q3-1-2-細胞信號轉導的分子機制-20160922b

1、第十九章,細胞信號轉導的分子機制,The Molecular Mechanism of Cellular Signal Transduction,生物體內(nèi)各種細胞在功能上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是通過細胞間相互識別和相互作用來實現(xiàn)的。一些細胞發(fā)出信號，而另一些細胞則接收信號并將其轉變?yōu)樽陨砉δ茏兓?，這一過程稱為細胞通訊（cell communication）。 細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內(nèi)生物化學變化及效應的全過程稱為信號轉導（signal transduction）。,第一節(jié),細胞信號轉導概述,The General Information of Signal Transduction,改變細胞內(nèi)的某些

2、代謝過程，或改變生長速度，或改變細胞遷移或進入細胞凋亡等生物學行為,細胞外信號,受體,細胞內(nèi)各種分子數(shù)量、分布或活性變化,細胞信號轉導的基本路線,一、細胞外化學信號有可溶型和膜結合型兩種形式,生物體可感受任何物理、化學和生物學刺激信號，但最終通過換能途徑將各類信號轉換為細胞可直接感受的化學信號（chemical signaling）。 化學信號可以是可溶性的，也可以是膜結合形式的。,化學信號通訊是生物適應環(huán)境不斷變異、進化的結果。,單細胞生物與外環(huán)境直接交換信息。 多細胞生物中的單個細胞不僅需要適應環(huán)境變化，而且還需要細胞與細胞之間在功能上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。,多細胞生物細胞間的聯(lián)系,細胞與細胞的直接

3、聯(lián)系：物質直接交換，或者是通過細胞表面分子相互作用實現(xiàn)信息交流。,激素調(diào)節(jié)：適應遠距離細胞之間的功能協(xié)調(diào)的信號系統(tǒng)。,（一）可溶型信號分子作為游離分子在細胞間傳遞,多細胞生物中，細胞可通過分泌化學物質（如蛋白質或小分子有機化合物）而發(fā)出信號，這些分子作用于靶細胞表面或細胞內(nèi)的受體，調(diào)節(jié)靶細胞的功能，從而實現(xiàn)細胞之間的信息交流。,可溶型信號分子可根據(jù)其溶解特性分為脂溶性化學信號和水溶性化學信號兩大類,根據(jù)體內(nèi)化學信號分子作用距離，可以將其分為三類：,作用距離最遠的內(nèi)分泌（endocrine）系統(tǒng)化學信號，稱為激素； 屬于旁分泌（paracrine）系統(tǒng)的細胞因子，主要作用于周圍細胞；有些作用于自

4、身，稱為自分泌（autocrine）。 作用距離最短的是神經(jīng)元突觸內(nèi)的神經(jīng)遞質 （neurotransmitter）。,可溶型信號分子的分類,（二）膜結合型信號分子需要細胞間接觸才能傳遞信號,每個細胞的質膜外表面都有眾多的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可通過膜表面分子的特異性識別和相互作用而傳遞信號。 當細胞通過膜表面分子發(fā)出信號時，相應的分子即為膜結合型信號分子，亦稱為配體，而在靶細胞表面與之特異性結合的分子（受體），則通過這種分子間的相互作用而接收信號，并將信號傳入靶細胞內(nèi)。 這種細胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊。,屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間黏附因子的相互作用、T淋巴細胞與B

5、淋巴細胞表面分子的相互作用等。,二、細胞經(jīng)由特異性受體接收細胞外信號,受體（receptor）是細胞膜上或細胞內(nèi)能識別外源化學信號并與之結合的蛋白質分子，個別糖脂也具有受體作用 。 能夠與受體特異性結合的分子稱為配體（ligand）。可溶性和膜結合型信號分子都是常見的配體。,（一）受體有細胞內(nèi)受體和細胞膜受體,受體按照其在細胞內(nèi)的位置分為：,細胞內(nèi)受體 包括位于細胞質或胞核內(nèi)的受體，其相應配體是脂溶性信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸等。 細胞表面受體 水溶性信號分子和膜結合型信號分子（如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等）不能進入靶細胞，其受體位于靶細胞的細胞質膜表面。,圖

6、19-1 水溶性和脂溶性化學信號的轉導,（二）受體結合配體并轉換信號,受體識別并與配體結合，是細胞接收外源信號的第一步反應。 受體有兩個方面的作用：一是識別外源信號分子并與之結合；二是轉換配體信號，使之成為細胞內(nèi)分子可識別的信號，并傳遞至其他分子引起細胞應答。,細胞內(nèi)受體能夠直接傳遞信號或通過特定的通路傳遞信號,有許多細胞內(nèi)受體是基因表達的調(diào)控蛋白，與進入細胞的信號分子結合后，可以直接傳遞信號，即直接調(diào)控基因表達。 另有一些細胞內(nèi)受體可以結合細胞內(nèi)產(chǎn)生的信號分子（如細胞應激反應中產(chǎn)生的細胞內(nèi)信號分子），直接激活效應分子或通過一定的信號轉導通路激活效應分子。,膜受體識別細胞外信號分子并轉換信號,

7、膜受體識別并結合細胞外信號分子，將細胞外信號轉換成為能夠被細胞內(nèi)分子識別的信號，通過信號轉導通路將信號傳遞至效應分子，引起細胞的應答。,（三）受體與配體的相互作用具有共同的特點,配體-受體結合曲線,三、細胞內(nèi)信號轉導具有多條信號通路并形成網(wǎng)絡調(diào)控,細胞內(nèi)存在多種信號轉導分子，這些分子依次相互識別、相互作用，有序地轉換和傳遞信號。由一組分子形成的有序分子變化被稱為信號轉導通路或信號轉導途徑（signal transduction pathway）。 每一條信號轉導通路都是由多種信號轉導分子組成，不同分子間有序地依次進行相互作用，上游分子引起下游分子的數(shù)量、分布或活性狀態(tài)變化，從而使信號向下游傳遞

8、。信號轉導分子相互作用的機制構成了信號轉導的基本機制。,由一種受體分子轉換的信號，可通過一條或多條信號轉導通路進行傳遞。而不同類型受體分子轉換的信號，也可通過相同的信號通路進行傳遞。 不同的信號轉導通路之間亦可發(fā)生交叉調(diào)控（cross-talking），形成復雜的信號轉導網(wǎng)絡（signal transduction network）。 信號轉導通路和網(wǎng)絡的形成是動態(tài)過程，隨著信號的種類和強度而不斷變化。,NH2,AAAAA,m7G,Translation,信號轉導網(wǎng)絡,細胞信號轉導的基本方式示意圖,第二節(jié),細胞內(nèi)信號轉導分子 Intracellular Signal Molecules,細胞外

9、的信號經(jīng)過受體轉換進入細胞內(nèi)，通過細胞內(nèi)一些蛋白質分子和小分子活性物質進行傳遞，這些能夠傳遞信號的分子稱為信號轉導分子（signal transducer）。 依據(jù)作用特點，信號轉導分子主要有三大類：小分子第二信使、酶、調(diào)節(jié)蛋白。 信號轉導分子依次相互作用，從而形成上游分子和下游分子的關系。,受體及信號轉導分子傳遞信號的基本方式包括 ：,改變下游信號轉導分子的構象 改變下游信號轉導分子的細胞內(nèi)定位 信號轉導分子復合物的形成或解聚 改變小分子信使的細胞內(nèi)濃度或分布,一、第二信使結合并激活下游信號轉導分子,環(huán)腺苷酸（cAMP）、環(huán)鳥苷酸（cGMP）、甘油二酯（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）、磷脂酰

10、肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）、Ca2+等可以作為外源信息在細胞內(nèi)的信號轉導分子，稱為細胞內(nèi)小分子信使，或稱為第二信使（second messenger）。,（一）小分子信使傳遞信號具有相似的特點, 在完整細胞中，其濃度或分布可在細胞外信號的作用下發(fā)生迅速改變 該分子類似物可模擬細胞外信號的作用 阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反應 作為別構效應劑在細胞內(nèi)有特定的靶蛋白分子,多數(shù)小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。這些酶被其自身的上游信號轉導分子激活，從而催化小分子信使的生成，使其濃度在細胞內(nèi)迅速升高。,上游信號轉導分子使第二信使的濃度升高或分布變化,細胞內(nèi)存在相應的水解酶，可迅速

11、將它們清除，使信號迅速終止，細胞回到初始狀態(tài)，再接受新的信號。 只有當其上游分子（酶）持續(xù)被激活，才能使小分子信使持續(xù)維持在一定的濃度。,小分子信使?jié)舛瓤裳杆俳档?小分子信使都是蛋白質的別構激活劑，當其結合于下游蛋白分子后，通過改變蛋白質的構象而將其激活，從而使信號進一步傳遞。,小分子信使激活下游信號轉導分子,（二）環(huán)核苷酸是重要的細胞內(nèi)第二信使,目前已知的細胞內(nèi)環(huán)核苷酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。,cAMP和cGMP的結構及其代謝,1. cAMP和cGMP的上游信號轉導分子是相應的核苷酸環(huán)化酶,（adenylate cyclase，AC）,（guanylate cyclase，GC）

12、,2. 磷酸二酯酶催化環(huán)核苷酸水解,細胞中存在多種催化環(huán)核苷酸水解的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）。 在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高cAMP水平的同時會增加PDE活性，促進cAMP的水解，這是調(diào)節(jié)cAMP濃度的重要機制。 PDE對cAMP和cGMP的水解具有相對特異性。,3環(huán)核苷酸在細胞內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白激酶活性,環(huán)核苷酸作為第二信使的作用機制：cAMP和cGMP在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者發(fā)生構象變化，從而改變活性。 蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許多小分子第二信使直接作用的靶分子。,蛋白激酶A是cAMP的靶分子,cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶（cAMP

13、-dependent protein kinase，cAPK），即蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）。,PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子 。,cAMP激活 PKA影響糖代謝示意圖,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）。 PKG是由相同亞基構成的二聚體。與PKA不同，PKG的調(diào)節(jié)結構域和催化結構域存在于同一個亞基

14、內(nèi)。PKG在心肌及平滑肌收縮調(diào)節(jié)方面具有重要作用。,cGMP激活PKG示意圖,4蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,環(huán)核苷酸作為別構效應劑還可以作用于細胞內(nèi)其他非蛋白激酶類分子。 一些離子通道也可以直接受cAMP或cGMP的別構調(diào)節(jié)。,視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道,嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道,（三）脂類也可衍生出胞內(nèi)第二信使,具有第二信使特征的脂類衍生物:,二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG） 花生四烯酸（arachidonic acid，AA） 磷脂酸（phosphatidic acid， PA） 溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid，LP

15、A） 4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP） 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2) 肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）,這些脂類衍生物都是由體內(nèi)磷脂代謝產(chǎn)生的。,磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使,磷脂酰肌醇激酶類，催化磷脂酰肌醇磷酸化。根據(jù)肌醇環(huán)的磷酸化羥基位置不同，這類激酶有PI-3K、PI-4K和PI-5K等。 磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C（ PLC）可將磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分解成為DAG和IP3。,磷脂酶和磷脂酰肌醇

16、激酶催化第二信使的生成,2脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子,DAG是脂溶性分子，生成后仍留在質膜上。 IP3是水溶性分子，可在細胞內(nèi)擴散至內(nèi)質網(wǎng)或肌質網(wǎng)膜上，并與其受體結合。,IP3的靶分子是鈣離子通道,IP3為水溶性，生成后從細胞質膜擴散至細胞質中，與內(nèi)質網(wǎng)或肌質網(wǎng)膜上的IP3受體結合。,（四）鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類,1鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區(qū)域特征,細胞外液游離鈣濃度高（1.121.23mmol/L）； 細胞內(nèi)液的鈣離子含量很低，且90%以上儲存于細胞內(nèi)鈣庫（內(nèi)質網(wǎng)和線粒體內(nèi)）；胞液中游離Ca2+的含量極少（基礎濃度只有0.010.1mol/L）。,導致胞液游離Ca2+

17、濃度升高的反應有兩種：,一是細胞質膜鈣通道開放，引起鈣內(nèi)流； 二是細胞內(nèi)鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。,胞液Ca2+可以再經(jīng)由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵（Ca2+-ATP酶）返回細胞外或胞內(nèi)鈣庫，以消耗能量的方式維持細胞質內(nèi)的低鈣狀態(tài)。,2鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調(diào)蛋白,鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）可看作是細胞內(nèi)Ca2+的受體。,乙酰膽堿、兒茶酚胺、加壓素、血管緊張素和胰高血糖素等,胞液Ca2+濃度升高,CaM,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,CaM發(fā)生構象變化后，作用于Ca 2+/CaM-依賴性激酶（CaM-K） 。,專一功能CaM-K,多功能CaM-K,肌

18、球蛋白輕鏈激酶:調(diào)節(jié)肌肉收縮 磷酸化酶激酶:調(diào)節(jié)糖原分解 延長因子2激酶:調(diào)節(jié)蛋白合成,Ca2+/CaM-依賴性激酶 I,Ca2+/CaM-依賴性激酶 II,3鈣調(diào)蛋白不是鈣離子的唯一靶分子,Ca2+還結合PKC、AC和cAMP-PDE等多種信號轉導分子，通過別構效應激活這些分子。,（五）NO等小分子也具有信使功能,NO合酶介導NO生成,NO合酶,胍氨酸,精氨酸,NO,NO的生理調(diào)節(jié)作用主要通過激活鳥苷酸環(huán)化酶、ADP-核糖轉移酶和環(huán)氧化酶完成。,除了NO以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氫（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年來也得到證

19、實。,二、許多酶可通過其催化的反應而傳遞信號,細胞內(nèi)的許多信號轉導分子都是酶。 作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。 一是催化小分子信使生成和轉化的酶，如腺苷酸環(huán)化酶、鳥苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C、磷脂酶D（PLD）等； 二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白絲/蘇氨酸激酶。,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子,蛋白激酶（protein kinase）與蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾，對下游分子的活性進行調(diào)節(jié)。 蛋白質的磷酸化修飾可能提高其活性，也可能降低其活性，取決于構象變化是否有利于反應的進行。 各種蛋白激酶和

20、蛋白磷酸酶在細胞內(nèi)僅僅選擇性作用于有限的底物，它們的催化作用特異性及其在細胞內(nèi)的分布特異性決定了信號轉導通路的精確性。,蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關,酶的磷酸化與脫磷酸化,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,1. 蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP -磷酸基轉移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。已超800種。,蛋白激酶的分類,2. 蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應,蛋白質磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的調(diào)控系

21、統(tǒng)。 無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調(diào)節(jié)還是負調(diào)節(jié)，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產(chǎn)生衰減或終止效應。,（二）許多信號通路涉及蛋白絲/蘇氨酸激酶的作用,細胞內(nèi)重要的蛋白絲/蘇氨酸激酶包括 受環(huán)核苷酸調(diào)控的PKA和PKG 受DAG/Ca2+調(diào)控的PKC 受Ca2+/CaM調(diào)控的Ca2+/CaM-PK 受PIP3調(diào)控的PKB 受絲裂原激活的蛋白激酶（mitogen activated protein kinase, MAPK）。,1. MAPK調(diào)控細胞的多種重要的生理功能,哺乳動物細胞重要的MAPK亞家族：,細胞外調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulated kinase，

22、ERK） c-Jun N -末端激酶/應激激活的蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK） p-38-MAPK,ERK參與細胞增殖與分化的調(diào)控，多種生長因子受體、營養(yǎng)相關因子受體等都需要ERK的活化來完成信號轉導過程。 JNK家族是細胞對各種應激原誘導的信號進行轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、滲透壓、溫度變化等的應激反應。 p38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激反應。,2. MAPK級聯(lián)激活是多種信號通路的中心環(huán)節(jié),MAPK上游的兩級信號轉導分子也是蛋白激酶，稱為MAPKK（MAP kinas

23、e kinase）和MAPKKK（MAP kinase kinase kinase）。 MAPKK和MAPK本身也是通過磷酸化修飾而被激活。 細胞受到生長因子或其他因素刺激時，其上游信號轉導分子被依次活化，進而將MAPKKK激活，MAPKKK通過磷酸化修飾而激活MAPKK，后者再修飾激活MAPK，從而形成逐級磷酸化的級聯(lián)激活反應。,MAPK的級聯(lián)激活,MAPKKK,MAPKK,MAPK,Thr,Tyr,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,MAPK被激活后轉移至細胞核內(nèi)，使一些轉錄因子發(fā)生磷酸化，改變細胞內(nèi)基因表達的狀態(tài)。另外，它也可以使一些其它的酶發(fā)生磷酸化

24、使之活性發(fā)生改變。 MAPK家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋白激酶等。 MAPK調(diào)控的生物學效應：參與多種細胞功能的調(diào)控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。,（三）蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號,蛋白質酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。 酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向調(diào)節(jié)作用，無論是生長因子作用后正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖，還是T細胞、B細胞或肥大細胞的活化都伴隨著瞬間發(fā)生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸化。,三、信號轉導蛋白可通過蛋白質相互作用傳遞信號,信號

25、轉導通路中有許多信號轉導分子是沒有酶活性的蛋白質，它們通過分子間的相互作用被激活、或激活下游分子。 這些信號轉導分子主要包括G蛋白、銜接蛋白和支架蛋白。,（一）G蛋白的GTP/GDP結合狀態(tài)決定信號的傳遞,鳥苷酸結合蛋白（guanine nucleotide binding protein，G protein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白。 分別結合GTP和GDP時，G蛋白處于不同的構象。 結合GTP時處于活化形式，能夠與下游分子結合，并通過別構效應而激活下游分子。 G蛋白自身均具有GTP酶活性，可將結合的GTP水解為GDP，回到非活化狀態(tài)，停止激活下游分子。,G蛋白主要有兩大類：,三聚體G

26、蛋白：與7次跨膜受體結合，以亞基（G）和、亞基(G)三聚體的形式存在于細胞質膜內(nèi)側。 低分子量G蛋白（21kD）,三聚體G蛋白介導G蛋白偶聯(lián)受體傳遞的信號,亞基 （G） 、亞基 (G),具有多個 功能位點 亞基具有GTP酶活性,與受體結合并受其活化調(diào)節(jié)的部位 亞基結合部位 GDP/GTP結合部位 與下游效應分子相互作用部位,主要作用是與亞基形成復合體并定位于質膜內(nèi)側； 在哺乳細胞，亞基也可直接調(diào)節(jié)某些效應蛋白。,G蛋白通過G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）與各種下游效應分子，如離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、PLC聯(lián)系，調(diào)節(jié)各種細胞功能。,2. 低分子量G蛋白是信號轉導通路中的轉導分子,低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉導通路中的轉導分子。 Ras是第一個