Ara

DUSP4 Proteini ve Epilepsi İle İlişkisi


DUSP4 (Dual specificity phosphatase), tercihen ERK ve JNK sinyalizasyon yolaklarını inhibe eder. Yaşlanan insan fibroblast hücrelerinde bozulmuş proteazomal aktivite nedeniyle DUSP4'ün fosfataz aktivitesi ve protein seviyeleri artar. 8-Bromo-cAMP stimülasyonu, Leydig hücrelerinde DUSP4 proteininin proteazomal bozulmasının azalmasına neden olmaktadır. DUSP4 stabilizasyonu, ERK aktivitesinin inhibisyonuna ve ardından steroid sentezi için kritik olan p450scc steroidojenik enziminin sentezinin azalmasına yol açmaktadır.


DUSP4, ERK aktivasyonundan sonra hızla uyarılır. ERK, C-terminali içindeki Ser386 ve Ser391 kalıntıları üzerinde DUSP4 proteini ile bir etkileşim içerisine girer ve fosforile eder. Bu da DUSP4'ün ubikuitin aracılı proteazomal bozulmadan önlenmesine yol açar. Mekanizma, ERK aktivitesinin negatif geri besleme kontrolünü sağlar. Tutarlı bir şekilde, MAPK bağlanma bölgesinden yoksun olan insan DUSP4 proteininin kısa bir eklenmiş izoformu (303 amino asidi kodlayan), DUSP4 molekülünden ubikütinasyon ve proteazomal bozulmaya karşı daha hassastır.


MAPK yolunun, insan epileptik beynindeki spesifik kortikal laminada yapısal olarak aktive olduğu keşfedilmiştir. MAPK yolu, vücuttaki tüm hücre tiplerinde bulunan ve hücre proliferasyonu ve hücre siklusu ilerlemesinde rol oynayan her yerde bulunan bir yolaktır. MAPK sinyallemesinin, interiktal spiking olarak da bilinen nöbetler arasında meydana gelen sık spiking ile birlikte, epileptik devreyi koruyan pozitif bir geri besleme döngüsü üretebileceğini göstermektedir.


DUSP4 adı verilen oldukça güçlü bir MAPK inhibitör proteininin, insan neokorteksinde endojen bir epileptik sinyal inhibitörü olduğuna dair bulgular sunulmuştur. Genomik teknikler aracılığı ile DUSP4, insan epileptik neokorteksinde daha önce tanımlanmış MAPK genlerinden bağımsız olarak kümelenen ve farklı bir mekansal ekspresyon paterni öneren bir grup indüklenmiş gen içerisinde tespit edilmiştir. Tutarlı bir şekilde, MAPK genlerinde belirgin bir azalma gösteren epileptik insan neokorteksinin 2/3 katmanlarında DUSP4 mRNA ekspresyonunun küçük yapıları belirlenmiştir. In vitro DUSP4, tekrarlanan depolarizasyonlardan sonra hızlı ve geçici olarak indüklenen ve MAPK sinyallemesine bağlı olan güçlü bir MAPK antagonisti olarak işlev görmektedir.



Şekil 1 : Düşük DUSP4 ve yüksek MEK aktivasyonu, CSC (Cancer Stem Cell) benzeri özelliklere sahip tümörler ve hücre hatları ile ilişkilidir. CCLE verileri çeşitli doku kaynaklarından 964 kanser hücresi hattında DUSP4 lokusu için SNP kopya numarası analiz gösterimidir.


DUSP4, ERK sinyalizasyon yolağını defosforile ederek MAPK sinyalini doğrudan bloke etmektedir. DUSP4'ün aşırı ekspresyonunun MAPK sinyallemesinde önemli bir azalmaya yol açtığı belirtilmiş olup ERK seviyelerinde ciddi bir azalmaya neden olmaktadır. DUSP4, insan nöronal benzeri hücrelerinde MAPK sinyalinin güçlü bir inhibitörü olarak gösterilmektedir.


İnsan epileptik korteksindeki yüzeysel kortikal tabakalarda DUSP4 ve EGR 1/DUSP6 mRNA ekspresyonu arasındaki dikkate değer ters ilişki göz önüne alındığında, insan neokorteksinde DUSP4 proteini, MAPK sinyali ve epileptik spike sıklığı arasında bir ilişki olduğu bildirilmiştir. Yüksek MAPK sinyaline sahip beyin bölgeleri, hem EGR1 mRNA hem de proteinin yüksek ekspresyon seviyelerini göstermektedir. Bu beyin bölgelerini, her hastada EGR1 ekspresyonuna dayanarak yüksek ve düşük MAPK sinyali olarak tanımlanmaktadır. İlginç bir şekilde, DUSP4 protein ekspresyonu, yüksek MAPK sinyallemesinin bu aynı bölgelerinin çoğunda önemli ölçüde azalır ve düşük MAPK sinyallemelisi bu bölgelerde artar. DUSP4 proteini daha yüksek seviyelerde eksprese edildiğinde her ikisi de azalan epileptik elektriksel aktivite ve MAPK sinyali arasında fonksiyonel bir korelasyon sağlamaktadır.



Şekil 2 : DUSP4 proteini epileptik ve epileptik olmayan beyin dokusu arasındaki sınırda bulunur.


Kaynaklar ve İleri Okuma

  1. Kirchner A, Bagla S, Dachet F, Loeb JA. DUSP4 appears to be a highly localized endogenous inhibitor of epileptic signaling in human neocortex. Neurobiol Dis. 2020 Nov;145:105073.

  2. Barkmeier DT, Senador D, Leclercq K, Pai D, Hua J, Boutros NN, et al. Electrical, molecular and behavioral effects of interictal spiking in the rat. Neurobiol Dis. 2012 Jul;47(1):92-10

  3. Chen P, Hutter D, Yang X, Gorospe M, Davis RJ, Liu Y. Discordance between the binding affinity of mitogen-activated protein kinase subfamily members for MAP kinase phosphatase-2 and their ability to activate the phosphatase catalytically. J Biol Chem. 2001 Aug 3;276(31):29440-9.

  4. Torres C, Francis MK, Lorenzini A, Tresini M, Cristofalo VJ. Metabolic stabilization of MAP kinase phosphatase-2 in senescence of human fibroblasts. Exp Cell Res. 2003 Nov 1;290(2):195-206.

  5. Gómez NV, Gorostizaga AB, Mori Sequeiros García MM, Brion L, Acquier A, González-Calvar SI, et al. MAPK phosphatase-2 (MKP-2) is induced by hCG and plays a role in the regulation of CYP11A1 expression in MA-10 Leydig cells. Endocrinology. 2013 Apr;154(4):1488-500.

  6. Brondello JM, Pouysségur J, McKenzie FR. Reduced MAP kinase phosphatase-1 degradation after p42/p44MAPK-dependent phosphorylation. Science. 1999 Dec 24;286(5449):2514-7.

  7. Peng DJ, Zhou JY, Wu GS. Post-translational regulation of mitogen-activated protein kinase phosphatase-2 (MKP-2) by ERK. Cell Cycle. 2010 Dec 1;9(23):4650-5.

  8. Hijiya N, Tsukamoto Y, Nakada C, Tung Nguyen L, Kai T, Matsuura K, et al. Genomic Loss of DUSP4 Contributes to the Progression of Intraepithelial Neoplasm of Pancreas to Invasive Carcinoma. Cancer Res. 2016 May 1;76(9):2612-25.

  9. Cadalbert LC, Sloss CM, Cunningham MR, Al-Mutairi M, McIntire A, Shipley J, et al. Differential regulation of MAP kinase activation by a novel splice variant of human MAP kinase phosphatase-2. Cell Signal. 2010 Mar;22(3):357-65.

  10. Crowell S, Wancket LM, Shakibi Y, Xu P, Xue J, Samavati L, et al. Post-translational regulation of mitogen-activated protein kinase phosphatase (MKP)-1 and MKP-2 in macrophages following lipopolysaccharide stimulation: the role of the C termini of the phosphatases in determining their stability. J Biol Chem. 2014 Oct 17;289(42):28753-64.

  11. Roux PP, Shahbazian D, Vu H, Holz MK, Cohen MS, Taunton J, Sonenberg N, Blenis J. RAS/ERK signaling promotes site-specific ribosomal protein S6 phosphorylation via RSK and stimulates cap-dependent translation. J Biol Chem. 2007 May 11;282(19):14056-64.

  12. Shaul YD, Seger R. The MEK/ERK cascade: from signaling specificity to diverse functions. Biochim Biophys Acta. 2007 Aug;1773(8):1213-26.

  13. Thomas GM, Huganir RL. MAPK cascade signalling and synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci. 2004 Mar;5(3):173-83.

  14. Kirchner A, Dachet F, Loeb JA. Identifying targets for preventing epilepsy using systems biology of the human brain. Neuropharmacology. 2020 May 15;168:107757.

  15. Balko JM, Schwarz LJ, Bhola NE, Kurupi R, Owens P, Miller TW, Gómez H, Cook RS, Arteaga CL. Activation of MAPK pathways due to DUSP4 loss promotes cancer stem cell-like phenotypes in basal-like breast cancer. Cancer Res. 2013 Oct 15;73(20):6346-58.

  16. https://today.uic.edu/inhibiting-epileptic-activity-in-the-brain