《病理生理學》課件：細胞信號轉導異常與疾病-張常娥

1、細胞信號轉導異常與疾病,廣州醫(yī)學院病理生理學教研室,張常娥,2011，12,Cell Signal Transduction and Disease,主要內(nèi)容,1、概述 2、細胞信號及其轉導的定義 3、細胞信號的接收與轉導 4、細胞信號轉導障礙與疾病,細胞信號轉導與生命過程問題的提出和理論的產(chǎn)生 細胞信號轉導理論概述 信號轉導研究中的重大理論問題及熱點領域 信號轉導的研究方法與工具 信號轉導理論研究及應用舉例：在疾病發(fā)生發(fā)展中的信號轉導的意義,引言,信號轉導與生命過程 問題的提出和理論的產(chǎn)生,細胞信號轉導理論建立以前的細胞生物學,細胞的顯微結構（胞膜、胞漿、胞核） 細胞的生理功能（生存、“活性

2、”：分裂增殖、胞間連接、吞飲、分泌、遷移、死亡) 細胞組分的生物化學（脂、糖、核酸、蛋白） 細胞的超微結構和亞細胞結構（脂質(zhì)雙層膜結構、細胞器),第一節(jié) 細胞信號轉導系統(tǒng)概述,一、細胞通訊（cell communication）：指一個細胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個細胞產(chǎn)生相應反應的過程。 細胞通訊主要有三種方式： 細胞間隙連接 膜表面分子接觸通訊 化學通訊,細胞間隙連接,膜表面分子接觸通訊,化學通訊,化學通訊可分為4類：,二、信號轉導（signal transduction）： 指受體或能接受信號的其他成分（離子通道和細胞粘附分子）與信號作用，影響細胞內(nèi)信使的變化，進而引起細胞應答反應的

3、一系列過程。 不同信號轉導通路之間存在交互通話(cross talk),細胞間的通訊與信號轉導的作用： 調(diào)節(jié)細胞周期，使DNA復制相關的基因表達，細胞進入分裂和增殖階段； 控制細胞分化，使基因有選擇性地表達，細胞不可逆地分化為有特定功能的成熟細胞； 調(diào)節(jié)代謝，通過對代謝相關酶活性的調(diào)節(jié)，控制細胞的物質(zhì)和能量代謝； 實現(xiàn)細胞功能，如肌肉的收縮和舒張，腺體分泌物的釋放； 影響細胞的存活。,幾個基本概念：,細胞信號轉導 指細胞通過胞膜或胞內(nèi)受體感受胞外信息的刺激，通過胞內(nèi)信號轉導系統(tǒng)影響其生物學功能的過程。 細胞信號轉導系統(tǒng) 由受體或能接受信號的其他成分（如離子通道和細胞粘附分子）以及細胞內(nèi)的信號轉

4、導通路組成。 細胞信號轉導過程 由受體接受信號，并啟動細胞內(nèi)信號轉導通路的過程。,細胞信號轉導的典型過程：,配體與細胞膜受體的識別與結合；,跨膜信號傳遞；,細胞內(nèi)蛋白級聯(lián)的信號轉導；,細胞反應；,信號終止。,一、細胞信號轉導的基本過程和機制,1、細胞信號： 1）物理信號（光、溫度、電流、紫外線、射線、機械力等），但其機制上不清楚。 2）化學信號：又稱為配體。 可溶性的化學分子：激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、細胞代謝產(chǎn)物、藥物毒物 氣味分子 細胞外的基質(zhì)成分和與膜結合的分子（如細胞粘附分子等）,信號的接受和轉導,特點： 1）多為糖蛋白，一般至少包括兩個功能區(qū)域，與配體結合的區(qū)域和產(chǎn)生效應的區(qū)域; 2

5、）當受體與配體結合后，構象改變而產(chǎn)生活性，啟動一系列過程，最終表現(xiàn)為生物學效應; 3）受體與配體間的作用具有三個主要特征：特異性；飽和性；高親和力。,2、受體（receptor）,概念：一種能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）并產(chǎn)生特定生物學效應的大分子物質(zhì)。,細胞受體分類,1、膜受體,離子通道型受體,G蛋白偶聯(lián)型受體,具有酶活性的受體,2、核受體：,甾體激素受體,G蛋白偶聯(lián)受體,G蛋白是一種GTP酶。GPCR具有7跨膜區(qū)結構特征。 調(diào)節(jié)AC活性的GPCR：第二信息cAMP 興奮性：-腎上腺素能受體、胰高血糖素受體及味覺分子受體 抑制性：-腎上腺素能受體 激活PLC- 的GPCR：第二信使

6、DAG和IP3 血管緊張素受體、緩激肽受體、血管加壓素受體 光子受體：第二信使cGMP G蛋白轉導素,核受體,1）這類受體在細胞內(nèi)與配基結合后移入細胞核，配基受體復合物在核內(nèi)直接影響基因表達。 2）包括糖皮質(zhì)激素受體、維生素D受體、視黃酸受體、甲狀腺素受體等。,1）基因表達 2）DNA合成激活 3）蛋白質(zhì)合成改變 4）細胞骨架重排 5）離子通透性變化 6）細胞代謝酶變化,3、細胞反應,（一）通過可逆的磷酸化快速調(diào)節(jié)效應蛋白的活性 代謝酶、離子通道、離子泵、受體、運輸?shù)鞍?、收縮蛋白、核內(nèi)蛋白的活性和功能，導致快速的生物效應，包括神經(jīng)的興奮和抑制、肌肉的收縮、腺體的分泌、離子的轉運、代謝等。 （二

7、）通過調(diào)控基因表達產(chǎn)生較為緩慢的生物效應 一是胞外信號啟動細胞的信號轉導，在信號通路中激活的蛋白激酶首先磷酸化細胞中的轉錄因子，導致它們激活、核轉位、與DNA的結合力增強，后者調(diào)節(jié)立早基因(immediate early gene)，如c-fos，c-jun的表達。 二是某些信號如甾體激素可直接進入細胞與細胞內(nèi)或核內(nèi)作為轉錄因子的核受體結合，后者激活后通過調(diào)節(jié)靶基因的表達產(chǎn)生生物效應。,信號轉導通路對效應器的調(diào)節(jié),4、細胞信號的功能：,1）細胞生長 2）細胞分裂 3）細胞分化 4）細胞凋亡 5）細胞應激適應 6）細胞功能協(xié)同,刺激,反應B,反應A,反應C,刺激B,反應,刺激A,刺激C,5、細胞

8、信號網(wǎng)絡,6、細胞信號的反饋調(diào)節(jié),+,-,刺激,反應,刺激,反應,A,B,C,C,B,A,7、控制信號轉導蛋白活性的方式： 1.通過配體調(diào)節(jié) 2.通過G蛋白調(diào)節(jié),3.通過可逆磷酸化調(diào)節(jié),MAPK家族酶的激活 機制都通過磷酸化的 三級酶促級聯(lián)反應,信號對靶蛋白的調(diào)節(jié),可逆性的磷酸化調(diào)節(jié),膜受體介導的信號轉導通路舉例,1、GPCR介導的信號轉導通路,調(diào)節(jié)靶蛋白的基因表達,1) G蛋白活性的調(diào)節(jié)：Gs和Gi,靶蛋白 磷酸化,磷酸化 CREB,靶基因 轉錄,CRE,腺苷酸環(huán)化酶信號轉導通路,+,-,腎上腺素能受體 胰高血糖素受體,激活Gs增加AC活性,cAMP,蛋白激酶A（PKA）,L型Ca2+通道磷

9、酸化 促進心肌鈣轉運 心肌收縮性增強,磷酸化酶激酶磷酸化 增加肝臟糖原分解,cAMP反應元件結合蛋白（CREB）磷酸化 激活靶基因轉錄,使許多Pr特定Ser/Thr殘基磷酸化從而調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和基因表達,通過Gs,激活腺苷酸環(huán)化酶(AC),引發(fā)cAMP-PKA途徑,核內(nèi),通過Gi，抑制AC活性，導致cAMP水平降低，導致 與Gs相反的效應,3) 通過Gq蛋白，激活PLC,靶基因 轉錄,靶蛋白磷酸化,Ca2內(nèi)流,細胞內(nèi)Ca2,4)G蛋白-其他磷脂酶途徑 磷脂酶A2：產(chǎn)生花生四烯酸、前列腺素、白三烯酸和TXA2 磷脂酶D：產(chǎn)生磷脂酸和膽堿 5)激活MAPK家族成員的信號通路 激活后轉入核內(nèi)，使轉錄因

10、子磷酸化，調(diào)節(jié)其活性，影響基因表達 6)PI-3K-PKB通路 調(diào)節(jié)胰島素介導的糖代謝、促進細胞存活、抗凋亡、細胞變形運動,7)離子通道途徑,2、酪氨酸蛋白激酶型受體PTK 3、與PTK連接的受體 4、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶型受體 5、腫瘤壞死因子型受體 6、離子通道型受體,（三）核受體介導的信號通路,二、細胞信號轉導系統(tǒng)的調(diào)節(jié),主要介紹受體調(diào)節(jié) 1.受體數(shù)量的調(diào)節(jié) 向下調(diào)節(jié)：受體數(shù)量減少 向上調(diào)節(jié)：受體數(shù)量增多 機制： 受體合成速度和/或分解速度變化 膜受體介導的內(nèi)吞與受體的再循環(huán) 受體的位移或活性部位的暴露 配體與受體之間還存在異源性調(diào)節(jié),2.受體親和力調(diào)節(jié), 脫敏：受體接觸激素/配體一定

11、時間后其功能減退， 對特定配體的反應性減弱。 高敏：受體接觸激素/配體一定時間后其功能增強， 對特定配體的反應性增強。,當體內(nèi)某種激素/配體劇烈變化時，受體的改變可緩 沖激素/配體的變動，以減少有可能導致的代謝紊亂和對細胞的損害。但過度或長時間刺激，使靶細胞對配體反應性改變，可導致疾病的發(fā)生或促進疾病的發(fā)展；亦可造成長期應用某一藥物時出現(xiàn)藥效減退。,受體磷酸化與脫磷酸化,Gs,P,低pH,受體去磷酸化,PKA,GRK,內(nèi)吞,再循環(huán),溶酶體,降解,第二節(jié) 信號轉導異常的原因和機制,一、信號轉導異常的原因 生物學因素 通過Toll樣受體介導 在病原體感染和炎癥反應中起重要作用 干擾細胞內(nèi)信號轉導通

12、路 如霍亂弧菌引起的烈性腸道傳染病,果蠅中與胚胎發(fā)育有關的編碼蛋白 TLR4(1998)，哺乳動物與宿主免疫有關的同源蛋白,跨膜受體 胞外部分：富含亮氨酸重復序列 胞內(nèi)部分：與IL-1受體相似,TLR (Toll-like Receptor),C pG-DNA,真菌、酵母、細菌、螺旋體、支原體脂蛋白,LPS,病毒 dsRNA,TLR-7,9,TLR-1,6,10?,TLR-2,TLR-4,TLR-3,MyD88,MyD88 TIRAP,(TRIF?) MyD88 TIRAP,TRIF,IRAK TRAF6,MAPKK,MAPK (ERK, P38, JNK),IKK,IRF-3,IB/NFB,

13、MyD88依賴性炎癥基因轉錄,MyD88非依賴性誘導干擾素基因轉錄,IFN ,IFN,TNF,IL-1,IL-6,Cell 1,IFN /,TNF,IL-1,IL-6,TNFR1 (P55),TNFR2 (P75),IL-1R,IL-6R,IFNR,TRADD,FADD,RIP TRAF2,TRAF2 TRAF1,Caspase,細胞 凋亡,TAK1 TAB1,NFB,IRAK TRAF6,IKK,NFB,MAPKK,MAPK,AP-1 JUN,JAK1,2 TyK2,STAT 1,3,APRF,JAK1 TyK2,STAT 1,2,4,ISGE STAT AAF,INF,炎癥和 細胞激活,型

14、急性期蛋白,型急性期蛋白,Cell 2,圖4 TLR及其下游通路假設,?,霍亂弧菌產(chǎn)生分泌的外毒素（霍亂毒素），有選擇性 的催化Gs亞基上的精氨酸201核糖化，使GTP酶活性喪 失，不能將GTP水解成GDP，從而使Gs處于不可逆激活 狀態(tài),不斷刺激AC生成cAMP,胞漿中的cAMP含量可增加至 正常的100倍以上，導致小腸上皮細胞膜蛋白構型改變， 大量氯離子和水分子持續(xù)轉運入腸腔 ，引起嚴重腹瀉 和脫水。,Gs 201Arg核糖化,霍亂 (Cholera),生物因素干擾細胞內(nèi)信號轉導通路舉例, 理化因素,體內(nèi)某些信號轉導成分是致癌物的作用靶點 機械刺激 電離輻射, 遺傳因素,染色體異常 信號轉

15、導蛋白基因突變,信號轉導蛋白數(shù)量改變 信號轉導蛋白功能改變 失活性突變 如TSHR的失活性突變 TSH抵抗征 功能獲得性突變 如TSHR的失活性突變 甲亢,顯性負性作用（dominant negative effect）：某些 信號轉導蛋白突變后不僅自身無功能， 還能抑制或阻斷野生型信號轉導蛋白的 作用。這種作用被稱為顯性負性作用。 具有顯性負性作用的突變體被稱為顯性 負性突變體（dominant negative mutant)。,組成型激活突變（constitutively activated mutation） 某些信號轉導蛋白在突變后獲得了自 發(fā)激活和持續(xù)性激活的能力。,免疫學因素,受

16、體抗體產(chǎn)生的原因和機制 自身免疫性疾病：因體內(nèi)產(chǎn)生抗受體的自身抗體而引起的疾病。 重癥肌無力 自身免疫性甲狀腺病 抗受體抗體的產(chǎn)生機制尚不清楚,刺激型抗體：可模擬信號分子或配體的作用，激活特定的信號轉導通路，使靶細胞功能亢進。 如Graves病。 阻斷型抗體：該抗體與受體結合后，可阻斷受體與配體的結合，從而阻斷受體介導的信號轉導通路的效應，導致靶細胞功能低下。 如橋本病、重癥肌無力。,抗受體抗體的類型：,重癥肌無力,發(fā)病機制,表現(xiàn)(manifestations),受累橫紋肌稍行活動后即疲乏無力，休息后恢復。,TSH,Effect site of anti-TSH antibody on TSH

17、 receptor,彌漫性甲狀腺腫 (Gravesdisease),刺激性抗體模擬TSH 的作用 促進甲狀腺素分泌和甲狀腺腺體生長 女性男性 甲亢、甲狀腺彌漫性腫大、突眼,表現(xiàn) (manifestations),橋本病 (Hashimotos thyroditis),阻斷性抗體與TSH受體結合 減弱或消除了TSH的作用 抑制甲狀腺素分泌 甲狀腺功能減退、黏液性水腫,黏液性水腫(myxedema),二、信號轉導異常的發(fā)生環(huán)節(jié),配體、受體或受體后信號轉導通路的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)障礙都可能會影響到最終效應，使細胞增殖、分化、凋亡、代謝或功能失常，并導致疾病。,以家族性腎性尿崩癥為例：,中樞性尿崩癥：A

18、DH分泌減少,腎性尿崩癥：腎小管對ADH反應性降低,因遺傳性ADH 受體 (V2型)及受體后信號轉導異常引起的多尿。,ADH 的信號轉導,ADHV2受體激活GsAC活性 cAMP PKA激活 水通道蛋白移向胞膜水重吸收,AQP2,編碼V2受體的基因突變使合成的ADH受體異常,(2)發(fā)病機制,(3)表現(xiàn),性連鎖隱性遺傳 男性兒童發(fā)病 多尿，煩渴，多飲 血漿ADH水平無降低,第三節(jié) 細胞信號轉導異常與疾病,一、受體、信號轉導障礙與疾病 受體數(shù)量減少 受體親和力降低 受體阻斷型抗體的作用 受體功能所需的協(xié)同因子或輔助因子缺陷 受體功能缺陷 受體后信號轉導蛋白的缺陷,特定信號轉導過程減弱或中斷,激素抵

19、抗征, 雄激素受體缺陷與雄激素抵抗征,原因和機制： AR減少和失活性突變,AIS可分為：,男性假兩性畸形 特發(fā)性無精癥和少精癥 延髓脊髓性肌萎縮,胰島素受體與胰島素抵抗性糖尿病,1.遺傳性胰島素受體異常，包括 受體合成減少 受體與配體的親和力降低，如受體精氨酸735突變?yōu)榻z氨酸 受體TPK活性降低，如甘氨酸1008 突變?yōu)槔i氨酸，胞內(nèi)區(qū) TPK結構異常 2.自身免疫性胰島素受體異常 血液中存在抗胰島素受體的抗體,I型糖尿病由于胰島B細胞破壞，胰島素絕對不足。,II型糖尿病由于胰島素受體和受體后異常造成靶細胞對胰島素反應性降低。,胰島素作用信號轉導,胰島素受體TPK磷酸化在IRS-1及IRS-2

20、參與下與Grb2和PI3K 結合啟動下游信號轉導,Insulin pathway,(1)胰島素受體異常,受體數(shù)量減少 受體與胰島素的親和力降 受體TPK活性降低,機制,(insulin receptor disorder),(disorders of postreceptor signaltransduction),IRS-1/2下調(diào) 編碼PI3K的基因突變,(2)受體后信號轉導異常,二、受體、信號轉導過度激活與疾病,某些信號轉導蛋白過度表達 某些信號轉導蛋白組成型激活突變 刺激型抗受體抗體,信號轉導通 路過度激活,如肢端肥大癥和巨人癥,生長激素(GH)分泌的調(diào)節(jié),GH釋放激素,(regula

21、tion of growth hormone secretion),編碼Gs 的基因(GNAS1)突變,機制,3040垂體腺瘤,肢端肥大 身材高大,表現(xiàn),三、多個環(huán)節(jié)的信號轉導異常與疾病,表達生長因子樣物質(zhì) 表達生長因子受體類 表達蛋白激酶類 表達信息傳遞分子類 表達核內(nèi)蛋白類,腫瘤,抑制細胞增殖的信號轉導過弱,生長抑制因子受體減少、喪失 受體后信號轉導通路異常,細胞的生長負調(diào)控機制減弱或喪失,信號轉導研究中的重大理論問題及熱點領域,第四節(jié),1、信號轉導通路的調(diào)控,磷酸化去磷酸化調(diào)控 信號轉導分子消長的調(diào)控（分子半衰期） 不同通路之間的效應調(diào)控 胞內(nèi)內(nèi)源性抑制物的調(diào)控功能,2、Cross-Ta

22、lk,3、信號轉導效應的特異性When and Where?,Cooperation with other signaling pathways? Pre-existing transcription co-factors differentially expressed and activated in different cell types? Pre-existing co-activators of target proteins? Subcellular localization of transducers? Optimal level (or a threshold) of phosphor