Subcellular Localization Subcellular Localization Determines MAPK Signal Output Harding A., Tian T., Westbury E., Frische E. And Hancock J. Current Biology, Vol. 15, , May 10, 2005

El módulo MAPK se comporta como interruptor molecular in vivo, pero la sensibilidad al estímulo depende de su localización subcelular.  En teoría, el módulo MAPK es capaz de generar una respuesta tipo interruptor bi-estable por sí solo. ¿Contribución del módulo per se a la respuesta digital? Podría deberse a loops externos al módulo (pej. de Ras a Sos).  ¿Los módulos de MAPk procesan la información además de transmitirla?  ¿El módulo MAPK opera como un interruptor molecular bi-estable in vivo?  ¿Qué ventajas tiene activar al módulo MAPK en la membrana, en lugar de liberarse Raf al citosol para activar a esa población de MEK y ERK, más abundante? EL MÓDULO MAPK Raf-MEK-ERK

¿Los módulos de MAPK procesan la información además de transmitirla?  Cuando se activa en el citosol, Raf se comporta in vivo precisamente como se predecía por su actividad catalítica in vitro.  Pero cuando se activa en la membrana plasmática, el módulo MAPK genera una respuesta máxima, a pesar de la variación en la actividad quinasa in vitro (1-0.03). El módulo MAPK procesa y amplifica estímulos pequeños e intermedios para generar una respuesta máxima. Y esta amplificación sólo ocurre cuando la vía es activada en la membrana plasmática. El módulo MAPK procesa y amplifica estímulos pequeños e intermedios para generar una respuesta máxima. Y esta amplificación sólo ocurre cuando la vía es activada en la membrana plasmática.

¿El módulo MAPK funciona como un interruptor molecular en la membrana y como una cascada lineal en el citosol?  Las células que expresan Raf PM o Raf CYT se pueden clasificar en dos poblaciones discretas: on/off con respecto a activación de ERK.  Estrictamente, la fracción de células activadas se relaciona con la actividad catalítica de Raf CYT, pero es máxima para todas las Raf PM. La diferencia esencial entre activar el módulo MAPK en esta dos localizaciones es que el módulo se comporta como un interruptor sensible a bajo estímulo cuando se activa en la membrana, mientras que es un switch insensible a estímulo bajo cuando se activa en el citosol.

Confirmación de las conclusiones anteriores con una respuesta biológica: Diferenciación de células PC12  La correlación entre los ensayos bioquímicos y biológicos indica que la respuesta digital generada por el módulo MAPK se traduce directamente en una respuesta biológica, sin procesamiento posterior downstream del módulo.  Un módulo MAPK aislado es suficiente para generar una respuesta biológica digital a partir de un estímulo analógico  Un módulo MAPK aislado es suficiente para generar una respuesta biológica digital a partir de un estímulo analógico.

Sensibilidad diferencial del módulo MAPK a inhibición química Señalización digital y bucles de retroalimentación No hay bucles de retroalimentación directos dentro del módulo MAPK La biestabilidad depende de la fosforilación distributiva de MEK y ERK

Parámetros específicos de la membrana plasmática críticos para la sensibilidad a estímulos leves Proteínas Scaffold y reclutamiento a membrana La activación de ERK induce el reclutamiento de KSR en membrana plasmática El balance entre fosforilación y defosforilación establece el umbral de activación en circuitos MAPK La actividad fosfatasa y el umbral de activación son menores en la membrana plasmática

Conclusión Los efectos del reclutamiento de complejos de señalización en la membrana plasmática sumados a la baja actividad MEK y ERK fosfatasa en la misma crean un entorno en el que el módulo MAPK es extremadamente sensible a la activación.