第9章 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第9章細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

CellSignalTransduction許聰細(xì)胞生物學(xué)教研室1本章主要內(nèi)容細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號傳遞G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)其它細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號通路細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的整合與控制2細(xì)胞通訊（cellcommunication）(重點(diǎn))

一個細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)（配體）傳遞到另一個細(xì)胞并與靶細(xì)胞相應(yīng)的受體相互作用，然后通過細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生靶細(xì)胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為靶細(xì)胞整體的生物學(xué)效應(yīng)的過程。細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（cellsignaltransduction）

細(xì)胞將外部信號轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨響?yīng)答反應(yīng)的過程，這是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間通訊的關(guān)鍵過程。

第一節(jié)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述3一、細(xì)胞通訊1.方式

化學(xué)信號（chemicalmessengers）通訊

接觸依賴性通訊（contact-dependentsignaling）

間隙連接（gapjunction）胞間連絲（plasmodesma）4化學(xué)信號通訊作用方式內(nèi)分泌旁分泌化學(xué)突觸自分泌5一、細(xì)胞通訊2.步驟①-②信號細(xì)胞合成并釋放信號分子（配體）；③轉(zhuǎn)運(yùn)信號分子至靶細(xì)胞；④信號分子與靶細(xì)胞表面受體特異性結(jié)合并導(dǎo)致受體被激活；⑤活化的受體啟動靶細(xì)胞內(nèi)一種或多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑；⑥引發(fā)細(xì)胞代謝、功能或基因表達(dá)的改變；⑦-⑧解除信號并導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)終止。6一、細(xì)胞通訊3.功能存活生長+分裂分化死亡7二、幾個基本概念（重點(diǎn)）信號分子受體第二信使分子開關(guān)89（一）信號分子（配體）Signalmolecule(Ligand):細(xì)胞的信息載體，能與靶細(xì)胞受體結(jié)合并傳遞信息。物理信號：聲、光、電、溫度化學(xué)信號：激素、局部介質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)9化學(xué)信號分子氣體性信號分子：NO、CO特點(diǎn)：可自由擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞激活效應(yīng)酶。親脂性信號分子：主要是甾類激素和甲狀腺素特點(diǎn)：分子小、疏水性強(qiáng)，可穿過細(xì)胞膜與細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核中受體結(jié)合形成激素－受體復(fù)合物,調(diào)節(jié)基因表達(dá)。親水性信號分子：神經(jīng)遞質(zhì)、局部介質(zhì)和多數(shù)蛋白類激素特點(diǎn)：不能穿過脂雙層，只能與靶細(xì)胞表面受體結(jié)合，再經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)。101.概念

受體（receptor）是一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子，多為糖蛋白。受體結(jié)合特異性配體后被激活，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑將胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)化學(xué)或物理信號，以啟動一系列過程，最終表現(xiàn)為細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。一般至少包括兩個功能區(qū)域，與配體結(jié)合的區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域，分別具有結(jié)合特異性和效應(yīng)特異性。（二）受體11細(xì)胞內(nèi)受體細(xì)胞表面受體（二）受體2.類型親水性信號分子小的親脂性信號分子12細(xì)胞內(nèi)受體位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)或核基質(zhì)中；識別并結(jié)合小的脂溶性分子；通常是基因調(diào)控蛋白或酶，與信號分子結(jié)合后被激活。13細(xì)胞表面受體A.離子通道偶聯(lián)受體（ionchannel-coupledreceptor）B.G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupledreceptor，GPCR）

C.酶聯(lián)受體（enzyme-linkedreceptors）143.特點(diǎn)同一信號分子作用于不同靶細(xì)胞的受體后，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。如：乙酰膽堿作用于骨骼肌細(xì)胞引起收縮，作用于心肌細(xì)胞收縮減緩，作用于唾液腺引起唾液分泌。同一靶細(xì)胞上不同的受體應(yīng)答不同的胞外信號，產(chǎn)生相同的效應(yīng)。如：肝細(xì)胞腎上腺素或胰高血糖素受體在結(jié)合各自配體后，都能促進(jìn)糖原降解而升高血糖。每種細(xì)胞都有一套多種類型的受體，應(yīng)答多種不同的胞外信號從而啟動細(xì)胞不同生物學(xué)效應(yīng)，如：生長、分裂、分化或調(diào)亡。（二）受體15不同靶細(xì)胞以不同方式應(yīng)答于相同化學(xué)信號16受體轉(zhuǎn)導(dǎo)胞外信號引發(fā)快反應(yīng)和慢反應(yīng)17（三）第二信使“第一信使”-----細(xì)胞外信號分子第二信使（secondmessenger）

由Sutherland于70年代提出，并因此而獲得諾貝爾獎。指在胞內(nèi)產(chǎn)生的非蛋白類小分子，其濃度變化應(yīng)答于胞外信號與細(xì)胞表面受體的結(jié)合，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中行使攜帶和放大信號的功能。18（三）第二信使目前公認(rèn)的第二信使包括cAMP（環(huán)腺苷酸）、cGMP（環(huán)鳥甘酸）、Ca2+、

DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）等。19分子開關(guān)（molecularswitch）：通過活化（開啟）和失活（關(guān)閉）2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換來控制下游靶蛋白的活性的調(diào)控蛋白。GTPase超家族蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化Ca2+的結(jié)合或解離（四）分子開關(guān)20GTPase超家族GTP結(jié)合蛋白，包括三聚體（大G蛋白）和單體（小G蛋白），都具有GTPase活性，都具有2種存在狀態(tài)：即G蛋白·GTP為活化的“開啟”狀態(tài)，而G蛋白·GDP為失活的“關(guān)閉”狀態(tài)。21蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化通過蛋白激酶（proteinkinase）使靶蛋白磷酸化，通過蛋白磷酸水解酶（proteinphosphatase）使靶蛋白去磷酸化，從而調(diào)節(jié)靶蛋白的活性。22Ca2+的結(jié)合或解離鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）23細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號通路5個步驟：受體特異性識別并結(jié)合胞外信號分子，形成受體－配體復(fù)合物，導(dǎo)致受體激活受體構(gòu)象改變，導(dǎo)致信號初級跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，靶細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使或活化的信號蛋白胞內(nèi)第二信使或胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物裝配，起始胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應(yīng)細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)受體脫敏或受體下調(diào)，終止或降低細(xì)胞反應(yīng)三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)基本組成及信號蛋白相互作用24蛋白質(zhì)模式結(jié)合域（modularbindingdomain）25蛋白質(zhì)模式結(jié)合域及其結(jié)合基序特異性26（二）細(xì)胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性基于支架蛋白基于受體活化域基于肌醇磷脂27（三）信號系統(tǒng)的主要特性三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性特異性放大效應(yīng)脫敏/適應(yīng)整合作用28第二節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞親脂性小分子-類固醇激素、視黃酸、維生素D和甲狀腺素受體在細(xì)胞核內(nèi)脂溶性氣體分子NO-受體具有鳥苷酸環(huán)化酶活性個別親脂性小分子

-如前列腺素受體在細(xì)胞質(zhì)膜上29一、細(xì)胞內(nèi)核受體及其對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)受體超家族本質(zhì)是依賴激素激活的基因調(diào)控蛋白。3個功能域C端激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域中部DNA或Hsp90結(jié)合結(jié)構(gòu)域N端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域激素－核受體復(fù)合物與激素應(yīng)答元件（HRE）結(jié)合，誘導(dǎo)基因活化①快速的初級反應(yīng)階段②延遲的次級反應(yīng)階段30快速的初級反應(yīng)和延遲的次級反應(yīng)31二、NO氣體信號分子進(jìn)入靶細(xì)胞直接與酶結(jié)合32“明星分子”——NONO為脂溶性氣體，可快速擴(kuò)散透過細(xì)胞膜，作用于臨近靶細(xì)胞；血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞是NO的生成細(xì)胞；NO的生成以精氨酸為底物由NO合成酶（NOS）催化，以NADPH為電子供體，生成NO和瓜氨酸；NO的效應(yīng)酶是鳥苷酸環(huán)化酶。33NO在導(dǎo)致血管平滑肌舒張中的作用乙酰膽堿→血管內(nèi)皮→Ca2+濃度升高→NO合酶→NO→平滑肌細(xì)胞→鳥苷酸環(huán)化酶→cGMP→PKG→平滑肌舒張→血管擴(kuò)張、血流通暢34硝酸甘油治療心絞痛：其作用機(jī)理是硝酸甘油代謝生成NO，后者刺激心臟血管平滑肌細(xì)胞舒張，從而增加心臟供血。敗血癥休克?。涸摬∈窃谀承└锾m氏陽性菌感染細(xì)胞時，誘發(fā)巨噬細(xì)胞在全身釋放NO,再由NO觸發(fā)大范圍的血管舒張。已顯示一氧化氮合酶的抑制物有望成為一種治療敗血癥休克的有效藥物。NO與藥物35第三節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（重點(diǎn)）G蛋白受體效應(yīng)物36一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活1.受體：一條多肽鏈組成的跨膜蛋白跨膜：7次跨膜α螺旋區(qū)(H1-H7)，4個細(xì)胞外肽段(E1-E4)，4個細(xì)胞內(nèi)肽段(C1-C4)膜外：配體結(jié)合的區(qū)域(E4)膜內(nèi):

C3環(huán)結(jié)構(gòu)域和有些受體的C2環(huán)，是與G蛋白相互作用的位點(diǎn)，配體的結(jié)合引起受體胞內(nèi)域活化G蛋白

372.G蛋白G蛋白是三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）的簡稱，位于質(zhì)膜胞漿一側(cè)。由Gα、Gβ、Gγ三個亞基組成，Gβ和Gγ亞基以異二聚體存在；Gα和Gβγ亞基通過共價結(jié)合的脂肪酸鏈尾結(jié)合在膜上；Gα亞基本身具有GTPase活性，是分子開關(guān)蛋白。一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活38393.效應(yīng)物（effector）：指直接產(chǎn)生效應(yīng)的物質(zhì)，它們是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的催化單位。A:離子通道B:腺苷酸環(huán)化酶C:磷脂酶C一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活39哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應(yīng)器404.G蛋白偶聯(lián)受體的激活一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活41一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活42一、G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活43二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路G蛋白偶聯(lián)受體主要有3類：激活離子通道激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶(AC)，以cAMP為第二信使激活磷脂酶C(PLC)，以IP3和DAG作為雙信使44（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號通路心肌細(xì)胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道受體通過三聚體Gi蛋白與K+通道相聯(lián)系。乙酰膽堿的結(jié)合以常見的方式引發(fā)Giα亞基活化并與Gβγ解離，釋放的Gβγ亞基（而不是Giα-GTP）結(jié)合并打開K+離子通道，K+通透性增加，使膜超級化，降低心肌收縮頻率。當(dāng)與Giα結(jié)合的GTP水解形成GDP時，Giα-GDP重新與Gβγ結(jié)合。45Gt蛋白偶聯(lián)的光敏感受體的活化誘發(fā)cGMP門控陽離子通道的關(guān)閉（一）激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導(dǎo)的信號通路光→視紫紅質(zhì)（感受弱光刺激）→Gt蛋白（傳導(dǎo)素）（GtαGβγ）→Gtα→cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性γ亞基→cGMP-PDE（α/β）→cGMP水解→cGMP門控陽離子通道關(guān)閉→膜瞬間超極化→視神經(jīng)→腦→視覺反應(yīng)46（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體受體：刺激性激素的受體(Rs)；抑制性激素的受體(Ri)G蛋白：刺激性G蛋白(Gs)；抑制性G蛋白(Gi)效應(yīng)酶：腺苷酸環(huán)化酶（AC）第二信使47腺苷酸環(huán)化酶（AC）和環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)腺苷酸環(huán)化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降解cAMP生成5’-AMP，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP水平下降48蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）無活性的PKA是含有2個調(diào)節(jié)亞基(R)和2個催化亞基(C)的四聚體，每個R亞基上有2個cAMP結(jié)合位點(diǎn)cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活PKA49以cAMP為第二信使的信號通路501.cAMP-PKA信號與糖原代謝512.cAMP-PKA信號通路與基因表達(dá)調(diào)控信號分子與受體結(jié)合通過G蛋白活化腺苷酸環(huán)化酶，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度增高，激活蛋白激酶A，活化的PKA（催化亞基）轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核，使基因調(diào)控蛋白（cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的CREB與CBP（CREB結(jié)合蛋白）形成復(fù)合物，與靶基因調(diào)控序列（

CRE）結(jié)合，增強(qiáng)靶基因的表達(dá)。52霍亂毒素與百日咳毒素對G蛋白的特殊作用

霍亂毒素具有ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶活性，催化胞內(nèi)NAD+中的ADP-核糖基共價結(jié)合在Gsα亞基上，結(jié)果使Gsα亞基喪失GTPase活性，導(dǎo)致Gsα亞基被“鎖定”在持續(xù)活化狀態(tài)并不斷地激活A(yù)C，cAMP增加100倍以上，致使細(xì)胞大量Na+和水分子持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。

百日咳毒素催化Giα亞基ADP-核糖基化，結(jié)果阻止與Giα亞基結(jié)合的GDP的釋放，使Giα亞基被“鎖定”在非活化狀態(tài)，失去對AC的抑制作用，導(dǎo)致氣管上皮細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高，促使液體、電解質(zhì)和黏液分泌減少。53（三）激活磷脂酶C、以IP3和DAG作為雙信使G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號通路胞外信號分子與細(xì)胞表面G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C(PLC)，使質(zhì)膜上的磷脂酰肌醇(PI)最終水解為三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG)兩個第二信使，使胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號，兩個第二信使分別以不同的方式引起細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)。54IP3-Ca2+和DAG-PKC雙信使信號通路反應(yīng)鏈：胞外信號分子

G蛋白偶聯(lián)受體

G蛋白磷脂酶C(PLC)

→IP3→胞質(zhì)Ca2+濃度升高→Ca2+-CaM復(fù)合體→靶蛋白磷酸化→細(xì)胞應(yīng)答→DAG→激活PKC→靶蛋白或基因調(diào)控蛋白的磷酸化→細(xì)胞應(yīng)答551.IP3-Ca2+信號通路與鈣火花IP3打開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IP3-門控Ca2+通道，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+濃度迅速升高。鈣火花（Ca2+spark）：在短短的10ms內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)某一微區(qū)Ca2+探針Fluo-3的熒光強(qiáng)度驟升1倍，隨后又在20ms內(nèi)消失，故稱鈣火花。鈣火花在時空上的疊加形成了細(xì)胞水平的鈣振蕩。56Ca2+-CaMCa2+通過鈣調(diào)蛋白發(fā)揮作用。鈣調(diào)蛋白（calmodulin,CaM）：每個CaM分子由148氨基酸殘基組成，含四個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域可結(jié)合1個Ca2+。CaM是一種廣泛分布的高度保守的小分子Ca2+結(jié)合（應(yīng)答）蛋白，參與許多Ca2+依賴性的生理反應(yīng)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Ca2+通過形成Ca2+-CaM復(fù)合物將靶酶激活或抑制，這是一種受Ca2+濃度控制的可逆反應(yīng)。572.DAG-PKC信號通路細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中Ca2+濃度的升高，導(dǎo)致蛋白激酶C（PKC）轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DAG活化；PKC通過使底物蛋白磷酸化使細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)答反應(yīng)（細(xì)胞分泌、肌肉收縮、細(xì)胞增殖及分化）。PKC向細(xì)胞膜移動活化PKC582.DAG-PKC信號通路途徑1：PKC激活一系列磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致MAP激酶（MAPK）的磷酸化并使之活化，MAPK磷酸化并活化基因調(diào)控蛋白Elk-1。

Elk-1與另一種DNA結(jié)合蛋白——血清應(yīng)答因子（SRF）共同結(jié)合在短的DNA調(diào)控序列（血清應(yīng)答元件，SRE）上，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄；途徑2：PKC的活化導(dǎo)致I-κB磷酸化，使基因調(diào)控蛋白NF-κB與I-κB解離并進(jìn)入細(xì)胞核，與相應(yīng)的基因調(diào)控序列結(jié)合激活基因轉(zhuǎn)錄。59小結(jié)：G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)60第四節(jié)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)酶聯(lián)受體又稱催化性受體（catalyticreceptors）是一大類與酶連接的細(xì)胞表面受體。酶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)：跨膜蛋白，由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)三部分組成：

胞外區(qū)是受體與配體結(jié)合的部位，胞內(nèi)區(qū)具有酶的催化活性，跨膜區(qū)為疏水肽段，作用是連接胞外區(qū)和胞內(nèi)區(qū)。61第四節(jié)酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受體酪氨酸激酶受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體酪氨酸磷酸酯酶受體鳥苷酸環(huán)化酶酪氨酸蛋白激酶聯(lián)受體62一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路（重點(diǎn)）受體酪氨酸激酶（RTK）包括7個亞族絕大多數(shù)RTK是單體跨膜蛋白N端位于細(xì)胞外，是配體結(jié)合域，C端位于胞內(nèi)，具有酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，并具有自磷酸化位點(diǎn)RTK的主要功能控制細(xì)胞的生長、分化63受體酪氨酸激酶的激活在靜息狀態(tài)RTK活性很低，信號分子與受體結(jié)合導(dǎo)致受體二聚化，受體的二聚化激活酪氨酸激酶活性，進(jìn)而在二聚體內(nèi)彼此交叉磷酸化受體胞內(nèi)段的酪氨酸殘基（自磷酸化autophosphorylation）激活的RTK內(nèi)的磷酸酪氨酸殘基可被含SH2結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)信號蛋白所識別，啟動信號傳導(dǎo)64Ras蛋白

Ras蛋白：由190個氨基酸殘基組成的單體GTP結(jié)合蛋白，是一種GTPase開關(guān)蛋白

Ras蛋白GTP-GDP轉(zhuǎn)換機(jī)制：鳥苷酸交換因子（GEF）使Ras蛋白活化（開啟）；GTP酶促進(jìn)蛋白（GAP）使Ras蛋白失活（關(guān)閉）65活化的RTK激活Ras蛋白生長因子受體結(jié)合蛋白GRB2，具有SH2