發(fā)育生物學(xué)胚胎發(fā)育的信號(hào)傳導(dǎo)途徑省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

發(fā)育中信號(hào)傳導(dǎo)1/71細(xì)胞通訊：一個(gè)細(xì)胞發(fā)出信息經(jīng)過介質(zhì)傳遞到另一個(gè)細(xì)胞，并使之產(chǎn)生對(duì)應(yīng)反應(yīng)。CELLCOMMUNICATION2/71細(xì)胞間通訊在胚胎發(fā)育中起關(guān)鍵作用。細(xì)胞本身分化命運(yùn)也受到周圍細(xì)胞影響。

信號(hào)傳導(dǎo)是細(xì)胞間通訊主要形式。CELLCOMMUNICATION3/71信號(hào)傳導(dǎo)：由信號(hào)細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)分子(signalingmolecular),誘導(dǎo)靶細(xì)胞(targetcell)發(fā)生某種效應(yīng)。靶細(xì)胞通常經(jīng)過特異性受體識(shí)別細(xì)胞外信號(hào)分子，并把細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)，引發(fā)細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，這一過程稱為信號(hào)傳導(dǎo)(signaltransduction)信號(hào)傳導(dǎo)4/71Embryogenesisiscontrolledbysurprisinglyfewsignaltransductionpathways:TGFβ/BMPSerine/ThreoninekinasereceptorsReceptorTyrosinekinasessuchasFGF,EGF,IGF,InsulinWntsSonicHedgehogNotchNuclearhormonereceptorsOnlyafewsignalingpathwayspatterntheembryo,buttherearehundredsofdifferentiatedcelltypesinthehumanbody.Thesamesignalscantriggerdifferenttypesofcelldifferentiationresponsesincellsofdifferentdevelopmentalhistory.Fig.95/71信號(hào)傳導(dǎo)6/71

信號(hào)分子

信號(hào)分子：化學(xué)分子與受體結(jié)合傳遞信息化學(xué)本質(zhì)：蛋白質(zhì)、肽、氨基酸、核苷酸、脂類、膽固醇衍生物等。信號(hào)傳導(dǎo)基本過程7/71信號(hào)傳導(dǎo)基本過程受體與信號(hào)接收受體：是一個(gè)能識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體大分子物質(zhì)，多為糖蛋白。特異性（結(jié)合特異性和效應(yīng)特異性）、飽和性、高度親協(xié)力8/71信號(hào)傳導(dǎo)基本過程受體分類細(xì)胞內(nèi)受體細(xì)胞表面受體類固醇激素受體9/71信號(hào)傳導(dǎo)基本過程第二信使與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)胞外化學(xué)信號(hào)不能進(jìn)入胞內(nèi)，它作用于細(xì)胞表面受體，而造成產(chǎn)生胞內(nèi)第二信使，從而激發(fā)一系列生化反應(yīng)，最終產(chǎn)生一定生理效應(yīng)，第二信使降解使其信號(hào)作用終止。胞內(nèi)5種最主要第二信使：

cAMPcGMPCa2+

二?；视停―AG）肌醇三磷酸（IP3）10/71信號(hào)傳導(dǎo)11/71Commonintercellularsignalsinvertebrate

embryonicdevelopment12/71Commonintercellularsignalsinvertebrate

embryonicdevelopment13/71Commonintercellularsignalsinvertebrate

embryonicdevelopment14/71Commonintercellularsignalsinvertebrate

embryonicdevelopment15/71

TGF?(TransformingGrowthFactor?

)：分泌性信號(hào)分子.30多個(gè)組員，可分為TGF?、BMP(BoneMorphogeneticProteins)、Activin等亞類。

早期發(fā)育中起關(guān)鍵作用：

-TGF?1,2,3,5參加基質(zhì)形成和細(xì)胞分裂調(diào)整；

-BMP因子在脊椎動(dòng)物及果蠅胚胎背-腹軸圖式形成過程中含有主要作用；

-

Nodal(BMP因子亞類)脊椎動(dòng)物胚胎中胚層圖式形成及左-右軸建立過程中起關(guān)鍵作用。TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)路徑16/71TGF?Superfamily17/71TGF?Superfamily18/71TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)路徑受體含有絲氨酸/蘇氨酸活性，I型受體富含甘氨酸與絲氨酸區(qū)域(GS區(qū)域)

配體結(jié)合II型受體后，TbR-II會(huì)磷酸化I型GS區(qū)域使其活化。19/71TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)路徑20/71TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)路徑21/71TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)路徑22/71Amutantactivinreceptorblocksmesoderminduction23/71Amutantactivinreceptorblocksmesoderminduction24/71TheWntsignalingpathway

wnt基因家族編碼一類分泌性信號(hào)分子.果蠅:wingless

早期胚胎發(fā)育中主要功效：

-脊椎動(dòng)物胚胎體軸建立和分化；

-果蠅分節(jié)等25/71Wnt/?-catenin路徑經(jīng)典Wnt路徑(Canonical);?-catenin:

轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子，果蠅中：Armadillo

Wnt受體Frizzled(Fz)，7次跨膜蛋白，其N端膜外區(qū)域富含Cys區(qū)域，是與Wnt配體結(jié)合區(qū)域。Wnt/?-catenin信號(hào)活化還需輔助受體LRP5/6(果蠅中同源蛋白為Arrow)26/71Wnt/?-catenin路徑

Wnt信號(hào)未激活時(shí)：?-catenin與GSK3、APC和Axin組成蛋白復(fù)合體，?-catenin被GSK磷酸化，經(jīng)過泛素-蛋白酶體路徑被快速降解。Ubiquitindegradation27/71Wnt/?-catenin路徑Wnt與Fz/LRP6結(jié)合后，誘導(dǎo)Axin與LRP6膜內(nèi)部分結(jié)合，使原蛋白復(fù)合體解聚。同時(shí)Fz可經(jīng)過Dishevelled(Dsh)抑制GSK3活性，?-catenin不被降解，進(jìn)入核內(nèi)與T-細(xì)胞因子(TCF)家族轉(zhuǎn)錄因子一起激活靶基因(如xnr3等)轉(zhuǎn)錄。28/71TheWntsignalingpathwayUbiquitindegradation29/71Wnt/?-catenin路徑30/71Wnt/?-catenin路徑

Inadultcells,ifthegeneforAPCor?-cateninismutatedsuchthattheycannotbindtogether,?-cateninisconstitutivelyallowedintothenucleus,causingittoactivatecertaincelldivisiongenesandinitiatetumors。31/71TheWntsignalingpathway32/71

平面細(xì)胞極性路徑：細(xì)胞骨架調(diào)整。經(jīng)過G蛋白引發(fā)胞內(nèi)鈣離子釋放。33/71

Hedgehog(Hh)家族是一類分泌性信號(hào)分子.胚胎發(fā)育中主要功效：

-脊椎動(dòng)物sonichedgehog(Shh)參加神經(jīng)系統(tǒng)背-腹軸圖式形成及肢發(fā)育；Indianhedgehog(Ihh)參加骨骼發(fā)育。

-果蠅體節(jié)形成等TheHedgehogsignalingpathway34/71SonichedgehogGeneExpressionShownbyInSituHybridizationintheChick35/71HedgehogsignalingpathwayHh受體Patched(Ptc,12次跨膜蛋白)，會(huì)抑制另一個(gè)7次跨膜蛋白Smoothened(Smo)活性。Cubitusinterruptus(Ci):轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子(其脊椎動(dòng)物中同源蛋白是Gli)無Hh配體時(shí)，Smo沒有活性，Ci蛋白與Cos2、Fused(Fu)和SuppressorofFused[Su(Fu)]形成復(fù)合體結(jié)合于微管上。Ci進(jìn)而被PKA磷酸化并Slimb依賴性地被蛋白酶分解，其分解產(chǎn)物是一個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制因子，入核抑制Hh靶基因轉(zhuǎn)錄

。36/71Hedgehogsignalingpathway當(dāng)Hh與Ptc結(jié)合時(shí)，對(duì)Smo抑制作用解除，Smo活化會(huì)促進(jìn)Cos2/Fu/[Su(Fu)]復(fù)合體磷酸化而從微管上解離下來，同時(shí)可抑制PKA/Slimb活性，從而抑制Ci裂解。完整Ci入核結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活輔助因子CBP,激活對(duì)應(yīng)Hh靶基因表示。37/71TheHedgehogsigalingpathway38/71Hedgehog信號(hào)傳導(dǎo)路徑39/71

Notch是一個(gè)很大單跨膜受體蛋白(~2500氨基酸)，其配體統(tǒng)稱為DSL配體。Notch信號(hào)只能作用于相鄰細(xì)胞之間。胚胎發(fā)育中主要功效：

-神經(jīng)細(xì)胞分化；

-脊椎動(dòng)物體節(jié)發(fā)育等TheNotchsignalingpathway40/71TheNotchsignalingpathway

Notch信號(hào)經(jīng)過膜內(nèi)蛋白水解機(jī)制，配體與受體結(jié)合后，Notch經(jīng)過兩次斷裂形成游離Notch細(xì)胞內(nèi)區(qū)域(Notchintracellulardomain,NICD),NICD入核后與CSL家族轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，激活Notch靶基因表示。41/71Notch/Delta信號(hào)傳導(dǎo)路徑42/71大多數(shù)生長(zhǎng)因子(如EGF、FGF、NGF、IGF、VEGF、Ephrin等)細(xì)胞表面受體屬于酪氨酸激酶受體(receptortyrosinekinase,RTK)家族，單跨膜蛋白，胞內(nèi)部分帶有酪氨酸domain,含有酪氨酸激酶活性。胚胎早期發(fā)育中主要功效：

-神經(jīng)系統(tǒng)圖式形成，肢發(fā)育；

-脊椎動(dòng)物體節(jié)形成等TheRTKsignalingpathway43/71RTK主要激活MAPK(mitogen-activatedproteinkinase)信號(hào)傳導(dǎo)路徑:一系列激酶介導(dǎo)級(jí)聯(lián)磷酸化反應(yīng)。Itismainlycomposedof3subtypesofkinases:ERK,JNKandp38.MAPKsignaltransductionisastrictlyregulatedcascade:SpecificMAPKisactivatedbyspecificMAPKKwhichisactivatedbyspecificMAPKKKfollowingcertaincellularstimuliorstress.Thepathwayactivationwillleadtodifferentbiologicalconsequences.Deregulationofthispathwayhasbeenfoundinmanytypesofcancers.44/71MAPKSignalingCascades45/71FGFExpressionandSignaling46/71酪氨酸激酶受體家族，胞內(nèi)部分帶有酪氨酸domain,含有酪氨酸激酶活性，胞外有富含半胱氨酸區(qū)域。TheRTKsignalingpathway47/71接頭蛋白含SH2結(jié)構(gòu)域，可識(shí)別并結(jié)合磷酸化酪氨酸殘基48/71RTKsignalingpathway

配體結(jié)合后，受體本身磷酸化，接頭蛋白、GNRP使RAS結(jié)合GTP活化，GAP則抑制RAS活性。系列磷酸化，ERK入核并磷酸化各種轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)整其轉(zhuǎn)錄活性。49/71RTKsignalingpathway50/71有些RTK(如FGF受體）可激活蛋白激酶C路徑51/71一些生長(zhǎng)因子(如干擾素等)及部分RTK可激活STAT路徑。在血細(xì)胞和骨骼生長(zhǎng)與分化過程中發(fā)揮主要作用。TheJAK-STATsignalingpathway52/71

配體結(jié)合后，受體二聚體化，使得與膜受體結(jié)合兩個(gè)JAK分子相互靠近而發(fā)生磷酸化，深入磷酸化STAT,入核并調(diào)整轉(zhuǎn)錄活性。53/71Stat信號(hào)傳導(dǎo)路徑54/71TheRAsignalingpathway視黃酸(retinoicacid,RA)是一類小分子脂溶性信號(hào)分子，可自由經(jīng)過細(xì)胞膜和核膜.其受體主要在細(xì)胞核中。胚胎發(fā)育中主要功效：

-脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)前-后軸圖式形成及肢再生。

55/71RetinoicacidreceptorisaDNA-bindingproteinthatworksasaligand-activatedtranscriptionfactor.Manyhydrophobichormonereceptorsworkinthisway.Nuclearreceptorsworkverydifferentlyfromcellsurfacereceptors.

(RA)RAFig.2256/71

(RA)RAFig.22無配體時(shí)，RA會(huì)結(jié)合一類轉(zhuǎn)錄抑制因子，抑制靶基因轉(zhuǎn)錄

。當(dāng)RA受體與配體結(jié)合時(shí)，其構(gòu)象發(fā)生改變，會(huì)轉(zhuǎn)而結(jié)合一類轉(zhuǎn)錄激活蛋白，激活靶基因表示。57/71RAREHoxcomplexeshavearetinoicacidreceptorresponseelement(RARE)intheDNAbeforeparalogue1.ThisDNAenhancerelementcontrolsexpressionofmanygenesinthecomplex.Inretinoicacidteratogenesis,Hoxgeneexpressionbordersmoveintomoreanteriorregions.Fig.2358/71Signaltransductionacrosstheplasmamembranecancauseacascadeofeventsthatamplifythesignalanddistributeittoinfluenceseveralcellprocessesinparallel.信號(hào)活性調(diào)控59/71信號(hào)活性調(diào)控

對(duì)配體活性調(diào)整：有些配體合成后要經(jīng)過加工或修飾才有功效。如Hh蛋白在成熟過程中被棕櫚酰化等。有些配體還存在分泌型或膜結(jié)合型結(jié)合因子，如Hip是一個(gè)跨膜Hh結(jié)合蛋白，可與Patched競(jìng)爭(zhēng)Hh并抑制其活性，調(diào)整對(duì)應(yīng)信號(hào)路徑在胚胎中區(qū)域性活化含有主要作用。60/71信號(hào)活性調(diào)控

對(duì)受體活性調(diào)整：Wnt輔助受體LRP5/6正確折疊需要分子伴侶Mesd分子作用。Nodal路徑活化需要輔助受體Cripto功效。61/71信號(hào)活性調(diào)控

對(duì)信號(hào)路徑中轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子活性調(diào)整：常見信號(hào)活性調(diào)控機(jī)制，對(duì)轉(zhuǎn)錄效應(yīng)因子濃度或穩(wěn)定性調(diào)整。泛素-蛋白酶體路徑(ubiquitin-proteasomepathway)參加了各種效應(yīng)因子如：Wnt路徑中β-catenin,Hh路徑中Ci，TGFβ路徑中Smad，Notch路徑中NICD等?；蛘咭种破湎蚝藘?nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，如MAPK可磷酸化Smad，抑制其轉(zhuǎn)運(yùn)。62/71信號(hào)活性調(diào)控

信號(hào)活性負(fù)反饋調(diào)整：一個(gè)信號(hào)路徑活化會(huì)激活對(duì)應(yīng)信號(hào)路徑負(fù)調(diào)控因子表示，組成一個(gè)負(fù)反饋調(diào)整環(huán)路，從而抑制對(duì)應(yīng)信號(hào)路徑過分活化。如Wnt信號(hào)激活可降低其受體Fz