分子生物学：细胞信号研究生课件

1、分子生物学：细胞信号研究生课件6. VEGF Receptor Signal TransductionVEGF是促进血管生长发育的关键性生长因子。在哺乳动物中，VEGF可分为A、B、C、D、E及PlGF几类。6.1 Vascular Endothelial Growth FactorMolecular Structure of VEGF人VEGF-A有六种不同的异构体，由同一mRNA前体剪接而来。Isoforms of Vascular Endothelial Growth Factor A (VEGF-A)6.2 VEGF ReceptorVEGF受体属于单跨膜-螺旋型受体，以同源二聚体形式

2、存在，具有受体TPK活性。VEGF受体分为VEGFR1、VEGFR2和VEGFR3三型，不同的受体分布于不同的组织细胞。VEGF Receptor FamilyVEGF Receptor Family and Their distributionCross et al., Trends in Biochem. Sci., 28, 488 (2003)VEGFR与其配体结合后，胞内区受体TPK被激活，对多种底物蛋白/酶进行磷酸化修饰以传递生长信号。可被VEGFR激活的信号转导途径包括PLC-PKC途径、Ras-MAPK途径、PI3K-PKB途径等。6.3 VEGFR Signal Transdu

3、ction PathwaysVEGFR Signal Transduction PathwaysCross et al., Trends in Biochem. Sci., 28, 488 (2003)Section 9 Signal Transduction System by Insulin Receptor1. Structure and Function of Insulin Receptor胰岛素受体为四聚体，由两个跨膜的亚基和两个胞外的亚基组成， 亚基与亚基之间通过二硫键连接。受体亚基的胞内区具有受体TPK活性，且具有多个酪氨酸残基磷酸化修饰位点。Molecular Structu

4、re of Insulin ReceptorPhosphorylation of Insulin Receptor当胰岛素受体与其配体结合后，即可使受体TPK活化，催化受体蛋白酪氨酸残基的自身磷酸化，以及特异底物蛋白酪氨酸残基的磷酸化，从而将信号传递进入细胞内。2. Substrates of Insulin Receptor TPKActivation of Insulin Receptor目前已知，胰岛素受体TPK的特异底物蛋白主要是胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）家族，即IRS-1,2,3,4。2.1 Structure and Functi

5、on of IRS FamilyMolecular Structures of IRS FamilyIRS被磷酸化修饰后，即可使其TPK活性被激活，从而催化相应的底物蛋白磷酸化以进行信号传递。Phosphorylation of IRS-1The Substrates of IRS除此之外，胰岛素受体TPK还可催化信号衔接蛋白Shc（Src homology collagen protein）的磷酸化，通过激活Shc来传递信号。2.2 Functions of Signal Adaptor Shc3. Signal Transduction Pathways by InsR由胰岛素受体（Ins

6、R）所触发的信号转导途径主要涉及两条：即Ras-MAPK途径和PI3K-PKB途径。PI3K-PKB信号转导通路：磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）家族至少包括、三型，是由调节亚基（p85）与催化亚基（p110）组成的二聚体，不同亚型PI3K的激活方式不同。PI3K的调节亚基可被IRS磷酸化修饰，导致调节亚基与催化亚基解聚而使其激活。Activation of PI3K激活的PI3K可催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）的肌醇3位磷酸化，生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3），后者是依赖磷脂酰肌醇的蛋白激酶（PDK1/2）以及PKB的激活剂。Catalytic Activity o

7、f PI3K活化的PDK1/2磷酸化蛋白激酶B（PKB，Akt），后者再催化若干底物蛋白/酶的磷酸化，调节细胞的生理功能。Activation of PKB/Akt1/2Signal Transduction Pathway by PI3K-PKBSignal Transduction Pathways by InsRSection 10 Signal Transduction System by Cytokine Receptor1. Structure of Cytokine Receptor大多数细胞因子受体是单跨膜-螺旋型糖蛋白，其胞内区无TPK活性结构域。但细胞因子受体被激活后，可与

8、具有TPK活性的连接蛋白相互作用，使其底物蛋白磷酸化而将信号传递进入细胞。细胞因子受体可按其胞外配体结合结构域的不同而分为四个亚型。细胞因子受体超家族-细胞因子受体超家族-细胞因子受体的结构特点：胞内区无TPK活性，需作用于其他可溶性非受体型TPK以传递信号；多数受体由两个及以上的亚基组成；一种受体的亚基也可作为另一种受体的亚基。2. Type and Structure of Non-receptor TPK非受体TPK通常存在于胞浆或胞内颗粒性组分中，广泛分布于各种组织细胞中。按其分子结构的不同，可将非受体型TPK分为十个亚类：Src、Frk、Btk、Csk、Abl、Syk、Fes、Fak

9、、Jak、Ack。Molecular Structure of Src3. Signal Transduction Pathway by Cytokine Receptor细胞因子受体常通过Jak-Stat途径传递信号。Jak Janus Kinase，至少有四个家族成员，即Jak1、2、3和Tyk2。细胞因子受体与其配体结合后，即可作用于其偶联的Jak，使其TPK活性被激活。Activating Mechanism of JakStat 信号转导子和转录激活子，至少包含六个家族成员，具有信号转导和转录因子的双重作用。Stat被Jak磷酸化修饰后，二聚化并转移到细胞核内，通过调控基因表达产生生

10、理效应。IFN Signal Transduction PathwayEpoR Signal Transduction PathwaySection 11 Signal Transduction System by Wnt Receptor1. Introduction of Wnt Signal Transduction SystemWnt（细胞因子）是一种分子量约4万的分泌型糖蛋白，存在于从线虫、果蝇属到哺乳动物的各种属生物中。Wnt信号转导系统在动物的早期发育及形态形成中具有重要作用。另外，也参与出生后细胞的增殖分化的调控。因此，Wnt信号转导系统不仅是发育生物学，同时也是肿瘤生物学的研

11、究热点。最早对Wnt信号转导通路的了解来自对致癌病毒和果蝇发育机制的研究：Nusse et al (1982、1984)用小鼠乳头瘤病毒（MMTV）诱导鼠产生乳腺癌的过程中，发现MMTV常常固定整合于宿主染色体的特定位置，激活该位点的基因，这一位点的基因被命名为int-1。cancer随后发现这一基因与果蝇胚胎发育基因wingless（wg）同源，wg基因突变将导致成年果蝇无翅。将wg基因与int基因名称简并后，该基因被重新命名为wnt-1。developmentWnt信号转导系统在胚胎发育过程中具有重要的作用：例如调节果蝇胚胎发育中体节及成虫盘模式的正确形成；爪蟾的背-腹模式和神经形成；决定

12、细胞命运等。研究结果还表明：Wnt信号转导系统与一些常见人类恶性肿瘤如大肠癌、黑色素瘤、乳腺癌、小细胞肝癌的发生发展亦密切相关。目前已知，wnt基因在无脊椎动物和脊椎动物中高度保守，且基因家族成员众多。在哺乳类动物中wnt编码基因至少有19个。因此，一般将由wnt基因编码产物(Wnt)所介导的信号转导通路统称为Wnt信号转导系统。2. Components of Wnt Signal Transduction System2.1 Wnt Gene FamilyWnts Comprise a Large Family of Cytokines从低等的线虫到高等的哺乳类动物，wnt基因家族成员均在

13、其发育过程中具有重要作用，而且不同的wnt基因，在胚胎发育和成年组织中的作用不同。Wnt基因的编码产物均为分泌型糖蛋白，含2条N-连接型寡糖链、1段信号肽以及23或24个位置保守的半胱氨酸残基。Wnt蛋白能够以自分泌或旁分泌两种不同形式作为细胞生长及细胞分化信号。Wnt受体又称为Frizzled受体（Fz受体）。Fz受体是一类跨膜蛋白，可分为含一段半胱氨酸富集结构域（CRD, cysteine-rich-domain）的胞外区、七跨膜a-螺旋区和胞浆内羧基端三个部分，其中胞外区为Wnt蛋白结合所必需。2.2 Wnt Receptor Frizzled ReceptorFz受体的七跨膜a-螺旋区

14、与G蛋白偶联受体类似，因此Fz受体属于G蛋白偶联受体超家族的成员。最新的研究证实，G蛋白（Gq/o）参与了Fz受体介导的Wnt信号传递过程。Wnt蛋白与Fz受体结合后即可将信号传入胞内，并且这种结合有一定特异性。低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）是一类在脂代谢中具有重要作用的受体蛋白，其中哺乳动物的LRP5/6在Wnt信号转导中具有重要的作用，是Fz受体的辅受体。2.3 LDL Receptor Related Proteins LRP5/6LRP5/6的胞外区可以结合Wnt蛋白，并与Fz受体相互作用将信号从胞外传入胞内。此外，在Wnt信号存在时，LRP5的胞内区可以募集抑制蛋白Axin并使其

15、降解，从而激活Wnt信号转导通路。Dishevelled（ 蓬乱蛋白，Dsh，Dvl）是细胞内多条信号转导通路的接头蛋白，由一系列同源基因编码。Dsh家族基因编码的蛋白产物无激酶活性，含三个保守的功能结构域：DIX (disheveled and axin) Domain；PDZ (PSD-95, discs-large and ZO-1) Domain；DEP (dishevelled,egl-10 and pleckstrin) Domain。2.4 Adaptor Protein DishevelledMolecular Structure of Dishevelled Protein其

16、中，Dsh接头蛋白的PDZ结构域与Fz受体胞内区直接结合。当Wnt与受体Fz结合后，可使Dsh与Fz受体胞内区结合；然后，Dsh被蛋白激酶（CK1/2）磷酸化，即能抑制GSK-3b。糖原合酶激酶3（GSK-3）是一种最初在糖原合成代谢中的作用而被发现并命名的Ser/ Thr蛋白激酶。现发现GSK-3是Wnt信号转导通路的一个重要的负调控因子，可通过对其下游的另外两个信号转导蛋白-catenin（-连环蛋白）和APC蛋白的磷酸化修饰而发挥信号转导作用。2.5 Glycogen Synthase Kinase 3-Catenin（-连环蛋白）是Wnt信号转导通路关键的传递子（transducer）

17、。在Wnt信号通路中，-catenin至少与三个蛋白相互作用，即：GSK-3、支架蛋白Axin和结肠腺瘤性息肉病蛋白APC（Adenomatous polyposis coli protein）。2.6 -CateninMolecular Structure of -CateninGSK-3对APC的磷酸化有助于APC与b-catenin的结合，而对-catenin氨基端丝/苏氨酸的磷酸化则是启动泛素系统降解-catenin的起始信号。GSK-3-APC-Axin-catenin四元复合物的形成是启动降解过程所必须。反之，当有Wnt信号时，GSK-3活性受到抑制，非磷酸化形式的-catenin

18、在细胞内大量累积并进入胞核，与转录因子TCF/LEF形成复合物，启动靶基因的表达。DNA结合蛋白TCF（T cell factor）/LEF（lymphoid enhancer factor）是Wnt信号转导通路中的转录因子。这类DNA结合蛋白最初以T细胞DNA结合因子被发现并命名。TCF/LEF家族有多个成员，但所有成员编码的蛋白产物，均含有一个转录抑制因子Groucho 结合结构域，只具有DNA结合能力，而不能激活基因的转录。2.7 DNA Binding Protein TCF/LEF-catenin一旦在胞浆内累积就可进入核内，取代转录抑制因子Groucho，与TCF/LEF、DNA结

19、合形成三元复合物，改变DNA的结构；并且通过结合转录活化因子P300/CBP家族等蛋白，募集RNA聚合酶，启动靶基因的表达。3. Wnt Signal Transduction PathwaysWnt信号转导通路主要有三条：-catenin通路（canonical pathway ）；细胞极化通路（the planar cell polarity pathway ）；Wnt/Ca2+通路。Overview of Wnt Signal Transduction PathwaysstimulatedAxinAPC& othersFrizzled(Wnt receptor)unstimulatedD

20、shAxinAPC& othersnucleusFrizzled(Wnt receptor)target genesCanonical Wnt / -catenin Signal PathwayThe Basic ModelDegradedDegradedb-catGSK-3P*GSK-3WntWntWnt-cat-cat-cat+Dsh-nucleustarget genes-catLef/TCFLRP5/6(Wnt coreceptor)LRP5/6(Wnt coreceptor)Lef/TCFb-catenin信号转导通路通过激活转录因子TCF/LEF调控特异基因的表达，决定细胞的命运。

21、细胞极化信号转导通路主要参与调节细胞骨架的组装及细胞极化。Wnt/Ca2+信号转导通路主要参与调节细胞粘附和细胞运动。不同Wnt信号转导通路的生理功能有所不同：Section 12 Signal Transduction System by Nuclear Receptor 1. Nuclear Receptor Superfamily核受体超家族的成员众多，在人类已发现达48种。主要包括：类固醇激素受体，如糖皮质激素受体（GR）、盐皮质激素受体（MR）、黄体素受体（PR）、雄激素受体（AR）、雌激素受体（ER）等。甲状腺激素受体，如三碘甲腺原氨酸受体（T3R）、四碘甲腺原氨酸受体（T4R）。

22、维生素受体，如1,25-二羟维生素D3受体（VDR）、视黄酸受体（RAR）、类视黄醇X受体（RXR）。孤儿受体（orphan receptor），未确定其配体的核受体。主要包括，过氧化物体增殖激活受体（PPAR），胆汁酸受体（FXR），肝X受体（LXR），孕烷X受体（PXR），组成性雄烷受体（CAR）等。Nuclear Receptor Superfamily2. Subcellular Localization and Activation of Nuclear ReceptorGR、MR主要分布于胞浆中，T3R、VDR、RAR、RXR则位于细胞核内，而PR、ER、AR则既存在于胞浆，又存在

23、于核内。由于胞内受体位于细胞的胞浆或/和细胞核中，故其相应的配体（激素）需进入细胞内，才能与其受体相结合。分布在胞浆中的受体通常与伴侣蛋白，如热休克蛋白90（Hsp90）构成复合物而处于无活性状态。当特异性配体与受体结合后，受体被活化并与动力蛋白（Dyn）结合而发生核转移。接着，伴侣蛋白及动力蛋白，游离的活化受体与DNA分子上的激素反应元件（HRE）相结合，调节特异基因的表达。Molecular Structure of Hsp90Activation and Translocation of Nuclear Receptor3. Molecular Structure of Nuclear

24、Receptor核受体在一级结构上具有高度同源性，可分为A/B、C、D、E、F六个区。高度可变区/激活功能元件-1DNA结合区绞链区/核定位信号区配体结合区/激活功能元件-2核受体家族的同源性高度可变区（A/B区）：不同核受体的氨基酸序列变化较大，主要与转录调节有关。核转位和DNA结合区（C、D区）：主要与受体的核转位并与激素反应元件（HRE）结合有关，其中带有锌指模体结构。激素结合区（E、F区）：与特异性的激素相结合有关；无活性时与hsp90相结合。此区也参与转录调节。DNA Binding Domain of Nuclear Receptors4. Interaction between

25、Nuclear Receptor and DNA活化的核受体以二聚体形式，与靶基因附近的激素反应元件（hormone response element，HRE）结合，调节基因的表达。几乎所有的HRE均具有回文结构，是受体识别DNA的关键位点。DNA Sequences of Hormone Response Element核受体与HRE的结合模式有多种：同源二聚体；异源二聚体；与孤儿受体结合形成异源二聚体；与单体形受体结合形成异源二聚体。与DNA结合的核受体再募集转录活化因子、组蛋白乙酰化酶等，启动特异基因的转录。Transcriptional Regulation by Nuclear Re

26、ceptor5. Peroxisome Proliferator-activated Receptor过氧化物体增殖物激活受体（PPAR）是一组具有复杂功能的核受体超家族成员，有三种亚型，即PPAR、PPAR/和PPAR。PPAR的分子结构与其他核受体的分子结构相似，但不能形成同二聚体，而是与RXR形成杂二聚体，并与PPAR反应元件（PPRE）相结合，以调控基因表达。Molecular Structures of PPARPPAR Combined with RXR三种亚型的PPAR的天然配体有所不同，主要有多不饱和脂肪酸、前列腺素及白三烯等，人工合成的糖尿病治疗新药噻唑烷二酮（TZD）也是P

27、PAR的配体。三种亚型的PPAR分布于不同的组织细胞，其生物功能也有所不同，但主要与脂类代谢、糖代谢及炎症反应相关基因表达调控有关。PPAR Signal Transduction Pathway6. Bile Acid Receptor胆汁酸受体又称为法尼酯受体（FXR），具有典型的核受体结构。FXR也需与RXR形成杂二聚体后才能和DNA特异元件相结合，以调控基因的表达。FXR的天然配体是法尼酯和胆汁酸，最有效的配体是鹅脱氧胆酸。FXR主要参与胆汁酸合成代谢的关键酶以及胆汁酸相关转运蛋白的基因表达，因此对体内胆固醇及胆汁酸的代谢有重要的调节作用。7. Liver X-Activated Re

28、ceptor肝X受体（LXR）也是核受体家族成员，有LXR和LXR两种亚型。LXR的天然配体包括22-羟胆固醇、24-羟胆固醇、27-羟胆固醇和24,25-环氧胆固醇。LXR与其配体结合后，即可与RXR形成杂二聚体，与特异的LXRE结合，启动靶基因的表达，调控胆固醇的吸收、转运和转化。Section 13 Signal Transduction System by NF-B 1. Molecular Structure of NF-BNF-B是由两个亚基组成的同二聚体或杂二聚体，属于转录激活因子。NF-B的亚基是Rel蛋白家族的成员，包括p105/p50、p100/p52、p65、RelC和R

29、elB五种。其核定位及DNA结合区位于N端，转录激活区位于C端。2. Activating Mechanism of NF-B在无刺激因素作用时，NF-B杂二聚体位于胞浆中并与其抑制蛋白IB相结合。在外界刺激因素作用下，IB激酶（IKK）被激活，催化IB的磷酸化，使泛素化并被蛋白酶体降解。活化的NF-B转移至细胞核内，与NF-B反应元件相结合，调节基因表达。Activation of NF-B3. Signal Transduction Pathways by NF-B许多刺激因子与其受体结合后，均可触发NF-B的信号转导，从而调节炎症、应激与免疫反应，调节细胞增殖、分化和凋亡。目前已知，介导

30、NF-B信号转导的受体主要包括TNF受体（TNFR）、IL-1受体（IL-1R）和Toll受体（TLR2/4）等。The Stimulating Factors of NF-B Signal PathwayNF-B Signal Pathway Mediated by TNF ReceptorTRADD TNF receptor associated death domain proteinRIP receptor interacting proteinNIK NF-kappaB-Inducing Kinase NF-B Signal Pathway Mediated by IL-1 ReceptorIRAK Interleukin-1 receptor-associated kinase；TRAF6 TNF receptor-associated factor 6；TAB2 Mitogen-activated protein kinase kinase kinase 7-interacting protein 2 (TAK1-binding protein 2)；TAK1 Mitogen-activated protein kinase kinase kinase 7 (Transforming growth factor-be