技术文章

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

P167764

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

G125799

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

E129310

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

E126633

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

A302849

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

L126696

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

I129225

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

C137735

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

P125361

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

P129814

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

S105283

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

M650368

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

A414244

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

S414206

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

B414265

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

B414296

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

S124985

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

T125396

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

L125407

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

M274901

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

L353945

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

P127903

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

V127521

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

D127289

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

S125513

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

A129605

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

S125098

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

S129593

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

P125494

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

S125580

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

S125929

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

P126620

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

C125418

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

U274745

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

U127670

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

T127461

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

C127135

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

M126898

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

U413857

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

F286586

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

S127539

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

V127492

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

R174276

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

B126041

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

L287303

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

S286611

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

C274776

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

T413958

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

T414301

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

S131899

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

L124970

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

M129684

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

W100984

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

S125267

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.

 

更多相关文章,详见下方:

 

表观遗传酶的非经典功能与线粒体代谢调控

 

基于转座酶的表观遗传测序策略:CUT&Tag技术原理与应用进展

 

表观遗传调控剂

 

一碳代谢酶介导的氧化应激与表观遗传调控在心血管疾病中的作用

 

GSK3信号传导通路的调控框架与生物学效应

 

BMP信号通路调控因子在干细胞分化、类器官培养与发育研究中的应用

 

RANK信号通路的分子组成、激活机制与生物学效应

 

CTLA4信号通路的分子基础、免疫调控机制与疾病关联

 

Fas通路的分子机制与生物学功能

 

干扰素(IFN)通路的类型分层、信号转导与效应网络

 

NF-κB 通路怎么定位、抑制剂怎么选:把炎症转录输出压到“可控区间”(附表A–F)

 

代谢信号通路

 

Wnt信号通路

 

Hedgehog信号通路

 

阿兹海默症信号通路

目录: 技术文章
探索主题: FGF EGF PDGF ERK1 MAPK3 ERK2 MAPK1

Da — 若无特别说明,分子量单位默认为道尔顿。   Mw — 重均分子量。   Mn — 数均分子量。

产品仅供科研与开发使用,不用于人体、动物、诊断或治疗。

引用本文

阿拉丁科学.《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》. 阿拉丁知识库,更新于 2026年7月31日。 https://www.aladdin-e.com/zh_cn/faqs/ras-raf-mek-erk-cascade-regulation-cellular-functional-outputs-and-research-tool-applications.html
这篇文章对您有帮助吗? Yes No 有 1 人觉得有帮助