生物化學：細胞信號轉導

第十九章

CellSignalTransduction

細胞信號轉導衰老機體結構細胞增殖細胞分化細胞凋亡細胞信號轉導染色體生物大分子的結構與功能物質代謝能量代謝章講課要點了解信號轉導的基本概念掌握構成信號轉導途徑的基本要素及其特點掌握信號轉導的分子機理了解信號轉導研究的最新進展及發(fā)展趨勢第一節(jié)引言圖1近30年來公開發(fā)表的與細胞信號轉導相關的論文變化趨勢2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosisTable1NobelprizesawardedforresearchinsignaltransductionPart1.訪問《科學》周刊

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和“衰老科學”(ScienceofAgingKnowledgeEnvironment，簡稱SAGEKE)Part4.訪問STKE

及SAGEKE訪問SKTE和SAGEKE在此選擇訪問SKTE和SAGEKEScienceOnline讀者幫助ScienceOnline為讀者提供了在線幫助，如果您在訪問過程中遇到什么問題，可隨時點擊此處訪問幫助頁面信號轉導

是生命科學研究領域的研究熱點之一NIH在2004年確定的今后十年研究重點領域是

Discoveryofnewcellularsignalingpathway一、信號與信號轉導egg

caterpillarchrysalis

butterfly

生物體的新陳代謝和生長發(fā)育主要受遺傳信息及環(huán)境變化信息的調節(jié)控制

如何控制基因的表達及增殖、分化、發(fā)育等是分子生物學最大挑戰(zhàn)。環(huán)境刺激在此過程中起著重要的調節(jié)作用—“細胞信號轉導”研究的主要內容。它研究的中心問題史細胞感受、轉導環(huán)境刺激及調節(jié)生理反應和基因表達的分子途徑。一、信號與信號轉導信號（signal）:是指在生物體生長發(fā)育過程中所受到的各種刺激，又稱為初級信使（primarymessenger）信號的分類來源胞外信號胞內信號分子性質

化學信號物理信號1、信號及信號轉導途徑的基本概念一、信號與信號轉導信號轉導：當受體細胞通過存在于細胞表面或細胞內的某些分子(受體)感受胞外信號或胞內信號后，胞外信號轉變?yōu)榘麅刃盘柌⑼ㄟ^一系列胞內信號轉導途徑的組分，最終引起相應基因表達的改變和特定的生理生化響應（responses）。2、細胞信號轉導分為三個階段（時期）：感受（Perception）:

即靶細胞（targetcell）對來自于胞外的信號分子應答（檢測）。通常是通過位于細胞質膜上的蛋白質分子（稱為受體）所感知。當信號分子與受體蛋白特異性相互作用（結合）后，引起后者發(fā)生某種變化（活性或構象等），進而下游的信號轉導過程。信號轉導（Transductionstage）:信號的轉換：即將信號分子轉化為一種能產生特異性細胞應答的形式。信號轉導通常需要一系列不同分子的參與，呈現級聯(lián)放大形式2、細胞信號轉導分為三個階段（時期）：應答（Response）:被轉導的信號引發(fā)(triggers)特異的生理生化過程的改變

因此，細胞信號轉導過程可有助于一些關鍵性細胞活性在恰當的時間、適合的細胞以及與其它細胞協(xié)調地發(fā)生。一、信號與信號轉導3、信號的歸宿：（1）細胞代謝信號—它們使細胞攝入并代謝營養(yǎng)物質，提供細胞生命活動所需要的能量；（2）細胞分裂信號—它們使與DNA復制相關的基因表達，調節(jié)細胞周期，使細胞進入分裂和增殖階段；（3）細胞分化信號—它們使細胞內的遺傳程序有選擇地表達，從而使細胞最終不可逆地分化成為有特定功能的成熟細胞；（4）細胞功能信號—如激素、蛋白、核苷酸等，使細胞能夠進行正常的代謝活動等；（5）細胞死亡信號—這是細胞一生中發(fā)出的最悲壯、最慘烈的信號。這類信號一旦發(fā)出，為了維護多細胞生物的整體利益和生物種系的最高利益，就在局部范圍內和一定數量上發(fā)生細胞的利他性自殺死亡！

二、信號轉導系統(tǒng)的特征

1、為什么信號轉導途徑比代謝途徑等途徑要復雜得多？(1)人們可以通過示蹤技術檢測出代謝底物化學轉化的連續(xù)步驟，但是不能夠直接用這種方法來研究信號轉導。因為在信號轉導途徑中輸入信號的化學結構與信號的靶分子的結構一般是沒有關系的。(2)與代謝反應等不同，信號的化學結構并不對其下游的過程產生影響。而代謝底物或者基因轉錄調節(jié)因子的構象會影響各自相關途徑的進行；(3)與依賴模板的反應，如基因轉錄和DNA復制不同，在信號轉導途徑中不存在對全過程的進行和結局起操縱作用的模板；(4)其他途徑常常是由線性排列的過程組成，一個反應接著另一個反應地、沿著既定的方向依次進行，直到終止?？梢哉f，它們是直通式的，縱向交流的。而信號轉導途徑是非線性排列的。實際上，許多信號轉導途徑可以通過一系列的蛋白質與蛋白質相互作用形成一個網絡（network），它們是全方位地交流的。二、信號轉導系統(tǒng)的特征

2、信號轉導途徑的特性：（1）信號轉導分子存在的暫時性（2）信號轉導分子活性變化的可逆性（3）信號轉導分子激活機制的類同性（4）信號轉導途徑的連貫性（5）作用的瞬時性與效果的永久性（6）信號轉導的網絡化（7）信號轉導的專一性ReceptorSignal第二節(jié)

信號轉導途徑的基本組成成分信號轉導系統(tǒng)的各種要素

（1）接受細胞外信號刺激并將它們轉換成細胞內信號的成分；（2）有序地激活一個或者有限幾個“唱主調”的信號轉導途徑，以詮釋細胞內的信號；（3）使細胞能夠對信號產生特定響應，并作出功能上或發(fā)育上決定（如基因轉錄、DNA復制和能量代謝等）的有效方法；（4）將細胞一生所作出的所有決定加以聯(lián)網的方法，這樣，細胞才能對在任何特定時刻作用于它的且種類繁多的信號作出協(xié)同響應。

1、受體(Receptor)受體的概念

受體是指存在于細胞內或細胞表面，能與信號分子或稱配基（ligand）特異結合并能引起特定生理生化效應的一類特殊的蛋白質。受體的基本特征（1）能識別和結合信號分子，具有專一性；（2）能轉導信號為細胞反應，產生特定的生理生化效應；（3）具有組織特異性；（4）對配基具有高親和性；（5）與配基結合具有飽和性和可逆性。1、受體(Receptor)受體的分類

（1）膜受體：這類受體存在于細胞質膜上，通常由與配體相互作用的細胞外結構域、將受體固定在細胞膜上的跨膜結構域和起傳遞信號作用的胞內結構域三部分構成。這些受體通常是跨膜蛋白質。然而，也有一些受體可以通過聚糖磷脂酰肌醇(GPI)鍵掛在細胞膜上。

1、受體(Receptor)受體的分類

（2）細胞內受體：與上述幾種膜受體不同，一些信號分子（配基）（如多肽激素、生長因子等）的受體是細胞內受體，它或者在細胞質中，或者在細胞核中。脂溶性的信號分子可以通過擴散方式穿過細胞膜，直接進入細胞內；信號分子也可以借助于某些載體蛋白進入細胞內。在細胞內，它們與相關受體結合，并直接作用于靶分子。1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類①類受體蛋白激酶（receptor-likeproteinkinases,RLKs）1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類②G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類③離子通道型受體2、胞內信使系統(tǒng)

第二信使（secondmessenger）：當細胞感知胞外信號刺激后，在受體細胞內常產生一些次級信號分子，從而將細胞外信息轉換為細胞內信息

2、胞內信使系統(tǒng)信號的級聯(lián)放大2、胞內信使系統(tǒng)（1）鈣與鈣調素

其主要實驗證據來自于三個方面：（1）許多胞外信號刺激導致細胞質內Ca2+濃度（[Ca2+]cyt）瞬時的時空變化；（2）鈣離子通道的抑制劑（如La3+等）可抑制由信號刺激引起的[Ca2+]cyt的時空變化，也抑制了相應的生理生化應答；（3）[Ca2+]cyt的時空變化參與了生長素和ABA的作用。

鈣離子參與的信號轉導途徑CalmodulinInsomecasesCa2+activatesasignaltransductionproteindirectlybutmostlytheyfunctionbymeansofcalmodulinACa2+bindingproteinthat’spresentathighlevelsineukaryoticcells.MediatesmanycalciumregulatedprocessesRegulates:ProteinkinasesPhosphatases2、胞內信使系統(tǒng)（2）肌醇磷脂信使系統(tǒng)2、胞內信使系統(tǒng)（2）肌醇磷脂信使系統(tǒng)2、胞內信使系統(tǒng)（3）環(huán)核苷酸信號系統(tǒng)（cAMP）當信號分子與特異性受體蛋白結合后，活化了腺苷酰環(huán)化酶（膜蛋白）cAMP作為第二信使活化proteinkinaseA,aserine/threoninekinase.類似：cGMP2、胞內信使系統(tǒng)（4）蛋白質的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)2、胞內信使系統(tǒng)（4）蛋白質的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)2、胞內信使系統(tǒng)（4）蛋白質的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)Proteinkinasesandphosphatasesarethemselvesregulatedbycomplexsignalcascades.Forexample:SomeproteinkinasesareactivatedbyCa++-calmodulin.ProteinKinaseAisactivatedbycyclic-AMP(cAMP).第三節(jié)信號轉導的分子機理

（以植物為例）一、異三聚體G蛋白介導的信號轉導RolesofG-proteinmediatedsignalinginplantgrowthanddevelopmentandintheresponsestoenvironmentalstressProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling1、構成G蛋白介導的信號轉導途徑的組分G-蛋白偶聯(lián)受體，GPCRG-蛋白效應蛋白（effectors）G-蛋白偶聯(lián)受體，GPCRSevenTransmembraneProteins,7MMainlylocalizedinPM>1000GPCRsidentifiedinmammalianGeneralstructureofGPCRsanditsinteractionswithligands

GProteinHeterotrimericProtein:Gα,GβandGγGα:27,Gβ:6,Gγ:14

Gproteinno:27×6×14=2268GαhasGTPaseactivity,GβandGγFormsheterodimerGβγ

EffectorsGβγGαAdenylylcyclaseIonchannelsAdenylylcyclasePLCIonchannelsProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling

RegulatorsofG-ProteinSignalingproteins(RGS)Discovery:Geneticstudiesofyeast,wormsandAspergillusRolesofRGSproteinsinG-proteinsignaling:(1)Gαactivatingprotein(GAP)(2)RGSproteinsinteractwithothereffectorsRoleofG-proteininCellularSignalingGSGiGqG12/13aNa+

channelsCa2+

channelscAMPK+

channelscAMPPLC,cGMPPLC-b1-3BiologicalFunction-Smell&Taste(~1000receptors)-light-Neurotransmitters-Chemotoxin-Exocytosis-Bloodpressure-Embryogenesis-cellgrowth&differentiation-HIVinfection-OncogenesisNa+/K+exchangeregulation2.G-protein-mediatedSignalinginArabidopsisG-proteinsinArabidopsis

PrototypicalsinglecopyGαandGβarepresent

TwogenesforGγsubunitarereported

GenessimilartoGPCRisreported

NovelheptahelicalMlofamily(~15members)Extra-largeGαgenepresent(N-terminalBacterialTon-BBox)SimilarGαandGβgenesfromotherplantsarereportedMonomericG-proteinsarepresent,noRastype

ArabidopsisisasimplersystemArabidopsis: 1Galpha,Gisubfamily,mostsimilartoGzmember 1Gbeta 2Ggammas 2possibletrimersAnimals: 27Galphas,4subfamilies,Gs,Gi,Gq,G12/13 6Gbetas 14Ggammas 2268possibletrimers3.RegulatorofG-ProteinSignalingProtein(RGS):AnewproteininArabidopsisCDS:135—1514Protein:459aa,noname7transmembranedomains

AY091142

Arabidopsisthalianaunknownprotein

(At3g26090)mRNA,completecds

gi|20268775|gb|AY091142.1|[20268775]RGSPROTEIN成功分離到異三聚體G蛋白

亞基和

亞基的突變體，為進一步深入開展植物異三聚體G蛋白功能和信號轉導的分子機制研究奠定了基礎。這一突破性進展亦使植物異三聚體G蛋白成為國際性的研究熱點。G蛋白介導的信號轉導在植物生長發(fā)育中的作用Science(2001):Gproteinsmodulatecellproliferation證明擬南芥異三聚體G蛋白

亞基是細胞分裂的正調節(jié)子，而

亞基則是細胞分裂的負調節(jié)子。PlantPhysiol(2002):GproteinsmodulatemultiplesignalsPlantCell(2003):Gproteinsnegativelyregulateauxin-inducedcelldivisionPlantPhysiol

(2003):Gproteinsinlightsignaling

異三聚體G蛋白參與多種植物激素信號、糖信號、光信號和逆境信號的調節(jié)G蛋白介導的信號轉導在植物生長發(fā)育中的作用PlantPhysiol

(2004):GproteinscanactindependentlyofGCR1PlantCell

(2005):Gproteinsmediatesozonestressresponse

從遺傳學的角度證明，在擬南芥中，和異三聚體G蛋白偶聯(lián)的受體（G-protein-coupledreceptor,GPCR）GCR1也可以通過另一條與異三聚體G蛋白非直接相關的途徑調節(jié)種子的萌發(fā)。這一發(fā)現為植物中與異三聚體G蛋白偶聯(lián)的受體在信號轉導調節(jié)中的作用提供了又一個嶄新的闡述。

G蛋白介導的信號轉導在植物生長發(fā)育中的作用Science

(2003):

AseventransmembraneRGSproteinmodulatescellproliferation

MethodsEnzymol

(2004):RGS1mediatessugarsignaling在模式植物擬南芥中，發(fā)現一種非常獨特的RGS蛋白。這種天然雜合體先前從沒有在任何生物體上發(fā)現過，因而這一發(fā)現無論在異三聚體G蛋白所介導的信號轉導分子機制研究上，還是在進化上都有著極其重大的意義。研究進一步確證RGS蛋白可以和異三聚體G蛋白的

亞基存在直接的相互作用，并為其功能提供了直接的分子生物學和遺傳學的證據。RGS蛋白很可能充當葡萄糖的受體。這一突破性的發(fā)現被認為是異三聚體G蛋白研究史上的一個里程碑。G蛋白介導的信號轉導在植物生長發(fā)育中的作用二、藍光對氣孔運動的調節(jié)藍光促進氣孔開放？氣孔是是控制植物細胞與大氣進行水氣交換的重要機構，也研究植物細胞信號轉導機理的良好的系統(tǒng)之一。保衛(wèi)細胞響應藍光引起氣孔張開。氣孔是由一對保衛(wèi)細胞構成，其張開和關閉運動是由保衛(wèi)細胞內膨壓變化驅動的膨脹與收縮所控制。當保衛(wèi)細胞從周圍環(huán)境中被動吸收水分，引起保衛(wèi)細胞膨脹，膨脹的保衛(wèi)細胞通過纖維微絲的特異定向作用和保衛(wèi)細胞細胞壁的不均勻加厚而導致氣孔張開。保衛(wèi)細胞的被動吸水主要是由K+離子通過保衛(wèi)細胞膜上的電壓門K+離子通道調節(jié)和質膜內側的負電勢驅動進入保衛(wèi)細胞內引起水勢降低引起的。藍光引起的氣孔張開主要是藍光激活保衛(wèi)細胞質膜上的H+離子泵（H+-ATPase），后者使膜內側形成負電勢。1、藍光激活質膜H+-ATPase的機理藍光照射后H+離子從保衛(wèi)細胞向外“泵”出藍光依賴的H+離子向外“泵”出是受保衛(wèi)細胞質膜上的H+-ATPase所調節(jié)藍光對H+-ATPase酶的活化與其磷酸化有關藍光對H+-ATPase酶的活化作用是通過14-3-3蛋白與H+-ATPase磷酸化羧基末端結合實現的，H+-ATPase酶磷酸化本身不足于導致酶的活化。2、藍光受體藍光對H+-ATPase酶的活化作用是通過與存在于保衛(wèi)細胞內的相應光受體特異結合實現的。保衛(wèi)細胞內存在植物向光性有關的藍光受體，稱為Phot1(Phototropin1)和Phot2(Phototropin2)。該藍光受體調節(jié)應答藍光引起氣孔張開的實驗證據主要是：

（1）LOV結構域的吸收光譜與氣孔張開的作用光譜一致；（2）對擬南芥Phot1和Phot2的單突變體，phot1和phot2及雙突變體phot1phot2植株的氣孔分析表明，在藍光處理下，與野生型一樣，兩單突變體氣孔照常開放，而雙突變體的氣孔則不開放，說明藍光受體Phot1和Phot2在藍光調節(jié)氣孔開放中的作用具有冗余（redundance)；（3）當用真菌毒素fusicoccin直接活化H+-ATPase酶后，該雙突變體的氣孔正常開放。說明編碼兩受體基因表達同時受阻后，由于保衛(wèi)細胞不能感知藍光而導致藍光不能促進氣孔的開放；（4）用PHOTO1cDNA轉化擬南芥phot1phot2雙突變體，轉基因植株葉片氣孔恢復了對藍光的應答；（5）蛋白質定位實驗表明，藍光受體Phot1均勻地定位于保衛(wèi)細胞質膜上；（6）生物化學分析證明，蠶豆保衛(wèi)細胞原生質體的藍光受體應答藍光后可發(fā)生磷酸化，并且達到最大磷酸化水平所需時間比質膜H+-ATPase酶應答藍光發(fā)生磷酸化所需時間要短。當應用蛋白激酶抑制劑處理抑制Phototropins磷酸化時，同時也同樣程度地抑制了H+-ATPase酶的磷酸化。

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