MSK1

Proteiinkinaas MSK1 (EC 2.7.11.1), tuntud ka kui ribosomaalne valgu S6 kinaas alfa-5 "RPS6KA5", on seriin/treoniin proteiinkinaas, millel on rakusisesete signaalide vahendajana oluline roll eukarüootsete rakkude arengus (jagunemises, apoptoosis ja stressi tingimustega toimetutulekul). MSK1 liigitatakse AGC kinaasiperekonda ning on vajalik erinevate mitogeen- või stressindutseeritud transkriptsioonifaktorite nagu CREB ja ATF fosforüleerimisel. Samuti osaleb kinaas MSK1 histoonide fosforüleerimise teel põletiku markereid kodeerivate geenide regulatsioonis. Kõrvalekaldeid MSK1 normaalsest aktiivsusest inimese rakkudes seostatakse mitmesuguste vähitüüpidega ning haigustega nagu krooniline põletik, psoriaas ja Huntingtoni tõbi. Proteiinkinaas MSK1 kuulub kinaaside hulka, millel on kaks aktiivset kinaasi omadusega domeeni. Üks domeenidest asub peptiidahela C-terminuse (C-otsa) pool, teine aga N-terminuse (N-otsa) pool. N-terminaalne kinaasi domeen (NTKD) kuulub AGC seriin ja treoniin kinaaside perekonda, C-terminaalne kinaasi domeen (CTKD) kuulub aga kaltsium- ja kalmoduliin-sõltuvate kinaaside perekonda. Aminohappejääkide nr 726 ja 748 vahel asub NLS järjestus ehk nukleaarse lokalisatsiooni signaal. See aminohapete järjestus põhjustab valgu kogunemise rakutuuma. Proteiinkinaas MSK1 aktiveerub ERK1/2 (rakuvälise signaaliga reguleeritav kinaas) ja p38 MAPK (mitogeen-aktiveeritav valgu kinaas) signaalradades, fosforüleerituna positsioonides Thr-581, Thr-700 või Ser-360. Need positsioonid kuuluvad kinaasi C-terminaalsesse seondumisdomeeni ning on sihtmärgiks ERK ja p38 MAPK-le. MSK1 on võimeline vähemalt 6 erinevast positsioonist autofosforüleeruma, kolmes positsioonis (Ser-212, Ser-376 ja Ser-381) vahendab seda kinaasi CTKD, ülejäänud kolmes (Ser-750, Ser-752 ja Ser-758) kinaasi NTKD. Massispektromeetria on näidanud MSK1 järjestuses veel kolm fosforüleerimise kohta (Ser-647, Ser-657 ja Ser-695), mis ei ole kinaasi aktiivsuse jaoks olulised. Neid positsioone fosforüleerivad kinaase pole veel tuvastatud. Mitogeensed faktorid nagu EGF (epidermise kasvufaktor) ja TPA (12-O-tetradekanoüülprobiool-13-atsetaat) aktiveerivad MSK1 läbi ERK signaalraja, stressifaktorid nagu aniomütsiin ja UV-C kiirgus teevad seda läbi p38 MAPK signaalraja. Samuti on leitud reagente, näiteks põletikku põhjustav tsütokiin tuumori nekroosi faktor alfa (TNFα), mis võivad kasutada mõlemat mainitud rada MSK1 aktiveerimiseks. Aktiveerimine võib samuti toimuda Tolli-sarnaste retseptorite vahendatud signaalradade kaudu. Katsetes inimese loote neerurakkudega 293 (HEK 293-rakud) on näidatud, et MSK1 aktivatsioon võib toimuda endogeenselt ehk signaaliradadest sõltumatult. Sellisel juhul on kinaasi toime põhjuseks kas otsene ergutamine kasvufaktoritega, UV-kiirgusega või rakkude sattumine oksüdatiivse stressi tingimustesse. Enimkasutatud ühend MSK1 inhibeerimiseks on H89. See ühend leidis esialgu kasutust laialdaselt uuritud proteiinkinaas A (PKA) inhibiitorina. Samuti kasutatakse MSK1 uuringutes mittespetsiifilist inhibiitorit Ro 31-8220. H89 ja Ro 31-8220 ebatäpse inhibeerimisvõime (kõrvaliste kinaaside inhibeerimine) tõttu ei ole aga võimalik saada täpseid tõendeid MSK1 aktiivsuse kohta. Seetõttu eelistatakse uurida MSK1 rolli füsioloogilistes protsessides MSK1-knockout-katsetega (meetod, kus organismis muudetakse üks geen, antud juhul kinaasi MSK1 kodeeriv, mittetöötavaks). MSK1-l on tuvastatud eneseinhibeerimise omadus. Proteiinkinaas MSK1-l on N-terminaalse kinaasi domeeni mitteaktiivses olekus kuju, kus ATP sidumiskoht on kaetud nukleotiidi seostumise aasaga. Seda mitteaktiivset kuju hoiab püsivana kinaasi domeeni N-terminaalne-hargi poolel moodustuv kolmeahelaline beeta-leht. Selline kuju takistab ATP seostumist ning kutsub esile kinaasi iseenda inhibeerimise. See näitab, et NTKD ei oma eraldi võetuna kinaasset aktiivsust ning vajab toimimiseks tervet proteiinkinaasi hõlmavat muutust. Lisaks autoinhibeerimisele on kindlaks tehtud erinevaid MSK1 aktiivsust langetavaid mehhanisme. Üheks neist on koostoime glükokortikoididega, laialt kasutatavate põletikuvastaste ja immuunreaktsiooni muundavate ühenditega. See toime seisneb aktiveeritud glükokortikoidi retseptorite võimes moodustada kompleks kinaasiga MSK1. MSK1 on tavaolekus kogunenud rakutuuma, kuid selle kompleksi osana viiakse see kinaas tuumast välja CRM1-sõltuva (tuntud ka kui eksportiin-sõltuva) ekspordimehhanismi abil. Sellisel juhul on pärsitud MSK1 läbiviidavad reaktsioonid, sest MSK1 kontsentratsioon rakutuumas langeb. Mitogeeni- või stressistiimulite nagu UV-C kiirgus, epidermise kasvufaktor (EGF) või antibiootikum anisomütsiin vastuseks foforüleeriblib MSK1 CREB-i ja ATF1-e (valgud, mis reguleerivad raku transformeerimiseks vajalike geenide transkriptsiooni). MSK1 on rakus põhiliselt kogunenud tuuma, kus saades aktiveerumiseks vajalikult stimuleeritud, fosforüleerib CREB-i. CREB on transkriptsioonifaktor, mis fosforüleerituna seostub DNA-ga transkriptsiooni promootoralas ning soodustab või pärsib seondumiskohast allavoolu jäävate geenide avaldumist, mis osalevad raku vastuses MSK1 aktiveerinud stiimuli toimele. MSK1 funktsiooniks on ka histoonide fosforüleerimine. Histooni H3 fosforüleerimine lõdvendab kromatiini ning seeläbi kasvab transkriptsiooni tase selles DNA piirkonnas. Huvitaval kombel toimub samuti MSK1 poolt fosforüleeritava histooni H2A puhul vastupidine efekt: H2A fosforüleerimisel väheneb transkriptsiooni intensiivsus seda histooni ümbritsevalt DNA-lt. Histoonide fosforüleerimisel on rakkude regulatsioonis väga tähtis roll: uuringud on näidanud, et H3 fosforüleerumine mitoosi käigus mõjutab oluliselt DNA kondenseerumist ja transkriptsiooni. Tolli-sarnaste retseptorite vahendatud põletikureaktsioonide kontrollis on kinaasi MSK1 ülesandeks negatiivne tagasiside. MSK1 vahendab põletikuliste reaktsioonide lõpetamiseks vajalike faktorite aktiveerumist. Tolli-sarnaste retseptorite vahendatud põletikureaktsioonide rada on leitud primaarsetes makrofaagides. MSK1 kodeeriva geeni puudulikud hiired on ülitundlikud lipopolüsahhariididega infekteerimise suhtes — neil esineb võimas põletikuline reaktsioon. Selle põhjuseks on MSK1 roll fosforüleerida transkriptsioonifaktoreid CREB ja ATF1, mis on vajalikud põletikuvastase tsütokiini interleukiin 10 ja fosfataasi DUSP1 transkriptsiooni indutseerimiseks. Nende valkude transkriptsiooni puudumisel tekib pikenenud põletikureaktsioon. Kinaas MSK1 on inimkudedes laialdaselt ekspresseeritud. Kõige kõrgem kontsentratsioon on südames, ajus ja platsentas, kinaasi kontsentratsioon on kõrge ka kopsudes, neerudes ja maksas. Vastusena mitogeensetele ühenditele nagu TPA ja EGF (kaks põhjalikult uuritud kasvajate arengus osalevat ühendit) vahendab MSK1 rakkude transformatsiooni. Kui kinaas MSK1 inhibeerida H89-ga või kui selle translatsioon vaigistada siRNA (vaigistav RNA) abil, langeb oluliselt TPA- või EGF-indutseeritud rakkude võime moodustada kolooniaid. MSK1 aktiivsuse vähendamine inhibiitorite või geeni vaigistamise teel langetas neuronite Mg2+-eemaldamisega indutseeritavat surma, see rakusurma tüüp on inhibeeritud ka MSK1 knockout-hiirte hippokampuse neuronites. See näitab, et MSK1 omab rolli rakusurmas ja seeläbi kasvajate moodustumises. MSK1 regulatsioonihäiretega on seostatud haigusi nagu psoriaas ja Huntingtoni tõbi. Psoriaasi haiguskolletest eraldatud marrasnaha rakkudes on leitud märgatavalt suurem aktiivse kinaasi MSK1 hulk kui tervetes epidermise rakkudes. Lisaks sellele on psoriaatilise naha biopsia näidanud kõrgemat fosforüleeritud CREB ja ATF1 olemasolu. Psoriaasi ravis laialdaselt kasutatav dimetüülfumaraat on võimeline kreatinotsüütides (naha basaalkihi rakud) inhibeerima IL1β-indutseeritud MSK1 aktivatsiooni. Sellega kaasnevalt langeb ka CREB, ATF1 ja NF-κB p65 fosforüleerimine. Erinevalt psoriaasist on Huntingtoni tõbe põdevate patsientide ja Huntingtoni tõve uuringutes mudelorganismina kasutatavate R6/2 hiirte striaatumitest ehk juttkehadest eraldatud rakkudest avastatud MSK1 ekspressioonitaseme langus. Sellistes rakkudes on histooni H3 fosforüleerimine halvatud, kuid mitte CREB-i fosforüleerimine, mis näitab erinevate spetsiifiliste signaalradade olemasolu. José M. Arencibia, Daniel Pastor-Flores, Angelika F. Bauer, Jörg O. Schulze, Ricardo M. Biondi „AGC protein kinases: From structural mechanism of regulation to allosteric drug development for the treatment of human diseases“ Nat Rev Mol Cell Biol. 2010 Jan;11(1):9–22. doi: 10.1038/nrm2822. Pearce LR, Komander D, Alessi DR "The nuts and bolts of AGC protein kinases." Nat Rev Mol Cell Biol. 2010 Jan;11(1):9–22. doi: 10.1038/nrm2822. Beck IM, Vanden Berghe W, Vermeulen L, Bougarne N, Vander Cruyssen B, Haegeman G, De Bosscher K "Altered subcellular distribution of MSK1 induced by glucocorticoids contributes to NF-kappaB inhibition." EMBO J. 2008 Jun 18;27(12):1682–93. doi: 10.1038/emboj.2008.95. Epub 2008 May 29. Deak M, Clifton AD, Lucocq LM, Alessi DR "Mitogen- and stress-activated protein kinase-1 (MSK1) is directly activated by MAPK and SAPK2/p38, and may mediate activation of CREB." EMBO J. 1998 Aug 3;17(15):4426-41. Smith KJ, Carter PS, Bridges A, Horrocks P, Lewis C, Pettman G, Clarke A, Brown M, Hughes J, Wilkinson M, Bax B, Reith A. "The structure of MSK1 reveals a novel autoinhibitory conformation for a dual kinase protein." Structure. 2004 Jun;12(6):1067–77. Vermeulen L, Vanden Berghe W, Beck IM, De Bosscher K, Haegeman G. "The versatile role of MSKs in transcriptional regulation." Trends Biochem Sci. 2009 Jun;34(6):311-8. doi: 10.1016/j.tibs.2009.02.007. Epub 2009 May 21. McCoy CE, Campbell DG, Deak M, Bloomberg GB, Arthur JS. "MSK1 activity is controlled by multiple phosphorylation sites." Biochem J. 2005 Apr 15;387(Pt 2):507-17. McCoy CE, macdonald A, Morrice NA, Campbell DG, Deak M, Toth R, McIlrath J, Arthur JS. "Identification of novel phosphorylation sites in MSK1 by precursor ion scanning MS." Biochem J. 2007 Mar 15;402(3):491–501. Ananieva O, Darragh J, Johansen C, Carr JM, McIlrath J, Park JM, Wingate A, Monk CE, Toth R, Santos SG, Iversen L, Arthur JS. "The kinases MSK1 and MSK2 act as negative regulators of Toll-like receptor signaling." Nat Immunol. 2008 Sep;9(9):1028–36. doi: 10.1038/ni.1644 Davies SP, Reddy H, Caivano M, Cohen P. "Specificity and mechanism of action of some commonly used protein kinase inhibitors." Biochem J. 2000 Oct 1;351(Pt 1):95–105. Malakhova M, D'Angelo I, Kim HG, Kurinov I, Bode AM, Dong Z. "The crystal structure of the active form of the C-terminal kinase domain of mitogen- and stress-activated protein kinase 1." J Mol Biol. 2010 May 28;399(1):41–52. doi: 10.1016/j.jmb.2010.03.064. Epub 2010 Apr 9. Zhang Y, Griffin K, Mondal N, Parvin JD. "Phosphorylation of histone H2A inhibits transcription on chromatin templates." J Biol Chem. 2004 May 21;279(21):21866-72. Epub 2004 Mar 9. New L, Zhao M, Li Y, Bassett WW, Feng Y, Ludwig S, Padova FD, Gram H, Han J. "Cloning and characterization of RLPK, a novel RSK-related protein kinase." J Biol Chem. 1999 Jan 8;274(2):1026–32. Kim HG, Lee KW, Cho YY, Kang NJ, Oh SM, Bode AM, Dong Z. "Mitogen- and stress-activated kinase 1-mediated histone H3 phosphorylation is crucial for cell transformation." Cancer Res. 2008 Apr 1;68(7):2538-47. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-07-6597. Hughes JP, Staton PC, Wilkinson MG, Strijbos PJ, Skaper SD, Arthur JS, Reith AD. "Mitogen and stress response kinase-1 (MSK1) mediates excitotoxic induced death of hippocampal neurones." J Neurochem. 2003 Jul;86(1):25–32. Funding AT, Johansen C, Kragballe K, Otkjaer K, Jensen UB, Madsen MW, Fjording MS, Finnemann J, Skak-Nielsen T, Paludan SR, Iversen L. "Mitogen- and stress-activated protein kinase 1 is activated in lesional psoriatic epidermis and regulates the expression of pro-inflammatory cytokines." J Invest Dermatol. 2006 Aug;126(8):1784–91. Epub 2006 Mar 16. Gesser B, Johansen C, Rasmussen MK, Funding AT, Otkjaer K, Kjellerup RB, Kragballe K, Iversen L. "Dimethylfumarate specifically inhibits the mitogen and stress-activated kinases 1 and 2 (MSK1/2): possible role for its anti-psoriatic effect." J Invest Dermatol. 2007 Sep;127(9):2129-37. Epub 2007 May 10. Roze E, Betuing S, Deyts C, Marcon E, Brami-Cherrier K, Pagès C, Humbert S, Mérienne K, Caboche J. "Mitogen- and stress-activated protein kinase-1 deficiency is involved in expanded-huntingtin-induced transcriptional dysregulation and striatal death." FASEB J. 2008 Apr;22(4):1083–93. Epub 2007 Nov 20.