Ras/Raf dan Jalur Sinyal MAP-Kinase

Cecep Suryani SoburBiokimia Kedokteran, Ilmu Dasar Kedokteran, Kedokteran Leave a Comment

Ras/Raf dan MAP-kinase merupakan jalur sinyal seluler yang penting dan berperan dalam banyak proses dalam sel terutama proses proliferasi dan diferensia (termasuk juga inflamasi dan apoptosis). Persinyalannya juga cukup kompleks, melibatkan beberapa orde persinyalan baik di sitoplasma dan inti sel. Sebagai gambaran, dibawah ini menggambarkan komplesitas dari Ras/Raf dan MAP kinase:

Kompleksitas Ras/Raf dan MAP Kinase
Kompleksitas jalur persinyalan Ras/Raf dan MAP Kinase

Skema Dasar Jalur Ras/Raf

Pada skema di atas, tampak bahwa jalur persinyalan Ras/Raf dapat sangat kompleks. Namun, terdapat skema atau pola dasar. Untuk memudahkan, mari kita lihat diagram yang disederhanakan di bawah ini:

Gambar jalur reaksi MAP-kinase
Gambar jalur reaksi MAP-kinase

Dari contoh di atas, tampak bahwa Raf/Ras merupakan komponen pertama dari jalur sinyal MAP-kinase. Reseptor yang ditempati ligan kemudian akan mengaktivasi protein Ras. Ras yang teraktivasi kemudian membentuk kompleks dengan protein Raf. Kompleks Ras/Raf ini kemudian akan meneruskan sinyal melalui proses fosforilisasi. Proses fosforilisasi ini merupakan salah satu metode utama dalam meregulasi berbagai proses kimiawi di dalam sel.

Komponen Jalur Ras/Raf

Protein Ras (Rat Sarcoma)

Langkah pertama dari jalur sinyal Raf/Ras adalah aktivasi protein Ras. Ras merupakan singkatan dari rat sarcoma. Protein ini memegang peranan yang sentral dalam memulai transduksi sinyal seluler. Protein Ras sendiri merupakan suatu keluarga protein, Ras-superfamily yang pada esensinya merupakan GTP-ase monomerik dengan ukuran 16-25 kDa. Protein Ras berasosiai dengan membran melalui residu S-palmitoyl dan S-farnesyl.

Residu asam lemak asam miristat, asam prenilat, dan asam palmitat yang berikatan dengan membrane associated protein.
Protein yang berasosiasi dengan protein menambatkan bagian dari proteinnya dengan residu asam lemak seperti asam miristat, asam prenialt, atau asam palmitat.

Asal Sinyal yang Diterima oleh Ras

Protein Ras juga memiliki beberapa subfamili yaitu Ras/Rap, Rho/Rac, Rab, Ran, dan Arf. Adapun Ras, memperoleh sinyal dari beberapa proses berikut ini:

  • Sinyal (melalui sitokin) dari reseptor tirosin kinase. Melibatkan protein adaptor (Grb2, Shc) dan guanine nucleotide exchange factor (GEF)
  • Sinyal dari G-protein-coupled receptor (GPCR), kemungkinan melalui subunit-βγ
  • Sinyal NO (aktivasi langsung melalui modifikasi redoks – S-nitrosylation triggers GDP/GTP-exchange)
  • Sinyal Ca2+ dan DAG (RasGRP mengandung motif ikat Ca2+ dan DAG, RasGRF1 diaktifasi oleh Ca2+/calmodulin)

Berikut ini adalah resetor baik dengan aktivitas tirosin kinase intrinsik maupun yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase beserta ligannya:

Growth factors/liganKarakteristikReseptor
Platelet-derived growth factor (PDGF) tipe AA, AB, dan BBDimer, rantai A (17 kD) dan B (16 kD), rantai B diproduksi oleh proto-onkogen c-sis Dua tipe reseptor tirosin kinase, PDGF-Rα (170 kD), PDGF-Rβ (180 kD)
Epidermal growth factor, EGF
Transforming growth factor-α, TGF-α
ca 6 kD, EGF, dan TGF-α identik sampai 40%Reseptor tirosin kinase, EGF-R adalah produsk dari proto-onkogen c-erbB
Transforming growth factor-β, TGF-β1, β2, β3 Homodimer 25 kDReseptor TGF-β I dan II memiliki aktivitas protein kinase spesifik Ser/Thr
Insulin-like growth factor, IGF-1 dan IGF-2Berkaitan dengan proinsulin, 7 kDReseptor tirosin kinase, IGF-R
Fibroblast growth factor, FGF-1, FGF-2, FGF-3, FGF-4Protein terkait dengan ukuran 16-32 kDReseptor tirosin kinase
Granulocyte colony stimulating factor, G-CSF24 kD150 kD, G-CSF-R, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Granulocyte macrophage-colony stimulating factor, GM-CSF 14 kD51 kD, GM-CSF-R, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Interleukin 1-7, IL-9, IL-12, IL-15IL-R-1 sampai IL-R-7, IL-R-9, IL-R-12, IL-R-15, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Interleukin 8, IL-8IL-R-8, GPCR
ErythropoietinEpo-R, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Tumor necrosing factor, TNFTNF-R, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Leukemia inhibitory factor, LIFLIF-R, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
Interferon α, β, γ INF-Rα, INF-Rβ, INF-Rγ, reseptor yang berasosiasi dengan protein tirosin kinase
GPCR, G-protein coupled receptor

Reseptor Tirosin Kinase dan GPCR Diteruskan Sinyalnya oleh Ras/Raf

Dari tabel di atas, tampak bahwa sinyal yang diterima banyak dari reseptor tirosin kinase dan GPCR. Untuk uraian singkat mengenai kedua reseptor tersebut dapat disimak di video berikut ini:

Video mengenai penjelasan umum transduksi sinyal sel termasuk GPCR dan reseptor tirosin kinase

Aktivasi Ras oleh Reseptor Tirosin Kinase dan GPCR

Adapun mengenai bagaimana proses reseptor tirosin kinase dan GPCR mengaktivasi Ras, dapat dilihat di bagan di bawah ini:

Aktivasi Ras/Raf kinase oleh GPCR dan reseptor tirosin kinase
Jalur aktivasi protein RAS oleh tirosin kinase dan subunit βγ dari GPCR

Koregulasi Ras/Raf

Seperti dijelaskan di atas bahwa jalur Ras/Raf berperan dalam proses proliferasi. Mutasi pada komponen jalur ini dapat menyebabkan hilangnya kontrol sinyal dan hal ini penting dalam proses terbentuknya kanker. Di bawah ini adalah gambaran bagaimana mekanisme kontrol atau regulasi terhadap jalur Ras/Raf yang dijalankan oleh berbagai mekanisme:

Mekanisme regulasi sinyal Ras/Raf oleh berbagai protein untuk mengendalikan proses proliferasi sel
Mekanisme regulasi sinyal Ras/Raf oleh berbagai protein untuk mengendalikan proses proliferasi sel

Beberapa diantara koregulasi dari Ras adalah:

  • GTPase-activating protein (GAP)
  • Guanine nucleotide exchange factor (GEF), mempercepat perubahan ke kondisi aktif
  • Kinase
  • Inhibitor dari diosiasi nukleotida guanine

GAP dan GEF

Salah satu sistem adaptor Ras yang perlu diperhatikan adalah GTPase-activating protein (GAP) dan guanine nucleotide exchange factor (GEF).

Regulasi Ras oleh GAP dan GEF
Regulasi Ras oleh GAP dan GEF

GAP dan GEF menjaga keseimbangan bentuk Ras-GDP yang merupakan bentuk inaktif dan RAS-GTP yang merupakan bentuk aktif. GAP merubah Ras-GTP menjadi Ras-GDP sedangkan GEF sebaliknya. Dalam keadaan basal, GAP selalu aktif sedangkan GEF hanya aktif apabila terstimulasi. Hal ini menyebabkan tanpa adanya sinya, Ras selalu dalam kondisi tidak aktif karena selalu dalam status RAS-GDP.

Apabila ada perubahan kondisi, bisa menyebabkan inhibisi terhadap GAP, stimulasi GEF, atau keduanya. Perubahan ini akan mendorong meningkatnya konsenterasi Ras-GTP sehingga jalur Ras/Raf kemudian menjadi aktif. Kondisi keseimbangan tersebut dapat disimak dalam bagan berikut:

Keseimbangan GAP dan GEF
Keseimbangan GAP dan GEF dalam meregulasi Ras

Seperti halnya Ras, GAP dan GEF juga merupakan keluarga protein yang memiliki banyak anggota. Di bawah ini adalah nama keluarga protein Ras beserta protein GAP dan GEF yang meregulasi protein Ras tersebut:

Ras familyGEF, nama gen atau proteinGAP, nama gen atau protein
RasH-RasRas-GEF, mSos, mCDC 25 RasGRFRas-GAP; neurofibromin, p120-GAP
N-Ras
Ki-Ras A
Ki-Ras B
R-Ras
M-Ras
Rap1A, 1B, 2A, 2BRap1-GAP
RalA, RalBRal-GEF
TC21 9=k-Rev1)
Rho/RacRho A, B, CDblp50 Tho GAP
Rho 1, 3, 4, 6, 8Vav1
RhoGEF
p190 Rho GAP
Rab> 50 jenis protein RabMSS4
Rab3 GEP

Rab3 GAP
RanRan, TC4RCC1Ran GAP1
ARF (ADP-ribosylation factor)ARF1-6Sec7ARF1 GAP
Tabel keluarga Ras dan regulatornya

Protein mSos, Grb2, dan Shc

Salah satu keluarga dari GEF adalah protein mSos. Protein ini dalam bentuk kompleks dengan protein Grb2. Di bawah ini adalah bagan bagaimana mSOs berfungsi sebagai GEF, melakukan perubahan Ras-GDP menjadi Ras-GTP sehingga mengaktivasi jalur persinyalan Ras/Raf.

Hubungan Grb2 dengan siklus Ras yang dimodulasi oleh GEF dan GAP
Hubungan Grb2 dengan siklus Ras yang dimodulasi oleh GEF dan GAP

Pada reseptor tertentu, aktivasi kompleks mSos bisa dilakukan secara langsung. Namun, dalam kondisi lain, aktivasi mSos dapat dilakukan melalui protein adaptor lain yaitu Shc. Jadi, setelah reseptor, aktivasi diteruskan melalui Shc dan baru kemudian dilanjutkan ke protein kompleks Grb2 dan mSos. Beberapa sinyal yang menggunakan adaptor Shc ini seperti T-cell antigen receptor (TCR), B-cell antigen receptor, interleukin-2 receptor, interleukin-3 receptor, erythropoietin receptor, dan reseptor insulin.

Gambar di bawah ini diperlihatkan aktivasi Ras baik melalui adaptor Shc kemudian mSos dan dari reseptor langsung mengaktivasi mSos:

Grb-2-mSos dan Shc pada jalur Ras
Grb-2-mSos dan Shc pada jalur Ras. a aktivasi mSos melalui adaptor Shc. b aktivasi langsung mSos oleh reseptor

Telah disebutkan di atas bahwa insulin adalah satu reseptor yang memiliki persinyalan Shc mSos. Jalur ini bertanggung jawab terhadap efek insulin sebagai sinyal pertumbuhan. Kita ketahui bahwa insulin memiliki efek metabolik dan pertumbuhan. Ternyata kedua efek mayor ini dibawa oleh sinyal yang berbeda. Di bawah ini memperlihatkan dua jalur sinyal dalam aktivasi reseptor insulin:

Jalur persinyalan Ras/Raf dari reseptor insulin
Gambar jalur persinyalan insulin membawa sinyal pertumbuhan melalui aktivasi Shc kemudian Ras/Rad serta jalur sinyal metabolik melalui IRS. J Clin Invest DOI: 10.1172/JCI23506

Input dan Output Sinyal dari Jalur Ras

Ras terlibat dalam banyak proses dan persinyalan. Secara garis besar, sinyal input terhadap Ras dapat berupa sinyal aktivasi, berasal dari GEF dan langsung dari reseptor baik reseptor tirosin kinase maupun GPCR. Adapun sinyal yang menghambat Ras terutama dari GAP.

Setelah teraktivasi maka Ras kemudian akan meneruskan sinyal tersebut. Ras meneruskan sinyal terutama ke jalur MAP-kinase. Raf adalah salah satu bagian dari jalur sinyal MAP-kinase sehingga sering kita sebut rangkaian jalur Ras ke MAP-kinase sebagai jalur Ras/Raf. Di bawah ini dapat kita simak rangkuman sinyal input dan output dari protein Ras.

Sinyal masuk dan keluar dari jalur Ras
Sinyal masuk dan keluar dari jalur Ras

MAP-Kinase

MAP-kinase merupakan salah satu jalur kelanjutan dari sinyal Ras. Relevansi dari jalur sinyal ini adalah pada proses poliferasi, diferensiasi, inflamasi, dan apoptosis. Ciri khas dari jalur ini adalah kaskade fosforilisasi atau kaskade kinase. Di bawah ini adalah bagan kaskade kinase dari jalur tersebut:

Kaskade fosforilisasi dari MAP-kinase
Kaskade fosforilisasi dari MAP-kinase. Awal sinyal dapat dari protein Ras atau Rac.

Dalam membahas jalur MAP-kinase biasa kita mendapatkan berbagai singkatan. Berikut kepanjangan dari singkatan tersebut:

MAPK
mitogen-activated protein kinase
=ERK
extracellularly regulated kinase
MAPKKK
spesifik Ser/Thr
RAFMEKK-1
MEKkinase1
MAPKK
spesifik Thr- dan Tyr
=MEK
MAP/ERKkinase
MAPK
Memiliki sekuens TYX
=ERK

Komponen dan Proses Aktivasi Jalur MAPK/ERK

Singkatan di atas merupakan komponen atau bagian dari jalur MAP-kinase. Berikut posisi dari masing-masing komponen tersebut:

Komponen jalur sinyal MAP-kinase
Komponen jalur sinyal MAP-kinase

Substrat dari MAPK biasanya adalah faktor transkripsi dengan reaksi fosforilisasi di posisi serin (Ser). Beberapa faktor transkripsi tersebut seperti Elk-1 setelah fosforilisasi akan membentuk heterodimer dengan serum response factor ke posisi SRE di DNA.

Elk-1 meregulasi gen c-fos. Gen ini menghasilkan protein c-fos yang nanti akan membentuk heetrodimer dengan c-jun membentuk activator protein 1 (AP-1). AP-1 sendiri merupakan faktor transkripsi yang meregulasi gen yang terlibat dalam setimuli seperti sitokin, growth factor, stress, dan infeksi.

Salah satu subgrup dari MAPK adalah jalur JNK atau SAPK (stress-activated protein kinase). Jalur ini pada akhurnya akan memfosforilisasi dua residu Ser di c-Jun.

Raf Kinase, Bagian dari MAK-Kinase

Raf merupakan bagian dari MAK-kinase dan secara khusus menerima sinyal dari Ras. Protein ini diregulasi oleh fosforilisasi.

  • Fosforilisasi Tyr oleh Src kinase bersifat stimulasi
  • Fosforilisasi Ser oleh protein kinase C bersifat stimulasi
  • Fosforilisasi Ser oleh protein kinase A bersifat inhibitori

Jalur dari Ras/Raf ke MAPK serta bagaimana regulasi dari Raf tersebut dapat disimak lebih jelas di bagan di bawah ini:

Fungsi Raf menerima sinyal dari Ras dan meneruskan sebagai kaskade MAP-kinase
Fungsi Raf menerima sinyal dari Ras dan meneruskan sebagai kaskade MAP-kinase

Jalur MAP-Kinase Terpenting pada Mamalia

Pada mamalia terdapat tiga jalur MAP-kinase terpenting yaitu:

  1. Jalur dengan MAPK ERK1/2, bertanggung jawab sebagai lanjutan dari reseptor growth factor
  2. Jalur dengan MAPK JNK 1-3, bertugas dalam respon stres, sitokin, reseptor TNF, dan interaksi antarsel
  3. Jalur dengan MAPK p38, sama yaitu dalam proses respon stres, sitokin, reseptor TNF, dan interaksi antarsel
Tiga jalur utama dari MAP-kinase pada mamalia
Tiga jalur utama dari MAP-kinase pada mamalia

Selain ketiga jalur di atas juga terdapat jalur lain dengan MAPK ERK5. Jalur ini berperan dalam respon stres, growth factor, proliferasi sel, dan agonis GPCR. Untuk lebih lengkap mengenai jalur MAPK tersebut dapat dilihat di bagan di bawah ini:

Jalur MAPK
Jalur MAPK

Substrat Terpenting Jalur MAP-Kinase

Pada akhirnya, MAPK akan memproses substrat berupa kinase lainnya dan faktor transkripsi. Substrat dari jalur ini diantaranya adalah:

  • Faktor transkripsi
    • Aktivasi: ELK/TCF, C-Jun, ATF2, Max
    • Inhibisi: NFAT
  • Protein kinase: RSK, MSK, MNK, PRAK, MAPKAP-K2,3

Ras/Raf dan MAP-Kinase dalam Proses Proliferasi dan Diferensiasi

Kondisi fisiologis penting yang diatur oleh Ras/Ras dan MAPK adalah proliferasi dan diferensiasi. Gangguan sinyal khususnya mutasi yang menyebabkan kerusakan kontrol dari sinyal tersebut penting dalam patogenesis terjadinya kanker. Sinyal dari MAPK tidak bergerak lurus namun bercabang dan saling berkaitan dengan jalur yang lainnya. Sebagai gambaran proses kompleks tersebut dapat dilihat di gambar di bawah ini:

Ras/Raf dan MAPK dalam proses proliferasi dan diferensiasi sel
Ras/Raf dan MAPK dalam proses proliferasi dan diferensiasi sel

Reseptor Tirosin Kinase Diteruskan Sinyalnya oleh Ras/Raf dan Jalur MAK-Kinase

Mari kita kembali ke reseptor tirosin kinase. Protein ini banyak dipajari dan terlibat dalam berbagai macam proses dalam tubuh. Sebagai rangkuman, mari kita rangkum proses tersebut:

  1. Sinyal datang dari reseptor tirosin kinase, misalnya reseptor growth factor
  2. Sinyal diteruskan ke Grb2 dan mSOs
  3. mSos merupakan GEF sehingga merubah Ras-GDP menjadi Ras-GTP
  4. Ras-GTP aktif membentuk kompleks dengan Raf dan kemudian meneruskan ke jalur MAPK
  5. Jalur MAPK terlibat dengan kinase yang terakhir adalah ERK
  6. ERK akan mengaktivasi faktor transkripsi Elk-1 dengan proses fosforilisasi
  7. Elk-1 akan menempel di DNA dan kemudian mengaktifkan proses transkripsi gen (gen c-fos)
Rangkaian aktivasi reseptor tirosin kinase sampai transktipsi gen
Ras/Raf dan MAPK dalam proses proliferasi dan diferensiasi sel

Kesimpulan

Salah satu jalur persinyalan penting dalam tubuh adalah Ras/Raf dan MAP-kinase. Jalur ini banyak terlibat dalam proses penting dalam tubuh namun terutama proliferasi, diferensiasi sel, dan inflamasi. Mempelajari bagaimana proses sinyal ini berjalan penting baik dalam memahami proses penyakit maupun menyusun strategi dalam pengobatan penyakit terutama kanker.

Sumber

  1. Atsaves V, Leventaki V, Rassidakis GZ, Claret FX. AP-1 Transcription Factors as Regulators of Immune Responses in Cancer. Cancers (Basel). 2019 Jul 23;11(7):1037.
  2. Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. Gerhard Krauss. Wiley VCH (2008)
  3. Hennig A, Markwart R, Esparza-Franco MA, Ladds G, Rubio I. Ras activation revisited: Role of GEF and GAP systems. Biol Chem. 2015;396(8):831–48.
  4. Morrison DK. MAP kinase pathways. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012;4(11):1–5.
  5. Ravichandran KS, Lorenz U, Shoelson SE, Burakoff SJ. Interaction of Shc with Grb2 regulates association of Grb2 with mSOS. Mol Cell Biol. 1995;15(2):593–600.
  6. Signal Transduction and Human Disease. Toren Finkel, Silvio Gutkind. Wiley & Sons (2003)
  7. Van den Berghe G. How does blood glucose control with insulin save lives in intensive care? J Clin Invest. 2004 Nov 1;114(9):1187–95.
  8. http://themedicalbiochemistrypage.org/signal-transduction.html
  9. http://www.sigtrans.de/

Tinggalkan Balasan