla alınan sinyal bu yolaktaki kinazların (Raf, MEK ve ERK) ard arda fosforile olmasıyla üç aşamalı bir şekilde nükleusa (çekirdek) iletilir [5]. Hücre dışından gelen uyarılar sonucunda GTP bağlanan Ras Raf’ı (MAPKKK) aktifleştirir ve kaskad, MEK (MAPKK) ve ERK (MAPK) aktivasyonlarıyla devam eder [6].
Şekil 1. Ras/Raf/MEK/ERK sinyal yolağı [7].
Reseptör-ligand etkileşimi ile, hücre içi alandaki çeşitli tirozin kalıntılarında RTK dimerizasyonu, aktivasyonu ve otofosforilasyonu artar. Fosforlanan tirozin rezidüleri SH2 tarafından ya da Grb2 tarafından tanınır. Ras’lar GTPaz aktivitesi gösterir ve GDP bağlı Ras inaktif haldeyken GTP bağlanınca aktif hale gelir. GTP yüklü Ras, Raf’ı etkinleştirerek üç aşamalı bir fosforilasyon kaskadının başlatılmasını işaret eder. Raf ise çift-özgüllü (dual-specificity) protein kinazlar olan MEK1/2 fosforilleyerek aktive eder. MEK1/2 de ERK1 ve ERK2’yi sırasıyla T202/Y204 ve T183/Y185 rezidülerinden fosforile eder. Fosforillenmiş ERK1 ve ERK2 daha sonra çekirdeğe yerleşerek gen ekspresyon profilini değiştirir ve farklı fizyolojik süreçleri düzenleyen transkripsiyon faktörlerini aktive eder [8, 9, 10].
Şekil 2. Raf/MEK/ERK kinazların domain yapısı [9].
ERK olarak da bilinen ilk memeli MAPK birkaç on yıl önce keşfedilmiştir. Omurgalılarda ERK1 ve ERK2 dahil olmak üzere 11 farklı MAPK bulunmuştur. İnsan genomunda ERK1 (p44 MAPK) ve ERK2 (p42 MAPK) sırasıyla MAPK3 ve MAPK1 genleri tarafından kodlanmaktadır ve bu proteinlerin %83 homoloji paylaştığı bilinmektedir [11].
Raf/MEK/ERK kinazların hücre çoğalması ve sağkalımında temel işlevleri vardır. Raf/MEK/ERK yolunun genetik, transkripsiyonel ve post-translasyonel düzeylerinde düzensizliğinin hemen hemen her tür insan kanserinde bulunduğu bilinmektedir [12]. Ras mutasyonları tüm insan kanserlerinin yaklaşık %30’unda bulunur ve çoğunlukla 12, 13 ve 61. aminoasit rezidülerinde tek baz değişikliği meydana gelir [13]. Raf/MEK/ERK sinyal yolunun komponentlerindeki mutasyonlar kanserin faklı tipleriyle ilişkilendirilmiştir. Örneğin; BRAf mustasyonu melanoma, kolorektal kanser ve yumurtalık kanserinde sıklıkla gözlenirken diğer tümörlerde daha az sıklıkla gözlenmektedir. Ayrıca BRAF mutasyonu tüm kanserlerde %7-10 seyrindedir. Mutasyon sıklığı Raf/MEK/ERK yolunun downstream komponentlerinde artmaktadır. ERK genleri çok nadir mutasyona uğrarken tüm kanserlerin %1’inden daha azında MEK genleri mutasyona uğramaktadır. Raf/MEK/ERK sinyal yolundaki anormal aktivasyon Ras genlerinde mutasyon ile de sonuçlanabilmektedir [14, 15]. Ras izoformları olan H-Ras ve N-Ras’a kıyasla K-Ras daha sık mutasyona uğramaktadır. K-Ras’ın çoğunlukla pankreatik adenokarsinoma, kolorektal ve akciğer kanserinde mutasyonu görülürken H-Ras ve N-Ras da sırasıyla tükrük bezi tümörleri ve melanomalarda mutasyon sıklığı artmaktadır [15].
Çoğu kanserin RAF-MEK-ERK yolundaki bileşenlerde onkojenik mutasyonlar veya RAS ve EGFR gibi upstream regülatörlerin anormal aktivasyonu nedeniyle geliştiği bilinmektedir [16]. Bugüne kadar küçük molekül inhibitörleri kullanılarak çoğu kanserin tedavisi için Raf, MEK ve ERK’yi hedefleme girişiminde bulunulmuştur. Şu anda farklı kanser türlerine karşı kullanılması için FDA (Food and Drug Administration, Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) tarafından onaylanan ilaçlar olmasına rağmen Ras, MEK ve ERK’ı hedef alan inhibitörlerin çoğunluğu klinik ve preklinik gelişim aşamasındadır [17,18].
Şekil 3. Raf ve MEK inhibitörleri [17,18].
Gıda ve İlaç İdaresi (FDA) ve Avrupa İlaçları Ajansı (EMEA) tarafından klinik onay alan ilk ve tek RAF kinaz inhibitörü Sorafenib'dir. Sorafenib ilk olarak bir C-RAF-1 kinaz inhibitörü olarak geliştirilmiştir ve ayrıca VEGFR-2, VEGFR-3 ve PDGFR-β gibi diğer kinazları da hedeflemektedir [19]. AF265 şu anda klinik değerlendirmelerden geçen oral olarak biyouyumlu seçici bir RAF Kinaz inhibitörüdür. Ayrıca RAF265 inhibitörünün, VEGFR-2 kinaz aktivitesinin inhibisyonu yoluyla anjiyogenezi sekteye uğrattığı bilinmektedir [20].
CI-1040’ın , klinik gelişime ulaşan ilk, kolon kanseri ve melanoamadan türetilmiş olanlar dahil olmak üzere geniş bir tümör ksenografi spektrumunda preklinik aktiviteye sahip güçlü ve seçici bir MEK inhibitörü olduğu bulunmuştur [21]. PD0325901, önemli ikinci nesil bir MEK inhibitörüdür ve MEK'e karşı 50 kat güç artışı, gelişmiş biyoyararlanımı ve plazma stabilitesi sergileyerek CI-1040 ile karşılaştırıldığında hedef inhibisyon süresinin daha uzun olmasını sağladığı bilinmektedir. AZD6244 ise melanom, hepatosellüler, kolorektal, pankreas ve küçük hücreli dışı akciğer kanserinin hücre bazlı ve fare xenograft modellerinde iyi bir preklinik aktivite spektrumu gösteren güçlü ve son derece seçici bir MEK inhibitörüdür [22].
Referanslar
1. Peyssonnaux, C., & Eychène, A. (2001). The Raf/MEK/ERK pathway: new concepts of activation. Biology of the Cell, 93(1‐2), 53-62.
2.Jiang, M., Wen, F., Cao, J., Li, P., She, J., & Chu, Z. (2015). Genome-wide exploration of the molecular evolution and regulatory network of mitogen-activated protein kinase cascades upon multiple stresses in Brachypodium distachyon. BMC genomics, 16(1), 1-14.
3. Knight, T., & Irving, J. A. E. (2014). Ras/Raf/MEK/ERK pathway activation in childhood acute lymphoblastic leukemia and its therapeutic targeting. Frontiers in oncology, 4, 160.
4. Chang, Y. S., Liu, J. C., Fu, H. Q., Yu, B. T., Zou, S. B., Wu, Q. C., & Wan, L. (2013). Roles of targeting Ras/Raf/MEK/ERK signaling pathways in the treatment of esophageal carcinoma. Yao xue xue bao= Acta pharmaceutica Sinica, 48(5), 635-641.
5. Asati V, Mahapatra DK, Bharti SK. 2016. PI3K/Akt/mTOR and Ras/Raf/MEK/ERK signaling pathways inhibitors as anticancer agents: Structural and pharmacological perspectives. Eur J Med Chem, 109: 314‐341.
6. Harvey AJ. 2019. Predictive biomarkers in oncology applications in precision medicine (ebook). Springer Nature Switzerland AG, 2019: 167-182.
7. Degirmenci, U., Wang, M., & Hu, J. (2020). Targeting aberrant RAS/RAF/MEK/ERK signaling for cancer therapy. Cells, 9(1), 198.
8. Yap, J. L., Worlikar, S., MacKerell Jr, A. D., Shapiro, P., & Fletcher, S. (2011). Small Molecule Inhibitors of the ERK Signalling Pathway: Towards Novel Anti-cancer Therapeutics. ChemMedChem, 6(1), 38.
9. Chung, E., & Kondo, M. (2011). Role of Ras/Raf/MEK/ERK signaling in physiological hematopoiesis and leukemia development. Immunologic research, 49(1), 248-268.
10. Chong, H., Vikis, H. G., & Guan, K. L. (2003). Mechanisms of regulating the Raf kinase family. Cellular signalling, 15(5), 463-469.
11. Cuevas, B. D., Abell, A. N., & Johnson, G. L. (2007). Role of mitogen-activated protein kinase kinase kinases in signal integration. Oncogene, 26(22), 3159-3171.
12. Davies, H., Bignell, G. R., Cox, C., Stephens, P., Edkins, S., Clegg, S., ... & Futreal, P. A. (2002). Mutations of the BRAF gene in human cancer. Nature, 417(6892), 949-954.
13. Stites, E. C., & Ravichandran, K. S. (2009). A systems perspective of ras signaling in cancer. Clinical Cancer Research, 15(5), 1510-1513.
14. Yaeger, R., & Corcoran, R. B. (2019). Targeting alterations in the RAF–MEK pathway. Cancer discovery, 9(3), 329-341.
15. Santarpia, L., Lippman, S. M., & El-Naggar, A. K. (2012). Targeting the MAPK–RAS–RAF signaling pathway in cancer therapy. Expert opinion on therapeutic targets, 16(1), 103-119.
16. Guo, Y. J., Pan, W. W., Liu, S. B., Shen, Z. F., Xu, Y., & Hu, L. L. (2020). ERK/MAPK signalling pathway and tumorigenesis. Experimental and Therapeutic Medicine, 19(3), 1997-2007.
17. Karoulia, Z., Gavathiotis, E., & Poulikakos, P. I. (2017). New perspectives for targeting RAF kinase in human cancer. Nature Reviews Cancer, 17(11), 676-691.
18. Caunt, C. J., Sale, M. J., Smith, P. D., & Cook, S. J. (2015). MEK1 and MEK2 inhibitors and cancer therapy: the long and winding road. Nature Reviews Cancer, 15(10), 577-592.
19. Lyons, J. F., Wilhelm, S., Hibner, B., & Bollag, G. (2001). Discovery of a novel Raf kinase inhibitor. Endocrine-related cancer, 8(3), 219-225.
20. Stuart, D., Aardalen, K., Venetsanakos, E., Nagel, T., Wallroth, M., Batt, D., ... & Renhowe, P. (2008). RAF265 is a potent Raf kinase inhibitor with selective anti-proliferative activity in vitro and in vivo.
21. Sebolt-Leopold, J. S., Dudley, D. T., Herrera, R., Van Becelaere, K., Wiland, A., Gowan, R. C., ... & Saltiel, A. R. (1999). Blockade of the MAP kinase pathway suppresses growth of colon tumors in vivo. Nature medicine, 5(7), 810-816.
22. Haass, N. K., Sproesser, K., Nguyen, T. K., Contractor, R., Medina, C. A., Nathanson, K. L., ... & Smalley, K. S. (2008). The mitogen-activated protein/extracellular signal-regulated kinase kinase inhibitor AZD6244 (ARRY-142886) induces growth arrest in melanoma cells and tumor regression when combined with docetaxel. Clinical Cancer Research, 14(1), 230-239.