腫瘤分子生物學3課件

覃文新癌基因及相關基因國家重點實驗室細胞信號傳導細胞信號傳導系統Cellsignalling

英國詩人JohnDonne:“Nomanisanisland”

Cell:NocellisanislandReferencesandrecommendedreadingsYoshikawaH,MatsubaraK,QianGS,JacksonP,GroopmanJD,ManningJE,HarrisCC,HermanJG.SOCS-1,anegativeregulatoroftheJAK/STATpathway,issilencedbymethylationinhumanhepatocellularcarcinomaandshowsgrowth-suppressionactivity.NatGenet.2001;28(1):29-35.

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2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosis大多數細胞信號傳導系統包括：通過質膜上的特異受體識別來自細胞外部的各種刺激。將信號跨膜傳遞至胞質表面。再將信號傳遞至位于質膜內表面或胞漿內的特殊效應器分子，從而觸發(fā)細胞的各種反應。可能包括基因表達的改變，酶活性的轉換，細胞骨架的重組裝，膜通透性的改變，DNA合成的激活，甚至細胞的死亡等。外界刺激水平下降后，信號分子失活或解體，導致細胞反應停止。一、甾醇類激素作用于靶細胞是以融合擴散的方式通過細胞膜，然后再與細胞內部的受體蛋白作用，轉變成一個有活性的轉錄因子。一氧化氮(NO)這種細胞信使也是以擴散的方式通過細胞膜的。還有一種情況，信使分子與細胞表面受體結合直接激發(fā)細胞起反應，而不是在細胞內產生一個刺激信號后再通過一系列的傳導過程觸發(fā)細胞起反應，如神經遞質乙酰膽堿就是這種機制，當它與骨骼肌細胞上的相應受體結合后，即開啟受體自身的離子通道直接促發(fā)細胞反應。在信號傳導過程中，通過加上或移去磷酸基團從而改變下游一系列蛋白質的活性是信號傳導過程中一個最顯著的特征。細胞信號傳導過程的另外一個顯著特征是以GTP結合蛋白(GTP-bindingproteinsorGproteins)作為“開關”的某種細胞活動與另外一些同樣需要GTP結合蛋白參與調控的細胞活動過程相偶聯。ATPADPATPADPProteinkinase2Proteinphosphatase1Proteinphosphatase3ATPADPProteinphosphatase2PhosphateActiveproteinkinase3PhosphateRESPONSEInactiveproteinkinase1Activeproteinkinase1Inactiveproteinsubstrate(e.g.,transcriptionfactor)Activeproteinsubstrate(e.g.,capableofbindingtopromotersequenceInDNA)P1P1Inactiveproteinkinase3phosphateP1本節(jié)將重點討論下面兩種顯著不同的信號傳導過程一種是配體與細胞膜表面上的受體結合后，通過激活GTP結合蛋白而傳導細胞信號另一種則是配體與受體結合后直接激活與受體相關的酶活性而傳導細胞信號除此之外，還將扼要介紹另外幾種信號傳導途徑。第二信使cAMP的發(fā)現

50年代中期

CaseWesternReserveUniversityEarlSutherland,etal.UniversityofWashingtonEdwinKrebsandEdmondFischer,etal.二、HormonecAMPPKALevelofproteinphosphorylationincreasedLevelofproteinphosphorylationdecreasedActivePhosphatase-1InactivatedPhosphatase-1PActiveformofinhibitor-1Inactiveformofinhibitor-1P磷酸酶I(PhosphataseI)能夠移去多種磷酸化了的酶分子上的磷酸基因。如磷酸化了的磷酸化酶激酶、糖原合成酶和磷酸化酶等。

除了放大功能外，級聯式反應的另外一個特點是該反應鏈中的每一種酶，無論是激酶或是磷酸酶，都是潛在的控制細胞反應的調節(jié)點。★

在不同的組織細胞中，由不同種類的激素(配體)刺激靶細胞產生的cAMP將產生不同的生理反應。1.在肝臟中，腎上腺素刺激肝細胞產生cAMP并激活PKA后，將導致糖原分解；2.在腎臟中，加壓素刺激腎小管細胞產生cAMP并激活PKA后，將造成腎小管細胞膜對水的滲透性下降；3.在甲狀腺中，促甲狀腺激素刺激甲狀腺細胞產生cAMP并激活PKA后，將導致甲狀腺激素的分泌。★

即使是同一激素，在不同的組織細胞中，盡管結合的是同一受體，也能產生不同的生理反應。如腎上腺素，在肝細胞、脂肪細胞和平滑肌細胞中，都是與類似的-腎上腺素能受體結合，同樣產生的也是cAMP，然而反應卻是不同的：肝細胞中糖原分解，脂肪細胞中甘油三酯分解，平滑肌細胞則產生松馳。只有當細胞外第一信使保持較高水平的情況下，cAMP才會連續(xù)不斷的產生；當細胞外第一信使的濃度下降和這些第一信使分子從靶細胞膜上解離下來后，腺苷酸環(huán)化酶失活，cAMP的濃度迅速下降，胞漿中已經存在的那些cAMP分子迅即被腺核苷磷酸二酯酶降解，使反應終止。在真核細胞中，通過胞外刺激，受體與G蛋白之間發(fā)生功能聯系并從而激發(fā)第二信使的產生看來是一種普遍的機制。從酵母到高等動植物，已經發(fā)現了一百多種不同的G蛋白偶聯受體系統，這些受體系統分別接受各種不同的配體刺激，如激素、神經遞質、外激素(pheromones)、氣味分子(odorants)和光子(photons)等。到目前為止，各種G蛋白偶聯受體系統的激活都有著相似的時間秩序，可以用下面的描述來加以說明。1．通過受體激活G蛋白2．G蛋白與效應器分子之間的信號傳輸3．跨膜產生的信號反饋4．反應中止有證據表明：大量不同配體包括激素、神經遞質和感覺刺激等在內，都能夠通過類似的機制跨膜傳送信息，觸發(fā)各種各樣的細胞反應。在不同類型的細胞中，cAMP通過激活蛋白激酶后使不同的蛋白底物磷酸化而引發(fā)各種各樣的反應。其特異性可能主要由位于信號傳導途徑“前端”(Frontend)的不同受體和G蛋白所決定。對于一個給定的配體，其受體會有幾種不同的異構體(Isoform)，這些異構體對相應配體有著不同的親和力，同時對與其相關的特定G蛋白也有著不同的親和力。研究人員已經分離到了9種不同的腎上腺素能受體的異構體和15種不同的5－羥色胺受體的異構體。這些受體的不同異構體可能共存在同一細胞質膜中，也可能存在于不同類型的靶細胞膜中。將信號從受體傳送至效應器分子的異源三聚體G蛋白也存在多種形式，至少有20種不同的G亞基、5種不同的G亞基和7種不同的G亞基已經被分離鑒定。cAMP是第一個被發(fā)現的第二信使，由它觸發(fā)的反應至今仍在發(fā)現當中。除此之外，由G蛋白偶聯受體激活的其它信號傳導途徑還有許多，我們將在下面的章節(jié)中討論幾個例子。神經遞質乙酰膽堿結合到血管平滑肌細胞表面時，引起血管收縮，使血管變狹窄；當外來抗原結合到肥大細胞表面時，會引起細胞分泌組胺，從而引起變態(tài)反應的發(fā)生。這兩個反應，一個導致收縮，另一個導致分泌，卻都是由同樣的細胞信使引起的。這種細胞信使是磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)的衍生物，PI是細胞膜組份中一種較小的分子，它不僅是脂質雙分子層的結構成份，而且也是一系列重要調節(jié)分子的前體。當乙酰膽堿結合到平滑肌細胞表面或抗原與肥大細胞結合時，結合了配體的受體可激活異源三聚體G蛋白，該G蛋白接下來可激活效應器分子磷脂酶C(PhospholipaseC,PLC)。磷脂酶C與腺苷酸環(huán)化酶相似，也位于細胞膜內表面。磷脂酶C可水解PIP2成為肌醇1,4,5,－三磷酸(Inositol1,4,5-trisphosphate,IP3)和甘油二酯(diacylglycerol,DAG)，二者都在細胞信號傳導過程中起著重要作用。經鑒定，由G蛋白激活的磷脂酶C(PLC)是PLC，以區(qū)別于PLC異構體，PLC是由受體型酪氨酸激酶所激活(見本節(jié)下文)。這兩種異構體催化同一反應，但有著不同的性質。肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)是一種小的水溶性分子，能夠迅速擴散。在細胞膜中形成的IP3分子擴散進胞漿，與光面內質網表面IP3特異受體結合。光面內質網是各種細胞鈣離子貯藏場所，其上面的IP3受體不僅僅是受體，而且也是四聚體的Ca2+通道。IP3與受體結合后通道打開，Ca2+擴散至胞漿，與各種靶分子結合，觸發(fā)特異性反應的發(fā)生。IP3的作用是瞬間的，因為它很快就被酶解失活。盡管鈣離子在結構上與環(huán)核苷酸、肌醇磷酸等完全不同，而且也不是一種酶促反應合成的物質分子，但卻和其它胞漿信使一樣也具有同樣重要的作用。在正常情況下，胞漿內的鈣離子濃度是很低的，大約10-7M。與此相對應，在胞外空間或某些細胞器如光面內質網和線粒體內，鈣離子濃度將比正常胞漿的鈣離子濃度高一萬倍。鈣離子在許多重要的細胞生命活動中起著重要作用，包括細胞分裂、分泌、內吞、受精、突觸傳遞、新陳代謝和細胞運動。計算機成像技術鈣離子與熒光染料結合能顯示單細胞中游離鈣離子濃度時間上的變化。

吞噬細胞，向環(huán)境中的吞噬目標靠近、移動并最終將它吞噬的全過程中，鈣離子濃度在吞噬細胞的某些區(qū)域內將會有顯著性的瞬間增加。鈣離子濃度在吞噬細胞中的增加是為了調節(jié)細胞骨架的變化，以滿足吞噬活動的需要。不像環(huán)核苷酸，通過激活蛋白激酶所介導的作用變化不大，鈣離子卻能影響細胞中許多效應器分子，其中包括多種鈣離子依賴的蛋白激酶。鈣離子濃度的升高能夠激活或抑制傳輸系統和各種各樣的酶活性，導致膜的離子通透性發(fā)生改變、膜融合、細胞骨架的重組和肌肉收縮。鈣離子通常不是以自由離子的形式與各種靶蛋白分子發(fā)生作用，而是與某些鈣離子結合蛋白(Calcium-bindingprotein)結合后激發(fā)細胞反應。如鈣調素(Calmodulin)就是鈣離子結合蛋白之一，是60年代末期在腦組織中發(fā)現的一種小分子多肽，在體內廣泛分布。一個鈣調素分子有四個鈣離子結合位點，當它結合一個或一個以上的鈣離子后，該蛋白構象發(fā)生改變，使得其與許多蛋白質分子的親和力增加。在不同的細胞中，鈣離子結合的鈣調素復合物可能與蛋白激酶結合，也可能與環(huán)核苷磷酸二酯酶結合，或者與質膜中鈣離子轉運系統發(fā)生結合。鈣調素廣泛存在于植物、動物和真核微生物中，且有同樣的氨基酸順序。在前文中，我們從高血糖素和腎上腺素的作用機制著手開始了信號傳導的討論，這兩種激素作用的結果使葡萄糖濃度得以升高，供各組織所需。胰島素作用于肝細胞和肌細胞，起動一系列與高血糖素／腎上腺素作用相反的反應，降低血流中的葡萄糖并合成糖原。三、胰島素受體不僅僅是一種結合配體的蛋白，它也是一種酶－一種蛋白酪氨酸激酶(Proteintyrosinekinase)，能特異性的在靶蛋白分子中的酪氨酸殘基上加上一個磷酸基團。酪氨酸激酶參與的是細胞生長和分化的早期調控，而不是細胞中間代謝的調控。胰島素受體具有這種酪氨酸激酶活性，它也被稱之為受體型的酪氨酸激酶(Receptortyrosinekinase,RTK)。已經有50多種不同的RTK得到分離鑒定。與具有7個跨膜單位的G蛋白偶聯受體不同，每個RTK單聚體僅橫跨細胞膜一次。胰島素受體是一個四聚體蛋白，由兩個多肽鏈和兩個多肽鏈組成。鏈位于細胞膜的外表面，含有胰島素結合位點，而鏈則橫跨過膜，將信號跨膜傳送至膜內表面。沒有結合胰島素時，受體的酪氨酸激酶活性是失活的；結合胰島素后，受體的構象發(fā)生變化，其酪氨酸激酶的活性被激活，可將磷酸基團特異性地加到a)其它亞基的特異性酪氨酸殘基上，該反應稱之為“自動磷酸化”(Autophosphorylation)；b)至少兩種底物蛋白分子的多個特定酪氨酸殘基上。這兩種特定的底物蛋白質分子稱之為胰島素受體底物(Insulinreceptorsubstrates,IRSs)。磷酸化的IRSs的唯一功能就是結合并激活“下游”的許多效應器分子。RTKs并不是將底物蛋白的每一個酪氨酸殘基都磷酸化，它們僅將某些特殊氨基酸序列內的酪氨酸殘基磷酸化，這些序列稱之為“磷酸酪氨酸基序”(Phosphotyrosinemotifs)。參與受體型酪氨酸激酶介導的信號傳導途徑的許多蛋白都含有SH2功能域(Src-homologydomain)。該功能域對于磷酸酪氨酸基序具有高親和力，而對于酪氨酸殘基沒有磷酸化的相應蛋白質分子幾乎沒有親和力。當IRS上的磷酸酪氨酸基序被胰島素受體磷酸化后，IRS就會象磁鐵一樣結合到具有SH2功能域這種合適結構的蛋白質效應分子上。胰島素受體一旦被激活，磷酸化的IRS蛋白對于大量不同的含有SH2功能域的蛋白質效應分子起著“錨定位點”(Dockingsites)的作用。每一個被激活的蛋白質效應分子都引發(fā)一條獨立的信號傳導途徑。結果是：胰島素與細胞表面結合后的這種信息能夠沿著幾個不同的獨立傳導途徑在細胞內部傳遞開來。其中之一可能是刺激DNA合成和細胞分裂；另一種途徑可能是刺激葡萄糖轉導體向細胞膜運動，以便向細胞內輸入更多的葡萄糖分子；還有一種途徑可能是導致轉錄因子的激活，開放一系列胰島素特異的基因；還有可能的一種途徑是導致蛋白質合成的激活。

一個研究得較為深入的具有SH2功能域的效應分子是與IRS結合的3－羥基磷脂酰肌醇激酶(Phosphatidylinositol3-hydroxykinase,PI(3)K)。PI(3)K催化的反應是：催化一個磷酸基團加到磷脂酰肌醇(PI)糖環(huán)上的3'－碳原子位置，該酶催化所得到的產物包括PI－3，4－二磷酸和PI－3,4,5－三磷酸，它們是大量肌醇類細胞信使的前體，在許多細胞中，具有各種各樣的功能；更為重要的是磷酸化的PIs的水平與靶細胞生長狀態(tài)的改變密切相關，在胰島素誘導的信號傳導途徑中已經顯示出某些途徑能夠刺激細胞的生長和增殖,有關刺激生長的途徑下文將進一步詳細討論。許多細胞外因子都能與特異靶細胞表面的RTKs相互作用，調節(jié)細胞的各種功能。包括細胞生長和增殖、細胞分化、巨噬細胞活動中外源顆粒的吞噬等。這些因子中研究得最為詳盡是激素如胰島素、生長激素和血液來源的生長因子，后者中包括表皮生長因子(Epidermalgrowthfactor,EGF)、血小板衍生生長因子(Platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)、纖維細胞生長因子(Fibroblastgrowthfactor,FGF)和細胞因子(Cytokins)。細胞因子是一類由免疫細胞分泌后誘導其它免疫細胞發(fā)生反應的一類因子，如干擾素(Interferons,INFs)和白細胞介素(Interleukins,ILs)。所有這些因子都是通過激活RTK后經信號傳導途徑發(fā)揮其作用的。不同于胰島素受體，大多數的RTKs在非活化的細胞中是以單體的形式存在的，只有當配體與RTK單體結合后，這種與配體結合的單體才與另一個RTK單體相互作用形成二聚體。

這種RTK多肽的二聚體化激活了它們的酪氨酸激酶活性，導致其中的一個亞基將另外一個亞基位于胞漿區(qū)域內的大量酪氨酸殘基磷酸化。盡管G蛋白和RTK信號傳導途徑通過不同的機制起作用，它們之間存在著大量類似的共同點。在G蛋白途徑中，G蛋白構象的改變是將信號傳導至細胞內部的分子開關，同樣在RTK途徑中，酪氨酸磷酸化也起著相似的作用。就象腺苷酸環(huán)化酶或磷脂酶C是G蛋白偶聯受體的效應分子一樣，具有SH2功能域的蛋白質也可以看作是RTKs的效應分子。既然不同的細胞可能含有具有相似SH2功能域的不同效應器分子，同一配體就能夠在不同的靶細胞中觸發(fā)不同的反應。

Ras最初是作為一個病毒性癌基因而被發(fā)現。攜帶有該Ras基因的某些腫瘤病毒能使轉化細胞從正常狀態(tài)向惡性狀態(tài)轉變。隨后的研究顯示，象其它癌基因一樣，Ras也存在于包括人體在內的動物的正?；蚪M中。八十年代早期，從幾種人類腫瘤抽提出來的DNA中發(fā)現了一種突變型的Ras，將其導入某些培養(yǎng)中的細胞，這種突變型的Ras基因可使細胞向惡性腫瘤方向發(fā)生轉化，提示該Ras基因的突變可使細胞失去正常生長的控制。后來研究發(fā)現，在所有人類腫瘤中，約有30－40%的腫瘤存在著Ras基因的突變。由于該基因在人類腫瘤發(fā)生中的重要性，許多科學家都把注意力集中到揭示Ras基因產物的作用機制上。直到最近幾年才逐步揭示出Ras基因產物的作用機制。Ras是一個小分子的單聚體G蛋白，位于質膜的內表面，它在多種細胞內信號傳導途徑中起著非常重要的作用。象其它G蛋白一樣，Ras循環(huán)也在GDP結合的非活性形式和GTP結合的活性形式之間進行。Ras的活性形式，能夠激活信號傳導途徑中位于其下游的效應分子。也和其它G蛋白一樣，Ras也具有內在的GTPase活性，將結合在其上的GTP水解成為GDP，其作用就象一個開頭，關閉了Ras蛋白的活性。導致腫瘤形成的Ras基因的突變可使Ras蛋白失去GTase活性。其結果是：Ras突變產物在細胞中始終處于活性狀態(tài)，沿著信號傳導途徑持續(xù)將信號傳遞至下游，使細胞一直處于增殖狀態(tài)。另外，也發(fā)現一種Ras基因的突變產物不能結合GTP，導致細胞不能分裂。Ras被認為參與了細胞內多種不同的信號傳導途徑，是這些信號傳導途徑的聚焦點。在將信號從細胞膜外傳遞至細胞核的過程中，Ras蛋白起著非常重要的作用。整個過程開始于生長因子（如EGF或PDFG）等與各自受體的細胞外功能域結合。一種情況下，Ras代表一種特殊蛋白－指Ras基因的產物。另一種情況下，Ras代表一個小分子GTP結合蛋白的同源性超家族，該家族至少有50個以上由不同基因編碼的成員。這些基因中的一部份所編碼的蛋白(如最初的Rho亞家系)是信號從質膜受體向細胞骨架傳遞過程中的重要成員，最終可使肌動纖維的排列發(fā)生改變，從而影響細胞的形態(tài)、運動和粘附特性。如將Rho蛋白注射入培養(yǎng)中的纖維母細胞，可影響其細胞骨架的重排。生長因子與RTK結合后，RTK胞漿部分由自動磷酸化反應生成的磷酸酪氨酸就成為了一個被稱之為Grb2(Growthfactorreceptorbindingprotein)的SH2底物蛋白分子結合點，然后Grb2在另一個叫做Sos(Sonofsevenless)的蛋白幫助下結合到細胞膜內表面，從這里開始Ras蛋白就參與進來了。在一個未激活的細胞內，Ras與GDP保持結合狀態(tài)；當配體與RTK結合后，吸引Grb2-Sos到細胞膜內表面，Sos蛋白與Ras蛋白結合，使GDP從Ras蛋白上脫離，由GTP取代，造成Ras蛋白被激活。Ras－GTP是最基本也可能是唯一的功能就是吸引另外一個叫做Raf的蛋白與之一同結合到質膜上。Raf蛋白一旦定位在質膜上，就變成了一個有活性的蛋白激酶，激發(fā)一個稱之為MAP(Mitogen-activatedprotein)激酶的級聯式反應。MAP激酶級聯式反應與葡萄糖總動員中由cAMP觸發(fā)的級聯式反應相似，但是它更復雜。級聯式反應中的最后一個蛋白激酶MAPK(MAPkinase)進入到細胞核，將特異的轉錄因子磷酸化。這些被激活的轉錄因子可與被稱之為血清反應元件(Serumresponseelement,SRE)的特異DNA序列結合。之所以稱之為血清反應元件是因為它們可由來自血清中生長因子所傳導的信號所激活。這幾個基因所編碼的蛋白被認為在細胞周期的激活中起著重要作用，最終可起動DNA合成，導致細胞分裂。細胞核并不是MAP激酶級聯式反應的唯一靶向地，最近的研究表明另一個靶向物是胞漿蛋白PHAS-1。PHAS-1的非磷酸化狀態(tài)，可與關鍵性起動因子之一的eIF4E結合。在真核細胞中，eIF4E可使核糖體錨定到mRNA分子上，開始蛋白質合成。當PHAS-1與該起動因子結合后，該因子就不能在蛋白質合成中發(fā)揮它的作用。在激活狀態(tài)下，MAP激酶使PHAS-1磷酸化，其構象會發(fā)生改變，使其失去結合eIF4E的能力；換言之，也就是使得該起動因子在翻譯過程中能夠發(fā)揮它的作用。由此可以看出，在靶細胞中，MAP激酶級聯式反應在轉錄和翻譯的調控上都起著重要作用。

上文描述的有關致有絲分裂因子信號傳導途徑是一個直接從細胞表面受體到細胞核中DNA的“直線”途徑，盡管對于一條特定的信號傳導途徑，這是僅有的通路，但它不是該傳導途徑激活RTK后從細胞表面開始傳遞信號可能選擇的唯一途徑。研究表明信號在細胞內部的傳遞是相當復雜的，如：許多不相關的生長因子，通過與各自的受體結合，最終都能激活同一個效應器分子，如Ras或MAP激酶。同一個配體如EGF或胰島素能夠激活多種不同的效應器分子，使細胞產生多種不同的反應。信號能夠在不同的傳導途徑間交互傳遞(Crosstalk)。四、(一)趨同信號傳導(Convergentsignaling)最近一個最有趣的信號傳導途徑的趨同例子在胰島素反應的研究中被發(fā)現。胰島素與其受體結合，觸發(fā)胰島素受體底物磷酸化，激活PI(3)K；同時胰島素也激發(fā)細胞的其它反應，包括蛋白質合成的激活和刺激生長。胰島素受體底物磷酸化產生一個Grb2“錨點”(Dockingsite)，具有同樣SH2功能域的蛋白質也可以與磷酸化的EGF或PDGF受體結合。由此可以看出，三種不同配體(胰島素、表皮生長因子和血小板衍生生長因子)與其受體結合后起動的信號傳導途徑可共同沿著激活Ras和MAP激酶級聯式反應的途徑傳導下去，在靶細胞中，導致相似的有關促進生長的基因的轉錄和翻譯。(二)趨異信號傳導(divergentsignaling)在上文中曾講過EGF或PDGF與其受體結合后可導致受體自身磷酸化，吸引具有SH2功能域的Grb2蛋白與質膜上受體的胞漿部分結合。Grb2不是唯一的具有可與磷酸酪氨酸基序結合的SH2功能域蛋白；另外，至少還存在著二種其它的SH2蛋白，即PI(3)K和PLC，也能與這些受體結合，經相互作用而被激活。這兩種酶與有關刺激間的相互關系前面已有所討論。PI(3)K是一種對磷脂酰肌醇(PI)磷酸化的酶，而PLC是一種將磷酸化的磷脂酰肌醇水解成IP3和DAG兩種第二信使的酶。這兩種酶位于各自信號傳導途徑的上游。EGF或PDGF與各自的受體結合后不僅可以沿著Ras-MAP激酶途徑傳遞信號，而且也能沿著由磷酸化肌醇觸發(fā)的途徑傳導信號。(三)信號傳導途徑間的交互作用審視一下前面描述過的那些信號傳導途徑，似乎每一條途徑都是直線型傳遞鏈。實事上，信息流在細胞內的流動更象一個相互作用的網絡。這條信息傳遞鏈生成的產物也能參與到另一條信息傳遞鏈中。對細胞內信息傳遞鏈了解得越多，就會發(fā)現信息傳導途徑間的交互作用(Crosstalk)現象就越多。這里不打算將細胞內信號傳導途徑中交互作用的所有方式都歸類出來，只列舉cAMP參與作用的幾個例子來說明交互作用的重要性。人們對于細胞外配體與G蛋白偶聯受體或受體型酪氨酸激酶相互作用后所起動的兩種細胞信號傳導途徑已經進行了較為詳盡的研究。除此之外，還發(fā)現了大量的將細胞外信號傳至細胞內部的其它通路，其中少數比較重要的傳導途徑將在下面略加討論。五、發(fā)現背景1985年，人們發(fā)現了一種缺乏巨噬細胞的突變小鼠，這種小鼠對異常細胞或細菌沒有吞噬能力，在氮代謝上也出現異常。正常小鼠隨著細菌感染和炎癥的發(fā)生會伴隨著尿中氮的排泄增加，但是這種現象在突變小鼠是不存在。后來發(fā)現正常巨噬細胞在培養(yǎng)過程中，其吞噬活動依賴于培養(yǎng)基中的精氨酸，缺乏這種氨基酸，巨噬細胞就不能吞噬外來物；很快就發(fā)現精氨酸是一氧化氮合成酶的底物，在精氨酸氧化代謝過程中產生一氧化氮。該一氧化氮起著細胞內信使的作用，刺激細胞的吞噬活動。炎癥期間，由于巨噬細胞積極參與廣泛的吞噬活動，有大量的一氧化氮生成，一氧化氮的降解代謝產生大量的氮源，這就很好地解釋了為什么會有大量的氮出現在該動物的尿中。血管內皮細胞生成的NO就是其對支配血管的自主性神經所釋放的乙酰膽堿的反應。乙酰膽堿與內皮細胞表面結合，產生一個使胞漿內Ca2＋濃度升高的信號，激活NO合成酶，在內皮細胞內生成的NO跨細胞膜擴散至相鄰的平滑肌細胞，在這里NO激活鳥苷酸環(huán)化酶(Guanylylcyclase)，催化合成cGMP，cGMP觸發(fā)的反應是導致肌肉松馳，緊接著血管膨脹。NO介導的血管膨脹機制的發(fā)現很好地解釋了硝酸甘油的作用機制。硝酸甘油用于治療心臟血供不足導致的心絞痛已有若干年，硝酸甘油在體內降解產生NO，可刺激心臟周圍血管平滑肌松馳，促使血液回流心臟。大多數研究者認為身體內生成的NO是決定人血壓高低的重要因素。在腦和支配各種周圍器官的脊神經的某些區(qū)域內，發(fā)現其中的神經細胞含有高濃度的NO合成酶，在這些神經細胞中生成的NO被認為起著神經遞質的作用，可在靶細胞內引發(fā)特異性反應，包括腸平滑肌的蠕動、收縮、陰莖勃起時的充血反應等。對NO合成酶的研究成果啟發(fā)了研究人員著手開展對血紅素氧合酶的研究。血紅素氧合酶催化血紅蛋白中血紅素的降解，血紅蛋白是由衰老死亡的血細胞產生的。人們發(fā)現血紅素氧合酶在某些神經細胞內也有很高的水平，它們并不是起著對血紅素進行降解的作用。神經系統中血紅素氧合酶催化生成的產物之一是一氧化碳(CO)，與NO一樣，CO也是空氣中有毒的污染物。有越來越多的證據表明CO起著化學信使的作用，在靶細胞中刺激產生cGMP。CO在神經功能中起作用的證據來源于對嗅覺神經元的研究，嗅覺神經元在氣味分子的刺激下，生成CO，cGMP水平也顯著升高。當用抑制血紅素氧合酶藥物處理動物時，嗅覺神經元中cGMP的升高將被阻斷。非溶性物質非細胞物質如基底膜(Basementmembrane)其它細胞的表面。整合素(Integrin)是細胞和外界物質、細胞和細胞之間接觸點上的二聚體膜蛋白受體。在一個生長的個體中，有證據顯示整合素的細胞外功能域與細胞外配體如細胞外基質中的纖維結合素(Fibronectin)之間存在著相互作用，在細胞內產生一個導致Ca2＋釋放進胞質的信號，增加肌醇類第二信使的合成和細胞內蛋白質酪氨酸磷酸化的水平，最終導致基因表達發(fā)生改變。局部粘附性激酶(Focaladhesionkinase,FAK)是在這些變化中起作用的效應器分子之一，它是一種酪氨酸蛋白激酶。之所以叫這個名字，是因為它在局部粘附區(qū)域內濃度集中，特別是在細胞接觸位點的質膜內表面。在由整合素介導的細胞骨架重組反應中，FAK起著效應分子的作用，細胞骨架的重組影響到細胞的生長和行為表現。如大鼠成纖維細胞與培養(yǎng)皿接觸時其細胞膜表面下就呈現出局部粘附反應。FAK也已經被認為是觸發(fā)血小板聚集反應的效應分子。血小板是血中存在的一種無核細胞，負責血管受傷部分的止血。血小板通過其表面與某些血液中的蛋白如纖維蛋白原(Fibrinogen)接觸而刺激血小板的聚集。有證據表明纖維蛋白原與血小板質膜上整合素的細胞外功能域結合，通過跨膜信號傳遞激活胞漿內的FAK分子，使得參與血小板聚集反應的一系列胞漿蛋白磷酸化。這也解釋了Glanzmann's血小板機能不全患者其血小板上由于缺乏整合素而不能被纖維蛋白原激活，從而導致疾病的發(fā)生。蛋白磷酸化是一個重復可逆的修飾過程，由蛋白激酶加上去的磷酸基因能夠由蛋白磷酸酶除去，所以，激酶和磷酸酶在它們的底物上具有相反的作用效果。當磷酸化激活該底物時，去磷酸化則使它失活；反過來也一樣。與蛋白激酶一樣，某些磷酸酶也是多功能的，能夠從許多不同的蛋白質上移去磷酸基團。然而有一些磷酸酶卻是相當特異的，僅能夠從一、兩種底物分子上移走磷酸基團。與激酶一樣，大多數磷酸酶要么從絲氨酸／蘇氨酸殘基上移走磷酸基團，要么從酪氨酸殘基上移走磷酸基團，但不會同時具有從絲氨酸／蘇氨酸和酪氨酸殘基上移走磷酸基團的功能。然而，少數已知的雙重特異性磷酸酶卻能夠從這三種氨基酸殘基上移走磷酸基團。以上所有這些蛋白磷酸酶都是可溶性的胞漿酶。另外一類新發(fā)現的磷酸酶，它們橫跨質膜，行使著細胞表面受體的作用，參與細胞信號傳導和細胞粘附，這些分子稱作為受體樣蛋白質酪氨酸磷酸酶(Receptorlikeproteintyrosinephosphatases,RPTPs)。RPTPs作為細胞粘附分子的作用，可以用實驗來證實。RPTP是RPTPs分子中的一種，將其基因導入通常情況下相互間沒有粘附特性的昆蟲細胞，由于該基因導入后，其表面產物出現在細胞膜上，通過細胞膜上的RPTPs分子與鄰近細胞發(fā)生特異的相互作用而聚集在一起，導致這些轉化了的細胞聚集成簇。該實驗提示RPTPs起著細胞粘附分子的作用。RPTPs的細胞外部份含有與其它細胞粘附分子(如Fibronectin)相似的功能域，在細胞粘附和跨膜信號傳導過程中，RPTPs分子起著直接的聯系作用。下列事件發(fā)生在所有胚胎發(fā)育過程中：

1.

中樞神經系統之外朝向靶器官發(fā)育的神經元的生長超過了支配該器官的需要；2.

T淋巴細胞(負責殺傷異常和感染細胞的免疫細胞)的產生過程中出現了那些有能力攻擊自身正常細胞的T淋巴細胞；3.

人類手的早期形狀類似魚鰭，在以后將要成為手指的組織之間沒有任何空間。上面的任何一種情況，細胞已不再為生物體所需(如過多的神經元細胞和手指縫之間的細胞)或細胞具有傷害自身個體的能力(如T淋巴細胞)時，這些細胞將經歷稱之為細胞凋亡的過程而發(fā)生死亡。不象組織意外受傷時出現的細胞死亡(這種死亡稱之為壞死)，凋亡是一種有序的程序性細胞死亡。其過程大致為細胞接收到某種信號，從而起動一個導致細胞死亡的正常反應。凋亡過程中需要激活一系列特異的基因，這些基因通過影響細胞周圍的環(huán)境而導致細胞的死亡。細胞凋亡的特征是細胞和細胞核濃縮，在特定的DNA內切酶作用下，染色質被有序的切成小片段，并迅速地被巨噬細胞將正在凋亡的細胞吞噬。象上面例子中提到的那樣，凋亡通常發(fā)生在胚胎發(fā)育過程中，但也發(fā)生在成年組織中。對于摧毀身體中那些將要發(fā)展成惡性腫瘤的細胞，誘導細胞發(fā)生凋亡具有特別重要的意義。在沒有雄激素睪酮存在的情況下，前列腺內皮細胞將發(fā)生凋亡，這就是為什么已經廣泛擴散到其它組織的前列腺癌能夠用干擾睪酮產生的藥物來治療的機理。

Bcl-2/adenovirusE1B19kDInteractingProteinLikeBNIPLBNIP-2:(BoydJM,etal.Cell,1994):Pro-apoptoticgeneBNIPL:68%positive(43%identity)withBNIP-2Aschematicdiagramshowingtheapproximatelocationsoftheexonsandthesplicingarrangementofthe5’endsofBNIPL_v1andBNIPL_v2.

TwoyeasthybridassayofBNIPLinteractingproteins

BNIPLcdc42GAP、Bcl2anditselfinteractionPull-downAssayInterferingeffectsofBNIPLtoGAPactivityofCdc42GAPtowardCdc42-----0.522----0.521----0.52-2---0.52-1---0.52--11-0.52--0.50.5-0.52--2--0.52--1--0.52----BNIPL_v2DBCH----BNIPL_v1DBCH----BNIPL_v221--BNIPL_v1--1-BSA-Cdc42GAP2222Cdc42-----0.522----0.521----0.52-2---0.52-1---0.52--11-0.52--0.50.5-0.52--2--0.52--1--0.52----BNIPL_v2DBCH----BNIPL_v1DBCH----BNIPL_v221--BNIPL_v1--1-BSA-Cdc42GAP2222Cdc42(mg)100806040200Cdc42GTPaseactivity(%)BasiccontrolGAPcontrolBSABNIPL_v1BNIPL_v2BNIPL_v1+BNIPL_v2BNIPL_v1DBCHBNIPL_v2DBCH1μg2μg1g2gBcl-2Cdc42GAPBNIPLBNIPLModeofBNIPproteininteractionBNIPLinduceshumanhepatoma7402cellapoptosisQinWX,etal.IdentificationofageneencodingBNIPL,alinkerproteininteractswithBcl-2andCdc42GAP(Submitted).NormalcoloncellIncreasedcellgrowthEarlystageadenomaIntrmediatestageadenomaLatestageadenomaCarcinomaMetastasisAPCgenelossDNAlosesmethylgroupsrasgenemutationDCCgenelossp53genelossOthergenelossesOneofavarietyofpossiblesequencesofgeneticchangesinacelllineagethatcanleadtothedevelopmentofColoncancer.癌基因最初被發(fā)現時，已經預見到其所編碼的正常蛋白參與了細胞生長的調控。后來該預見已經反復被證實。如Ras信號傳導途徑中的許多蛋白組份即是由最初所發(fā)現的這些癌基因所編碼的，其中包括Ras、Raf和信號傳導途徑末端被激活的一些轉錄因子c-fos等。還有一些位于信號傳導途徑起始端編碼RTKs的基因，如EGF受體和PDGF受體基因等。所有這些癌基因中，Ras似乎在人類腫瘤形成的過程中起著非常重要的作用。從那些存在于信號傳導途徑中的基因發(fā)生突變后可使腫瘤發(fā)生的許多蛋白組份可以看出，在控制細胞生長和增殖的活動中信號傳導途徑的重要性。人們期望近年來對Ras在正常細胞活動中作用的研究，能更好地理解Ras基因變化了的癌細胞是如何