Regulation der Transkription des c-Fos-Gens durch Stimulus-responsive Proteinkinasen

Abstract

Dem „basic region-leucin zipper“ (bZip) Protein c-Fos kommt bei der strengen Regulation wichtiger zellulä - rer Prozesse wie Wachstum und Proliferation eine bedeutende Rolle zu. c-Fos bildet Heterodimere mit anderen bZip-Proteinen, die als AP-1-Transkriptionsfaktorkomplexe aktiv werden. Die Expression des c-Fos-Gens wird durch komplexe Signalprozesse reguliert und gilt als Musterbeispiel für Signal-Aktivierte Transkription. Vielfältige extrazelluläre Signalmoleküle tragen zur Regulation der Expression von c-Fos bei, darunter Mitogene, Zytokine, Metabolite sowie Liganden von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und Rezeptortyrosinkinasen. An der Steigerung der Transkription von c-Fos nach extrazellulärer Stimulation sind Stimulus-responsive Transkriptionsfaktoren beteiligt, die über konservierte DNA-Sequenzen an den proximalen c-Fos-Promotor binden. Unter den vielfältigen intrazellulären Signalmolekülen, die an der Regulation der Transkription von c-Fos beteiligt sind, kommt den Stimulus-responsiven MAP (mitogen activated protein) - Kinasen eine herausragende Bedeutung zu. In dieser Arbeit wurden die Effekte der MAP-Kinasen ERK1/2 (extracellular signal-regulated protein kinase), JNK (c-Jun N-terminal protein kinase) und p38 auf die Tran skription des c-Fos-Gens analysiert. MAP-Kinasen werden von MAP-Kinase-Kinasen (MAP2K) aktiviert, die nach zellulärer Stimulation ihrerseits von MAP-Kinase-Kinase-Kinasen (MAP3K) aktiviert werden. Um zu untersuchen, ob die MAPK ERK1/2, JNK und p38 die Transkription von c-Fos über unterschiedliche Transkriptionsfaktoren aktivieren, wurden chromatin-integrierte Luziferase-Reportergene genutzt, die unter der Kontrolle von modifizierten c-Fos-Promotoren exprimiert wurden und inaktivierte DNA-Bindestellen für bestimmte Transkriptionsfaktoren enthielten. Um die MAP-Kinasen ERK1/2, JNK und p38 spezifisch zu ak tivieren, wurden konstitutiv aktive oder chemisch aktivierbare Mutanten bestimmter MAP2K oder MAP3K exprimiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die DNA-Bindestellen für den serum response factor (SRF) und den ternary complex factor (TCF) essentiell für die Stimulation der Aktivität des c-Fos-Promotors unter dem Einfluss der MAP-Kinasen ERK1/2, JNK und p38 sind. Für die ERK1/2 und p38-induzierte Promotoraktivierung war zusätzlich eine intakte Bindestelle für AP-1-Transkriptionsfatoren notwendig. Im Gegensatz dazu hatte eine Inaktivierung der DNA-Bindestelle für STAT keinen, oder nur einen marginalen Effekt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die untersuchten MAP-Kinasen nicht über unterschiedliche Transkriptionsfaktoren und getrennte genetische Elemente auf den c-Fos-Promotor wirken. Eher wird die Aktivierung des c-Fos-Promotors durch alle drei MAP-Kinasen vornehmlich über das serum response element (SRE) und die Transkriptionsfaktoren SRF und TCF vermittelt

Cellular proliferation and growth are extensively regulated by a plethora of different signaling pathways. The basic region leucin zipper (bZIP) protein c-Fos plays a central role in the regulation of those processes. Together with other bZIP proteins, c-Fos forms heterodimers that constitute the AP-1 transcription factor complex. The expression of the c-Fos gene is highly regulated and has been indicated as a prime example for signal-activated gene induction. Numerous extracellular signaling molecules contribute to the regulation of c-Fos expression, including mitogens, cytokines, metabolites as well as ligands for receptor tyrosine kinases and G-protein coupled receptors. Signaling molecules activate the expression of c-Fos involving stimulus-responsive transcription factors that bind to distinct genetic elements of the c-Fos-promoter. Among the multitude of intracellular signaling molecules involved in the regulation of c-Fos expression, the stimulus-responsive MAP (mitogen activated protein) kinases are of major importance. Here, the effects of the MAP kinases ERK1/2 (extracellular signal-regulated protein kinase), JNK (c-Jun N-terminal protein kinase) and p38 protein kinase on transcription of the c-fos gene were investigated. MAP-kinases are directly activated by MAP-Kinase-Kinases (MAP2K), which in turn are activated by MAP-Kinase-Kinase-Kinases (MAP3K) following extracellular stimulation. To determine, whether ERK1/2, JNK and p38 induce the transcription of the c-Fos gene by activating similar or distinct transcription factors, chromatin-integrated c-Fos promoter-luciferase reporter genes containing inactivating point mutations of DNA binding sites for STAT, TCF, SRF and AP-1 transcription factors were used. Extracellular signal molecules may activate more than one protein kinase. To achieve a distinct activation of specific MAP-Kinases, we expressed constitutively active or specifically activatable mutants of MAP2- or MAP3-Kinases. The results of this study show that the DNA binding sites for serum response factor (SRF) and ternary complex factor (TCF) essential for enhancing the c-Fos promoter activity under the influence of all three MAP kinases. Stimulation of the c-Fos promotor by ERK1/2 and p38 additionally required the DNA binding site for the transcription factor AP-1. In contrast, an inactivation of the DNA binding site for STAT had no or only a marginal effect on c-Fos promoter activity. In conclusion, the results show that MAP kinases do not stimulate the transcription of c-Fos by activating distinct transcription factors involving distinct genetic elements. Rather, all three analyzed protein kinases mainly target SRF and TCF proteins, and induce transcriptional activation of the c-Fos gene via the serum response element (SRE).