《专题细胞信号转导》PPT课件.ppt

细胞信号转导,临床病例,男性， 6岁时因自幼皮肤黄色瘤就诊。患儿出生时臀部即有一绿豆粒大小之疹状黄色瘤，此后，黄色瘤渐扩展为条纹状及片状，且颈后、肘部和膑骨等肌腱附着处及眼内眦部先后出现斑块状、条纹状黄色瘤。5岁后双手指、足趾伸肌腱及跟腱先后出现大小不等的结节状黄色瘤。,临床病例,体检： 心脏听诊主动脉瓣区可闻级收缩期杂音 实验室检查： 血清总胆固醇(TC) 21.3 mM (2.82-5.95 mM) 甘油三酯(TG) 1.2 mM (0.56-1.7 mM) 高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C) 0.8 mM (1.03-2.07 mM) 低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C) 19.6 mM (2.7-3.2 mM),心电图示左室肥厚及心肌缺血 心脏多普勒检查显示主动脉壁增厚、异常光 斑、主动脉狭窄 7岁时每于剧烈运动即心绞痛发作 8岁时奔跑后突发前室间隔心肌梗死 10岁于冠脉搭桥术后猝死,临床病例,该患者患有何种疾病？ 其信号转导障碍的分子机制是什么？,细胞信号转导（cellular signal transduction) 细胞通过位于胞膜或胞内的受体感受胞外信号的刺激，经复杂的细胞内信号转导系统的转换来影响细胞的生物学功能，这一过程称为细胞信号转导。,第一节 信号与受体,一、信号 配体：受体所接受的外界信号统称为配体，包括神经递质、激素、生长因子、光子、某些化学物质及其他细胞外信号。 （一）物理信号 1.光信号、磁场、声、辐射等 2.电信号:电信号是最重要的物理信号，指细胞膜静息电位改 变时所引起动作电位的定向传播，主要由于细胞内 外离子浓度的差别以及各种电压门控的离子通道交 互启闭所造成，在神经细胞中表现尤为突出。 3.机械信号:如磨擦力、压力、牵张力及血液在血管中流动所 产生的切应力等。,（二） 化学信号 根据作用的距离范围： 1、内分泌系统的化学信号：激素 （最远） 2、神经系统的化学信号：神经递质 （最近） 3、旁分泌系统的化学信号：各种细胞因子、生长因子、 与细胞分化发育有关的因子（作用距离介于上两者之间） （三）生物大分子的结构信号,二、受体,受体是一种蛋白质，存在于细胞膜上或细胞内，能接受外界的信号并将这一信号转化为细胞内的一系列生化反应，从而对细胞的结构或功能产生影响。 （一） 受体的特点 1、 高度特异性 2、 高亲和力 3、 可饱和性 4、 可逆性：非共价可逆性结合 （二） 受体的分类 1、细胞表面受体：可分为离子通道受体、G蛋白偶联受体、具有酶活性的受体-水溶性化学信号分子及其他细胞表面信号分子 2、细胞内受体：位于胞浆或胞核内 - 脂溶性化学信号分子,1、具有酶活性的受体,举例：酪氨酸蛋白激酶相关受体 结构：配体结合区-越膜区 - 激酶活性区 机制： 配体与配体结合区结合 通过蛋白质构象的变化，激活激酶活性区的酶活性 后者把使底物磷酸化，即把细胞外的信号转导到细胞内 常见配体：如胰岛素、类胰岛素生长因子、血小板生长因子、表皮生长因子和集落刺激因子等,（三）常见的膜受体,2、离子通道受体,配体门控通道： 其本身是一种或几种离子的离子通道，受配体的调节作 用开放或关闭，控制离子进出细胞。如N-乙酰胆碱受体 电压门控通道： 当膜电位发生改变时，有些离子通道也可以开放,3、G蛋白偶联受体：, 机制： 此类受体在细 胞膜中与效应器是分开的，必须偶联一种结合GTP的蛋白（G蛋白），才能将信号转给效应器 （如图）, 结构：细胞外区（配体结合区）- 跨膜区（七次跨膜） -细胞质区（有G蛋白结合部位）,Activation of cAMP-dependent protein kinase, PKA,G蛋白：,1、概念：又称鸟苷酸结合蛋白，一般是指任何可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称。 2、结构与分类： (1)异三聚体G蛋白,结构：由、等3个不同的亚单位构成的异聚体。 （GDP- GTP-、） 分类（依据亚单位的结构与活性）： Gs家族：具s亚单位（对效应蛋白起激活作用）：3种 Gi家族：具i亚单位（对效应蛋白起抑制作用）：9种 Gq家族：尚不清楚，7种亚单位,作用机制： 配体与受体结合 受体蛋白空间构象改变，与G蛋白亚单位相接触 -GDP转变成为-GTP，与、亚单位分离 -GTP作用于效应器，实现细胞内外信号传递 -GTP转变成为-GDP，与效应器分离，重新与、 亚单位相结合恢复静息状态。 另： 亚单位的浓度对G蛋白的作用强度起反向调节作用 被G蛋白结合的效应蛋白（如离子通道、酶分子）种类 取决于细胞的类型和亚单位的类型。,(2)小分子G蛋白,2100028000d, 小G蛋白超家族成员至少有50余种,只有G 功能 （如Ras 蛋白的活化需接头蛋白和尿苷酸释放因子的中介; 而其失活则需要GTP酶激活蛋白的帮助 ）,位于细胞内,（四）细胞内受体,胞内受体多为DNA结合蛋白，存在于细胞质或细胞核中，能调节基因的转录，从而控制相应蛋白质的表达。包括甾体激素受体、甲状腺素受体、维甲酸受体等。 在没有激素作用时，热休克蛋白(Hsps) 与受体形成复合物，阻止了受体向细胞核的移动及其与DNA的结合。当激素与受体结合后，受体构象发生变化，导致热休克蛋白与其解聚，暴露出受体核内转移部位及DNA结合部位，从而激素-受体复合物向内转移，并结合于DNA上特异基因邻近的激素反应元件(HRE)上(见图)，激活或抑制靶基因，调节机体的生长、发育、生殖与参与体内的免疫与炎症反应。 不同的激素-受体复合物结合于不同的激素反应元件（见表)。结合于激素反应元件的激素-受体复合物再与位于启动子区域的基本录因子及其它的转录调节分子作用，从而开放或关闭其下游基因。,细胞内受体的信号转导机理 （A）细胞内受体蛋白作用模型（B）几种胞内受体蛋白超家族成员,激素反应元件 (HRE),* X代表任一核苷酸,目前已知通过细胞内受体调节的激素有糖皮质激素、盐皮质激素、雄激素、孕激素、雌激素、甲状腺素（T3及T4）和1,25-（OH）2-VD3等，上述激素除甲状腺素外均为类固醇化合物。 核内受体-雄激素、孕激素、雌激素、甲状腺素受体 胞液内受体-糖皮质激素,第二节 重要的细胞跨膜信号转导通路,一、腺苷酸环化酶与cAMP：,这是偶联G蛋白受体作用机制的一个典型例子,1、腺苷酸环化酶（AC）的结构及作用,（1）AC的结构：,氨基-M1-C1-M2-C2-羧基 （M1、M2为疏水区域，各6个越膜区域） （C1、C2为细胞质区域，能结合ATP并具酶活性）,AC共有6个亚型，受到不同的调控并分布于不同组织。,（2）作用：,2、cAMP的作用方式及调控,（1）作用方式：, 在嗅觉上皮细胞中可调控离子通道的通透性, 在绝大多数细胞中，特异性地激活cAMP依赖性蛋白激酶A（PKA）PKA激活CREB（cAMP反应元件结合蛋白，是一些基因表达的调节因子）CREB结合于相关基因的CRE区，在其他特异性转录因子的调控下，启动基因的表达，表达的蛋白产物对细胞产生各种生物学效应。（如促糖原分解，特异蛋白合成细胞分化）,催化ATP分解形成cAMP作为第二信号（在G蛋白的作用下AC被激活）,Adenylyl cyclase signal transduction pathway,（2）调控：,环核苷酸磷酸二酯酶（PDE）催化cAMP进行降解生成5-AMP，使cAMP水平下降，适当终止cAMP的作用。,二、二酰甘油、肌醇三磷酸和Ca2+的信号体系,膜受体被激活,激活G蛋白,活化磷脂酶C（PLC）,催化细胞膜上的4，5-磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）分解生成： 二酰甘油（DAG） 1，4，5-肌醇三磷酸（IP3） （IP3使胞内Ca2+库中的Ca2+释放到细胞质中）,Activation of PKC through G protein coupled receptor,1、DAG活化蛋白激酶C（PKC）,（1）细胞膜上的PKC受DAG作用而活化，对Ca2+亲和力加强 使底物蛋白酶磷酸化,（2）DAG的去向：重新利用（经循环反应后） 被DAG脂酶分解,2、IP3动员细胞内Ca2+的释放：,（1）IP3作用于内质网膜上的IP3受体，使其的Ca2+通道开放， Ca2+从内质网进入细胞质中。- Ca2+的释放机制 （2）Ca2+的作用机制：通过活化钙结合蛋白进行。 举例：钙调素（CaM）（无活性）+Ca2+ Ca2+CaM （有活性）复合物 激活蛋白激酶或磷酸酶作用于 底物蛋白，调节细胞内代谢,三、鸟苷酸环化酶与cGMP(酪氨酸激酶类受体),1.GC的分类：,（1）膜结合性GC：,是一种跨膜蛋白，起受体作用，其主要配体为神经肽 受体域：接受第一信号的刺激 催化域：分解GTP成为cGMP(第二信号),（2）可溶性GC： 存在于细胞质中 由两个亚单位（均含有一个酶活性部位）组成； 需由NO（第二信号）激活，可将GTP分解成为cGMP。,2、cGMP的作用：,（1）直接作用于离子通道：如视网膜光感受器，使Na离子通道 开放，Na离子入胞，使膜去极化，产生光感效应。 （2）直接作用于cGMP依赖性蛋白激酶（PKG）：作用于靶蛋白， 调节胞内代谢（促糖原合成，加快DNA复制细胞分裂） （调控机制同cAMP）,四、一氧化氮（NO）信号（第二信号）,某种信号途径（如G蛋白偶联受体）,胞内Ca2+库释放（间接）,配体闸门通道（直接）,导致Ca2+浓度 上升,NO合酶活性上升,催化精氨酸转化形成NO和瓜氨酸,NO调节细胞内代谢：如可以提高cGMP浓度而产生一系列代谢反应,近期的研究已表明，一氧化氮具有免疫调节、神经传递、血压生理调控和血小板凝聚的抑制等生理功能。,Nitric Oxide Signaling Pathway,五、蛋白激酶使底物磷酸化：,受体类型/效应器：,偶联G 蛋白受体,酪氨酸激酶类受体（GC）,偶联G 蛋白受体,AC,第二信号：,cAMP,cGMP,NO,Ca2+,IP3,DAG,蛋白激酶：,PKA,PKG,Ca2+CaM依赖性蛋白激酶,PKC,底物蛋白磷酸化,生物学效应,配体闸门通道,PLC,（同一类受体可产生多种第二信号；不同种类受体可产生同一第二信号。 表明细胞内的不同信号转导通路并非独立存在，而是存在着多种交互的联系）,级联反应： 即催化某一反应的蛋白质由上一步反应的产物激活或抑制。,优点： 通过单一种类的化学分子便可调节一系列酶促反应 使信号逐级放大,第三节 细胞信号转导障碍与疾病,受体病： 因受体的数量、结构或调节功能变化，使受体不能正常介导配体在靶细胞中应有的效应所引起的疾病。,一、受体异常与疾病,受体下调或减敏： 受体数量减少或靶细胞对配体刺激的反应性减弱 受体上调或增敏： 受体数量增加或在缺乏配体时自发激活或对正常配体 反应性增强,遗传性受体病,自身免疫受体病,继发性受体异常,家族性高胆固醇血症,家族性肾性尿崩症,甲状腺素抵抗综合征,重症肌无力,自身免疫性甲状腺病,损伤性：膜磷脂分解 代偿性：ligand,LDL-R,1、合成障碍,2、转运障碍,3、与配体结合障碍,4、内吞缺陷,数目,1. 家族性高胆固醇血症 因编码LDL受体的基因突变，使细胞表面LDL受体减少或缺失，引起脂质代谢紊乱和动脉粥样硬化。,(1) LDL受体的代谢,(2)表现,常染色体显性遗传 LDL受体减少 血浆LDL水平升高 早发动脉粥样硬化,(1) 机制,肌纤维收缩,2. 重症肌无力 因存在抗n-Ach受体的抗体而引起的自身免疫性疾病。,受累横纹肌稍行活动后即疲乏无力，休息后恢复。,(2) 表现,二、G蛋白异常与疾病,GTP,GDP,效应蛋白,通道 载体,PLC,GTP,GDP,Gs+GTP,AC,cAMP,外毒素使Gs精aa201核糖化,ATP,Cl-、H2O,1、霍乱,编码Gs 的基因(GNAS1)突变,(1) 机制,3040垂体腺瘤,2、肢端肥大症和巨人症,(2)表现,肢端肥大 身材高大,三、细胞内信号转导分子、转录因子异常与疾病,（一）NO与缺血-再灌注损伤 心肌缺血 NO合酶 NO cGMP PKG,DNA,Ig轻链基因的 B序列,NF-B,最先从B淋巴细胞中发现 与Ig轻链基因的B序列特异结合核因子,（二）核因子- B与炎症,B序列存在于多种基因的启动子和增强子中,R,TNFa,酸性神经 鞘磷脂酶,神经 鞘磷脂,神经酰胺,蛋白激酶,+,NF-kB,IkB,IkB,NF-kB,基因转录,细胞因子,炎症介质,（一）非胰岛素依赖性糖尿病（NIDDM, II 型） 受体前 胰岛素 受体 异常对胰岛素反应性 受体后,四、多个环节细胞信号转导障碍,遗传性,自身免疫性,高胰岛素血症 继发性下调,1、胰岛素受体异常,数量 亲和力 TPK活性 （甘a.a1008突变为颉a.a）,继发性,丝/苏aa激酶活性,2、受体信号转导异常,PI3K抑制 IRS-1,IRS-2下调,生物化学因素 机械性因素,血管平滑肌细胞 (VSMC),（二）高血压病,第四节 信号转导与药物研发,1.蛋白酪氨酸激酶（PTK）及其靶向抑制剂 与人类肿瘤相关的癌基因和抑癌基因其80编码蛋白激酶， PTK的过度表达与肿瘤的生成相关。 PTK抑制剂： 天然PTK抑制剂: erbstatin和lavendustin 化学合成PTK抑制剂: tyTphostin及其衍生物、新型高效表皮生长因子受体(EGFR)抑制剂、4-毗咯并2,3-d嘧啶类化合物、ATP竞争性EGFR抑制剂以及苯胺-吡唑并4,3-d嘧啶类化合物等。,一、细胞信号转导及靶向抗癌药,2.蛋白激酶C(PKC)及其靶向抑制剂 细胞内PKC激活后，能引起一系列下游级联反应，最终阻止多种细胞毒药物诱导的细胞凋亡的启动；降低PKC活性，能显著促进不同细胞的凋亡，尤其是恶性肿瘤的凋亡。 UNC-01是特异性PKC抑制剂，能激活caspase，引起白血病和结肠癌细胞调亡，且可增强化疗药物特异性杀伤p53突变肿瘤的效力；体内试验显示，它对异体移植瘤，如人上皮癌、纤维肉瘤、白血病、结肠癌、乳腺癌、肺癌、肾癌等均有疗效。,3.法尼基转移酶及其靶向抑制剂 法尼基化是信号转导途径中几个关键蛋白活化所必需的，包括Ras(K-Ras、N-Ras和H-Ras)家族。 Ras蛋白参与调控细胞的增