细胞信号转导基础.ppt

细胞信号转导基础,细胞信号转导（cellular signal transduction，cell signaling）,针对外源性信号所发生的细胞内各种分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能的过程，称为细胞信号转导。,细胞间信号转导的作用方式：,1.内分泌型 2.旁分泌型 3.自分泌型 4.其他类型：包括接触依赖型、突触型和缝隙连接型等。,第一节 信号转导的概述,一、信号分子与受体 （一）信号分子（signal molecule） 具有调节细胞生命活动的化学物质称为信号分子。信号分子的特点是具有特异性、高效性和可被灭活，但不具备酶活性，唯一的功能是与靶细胞的受体结合，通过信号转换机制把细胞外信号转变为细胞内信号。,（二）受体,根据受体在细胞中的位置，将其分为两大类。 1.细胞膜受体 2.细胞内受体,1.离子通道受体 2. G蛋白偶联受体 3. 酶耦联受体：1）酪氨酸蛋白激酶受体（tyrosine protein kinase receptor,TPKR）；2）非酪氨酸蛋白激酶受体，包括5种亚类：酪氨酸激酶耦联受体、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、组氨酸激酶耦联受体、受体鸟苷酸环化酶、类受体酪氨酸去磷酸酶等。,细胞膜受体（membrane receptor）分类,N,C,G蛋白偶联区,G蛋白偶联受体结构,胞外,胞浆,富 含 Cys 区 段,免 疫 球 蛋 白 样 序 列,激 酶 插 入 序 列,TPK,IGF-受体,EGF受体,PDGF受体,FGF受体,EGF：表皮生长因子,IGF-：胰岛素样生长因子- ,PDGF：血小板衍生生长因子,FGF：成纤维细胞生长因子,TPK,细胞内受体（intracellular receptor）,I型核受体（NR-I） II型核受体（NR-II）,（三）、受体与信号分子的结合特点,1）结合的饱和性 2）结合的高亲和性 3）高度专一性 4）结合的可逆性 5）特定的作用模式,二、信号转导的基本过程,（一）信号转导的基本过程 （二）细胞内信号转导相关分子 信号转导分子（signal transducer）：在细胞信号转导途径中，能够在细胞内传递特定调控信号的化学物质称为信号转导分子或细胞内信号分子。 1.第二信使 2.酶分子 3.调节蛋白,第二信使（second messenger）,第二信使为第一信使作用于靶细胞后在胞浆内产生的信息分子，第二信使将获得的信息增强，分化，整合并传递给效应器才能发挥特定的生理功能或药理效应。,第二信使具有的特点：,1）在细胞中的浓度或分布可迅速改变，即可在短时间内迅速增长，短时间内又可迅速灭活； 2）不位于能量代谢途径的中心； 3）阻断该分子的变化可以阻断细胞细胞对外源信号的反应； 4）作为变构效应剂作用于细胞内相应的靶分子。,第二信使的种类,1）环核苷酸，如cAMP，cGMP 2）脂类衍生物，如DAG，IP3（？），PIP3，Ceramide。 3）无机物，如Ca2+，NO，（CO），（H2S）等。,作为信号转导分子的酶类,1）蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶 2）蛋白酪氨酸激酶 3）蛋白组氨酸/赖氨酸/精氨酸激酶 4）蛋白色氨酸激酶 5）蛋白天冬氨酰基/谷氨酰基激酶,作为信号转导分子的调节蛋白,1）G蛋白 2）衔接蛋白 3）转录因子（反式作用因子）？,G蛋白（G protein）,鸟苷酸结合蛋白称为G蛋白。 G蛋白在细胞内广泛存在，参与细胞信号转导的G蛋白有三聚体G蛋白和小G蛋白两大类。 小G蛋白主要包括Ras家族、Rho家族和Rab家族。,衔接蛋白（adapter protein）,衔接蛋白也称为接头蛋白，连接上游和下游信号转导分子，通过变构效应激活下游分子，其结构基础是含有蛋白质相互作用结构域，功能是募集和组织信号转导复合物。,衔接蛋白的互作（interaction）结构域,1.SH2结构域（Src homology 2 domail） 约由100个氨基酸残基组成，可识别和结合SH2结合位点。SH2结合位点由蛋白质分子中的磷酸化酪氨酸及相邻的3-6个氨基酸残基所构成 2.SH3结构域（Src homology 3 domain） 由50个氨基酸残基组成，能识别和结合蛋白质分子中富含脯氨酸的序列。 3.PH结构域（pleckstrin homology domain） 约由120个氨基酸残基组成，可与磷脂酰肌醇衍生物等结合。 4.PTB结构域（phosphotyrosine binding domain） 约由120个氨基酸残基组成，该结构域也可以识别一些含磷酸化酪氨酸的位点 .,第二节 主要信号转导途径,一、G蛋白耦联受体信号转导途径 （一）G蛋白简介 G蛋白：一般是指任何可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称。 与膜受体耦联的G蛋白的共同特征是： 1）由，等3个不同的亚单位构成的异聚体。各种G蛋白亚基中 亚基差别最大。 2）具有结合GTP或GDP的能力，并具有GTP酶活性，能将与之结合的GTP分解形成GDP。 3）其本身的构象改变可进一步激活（或抑制）效应蛋白，改变后者活性。 对G蛋白激活后的精确反应，由特定的，亚型和下游靶分子的特殊亚型同时控制。,G结构的共同特点,1.具有结合受体并受其活化调节的位点 2.具有与亚基相结合的位点。 3.具有与靶蛋白结合的位点。 4.具有GDP或GTP结合的位点。 5.具有GTP酶的活性位点。 6.具有ADP核糖基化位点和毒素修饰位点。,（二）G蛋白耦联受体信号转导的基本过程,1.配体结合受体并激活受体 2.G蛋白活化及G蛋白循环 3.G蛋白激活下游效应分子 4.第二信使的产生及分布变化 5.第二信使激活蛋白激酶进而活化效应蛋白,（三）AC-cAMP-PKA信号转导途径 和PLC-IP3/DG信号转导途径,AC-cAMP-PKA信号转导途径,该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A(PKA）为主要特征。是激素调节物质代谢的主要途径。 1.cAMP的合成与分解 胰高血糖素、肾上腺素等激素与其受体（G蛋白偶联受体）结合而激活受体。活化的受体可促使Gs的GDP与GTP交换，导致Gs的亚基与解离，G蛋白释放出s-GTP。 s-GTP激活腺苷酸环化酶（AC），催化ATP转化为cAMP。 复合体也可以独立地作用于相应的效应物，与亚基拮抗。 cAMP 可被磷酸二酯酶（PDE）降解为5-AMP而失活。 少数激素如生长激素抑制素、胰岛素和抗血管紧张素等，它们活化受体后可催化抑制性G蛋白解离，导致细胞内AC活性下降，从而降低细胞内cAMP水平。,(AC)i,AC,无活性AC,有活性AC,AC-cAMP-PKA信号转导途径,2.cAMP的作用机制,cAMP通过激活蛋白激酶A（PKA）系统发挥生理作用。 PKA是一种由四聚体（C2R2）组成的别构酶。每个调节亚基（R）有2个cAMP结合位点，催化亚基具有催化底物蛋白质某些特定丝/苏氨酸残基磷酸化的功能。调节亚基与催化亚基相结合时，PKA呈无活性状态。当4分子cAMP与2个调节亚基结合后，调节亚基脱落，游离的催化亚基具有蛋白激酶活性。PKA的激活过程需要Mg2+.,AC-cAMP-PKA信号转导途径,C,C,+,4cAMP,+,无活性PKA,有活性PKA,AC-cAMP-PKA信号转导途径,丝氨酸 Serine,酪氨酸 Tyrosine,苏氨酸 Threonine,TPK使底物蛋白上酪氨酸残基的 OH 基磷酸化,PKA,PKC,PKG,Ca2+ -CaM激酶 使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,3.PKA的作用,1）对代谢的调节作用 2）对基因表达的调节作用 PKA的催化亚基进入细胞核后，可催化反式作用因子CREB（cAMP response element binding protein）磷酸化，磷酸化的CREB形成同源二聚体，与DNA上的CRE(cAMP response element ）结合，从而激活受CRE调控的基因转录。 3）PKA还可以使细胞核内的组蛋白、酸性蛋白以及胞浆内的核蛋白体蛋白、膜蛋白、微管蛋白及受体蛋白等磷酸化，从而影响这些蛋白质的功能。,AC-cAMP-PKA信号转导途径,PKA的激活及作用举例,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）,ATP,cAMP,磷 蛋 白 磷 酸 酶 1,磷 蛋 白 磷 酸 酶 1,磷 蛋 白 磷 酸 酶 1,+,+,+,+,-,-,-,PLC-IP3/DG信号转导途径,1）IP3和DAG的生物合成 促甲状腺释放激素、去甲肾上腺素和抗利尿激素等作用于靶细胞膜上特异性受体（G蛋白偶联受体）后，通过特定的G蛋白（Gp）激活磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C( PI-PLC)，PI-PLC则分解膜成分-磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）而生成DAG和IP3 。,PI-PLC,PIPLC,无活性PI-PLC,有活性PI-PLC,PIP2,IP3,DAG,2）DAG和IP3的功能,DAG生成后仍留在质膜上，在磷脂酰丝氨酸和Ca2+的配合下激活蛋白激酶C。 IP3生成后，从膜上扩散到胞浆中与内质网和肌浆网上的受体结合，促进这些钙储库内的Ca2+迅速释放，使胞浆内的Ca2+浓度升高。,3）PKC的功能,对代谢的调节作用 PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的丝氨酸和（或）苏氨酸残基发生磷酸化反应。靶蛋白包括质膜受体、膜蛋白和多种酶。从而启动一系列生理、生化反应。 如：PKC能催化质膜的Ca2+通道磷酸化，促进Ca2+流入胞内；PKC也能催化肌浆网的Ca2+ -ATP酶磷酸化， 促进钙进入肌浆网。这样，在胞浆内的Ca2+浓度处于动态平衡。,丝氨酸 Serine,酪氨酸 Tyrosine,苏氨酸 Threonine,PKA,PKC,PKG,Ca2+ -CaM激酶 使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的 OH 基磷酸化,TPK使底物蛋白上酪氨酸残基的 OH 基磷酸化,对基因表达的调节作用 PKC对基因的活化过程分为早期反应和晚期反应两个阶段。 PKC能使立早基因（immediate-early gene)的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表达。如c-fos，AP1/jun等原癌基因。 立早基因的表达产物寿命短暂，受磷酸化修饰后跨越核膜，活化晚期反应基因，并导致细胞增生或核型变化。,3）PKC的功能,PKC对基因的早期活化和晚期活化,Ca2+ -钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,钙调蛋白（CaM）为钙结合蛋白，当胞浆的Ca2+浓度10-2 mmol/L时， Ca2+与CaM结合，其构象改变而激活Ca2+ -CaM激酶（或其他酶，如NO合酶）。 Ca2+ -CaM激酶的底物谱非常广，可以磷酸化许多蛋白质的丝氨酸和（或）苏氨酸残基，使之激活或失活。 如： Ca2+ -CaM激酶既能激活腺苷酸环化酶，又能激活磷酸二酯酶，从而调节细胞内cAMP的浓度。 Ca2+ -CaM激酶也可以激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶活性。还可以调节PKA活性。,Ca2+-CaM的作用,PKA,PKC,PKG,Ca2+ -CaM激酶 使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基 的 OH 基磷酸化,二、酶耦联受体信号转导途径,酶耦联受体均为单次跨膜蛋白，受体的细胞内结构域本身具有酶活性，或是受体与酶直接耦联；受体与配体结合后可激发受体本身的酶活性，或者激发受体耦联酶的活性使信号继续向下游传递。,（一）受体酪氨酸激酶介导的信号转导,1.RTK（receptor tyrosine kinase,RTK）的结构及RTK的活化 1）RTK的结构 大多为单次跨膜蛋白；N端在胞外，C端在胞内；酪氨酸蛋白激酶功能区位于C端，包括ATP结合区和底物结合区两个功能区。 2.RTK的活化 配体与受体结合后，受体二聚体化（或寡聚体化），受体胞内区域构象变化使酪氨酸蛋白激酶活性激活，后者使酪氨酸残基发生自体磷酸化（autophosphorylation）,形成SH2结合位点，结合具有SH2结构域的下一级信号分子，形成一个大的信号转导复合体。,2.RTK信号转导途径,1）Ras-MAPK级联反应信号转导途径 2）其他RTK信号转导途径，如PLC-IP3/DG途径，PI3K/PKB途径等。,受体型TPK的信息传递途径 -受体型TPK-Ras-MAPK途径,催化型受体与配体结合后，发生自身磷酸化并磷酸化中介分子-Grb2和SOS， 使其活化，进而激活Ras蛋白。由于ras蛋白为多种生长因子信息传递过程所共有，因此又称为Ras通路。 活化的ras蛋白可进一步活化Raf蛋白。Raf蛋白具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，它可激活有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK)系统，发挥生理活性。 受体型 TPK活化后还可通过激活腺苷酸环化酶、多种磷脂酶（如PI-PLC、磷脂酶A和鞘磷脂酶）等发挥调控基因表达的作用。,受体型TPK激活基因表达的途径 受体型TPK-Ras-MAPK途径,受体型TPK激活基因表达的途径 受体型TPK-各种酶激活途径,Ras蛋白,Ras蛋白是由一条多肽链组成的单体蛋白，由原癌基因ras编码而得名。 它的活性与其结合GTP 或GDP有关。Ras结合GDP时没有活性，但磷酸化的SOS可促进GDP从Ras脱落，使ras 变成GTP结合状态而活化。 Ras蛋白的分子量为21kD，故又名p21蛋白。因其分子量小于与七个跨膜螺旋受体偶联的G蛋白，也被称作为小G蛋白。,MAPK系统的作用,MAPK系统包括MAPK， MAPKK，MAPKKK。 MAPK具有广泛的催化活性，它除调节花生四烯酸的代谢和细胞微管形成以外，更重要的是可催化细胞核内许多反式作用因子（如转录因子）的Ser/Thr残基磷酸化，导致基因转录或关闭。 迄今共发现有14种MAPKKK，如RafMEKK家族、MLK家族、TAK、ASK家族等。 7种MAPKK，如MEK家族，MKK家族。 至少13种MAPK，如ERK家族、p38MAPK家族、JNK/SAPK家族等。,PI3K/PKB途径,配体与受体结合后，PI3K（磷脂酰肌醇-3-激酶）的p85亚单位与活化的受体结合，p110亚单位被受体磷酸化而活化。PI3K可催化PIP3的产生。PIP3产生后，通过结合PKB（PKB是原癌基因c-akt的产物，故又称为AKt）的PH结构域，将其锚定于质膜而活化。PKB可磷酸化多种蛋白，介导代谢调节和细胞存活等效应。,（二）酪氨酸激酶耦联受体介导的信号转导,一部分生长因子、大部分细胞因子和激素等的受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但它们能借助细胞内的一类具有激酶结构的连接蛋白JAKs( janus Kinase)完成信息转导。Jak是一种酪氨酸激酶。,非受体型TPK的信息传递途径 -JAKs-STAT途径,JAKs家族成员包括JAK1、JAK2 、TYK2和JAK3，分子内均有SH2结构域。配体与非催化型受体结合后，受体二聚化导致胞内段富含脯氨酸的基序与Jak结合，相邻受体耦联的Jak互为底物而引发对方的酪氨酸残基磷酸化，因而活化各自的JAKs. JAKs再通过激活信号转导子和转录激动子（signal transductors and activator of transcription, STAT)而最终影响到基因的转录调节。 在JAKs-STAT通路中，激活后的受体可与不同的JAKs和不同的STAT相结合，因此该途径传递信号更具有多样性和灵活性。,图5-8,（三）受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的信号转导,转化生长因子（TGF-）、激活素（activin）和骨形态发生蛋白（BMP）等的受体称为TGF- 家族受体，为具有丝氨酸-苏氨酸激酶活性的受体。该家族除在发育过程中起重要作用外，还可以调节细胞的增殖、分化、黏附、移行及细胞凋亡，此类受体的突变会促使某些肿瘤的发生。 TGF- 家族的受体介导的信号转导途径中最重要的信号转导分子是Smad，因而此途径称为Smad途径。,TGF-信号转导的基本步骤,三、依赖于受调蛋白水解信号转导途径,核因子B途径,核因子B（nuclear factor- B，NF- B)途径体系主要涉及机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。 NF- B包括 NF-B1, NF-B2和某些癌基因蛋白（如Rel A)等。 在多数细胞类型， NF-B在胞浆内与抑制性蛋白质（包括IB、 IB、Bcl-3等）结合形成无活性的复合物。 当肿瘤坏死因子（TNF）等作用于相应受体后，可通过第二信使Cer等激活此系统。病毒感染、脂多糖、活性氧中间体、佛波酯、双链RNA以及前述信息传递途径中活化的PKC，PKA等则可直接激活NF-B系统。 激活过程是通过磷酸化抑制性蛋白使其构象发生改变而从NF- B脱落， NF-B得以活化。 活化的NF-B进入细胞核，形成环状