細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(研究生)

細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

CellsignaltransductionNobelprizesawardedforresearchinsignaltransduction

2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.Nurse

M&P

keyregulatorsofthecellcycle2002

S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&P

Apoptosis單細(xì)胞生物直接對外界環(huán)境的變化作出反應(yīng)。高等生物往往是由成億個細(xì)胞所組成的有機(jī)體，大多數(shù)細(xì)胞不與外界直接接觸，而且已分化成具有特殊結(jié)構(gòu)與功能的細(xì)胞，如此眾多的細(xì)胞之間必然需要有效的信息聯(lián)絡(luò)，對細(xì)胞功能進(jìn)行調(diào)控，從而完善地發(fā)揮各自的功能，彼此協(xié)調(diào)，相互配合，維持機(jī)體的恒穩(wěn)狀態(tài)，適應(yīng)各種生命活動和生長、繁殖的需求。細(xì)胞間通訊方式細(xì)胞間隙連接1500D以下膜表面分子接觸通訊如:T細(xì)胞的激活化學(xué)信號通訊化學(xué)信號細(xì)胞間信息傳遞的方式神經(jīng)傳導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)體液傳導(dǎo)體液傳導(dǎo)內(nèi)分泌傳導(dǎo)激素旁分泌傳導(dǎo)細(xì)胞因子自分泌傳導(dǎo)細(xì)胞因子信息分子定義：攜帶生物信息，在細(xì)胞之間進(jìn)行傳遞的小分子化學(xué)物質(zhì)在細(xì)胞間進(jìn)行信息傳遞的信息分子稱為第一信使將第一信使的信息在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步傳遞的信息分子稱為第二信使信息分子的化學(xué)本質(zhì)蛋白質(zhì)多肽類氨基酸衍生物如腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺等。脂類化合物固醇類化合物：糖皮質(zhì)激素、性激素等，磷脂類化合物：甘油二酯,PIP3,1—磷酸神經(jīng)酰胺，溶血磷脂酸，其他小分子核苷酸衍生物、NO、CO等信息分子作用特點親水性：不能穿過細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層，而需要與細(xì)胞膜上的受體相結(jié)合，把信息轉(zhuǎn)入靶細(xì)胞。親脂性：能穿過細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，形成信息分子-受體復(fù)合物，引起效應(yīng)。信息分子由信息細(xì)胞釋放分泌，經(jīng)運輸系統(tǒng)，達(dá)到靶細(xì)胞，與特異性受體結(jié)合，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)的第二信使，作用于效應(yīng)分子，產(chǎn)生效應(yīng)。信息分子的種類激素主要指內(nèi)分泌激素神經(jīng)遞質(zhì)細(xì)胞因子是由免疫細(xì)胞或非免疫細(xì)胞分泌的，能參與調(diào)控真核細(xì)胞的增殖、分化、代謝和運動功能等多項生命過程的生物活性的多肽分子。同一細(xì)胞因子作用于不同的靶細(xì)胞，可以產(chǎn)生不同的效應(yīng)。受體（receptor）定義：靶細(xì)胞中能夠被體內(nèi)一些生物活性物質(zhì)如激素、細(xì)胞因子所識別，并與之結(jié)合將信號傳至細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生生物效應(yīng)的物質(zhì)，也即細(xì)胞接受細(xì)胞外信號的接收裝置，直接參與細(xì)胞的信息傳遞。受體的化學(xué)性質(zhì)主要為蛋白質(zhì)。受體與信息分子的結(jié)合特點高度親和力高度特異性可逆性可飽和性放大效應(yīng)受體的分類細(xì)胞表面受體水溶性表面信號分子離子通道受體

G蛋白偶聯(lián)受體單次跨膜受體細(xì)胞內(nèi)受體脂溶性化學(xué)信號

細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本方式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)分子和小分子活性物質(zhì)基本方式

小分子信使的濃度或細(xì)胞內(nèi)定位分布發(fā)生改變

大分子信使的構(gòu)象變化：蛋白質(zhì)分子的化學(xué)修飾；小分子信使的變構(gòu)效應(yīng)；大分子信使的變構(gòu)作用

蛋白質(zhì)分子的細(xì)胞內(nèi)定位改變

蛋白質(zhì)分子的細(xì)胞內(nèi)水平調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子蛋白激酶與蛋白磷酸酶

蛋白激酶（proteinkinase）：能夠?qū)ⅵ?磷酸基團(tuán)從磷酸供體分子上轉(zhuǎn)移至底物蛋白的氨基酸受體上的一大類酶。

蛋白激酶分類蛋白絲/蘇氨酸激酶-絲/蘇氨酸的羥基蛋白酪氨酸激酶-酪氨酸的酚羥基蛋白組/賴/精氨酸激酶-咪唑環(huán)、胍基、ε-氨基蛋白半胱氨酸激酶-巰基蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶-酰基

PKA、PKG、PKC、鈣調(diào)素依賴的蛋白激酶、蛋白酪氨酸激酶、MAPK蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）是具有催化已經(jīng)磷酸化的蛋白質(zhì)分子發(fā)生去磷酸化反應(yīng)的一類酶分子，與蛋白激酶相對應(yīng)存在，共同構(gòu)成磷酸化與去磷酸化這一重要的蛋白質(zhì)活性的開關(guān)系統(tǒng)。對蛋白激酶所引起的變化產(chǎn)生衰減信號GTP結(jié)合蛋白GTP結(jié)合蛋白三聚體α亞基和βγ亞基低分子量G蛋白21kD

Ras調(diào)控結(jié)合元件(modularbindingdomain)

即信號分子中存在著的一些特殊的結(jié)構(gòu)域，大約50-100個氨基酸構(gòu)成，信號分子通過這些特殊結(jié)構(gòu)域相互識別和作用而有序銜接，形成不同的信號傳遞鏈。SH2結(jié)構(gòu)域信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子SH3結(jié)構(gòu)域信號分子與含脯氨酸蛋白分子PH結(jié)構(gòu)域磷脂分子PIP2、PIP3PTB結(jié)構(gòu)域同SH2

磷酸酪氨酸一個信號分子含兩種以上的結(jié)合元件同一調(diào)控元件可存在多種不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子結(jié)構(gòu)域本身均為非催化結(jié)構(gòu)域主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及作用機(jī)制(一)離子通道型受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)這種受體本身就是離子通道，這種通道的開放與接受信息分子（神經(jīng)介質(zhì)）的控制緊密連接，少量的神經(jīng)介質(zhì)能短暫快速的打開或關(guān)閉離子通道而改變某些離子的通透性。如骨骼肌細(xì)胞的乙酰膽堿受體。（二）G蛋白偶聯(lián)型受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)這類受體結(jié)構(gòu)較相似，均為單鏈多肽，氨基端在胞膜外，形成與配體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域，跨膜部分有7段肽鏈來回穿過細(xì)胞膜，胞漿部分是肽鏈的羧基端，具有三聚體G蛋白結(jié)合區(qū)域。G蛋白的循環(huán)和活化三聚體G蛋白由α、β、γ三種亞基組成。α亞基具有GTP水解酶活性，又有調(diào)節(jié)效應(yīng)蛋白作用，β和γ亞基具有調(diào)節(jié)α亞基作用，也有調(diào)節(jié)效應(yīng)蛋白的作用，而且β亞基上有脂鏈，故具有固定作用。這三個亞基可以聚合在一起形成αβγ三聚體，也可以解離為α和βγ形式。當(dāng)G蛋白與GDP相結(jié)合時無活性，而與GTP結(jié)合時則活化成激活狀態(tài)。

受體與信息分子結(jié)合后，受體構(gòu)象改變，并使與受體相偶聯(lián)的G蛋白構(gòu)象改變，使GTP置換了GDP。G蛋白激活后，離開受體并解離成βγ和α亞基GTP，α亞基水解GTP，并調(diào)節(jié)腺苷酸環(huán)化酶的活性，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)cAMP等第二信使的濃度，從而把信息傳導(dǎo)給下游分子，同時，與α亞基結(jié)合的GTP水解成GDP，然后α亞基GDP復(fù)合物重新與βγ亞基結(jié)合形成無活性的三聚體，完成一次信息傳導(dǎo)。配體結(jié)合改變受體構(gòu)象，暴露G蛋白結(jié)合位點配體-受體復(fù)合物在脂雙層中擴(kuò)散并與G蛋白形成復(fù)合物，使之發(fā)生GTP-GDP交換而活化GTP取代GDP后，α亞基與βγ亞基解聚，暴露出AC結(jié)合位點α亞基結(jié)合并活化AC，細(xì)胞內(nèi)cAMP含量增加α亞基水解GTP后回到初始構(gòu)象，與βγ亞基聚合成三聚體復(fù)合物(三)單次跨膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

這類受體的結(jié)構(gòu)比較特殊，細(xì)胞膜外部分也是結(jié)合配體的部位，跨膜部分常較短，一般20個左右的氨基酸殘基，為疏水性殘基，無七段來回折疊結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)部分肽段常具有內(nèi)在的酶活性，這種內(nèi)在的酶活性受配體與受體結(jié)合的影響，還有潛在的磷酸化的位點。與受體相偶聯(lián)的酶蛋白常常有以下幾種類型：①酪氨酸蛋白激酶，專門催化底物蛋白肽鏈中的酪氨酸殘基的磷酸化；②受體酪氨酸蛋白磷酸酶，水解酪氨酸殘基上的磷酸基團(tuán)；③受體絲／蘇氨酸蛋白激酶，主要催化底物蛋白肽鏈中的絲氨酸、蘇氨酸殘基的磷酸化；④有的還與受體鳥苷酸環(huán)化酶相偶聯(lián)，當(dāng)受體與配體結(jié)合后可催化產(chǎn)生環(huán)鳥苷酸(cGMP)。(四)與轉(zhuǎn)錄因子偶聯(lián)的受體

多位于胞內(nèi)，與一些疏水性信息分子相識別，如類固醇激素、甲狀腺素、前列腺素、維生素A等。

這種受體主要包括三個區(qū)域，①羧基端為激素等信息分子的結(jié)合區(qū)域，②氨基端為轉(zhuǎn)錄活化區(qū)，調(diào)控某些基因的啟動子或上游的調(diào)控基因，③中央部分為DNA的結(jié)合區(qū)，富含堿性氨基酸，平時此區(qū)與抑制蛋白結(jié)合形成復(fù)合物。受體與信息分子結(jié)合時，發(fā)生構(gòu)象變化，抑制蛋白脫落，暴露出DNA的結(jié)合區(qū)，轉(zhuǎn)入胞核內(nèi)，與特定DNA部位結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄活性。cAMP

途徑-活化信號分子與受體結(jié)合，引起受體構(gòu)象變化受體活化G蛋白（結(jié)合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶（AC）AC催化ATP生成cAMPcAMP活化PKA（依賴cAMP的蛋白激酶）PKA使目標(biāo)蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)代謝酶的活性或調(diào)節(jié)基因的表達(dá)PKA的靶蛋白：①磷酸化酶激酶其磷酸化對象是糖原磷酸化酶，后者被激活后使糖原分解；②糖原合成酶磷酸化后活性被抑制，從而阻斷糖原合成。正是由于PKA的雙重作用，保證了骨骼肌細(xì)胞中可供利用的葡萄糖含量達(dá)到最大值。細(xì)胞核內(nèi)受cAMP、PKA誘導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，都存在著一個由8個堿基組成的共同序列，TGACGTCA，稱為

cAMP效應(yīng)元件（CRE），能識別并結(jié)合CRE的是一種特異的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子—CRE結(jié)合蛋白（CREB）。CREB上133位Ser殘基被PKA磷酸化時，CREB就活化了，從而激活這些基因的轉(zhuǎn)錄。cAMP

途徑-失活信息分子與受體解離，受體失活G蛋白失活（GTP被水解成GDP，αβγ亞基重新聚合）AC失活cAMP被磷酸二酯酶水解PKA失活I(lǐng)P3–Ca2+途徑信號分子與受體結(jié)合，引起受體構(gòu)象變化受體活化G蛋白（結(jié)合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGIP3使鈣通道打開，細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高Ca2+與CaM結(jié)合，激活Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶使目標(biāo)蛋白磷酸化。Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶調(diào)節(jié)PKA的活性：CaM激酶既能激活腺苷環(huán)化酶又能激活磷酸二酯酶，即它既加速cAMP的生成又加速cAMP的降解，使信息迅速傳至細(xì)胞內(nèi)，又迅速消失。激活胰島素受體的酪氨酸蛋白激酶活性。PKC途徑信號分子與受體結(jié)合，引起受體構(gòu)象變化受體活化G蛋白（結(jié)合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGDG與Ca2+共同活化PKCPKC使目標(biāo)蛋白磷酸化PKC廣泛地存在于機(jī)體的組織細(xì)胞內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)12種PKC同工酶，它們對機(jī)體的代謝、基因表達(dá)、細(xì)胞分化和增殖起作用。PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的Ser/Thr發(fā)生磷酸化級聯(lián)反應(yīng)。靶蛋白包括質(zhì)膜受體、膜蛋白和多種酶,從而調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝。PKC能使立早基因（immediate－earlygene）的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表達(dá)。立早基因多數(shù)為細(xì)胞原癌基因。最終活化晚期反應(yīng)基因并導(dǎo)致細(xì)胞增生或核型變化。促癌劑-佛波酯（phorbolester）正是作為PKC的強(qiáng)激活劑而引起細(xì)胞持續(xù)增生，誘導(dǎo)癌變。PKG途徑PKG即cGMP依賴性蛋白激酶，cGMP是PKG的變構(gòu)激活劑。PKG在腦組織和平滑肌中含量較豐富。cGMP由cGMP磷酸二酯酶降解、失活。酪氨酸蛋白激酶途徑信息分子與受體結(jié)合，引起受體二聚化受體發(fā)生自身磷酸化，激活受體本身所具有的酪氨酸蛋白激酶活性。酪氨酸蛋白激酶使下游目標(biāo)蛋白磷酸化，引起一系列級聯(lián)反應(yīng)，如TPK-Grb2-SOS-ras-raf（MAPKKK）-MEK（MAPKK）-ERK1（MAPK）。酪氨酸蛋白激酶的靶蛋白接頭蛋白：它們將活化的RTKs和細(xì)胞內(nèi)的其他信號蛋白連接起來，但其本身并沒有信號作用，如生長因子受體結(jié)合蛋白-2（GRB-2）、SOS蛋白等。

涉及信號傳遞的酶：如GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3-激酶）、磷脂酶C-γ（PLC-γ）和Src蛋白等。盡管活化的RTKs的靶蛋白的結(jié)構(gòu)和功能各異，但基本上都含有高度保守的SH2和SH3（Srchomologyregion）結(jié)構(gòu)域。許多細(xì)胞外因子都能與特異靶細(xì)胞表面的RTKs相互作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞的各種功能。包括細(xì)胞生長和增殖、細(xì)胞分化、巨噬細(xì)胞活動中外源顆粒的吞噬等。研究得最為詳盡是激素如胰島素、生長激素和生長因子，后者中包括表皮生長因子(EGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、纖維細(xì)胞生長因子(FGF)和細(xì)胞因子(Cytokine)。細(xì)胞因子如干擾素(Interferons,INFs)和白細(xì)胞介素(Interleukins,ILs)等都是通過激活RTK后經(jīng)信號傳導(dǎo)途徑發(fā)揮其作用的。在信號傳導(dǎo)過程中，通過加上或移去磷酸基團(tuán)從而改變下游一系列蛋白質(zhì)的活性是信號傳導(dǎo)過程中一個最顯著的特征。細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程的另外一個顯著特征是以GTP結(jié)合蛋白作為“開關(guān)”的某種細(xì)胞活動與另外一些同樣需要GTP結(jié)合蛋白參與調(diào)控的細(xì)胞活動過程相偶聯(lián)。不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交叉聯(lián)系細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)實際上是一個網(wǎng)絡(luò)，各條轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并不是獨立存在而互不相關(guān)，而是相互聯(lián)絡(luò)，一條通路的激活可以啟動或活化另一通路，也可以抑制另一通路，這是所謂信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的“串話（crosstalking）”。這對各條信號通路間的平衡和細(xì)胞的正常活動具有十分重要的意義。

cAMP-PKA通路和PLC-DG-PKC通路間的串話1.PIP2-PLC通路激活cAMP通路：PIP2-PLC的產(chǎn)物IP3可使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，通過Ca2＋-CaM激活A(yù)C-I和AC-Ⅱ型，使細(xì)胞內(nèi)cAMP水平上升，激活PKA通路；過多的Ca2十則可抑制ACⅤ或AC-Ⅵ。2.cAMP通路對PI-PLC通路的負(fù)調(diào)節(jié)作用:當(dāng)細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度增高時，PI-4,5-P2的水解降低，導(dǎo)致DG下降和PKC活力降低。

3.PKA對PKC在基因調(diào)節(jié)水平的拮抗

cAMP反應(yīng)元件（CRE）結(jié)合蛋白（CREB）既可受PKA的催化亞基磷酸化而激活，又可受PKC的磷酸化，后一過程不能激活CREB，反而減少了PKA使CREB磷酸化的機(jī)會；CREB既可和DNA的CRE序列結(jié)合，也可和AP-1（Fos和Jun的異二聚體）作用的TPA反應(yīng)元件（TRE）結(jié)合，這樣，活化的CREB就能和受PKC正調(diào)節(jié)的AP-1競爭TRE位點；CREB可取代Fos和Jun形成異二聚體，阻斷AP-1的形成。

受體Tyr

激酶通路和PKC之間的串話

受體Tyr

激酶活化后可以直接激活PLC，催化生成的DG通過激活PKC，轉(zhuǎn)而激活Raf，啟動Raf-MEK-ERK通路，這就可解釋為什么不少生長因子可以引起PKC活力的升高，以及PKC的激活劑可引起ERK通路中一個信號分子活力的升高，此外，PKC還可對受體Tyr

激酶的胞內(nèi)調(diào)節(jié)區(qū)的Ser或Thr進(jìn)行磷酸化修飾，從而抑制受體Tyr

激酶的活力。

G蛋白通路和受體Tyr

激酶通路間的串話

這兩條通路是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中最主要的通路，各自均有支路如G蛋白-腺苷酸環(huán)化酶-cAMP通路和G蛋白-PLC-DG通路以及受體Tyr激酶-PLC-DG通路等，這兩條大通路之間也在各個層次上互相聯(lián)系，實現(xiàn)串話。

1.G蛋白α亞基或βγ亞基激活PLC，后者催化PIP2水解生成的DG激活PKC，同樣可激活Raf-1。2.G蛋白βγ亞基激活Src蛋白再通過Grb2／Sos進(jìn)入ERK通路。3.G蛋白α亞基激活腺苷酸環(huán)化酶，后者使cAMP升高后活化PKA，而PKA則是Raf-1的負(fù)調(diào)節(jié)因子。如PKA可使Raf-1