發(fā)育中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與網(wǎng)絡(luò)調(diào)控新

第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日概述信號傳導(dǎo)是細胞間通訊的主要形式，即由信號細胞產(chǎn)生信號分子，誘導(dǎo)靶細胞發(fā)生某種反應(yīng)。靶細胞通常通過特異性受體識別細胞外信號分子，并把細胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)信號，引起細胞發(fā)生反應(yīng)，這一過程稱為信號傳導(dǎo)。第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)參與早期胚胎發(fā)育的信號調(diào)節(jié)途徑①TGFβ信號途徑②Wnt信號途徑③Hedgehog

['hed?h?g]信號途徑④Notch[n?t?]信號途徑⑤酪氨酸激酶受體途徑⑥JAK-STAT信號途徑⑦視黃酸（retinoicacid，RA）途徑第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、TGFβ信號途徑TGFβ：即轉(zhuǎn)化生長因子β是一類分泌性的信號分子。TGFβ超家族因子包括30多個成員，可分為TGFβ、BMP、Activin等亞類。TGFβ家族因子在早期發(fā)育中起著關(guān)鍵作用：TGFβl，2，3，5：參與了細胞外基質(zhì)形成和細胞分裂的調(diào)節(jié)；BMP因子：在脊椎動物及果蠅的胚胎背-腹軸圖示形成過程中具有重要作用；Nodal(屬于BMP因子亞類)：在脊椎動物胚胎中胚層的圖示形成及左-右軸的建立過程中起著關(guān)鍵作用。第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、TGFβ信號途徑TGFβ類分子是以前體形式合成的，需要經(jīng)過加工才能成為有活性的成熟形式，其成熟單體之間通過二硫鍵形成二聚體。TGFβ類配體（與受體專一性結(jié)合的分子）通過其受體復(fù)合體激活下游信號傳遞。其受體具有絲氨酸／蘇氨酸激酶活性，包括2個亞類，即I型和II型受體。第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日I型、II型受體I型和II型受體均為單跨膜受體蛋白，激酶活性區(qū)城位于膜內(nèi)，但I型受體在膜內(nèi)緊接著跨膜區(qū)有一個特征性的富含甘氨酸與絲氨酸的區(qū)域(稱為GS區(qū)城)。不同的TGFβ類配體結(jié)合不同的I型和II型受體，二者都是信號傳導(dǎo)所必需的。第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、TGFβ信號途徑①TGFβ配體首先與II類受體(TβR-II)結(jié)合；②TGFβ

I類受體(TβR-I)也被募集到這一復(fù)合體中；③TβR-II會磷酸化TβR-I的GS區(qū)域并使其活化。TβR-I單獨不能結(jié)合TGFβ。BMPI型或II型受體可以單獨較弱地結(jié)合BMP分子，但只有在I、II型受體共同存在時才具有高親和力。研究表明：TGFβ信號傳導(dǎo)受體復(fù)合物是一個異源四聚體，包括2個TβR-I和2個TβR-II分子。第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日Smad蛋白Smad蛋白(果蠅中為Mad)在傳遞TGFβ類信號中起著關(guān)鍵作用。脊椎動物至少有9個Smad，依據(jù)共功能不同可分為3類，即受體調(diào)節(jié)型Smad(R-Smad)、通用型(Co-Smad)和抑制型Smad。④TGFβI類受體被激活后可磷酸化R-Smad。R-Smad具有受體特異性，BMP受體可激活Smad1，5，而TGFβ、Activin可激活Smad2，3。⑤R-Smad被活化后與Co-Smad(Smad4)形成復(fù)合體并轉(zhuǎn)運至細胞核內(nèi)調(diào)節(jié)靶基因的表達。抑制型Smad：包括Smad6，7。它們可與R-Smad競爭I型受體結(jié)合位點而抑制其激活。Smad6也可通過與R-Smad形成無活性的二聚體而抑制其活性。第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日TGFβ信號途徑第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日TGFβ信號途徑第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、Wnt信號途徑Wnt基因家族編碼一類分泌性的信號因子，在早期胚胎發(fā)育中具有重要功能。最早發(fā)現(xiàn)的wnt家族基因是小鼠的wnt-1（最初稱int-1）和果蠅的wingless。人類有19個wnt基因，果蠅有7個。Wnt可以激活多種信號傳導(dǎo)途徑，引起不同的細胞反應(yīng)。第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt蛋白分類根據(jù)其活性的差異，可將Wnt蛋白分為兩大類，Wnt-1/wg類和Wnt-5a類。①wnt-I類：（如wnt-1，-2，-3A，-7B，-8及-8B，wingless）在爪蟾胚胎中異位表達時可以誘導(dǎo)次級體軸的形成并能夠轉(zhuǎn)化C57MG乳腺上皮細胞；②wnt-5a類：（如wnt-4，-5A及-11）不具有次級體軸誘導(dǎo)的能力，但可以降低細胞的黏著性，改變細胞的運動狀態(tài)。第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日（一）Wnt/β-catenin途徑Wnt/β-catenin信號途徑又稱經(jīng)典Wnt信號途徑。參與了脊椎動物胚胎體軸的建立與分化、果蠅的分節(jié)等發(fā)育過程。Wnt的主要受體是Frizzled（Fz）家族受體，屬于7次跨膜蛋白。其N端膜外區(qū)含有一個富含半胱氨酸

（Cys）的區(qū)域，是與Wnt配體結(jié)合的區(qū)域。Wnt/β-catenin信號的活化還需要另一個Wnt輔助受體LRP5/6（屬于低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白，果蠅中的同源蛋白稱為Arrow）。第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日β–cateninβ–catenin（果蠅中稱Armadillo）是該途徑中的效應(yīng)因子。β–catenin具有兩種功能：①一方面在細胞連接處它與鈣粘素相互作用，參與形成粘合帶（細胞連接的一種），對于細胞粘連具有重要作用；②另一方面，存在于細胞之中的可溶性β–catenin則參與了Wnt信號的傳導(dǎo)。第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/β-catenin途徑失活①在Wnt信號沒有被激活時，胞質(zhì)內(nèi)的β–catenin與多種蛋白質(zhì)形成一個復(fù)合體，包括GSK3、APC、Axin等。GSK3：糖原合成激酶，在沒有Wnt信號時，GSK-3能將磷酸基團加到β-catenin氨基端的絲氨酸/蘇氨酸殘基上，磷酸化的β-catenin通過泛素-蛋白酶體途徑被迅速降解。APC：一種抑癌基因，其突變引起良性腫瘤——腺瘤性結(jié)腸息肉病，APC蛋白的作用是增強復(fù)合體與β-catenin的親和力。Axin：一種支架蛋白，具有多個與其它蛋白作用的位點，能將APC、GSK3、β-catenin等結(jié)合在一起。第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/β-catenin信號通路未激活狀態(tài)Wnt/β-catenin信號通路激活狀態(tài)Wnt/PCP信號通路第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/β-catenin途徑活化②當Wnt配體與Fz/LRP6（受體/輔助受體）結(jié)合時，會誘導(dǎo)Axin與LRP6膜內(nèi)部分結(jié)合，使得原蛋白復(fù)合體解聚。同時Fz可通過Dishevelled（Dsh）抑制GSK3的活性，β–catenin不會被降解掉。Dsh是一種多功能蛋白，可以與多種蛋白結(jié)合，在不同條件下可分別參與Wnt/β–catenin途徑和Wnt/JNK途徑。③β–catenin在細胞質(zhì)內(nèi)積累，并進入細胞核內(nèi)，與T-細胞因子（TCF）家族的轉(zhuǎn)錄因子一起激活靶基因的轉(zhuǎn)錄。④當β–catenin不存在時，TCF可與轉(zhuǎn)錄抑制因子Groucho（Gro）結(jié)合而抑制相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄。第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/β-catenin途徑活化抑制GSK3的活性結(jié)合復(fù)合體解聚第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日（二）Wnt/JNK途徑Wnt/JNK途徑又稱為平面細胞極性途徑或非經(jīng)典Wnt信號途徑。最早發(fā)現(xiàn)于果蠅。在果蠅上皮性組織中，細胞的表面結(jié)構(gòu)或不同類型的細胞在組織水平面的分布是不對稱的，如上皮剛毛的分布，復(fù)眼中不同類型細胞的分布等，這種極性稱為平面細胞極性（PCP）或組織極性。若調(diào)節(jié)該極性的信號途徑基因發(fā)生突變，則會使剛毛、復(fù)眼等結(jié)構(gòu)的位置和排列方向發(fā)生隨機改變。第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日Fz和Dsh在Wnt/JNK途徑中的作用對果蠅中該類突變的研究發(fā)現(xiàn)Fz和Dsh也參與了這一過程。Dsh的下游因子包括Rho家族的小分子GTP酶RhoA和Rac，可以結(jié)合并水解GTP。小分子GTP酶在其結(jié)合GTP時是有活性的，可活化下游效應(yīng)分子，而當GTP被水解成為GDP時則回復(fù)到非活性狀態(tài)。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/JNK途徑①在Wnt/JNK途徑中，Wnt/Fz通過Dsh同時激活Rac和RhoA，其中對RhoA的激活需要Daam1的作用。②Rac進而激活JNK，而RhoA則激活Rock。③JNK和Rock再激活其下游效應(yīng)因子，最終引起細胞骨架的重排和轉(zhuǎn)錄水平的變化。第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日Wnt/JNK途徑第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、Hedgehog信號途徑Hedgehog（Hh）家族蛋白是一類分泌性信號分子，在動物發(fā)育過程中具有重要作用。果蠅的Hedgehog信號途徑在體節(jié)形成中起著重要作用；脊椎動物的Sonichedgehog（Shh）參與了神經(jīng)系統(tǒng)的背-腹軸圖式形成及肢的發(fā)育，Indianhedgehog（Ihh）參與了骨骼的發(fā)育。第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日Hedgehog蛋白Hh蛋白是以前體形式合成的，其中其N末端具有信號活性而C末端具有蛋白酶活性，Hh蛋白合成后經(jīng)歷一個自我催化的裂解過程，形成N末端（HhN)和C末端兩部分，其中N末端部分具有信號活性。Hedgehog的受體Patched（Ptc）是一個12次跨膜蛋白，Ptc會抑制另一個7次跨膜蛋白Smoothened（Smo）的活性。Cubitusinterruptus（Ci）是這一信號途徑中的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子，其脊椎動物中的同源蛋白是Gli。第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日Hedgehog信號途徑失活①在沒有Hh配體時，Smo沒有活性;②Ci蛋白與Cos2（一種微管結(jié)合蛋白）、Fused（一種激酶）和SuppressorofFused[Su（Fu），一種胞質(zhì)蛋白]形成一個復(fù)合體并結(jié)合于微管之上；③Ci進而被PKA磷酸化并Slimb（一種F-box蛋白）依賴性地被蛋白酶分解。④分解產(chǎn)物Ci75是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，可以進入細胞核而抑制Hh靶基因的轉(zhuǎn)錄。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日Hedgehog信號途徑失活第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日Hedgehog信號途徑活化①當Hh與Ptc結(jié)合時，Ptc發(fā)生構(gòu)象改變，對Smo的抑制作用解除；②Smo的活化會促進Cos2/Fused/Su（Fu）復(fù)合物的磷酸化而從微管上解離下來，同時可抑制PKA活性，從而抑制Ci的裂解。③完整的Ci（Ci155

）可以進入細胞核并結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活輔助因子CBP，激活相應(yīng)Hh靶基因的表達。第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日Hedgehog信號途徑活化第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日四、Notch信號途徑Notch信號途徑在神經(jīng)細胞的分化、脊椎動物體節(jié)的發(fā)育等過程中具有重要作用。Notch是一個很大的單跨膜受體蛋白，其配體也是一類跨膜蛋白，統(tǒng)稱為DSL配體。Notch信號只能作用于相鄰細胞之間。

Notch信號的傳遞過程比較獨特，是通過膜內(nèi)蛋白水解機制（RIP）進行的。第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日Notch信號途徑從Notch受體的合成、加工到最后的信號傳遞先后經(jīng)歷了3次蛋白水解。①第一次發(fā)生在Notch的成熟過程中：在高爾基體中，Notch被Furin類轉(zhuǎn)化酶水解為兩個部分，二者之間通過非共價鍵形成異源二聚體并被轉(zhuǎn)運到細胞膜表面。②當DSL配體與Notch結(jié)合時會誘發(fā)Notch發(fā)生兩次斷裂，第一次發(fā)生在膜外靠近細胞膜的地方，是由TACE類跨膜金屬蛋白酶催化。第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日Notch信號途徑③緊接著，在Notch跨膜區(qū)中間發(fā)生斷裂，這一過程是由跨膜的Presenilin類γ-分泌酶介導(dǎo)的。斷裂后產(chǎn)生的游離的Notch胞內(nèi)部分稱為Notch細胞內(nèi)區(qū)域（NICD）。④NICD進而被轉(zhuǎn)運至細胞核內(nèi)，并與CSL[CBF/Su（H）/Lag-1的第一個字母縮寫]家族轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，激活Notch靶基因的表達。第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日Notch信號途徑①②③第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日五、酪氨酸激酶受體途徑大多數(shù)生長因子的細胞表面受體屬于酪氨酸激酶受體（RTK）家族。生長因子：包括表皮生長因子（EGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）、神經(jīng)細胞生長因子（NGF）、血小板源生長因子（PDGF）、血管內(nèi)皮細胞生長因子、胰島素、胰島素樣生長因子（IGF）、Ephrin等。這些生長因子在早期發(fā)育中具有重要作用：EGF在果蠅卵子軸性的決定及成蟲盤的發(fā)育中；FGF在脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)圖式形成和肢的發(fā)育中；Ephrin在脊椎動物體節(jié)形成、后腦分節(jié)及神經(jīng)軸突的導(dǎo)向過程中都起著關(guān)鍵作用。第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日酪氨酸激酶受體（RTK）家族RTK屬于單跨膜蛋白，其共同特征是細胞內(nèi)部分帶有酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，具有酪氨酸激酶活性。不同生長因子受體在結(jié)構(gòu)上也有所差異。RTK與相應(yīng)配體結(jié)合后，會發(fā)生二聚體化或多聚體化，分子間相互催化在多個位點發(fā)生磷酸化。磷酸化的RTK胞內(nèi)部分為多種信號傳導(dǎo)蛋白提供了結(jié)合部位。第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日膜外膜內(nèi)細胞膜第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日MAPK信號傳遞途徑RTK主要激活MAPK（絲裂原激活的蛋白激酶）信號傳遞途徑。MAPK屬于一種Ser/Thr蛋白激酶，可在多種不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中充當信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子。MAPK傳導(dǎo)途徑包括一系列激酶介導(dǎo)的級聯(lián)磷酸化反應(yīng)。MAPK本身需要被磷酸化才能被活化，催化這一過程的激酶稱為MAPK激酶（MAPKK）；而MAPKK又需要被MAPKK激酶（MAPKKK）所激活。MAPK分為3類：ERK、JRK和p38。RTK主要激活ERK。第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日MAPK信號傳遞途徑①RTK與相應(yīng)配體結(jié)合后，會發(fā)生二聚體化或多聚體化，分子間相互催化在多個位點發(fā)生磷酸化。②RTK被磷酸化后，會結(jié)合一種含有SH2結(jié)構(gòu)域的接頭蛋白Grb2。SH2結(jié)構(gòu)域可以識別并結(jié)合磷酸化的酪氨酸殘基。③Grb2可結(jié)合一種鳥苷酸置換因子（GEF）Sos；④Sos可以活化G蛋白Ras。Ras是一種重要的分子開關(guān)，具有GTP酶活性，當它結(jié)合GTP時是活化的，而當GTP被水解為GDP時則沒有活性。Ras的活性/失活的調(diào)控是這一信號途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)點，因此這一途徑又被稱為Ras信號途徑。第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日MAPK信號傳遞途徑⑤Ras被活化后會激活一種MAPKKK——Raf；⑥Raf進而激活一種MAPK激酶——MEK；⑦MEK進一步激活ERK；⑧活化的ERK可以進入細胞核并磷酸化多種轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性。ERK也可磷酸化細胞質(zhì)中的靶蛋白，如Ser/Thr蛋白激酶Rsk，活化的Rsk進入細胞核可調(diào)節(jié)部分轉(zhuǎn)錄因子的活性。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日MAPK信號傳遞途徑第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日肌醇磷脂信號途徑有些RTK（如FGF受體）也可激活肌醇磷脂信號途徑。這是由磷脂酶C（PLC）和/或磷脂酰肌醇3’-激酶（PI3K）介導(dǎo)的。①活化的RTK可結(jié)合并激活PLCγ和PI3K。②PLC可水解細胞膜中的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2），產(chǎn)生可溶性的肌醇三磷酸（IP3）和脂酰甘油（DAG）。③IP3可促進胞內(nèi)Ca2+的釋放。胞內(nèi)Ca2+的的增高會引起多種反應(yīng)。④Ca2+還與DAG協(xié)同激活蛋白激酶C（PKC）。⑤PI3K可催化形成磷酸化磷脂酰肌醇，包括PI（3）P、PI（3，4）P2和PI（3，4，5）P3，這些產(chǎn)物可激活多種效應(yīng)因子（如SARA、PKB、Ras等）。第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日肌醇磷脂信號途徑第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日六、JAK-STAT信號途徑STAT即信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子，含有SH2結(jié)構(gòu)域。SATA的活化是由Janus激酶（JAK）完成的。①JAK可與相應(yīng)受體結(jié)合。而相應(yīng)配體與受體結(jié)合時，會引起受體的二聚體化，使得與膜受體結(jié)合的兩個JAK分子相互接近而發(fā)生磷酸化。②活化的JAK可磷酸化相應(yīng)受體膜內(nèi)部分的一些酪氨酸殘基，為STAT提供結(jié)合位點。③STAT進而與膜受體結(jié)合，被JAK磷酸化而激活。④活化的STAT可形成二聚體并進入細胞核，與DNA上的STAT結(jié)合位點結(jié)合而調(diào)節(jié)靶基因的表達。這一途徑被稱為JAK-SATA信號途徑。JAK-SATA途徑在血細胞及骨髓的生長于分化過程中具有重要作用。第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日JAK-STAT信號途徑第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日七、視黃酸（retinoicacid，RA）途徑視黃酸是小分子脂溶性信號分子，可以自由通過細胞膜和核膜。其受體主要存在于細胞核中。兩類受體：視黃酸受體（retinoicacidreceptor,RAR）視黃素X受體（retinoidXreceptor,RXR）RA受體以同源或異源二聚體形式結(jié)合DNA，不同的二聚體組合識別的DNA序列略有不同，從而調(diào)節(jié)不同靶基因的表達。視黃素在脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)前后軸的圖式形成及肢的再生過程中具有主要作用。第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)信號活性的調(diào)控與相互關(guān)聯(lián)一、信號活性的調(diào)控對配體活性的調(diào)節(jié)：如加工修飾（Wnt和Hedgehog被棕櫚?；?；配體結(jié)合因子（BMP抑制因子：Noggin、Chordin、Caronte等）；對受體活性的調(diào)節(jié)：與受體蛋白正確折疊加工有關(guān)的分子伴侶；蛋白多糖（抑制FGF信號的活性）；蛋白聚糖（促進Wnt、FGF輔助受體的活性）；對信號途徑中轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子活性的調(diào)控：濃度和穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)（泛素-蛋白酶體途徑可調(diào)控Wnt中的β-catenin，TGFβ途徑的Smad）；向細胞和轉(zhuǎn)運的調(diào)控（MAPK可磷酸化Smad抑制其向核內(nèi)轉(zhuǎn)運）；信號活性的負反饋調(diào)節(jié)：一個信號途徑的活化激活相應(yīng)信號途徑的負調(diào)控因子的表達，從而抑制相應(yīng)信號途徑的過度活化（FGF信號途徑中的Sef和Sprouty）第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、信號途徑的關(guān)聯(lián)和整合不同信號傳遞途徑的相互關(guān)聯(lián)：同一信號分子可同時激活多種下游傳遞鏈（RTK可同時激活MAPK、PKC、STAT等）；很多信號效應(yīng)因子是多功能的，可調(diào)節(jié)其他途徑信號因子的活性（活化的ERK可磷酸化Smad1、2、3，抑制它們向核內(nèi)轉(zhuǎn)運；STAT途徑可激活Smad7的表達而抑制FGFβ途徑）；信號途徑特異性的調(diào)控：來自信號傳遞途徑的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)信息與組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)信息在靶基因的順式調(diào)控元件水平得以整合；不同信號途徑在靶基因增強子水平的整合：果蠅eve基因在肌肉前體細胞中的表達，受多個信號途徑的調(diào)控。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、形態(tài)發(fā)生原信號分子在胚胎的圖示形成過程中起著關(guān)鍵作用。圖式形成：即一種器官或整個軀體不同區(qū)域出現(xiàn)有序分化的過程，如胚胎或器官沿體軸的分化。這一過程控制著機體或器官圖式元件（如不同組織、結(jié)構(gòu)或細胞類型）的空間排布。胚胎中的每一位置都表達不同的位置信息，位于相應(yīng)位置的細胞應(yīng)能夠感應(yīng)這一信息而作出正確的反應(yīng)(分化或增值等)。不同信號分子的區(qū)域性表達是提供區(qū)域特異性信息的重要