10第八章细胞信号传导

1、Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory细胞信号转导 Cell Signal Transduction 付学奇Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory主要内容一. 概述二. 细胞内受体介导的信号转导三. 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递四. 信号分子间的识别结构域 五. 细胞信号传递的基本特征Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory概述n细胞通讯：概念、细胞通讯方式n细胞识别、信号通路n信号分子：概念、

2、分类n受体n第二信使n分子开关：概念、GTPase开关蛋白、蛋白的磷酸化及去磷酸化n信号转导系统的基本组成Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory概述n细胞通讯 cell communication 是指一个细胞发出的信息通过介质（又称配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory细胞通讯方式 a 分泌化学信号通讯多细胞生物普遍采用的通讯方式，

3、分泌信号分子-血液循环-靶细胞包括：内分泌，旁分泌，自分泌，化学突触 b 接触性依赖的通讯 不需要信号分子；即细胞识别，如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。c 间隙连接Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratorya 分泌化学信号通讯1.内分泌内分泌细胞分泌的信号分子到血液中，随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是：低浓度全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。 Edmond H.Fischer cell sign

4、al transduction laboratory2.旁分泌 细胞通过分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近靶细胞。 在多细胞生物中调节发育的许多生长因子往往是通过旁分泌起作用的。 旁分泌的方式对于创伤或者感染组织刺激细胞增殖及恢复功能也具有重要意义。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory3.自分泌 自分泌是细胞对自身分泌的物质发生反应，自分泌信号常存在于病理条件下，如肿瘤细胞合成并释放生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞的持续增殖。 但正常细胞也可能出现，如胰腺细胞释放的胰岛素能抑制同一细胞进一步释放胰岛素 Edmo

5、nd H.Fischer cell signal transduction laboratory4.化学突触神经细胞通过突触影响靶细胞 当神经元接受刺激后，神经信号以动作电位的形式沿轴突快速（100m/s）传递至神经末梢，电压门控的钙离子通道将电信号转换为化学信号，即刺激突触前化学信号小泡的分泌，在不到1ms的时间内化学信号通过扩散经过相距不足100nm的突出间隙到达突触后膜，再通过后膜上配体门控通路将化学信号转回电信号，实现电信号化学信号电信号的快速转化。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryb 接触性依赖的通讯 接触性依赖通

6、讯是指细胞间直接接触而无需信号分子的释放，代之以通过质膜上的信号分子与靶细胞质膜上的受体分子相互作用来介导细胞间通讯。 这种通讯发生包括细胞细胞黏着、细胞基质黏着，这种接触依赖性的通讯在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化命运具有决定性作用。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryc 间（缝）隙连接（Gap Junction） 动物细胞通过间隙连接，植物细胞通过胞间连丝使细胞沟通，通过交换小分子来实现代谢耦联或电耦联。间隙连接的基本结构单位是连接子（connexon），每个连接子（connexin）由六个相同或相似的跨膜连接蛋白呈

7、环状排列，中央形成一个直径约为1.5nm 的亲水性通路。相邻细胞质膜上的两个连接子对接便形成完整的间隙连接结构。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory n 缝隙连接是细胞间膜通道的场所，它为相邻细胞间细胞质的连续性提供帮助。缝隙连接的结构单位是连通小管，它是一种亲水性的由蛋白质组成的圆柱形通道；连通小管跨越细胞膜使细胞紧密地排列在一起，建立一个细胞间通道。缝隙连接通道能够使细胞间的小分子物质（1000-2000Da）进行交换；它们也能传递一些与细胞模型有关的信号。这些能够通过缝隙连接通道的物质都与细胞间的调控有关，包括一些第二信

8、使如1,4,5-磷酸肌醇和钙离子。n Furshpan和Potter最早报道了缝隙连接，他们描述了小龙虾中巨大运动突触的新的突触联系形式，表明缝隙连接与动作电位在前后突触纤维间的快速传递有关，其后关于缝隙连接蛋白家族和它的结构通道问题引起了人们的广泛关注。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory间隙连接功能 1.间隙连接在神经冲动信息传递过程中的作用 神经元之间或神经元与效应细胞之间通过突触完成神经冲动的转导。突触可分为电突触和化学突触。电突触就是指细胞间形成间隙连接，电信号可直接通过间隙连接从突触前向突触后转导，相比于化学突触

9、，电突触信号传递速度快了很多。 此外间隙连接在神经元之间的通讯及中枢神经系统的整合过程中也起着重要的作用，并以此调节和修饰相互独立的神经元群的行为。同时，间隙连接使细胞间形成电耦联，在协调心肌细胞的收缩，保证心脏正常跳动，协调小肠平滑肌的收缩，控制小肠蠕动等过程中也起着重要的作用。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory2.间隙连接在代谢耦联中的作用 间隙连接能够允许小分子代谢物和信号分子通过，是细胞间代谢耦联的基础。3.卵泡的正常发育依赖于间隙连接，同时间隙连接也出现在动物胚胎发育早期 当细胞开始分化后，不同细胞群之间电耦联逐渐

10、消失，说明间隙连接存在于发育和分化的特定阶段的细胞。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryHeLaPDD（ ）PDD（ （+） ）HeLa Cx26100ng/mlEdmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryTPA:30ng/mlHeLaCx26TPA:10ng/mlTPA:100ng/mlEdmond H.Fischer cell signal transduct

11、ion laboratory细胞识别和信号通路n细胞识别（cell recognition） 细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。 n信号通路（signaling pathway） 细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryn信号分子（signal molecule） 是细胞的信息载体，种类繁多，

12、包括化学信号如各类激素，局部介质和神经递质等，以及物理信号如声，光，电和温度变化等。亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素亲水性信号分子：神经递质、生长因子、局部化学递质、大多数激素气体性信号分子：一氧化氮（ NO ）、一氧化碳（CO）Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory受体（受体（ReceptorReceptor）一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。 糖蛋白、糖脂、复合物两个功能区域：配体结合区、效应区

13、，分别具有结合特异性和效应特异性两种类型：细胞内受体、细胞表面受体Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory细胞内受体：细胞质基质中或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性信号分子，如甾类激素、甲状腺素、维生素D和视黄酸。细胞表面受体：主要识别和结合亲水性信号分子，包括分泌型信号分子（神经递质、多肽类激素、生长因子等）或膜结合型信号分子（细胞表面抗原、细胞表面粘附分子等）。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory细胞表面受体1、离子通道耦联受体：主要存在神经、肌肉等可兴奋细

14、胞；2、G蛋白耦联受体3、酶连受体后2种存在于几乎所有类型的细胞Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory第二信使（Second massenger）第一信使：细胞外信号分子。第二信使(Second massenger) ：第一信使与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子。包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇(IP3)、二酰甘油(DAG)等。功能:启动和协助细胞内信号的逐级放大。Edmond H.Fischer cell signa

15、l transduction laboratory第一信使第一信使第二信使第二信使Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratorycAMP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。是第一个被发现的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHEdmond H.Fischer cell signal transduction laboratory美国科学家萨瑟兰（美国科学家萨瑟兰（Earl W. Sutherland） 1915.11.9 1974.3.9 Earl Wilbur Sutherland Jr

16、 （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Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory n 1958年，E. Sutherland在研究动物激素作用的过程中发现了cAMP，可以激活糖原磷酸化酶cAMP由腺苷酸环化酶产生。ATP在腺苷酸环化酶的作用下产生cAMP和PPi。一些激素，如肾上腺素，可以激活腺苷酸环化酶。研究发现这个分子在体内有各种不同的功能。n Monod&Jacob有句格言（aphorism） “what is true for Escherichia coli is tr

17、ue for the elephant”。一些生化学家开始用细菌系统来阐明cAMP的功能。Mackman&Sutherland发现在葡萄糖饥饿的E.coli细胞内cAMP含量上升。加入葡萄糖后cAMP含量下降。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory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

18、的细胞生理效应，列的生化反应，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。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory cAMP的产生的产生腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory分子开关 Molecular switches 分子开关是指一种具有双稳态的蛋白质分子，通过施加一定的影响,导

19、致活性的改变，分子可以在失活、激活两种状态之间进行可逆转换，从而导致某些细胞活动的改变。n分子开关的蛋白质可分两类 一类： GTPase开关蛋白 二类：蛋白的磷酸化及去磷酸化 质子泵Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryGTPase开关蛋白 1994年2位美国科学家Alfred G. Gilman 和Martin Rodbell因为发现G蛋白及其在细胞信号转导中的作用而获得诺贝尔医学和生理学奖。 构成细胞内GTPase超家族包括三聚体G蛋白和单体G蛋白，这类鸟甘酸结合蛋白当结合GTP时呈现活化的“开启”状态，当结合GDP的时候呈

20、现是活的“关闭”状态。开关蛋白通过这两种状态的转换控制下游靶蛋白的活性。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Alfred G Gilman 大学时代：认为研究是一个人的事。和Earl Sutherland共事：因共同研究甲状腺里的c-AMP而学到合作的重要性。 So, 1980年：使用变形白血病细胞(mutated leukemia cells) 来说明 G-protein 是信号转导所必需的物质。1994年：获得诺贝尔生理医学奖。 研究不是一个人就能做的！研究不是一个人就能做的！Edmond H.Fischer cell

21、signal transduction laboratory Martin Rodbell 1965年：Martin Rodbell和NIH的生化学家共同追踪不同种类荷尔蒙在细胞的接收器(cell receptors)的效用。1969年：提出signal transudation1994年：诺贝尔生理医学奖。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory GTPase开关的开启和关闭由信号和鸟甘酸转换因子（guanine nucleotide-exchange factor，GEF)所介导，GEF引起GDP从开关蛋白释放，继而结合GT

22、P并引发G蛋白的构象改变使其活化，随着结合GTP水解形成GDP和Pi，开关又恢复成失活的关闭状态，GTP的水解速率被GTPase促进蛋白和G蛋白信号调节子所促进，被鸟苷酸解离抑制物所抑制。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryPiReversible Protein PhosphorylationATPPiADPKinasePhosphatase 可逆的蛋白质磷酸化作用Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryA:靶蛋白磷酸化去磷酸化调节蛋白活性蛋白激酶蛋白磷酸酯酶

23、这类开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryEdmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryGenome GenesProtein kinases Protein phosphatasesS. cerevisiae 12 Mb 6,241 119 (1.9%) 44 (0.7%)C. elegans 97 Mb 18,4

24、24 388 (2.1%) 224 (1.2%)Drosophila 180 Mb 13,601 249 (1.8%) 96 (0.7%)Human3,200 Mb 30,000 501 (1.7%) 130 (0.4%)Counting the Protein Kinases and Phosphatases蛋白质激酶和磷酸酶基因组数据Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell si

25、gnal transduction laboratory Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory蛋白质激酶 蛋白质激酶的作用是将ATP或GTP 分子上的磷酸基转移到底物中的特定氨基酸残基上，同时蛋白质激酶也可以将其本身作为底物，对自身进行磷酸化。这种自身磷酸化作用可以发生在分子之间，使两个酶分子互相磷酸化，也可以发生在酶分子的内部，使酶分子的催化部位对同一分子的其它部位进行磷酸化。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 蛋白质激酶是一个庞大的蛋白质家族，种类繁多，

26、它们在催化结构域的核心处有很大的相似性，一般催化核心由250-300个氨基酸残基组成，其中第72位为赖氨酸、第184位为天冬氨酸。不同的蛋白质激酶的催化核心在酶中的位置并不确定，大多数单亚基的激酶，其催化核心都在氨基酸序列的羧基端，而氨基端是执行调节功能的。蛋白质激酶Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory蛋白激酶受体型蛋白质激酶非受体型蛋白质激酶受体型酪氨酸激酶受体型丝氨酸/苏氨酸激酶 非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白质激酶非受体型酪氨酸蛋白质激酶双特异性蛋白质激酶蛋白激酶的分类Edmond H.Fischer cell signal

27、 transduction laboratory 1.非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白质激酶(non-receptor serine/ threonine protein kinases) 非受体型丝氨酸/苏氨酸蛋白质激酶，是一大类特异地催化蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化的激酶家族，它们参与多种信号转导过程，调节细胞周期、细胞生长、基因表达和翻译等生物学效应。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 2.非受体型酪氨酸蛋白质激酶(non-receptor protein tyrosine kinases，PTKs) 这是蛋白质激酶家

28、族中一个最重要的蛋白质家族，至少有10个结构变种。它们具有特异性的激酶结构域，能够专一识别底物中的酪氨酸残基，并使其磷酸化。其强大的生理催化活性可以满足范围很广的生理要求，包括转导细胞外的生长和分化信号，及细胞对胞内氧化还原势的响应等功能。这个家族的成员都由传递感觉的、起调节作用的和起效应作用的三种结构域组成。非受体型蛋白质酪氨酸激酶有9个亚族。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory经典的Src激酶家族 蛋白质Src是一种酪氨酸蛋白质激酶，属于Src激酶家族，由原癌基因c-src编码表达。它有三个基本结构域：从C-端至N-端依次

29、为SH1、SH2、SH3结构域。其SH1结构域具有酪氨酸激酶活性；SH2结构域能识别并结合含磷酸化酪氨酸的短序列；SH3结构域通过脯氨酸和疏水性氨基酸残基与靶蛋白质结合。其中SH2结构域在信号转导途径中起着重要作用。由于含SH2结构域的信号转导分子可以识别和结合其他含磷酸化酪氨酸的蛋白质，因此，通过蛋白质的酪氨酸磷酸化去磷酸化调节可以决定信号转导分子的结合与解离，从而导致信号的开启或关闭。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryJAK家族 非受体型酪氨酸蛋白质激酶中一类比较特殊的家族。JAK与其他的PTK的不同有两个方面：一是JA

30、K家族没有SH2、SH3和PH结构域；二是JAK家族的JH1、JH2结构域为其他的PTK所没有。JAK家族目前被认可的激酶有JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。磷酸化反应发生在JAK与细胞受体在质膜上结合的时候。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory JAK的重要底物是信号转导物与转录激活剂STAT（signal transducer and activators of transcription），这是一类分子量为84-113KD的转录因子，含有一个SH2结构域(C-端)，一个SH3样结构域，并含有DNA结合域。 JAK-

31、STAT途径如下： 1.配体与受体结合导致受体二聚化； 2.受体二聚化激活JAK； 3.JAK将STAT磷酸化； 4.STAT的磷酸化使其形成二聚体暴露出入核信号； 5.STAT进入核内，调节基因表达。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryJAK-STAT途径的基本作用模式Kunihiro Yamaoka, Pipsa Saharinen, Marko Pesu,et al. The Janus kinases (Jaks). Genome Biology 2004, 5:253-259 Edmond H.Fischer cel

32、l signal transduction laboratoryJAK家族酪氨酸激酶nJanus kinase：n非受体型酪氨酸蛋白激酶；n哺乳动物细胞中有JAK1，JAK2，JAK3，TYK2，分子量120-140kDa；nTYK2、JAK1和 JAK2几乎在所有组织中表达，而JAK3的表达主要局限于髓样组织及淋巴样组织。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryJAK家族酶的结构特性Kunihiro Yamaoka, Pipsa Saharinen, Marko Pesu,et al. The Janus kinases (Ja

33、ks). Genome Biology 2004, 5:253-259 Band-4.1, ezrin, radixin,moesin Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryJAK家族酶的功能GenePhenotype of mouse knockout Cytokines whose signaling requires this Jak Jak1Viable but early postnatal lethal owing to neurological deficits; SCID Families of receptor

34、 with the shared subunits gc or gp130; IFNs Jak2 Embryonic lethal owing to a defect of erythropoiesisIL-3; family of receptors with the shared subunit gp130;IFN-g;hormone-like cytokines (EPO, GH, PRL, TPO) Jak3 SCID, viable and fertileFamily of receptor with the shared subunit gc Tyk2Viable and fert

35、ile; susceptible to parasite infection; resistant to LPS; resistant to collagen-induced arthritis IL-12; LPSKunihiro Yamaoka, Pipsa Saharinen, Marko Pesu,et al. The Janus kinases (Jaks). Genome Biology 2004, 5:253-259 Abbreviations: EPO, erythropoietin; gc, common g chain; GH, growth hormone; IFN, i

36、nterferon; IL, interleukin; LPS, bacterial lipopolysaccharide; PRL, prolactin; SCID, severe combined immunodeficiency; TPO, thrombopoietin Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory双特异性蛋白质激酶dual specificity protein kinases, DSPKs 双特异性蛋白质激酶既能将目标蛋白的酪氨酸磷残基磷酸化,也能将其丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。虽然已发现一些DSPKs可以同时

37、自身磷酸化酪氨酸残基和丝氨酸/苏氨酸残基，但还没有实验证据表明他们能磷酸化外源底物中的这两类氨基酸残基。DSPKs在细胞内信号转导过程中发挥着重要的作用，而且其结构为研究蛋白质激酶的底物专一性提供了很重要的信息。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory蛋白质磷酸酶（protein phosphatases, PPs） 蛋白质磷酸酶是将由蛋白质激酶磷酸化的氨基酸残基去磷酸化的一种酶。 蛋白质磷酸酶是一个与蛋白质激酶相平行的结构复杂多样的酶家族。生化及遗传学研究表明, 蛋白质磷酸酶可对信号转导途径起正向或负向调节作用，并在一系列哺乳动

38、物组织和细胞中发挥着重要的生理作用。更为重要的是，磷酸酶活性的下调与人类许多疾病的发生有关。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory1. Ser/Thr Phosphatases3. Dual Specificity Phosphatases (DSPs)2. Tyrosine Phosphatases (PTPs)Classification of Protein PhosphatasesThe Signature Motif of PTPs and DSPs(I/V)HCxAGxxR(S/T)G蛋白质磷酸酶的分类Edmond

39、 H.Fischer cell signal transduction laboratoryPTP1B - Diabetes and Obesity（糖尿病、肥胖症）（糖尿病、肥胖症）SHP-1 - Immunodeficiencies and leukemia（免疫缺陷、白血病）（免疫缺陷、白血病）SHP-2 Noonans syndrome and gastric cancer（努南综合症、胃癌）（努南综合症、胃癌）PTEN - Tumor suppressor（肿瘤抑制因子）（肿瘤抑制因子）PRL3 - Colorectal Cancer Metastasis（结肠癌转移）（结肠癌转移）

40、MTM1 - X-linked myotubular myopathy（ X相关的肌管疾病）相关的肌管疾病）MTMR2 - type 4B Charcot-Marie-Tooth syndrome（进行性神经性肌萎缩（进行性神经性肌萎缩 ）Tyrosine Phosphatases and Human Diseases酪氨酸磷酸酶和人类疾病Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory丝氨酸/苏氨酸型蛋白质磷酸酶 这是一类可使蛋白质上磷酸化丝氨酸/磷酸化苏氨酸（pSer/pThr） 去磷酸化的磷酸酶。早期根据其底物特异性、对抑制物的敏感

41、程度，以及对不同离子的需求，将丝氨酸苏氨酸型蛋白质磷酸酶分成四类：l型、2A型、2B型和2C型，分别用PP-1，PP-2A，PP-2B和PP-2C代表。其中PP-l，PP-2A和PP-2B在结构上有较大的相似性，编码这三个亚族的基因都属于PP基因家族。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory蛋白质酪氨酸磷酸酶 蛋白质酪氨酸磷酸酶催化蛋白质上酪氨酸残基的磷酸基团水解，其机理是利用活性部位的半胱氨酸作为亲核物质，以硫代磷酸共价酶的形式与底物形成中间体，进而完成底物到产物的转换。作为PTPs特征结构的恒定组分，精氨酸残基具有结合底物及

42、稳定状态转换的作用，而活性中心的Cys中的-SH基团在反应中发挥着非常大的作用，其被氧化与否直接影响酪氨酸磷酸酶的活性。PTPs 为不含金属酶类，可被钒离子、钼离子所抑制，其活性不依赖Ca2+、Mg2+或Mn2+。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 已发现的蛋白质酪氨酸磷酸酶都具有一个相类似的由200250个氨基酸残基组成的磷酸酶催化结构域(PTPase domain)，并且在其活性中心含一段非常保守的氨基酸序列：(IV)HCXAGXXR(ST)G(其中X可以是不同的氨基酸残基)。 蛋白质酪氨酸磷酸酶 Edmond H.Fi

43、scher cell signal transduction laboratory胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶蛋白质酪氨酸磷酸酶Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶大部分的C-端氨基酸残基都是非极性的，这些位点可能是与膜相结合的部位。胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶都只含有一个PTPase domain。这一PTPase domain的氨基酸序列在各个酶之间有比

44、较高的同源性，而除此之外的氨基酸序列在各酶之间也就没有太多的相似性了。也正是由于这PTPase domain之外两旁的氨基酸序列的不同，决定了它们在细胞内的分布位置及其酶活性和功能的不同。胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory SHP-1、SHP-2是一个含有SH2结构域的蛋白质酪氨酸磷酸酶亚家族中两个重要的蛋白质酪氨酸磷酸酶，它们的氨基酸序列具有很高的同源性，在空间结构上也很相似，但却在细胞信号转导中发挥不同的生理功能。 SHP-1在细胞信号转导中的功能主要有：在抗原受体信号转导过程中起负调节作用；在J

45、AK-STAT信号途径中起正调节和负调节双重调节作用。 SHP-2的在细胞信号转导中的功能主要有：在JAK-STAT信号途径中起正调节作用；DNA合成和细胞增殖的正调节子；细胞迁移过程的正调节子。胞内型蛋白质酪氨酸磷酸酶Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶 跨细胞膜的受体型蛋白质酪氨酸磷酸酶一般都含有三个结构，那就是胞外配体结合区、跨膜区和胞浆区。细胞内结构除了极个别的受体

46、型蛋白质酪氨酸磷酸酶只有一个PTPase domain以外，其余的都含有两个相连、纵向排列的PTPase domains。二者氨基酸序列比较相似，一般来说，近膜一侧的PTPase domain是酶活性的主要位点，另一个很少或基本没有活性。而细胞外结构在各个酶之间的区别非常大，而且被认为是决定它们功能的重要基团。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 双特异性蛋白质磷酸酶 这是一类可同时使酪氨酸残基和丝氨酸/苏氨酸残基去磷酸化的磷酸酶。该类酶的C-端是保守的蛋白质酪氨酸磷酸酶同源的催化结构域，而N-端则变化较大。其N-端的特异性

47、序列可以使不同的双特异性蛋白质磷酸酶与其特异性底物结合，并可能参与双特异性蛋白质磷酸酶的亚细胞定位。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory信号转导系统的基本组成 Step1. 表面受体对信号的特异性识别。 Step2. 第一信使通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转导，产生第二信使。 Step3. 信号放大过程。 Step4. 细胞反应由于受体的脱敏和受体下调。启动反馈机制从而终止和降低细胞反应。细胞表面受体介导的信号途径的主要步骤：Edmond H.Fischer cell signal transduction labora

48、tory细胞表面受体介导的信号途径的包括蛋白：n转承蛋白：负责简单地将信息传给信号链的下一个组分n信使蛋白：携带信号从一部分传递到另一部分，如从细胞质传递到细胞核n接头蛋白：起连接信号蛋白的作用n放大和转导蛋白：通常由酶或离子通道蛋白组成，介导产生信号级联反应n传感蛋白：负责信号不同形式的转换n分歧蛋白：将信号从一条途径传播到另外途径n整合蛋白：从2条或多条信号途径接受信号，并在向下传递之前进行整合n潜在基因调控蛋白：这类蛋白在细胞表面被活化受体激活，然后迁移到细胞核刺激基因转录Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory主要内容一.

49、 概述二. 细胞内受体介导的信号转导三. 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递四. 信号分子间的识别结构域 五. 细胞信号传递的基本特征Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory细胞内受体蛋白超家族 细胞内受体本质：激素激活的基因调控蛋白。三部分组成：中部的DNA或Hsp90结合位点：富含Cys、锌指结构C-端激素结合位点N-端转录激活结构域二.细胞内受体介导的信号转导Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryNO信号分子信号分子nNO信号分子的发现1.20世纪80年代发现

50、培养条件下巨噬细胞的杀菌活性依赖于培养基中精氨酸的存在，而精氨酸是NO合成酶的底物，提示NO是重要的生物活性分子。2.1980年Robert Furchgott提出血管舒张是因为血管内皮细胞产生一种信号分子引起血管平滑肌松弛所致。3.1986年Robert Furchgott、Louis Ignarro和 Ferid Murad研究证实，NO作为气体信号分子引起血管平滑肌舒张。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory n1998年年Robert Furchgott、Louis Ignarro和和 Ferid Murad等三位美国科

51、学家发现等三位美国科学家发现NO可可作为信号分子的研究而获得诺贝尔生理和作为信号分子的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。医学奖。 Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory NO是一种自由基性质的气体，具脂溶性，可快速扩散透过细胞质膜，到达邻近靶细胞发挥作用。由于体内存在氧及其他与NO发生反应的化合物，因为NO在胞外极不稳定，其半衰期只有2-30s，只能在组织中局部扩散，被氧化后以硝酸根或亚硝酸根的形式存在于细胞内外液中。 NO信号分子信号分子Edmond H.Fischer cell signal transduction labor

52、atory n NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。 n 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L-精氨酸为底物，生成NO和L瓜氨酸。 n NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。 n NO的作用机理： n 乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。 n 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。Edmond

53、H.Fischer cell signal transduction laboratoryNONO信号分子的作用机理信号分子的作用机理 血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞G蛋白耦联受体、并激活磷脂酶C，通过第二信使IP3导致细胞质钙离子水平升高，当钙离子结合钙调蛋白后刺激NO合成酶催化精氨酸氧化形成瓜氨酸并释放NO,NO通过扩散进入临近平滑肌细胞，激活具有鸟甘酸环化酶活性的NO受体，刺激生成第二信使cGMP,cGMP的作用是通过cGMP依赖的蛋白激酶G的活化抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌舒张。NO在导致血管平滑肌舒张中的作用Edmond H.Fischer cell

54、signal transduction laboratory主要内容一. 概述二. 细胞内受体介导的信号转导三. 通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递四. 信号分子间的识别结构域 五. 细胞信号传递的基本特征Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递细胞表面受体分属三大家族：离子通道耦联的受体G蛋白耦联的受体酶耦联的受体Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 离子通道受体是具有离子通道作用的细胞质膜受体。这种受体见于可兴奋细胞间的突

55、触信号转导，产生一种电效应，如烟碱样乙酰胆碱受体(nAchR)、-氨基丁酸受体(GABAR)和甘氨酸受体等都是离子通道耦联受体。它们多为数个亚基组成的寡聚体蛋白, 除有配体结合位点外, 本身就是离子通道的一部分,并借此将信号传递至细胞内。信号分子同离子通道受体结合, 可改变膜的离子通透性。 （一）离子通道耦联的受体Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory（一）离子通道耦联的受体Fig. 在突触处通过递质门离子通道实现化学信号转换为电信号 例子：突触前膜释放的神经递质结合并开启突触后细胞膜上的递质门离子通道，结果导致突触后细胞膜离子

56、流改变，从而将化学信号转换成电信号。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratoryFig. GFig. G蛋白耦联受体结构图蛋白耦联受体结构图 （二）G蛋白耦联的受体G蛋白耦联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用通过与G蛋白的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。G蛋白耦联受体都包括7个疏水残基肽段形成跨膜螺旋区和相似的三维结构，N末端位于细胞外侧，C末端位于细胞胞质侧。每个跨膜螺旋由22-24个氨基酸残基组成，其中螺旋5和6之间的胞内环状结构域（C3）对于受体与G蛋白相互作用相关。

57、Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory G蛋白由 三亚基组成，非活化状态结合GDP。 信号与受体蛋白结合后，受体蛋白活化，构象发生改变，同G蛋白的亚基结合，使G蛋白活化，GDP转换成为GTP， 和亚基分离，形成活化的亚基复合物及活化的。细胞外信号结合所诱导的细胞外信号结合所诱导的G G蛋白的活化蛋白的活化Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory 配体配体 受体受体 受体受体-配体配体 激活型激活型G蛋白蛋白 激活的激活的 G蛋白效应器蛋白效应器 第二信使第二信使 或

58、或 依赖于第二信使的酶或通道依赖于第二信使的酶或通道 激活激活或或抑制抑制 生物效应生物效应 G蛋白蛋白 G蛋白效应器蛋白效应器第二信使第二信使G蛋白介导的信号转导通路基本过程Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：以cAMP为第二信使的信号通路，以肌醇-1,4,5-三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate，IP3)和二酰甘油（1,2-diacylglycerol,DAG)作为双信使的磷脂酰肌醇信号通路和G蛋白耦联离子通路的信号通路。Edmond H.Fisch

59、er cell signal transduction laboratory cAMP信号通路 细胞外信号和相应的受体结合，G蛋白作用于效应器腺苷环化酶,导致胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。组分： 激素受体（如：肾上腺素受体）； G蛋白 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）； 蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）； 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase） Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory腺苷酸环化酶(Adenylyl cyclase, AC)

60、 腺苷酸环化酶是相对分子量为150 kD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP 。腺苷酸环化酶是cAMP途径中不可缺少的重要物质。Edmond H.Fischer cell signal transduction laboratory PKA是一个四聚体，由2个催化亚基和2个调节亚基组成。每个调节亚基上有2个结合cAMP的位点。当调节亚基结合cAMP后，调节亚基与催化亚基解离，游离的催化亚基才表现出其催化活性。PKA催化一些蛋白质的丝(苏)氨酸残基的羟基磷酸化。 PKA的作用： 1. 催化许多细胞内蛋白质的磷酸化 2. 磷酸化钙通道，引起Ca2+内流； 3. 磷