信号转导通路

1、第六章第六章cAMP、cGMP信号转导通路1掌握掌握cAMP的产生及灭活机制；的产生及灭活机制；PKA的结构、活化机制及其作用；的结构、活化机制及其作用；cAMP-PKA信号转导通路；信号转导通路；cAMP对糖原代谢对糖原代谢过程的调节。过程的调节。2熟悉熟悉cAMP作用的靶分子；作用的靶分子；cAMP对基对基因表达的调节；因表达的调节；cGMP的产生与灭活；的产生与灭活；cGMP作用的靶分子；作用的靶分子；cGMP调节的生调节的生理功能。理功能。 【目的要求目的要求】 第一信使第一信使第二信使第二信使一、一、cAMP的发现及第二信使学说的发现及第二信使学说cAMP是第一个被发现的第二信使。是

2、第一个被发现的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOH萨瑟兰（萨瑟兰（Earl W. Sutherland, Jr） 1915.11.9 1974.3.9 Earl Wilbur Sutherland Jr （1915 - 1974）1971年获诺贝尔生理学和医学奖年获诺贝尔生理学和医学奖激素作用的第二信使学说：激素作用的第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面专一受体，细胞内部，它作用于细胞表面专一受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，列的生化

3、反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。最后第二信使降解，其信号作用终止。二、二、cAMP信号转导通路信号转导通路（一）（一）cAMP的产生的产生腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统：腺苷酸环化酶系统：受体受体G蛋白蛋白AC催化亚基催化亚基活化活化AC的协同因子的协同因子1.ACAC有有 9 9种亚型，都是膜结合型种亚型，都是膜结合型的。且都可被异三聚体的。且都可被异三聚体GsGs蛋白的蛋白的 亚基所亚基所活化，但被活化，但被CaCa2+2+、磷酸化、磷酸化、GsGs蛋白蛋白 亚基亚基及及GiGi蛋白蛋白亚基调节的情况却各不相同。亚基调节的情况却各不相同。A

4、C亚型及调节因素亚型及调节因素AC亚型亚型抑制因素抑制因素激活因素激活因素Gs 亚基亚基亚基亚基Ca2+亚基、亚基、PKCGs+Ca2+和和CaM亚基、亚基、RTKCa2+、Gi 亚基亚基Ca2+、PKCPKCCa2+CnAC结构结构2.活化活化AC的协同因子的协同因子GTP：是维持：是维持G蛋白活化所必需的成蛋白活化所必需的成分。分。Mg2：在：在G蛋白亚基的解离、蛋白亚基的解离、G蛋白蛋白上上GTP与与GDP的置换以及的置换以及AC的催化活性的催化活性中都起重要的作用。中都起重要的作用。（二）（二）cAMP作用的靶分子作用的靶分子1.PKA是是cAMP最主要的效应分子。最主要的效应分子。c

5、AMPPKA靶蛋白磷酸化靶蛋白磷酸化PKA结构结构 PKA全酶：全酶：R2C2，型和型和型型 C亚基：亚基：C 、C 、C 、PKX含含ATP结合位点、催化位点、底物结结合位点、催化位点、底物结合部位及自主磷酸化位点。合部位及自主磷酸化位点。 R亚基：亚基：R 、R 、R 、R 含二聚化结合域、假底物功能域和含二聚化结合域、假底物功能域和cAMP结合位点。结合位点。dimerisation / docking domain - R monomers - A-kinase anchoring proteins (AKAPs) (pseudo-) substrate binding site- C

6、 subunit cAMP binding domains A and B - second messenger cAMP PKA的的R亚基亚基PKA活化机制活化机制PKA的的作用：作用：PKA为丝氨酸为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。其底苏氨酸蛋白激酶。其底物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋白、转录因子等。白、转录因子等。PKA底物的磷酸化共有序列是底物的磷酸化共有序列是RRXSY。cAMP引起细胞效应的特异性：引起细胞效应的特异性：（1）cAMP底物底物PKA可组合成多种不同的可组合成多种不同的亚型，不同亚型亚型，不同亚型PKA对对cAMP的亲和力不的亲和力不

7、同，作用的底物时序先后也不同；不同类同，作用的底物时序先后也不同；不同类型的型的PKA底物不同，因此产生的效应不同。底物不同，因此产生的效应不同。（2）cAMP信号的区域化：信号的区域化：1）AC及及G蛋白都位于细胞膜，形成细胞蛋白都位于细胞膜，形成细胞内梯度内梯度cAMP的起始点；的起始点；2）使）使cAMP灭活的灭活的型型PDE在细胞内特在细胞内特定区域，使弥散的定区域，使弥散的cAMP浓度梯度具可调浓度梯度具可调控性；控性；3）PKA锚定蛋白可使锚定蛋白可使PKA定位于特定的定位于特定的亚细胞结构。亚细胞结构。2.环化核苷酸门控阳离子通道环化核苷酸门控阳离子通道嗅觉信号传递过程的离子通道

8、以及心脏嗅觉信号传递过程的离子通道以及心脏窦房结起搏细胞的离子通道有环核苷酸结窦房结起搏细胞的离子通道有环核苷酸结合位点，能直接与合位点，能直接与cAMP结合并受其调控，结合并受其调控，称为环化核苷酸门控阳离子通道（称为环化核苷酸门控阳离子通道（cyclic nucleotide-gated cation channel，CNG）。 3.鸟苷酸交换因子鸟苷酸交换因子鸟苷酸交换因子（鸟苷酸交换因子（guanine nucleo-tide exchange factors，GEF）也是）也是cAMP结合蛋白，它们含结合蛋白，它们含cAMP结合位点，结合位点，受受cAMP调控，称为调控，称为cAMP

9、直接激活的交换直接激活的交换蛋白（蛋白（exchange protein directly activated by cAMP，Epac）或）或cAMP-GEF。 （三）（三）cAMP信号的灭活信号的灭活cAMP特异性特异性PDE cAMP信号的灭活机制：信号的灭活机制：受体下调受体下调AC失活失活被被型型PDE 水解水解PDE超家族超家族PDE亚型亚型底物底物调控模式调控模式结合结构域结合结构域PDE1cAMP/cGMPCa2+/CaM、PKA/PKGCaMPDE2cAMP/cGMP被被cGMP激活激活GAFPDE3cAMP被被cGMP抑制；被抑制；被PKB磷酸化磷酸化PDE4cAMP被被E

10、RK及及PKA磷酸化磷酸化UCRPDE5cGMP被被PKA及及PKG磷酸化磷酸化GAFPDE6cGMP被转导素激活被转导素激活GAFPDE7cAMPPDE8cAMPPDE9cGMPPDE10cAMP/cGMPGAFPDE11cAMP/cGMPGAFPDE12cAMP/cGMPPDE各亚型结构模式图各亚型结构模式图 PDE2A subunit contains a GAF A and a GAF B domain. The GAF A domain form a dimer interface. The two GAF B domains are far apart and contain th

11、e cGMP-binding sites. （四）（四）cAMP-PKA信号转导通路信号转导通路1. 细胞膜上存在受体、细胞膜上存在受体、G蛋白、蛋白、AC；2. 胞外的信号被受体接受，通过胞外的信号被受体接受，通过Gs或或Gi传传递给递给AC，使其活化或抑制；，使其活化或抑制；3. AC被激活后，产生被激活后，产生cAMP，cAMP激活激活PKA，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应；，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应；4. cAMP被被PDE水解而信号终止。水解而信号终止。 胞外信号胞外信号受体受体G蛋白蛋白ACcAMPPKA5-AMPPDE蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化生物学效应生物学效应影响影响cAMP

12、水平的胞外信号分子水平的胞外信号分子cAMP变化变化激素激素神经递质神经递质cAMP升高升高胰高血糖素、血管紧张素、甲状胰高血糖素、血管紧张素、甲状旁腺素、前列腺素、下丘脑多种旁腺素、前列腺素、下丘脑多种释放因子、降钙素、黑色素细胞释放因子、降钙素、黑色素细胞促激素、血管升压素、肾上腺素、促激素、血管升压素、肾上腺素、促甲状腺激素、促肾上腺皮质激促甲状腺激素、促肾上腺皮质激素、促黄体激素、促卵泡激素素、促黄体激素、促卵泡激素M2、M4胆碱受胆碱受体激动剂、多体激动剂、多巴胺巴胺D1受体激受体激动剂、动剂、5-HT、组胺、神经肽组胺、神经肽Y、血管活性肠肽血管活性肠肽cAMP降低降低胰岛素、生长

13、抑素胰岛素、生长抑素阿片肽、阿片肽、GABAB、多巴、多巴胺胺D2受体激动受体激动剂、剂、cAMP的其他作用：的其他作用： cAMP与其受体蛋白结合，调节基因表达；与其受体蛋白结合，调节基因表达； cAMP到细胞外，转变成腺苷酸，再通过到细胞外，转变成腺苷酸，再通过激活腺苷酸受体起作用；激活腺苷酸受体起作用； cAMP作为胞外第一信使起作用。作为胞外第一信使起作用。三、三、cAMP信号调节的生理过程信号调节的生理过程 cAMP 的绝大多数生理功能是通过的绝大多数生理功能是通过PKA实现的，调节方式：实现的，调节方式：直接调节代谢反应直接调节代谢反应通过基因表达间接调节代谢反应通过基因表达间接调

14、节代谢反应（一）（一） cAMP对糖原对糖原代谢过程的调节代谢过程的调节磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶- -P PP PP P- -1 1磷磷酸酸化化酶酶- -P P糖糖原原合合成成酶酶- -P P糖糖原原合合成成酶酶糖糖原原G Gc cA AMMP P肾肾上上腺腺素素、胰胰高高血血糖糖素素P PK KA A磷磷酸酸化化酶酶抑抑制制剂剂- -1 1- -P PP PK KA AP PP P- -1 1A AC CGG蛋蛋白白P PP P- -1 1受受体体促进脂肪动员促进脂肪动员 Triacylglycerols FFAs and glycerol （二）（二）cAMP对膜蛋

15、白活性的调节对膜蛋白活性的调节 cAMP 通过激活通过激活PKA使细胞膜上某些使细胞膜上某些蛋白质磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，蛋白质磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，从而调节细胞膜对某些物质的通透性。从而调节细胞膜对某些物质的通透性。如肾上腺素通过如肾上腺素通过cAMP-PKA途径，抑途径，抑制脂肪细胞膜上的制脂肪细胞膜上的GLUT4，阻止糖的转运、，阻止糖的转运、降低糖的氧化利用。降低糖的氧化利用。cAMPPKA心肌细胞膜钙通道磷酸化心肌细胞膜钙通道磷酸化钙通透性增加钙通透性增加钙内流钙内流心肌收缩力增加、心率加快心肌收缩力增加、心率加快（三）（三） cAMP对神经突触传递的调节对神经突触传递

16、的调节当某些神经细胞兴奋时，突触前神经当某些神经细胞兴奋时，突触前神经末梢释放递质，作用于突触后膜上相应受末梢释放递质，作用于突触后膜上相应受体，通过体，通过cAMPPKA途径使膜蛋白磷酸途径使膜蛋白磷酸化，改变膜对离子的通透性，从而影响神化，改变膜对离子的通透性，从而影响神经细胞的兴奋性。经细胞的兴奋性。 cAMP调调节突触前节突触前末梢的递末梢的递质释放质释放cAMP在嗅觉信号转导中的作用在嗅觉信号转导中的作用 CNG通道开启通道开启细胞除极细胞除极传导性传导性AP的产生的产生（四）（四） cAMP对激素合成与分泌的调节对激素合成与分泌的调节 促肾上腺皮质激素促进糖皮质激素的合成；促肾上腺

17、皮质激素促进糖皮质激素的合成； 促甲状腺素促进甲状腺素分泌；促甲状腺素促进甲状腺素分泌； 促黄体生成激素促进性激素的合成。促黄体生成激素促进性激素的合成。（五）（五） cAMP对基因表达的调节对基因表达的调节在原核生物，通过在原核生物，通过 因子的磷酸化，因子的磷酸化，促进转录。促进转录。在真核生物：在真核生物： PKA进入核内，磷酸化组蛋白，使基进入核内，磷酸化组蛋白，使基因开放。因开放。 PKA磷酸化转录因子，调节基因表达。磷酸化转录因子，调节基因表达。如如CREB、CREM、ATF等。等。转录调节转录调节（六）（六） cAMP对细胞增殖与分化的调节对细胞增殖与分化的调节 cAMP通过通过

18、PKA可调节细胞生长与增可调节细胞生长与增殖，但其作用因细胞类型而异。殖，但其作用因细胞类型而异。对增殖调节的细胞特异性与对增殖调节的细胞特异性与cAMP和和MAPK信号通路之间的相互作用有关。信号通路之间的相互作用有关。四、四、cGMP信号转导通路信号转导通路（一）（一） cGMP信号通路研究的历史回顾信号通路研究的历史回顾1963年年Goldberg在大鼠尿中发现在大鼠尿中发现cGMP，几，几年后发现年后发现GC；1970年发现年发现PKG。1977年发现年发现NO可激活可激活GC而使而使cGMP 升高。升高。近年发现尿钠肽可激活近年发现尿钠肽可激活cGMP信号通路。信号通路。（二）（二）

19、cGMP的产生与灭活的产生与灭活 1. cGMP的产生的产生GCGC有两类：有两类：可溶性可溶性GC（soluble GC，sGC）膜结合膜结合GC（membrane GC，mGC 或或Particulate GC，pGC） mGC种类及功能种类及功能受体受体组织分布组织分布配体配体 功能功能GC-A血管平滑肌血管平滑肌, 内皮细胞内皮细胞, 神经系统神经系统, 肾上腺肾上腺, 肾肾, 脾脾, 心脏心脏ANP, BNP降低动脉压，降低动脉压， 降低降低血容量，血容量， 抑制心肌抑制心肌细胞生长细胞生长GC-B成纤维细胞成纤维细胞, 其他组织其他组织CNP软骨骨化，血管再软骨骨化，血管再生生GC

20、-C小肠上皮细胞小肠上皮细胞, 再生肝再生肝肠毒素肠毒素, 鸟苷鸟苷素素,uroguanylin增加小肠和肾对水增加小肠和肾对水和离子的运输，上和离子的运输，上皮细胞生长和分化皮细胞生长和分化GC-D嗅觉神经上皮嗅觉神经上皮Orphan气味识别气味识别?GC-E视网膜视网膜, 松果体松果体Orphan视觉视觉, 椎细胞生存椎细胞生存GC-F视网膜视网膜Orphan视觉视觉?GC-G骨髓肌骨髓肌, 肺肺, 小肠小肠Orphan?mGCsGC2. cGMP的灭活的灭活PDE分解分解cGMP 的的PDE有有1、2、5、6亚亚型，特别是型，特别是PDE-6。 （三）（三） cGMP作用的靶分子作用的靶

21、分子 1. PDE cGMP 可通过激活可通过激活PDE-2或抑制或抑制PDE-3来调节来调节cAMP 的浓度及的浓度及cAMP /PKA信号通路。信号通路。2. 环化核苷酸门控阳离子通道环化核苷酸门控阳离子通道在视网膜及嗅觉系统中，在视网膜及嗅觉系统中，cGMP可通可通过变构作用，开放环化核苷酸阳离子门控过变构作用，开放环化核苷酸阳离子门控通道（通道（CNG），后者对于上述感觉信号的），后者对于上述感觉信号的产生是至关重要的。产生是至关重要的。心脏及肾脏也存在心脏及肾脏也存在CNG，并与，并与cGMP 介导的尿钠增多有关。介导的尿钠增多有关。3. PKG在多数细胞中，在多数细胞中， cGMP 作用的主要作用的主要靶分子是靶分子是PKG。哺乳动物中有三种哺乳动物中有三种PKG：PKG 、PKG 为可溶性蛋白；为可溶性蛋白；PKG为膜结合蛋白。为膜结合蛋白。PKG属丝氨酸属丝氨酸/苏氨酸激酶家族，有苏氨酸激酶家族，有三个结构域：三个结构域：N端结构域，含二聚化的亮氨酸拉链、端结构域，含二聚化的亮氨酸拉链、自身抑制区和靶向结合域。自身抑制区和靶向结合域。调节结构域，含两个调节结构域，含两个cGMP结合位点；结合位点；催化结构域。催化结构域。PKG作用的底物作用的底物底物磷酸化位点的共有序列为底物磷酸化位点的共有序列为RKXS/