細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)展G蛋白課件

細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)展2010.11.12E-mail:內(nèi)容緒論第一章細(xì)胞信號分子第二章蛋白質(zhì)的可逆磷酸化第三章離子通道第四章胞內(nèi)受體的作用機(jī)制第五章G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第六章第二信使——cAMP與cGMP第七章第二信使——IP3,DAG與Ca2+

第八章酪氨酸蛋白激酶途徑Ras-Raf-MAPK信號途徑PI3K/Akt信號途徑JAK/Stat信號途徑第九章TGF-β/SMAD信號途徑第十章細(xì)胞凋亡信號途徑第十一章Wnt信號途徑第十二章Hedgehog/Notch途徑G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)GPCRG蛋白介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)小G蛋白GPCRArtmAchR—A類GPCRsBelongstosubfamilyA18M1(CHRM1,ACM1)M2(CHRM2,ACM2)M3(CHRM3,ACM3)M4(CHRM4,ACM4)M5(CHRM5,ACM5)代謝型離子通道

5-HT受體—A類GPCRs

SubfamilyA175-HT2A(HTR2A,5H2A)5-HT2B(HTR2B,5H2B)5-HT2C(HTR2C,5H2C)5-HT6(HTR6,5H6)SubfamilyA195-HT1A(HTR1A,5H1A)5-HT1B(HTR1B,5H1B)5-HT1D(HTR1D,5H1D)5-HT1E(HTR1E,5H1E)5-HT1F(HTR1F,5H1F)5-HT4(HTR4)5-HT5A(HTR5A,5H5A)5-HT7(HTR7,5H7)5-HT3為離子通道型受體B類GPCRsC類GPCRsCalcium-sensingreceptor-related(CaS)GABABreceptorsMetabotropicglutamatereceptors(mGluR),代謝型谷氨酸受體RAIG(Retinoicacid-inducibleorphanGprotein-coupledreceptors)TastereceptorsOrphanreceptors:孤兒受體，配體未知

Cys-richDomainHeptahelicalDomainAgonistsAntagonistsG-proteinC類GPCRs的一般結(jié)構(gòu)HDVFTCRDVenusFlytrapDomainAllostericModulator,AMmGlu1VFT區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)Kunishimaetal.,Nature,2000OPENwithoutGluCLOSEDwithGluGABAB受體—異二聚體代謝型GABA受體，由B1,B2兩個亞單位組成。B1與配體GABA結(jié)合，B2介導(dǎo)G蛋白的激活。B2可單獨(dú)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜，B1需與B2形成異二聚體才能轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜。B1亞單位的VFT與GABA結(jié)合后，VFT關(guān)閉，引起跨膜部分的構(gòu)象改變，激活G蛋白功能：神經(jīng)遞質(zhì)釋放的突觸前抑制。B1B2離子型GABA受體mGluR—同源二聚體G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)GPCRG蛋白介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)小G蛋白參與G蛋白跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號分子GPCRG蛋白（鳥苷酸結(jié)合蛋白）G蛋白效應(yīng)分子第二信使蛋白激酶等一系列的信號分子G蛋白的活性調(diào)節(jié)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在哺乳動物中，G蛋白的亞基有21種，亞基有5種，亞基有12種。不同的G蛋白能特異地將受體與相應(yīng)的效應(yīng)酶偶聯(lián)起來，將特異的信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)。異源三聚體G蛋白的種類Ｇ蛋白a亞基Gproteina-subunitsubfamilyEffectofactivationGsGsa,GolfaStimulationofadenylylcyclaseGiGia1-3,Goa,GzaInhibitionofadenylylcyclaseGatActivationofcGMPphosphodiesterase(specificforretinalphototransduction)GqGqa,G11a,G14a,G16aActivationofphospholipaseCb(PLCb)G12G12a,G13aActivationofRhoAsignalling;activationofPLCeG蛋白的效應(yīng)分子某些離子通道,接受G蛋白的直接或間接調(diào)控。

酶類:主要有腺苷酸環(huán)化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、磷脂酶A2(PLA2)、鳥苷酸環(huán)化酶(GC)和依賴于cGMP的磷酸二酯酶(PDE)。它們都能通過生成(或分解)第二信使，實現(xiàn)細(xì)胞外信號向細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。G蛋白調(diào)節(jié)的離子通道（a）神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿與心肌細(xì)胞的膜受體結(jié)合，使得G蛋白的α亞基與β、γ亞基分開；（b）激活的β、γ亞基復(fù)合物同K+離子通道結(jié)合并將K+離子通道打開；（c）α亞基中的GTP水解，導(dǎo)致α亞基與β、γ亞基重新結(jié)合，使G蛋白處于非活性狀態(tài)，使K離子通道關(guān)閉。GPCR能夠激活心肌質(zhì)膜的K+離子通道打開,通過神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿調(diào)節(jié)心肌收縮其他G-蛋白2．視覺感受器中的G蛋白視紫紅質(zhì)為7次跨膜蛋白，由視蛋白和視黃醛組成。其信號途徑為：光信號→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞內(nèi)cGMP減少→Na+離子通道關(guān)閉→離子濃度下降→膜超極化→神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少→視覺反應(yīng)。G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)GPCRG蛋白介導(dǎo)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)小G蛋白小G蛋白家族特點：分子量小，21～28kD的小肽，為單體功能：與Gα類似，起分子開關(guān)的作用與大G蛋白相同點：當(dāng)結(jié)合GTP時成為活化形式當(dāng)GTP水解成為GDP時(自身為GTP酶),則回復(fù)到非活化狀態(tài)與大G蛋白不同點：主要受酪氨酸蛋白激酶的調(diào)節(jié) 需要中介蛋白RasRas:大鼠肉瘤(ratsarcoma,Ras)的英文縮寫原癌基因c-ras的表達(dá)產(chǎn)物通過脂肪酸鏈(異戊烯基)嵌入細(xì)胞膜中。Ras.GDP:無活性形式Ras.GTP:活性形式Ras的分類哺乳動物：H-Ras,K-Ras(Ras4A,Ras4B),N-Ras1960s,JenniferHarvey與WernerKirsten發(fā)現(xiàn)大鼠肉瘤中存在病毒，分別命名為HRAS、KRAS病毒。NIH的EdwardM.Scolnick及其同事在HRAS,KRAS病毒中發(fā)現(xiàn)具轉(zhuǎn)化、致癌活性的癌基因。1982年,哈佛的GeoffreyM.Cooper，NIH的MarianoBarbacid、StuartA.Aaronson及MIT的RobertWeinberg在人癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)具轉(zhuǎn)化活性的ras基因。N-Ras:首先在人成神經(jīng)細(xì)胞瘤(neuroblastoma)中發(fā)現(xiàn)。RobertA.WeinbergFoundingmemberofMITWhiteheadInstituteforbiomedicalresearch.Apioneerincancerresearchmostlyknownforitsdiscoveriesofthefirsthumanoncogene–therasoncogenethatcausesnormalcellstoformtumors,andtheisolationofthefirstknowntumorsuppressorgene-theRbgene.1."TheBiologyofCancer"

,byRobertA.Weinberg,June2006,(GarlandScienceTextbooks),864pp.2."OneRenegadeCell"(ScienceMasters)byRobertA.Weinberg,October01,1999,170pp.3."RacingtotheBeginningoftheRoad:TheSearchfortheOriginofCancer",by:RobertA.Weinberg,May01,1996(HarmonyBooks)270pp.4."GenesandtheBiologyofCancer"(ScientificAmericanLibrary)by:HaroldVarmus,RobertA.Weinberg,October01,1992,215pp.5."OncogenesandtheMolecularOriginsofCancer"(MonographSerNo.18),March01,1990,ColdSpringHarbor(R.A.Weinberg,Editor)270pp.Ras的一級序列G-domain:166aa,前164aa高度同源綠色：相同殘基淡紫色：保守替代殘基黃色：高度可變殘基紅色：突變致癌殘基C端：除Cys186外，其他殘基高度可變異戊烯化修飾位點166G-domainC端G1G2G3G4G5鳥苷酸交換因子Ras的翻譯后修飾C端CAAXbox中的Cys在胞質(zhì)中發(fā)生異戊烯化修飾，插入ER膜在ER膜上，-AAX被蛋白內(nèi)切酶切除新的C末端殘基Cys發(fā)生甲基化修飾甲基化的Ras轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)膜,進(jìn)一步發(fā)生棕櫚?；揎?/p>

未經(jīng)異戊烯化修飾的Ras位于胞質(zhì)中，無活性Ras的活性調(diào)節(jié)Ras與GTP、GDP的結(jié)合受RasGEF(鳥苷酸交換因子，guaninenucleotideexchangefactors)與RasGAP(GTPaseactivatingprotein，GTP酶激活蛋白)的調(diào)節(jié)。GEF分兩類：活化型GEF(Guanosinenucleotidedissociationstimulators,GDS)抑制型GEF(Guanosinenucleotidedissociationinhibitors,GDI）Ras的激活與失活Ras基因突變在人類腫瘤中，原癌基因ras的突變較為常見，占腫瘤基因突變的20-30%。它們的產(chǎn)物能抑制細(xì)胞凋亡，加快癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移。H-Ras變異蛋白可見于膀胱癌和腎癌。而在幾乎所有的乳腺癌中都可看到變異的K-Ras。另外在肺癌，大腸癌和直腸癌中都可見其身影。K-Ras的作用很可能是通過Ras-Raf-MEK-ERK途徑實現(xiàn)的,這條途徑不但能促進(jìn)血管生成，還會誘發(fā)癌細(xì)胞的浸潤和轉(zhuǎn)移。Constitutiveactivemutations:P-loop中的G12V突變使Ras對GAP不敏感，從而處于持續(xù)性激活狀態(tài)。參與催化的殘基Q61K突變，降低Ras水解GTP的速度。Dominantnegativemutations:S17ND119NRas超家族亞家族名稱功能Ras細(xì)胞增殖(MAPK信號通路)Rho細(xì)胞骨架的動態(tài)調(diào)節(jié)、細(xì)胞形態(tài)Rab囊泡運(yùn)輸Rap囊泡運(yùn)輸Arf囊泡運(yùn)輸Ran核轉(zhuǎn)運(yùn)RhebmTOR信號通路RadRitMiro線粒體運(yùn)輸Ras超家族成員>100種，根據(jù)氨基酸序列、結(jié)構(gòu)及功能分為10個亞家族：Rho-GTPases分類：Rho:RhoA,RhoC,RhoG,RhoHRac:Rac1,Rac2,Rac3Cdc42:Cdc42,TC10,TLC(TC10-like),Chp,Wrch-1RhoD:RhoD,RifRhoH/TTFRhoBTB:RhoBTB1,RhoBTB2;Miro:Miro-1,Miro-2Rnd:Rnd1,Rnd2,Rnd3(RhoE),不能水解GTP,通常抑制Rho-GTPase信號途徑功能：肌動蛋白細(xì)胞骨架的動態(tài)調(diào)節(jié)，包括細(xì)胞形態(tài)、極性、運(yùn)動、囊泡運(yùn)輸、偽足形成等細(xì)胞生長、增殖、分化、ROS(reactiveoxygenspecies)的產(chǎn)生及存活由來自GPCR,integrins及growthfactor受體的信號所激活細(xì)胞骨架(Cytoskeleton)ActinMicrotubuleIntermediateFilamentCellMotility肌動蛋白細(xì)胞骨架的動態(tài)調(diào)節(jié)Rho:形成張力絲(stressfibers)Rac:membranceruffling,lamellipodium(層狀偽足)CDC42:filopodia(絲狀偽足)FocalAdhesionRed:stressfibersGreen:focaladhesionsFocalAdhesionComplexIntegrin:整合素介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞間的相互作用及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間(fibronectin,vitronectin,collagen,laminin中的RGD三肽序列)的相互作用由α(120~185kD)和β(90~110kD)兩個亞單位形成異二聚體迄今已發(fā)現(xiàn)18種α亞單位和9種β亞單位,它們按不同的組合構(gòu)成25余種整合素Talin,Paxillin,Vinculin:focaladhesionmarkersSrc:non-recpetortyrosinekinaseFAK:focaladhesionkinase張力絲的形成—RhoFilopodiaMacrophageFibroblastsLamellipodiaFibroblastsEarlySpreadingHuveneers,S.etal.JCellSci2009;122:1059-1069RhoGAPsandRhoGEFsRhoE在1996年被發(fā)現(xiàn)的RhoE飾演著抑制癌癥的角色。與其他游移于激活/失活狀態(tài)的G蛋白不同，RhoE持續(xù)與GTP結(jié)合，一直處于激活狀態(tài)，所以其功能的上下調(diào)節(jié)靠的是其表達(dá)水平。根據(jù)另一項研究，RhoE不僅在細(xì)胞增殖方面起到調(diào)節(jié)作用，則在細(xì)胞遷移方面發(fā)揮著其功能，甚至將某些癌細(xì)胞引向細(xì)胞凋亡。LudwigInstituteforCancerResearch的研究人員發(fā)現(xiàn),RhoE會在生長因子的刺激和DNA損壞的情況下表達(dá)增高，因此有可能成為癌癥的生物標(biāo)記。RhoE能阻止肌動蛋白的聚合和應(yīng)力纖維的形成，因此細(xì)胞遷移的能力減弱。RhoE成為癌癥治療的又一新目標(biāo)。Ras超家族亞家族名稱功能Ras細(xì)胞增殖(MAPK信號通路)Rho細(xì)胞骨架的動態(tài)調(diào)節(jié)、細(xì)胞形態(tài)Rab囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)Rap囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)Arf囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)Ran核轉(zhuǎn)運(yùn)RhebmTOR信號通路RadRitMiro線粒體運(yùn)輸Ras超家族成員>100種，根據(jù)氨基酸序列、結(jié)構(gòu)及功能分為10個亞家族：

Rab-GTPases與囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)Rab-GTPasesRas-associatedbinding(Rab)proteins從酵母到人高度保守人：>60種酵母(S.cerevisiae)：11線蟲(C.elegans)：29果蠅(D.melanogaster)：26功能：蛋白質(zhì)與磷脂分子在不同膜結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)—囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)(vesicletrafficking)，包括囊泡的形成、肌動蛋白/微管依賴性的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)、與受體膜的融合以及囊泡之間的信號傳遞。NameYeasthomologLocalizationExpressionFunctionRab1aYpt1pER/cis-GolgiUER-GolgitransportRab2aER/cis-GolgiUGolgi-ERretrogradetransportRab3aSVNeuronsRegulationofneurotransmitterreleaseRab4aEEUEndocyticrecyclingRab5aYpt51pEE,CCV,PMUBudding,motilityandfusioninendocytosisRab6aYpt6pGolgiURetrogradeGolgitrafficRab7Ypt7pLEULateendocytictrafficRab8aSec4pTGN,PMUTGN-PMtrafficRab9aLEULE-TGNtrafficRab11aYpt31pRE,TGNUEndocyticrecyclingviaREandTGNRab27aMelanosomesGranulesMelanocytesPlateletsLymphocytesMovementoflyticgranulesandmelanosomestowardsPM

Rab-GTPases的亞細(xì)胞分布和功能CCV,clathrin-coatedvesicles;EE,earlyendosomes;ER,endoplasmicreticulum;LE,lateendosome;PM,plasmamembrane;RE,recyclingendosome;SV,synapticvesicle;TGN,trans-Golginetwork;U,ubiquitousRab-GTPases6個b片層，5個a螺旋，10個loops(l)紅色：Rab特異性殘基(RabF1-5)；深紫色：Rab亞家族特異性motif(RabSF1-4)；藍(lán)色：高度保守的核苷酸結(jié)合motif(G1-3);PM:phosphate/Mg2+結(jié)合motifC端同源性小，參與Rab-GTPases的亞細(xì)胞定位，而鳥苷酸結(jié)合位點高度保守Rab-GTPaseCyclesRab在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成后，首先與Rabescortprotein(REP)結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合體。RabC末端的Cysmotif在Rab香葉酰香葉基轉(zhuǎn)移酶(Rabgeranylgeranyltransferase,RabGGT)的作用發(fā)生異戊烯化，RabGGT由a,b亞單位組成。REP將Rab轉(zhuǎn)運(yùn)至供體膜(donormembrane)后，與Rab解離，參與下一輪循環(huán)(藍(lán)色箭頭)。Rab-GTPaseCycles(Cont’d)在供體膜上，無活性的Rab.GDP在RabGEF作用下與GDP解離，同時與GTP結(jié)合，成為有活性的Rab.GTP,后者在RabGAP的作用下回復(fù)到無活性的Rab.GDP形式。被激活的Rab可與結(jié)構(gòu)和功能各異的效應(yīng)分子相結(jié)合，包括供體膜上的cargosortingcomplexes、參與囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的動力蛋白(motorprotein)以及調(diào)節(jié)囊泡與受體膜融合的tetheringcomplexes。囊泡與受體膜融合，釋放所轉(zhuǎn)運(yùn)貨物；Rab.GDP在GDP解離抑制蛋白(GDPdissociationinhibitor,GDI)的作用下，從受體膜回到供體膜上，參與下一輪循環(huán)。囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)在供體膜出芽部位，Rab與效應(yīng)分子形成復(fù)合物；出芽部位與供體膜分離，形成轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡。轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡脫去包被蛋白，通過動力蛋白中介分子(motoradapter)與動力蛋白結(jié)合。動力蛋白水解ATP提供能量，使轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡沿微管向受體膜方向運(yùn)動。供體膜上的v-SNARE與受體膜上的t-SNARE相互識別，形成tetheringcomplex。v-SNARE插入受體膜中，供體膜與受體膜融合，釋放所轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)。GDF:GDIdisplacementfactorSNARE:solubleN-ethylmaleimide-sensitivefactorattachmentproteinreceptorSNAREs介導(dǎo)的膜融合v-SNAREiscomprisedoftwoproteins:synaptobrevin&VAMP(VesicleAssociatedMembraneProtein)?t-SNAREismadeupoftheproteins:syntaxinandSNAP-25?Conformationalchangesoccurinthev-SNARE-t-SNARE