MAPK/ERK 信号通路:RAS–RAF–MEK–ERK 级联调控、细胞功能输出与研究工具应用
MAPK/ERK 信号通路:RAS–RAF–MEK–ERK 级联调控、细胞功能输出与研究工具应用
1. MAPK/ERK 通路概述
细胞受到 EGF、FGF、PDGF 等生长因子刺激后,为什么能在数分钟内出现 ERK 磷酸化,并在数小时到数天内改变增殖、分化、迁移或存活状态?在肿瘤细胞中,为什么一个 KRAS 或 BRAF 突变就可能持续驱动细胞增殖和药物耐受?这些问题的核心都指向同一条经典信号轴:MAPK/ERK 信号通路。
MAPK 是 mitogen-activated protein kinase,丝裂原活化蛋白激酶;ERK 是 extracellular signal-regulated kinase,细胞外信号调节激酶。广义 MAPK 家族包括 ERK、JNK、p38、ERK5 等多个分支,分别参与生长因子反应、应激反应、炎症反应和发育调控等过程。本文聚焦经典的 ERK1/2 通路,即:
RAS → RAF → MEK1/2 → ERK1/2
其中 ERK1 又称 MAPK3,ERK2 又称 MAPK1。经典 MAPK/ERK 通路通常由生长因子、受体酪氨酸激酶、细胞黏附信号或致癌突变激活,最终影响细胞增殖、分化、迁移、存活、衰老和药物耐受等生物学过程。
这条通路的核心是细胞如何通过 ERK 激活的强度、持续时间、亚细胞定位、底物选择和反馈调控,把同一条激酶级联转化为不同细胞命运。

MAPK/ERK 信号通路核心机制图:MAPK/ERK 信号通路从细胞外刺激、膜受体输入、RAS 分子开关到 RAF–MEK–ERK 核心级联的激活过程,并进一步展示 p-ERK1/2 在核内转录调控、胞质功能输出、ERK 动态编码和负反馈/支架调控中的作用。
MAPK/ERK 通路的基本逻辑如下:
生长因子 / 黏附信号 / GPCR 信号 / 致癌突变
↓
RTK、GPCR、Integrin 等上游受体或信号复合体
↓
GRB2-SOS 复合体
↓
RAS-GDP → RAS-GTP
↓
RAF → MEK1/2 → ERK1/2
↓
转录因子、细胞周期蛋白、翻译调控因子、迁移和存活相关底物
↓
增殖、分化、迁移、存活、衰老、耐药
2. 上游信号如何进入 MAPK/ERK 通路
MAPK/ERK 通路可以接收多种上游输入。其中经典的是 RTK-GRB2-SOS-RAS 轴,但 GPCR、Integrin、细胞因子受体和部分应激刺激也可以通过不同机制影响 ERK 活性。
2.1 RTK-GRB2-SOS-RAS 是经典入口
RTK 是 receptor tyrosine kinase,受体酪氨酸激酶。EGFR、FGFR、PDGFR、VEGFR、MET、TRK 等 RTK 均可在不同细胞类型中激活 MAPK/ERK 通路。
以 EGF-EGFR 为例。EGF 是 epidermal growth factor,表皮生长因子;EGFR 是 epidermal growth factor receptor,表皮生长因子受体。EGF 与 EGFR 结合后,EGFR 发生二聚化和胞内酪氨酸残基自磷酸化。磷酸化酪氨酸位点可作为接头蛋白结合位点,招募 GRB2。
GRB2 是 growth factor receptor-bound protein 2,生长因子受体结合蛋白 2。GRB2 通过 SH2 结构域识别受体上的磷酸化酪氨酸,并通过 SH3 结构域招募 SOS。SOS 是 son of sevenless,鸟嘌呤核苷酸交换因子,属于 GEF(guanine nucleotide exchange factor,鸟嘌呤核苷酸交换因子)。SOS 促进 RAS 释放 GDP 并结合 GTP,使 RAS 进入活化状态。
EGF → EGFR 二聚化与酪氨酸自磷酸化 → GRB2 招募 SOS → SOS 促进 RAS-GDP 转换为 RAS-GTP → RAS-GTP 招募并激活 RAF
这一过程的关键是受体磷酸化位点把 GRB2-SOS 复合体定位到质膜附近,使 SOS 能够接触膜定位的 RAS,从而提高 RAS-GTP 的形成效率。
2.2 GPCR、Integrin 和其他刺激如何接入 ERK
GPCR 是 G protein-coupled receptor,G 蛋白偶联受体。部分 GPCR 可通过 G 蛋白亚基、β-arrestin、Src 家族激酶或 RTK 转激活机制连接 ERK 通路。某些激素、神经递质和趋化因子信号可以通过 GPCR 激活 ERK,从而影响分泌、迁移、增殖或神经可塑性。
Integrin 是整合素,负责感知细胞外基质和细胞黏附状态。Integrin 可通过 FAK、Src、Shc、GRB2 等分子连接 RAS-ERK 轴,使细胞将“是否附着于合适基质”转化为增殖、迁移或存活信号。
细胞因子、氧化应激、紫外线、DNA 损伤等刺激也可能影响 ERK,但这些刺激通常会同时影响 JNK、p38、PI3K/AKT、NF-κB 等通路。因此,在应激或炎症模型中,p-ERK 升高不能直接等同于经典生长因子型 RTK-RAS 激活。
3. RAS-RAF-MEK-ERK 级联反应
MAPK/ERK 通路的核心是 RAS-RAF-MEK-ERK 级联。RAS 作为小 GTP 酶开关接收上游输入,RAF、MEK、ERK 通过逐级磷酸化传递并放大信号。
层级 | 代表分子 | 核心功能 | 常用检测或研究指标 |
输入层 | RTK、GPCR、Integrin | 感知生长因子、黏附、趋化因子或环境刺激 | p-EGFR、p-FGFR、p-MET、受体抑制剂验证 |
开关层 | RAS-GDP/RAS-GTP | 将受体信号转换为 RAF 可识别的 GTPase 活化状态 | RAS-GTP pull-down assay、RAS 突变检测 |
MAP3K 层 | ARAF、BRAF、CRAF/RAF1 | 接收 RAS-GTP 信号并激活 MEK | RAF 特定位点/isoform 磷酸化、RAF 突变/二聚化状态、RAF 抑制剂敏感性,并结合 p-MEK/p-ERK 判断 |
MAP2K 层 | MEK1/2 | 主要经典底物为 ERK1/2,负责 ERK 双位点磷酸化 | p-MEK1/2、MEK 抑制剂 |
MAPK 层 | ERK1/2 | 磷酸化胞质和核内底物,产生功能输出 | p-ERK1/2、核转位、p-RSK、p-ELK1 |
输出层 | ELK1、RSK、Cyclin D1、BIM、MCL-1、Paxillin、MLCK 等 | 调控转录、细胞周期、翻译、迁移和存活 | Western blot、免疫荧光、功能实验 |
3.1 RAS:由 GDP/GTP 状态控制的分子开关
RAS 是小 GTPase 蛋白家族,包括 KRAS、NRAS、HRAS 等。RAS 的活性取决于其结合的核苷酸状态:
GEF(guanine nucleotide exchange factor,鸟嘌呤核苷酸交换因子)通过促进 RAS 释放已结合的 GDP,使 RAS 重新结合细胞内相对丰富的 GTP,从而形成活化状态的 RAS-GTP。SOS 是经典的 RAS-GEF。GAP(GTPase-activating protein,GTP 酶激活蛋白)则促进 RAS-GTP 水解为 RAS-GDP,使 RAS 从活化状态恢复为非活化状态。NF1 是重要的 RAS-GAP。
RAS 的 GDP/GTP 转换可表示为:
核苷酸交换:
RAS·GDP + GTP ⇌ RAS·GTP + GDP
↑
GEF/SOS 促进 GDP 释放和 GTP 结合
GTP 水解:
RAS·GTP + H₂O → RAS·GDP + Pi
↑
GAP/NF1 加速水解反应
其中,RAS·GDP 表示 GDP 结合状态的 RAS,通常为非活化状态;RAS·GTP 表示 GTP 结合状态的 RAS,可结合并招募 RAF 等下游效应蛋白,启动 RAF-MEK-ERK 级联。
RAS 致癌突变常见于 KRAS、NRAS 或 HRAS 的关键位点,可削弱 RAS 本身的 GTP 水解能力,或降低其对 GAP 介导失活的敏感性,使 RAS 更长时间停留在 GTP 结合状态。持续存在的 RAS-GTP 可增强 RAF 招募和激活,进而推动 MEK1/2 和 ERK1/2 的持续磷酸化,促进异常增殖、存活和肿瘤进展。
3.2 RAF:连接 RAS 与 MEK 的 MAP3K
RAF 属于 MAP3K,即 MAP kinase kinase kinase,MAPK 激酶激酶。RAF 家族包括 ARAF、BRAF 和 CRAF/RAF1。
静息状态下,RAF 处于相对自抑制状态。RAS-GTP 在质膜上招募 RAF 后,可促进 RAF 膜定位、构象改变、调节性磷酸化和二聚化,最终启动 RAF 激酶活性。活化 RAF 随后磷酸化 MEK1/2。
RAS-GTP → RAF 膜募集、构象改变与二聚化 → RAF 激酶活化 → MEK1/2 磷酸化
BRAF V600E 是肿瘤中最经典的 RAF 激活突变之一,可导致 BRAF 激酶活性异常增强并持续推动 MEK-ERK 输出。但 RAF 突变类型较复杂,不同突变对 RAF 二聚化、上游 RAS 依赖性和抑制剂敏感性的要求不同,不能把所有 RAF 突变都等同于 BRAF V600E。
3.3 MEK1/2:ERK 的高度专一性上游激酶
MEK1/2 是 MAPK/ERK kinase 1/2,也称 MAP2K1/2。MEK1/2 的主要经典底物是 ERK1/2,底物专一性明显高于多数激酶。RAF 激活 MEK 后,MEK1/2 对 ERK1/2 的 TEY 模体进行双位点磷酸化,使 ERK 激活。
RAF → p-MEK1/2
p-MEK1/2 → p-ERK1/2
实验中常用 p-ERK1/2 抗体检测 ERK1/2 的双磷酸化活化状态。需要注意的是,MEK 抑制剂降低 p-ERK 可以说明 ERK 活化依赖 MEK,但不能单独证明某一细胞表型只由 ERK 通路决定,还需要结合下游底物、功能表型和遗传学验证。
3.4 ERK1/2:从激酶活化到功能输出
ERK1/2 是经典 MAPK/ERK 通路的核心执行节点。MEK 激活 ERK 后,ERK 可磷酸化胞质底物,也可转位进入细胞核调控转录因子。ERK 底物范围广泛,涉及转录、细胞周期、翻译、代谢、细胞骨架、迁移和凋亡敏感性。
4. ERK 如何调控细胞功能
ERK 激活后并不是直接产生某一种固定结果,而是通过不同底物模块改变细胞状态。理解 ERK 输出,需要把它的作用拆成几个功能层级。
4.1 转录因子模块:把短暂激酶信号转化为基因表达
ERK 激活后可进入细胞核,磷酸化 ELK1、ETS 家族、c-FOS、c-MYC 等转录相关因子,诱导即时早期基因表达。
ELK1 被 ERK 磷酸化后可促进 c-FOS 表达;c-FOS 与 c-JUN 可共同形成 AP-1 转录因子复合体,调控增殖、分化、迁移等相关基因。c-MYC 则参与细胞生长、代谢和细胞周期推进。
p-ERK 入核 → ELK1、c-FOS、c-MYC 等转录调控因子被激活 → 即时早期基因表达 → 细胞周期、分化或迁移相关转录程序改变
如果实验中只观察到 p-ERK 升高,而没有检测 p-ELK1、c-FOS、c-MYC、Cyclin D1 等下游读数,只能说明 ERK 被激活,不能说明完整转录输出已经发生。
4.2 细胞周期模块:推动 G1/S 转换
ERK 对细胞增殖的重要影响之一,是促进 G1 期向 S 期转换。ERK 可通过转录调控和蛋白稳定性调节提高 Cyclin D1 水平。Cyclin D1 与 CDK4/6 形成复合体后,促进 RB 蛋白磷酸化,释放 E2F 转录因子,从而启动 DNA 合成相关基因表达。
ERK 激活 → Cyclin D1 上调 → CDK4/6 活性增强 → RB 磷酸化 → E2F 释放 → G1/S 进程推进
这里需要注意,ERK 促进细胞周期进入并不等于一定产生有效增殖。如果细胞同时存在 DNA 损伤、营养不足、强烈应激或肿瘤抑制通路激活,ERK 信号可能不能转化为增殖,甚至可能参与衰老或死亡程序。
4.3 翻译与代谢模块:支持细胞生长
ERK 可通过 RSK 和 MNK 调节蛋白翻译。RSK 是 ribosomal S6 kinase,核糖体 S6 激酶;MNK 是 MAPK-interacting kinase,MAPK 相互作用激酶。这些下游激酶可影响核糖体相关蛋白、翻译起始因子和 mRNA 翻译效率,使细胞在增殖或分化过程中获得足够的蛋白合成能力。
ERK 的转录输出需要蛋白合成系统配合,细胞才能完成生长、周期进入或分化程序。若 ERK 只诱导部分转录变化,但翻译、代谢或营养供应不足,细胞功能输出可能并不完整。
4.4 存活与凋亡模块:调节细胞死亡阈值
ERK 可调控多种凋亡相关蛋白。例如,ERK/RSK 轴可影响促凋亡蛋白 BIM、BAD,也可通过调节 MCL-1 稳定性提高细胞存活能力。MCL-1 是抗凋亡 BCL-2 家族成员,BIM 是促凋亡 BH3-only 蛋白。
在肿瘤细胞中,持续 ERK 活化常提高细胞对凋亡刺激的耐受能力,使细胞在生长因子不足、药物压力或代谢应激下仍能存活。但在特定背景下,过强或持续的 ERK 信号也可触发衰老或细胞死亡。ERK 对存活和凋亡的影响需要结合细胞类型、刺激强度、持续时间和下游蛋白状态判断。
4.5 迁移与细胞骨架模块:改变细胞形态和运动能力
ERK 可通过 Paxillin、MLCK 等迁移/骨架相关节点,并与 FAK/Src-Integrin 黏附信号交叉调控,从而影响黏附斑、肌动蛋白骨架和细胞迁移。FAK 是 focal adhesion kinase,黏着斑激酶;Paxillin 是黏附斑支架蛋白;MLCK 是 myosin light-chain kinase,肌球蛋白轻链激酶。在肿瘤侵袭、成纤维细胞迁移、内皮细胞反应和组织修复过程中,ERK 不仅调节细胞是否进入增殖状态,也调节细胞是否改变形态、黏附和迁移能力。
5. ERK 信号如何编码不同细胞命运
同一条 MAPK/ERK 通路可以在不同细胞中产生增殖、分化、迁移、存活、衰老甚至死亡等不同结果。原因在于 ERK 信号具有动态编码特征。ERK 输出主要取决于五个因素:激活持续时间、激活强度、亚细胞定位、底物可及性和反馈调控。
5.1 时间编码:短暂激活与持续激活产生不同输出
短暂 ERK 激活通常诱导即时早期基因的一过性表达;持续或重复的 ERK 激活更可能维持转录因子活性、蛋白表达和细胞周期/分化相关程序。需要注意,ERK 动态与细胞命运的对应关系具有细胞类型和刺激背景依赖性。
经典模型来自 PC12 细胞。EGF 往往诱导较短暂的 ERK 激活,更偏向增殖反应;NGF 可诱导更持续的 ERK 激活,并促进神经样分化。
ERK 动态特征 | 常见功能倾向 | 机制解释 |
短暂激活 | 即时早期基因一过性表达、短期反应 | 信号持续时间较短,通常不足以维持长期转录程序 |
持续激活 | 持续转录输出、G1/S 推进、分化、衰老或长期适应 | 转录因子持续磷酸化,蛋白表达程序被维持 |
脉冲式激活 | 单细胞水平命运概率改变 | 不同细胞接收信号的频率和持续时间不同 |
5.2 空间编码:核内 ERK 与胞质 ERK 功能不同
ERK 在胞质和细胞核中的底物不同。核内 ERK 主要调控转录因子和基因表达;胞质 ERK 更多调控 RSK、MNK、细胞骨架、迁移和存活相关蛋白。
因此,同样检测到 p-ERK 升高,也要进一步判断 p-ERK 位于哪里。如果 ERK 主要在胞质中活化,未必会产生强烈转录输出;如果 ERK 持续进入细胞核,则更可能驱动基因表达和细胞命运改变。
5.3 强度编码:不同底物具有不同激活阈值
不同 ERK 底物对 ERK 活性的敏感性不同。有些底物在低水平 ERK 活化时即可被磷酸化,有些底物需要更高强度或更长时间的 ERK 激活。强信号可能启动更多下游模块,弱信号则可能只产生局部调节。
5.4 底物可及性:同一 ERK 信号在不同细胞中结果不同
不同细胞表达的 ERK 底物不同,染色质开放状态、转录因子组成、支架蛋白分布和细胞周期状态也不同。因此,同样的 ERK 激活在上皮细胞、神经细胞、免疫细胞和肿瘤细胞中可以产生不同结果。
5.5 单细胞动态:群体平均值可能掩盖真实差异
Western blot 检测到的 p-ERK 是细胞群体平均结果。实际上,单个细胞中的 ERK 可呈现脉冲、振荡或持续活化。两个样本总体 p-ERK 水平相似,可能一个是多数细胞中等激活,另一个是少数细胞强烈激活。两者对应的细胞命运可能不同。因此,在需要解释细胞命运异质性时,免疫荧光、活细胞 ERK 报告系统和单细胞分析比单纯 Western blot 更能说明问题。
6. 负反馈与信号关闭
MAPK/ERK 通路不是单向打开的级联反应。它具有强负反馈调节,能够限制信号强度和持续时间,避免 ERK 过度活化造成异常增殖或细胞损伤。
6.1 DUSP/MKP 通过去磷酸化关闭 ERK
DUSP 是 dual-specificity phosphatase,双特异性磷酸酶,也称 MKP(MAPK phosphatase,MAPK 磷酸酶)。DUSP 可去除 ERK 上的磷酸化位点,使 ERK 失活。
p-ERK
↓ DUSP/MKP
ERK 去磷酸化
↓
ERK 活性下降
DUSP 是 ERK 负反馈中具有代表性的一类分子。ERK 激活后可诱导某些 DUSP 表达,DUSP 再反过来降低 ERK 活性,形成自限性调节。
不同 DUSP 具有一定亚细胞定位和底物偏好,例如 DUSP5 更偏核内调控 ERK,DUSP6/MKP-3 更偏胞质调控 ERK,因此 DUSP 反馈也会影响 ERK 信号的空间分布。
6.2 SPRY 家族限制上游 RTK-RAS 输入
SPRY 是 Sprouty 蛋白家族成员。SPRY 家族可负调控 RTK-RAS-ERK 输入,但具体作用位置与受体类型、细胞背景和刺激条件有关。它可以限制生长因子信号过度进入 ERK 级联。在某些肿瘤或药物处理条件下,如果负反馈被削弱或解除,上游 RTK 信号可能补偿性增强。这也是 RAF、MEK 或 ERK 抑制后出现通路再激活的重要原因之一。
6.3 ERK 对 SOS 和 RAF 的反馈抑制
ERK 不仅激活下游,也能反向磷酸化上游调控因子,例如 SOS 或 RAF,从而削弱 RAS 或 RAF 的持续活化。
ERK 激活 → 反馈调节 SOS、RAF 或受体信号复合体 → 减少上游持续输入 → 限制 ERK 过度激活
这种反馈使 MAPK/ERK 通路具有自我限制能力。也正因为存在反馈,药物抑制 MEK 或 ERK 后,上游 RTK、RAS 或并行通路可能因反馈解除而增强,导致信号部分恢复或改道激活其他通路。
6.4 KSR 等支架蛋白影响信号效率和空间组织
KSR 是 kinase suppressor of Ras,RAS 激酶抑制因子。虽然名称中含有 suppressor,但 KSR 在 ERK 通路中常作为支架蛋白发挥作用。KSR 可组织 RAF、MEK、ERK 形成信号复合体,提高信号传递效率,并影响信号在细胞内的空间分布。
7. 与其他通路的交叉
MAPK/ERK 通路很少单独工作。多数细胞刺激会同时激活多个信号通路,研究 ERK 时需要考虑并行和交叉调控。
7.1 PI3K/AKT 与 ERK 并行激活
PI3K 是 phosphoinositide 3-kinase,磷脂酰肌醇 3-激酶;AKT 是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。RTK 激活后常同时启动 RAS-ERK 和 PI3K-AKT 通路。
一般来说,ERK 更偏向增殖、分化、迁移和转录程序调节;AKT 更偏向存活、代谢、抗凋亡和营养感应。但二者并不是完全分开的。细胞增殖往往需要 ERK 推动细胞周期,也需要 AKT 提供存活和代谢支持。
因此,如果某个生长因子促进细胞增殖,而 p-ERK 和 p-AKT 同时升高,仅抑制 ERK 后增殖部分下降,不能说明全部效应都由 ERK 介导。
7.2 JNK/p38 与 ERK 的区别
JNK 是 c-Jun N-terminal kinase,c-Jun 氨基末端激酶;p38 是另一类应激相关 MAPK。它们与 ERK 同属 MAPK 家族,但主要上游刺激和生物学输出不同。
MAPK 分支 | 典型刺激 | 主要输出 |
ERK1/2 | 生长因子、RTK、RAS/RAF 激活、黏附信号 | 增殖、分化、迁移、存活 |
JNK | 炎症因子、应激、DNA 损伤、细胞压力 | AP-1 活化、凋亡、炎症和应激反应 |
p38 | 炎症、渗透压、氧化应激、细胞应激 | 炎症因子表达、分化、应激适应 |
7.3 ERK 与细胞周期、衰老和凋亡通路交叉
ERK 可通过 Cyclin D1-CDK4/6-RB-E2F 轴促进细胞周期进入,也可通过调控 BIM、MCL-1、BAD 等蛋白影响凋亡阈值。
当 RAS-ERK 信号过强或持续时间过长时,细胞可能启动 p53、p16INK4a、p21 等肿瘤抑制机制,进入癌基因诱导性衰老。这解释了一个看似矛盾的现象:ERK 既能促进增殖,也可能在特定细胞背景下参与衰老。
8. MAPK/ERK 与疾病
MAPK/ERK 通路参与多种疾病,其中肿瘤是重要且研究深入的方向。
8.1 肿瘤:持续 ERK 输出驱动增殖和耐药
多种肿瘤存在 MAPK/ERK 通路异常激活。常见机制包括 RTK 扩增或突变、RAS 突变、BRAF 突变、NF1 缺失和反馈调控异常。
异常类型 | 机制后果 |
RTK 扩增或过表达 | 上游输入增强,使 RAS-ERK 更容易被激活 |
KRAS、NRAS、HRAS 突变 | RAS-GTP 状态维持时间延长,持续招募 RAF |
BRAF V600E | RAF 激酶持续活化,推动 MEK-ERK 输出 |
NF1 缺失 | RAS-GTP 水解受阻,RAS 信号增强 |
DUSP 失调 | ERK 去磷酸化受影响,信号关闭异常 |
肿瘤中的 ERK 持续活化可带来多个后果:促进 Cyclin D1 等细胞周期相关基因表达,增强细胞增殖;调控 MCL-1、BIM 等分子,提高凋亡阈值;通过 Paxillin、MMP 等迁移相关机制,并与 FAK/Src 黏附信号交叉调控,增强迁移和侵袭;并通过反馈重塑和并行通路激活导致靶向药耐受。
针对该通路的治疗药物包括 BRAF 抑制剂、MEK 抑制剂、ERK 抑制剂和部分 KRAS G12C 抑制剂。但在肿瘤治疗中,常见限制包括通路再激活、反馈解除、RAF 二聚化改变、RTK 补偿激活和 PI3K/AKT 等并行通路增强。
8.2 RASopathy:胚系突变导致发育异常
RASopathy 是由 RAS-MAPK 通路相关基因胚系突变导致的一类发育综合征,包括 Noonan syndrome、cardio-facio-cutaneous syndrome 等。与肿瘤中强烈的体细胞致癌突变不同,RASopathy 通常表现为通路调控异常或中等程度增强,影响发育、心血管形成、面部特征和生长过程。
8.3 神经系统、心血管和炎症相关疾病
在神经系统中,ERK 参与突触可塑性、学习记忆和神经元分化。异常 ERK 信号可能影响神经发育和神经功能。在心血管系统中,ERK 参与心肌肥大、血管平滑肌增殖和内皮反应。持续异常激活可能促进病理性重构。
在炎症和免疫中,ERK 可参与免疫细胞活化、细胞因子表达和巨噬细胞功能,但炎症模型通常同时涉及 NF-κB、JNK、p38、STAT 等多条通路,因此不能只凭 p-ERK 判断炎症机制。
9. 实验如何研究 MAPK/ERK 通路
研究 MAPK/ERK 通路的关键是建立从上游输入到下游功能表型的证据链。
9.1 核心检测指标
层级 | 常用指标 | 说明 |
上游受体 | p-EGFR、p-FGFR、p-MET、p-PDGFR | 判断刺激是否有效、受体是否被激活 |
RAS 开关 | RAS-GTP pull-down assay | 判断 RAS 是否进入 GTP 活化状态 |
中间级联 | RAF 特定位点/isoform 磷酸化、p-MEK1/2 | 判断 RAF-MEK 级联是否启动 |
核心节点 | p-ERK1/2 | 判断 ERK 是否处于活化状态 |
胞质输出 | p-RSK、p-MNK、BIM、MCL-1 | 判断 ERK 胞质底物是否被调控 |
核内输出 | p-ELK1、c-FOS、c-MYC、Cyclin D1 | 判断 ERK 是否产生转录和细胞周期输出 |
功能表型 | EdU、Ki-67、克隆形成、迁移、凋亡、分化标志物 | 判断信号变化是否转化为细胞行为改变 |
9.2 时间梯度是 MAPK/ERK 实验的关键
MAPK/ERK 是动态通路。很多生长因子刺激后,p-ERK 在 5–30 分钟内快速升高,随后因 DUSP 和上游反馈而下降。若只检测一个时间点,可能错过峰值,也可能把短暂激活误认为持续激活。
研究目的 | 时间点建议 |
急性 ERK 激活 | 0、5、10、15、30、60 min |
信号持续性 | 0、0.5、1、2、4、8 h |
转录输出 | 1、2、4、8、24 h |
增殖或迁移表型 | 24、48、72 h 或更长 |
9.3 抑制剂和遗传学验证要配合使用
抑制剂可以快速判断通路依赖性,但不能单独作为机制结论。更严谨的验证应包括:
刺激或突变导致 p-ERK 升高
↓
ERK 下游底物或转录输出改变
↓
抑制剂阻断信号和表型
↓
siRNA、shRNA 或 CRISPR 验证关键节点
↓
过表达或 rescue 实验恢复信号或表型
其中 siRNA 是 small interfering RNA,小干扰 RNA;shRNA 是 short hairpin RNA,短发夹 RNA;CRISPR 是 clustered regularly interspaced short palindromic repeats,规律间隔成簇短回文重复序列,常用于基因敲除或基因编辑。
9.4 常见实验误区
误区 | 正确做法 |
只检测 p-ERK 一个时间点 | 做时间梯度,区分短暂激活与持续激活 |
p-ERK 升高就解释为细胞增殖 | 结合 Cyclin D1、EdU、Ki-67、克隆形成等功能指标 |
MEK 抑制剂有效就认为只有 ERK 通路参与 | 同时检测 PI3K/AKT、JNK/p38 等并行通路 |
总 ERK 不变就认为通路无变化 | ERK 活化主要看双磷酸化 p-ERK 和底物输出 |
抑制剂结果等同于靶点结论 | 需要遗传学干预和 rescue 实验 |
只看 Western blot | 需要连接细胞增殖、迁移、凋亡或分化表型 |
10. 代表研究工具与使用逻辑
研究 MAPK/ERK 通路时,工具选择应围绕实验问题展开。关键是判断信号从哪里来、依赖哪一层、最终是否改变功能表型。
研究问题 | 常用工具或策略 | 主要检测指标 | 判断逻辑 |
ERK 激活是否来自 EGFR 或其他 RTK? | Gefitinib、Erlotinib、Afatinib 等 EGFR 抑制剂;或对应 RTK 抑制剂 | p-RTK、p-MEK、p-ERK、p-RSK | 如果 p-RTK 下降并伴随 p-MEK、p-ERK 同步下降,说明该 RTK 是重要输入来源 |
ERK 激活是否依赖 RAF-MEK 轴? | RAF 抑制剂、MEK 抑制剂,如 Vemurafenib、Dabrafenib、U0126、Trametinib 等 | p-MEK、p-ERK、p-RSK、p-ELK1 | MEK 抑制后 p-ERK 下降,提示经典 MEK-ERK 轴参与;RAF 抑制剂需结合 RAS/RAF 背景解释 |
表型是否真正依赖 ERK 活性? | ERK 抑制剂,如 SCH772984、Ulixertinib;ERK1/2 敲低或敲除 | p-ERK 底物、EdU、克隆形成、迁移、凋亡 | 若 ERK 抑制同时阻断下游底物和功能表型,支持 ERK 依赖性 |
是否存在 RAS 突变依赖? | KRAS G12C 抑制剂,如 Sotorasib、Adagrasib;RAS-GTP 检测 | RAS-GTP、p-MEK、p-ERK、细胞活性 | KRAS G12C 抑制剂只适用于 KRAS G12C 模型,不适用于所有 RAS 突变 |
阳性刺激能否建立 ERK 激活模型? | EGF、FGF、PDGF、NGF 等 | p-ERK 时间曲线、核转位、c-FOS、Cyclin D1 | 不同刺激可诱导不同 ERK 动态,需根据模型选择时间点 |
是否存在反馈解除或耐药? | 时间梯度检测;联合 RTK、AKT、JNK/p38 指标 | p-RTK、p-AKT、p-MEK、p-ERK、p-JNK、p-p38 | 抑制 MEK/ERK 后若上游 RTK 或 AKT 增强,提示可能存在补偿激活 |
需要注意三点。
①RAF 抑制剂的解释必须结合基因背景。在 BRAF V600E 驱动模型中,BRAF 抑制剂常可有效降低 MEK-ERK 信号;但在 RAS 活化或部分 RAF 二聚化背景中,某些 RAF 抑制剂可能出现复杂效应,甚至诱导悖论性 ERK 激活。
②MEK 抑制剂降低 p-ERK 只能说明 ERK 激活依赖 MEK,不能自动说明所有表型都由 ERK 介导。
③KRAS G12C 抑制剂只适用于 KRAS G12C 突变模型。若是 KRAS G12D、G12V 或 NRAS 突变模型,应选择相应模型和验证策略,不能套用 G12C 抑制剂逻辑。
11. MAPK/ERK 信号通路研究相关代表化学品
表1. 上游刺激、受体输入与膜近端信号调控
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
蛋白激酶C通路激活剂 | 16561-29-8 | 佛波醇12-十四酸酯13-乙酸酯(PMA) | Moligand™, ≥98% | 用于蛋白激酶C活化、RAF-MEK-ERK通路诱导、细胞分化和炎症反应模型 | |
表皮生长因子受体抑制剂 | 184475-35-2 | 吉非替尼 (ZD1839) | Moligand™, ≥99% | 用于表皮生长因子受体信号阻断、ERK磷酸化检测、肿瘤细胞增殖和药物敏感性研究 | |
表皮生长因子受体抑制剂 | 183319-69-9 | 盐酸厄洛替尼 (OSI-744) | Moligand™, ≥99% | 用于表皮生长因子受体依赖性MEK-ERK信号抑制、肺癌相关模型和靶向药响应研究 | |
表皮生长因子受体抑制剂 | 183321-74-6 | 埃罗替尼 | Moligand™, ≥98% | 用于表皮生长因子受体输入验证、ERK磷酸化下降检测和细胞增殖实验 | |
突变型表皮生长因子受体抑制剂 | 1421373-65-0 | 奥希替尼 (AZD9291) | Moligand™, ≥99% | 用于表皮生长因子受体突变模型、ERK与AKT输出检测、耐药机制和联合用药研究 | |
表皮生长因子受体/人表皮生长因子受体2抑制剂 | 231277-92-2 | 拉帕替尼 | Moligand™, ≥99% | 用于表皮生长因子受体和人表皮生长因子受体2双靶点输入抑制、ERK信号和增殖表型分析 | |
BCR-ABL/PDGFR/c-Kit抑制剂 | 220127-57-1 | 伊马替尼甲磺酸盐 | ≥99% | 用于血小板源性生长因子受体、c-Kit和BCR-ABL相关MAPK/ERK输入研究 | |
MET/ALK/ROS1抑制剂 | 877399-52-5 | 克唑替尼 | ≥99% | 用于MET或ALK驱动的ERK激活、受体依赖性验证和肿瘤细胞增殖研究 | |
Src家族与RIP2激酶抑制剂 | 172889-27-9 | PP2,Src和RIP2激酶抑制剂 | Moligand™, ≥98% | 用于Src介导的受体转激活、黏附信号输入、ERK上游调控和迁移模型 | |
黏着斑激酶抑制剂 | 869288-64-2 | PF-573228,FAK抑制剂 | ≥98% | 用于整合素-黏着斑激酶信号、细胞黏附迁移、ERK上游输入分析 | |
酪氨酸磷酸酶抑制剂 | 13721-39-6 | 正钒酸钠 | ≥99% | 用于维持酪氨酸磷酸化状态、受体磷酸化检测和MAPK/ERK样品处理 |
表2. RAS突变、SOS1-KRAS相互作用与RAS膜定位调控
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
KRAS G12D抑制剂 | 2621928-55-8 | MRTX1133 | Moligand™, ≥99% | 用于KRAS G12D突变模型、RAS依赖性ERK输出、肿瘤细胞生长和药物响应研究 | |
KRAS G12C抑制剂 | 2326521-71-3 | Adagrasib (MRTX849) | Moligand™, ≥98% | 用于KRAS G12C突变模型、MAPK/ERK通路抑制、靶向药敏感性和耐药研究 | |
KRAS G12C抑制剂 | 2296729-00-3 | 索托拉西布(AMG510) | Moligand™, ≥98% | 用于KRAS G12C突变依赖性ERK信号、细胞增殖抑制和药物联合研究 | |
SOS1-KRAS相互作用抑制剂 | 2230836-55-0 | BI-3406 | Moligand™, ≥98% | 用于抑制SOS1介导的KRAS活化、RAS-GTP形成和下游ERK输出研究 | |
KRAS开关区结合抑制剂 | 2375482-51-0 | BI-2852 | ≥98% | 用于KRAS开关区结合、RAS功能调控、RAF-MEK-ERK信号输出分析 | |
RAS膜定位干扰剂 | 162520-00-5 | Salirasib/FTS,Ras 膜定位干扰剂 | Moligand™, ≥98% | 用于干扰活化 Ras 的质膜定位、削弱 RAS 依赖性 RAF–MEK–ERK 激活和肿瘤模型研究 | |
法尼基转移酶抑制剂 | 192185-72-1 | 替吡法尼(Tipifarnib) | Moligand™, ≥98% | 用于蛋白法尼基化干预、HRAS膜定位、ERK信号和肿瘤细胞增殖研究 | |
法尼基转移酶抑制剂 | 193275-84-2 | 洛那法尼 | Moligand™, ≥95% | 用于蛋白法尼基化调控、RAS膜定位相关机制和MAPK/ERK输出研究 | |
法尼基转移酶相关抑制剂 | 52665-74-4 | 手霉素A | ≥96% | 用于法尼基转移酶相关干预、RAS膜定位调控和ERK通路依赖性验证 |
表3. RAF层级抑制剂与RAF-MEK信号调控
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
BRAF抑制剂 | 1269440-17-6 | Encorafenib (LGX818) | Moligand™, ≥99% | 用于BRAF突变模型、MEK-ERK输出抑制、黑色素瘤和结直肠癌相关研究 | |
BRAF抑制剂 | 918505-84-7 | PLX-4720,B-Raf抑制剂 | Moligand™, ≥99% | 用于BRAF V600E相关模型、MEK和ERK磷酸化检测、肿瘤细胞增殖研究 | |
BRAF抑制剂 | 918504-65-1 | 维罗非尼(PLX4032,RG7204) | Moligand™, ≥98% | 用于BRAF V600E驱动的MAPK/ERK信号抑制、靶向药响应和耐药机制研究 | |
BRAF抑制剂 | 1195765-45-7 | 达拉菲尼 | Moligand™, ≥98% | 用于BRAF突变模型、MEK/ERK下游输出分析和联合抑制研究 | |
BRAF激酶抑制剂 | 405554-55-4 | SB590885,B-Raf激酶抑制剂 | ≥98% | 用于BRAF激酶活性抑制、RAF-MEK-ERK级联反应和细胞增殖实验 | |
泛RAF抑制剂 | 878739-06-1 | AZ 628,适用于BRAF,BRAFV600E和c-Raf的新型Pan-Raf抑制剂 | Moligand™, ≥98% | 用于BRAF、BRAF V600E和CRAF相关信号调控、RAF二聚体和ERK再激活研究 | |
多靶点RAF相关抑制剂 | 284461-73-0 | 索拉非尼 | Moligand™, ≥99% | 用于RAF相关信号、血管生成受体信号、肿瘤增殖和多靶点药物响应研究 | |
多靶点RAF相关抑制剂盐型 | 475207-59-1 | 甲苯磺酸索拉非尼 | ≥99% | 用于RAF和血管生成受体相关通路抑制、肿瘤细胞信号输出和药效评价 |
表4. MEK1/2与ERK1/2核心级联抑制剂
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
MEK1/2抑制剂 | 391210-10-9 | PD0325901,MEK1 / 2的抑制剂 | Moligand™, ≥99% | 用于阻断MEK介导的ERK磷酸化、ERK下游底物检测和增殖表型研究 | |
MEK1/2抑制剂 | 606143-52-6 | 司美替尼 (AZD6244) | Moligand™, ≥99% | 用于RAS或RAF驱动模型、MEK-ERK通路抑制和细胞周期输出分析 | |
MEK抑制剂 | 305350-87-2 | SL-327,MEK抑制剂 | Moligand™, ≥98%, mixture of isomers | 用于MEK/ERK信号阻断、神经系统ERK活化、学习记忆和突触可塑性相关模型 | |
MEK通路抑制剂 | 167869-21-8 | 2-(2-氨基-3-甲氧苯基)色酮 | Moligand™, ≥98% | 用于MEK活化阻断、ERK磷酸化变化检测和MAPK通路依赖性实验 | |
MEK1/2抑制剂 | 212631-79-3 | PD184352 (CI-1040) | Moligand™, ≥98% | 用于MEK1/2抑制、ERK磷酸化阻断和MAPK通路依赖性分析 | |
MEK抑制剂 | 109511-58-2 | U0126,MKK抑制剂 | Moligand™, ≥98% | 用于MKK/MEK介导的ERK激活抑制、ERK下游底物检测和功能表型验证 | |
MEK抑制剂 | 1173097-76-1 | U0126-EtOH,抑制剂 | ≥97% | 用于MEK-ERK通路阻断、ERK磷酸化下调、细胞增殖和分化模型 | |
MEK1/2抑制剂 | 871700-17-3 | 曲美替尼 (GSK1120212) | Moligand™, ≥98% | 用于MEK1/2抑制、BRAF或RAS驱动的ERK输出和联合用药研究 | |
MEK抑制剂 | 934660-93-2 | 考比替尼 | Moligand™, ≥98% | 用于MEK信号抑制、BRAF抑制剂联合模型和肿瘤细胞增殖分析 | |
MEK抑制剂 | 606143-89-9 | 贝美替尼 | Moligand™, ≥98% | 用于MEK-ERK级联抑制、RAF/RAS驱动模型和耐药机制研究 | |
ERK1/2抑制剂 | 869886-67-9 | Ulixertinib (BVD-523) | Moligand™, ≥99% | 用于ERK1/2活性抑制、RAF或MEK抑制后ERK再激活模型和下游底物检测 | |
ERK抑制剂 | 865362-74-9 | FR 180204,ERK抑制剂 | Moligand™, ≥98%(HPLC) | 用于ERK激酶活性抑制、ERK底物磷酸化检测和细胞功能验证 | |
ERK1/2抑制剂 | 942183-80-4 | SCH772984 | Moligand™, ≥98% | 用于ERK1/2活性调控、RSK和ELK1等下游输出分析、MAPK通路再激活研究 | |
ERK2抑制剂 | 896720-20-0 | VX-11e,ERK2抑制剂 | Moligand™, ≥98% | 用于ERK2依赖性底物磷酸化、细胞周期和肿瘤细胞增殖研究 | |
ERK抑制剂 | 1453848-26-4 | Ravoxertinib,ERK 抑制剂 | Moligand™, ≥97% | 用于ERK信号输出抑制、MAPK通路再激活和靶向药联合研究 |
表5. ERK下游效应模块:RSK、MNK与转录输出
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
RSK抑制剂 | 501437-28-1 | BI-D1870 | Moligand™, ≥98% | 用于ERK-RSK轴抑制、翻译调控、细胞生长和存活相关底物分析 | |
RSK抑制剂 | 1627709-94-7 | LJI308,RSK抑制剂 | ≥98%(HPLC) | 用于RSK活性抑制、ERK下游信号输出和肿瘤细胞功能研究 | |
RSK抑制剂 | 77307-50-7 | SL 0101-1,核糖体S6激酶(RSK)抑制剂 | ≥95%(HPLC) | 用于核糖体S6激酶抑制、ERK-RSK底物验证和细胞增殖研究 | |
MNK抑制剂 | 522629-08-9 | CGP 57380,MNK抑制剂 | Moligand™, ≥98% | 用于MNK介导的翻译调控、eIF4E磷酸化和ERK/p38下游输出研究 | |
MNK1/2抑制剂 | 1849590-01-7 | Tomivosertib (eFT-508) | Moligand™, ≥97% | 用于MNK1/2抑制、翻译起始调控、肿瘤和免疫相关信号研究 | |
AP-1转录调控抑制剂 | 530141-72-1 | T-5224 | ≥97% | 用于AP-1相关转录输出、c-Fos/c-Jun调控和ERK下游基因表达研究 |
表6. 并行通路、MAPK分支与机制对照工具
分类 | Cas编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
p38 MAPK抑制剂 | 152121-47-6 | SB-203580,p38 MAPK抑制剂 | Moligand™, ≥98%(HPLC) | 用于区分ERK与p38应激分支、炎症因子表达和细胞应激反应研究 | |
PI3K抑制剂 | 154447-36-6 | 2-吗啉代-8-苯基色酮 | Moligand™, ≥98% | 用于PI3K-AKT并行通路抑制、受体下游信号区分和细胞存活分析 | |
AKT抑制剂 | 1032350-13-2 | MK-2206 2HCl | Moligand™, ≥98% | 用于AKT信号抑制、ERK与AKT并行输出比较、细胞存活和代谢研究 | |
PI3K抑制剂 | 19545-26-7 | 渥曼青霉素 | Moligand™, ≥98% | 用于PI3K通路抑制、AKT磷酸化检测和受体下游并行信号验证 | |
JNK抑制剂 | 129-56-6 | 蒽[1,9-cd]吡唑-6(2H)-酮 | Moligand™, ≥98% | 用于JNK应激分支抑制、AP-1活化、凋亡和炎症相关信号区分 |
注:以上为阿拉丁代表性科研及配方研究相关产品,更多产品规格、级别、COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。
参考文献
[1] Pearson G, Robinson F, Beers Gibson T, Xu BE, Karandikar M, Berman K, Cobb MH. Mitogen-activated protein kinase pathways: regulation and physiological functions. Endocr Rev. 2001;22(2):153-183.
[2] Roskoski R Jr. ERK1/2 MAP kinases: structure, function, and regulation. Pharmacol Res. 2012;66(2):105-143.
[3] Lavoie H, Therrien M. Regulation of RAF protein kinases in ERK signalling. Nat Rev Mol Cell Biol. 2015;16(5):281-298.
[4] Cargnello M, Roux PP. Activation and function of the MAPKs and their substrates, the MAPK-activated protein kinases. Microbiol Mol Biol Rev. 2011;75(1):50-83.
[5] Meloche S, Pouysségur J. The ERK1/2 mitogen-activated protein kinase pathway as a master regulator of the G1- to S-phase transition. Oncogene. 2007;26(22):3227-3239.
[6] Lito P, Rosen N, Solit DB. Tumor adaptation and resistance to RAF inhibitors. Nat Med. 2013;19(11):1401-1409.
[7] Dhillon AS, Hagan S, Rath O, Kolch W. MAP kinase signalling pathways in cancer. Oncogene. 2007;26(22):3279-3290.
[8] Marshall CJ. Specificity of receptor tyrosine kinase signaling: transient versus sustained extracellular signal-regulated kinase activation. Cell. 1995;80(2):179-185.
[9] Aoki K, Kumagai Y, Sakurai A, Komatsu N, Fujita Y, Shionyu C, Matsuda M. Stochastic ERK activation induced by noise and cell-to-cell propagation regulates cell density-dependent proliferation. Mol Cell. 2013;52(4):529-540.
[10] Rauen KA. The RASopathies. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2013;14:355-369.
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