生物细胞学课件：第9章 细胞信号转导

1、第9章 细胞信号转导细胞信号转导（Signal Transduction Pathways）参与并调控了细胞的大多数生命活动，是生命科学研究近二十年来研究最活跃的领域。本章主要内容细胞信号转导概述细胞内受体介导的信号传递细胞表面受体介导的信号传递G蛋白偶联受体介导的信号传递酶联受体介导的信号传递其它细胞表面受体介导的信号传递A signaling molecule activates a specific receptor on the cell membrane or in the cell.A second messenger transmits the signal, eliciting

2、 a physiological response.Conversion of information from one form into another第一节 细胞信号转导概述细胞通讯 cell communication 步骤与功能Figure 15-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、细胞通讯细胞通讯的方式化学信号通讯接触依赖性通讯（contact-dependent signaling）间隙连接（gap junction）胞间连丝（plasmodesma）细胞分泌化学信号通讯方式内分泌旁分泌化学突触自分泌二

3、、几个基本概念信号分子（配体, Ligand）受体（Receptor）第二信使（Second messanger）分子开关（Molecular switch）1. 化学信号分子气体性信 号分子：NO、CO疏水性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素亲水性信号分子：神经递质、局部介质和多数蛋白类激素2. 受体细胞内受体（intracellular recepor）细胞表面受体（cell-surface receptor）离子通道偶联受体（ion channel-coupled receptor） G 蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor， GPCR） 酶联受体（enzy

4、me-linked receptors）细胞表面受体转导胞外信号引发快反应和慢反应Figure 15-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)不同靶细胞以不同方式应答于相同化学信号Figure 15-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)假受体对信号转导通路的调控假受体DcR1和DcR2通过结合TRAIL配体，抑制细胞凋亡信号通路的激活3. 第二信使 (Second Messager)第二信使 学说（second messenger theory）目前公

5、认的第二信使：cAMP、cGMP、Ca2+、DAG、IP3、PIP34. 分子开关（Molecular switch）GTPase 超家族：三聚体GTP 结合蛋白单体 GTP 结合蛋白4. 分子开关（Molecular switch）通过蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶（protein phosphatase）使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性KinasePhosphatase蛋白质磷酸化和去磷酸化4. 分子开关钙调蛋白（calmodulin，CaM）Ca2+ 的结合或解离三、信号系统及其特性Figure 15-1 Molecular Biolog

6、y of the Cell ( Garland Science 2008)（一）信号转导系统基本组成及信号蛋白相互作用细胞表面受体介导的信号通路5 个步骤组成：受体特异性识别并结合胞外信号分子， 形成受体配体复合物，导致受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞内信号放大的级联反应细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应（二）细胞内信号蛋白复合物的装配（三）从信号通路到信号网络细胞信号转导网络的整合与控制1、细胞的应答反应特征细胞对信号的应答反应具有发散性或收敛性特征2、蛋白激酶的网络整合信息“交叉对话

7、”（cross talk）3、信号的控制：受体的脱敏与下调受体没收（receptor sequestration）受体下调（receptor down-regulation）受体失活（receptor inactivation）信号蛋白失活（inactivation of signaling protein）抑制性蛋白产生（production of inhibitory protein）（四）信号系统的主要特性1）特异性2）放大效应3）网络化与反馈调节机制4）整合作用1. 检测信号通路的激活和抑制（1）luciferase报告基因系统（2）目标基因的表达（3）信号通路关键蛋白的激活（磷酸化，

8、泛素化）2. 寻找相互作用的蛋白（1）酵母双杂交筛选（2）蛋白纯化与质谱分析（3）免疫共沉淀技术五、细胞信号转导的主要研究方法第二节 细胞内受体介导的信号传递亲脂性小分子类固醇激素、视黄酸、 维生素D 和甲状腺素受体在细胞核内脂溶性气体分子NO受体具有鸟苷酸环化 酶活性个别亲脂性小分子（如前列腺素）受体在细胞质膜上Figure 15-3b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、细胞内核受体及其对基因表达的调节3 个功能域C 端激素结合结构域中部DNA 或Hsp90 结合结构域N 端转录激活结构域激素核受体复合物与激素反应元

9、件（HRE）结 合，诱导基因活化 快速的初级反应阶段 延迟的次级反应阶段二、NO 气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合NO 在导致血管平滑肌舒张中的作用硝酸甘油 Nitroglycerin炸药？抗心绞痛药 ？舌下含化？为啥不是口服？/warning_filled_with_dynamite_nitroglycerin_postcard-239083027157867236/science/article/pii/S0301008298000719Viagra (伟哥) inhibits the enzyme PDE枸橼酸西地那非(sildenafil citrate)：一种对环磷酸鸟苷（cGMP

10、）特异的5型磷酸二酯酶（PDE5）选择性抑制剂NO激活鸟苷酸环化酶导致环磷酸鸟苷（cGMP）水平增高，使阴茎海绵体内平滑肌松弛，血液充盈/phr150/Viagra/howitworks.htmlhttp:/www.topnews.in/health/viagra-may-cause-hearing-loss-27477第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导G 蛋白偶联受体（G protein coupled receptors， GPCR）是细胞表面受体中最大的多样性家族哺乳类三聚 体G 蛋白的主要种类及其效应器G 类型结合的效应器第二信使受体举例Gs腺苷酸环化酶cAMP（升高） 肾上腺素受体

11、，胰高血糖素受体，血中复合胺受体，后叶加压素受体Gi 腺苷酸环化酶 K+ 通道（G 激活效应器）cAMP（降低） 膜电位改变1 肾上腺素受体 M 乙酰胆碱受体Golf腺苷酸环化酶cAMP（升高）嗅觉受体（鼻腔）Gq磷脂酶CIP3，DAG（升高） 2 肾上腺素受体Go磷脂酶CIP3，DAG（升高） 乙酰胆碱受体（内皮细胞）GtcGMP 磷酸二酯酶cGMP（降低）视杆细胞中视紫红质（光受体）一、G 蛋白偶联受体的结构与激活含有7 个疏水肽段形成的跨膜 螺旋区和相似的三维结构，N 端在细胞外侧，C 端在胞质侧G蛋白结构三聚体GTP 结合调节蛋白由G、G、Gr 三个亚基组成现已知人类 基因组至少编码2

12、7 种G 亚基，5 种G 亚 基和13 种G 亚基二、G 蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路G 蛋白偶联受体分为3类激活离子通道激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP 为第二信使激活磷脂酶C ，以IP3 和DAG 作为双信使/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-protein-coupled-receptor-signal-tdp.html（一）激活离子通道的G 蛋白偶联受体所介导的信 号通路心肌细胞上M 乙酰胆碱受体激活G 蛋白开启 K+ 通道（一）激活离子通道的G 蛋白偶联受体所介

13、导的信 号通路Gt 蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP 门控阳离子通道的关闭（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G 蛋白偶联受体受体：刺激性激素的受体；抑制性激素的受体G蛋白：刺激性G 蛋白；抑制性G 蛋白腺苷酸环化酶（AC）腺苷酸环化酶（AC）和环腺苷酸磷酸二酯酶腺苷酸环化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降 解cAMP 生成5-AMP，导致细胞内cAMP 水平下降蛋白激酶A（protein kinase A， PKA）PKA 是含有2 个调节亚基和2 个催化亚基四聚体，每个R 亚基上有2 个cAMP 结合位点cAMP与调

14、节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A1. cAMP-PKA 信号对与糖原代谢2. cAMP-PKA 信号通路与基因表达调控Question为什么不同的信号(配体)通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应?（三）激活磷脂酶C、以IP3 和DAG 作为双信使 G 蛋白偶联受体介导的信号通路磷脂酰肌醇代谢途径磷脂酰肌醇4-磷酸-磷脂酰肌醇4,5-二磷酸-磷脂酰肌醇三磷酸肌醇二酰甘油IP3-Ca2+ 和DAG-PKC 双信使信号通路 1. IP3-Ca2+ 信号通路与钙火花Ca2+-CaM-CaM kinaseFigure 15-44 Molecular Biology

15、of the Cell ( Garland Science 2008)2. DAG-PKC 信号通路PKC 是Ca2+ 和磷脂 酰丝氨酸依赖性的丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶“短期生理效应”“长期生理效应”第四节 酶联受体介导的信号转导受体酪氨酸 激酶受体丝氨酸/ 苏氨酸激酶受体酪氨酸磷 酸酯酶受体鸟苷酸环化酶酪氨酸蛋白激酶联受体一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras 蛋白信号通路RTK包括7 个亚族绝大多数RTK 是单体跨膜蛋白N 端位于细胞外，是配体结合域，C 端位于胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有自磷酸化 位点受体酪氨酸激酶激活在静息状态 RTK 活性很低，当受体二聚化后，激活受体的蛋白酪氨酸激

16、酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化激活的RTK 内的磷酸酪氨酸残基可被含SH2 结构域的胞内信号蛋白所识别， 启动信号传导Ras 蛋白的活化活化的RTK激活Ras蛋白生长因子受体结合蛋白GRB2，具有SH2 结构域，可直接与活化受体特 异性磷酸酪氨酸残基结合，GRB2 还具有两个SH3 结 构域，能结合并激活另一种胞质蛋白Ras-GEF（son of sevenless，Sos）Sos 蛋白具有鸟苷酸交换因子活性，它与Ras 结合导致构象改变，使非活性的 Ras-GDP 转换成有活性的Ras-GTPRas-MAPK 通路配体 RTK Ras Raf（MAPKKK） MAPKK MAPK 进入

17、细胞核其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰，对基因表达产生多种效应Ras-MAPK 通路信号通路及其功能信号通路信号分子生物学功能核受体信号通路各种激素功能多样NO信号通路NO舒张血管，促进记忆GPCR信号通路蛋白或多肽，神经递质，嗅觉、味觉、视觉信号等感知外界信号、代谢、神经信号传递肌肉收缩等等酪氨酸激酶受体通路胰岛素，细胞生长因子等等能量代谢，细胞的生长和分化PI3K-PKB信号通路细胞因子能量代谢，细胞的生长和分化TGF-信号通路TGF细胞增殖、分化、创伤愈合、骨重建、免疫调节等等JAK-STAT信号通路细胞因子细胞增殖、分化、迁移、凋亡、免疫反应等等WNT信号通路WNT糖蛋白

18、胚胎发育、肿瘤和神经退行性疾病等Hedgehog信号通路Hedgehog胚胎发育、细胞增殖和分化、肿瘤NF-B信号通路TNF家族和各种病原物炎症反应、免疫系统发育、抗凋亡等等TOLL样受体信号通路细菌和病毒抗菌抗病毒反应Integrin信号通路细胞外基质细胞生长、运动、分化和存活等DNA损失修复信号通路DNA损伤细胞周期阻滞、凋亡、DNA修复本章小结一、细胞信号转导概述细胞内各种生物活性分子互相协作互相调节以实现特定的生物学功能，从而形成了细胞信号转导的网络。细胞通讯基本概念：信号分子、受体、第二信使、分子开关。信号传递系统的特性（1）信号转导系统的基本组成（2）细胞内蛋白复合物的装配（3）细

19、胞信号转导网络的整合与控制（4）信号转导通路的特性：特异性、放大效应、网络化与反馈调节、整合作用二、细胞内受体介导的信号转导通路：核受体、NO介导的信号通路三、细胞表面受体介导的信号转导通路G蛋白欧联受体介导的信号转导通路酶联受体介导的信号转导通路：RTK-Ras蛋白信号转导通路其它受体介导的信号通路Thank you!二、PI3K-PKB 信号通路三、TGF- -Smad 信号通路四、细胞因子受体与JAK-STAT 信号通路促红细胞生成素（Epo）信号通路第五节 其他细胞表面受体介导的信号通路一、Wnt- -catenin 信号通路二、Hedgehog 信号通路三、整联蛋白介导的信号通路四、

20、Notch-Delta 信号通路Antiviral Immune ResponseVirus InfectionInnate ImmunityAdaptive Immunity干扰素细胞因子炎症反应细胞免疫体液免疫Nobel Prize 2011北京时间10月3日下午5点30分，2011年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，美国、法国、加拿大三位科学家因在免疫学方面的发现获奖。其中一半的奖金归于Bruce A. Beutler和Jules A. Hoffmann，获奖理由是“先天免疫激活方面的发现”；另一半奖金归于Ralph M. Steinman，获奖理由是“发现树突状细胞及其在获得性免疫中的作用”。

21、 今年的诺奖得主发现了免疫系统激活的关键原理，从而彻底革新了我们对免疫系统的认识。Innate Immune ResponseRichard J. Ulevitch. Nature Reviews Immunology 4, 512-520. Adaptive Immune ResponseCopyright 2002-2008 Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health,Chinese Academy of SciencesNF-B Signaling PathwayTOLL Like Receptor Signaling PathwayRu

22、slan Medzhitov. Nature Reviews Immunology 1, 135-145.TOLL Like Receptor Signaling PathwayVariety of TLR-recognized PathogensRuslan Medzhitov. Nature Reviews Immunology 1, 135-145.肽聚糖脂蛋白脂阿拉伯甘露聚糖脂多糖GPI酵母聚糖脂多糖（G-）脂磷壁酸（G+）RSV双链RNA鞭毛蛋白未甲基化的CpG DNARIG-I Signaling PathwaySignaling Pathways in Innate Immuni

23、tyNF-kB TLR Signaling PathwayRIG-I Signaling PathwayCytokinesIRFs InterferonsInterleukinsChemokinsCytokinesAntigen presentationAnti-microbeInflammation（一）激活离子通道的G 蛋白偶联受体所介导的信 号通路心肌细胞上M 乙酰胆碱受体激活G 蛋白开启 K+ 通道（一）激活离子通道的G 蛋白偶联受体所介导的信 号通路视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜

24、超极化神经递质释放减少视觉反应（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G 蛋白偶联受体An overview of Ca2+ regulatory in cellsHuman Immune systemExamples of Src homology 2 (SH2)-domain-containing proteins/fulltext_content/ERM/ERM6_03/S1462399404007331sup002.htm蛋白质模式结合 域（modular binding domain）SH2 结构域（Src homology 2 domain）快速的初级反应和延迟的次级反应Figure 15-

25、15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Nitric Oxide Crosses the Plasma Membrane andActivates Intracellular Enzymes DirectlySignaling pathways in the cell are much more complexSignaling pathways in the cell are much more complexSignaling pathways in the cell are much more complexTren

26、ds in Biochemical Sciences (TiBS) Signaling pathways in the cell are much more complex霍乱毒素霍乱毒素致病机制Clemens, J. et al. (2011) New-generation vaccines against choleraNat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. doi:10.1038/nrgastro.2011.174Nature Reviews Microbiology 7, 110-119 (February 2009)doi:10.1038/nrmicro2053The mechanism of action of pertussis toxin (Rappuoli et al, 1991).The pertussis exotoxin (PT)T