第六章细胞信号转导

1、第六章第六章 细胞信号转导细胞信号转导18.2 18.2 各种内部信号影响植物细胞的代谢、生长和发育各种内部信号影响植物细胞的代谢、生长和发育生长调节剂未知发育信号温度病原体(真菌、细菌、病毒)激素膨压电信号多肽糖、氨基酸壁断片壁的机械压力矿质光转播放大发散到多个目标改变离子流细胞骨架改变改变细胞生长和代谢调节代谢途径基因表达调节伤害 植物的植物的生长发育生长发育是在环境是在环境因子的影因子的影响下正确响下正确进行时空进行时空表达的过表达的过程程概念概念 植物细胞信号转导（植物细胞信号转导（signal transduction）是指细胞耦联各种刺激信是指细胞耦联各种刺激信号（包括各种内外刺激

2、信号）与其引起号（包括各种内外刺激信号）与其引起特定生理效应之间的一系列分子反应机特定生理效应之间的一系列分子反应机制。制。 植物细胞信号转导的模式植物细胞信号转导的模式 手触摸含羞草后小手触摸含羞草后小叶合拢叶合拢, 手触摸就手触摸就是刺激（信号），是刺激（信号），小叶合拢就是反应。小叶合拢就是反应。偶联刺激到偶联刺激到 反应之反应之间的生化和分子途间的生化和分子途径就是这个反应的径就是这个反应的信号转导途径。信号转导途径。 （ signaling pathway）举例：信号转导途径举例：信号转导途径：信号受体反应细胞信号转导网络的简单模式细胞信号转导网络的简单模式（信号输入）（信号输入）（

3、信号输出）（信号输出）一、信一、信 号号 （Signal）物理信号：物理信号物理信号：物理信号(physical signal)是指细胞感受到是指细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的电信号和水力学刺激后产生的能够起传递信息作用的电信号和水力学信号。光、电信号。光、电化学信号：指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位化学信号：指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。如激素、病原因子等，化引起生理反应的化学物质。如激素、病原因子等，化学信号也叫做配体学信号也叫做配体(ligand)胞外信号（胞间信号）胞外信号（胞间信号）胞内信号胞内信号第一节第一节 信号与受体信号与受体二、受

4、体受体 (receptor)是指在效应器官细胞质膜上能与信号物质特异性结合，并引发产生胞内次级信号的特殊成分。受体可以是蛋白质，也可以是一个酶系。具有特异性、高亲和力和可逆性等特征。在细胞内放大、传递信号，启动一系列生化反应，最终导致特定的细胞反应。 细胞内受体细胞内受体（intracellular receptor)：存在于亚细胞组分（如细胞核等）上的受体。细胞表面受体细胞表面受体(cell sueface receptor)：位于细胞表面的受体。 离子通道耦联受体离子通道耦联受体 G蛋白耦联受体蛋白耦联受体 酶耦联受体酶耦联受体 G蛋白连接受体蛋白连接受体(G-protein-linked

5、 receptor) 受体蛋白的氨基端位于细胞外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成 几个螺旋的跨膜结构。羧基端具有与G蛋白相互作用的区域，受体活化后 直接将G蛋白激活，进行跨膜信号转换。G蛋白联接受蛋白联接受体的分子模型体的分子模型 酶连受体酶连受体 (enzyme-linked receptor) 受体本身是一种酶蛋白，当细胞外区域与配体结合时，受体本身是一种酶蛋白，当细胞外区域与配体结合时，可激活酶，通过可激活酶，通过 细胞内侧酶的反应传递信号。细胞内侧酶的反应传递信号。 2. 跨膜信号转换通过细胞表面的受体与配体结合跨膜信号转换通过细胞表面的受体与配体结合来实现。来实现。在受体接受胞间信

6、号分子到产生胞间信号分子之间，往往要进行信号转换，通常认为是通过G蛋白将转换偶联起来，故又称偶联蛋白或信号转换蛋白。（1） G蛋白蛋白全称为GTP结合调节蛋白(GTP binding regulatory protein)，或异三聚体GTP 结合蛋白（heterotrimeric GTP binding protein），它具有GTP酶的活性，由（31-46 kD）、（约36 kD）和 （7-8 kD）三种亚基组成。亚基上氨基酸残基的酯化修饰作用将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。 G蛋白的信号偶联功能是靠GTP的结合或水解产生的变构作用完成。当G蛋白与受体结合而被激活时，继而触发效应器，

7、把胞间信号转换成胞内信号。而当GTP水解为GDP后，G蛋白就回到原初构象，失去转换信号的功能。 G蛋白的发现是生物学一大成就。 G蛋白跨膜信号转换同时还起到放大信号的作用，即每个信号分子结合的受体可以激活多个G蛋白。罗德贝尔罗德贝尔(M.Rodbell) (1925-1998) 罗德贝尔，美国科学院院士，发现G蛋白质以及它们在向细胞传导信号方面的作用。他在60年代末70年代初提出来G蛋白假说，指出G蛋白是一种细胞的信息转导物质因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。罗德贝尔以前，人们只知道两种细胞信息环节:细胞膜上的激素受体和细胞内的酶。罗德贝尔的贡献在于他认定这两者之间的信息转导物质是一族G蛋白

8、。G蛋白的学说很快得到普遍认可，罗德贝尔的理论使人们对很多疾病有了更深一层的理解，如霍乱.糖尿病.酒精中毒和恶性肿瘤等。GTPGP活性状态 失活状态G蛋白GEFGAPG蛋白循环Gia 抑制腺苷酸环化酶的活性复合物与Gsa结合，阻断Gsa对腺苷酸环化酶的活化（2）细菌的二元组分系统以及大肠杆菌渗透势变化的信号转导Ninfa和 Magasanik 1986年首次报道了大肠杆菌营养信号转导的二元组分系统，大量的实验已经证实，二元组分系统是细菌信号转导的普遍机制。组氨酸蛋白激酶组氨酸蛋白激酶激酶组激酶组氨酸残氨酸残基磷酸基磷酸化化反应反应调控调控蛋白蛋白二元信号组分含有组氨酸激酶和反应调节子，有的简单

9、，有的复杂，叫多步骤二元信号转导，即磷酸基团的转移过程中多几个步骤。From Lohrmann & Harter,2002 第三节第三节 细胞内信号转导形成网络细胞内信号转导形成网络初级信号或第一信使初级信号或第一信使胞外各种刺激信号次级信号或第二信使次级信号或第二信使(second messenger)细胞信号传导过程中的由胞外刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞内因子。如如 Ca2+、cAMP、IP3、DAG等。等。细胞表面受体介导的信号转导离子通道偶联受体G蛋白偶联受体酶偶联受体cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路RTK/Ras信号转导概念简图一、钙信号系统一、钙信号系统

10、1.植物细胞内的游离钙离子是细胞信号转导过程中重要的第二信使。 植物细胞质中Ca2+含量一般在10-710-6molL-1，而胞外Ca2+浓度约为10-410-3molL-1；胞壁是细胞最大的Ca2+库，其浓度可达15molL-1；细胞器的Ca2+浓度也是胞质的几百到上千倍，所以Ca2+在植物细胞中的分布极不平衡。几乎所有的胞外刺激信号(如光照、温度、重力、触摸等物理刺激和各种植物激素、病原菌诱导因子等化学物质)都可能引起胞内游离钙离子浓度的变化，而这种变化的时间、幅度、频率、区域化分布等却不尽相同，所以有可能不同刺激信号的特异性正是靠钙离子浓度变化的不同形式而体现的。 胞内游离钙离子浓度胞内

11、游离钙离子浓度的变化可能主要是通的变化可能主要是通过钙离子的跨膜运转过钙离子的跨膜运转或钙的螯合物的调节或钙的螯合物的调节而实现的，此外，在而实现的，此外，在质膜、液泡膜、内质质膜、液泡膜、内质网膜上都有钙离子泵网膜上都有钙离子泵或钙离子通道的存在或钙离子通道的存在(图图6-26)。胞外刺激。胞外刺激信号可能直接或间接信号可能直接或间接地调节这些钙离子的地调节这些钙离子的运输系统，引起胞内运输系统，引起胞内游离钙离子浓度变化游离钙离子浓度变化以至影响细胞的生理以至影响细胞的生理生化活动。生化活动。胞外刺激信号胞外刺激信号(如光照、温度、重力、如光照、温度、重力、触摸等物理刺激和各种植物激素、触

12、摸等物理刺激和各种植物激素、病原菌诱导因子等化学物质病原菌诱导因子等化学物质)都可能都可能引起胞内游离钙离子浓度的变化引起胞内游离钙离子浓度的变化红光刺激后大麦叶肉原生质体的钙离子浓度变化红光刺激后大麦叶肉原生质体的钙离子浓度变化2. Ca2/CaM在信号转导中的作用在信号转导中的作用 胞内胞内Ca2+信号通过其受体钙调蛋白转导信号。信号通过其受体钙调蛋白转导信号。 现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：钙调素现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：钙调素与钙依赖型蛋白激酶与钙依赖型蛋白激酶(后者见本节后后者见本节后)。 最重要的最重要的鈣結鈣結合蛋白是合蛋白是鈣調鈣調素（素（c

13、almodulin，CaM）。）。CaM的作用方式：的作用方式：（1）直接）直接與與靶酶靶酶結結合，合，誘導誘導靶酶的活性靶酶的活性構構象而象而調節調節它它們們的活的活性，如性，如NAD 激酶、激酶、 Ca2+ -ATP激酶等；激酶等；（2）通）通過過活化依活化依賴賴 Ca2+ CaM的蛋白激酶，的蛋白激酶，將將靶酶磷酸化，靶酶磷酸化，影影響響其活性，如磷酸化酶、其活性，如磷酸化酶、H+-ATP酶等。酶等。 CaM构象改变构象改变 钙调素由钙调素由148个氨基酸组成的单链的小分子个氨基酸组成的单链的小分子(分子量为分子量为17 00019 000)酸性蛋白。酸性蛋白。CaM分子有四个分子有四个

14、Ca2+结合位点。当外界结合位点。当外界信号刺激引起胞内信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后浓度上升到一定阈值后(一般一般mol), Ca2+与与CaM结合，引起结合，引起CaM构象改变。而活化的构象改变。而活化的CaM又与靶酶结合，使其活化而引起生理反应。又与靶酶结合，使其活化而引起生理反应。Ca2+ CaM的靶酶：目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控，如蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM胞内信号起了重要的调节作用。 酶被激活后，参与蕨类植物的孢子发芽、细胞有丝分裂、原生质流动、植物激素的活性、向性、调节蛋白质磷酸化

15、，最终调节细胞生长发育。 二、肌醇磷脂信号系统肌醇磷脂信号系统 IP3 与与 DAG在信号转导在信号转导中的作用中的作用 肌醇磷脂(inositol phospholipid)是一类由磷脂酸与几醇结合的脂质化合物，分子中含有甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因，其总量约占膜脂总量的1/1O左右。其肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目的磷酸酯化(图6-28)，其总量约占膜磷脂总量的1/10左右，主要以三种形式存在于植物质膜中：即磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)、磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)和磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)。 以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在胞外信号

16、被膜受体接受后，以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在胞外信号被膜受体接受后，以以G蛋白为中介，由质膜中的磷酸脂酶蛋白为中介，由质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解水解PI2而产生肌醇而产生肌醇1,4,5三磷酸三磷酸(IP3)和二酰甘油和二酰甘油(diacylglycerol,DG，DAG)两种信号分子。（因此，两种信号分子。（因此，该系统又称双信号系统。在双信号系统中，）该系统又称双信号系统。在双信号系统中，）IP3通过调节通过调节Ca2+浓度，而浓度，而DAG则通过激活蛋白激酶则通过激活蛋白激酶C(PKC)来传递信息来传递信息(图图6-29)。 激素 受体 PIP2 磷脂酶C C PKC D

17、AG G蛋白 IP3 - 细胞反应细胞反应 CaCa2+2+ IP3敏感通道 结合态IP3 细胞反应细胞反应内质网或液泡 CaCa2+2+细胞内信号转导的双信使系统细胞内信号转导的双信使系统 钝化蛋白活化蛋白DG 与与 IP 的信号转导途径的信号转导途径IP3作为信号分子，在植物中它的主要作用靶为液泡，IP3作用于液泡膜上的受体后，可影响液泡膜形成离子通道，使Ca2+从液泡这一植物细胞中重要的贮钙体中释放出来，引起胞内Ca2+浓度提高，从而启动胞内Ca2+信号系统来调节和控制一系列的生理反应。已有证据证明IP3/ Ca2+系统在干旱和ABA引起的气孔开闭、植物对病原微生物侵染及激发子诱导等环境

18、刺激快速反应中起信号转导作用。NADPH + H + NADP+NOSNO与鸟苷酸环化酶结合，使之活化cGMP含量升高cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+的浓度，引起血管平滑肌舒张，血管扩张、血流通畅。血管内皮细胞血管平滑肌L-精氨酸 + O2L-瓜氨酸 + NO一氧化氮合酶NADPHRobert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad DAG的受体就是蛋白激酶的受体就是蛋白激酶C(PKC)，在一般情况下，质膜，在一般情况下，质膜上不存在自由的上不存在自由的DAG。在有。在有DAG、Ca2+时，磷脂与时，磷脂与PKC分分子相结合，子相结合，PKC激活

19、，使某些酶类磷酸化，导致细胞反应；激活，使某些酶类磷酸化，导致细胞反应；当胞外刺激信号消失后，当胞外刺激信号消失后，DAG首先从复合物上解离下来，而首先从复合物上解离下来，而使酶钝化，与使酶钝化，与DAG解离后的解离后的PKC可以继续存在于膜上或进可以继续存在于膜上或进入细胞质里备用。入细胞质里备用。 蛋白激酶蛋白激酶 n NTP n NDP 蛋白质蛋白质 蛋白质蛋白质-n Pi n Pi H2O 蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶 1.信号转导中的蛋白质可逆磷酸化信号转导中的蛋白质可逆磷酸化2.2.蛋白激酶（蛋白激酶（protein kinaseprotein kinase，PKPK） 蛋白激酶是一个大家

20、族，植物中约有蛋白激酶是一个大家族，植物中约有2%-3%2%-3%的基因的基因编码蛋白激酶。编码蛋白激酶。 根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶有丝氨酸激酶有丝氨酸/ /苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等三类，它们分别将底物蛋白质的丝氨酸酶等三类，它们分别将底物蛋白质的丝氨酸/ /苏氨酸苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有的蛋白激酶具有双、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有的蛋白激酶具有双重底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，重底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，又可使酪氨酸残基磷酸化。又可使酪

21、氨酸残基磷酸化。举例举例1:1:钙依赖型蛋白激酶钙依赖型蛋白激酶( (CDPKs)CDPKs) 植物细胞中的一个蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝植物细胞中的一个蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。 从拟南芥中已克隆了从拟南芥中已克隆了1010种左右种左右CDPKCDPK基因，机械刺激、基因，机械刺激、激素和胁迫都可引起激素和胁迫都可引起CDPKCDPK基因表达。基因表达。 现已发现，被现已发现，被CDPKsCDPKs磷酸化的靶蛋白有质膜磷酸化的靶蛋白有质膜ATPATP酶、离酶、离子通道、细胞骨架成分等。子通道、细胞骨架成分等。 自身抑

22、制域(31 a.a) N C 蛋白激酶催化域 钙调素样结构域 (共508个氨基酸)CDPK-CDPK- 的结构示意图的结构示意图结合Ca2+后酶即活化 CaM CaM 和和 CDPK CDPK 的结构比较的结构比较举例举例2:类受体蛋白激酶（类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinase，RLKs） 植物中的植物中的RLKs属于丝氨酸属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型，由胞外结构区苏氨酸激酶类型，由胞外结构区）、）、跨膜螺旋区及胞内蛋白激酶催化结构区三部分组成。根据胞外跨膜螺旋区及胞内蛋白激酶催化结构区三部分组成。根据胞外结构区的不同，将结构区的不同，将RLKs分为三类分为三

23、类:S受体激酶，这类受体激酶，这类RLKs在胞外具有一段被称为在胞外具有一段被称为S-结构域的结构结构域的结构域，与域，与 调节油菜自交不亲和的调节油菜自交不亲和的S-糖蛋白的氨基酸序列同源。糖蛋白的氨基酸序列同源。富含亮氨酸受体激酶，这类富含亮氨酸受体激酶，这类RLKs的胞外结构域中有重复出现的胞外结构域中有重复出现的亮氨的亮氨 酸。最近发现，油菜素内酯的受体就属于这种酸。最近发现，油菜素内酯的受体就属于这种RLKs。 类表皮生长因子受体激酶，这类类表皮生长因子受体激酶，这类RLKs的胞外结构域具有类似的胞外结构域具有类似动物细胞动物细胞 表皮生长因子的结构。表皮生长因子的结构。3.3.蛋白

24、磷酸酶蛋白磷酸酶( (protein phosphatase protein phosphatase ，PPPP） 蛋白磷酸酶的分类与蛋白激酶相对应，分为丝氨蛋白磷酸酶的分类与蛋白激酶相对应，分为丝氨酸酸/ /苏氨酸型蛋白磷酸酶和酪氨酸型蛋白磷酸酶。有苏氨酸型蛋白磷酸酶和酪氨酸型蛋白磷酸酶。有些酶具有双重底物特异性些酶具有双重底物特异性。 对蛋白磷酸酶的研究还不如蛋白激酶那样深入。对蛋白磷酸酶的研究还不如蛋白激酶那样深入。但两者的协同作用在细胞信号转导中的作用是不言但两者的协同作用在细胞信号转导中的作用是不言而喻的。而喻的。 Gene transcriptionCell proliferationCell survivalCell deathCell differentiationCell functionCell motilityImmune responses激酶激酶激酶激酶激酶激酶激酶激酶