华东理工大学过程分子生物学市公开课获奖课件

1、过程分子生物学5 2 3 4 1 6 基因表示与调控细胞通讯分子机制免疫多样性分子辨认胚胎发育基因表示谱肿瘤发生分子机制基因组学与系统生物学第1页第1页细胞通讯分子机制E B C D A F G 细胞通讯基本概念水溶性物质跨膜运送-物理传送 信号分子跨膜传递-信号转导 G蛋白信号转导路径 JAK-STAT信号转导路径 TNF信号转导路径 TGF信号转导路径 H PI3K信号转导路径 I 细胞分裂素信号转导路径 J 信使系统偶联与启动 第2页第2页2A 细胞通讯基本概念 外界信号如何进入细胞，细胞又如何应答，这是分子生物学一个基本命题，正在受到越来越多注重。1992年诺贝尔生理学奖授予了蛋白质可

2、逆磷酸化奠基人；1994年则授予了GTP结合蛋白发觉者。 响应环境并控制分子跨细胞质膜进出，是所有细胞主要特性这一过程依托定位于细胞质膜上蛋白质。细胞质膜对水溶性物质是不容渗入，这些物质包括离子、无机物、多肽等。为了进入和影响细胞，亲水性物质或者通过胞饮方式进入细胞，或者与定位在细胞质膜上蛋白质发生互相作用。第3页第3页2A 细胞通讯基本概念 配体与受体、抗原与抗体，酶与底物是蛋白质之间特异性结合三大系统。 a 配体与受体 配体（Ligand）通常是指细胞外物质，无论是无机分子还是多肽，它们共同特性是通过细胞质膜上蛋白组分传递信号，故亦称为信号分子。 受体（Receptor）是指细胞质膜上与配

3、体特异性结合靶蛋白分子，有些受体本身还含有酶催化功效。 第4页第4页2A 细胞通讯基本概念 物理扩散：脂溶性信号分子（脂溶性激素如甾体激素），可通过简朴物理扩散作用穿透质膜进入细胞内，并在细胞内或核内与其靶蛋白结合，发挥功效，无需细胞膜专一性受体。 b 信号分子传递基本形式 物理传送：水溶性信号分子，通过与细胞膜上特异性受体系统结合，将之物理传送至细胞内。 信号转导：大部分水溶性信号分子，与细胞膜上特异性受体结合，并触发细胞内一系列响应过程。信号分子本身不进入细胞内，但在其与受体结合过程中产生信号已进入胞内，并得以倍增，同时产生出新信号分子，后者称为第二信使和第三信使。 第5页第5页2B 水溶

4、性物质跨膜运送-物理传送 小分子糖类物质与细胞质膜上特异性受体结合，造成受体蛋白构象发生改变，变构受体蛋白将糖翻入细胞内。然后，配体脱离后受体又转换成本来构象。这一过程属于积极运送，需要消耗能量。 a 翻转作用（糖）第6页第6页水溶性分子积极运送糖分子糖分子翻转作用细胞膜细胞内细胞外细胞膜细胞内细胞外第7页第7页2B 水溶性物质跨膜运送-物理传送 当配体与受体结合后，胞内包括素蛋白分子便结合在受体附近胞膜内侧，胞膜在包括素作用下形成微囊泡结构，将配体受体复合物包裹起来并运至靶部位膜（如核膜等）。 b 胞饮作用（受体介导蛋白质胞饮）第8页第8页蛋白质分子胞饮过程蛋白分子胞饮作用微囊泡包括素细胞膜

5、细胞膜细胞膜第9页第9页受体配体复合物进入细胞后命运 受体循环配体降解配体从微囊泡中被释放到核内体，发挥功效后，在溶酶体中被降解；受体则由微囊泡带到胞膜上循环使用。一个受体循环大约需1-20分钟，在细胞20小时生命周期中可重复循环上百次。这一路径典型例子是LDL受体，其配体为血浆低密度脂蛋白（LDL），它携带胆固醇或胆固醇酯。胆固醇从LDL上释放出来供细胞使用，LDL则被送到溶酶体中降解，而LDL受体则随微囊泡重新回到细胞膜上。第10页第10页受体配体复合物进入细胞后命运 受体配体双循环铁传递蛋白受体是这一路径一个典型案例。配体受体复合物进入核内体，酸性环境使铁传递蛋白释放出铁离子，这时配体仍

6、与受体结合在一起，并双双随微囊泡传至胞膜上重复使用。配体一旦回到膜上，碰到胞外中性环境，便从受体上释放下来，重新进入循环，周期为15-20分钟，而受体半衰期则不小于30小时。第11页第11页受体配体复合物进入细胞后命运 受体配体双降解这一路径案例是表皮生长因子受体系统（EGF）。表皮生长因子系一小分子多肽，它与受体复合物被运至核内体中，EGF发挥功效后，与其受体双双进入溶酶体中被降解。第12页第12页受体配体复合物进入细胞后命运 受体配体被转移受体与配体复合物被送至核内体中，配体释放，发挥功效后，又与其受体重新形成复合物（此时两者空间结构已发生改变），该复合物再被转移至细胞膜另一处。免疫球蛋白

7、由受体横跨上皮胞细胞膜传递即属此例。上述受体快速循环机制普通只用于配体运送，而不发生信号转导作用。用于信号转导受体普通被降解。 第13页第13页2B 水溶性物质跨膜运送-物理传送 受体直接构成离子通道c 通道作用（离子通道）受体直接构成离子通道，而配体则控制离子通道孔径及选择性。第14页第14页受体直接构成离子通道 钠离子通道乙酰胆碱是一个神经信号分子，它参与肌肉延伸收缩调整作用。乙酰胆碱受体由五个亚基构成，形成配体控制Na+通道。乙酰胆碱与受体结合后，受体a亚基构象改变，Na+快速流入细胞内，造成细胞内外电压降减小在数微秒时间内，肌肉细胞便会响应神经细胞电压降脉冲，发生收缩运动。乙酰胆碱不存

8、在时，通道关闭。每个亚基跨膜四次跨膜区内氨基酸性质决定了通道孔径及离子选择性。 第15页第15页受体直接构成离子通道 冷热离子通道 冷热离子通道能在低温或薄荷醇等外界物理或化学原因刺激下打开。该离子通道响应15-25温度范围，允许Na+和Ca2+离子进入传感神经元细胞并使之去极性化。口腔内这种传感神经元将信号传递至大脑三叉神经中枢（TG）；皮肤上这种传感神经元则将信号传递至脊锥索脊根神经中枢（DRG）。 另外，最近还鉴定出三种热传感器：第一个称为TRPV1型胡椒粉（辣椒素）热传感器，其敏感温度为43以上；第二种称为TRPV2型热传感器，其敏感温度为52以上；第三种称为TRPV3型温热传感器，其

9、敏感温度范围在25-43之间。 第16页第16页受体直接构成离子通道 冷热离子通道上述冷热离子通道属于瞬时受体潜在型TRP超家族，该家族第一个组员是在果蝇光子受体细胞中发觉。哺乳动物TRP离子通道家族各组员之间序列同源性甚低。它们可分成三大类：1 短通道TRPC；2 osm9样通道TRPV；3 长通道TRPM。所有TRPC和渗入压改变；在人类等高等哺乳动物中，TRPM通道负责感应味道，如甜苦等。NCTRP结构域TRP盒锚蛋白重复序列TRPCNCTRPVNCTRPM组员C端均含有一个TRP盒（Glu-Trp-Lys-Phe-Ala-Arg）和一个由25个氨基酸构成功效未知TRP结构域，但其它TR

10、P通道组员普通没有类似结构。TRPC通道和TRPV通道N端胞质功效域中含有锚蛋白重复序列，而TRPC通道和TRPM通道C端含有Pro丰富区。在果蝇中，TRPC型通道负责视觉，TRPV通道负责感应温度Pro丰富区第17页第17页受体通过信号传递控制离子通道 受体通过与GTP结合蛋白偶联，驱动离子通道开关。这类受体含有典型七跨膜结构7TM，无论其配体性质如何。当配体（如激素）与受体结合后，由于其构象改变，激活GTP结合蛋白核苷酸互换反应，GDPGTP。结合GTPa亚基便与核苷酸环化酶结合，后者直接启动离子通道开关。第18页第18页受体通过信号传递控制离子通道 视觉系统信号传递机制 视网膜杆细胞中视

11、紫红质和视锥细胞中视蛋白（颜色敏感）都是光量子受体，实质上真正吸取光量子分子是11-顺-视网膜素，它与受体第七跨膜区Lys共价结合。GTP结合蛋白将受体和磷酸二酯酶（PDE）偶联在一起，PDE负责水解cGMP，cGMP浓度下降造成离子通道关闭。离子浓度改变信号由视觉神经传至大脑。光子促使受体构象发生改变，激活GTP结合型蛋白，后者又激活PDE。一个光子可激活数百个G蛋白分子，一个G蛋白分子又可激活PDE降解许多cGMP分子，从而完毕信号放大。第19页第19页受体通过信号传递控制离子通道 视觉系统信号传递机制 在视蛋白中，吸取光量子分子也是11-顺-视网膜素，但其共价结合区域内氨基酸序列不同，造

12、成每种视蛋白分子只有唯一最大光吸取值。一个视锥细胞只表示单一视蛋白，因此一个视锥细胞只能对一个波长光敏感，这便是颜色敏感分子机制。第20页第20页受体通过信号传递控制离子通道 嗅觉系统信号传递机制 气味分子与相应受体结合，造成其构象发生改变，激活GTP结合蛋白，后者激活腺苷酸环化酶AC，由ATP合成cAMP。后者与离子通道结合并启动之，Na进入细胞，K流出细胞。电位差传至大脑。第21页第21页受体通过信号传递控制离子通道 嗅觉系统信号传递机制 诺贝尔生理学或医学奖授于了美国科学家阿克塞尔和巴克。诺贝尔基金会为此发表申明说：“嗅觉一直是人类感觉中最神秘一个。我们过去无法了解人类识别和记忆大约一万

13、种不同气味基本原理。而阿克塞尔和巴克却帮我们解答了这个问题，他们经过一系列含有开拓性研究详细说明了我们嗅觉系统工作机制。”1000个气味受体蛋白编码基因。研究表明，每个嗅觉神经细胞只表 截止到当前为止，阿克塞尔和巴克领导研究小组共发觉了大约达一个气味受体蛋白，那么怎样感应上万种不同气味呢？第22页第22页2C 信号分子跨膜传递-信号转导 许多水溶性信号分子本身不能直接进入细胞，但它们能与相应膜蛋白受体特异性结合，进而在细胞质中引起一系列以磷酸化反应为主级联响应，最后将信号传递到细胞核内。这一过程称为信号转导；信号传递路线称为信号转导路径。第23页第23页2C 信号分子跨膜传递-信号转导 信号转

14、导路径第一站是细胞外信号分子（即配体）特异性地辨认细胞膜上受体蛋白，并与之结合；一旦结合了信号分子，受体空间构象就会发生改变。这个过程称为第一次应答，共有三种表现形式。a 信号转导路径中第一次应答反应 第24页第24页激活受体本身含有蛋白激酶活性 这类受体特性是：跨膜一次，由胞外区、跨膜区、胞内区三部分构成。胞外区是配体结合位点；胞内区是受体本身酪氨酸蛋白激酶活性区，也称为受体顺式酶活性，通常这个活性部位由250个氨基酸构成。除此之外，这类受体胞内区还也许含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，或者与鸟苷酸环化酶相连。依据胞内区酶活性质不同，可将这类受体分为四大家族。第25页第25页激活受体本身含有蛋

15、白激酶活性 当配体与受体结合后，受体空间结构发生改变，这是蛋白激酶发挥催化功效前提条件，共有三种形式构象改变。 配体结合造成单体二聚化配体连接两个单体配体连接造成构像改变第26页第26页激活细胞质内蛋白激酶活性 这类受体特性是：跨膜一次，胞外区与配体结合，关键序列为WSXWS；膜内区不含蛋白激酶功效域，但在近膜处存在着细胞内蛋白激酶家族结合区域。当配体与受体结合后，构象发生改变，受体与细胞质内蛋白激酶特异性结合，并激活这些蛋白激酶磷酸化活性。如T-淋巴细胞CD4受体在与配体结合后，便能特异性地与细胞内Lck蛋白激酶结合，并激活之。第27页第27页激活结合在细胞膜内侧上G蛋白 这些受体特性是：跨

16、膜七次（7MT）。G蛋白是一个GTP/GDP结合型蛋白，位于受体附近膜内侧上。其无活性状态是一个结合GDP三聚体（a、b、g），一旦受体与配体结合，受体构象发生改变，造成GDP为GTP所取代，这时G蛋白解离成一个携带GTP亚基（a）和一个二聚体（b g）。单聚体或/和二聚体再去激活其它靶蛋白，引起一连串级联反应，通常情况下，最后刺激产生第二信使分子cAMP，离子通道调整便是一例。第28页第28页2C 信号分子跨膜传递-信号转导 细胞外信号分子（配体）特异性辨认和结合细胞膜上受体蛋白之后，受体产生第一次应答反应，继而便将信号通过三种方式在胞质中传递。b 细胞质中信号转导基本形式第29页第29页转

17、录调控因子直接穿过胞质到达细胞核 有些转录调控因子能直接被配体-受体复合物激活，并穿过胞质进入细胞核。受体被配体激活后做出第一次应答反应就是将潜伏在胞质内受体附近无活转录调控因子召集到自己身边，然后将之激活。含有这种性质转录调控因子包括SMAD家族和STAT家族各组员，其中SMAD家族在其Ser残基上被受体磷酸化激活而STAT家族则在其Tyr残基上被受体磷酸化激活。第30页第30页信号通过脚手架蛋白逐次传递至细胞核 在相称多信号转导路径中，被配体激活受体将信号逐次传递给下游脚手架蛋白（驿站蛋白）构成一系列级联反应。此时，信号载体是磷酸基团，信号传递形式是磷酸化反应或/和蛋白质降解反应，但许多蛋

18、白质降解环节也是受磷酸化反应控制。以此机制进行信号转导包括：NF-kB/Rel、Wnt、CI/GLI、Notch、Ras信号转导途径 第31页第31页信号通过第二信使分子传递至细胞核 在有些信号转导路径中被配体激活受体可造成细胞质内第二信使分子浓度波动，并依赖这些小分子或离子在胞质中扩散作用将信号传递至细胞核。含有上述功效第二信使分子包括Ca2+和磷酸肌醇酯（PIP）等。以此机制进行信号转导有：NFAT和PLC等信号转导路径等。第32页第32页2C 信号分子跨膜传递-信号转导 在一些信号转导路径中，由配体-受体互相作用所产生信号被传递到细胞核外侧后，还需要通过下列三种方式进入核内，进而作用于相

19、关基因调控区，增进 靶基因转录。c 细胞核中信号转导基本形式第33页第33页激酶转位作用 运载信号蛋白激酶直接进入细胞核内，并在核内使相应转录调控因子磷酸化激活，调控靶基因表示。因子转位作用 运载信号蛋白激酶在细胞核外侧使相应转录调控因子磷酸化激活，后者再进入核内调控靶基因表示。克制剂释放作用 运载信号蛋白激酶在细胞核外侧使转录调控因子-克制剂复合物磷酸化，促使其释放转录调控因子，后者再进入核内调控靶基因表示。第34页第34页2D G蛋白信号转导路径 异源三聚体GTP/GDP结合蛋白（G蛋白）是一类固定在细胞质膜内表面上信号转导子，它联结受体和脚手架因子，组成细胞内信号转导路径。与G蛋白相偶联

20、受体能响应大量激素、神经递质、趋化因子、自分泌和旁分泌因子。G蛋白由三个不同亚基a、b、g组成，但当信号转导时，它们是以单亚基或二聚体形式工作，即信号传递或者经过Ga亚基或者经过Gbg复合物进行当前已知G蛋白亚基分别为Ga 20种、Gb 6种、Gg 11种。第35页第35页2D G蛋白信号转导路径 依据序列相同性，G蛋白可分为四个家族：Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。这四大G蛋白家族能转导数量众多胞外信号分子。同一个信号分子结合不同受体，可将信号传递给不同G蛋白家族。比如，肾上腺素信号分子经过b-肾上腺素受体将信号传递到与受体偶联在一起Gs上；经过a2-肾上腺素受体被传递到Gi

21、上；经过a1-肾上腺素受体则被传递到Gq和G11上。然后，各类G蛋白再经过不同信号转导路径调控主要细胞组分，包含代谢酶类、离子通道以及对应转录机器，这些细胞组分运行和反应决定了细胞行为和功效，如胚胎发育、学习记忆、稳态建立等。a G蛋白信号转导路径基本特性 第36页第36页G蛋白四大家族信号转导网络第37页第37页2D G蛋白信号转导路径b G蛋白信号转导路径构成与功效 全部G蛋白都参加多重信号转导路径组成和运行，最终将信号传递至不同细胞机器上，形成响应速率和作用强度各不相同生理效应。比如，在神经元细胞中，cAMP可经过PKA对离子通道实施短期效应；同时通过Rap和MAPK对转录机器实行长期影

22、响。 所有G蛋白都调控GTP酶（如Rap和Rho等）活性。 所有G蛋白路径或刺激或克制一条或多条由MAPK介导分支路径。第38页第38页Gs信号转导路径 Gs路径是最早被鉴定细胞信号转导路径，许多关键概念，如第二信使、蛋白磷酸化、信号转导等就是来自于该路径研究。即便经历了近二十年研究，Gs路径新知识仍在不断地增长。 Gs路径关键效应分子是cAMP。信号分子（如肾上腺素和糖原等）与相应受体结合后，激活Gsa亚基，后者激活腺嘌呤核苷酸环化酶AC合成cAMP。cAMP有三大功效：（1）直接启动CNGC离子通道；（2）激活蛋白激酶PKA，后者即可启动L-型Ca2+离子通道,又可依次激活磷酸化酶激酶Ph

23、osK和糖原磷酸化酶GlyPhos，造成糖原降解为葡萄糖；（3）依次激活GTP/GDP互换因子EPAC、GTP酶Rap1有丝分裂原激活蛋白激酶激酶激酶B-Raf、有丝分裂原激活蛋白激酶激酶MEK、有丝分裂原激活蛋白激酶MAPK，后者进入核内激活cAMP应答元件结合蛋白CREB，活化CREB再与相关基因 转录调控元件CRE结合，增进这些基因转录。第39页第39页Gs信号转导路径配体-受体Gs aACcAMPPKAEPACCNGCCREBCRE质膜核膜PDE降解第40页第40页Gi信号转导路径 Gi信号转导路径主要特性是其Ga能克制AC活性。许多主要激素和神经递质，如肾上腺素、乙酰胆碱、多巴胺、5

24、-羟色胺等，都能利用Gi和Go路径转导信号。该路径为百日咳毒素所克制，其机制是百日咳毒素在G蛋白a亚基C端区域内使其ADP核苷酰化，从而制止a亚基与相应受体互相作用。 在Gi路径中，Ga亚基和Gbg复合物均能单独传递信号。比如， Gbg复合物至少能与四种效应因子直接偶联，间接偶联Ras蛋白中GTP酶活性，进而激活MAPK。一些主要生理功效（心脏起博活性）毒覃碱性胆碱调控过程，就是通过M2-毒覃碱性受体与Gi蛋白偶联，释放出Gbg复合物，再由后者激活K+离子通道而实现。 Ga则能调控信号从c-Src到STAT3路径和Rap路径传递，也能克制AC活性。 第41页第41页Gq信号转导路径 Gq信号转

25、导路径主要特性是被钙质动用激素激活，并刺激细胞合成第二信使分子三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）。IP3触发钙质从胞内钙库中释放，而DAG则负责召集PKC到膜上并激活之。在诸多类型细胞中，胞内钙质释放能激活细胞表面上钙库操纵Ca2+通道，造成胞外Ca2+流入胞内。Gqa亚基则能通过蛋白酪氨酸激酶PYK2激活转录调控因子NF-kB。第42页第42页2D G蛋白信号转导路径c Ras信号转导路径 诸多生长因子激活相应受体后，通过效应分子活化由原癌基因ras编码Ras蛋白，后者又依次激活其下游脚手架因子，最后作用于靶基因表示。Ras蛋白为各种生长因子信号传递过程所共有，并且本身也是G蛋白家族

26、一个组员，构成一条独立信号转导路径。 Ras信号转导路径中脚手架蛋白包括：Ras蛋白、SH蛋白、Raf蛋白等。第43页第43页Ras信号转导路径中脚手架蛋白 Ras蛋白 Ras蛋白是原癌基因ras表示产物当前已发觉有几十种不同Ras样蛋白，依据其结构特点可分为三个主要家族：（1）Ras蛋白：哺乳细胞可表示四种真正Ras蛋白，分别由基因H-ras、N-ras、K-rasA、K-rasB编码，这类蛋白主要参加受体酪氨酸激酶信号传递过程；（2）Rho/Rac蛋白：由基因rho和rac编码，与Ras蛋白同源，并介导细胞骨架构建；（3）Rab蛋白：由基因rab编码，主要与物质Ras-GTPRas-GDP

27、GTP-GDP互换因子GEFGTP酶激活蛋白GAP无活状态激活状态跨膜运送相关。 Ras蛋白是一类GTP结合蛋白，含有与GTP和GDP结合特性。GTP酶激活蛋白（GAP）激活Ras蛋白内在GTP酶活性；鸟苷酸解离克制因子GDI则克制Ras-GDP与Ras-GTP两种状态之间转化。 第44页第44页Ras信号转导路径中脚手架蛋白 SH蛋白SH蛋白家族因与原癌基因src编码Src蛋白含有较高同源序列及结构相同性，因此而得名。其组员之一生长因子受体结合蛋白Grb由自磷酸化受体蛋白激酶活性，催化其磷酸化而被激活，激活了Grb蛋白又去激活GEF（SOS），后者使Ras-GDP转化为Ras-GTP因此SH

28、蛋白是连结受体与Ras蛋白之间信号传递重要分子。 第45页第45页Ras信号转导路径中脚手架蛋白 Raf 蛋白Raf 蛋白是一个蛋白激酶，它能最后造成细胞有丝分裂原激活蛋白激酶MAPK激活，其激活方式也是磷酸化，并且Raf 蛋白本身又是Ras-GTP复合物底物。Ras-GTP使Raf 蛋白磷酸化同时自己转成Ras-GDP形态。现已知，Raf 蛋白有三个同型物（同一转录前体不同剪切方式形成物）：74kDRaf1（广泛存在于体内）、68kDRafA（主要在生殖细胞内表示）、95kDRafB（主要在脑细胞中表示）。 第46页第46页Ras信号转导路径中级联反应绝大多数生长因子受体及部分细胞因子受体本

29、身含有酪氨酸激酶活性构成酪氨酸激酶受体家族。这类受体被生长因子激活后，其胞内区酪氨酸激酶活性将本身酪氨酸磷酸化，同时具备了催化其它蛋白质磷酸化功效，由此引起有序级联反应。这些反应大多是各种蛋白质磷酸化，包括Tyr、Ser、Thr等含有羟基侧链氨基酸残基。 第47页第47页Ras信号转导路径中级联反应 Ras信号转导路径最后一站是原癌基因编码转录调控因子Myc、Jun、Fos，它们被上游脚手架分子MAPK激活后，直接作用于相关基因顺式转录调控元件。比如，Myc与Max形成二聚体，与基因DNA顺式元件CACGTG结合，并激活相应基因转录启动；Jun与Fos形成二聚体AP1，与基因佛波醇应答元件TG

30、ACTCA结合，并激活相应基因转录启动。 第48页第48页2E JAK-STAT信号转导路径 大部分细胞因子受体属于造血因子受体超家族组员，与生长因子受体不同，细胞因子受体胞内区域不含有酪氨酸激酶活性，但其细胞内近膜保守区能结合一些非受体型酪氨酸激酶。在配体介导下，受体亚基二聚化或寡聚化，使受体胞内区域靠近，并结合于胞内近膜区酪氨酸激酶，同时被活化，进而开启一系列信号转导路径，其中最含有代表性就是JAK-STAT信号转导路径。第49页第49页2E JAK-STAT信号转导路径 JAK-STAT信号转导路径由特异性受体、非受体型酪氨酸激酶（JAK）、信号转导子和转录激活子（STAT）三部分构成。

31、a JAK-STAT信号转导路径基本构成第50页第50页JAK酪氨酸激酶家族 绝大多数激活STAT型细胞因子受体不含内源性激酶活性这种活性，它们所需酪氨酸激酶活性由受体接合型胞质蛋白质-JAK家族组员提供，因此JAK是不同于受体酪氨酸激酶另一类激酶（Just Another Kinase，JAK）。也有些人认为该名起源于古希腊门神Janus，它含有方向相反两张面孔，与这类蛋白激酶C端两个催化亚基相同，因此又称Janus Kinase（JAK）。 JAK家族最明显结构特性是其C端用有两个催化功效域，靠近N端是三个保守结构域，中部有两个功效域。JAK在进化上相称保守，哺乳动物细胞内有四个JAK组员

32、：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。有种遗传性免疫缺点症就是由于突变使得受体与JAK互相作用能力丧失或者JAK激酶活性丧失。 JAK能特异性地结合在细胞因子受体胞内功效域上。当细胞因子配体与相应受体结合后，受体二聚化，使得结合在受体亚基上两个JAK互相靠近，并互相磷酸化而被激活，然后JAK再催化其底物蛋白（如STAT）磷酸化，由此将受体信号继续传递下去。第51页第51页STAT信号转导子和转录激活子蛋白家族 哺乳动物细胞含有七个STAT（Signal Transducers and Activators of Transcription）编码基因，分别为STAT1、STAT2、STAT3

33、、STAT4、STAT5A、STAT5B、STAT6，其编码产物之间氨基酸序列含有较大离散性，这种离散性使得它们能响应较大范围胞外信号分子，同时含有较广组织特异性分布。 STAT蛋白在其C端含有SH2和SH3两个功效域，并且尚有一个保守酪氨酸残基位点，该位点磷酸化是STAT活化基础。在配体信号分子不存在时，作为转录因子STAT蛋白定位于细胞质中，并呈无活状态；当配体与受体偶联后，STAT快速被激活，其分子上SH2（Src-homology）功效域与受体磷酸化了酪氨酸残基特异性结合，从而靠近受体胞内功效域。此时，STAT上保守酪氨酸残基被磷酸化。磷酸化了STAT可从JAK-受体复合物上离解下来，

34、并形成二聚体，继而转移至核内，依托其SH3功效域（能特异性地结合Pro富集区）直接作用于基因转录调控顺式元件。第52页第52页2E JAK-STAT信号转导路径JAK-STAT信号转导路径在真核生物霉菌、线虫、果蝇、脊椎动物乃至人类中高度保守，并且受到各种内源和环境刺激原因调控，从而使得细胞和组织含有更大可塑性。但是，该信号转导路径在真菌和植物中至今没有发觉。在诸多情况下，细胞中早期应答基因以及那些依赖于细胞因子功效基因是由JAK-STAT控制表示，当细胞中没有新蛋白质合成时，这些早期应答基因通常增长转录。b JAK-STAT信号转导路径基本特性第53页第53页JAK-STAT介导信号转导程序

35、当信号分子与相应受体结合后，受体在膜上二聚化，这使得联结在受体胞质区两个JAK也互相靠近并互相催化对方磷酸化，同时又使受体胞质区中酪氨酸残基磷酸化，制造出吸引锚定STAT位点；游离于细胞质中STAT蛋白通过其结构，然后快速被运送到核内。SH2功效域与受体胞质区中磷酸化了酪氨酸残基结合，然后在自己酪氨酸残基上接受磷酸基团；磷酸化了STAT蛋白从受体上解离下来，或同源或异源形成二聚体第54页第54页JAK-STAT介导信号转导程序大多数STAT二聚体能辨认DNA链上8-10对碱基反向重复序列5-TTN4-6AA-3这个相对保守DNA序列称为GAS（gamma-interferon activati

36、on sequence）元件，由于它首先是在研究STAT同源二聚体与g-干扰素基因调控序列之间相互作用时被发觉并命名。该元件相对保守性也反应出不同序列GAS对特定STAT二聚体含有不同亲合力。第55页第55页JAK-STAT介导信号转导程序一旦被激活STAT二聚体辨认并结合靶基因GAS元件上，该基因转录速度就会大幅度加快，其机制是STAT分子内转录激活功效域能召集一些核内共激活因子，以增进对染色质修饰反应以及与关键启动子之间通讯联系。第56页第56页2E JAK-STAT信号转导路径 细胞因子干扰素和白介素是通过JAK-STAT信号转导路径调控靶细胞广泛生理功效。三类干扰素（a、b、g）和白介

37、素 6 分别使用了三条特异性信号转导路径。c 干扰素和白介素介导JAK-STAT信号转导路径第57页第57页I-型干扰素介导路径该路径信号分子为a干扰素和b干扰素，转录调控因子为STAT1-STAT2异源二聚体。该路径信号转导机制不同于大多数其它JAK-STAT路径，其最终转录调控因子不是简朴STAT二聚体，而是由STAT1-STAT2和一个必需DNA结合亚基（IRF9）组成异源三聚体。IRF9是干扰素调控因子家族一个组员，STAT与IRF9结合使得这个复合物能识别干扰素刺激应答元件（ISRE）。第58页第58页II-型干扰素介导路径该路径信号分子为g干扰素，转录调控因子为STAT1-STAT

38、1同源二聚体这种二聚体辨认靶基因上游g干扰素激活序列GAS。第59页第59页白介素介导路径该路径信号分子为白介素6，转录调控因子为STAT3-STAT3同源二聚体，又称STAT3路径。该路径广泛存在于各种类型细胞中，对生长调控、炎症发生、胚胎发育含有主要作用。另外，这条路径激活还常见于各种实体肿瘤和血癌细胞中，含有刺激生长和抗凋亡功效。诸多原本使用酪氨酸激酶受体生长因子信号转导路径也直接通向STAT3路径，如表皮生长因子EGF、血小板样生长因子PDGF等第60页第60页2E JAK-STAT信号转导路径JAK-STAT信号转导路径并不能自发地工作，胞内和环境许多刺激原因均能控制其运营。所有正负

39、调控因子稳态浓度和信号诱导浓度维持，决定了JAK-STAT路径信号应答反应在一个特定细胞中作用强度和连续时间。JAK-STAT路径正负调控有四种机制。 d JAK-STAT信号转导路径调控第61页第61页路径融合 各种不同类型蛋白激酶，包含几个MAPK，能使STAT丝氨酸残基磷酸化，从而将其它转导路径中信号融入到JAK-STAT路径中。 进入内吞囊泡并遭降解。受体降解 JAK-STAT信号转导路径负调控过程常使用普通机制，如受体反馈克制 JAK拥有自己专一性克制剂SOCS（细胞因子信号转导阻遏因子）它能直接结合并钝化JAK。那些能增进STAT激活细胞因子同时也能刺激SOCS编码基因表示，因此S

40、OCS构成了一个反馈克制回路。 第62页第62页修饰灭活 细胞内一些丝氨酸磷酸化反应以及蛋白质翻译后修饰作用会削弱STAT活性。更为特异性克制信号来自蛋白酪氨酸磷酸酶，它们能在膜结合型受体激酶复合物水平上或者在核内，除去被激活STAT二聚体上磷酸基团，剩余STAT单体则重新回到细胞质中。另外，尚有一个名叫激活型STAT蛋白克制剂（PIAS）因子能直接与磷酸化STAT二聚体结合，从而制止其对DNA元件辨认。第63页第63页2F TNF信号转导路径肿瘤坏死因子（TNF）是细胞凋亡、炎症发生、免疫调整过程中一类主要枢纽分子，它涉及到人类各种疾病发病机制，如败血症、糖尿病、癌症、骨质疏松症、多重硬化症

41、、肠炎、风湿性关节炎等。TNF与TNF受体-1（TNF-R1）互相作用，能激活若干信号转导路径。第64页第64页2F TNF信号转导路径 早在一百年前就有些人指出了TNF抗癌活性，然而直到1984年纯化了人TNF并克隆表示了其cDNA编码区，人们才对TNF多重生物活性有了一个全景式理解。a TNF结构与功效 TNF是一个由激活巨噬细胞合成同源三聚体，每个亚基有157个氨基酸。它能作用于两种不同细胞表面受体TNF-R1和TNF-R2，其中TNF-R1介导TNF大部分生理活性。TNF与TNF-R1结合能触发一系列细胞内级联反应，最终激活两大核内转录因子kB（NF-kB）和c-Jun。这两大转录因子

42、可诱导表示一组含有主要生理功效基因，包括细胞生长凋亡、组织发育、肿瘤发生、免疫识别、炎症反应、环境压力应答等过程。 TNF与其受体TNF-R1所介导信号转导路径一个共同特性是，TNF能在细膜上诱导形成多蛋白信号转导复合物。第65页第65页2F TNF信号转导路径b TNF信号转导路径工作原理TNF信号转导路径第一步是TNF三聚体与TNF-R1胞外功效域特异性结合，并从TNF-R1胞内功效域上释放出致死功效域（SODD）克制蛋白因子；由此集聚起来TNF-R1胞内功效域又为TNF受体结合型致死功效域（TRADD）所辨认；TRADD再吸引另外三种脚手架因子：受体互相作用型蛋白RIP、TNF-R结合因

43、子2（TRAF2）、Fas结合型致死功效域FADD；然后，上述三种脚手架蛋白再将一些关键酶分子分别召集起来，进而启动三条分支路径信号转导。 第66页第66页由FADD介导分支路径 Fas结合型致死功效域FADD将caspase-8蛋白酶召集到TNF-R1复合物上，同时激活caspase-8（通过该蛋白酶自降解效应），并由此引起一系列蛋白降解反（Fas路径）应，最后造成细胞凋亡。第67页第67页由TRAF2介导分支路径TRAF2召集细胞凋亡蛋白-1两个克制剂cIAP-1和cIAP-2，对细胞实行抗凋亡作用；另外，TRAF2还能激活有丝分裂原激活蛋白激酶激酶激酶（MAPKKK），如胞外信号调整型激

44、酶激酶激酶1（MEKK1）或凋亡刺激型激酶1（ASK1），它们通常以复合物形式存在于受体周围，进而激活一个激酶级联反应，最后造成c-Jun N端激酶（JNK）激活，后者再使c-Jun磷酸化，并增强其转录刺激功效第68页第68页由RIP介导分支路径RIP是一个蛋白激酶，起着最后激活转录因子NF-kB功效，但RIP不是TNF诱导NF-kB激活所必需。NF-kB激活过程依赖于磷酸化控制泛激素化反应以及kB克制剂（IkB）降解作用，后者在未受刺激细胞胞质中与NF-kB结合在一起。IkB激酶（IKK）是一个多蛋白复合物，以TNF诱导方式使IkB磷酸化。IKK复合物关键由两个催化亚基IKKa、 IKKb和

45、一个调整亚基NEMO（NF-kB必需调整因子，又称IKKg）构成。另外，IKK复合物中还含有一个激酶特异性分子伴侣，由Cdc37和Hsp90两种蛋白构成，其功效是帮助IKK复合物在胞质与质膜之间穿梭移动。RIP将上述IKK复合物吸引到自己身边，并激活之，该过程通常在TNF配信号处理受体后数分钟内便可完毕。第69页第69页2F TNF信号转导路径c TNF介导Fas信号转导分支路径 细胞程序性死亡（细胞凋亡）以及细胞死亡其它相关形式在机体发育、稳态维持、肿瘤监视、免疫辨认等过程中含有主要作用。细胞凋亡由两条主要路径启动：内源性路径从线粒体开始；外源性路径通过致死受体与相应配体结合而被激活。作为T

46、NF信号转导网络中一条分支路径，Fas在细胞凋亡过程中起着主要作用。Fas分支路径生理功效 Fas又称为Apo-1或CD95，是肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族中一个含有致死功效域组员。Fas不但在细胞凋亡生理调整中起着主要作用，并且还与各种恶性肿瘤和免疫疾病密切相关。第70页第70页Fas分支路径工作原理在配体不存在时，Fas依托其分子上配体前体装配功效域形成无活复合物。这种复合物与配体（FasL或对抗性抗体）互相作用后便重新组装，进而形成致死诱导型转导复合物DISC。这种Fas-DISC复合物中含有脚手架蛋白因子-Fas接合型致死功效域蛋白（FADD）、蛋白酶caspase-8或casp

47、ase-10，能启动细胞程序性死亡过程。在DISC内，由FasL诱导Fas、FADD、caspase-8或caspases-10级联作用，造成这些caspase发生自发性蛋白水解加工反应，进而释放出有活性蛋白酶。第71页第71页Fas分支路径工作原理 在I-型细胞中，加工好caspase-8足以直接激活caspase家族其它组员，它们分别作用于特定底物，进而进入细胞程序性死亡各个阶段。 在II-型细胞中，caspase激活还依赖于一轮信号扩增，即caspase-8介导裂解凋亡因子原Bcl-2家族组员Bid继而释放线粒体型凋亡因子原；后者激活caspase-9；活化caspase-9激活刽子手c

48、aspase-3，caspase-3再依次激活Fas-DISC复合物外围caspase-8，从而形成一个正反馈循环第72页第72页Fas分支路径调控位点上述由Fas介导细胞程序性死亡过程中每一步都是调控靶位点，这使得细胞对Fas配体刺激含有较大弹性效应。Fas配体FasL编码基因在大多数细胞中是不转录，在少数细胞中由转录调控因子NF-kB、AP1、或T细胞激活核内因子（NF-AT）控制其表示，进而调控FasL/Fas介导生物学效应（如激活诱导型CD4+T细胞死亡）。在一些情况下，细胞也可通过对Fas编码基因表示调控来左右Fas路径响应程度，比如由p53诱导细胞程序性死亡就是采用这种机制。 第7

49、3页第73页2F TNF信号转导路径d TNF信号转导路径生理意义 TNF信号转导网络一个有趣特性是它同时连接了细胞凋亡（Fas分支途径）、NF-kB（RIP分支途径）、JNK（TRAF2分支途径）三条通路，使得三者共同起源于TNF-R1。当NF-kB通路不运营时，细胞对TNF诱导细胞凋亡易感性增长，而NF-kB强化激活则能避免细胞凋亡发生。类似地，当细胞内缺少NF-kB时，TNF诱导JNK通路激活强度增大，作用时间延长，而几种由NF-kB激活基因表达产物又通过TNF克制JNK激活。另一方面，NF-kB激活能增进IkB和其它一些克制因子（如cIAP）重新合成，从而使得TNF信号转导持续时间和作

50、用强度维持在一个稳定水平上。第74页第74页2G TGF信号转导路径 转化型生长因子-b（TGF-b）超家族组员控制着各种发育和稳态维持过程，其活性受损会造成各种人类疾病，包括癌症、软骨发育障碍、肺源性高血压等。 TGF-b家族组员这些主要生物功效实现，依赖于TGF信号转导路径，也称SMAD信号转导路径。第75页第75页2G TGF信号转导路径 转化型生长因子-b（TGF-b）超家族第一个组员，分泌型多肽因子TGF-b1，是在二十多年前发觉。迄今为止，在脊椎动物体内已经鉴定了三十多个新组员，并在无脊椎动物线虫和果蝇中也发觉了十几种结构和功效相同蛋白质。 TGF-b1信号转导路径中诸多组分是肿瘤

51、克制剂，在癌细胞中，它们功效往往发生障碍。a TGF信号转导路径配体与受体第76页第76页TGF信号转导过程脊椎动物、线虫、果蝇TGF信号转导路径相称保守简朴。与TGF-b家族信号相互作用细胞表面受体是一个单跨膜蛋白复合物，含有一个胞内激酶功效域，能使Thr/Ser残基磷酸化。该受体复合物包含两个不同转膜蛋白，即I-型受体和II-型受体。配体结合后二者相互结合，并发生单一方向磷酸化反应，即II-型受体使I-型受体磷酸化，激活I-型受体上激酶功效域，接着I-型受体再将信号传递给胞内脚手架因子SMAD家族组员。 第77页第77页2G TGF信号转导路径 SMAD脚手架蛋白家族是TGF路径中胞内信号

52、转导复合物关键构成部分，它从细胞表面受体处接受信号，并直接传递至核内。SMAD可分为三个不同类别。b TGF信号转导路径脚手架复合物第78页第78页受体调控型SMAD受体调控型SMAD（R-Smad）包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8。I-型受体直接在它们C端两个保守Ser残基上磷酸化。磷酸化了R-Smad在信号转导路径中拥有各种功效，它们诱导本身从受体复合物以及受体激活型SMAD锚定因子SARA（其功效就是将SMAD吸引至近膜处）上释放出来，然后进入核内并得以积累。 第79页第79页辅助型SMAD辅助型SMAD（Co-Smad）只有Smad4一个组员。游离型R-S

53、mad进入核内之后，与Smad4构成异源复合物，这种复合物再与各种DNA结合蛋白、转录共激活因子、或转录共阻遏因子结合，进而正负调控相关靶基因表示。第80页第80页克制型SMAD克制型SMAD包括Smad6和Smad7，其功效是克制R-Smad功效，从而阻断TGF信号转导路径。泛素依赖性蛋白降解路径控制着SMAD蛋白丰度，进而使TGF信号转导路径处于一个稳定状态。第81页第81页2G TGF信号转导路径 脊椎动物拥有七种不同 I-型受体和五种不同 II-型受体，各型中任何一个受体都能与另一型中受体混合配对，并响应TGF-b 配体家族信号。尽管受体与配体复合物形式并不完全一致，但其生物信号输出性

54、质仅仅取决于 I-型受体。七种 I-型受体中三种受体使R-Smad中Smad2、Smad3磷酸化，进而转导TGF-b类信号；另外四种 I-型受体则激活R-Smad中Smad1、Smad5、Smad8，进而转导由成骨蛋白（BMP）信号分子介导路径。c TGF信号转导路径复合形式第82页第82页2G TGF信号转导路径 由于细胞总是暴露在多重信号分子作用之下，因此TGF信号转导路径也能与其它路径交叉工作。比如，由受体酪氨酸激酶激活MAPK能直接磷酸化SMAD，从而修饰TGF信号转导路径。另外SMAD也能与其它信号转导路径中转录调控因子协同工作。ERK、p38、JNK）、蛋白激酶B（PKB/Akt）

55、。c TGF信号转导路径复合形式 即使大量证据表明，SMAD在TGF信号转导路径中起着极为主要作用，但由TGF-b介导不依赖SMAD信号转导路径同样存在。比如。TGF-b能快速激活Rho家族组员GTP酶、MAPK（如第83页第83页2H PI3K信号转导路径 磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）催化合成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯（PIP3），后者在细胞生存、基因表示调控、细胞代谢、细胞构架重组过程中起着主要作用。由PI3K介导信号转导路径则与糖尿病和癌症密切相关第84页第84页2H PI3K信号转导路径 磷酸肌醇-3-激酶有各种分子形式，其中 Ia 型PI3K负责响应生长因子刺激，产生D-3磷

56、酸肌醇。各种信号转导蛋白，包括蛋白质Ser/Thr激酶、蛋白质Tyr激酶、G蛋白互换因子，均拥有与D-3磷酸肌醇特异性结合功效域。在细胞没有受到信号分子刺激时，这些蛋白质定位在胞质内；但当响应脂磷酸化作用时，它们便与新形成磷酸肌醇结合，并在近质膜内侧积累。在膜上，它们被激活，并启动各种应答反应，包括肌动蛋白多聚化、信号转导复合物装配、蛋白激酶级联反应引起等。a PI3K结构与功效第85页第85页PI3K信号转导路径引起PI3K呈异源二聚体结构，由一个调整亚基（p85）和一个催化亚基（p110）构成。在未被配体刺激细胞中，调整亚基将催化亚基维持在一个低活性状态；当生长因子受体或其它脚手架蛋白被激

57、活，调整亚基便与它们磷酸化Tyr残基直接作用，进而介导催化Pp85PPPp110RasGTP信号分子PIP2PIP3亚基激活。p110直接与被激活了Ras蛋白（也能被信号分子直接刺激所诱导）作用，更进一步地刺激PI3K活性，从而实现信号放大。活化了PI3K将质膜脂双层上磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸酯PIP2转化为磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯PIP3 。 受体第86页第86页2H PI3K信号转导路径 含有血小板/白细胞C激酶底物同源（PH）功效域信号转导蛋白，可通过与PIP3直接结合而在PI3K处积累。比如，蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶Akt（蛋白激酶B，PKB）和磷酸肌醇依赖型激酶1（PDK1

58、），与膜上PIP3结合后，两者互相靠近，便于Akt被PDK1磷酸化。这一磷酸化作用刺激了Akt催化活性，造成其下游其它蛋白质级联磷酸化反应，进而影响细胞生长、循环、生存。b PIP3广泛生理功效第87页第87页由Akt介导生理效应 磷酸化克制叉头样转录因子FKHR-L1大多数已知Akt靶蛋白都能在磷酸化后被克制：叉头样转录因子1（FKHR-L1）被Akt磷酸化之后，便形成了一个与14-3-3蛋白家族结合位点，两者复合物留在细胞质中，阻断在正常情况下由FKHR-L1激活基因转录。第88页第88页由Akt介导生理效应 磷酸化克制凋亡诱导蛋白Bad凋亡诱导蛋白Bad被Akt磷酸化后，同样形成一个与1

59、4-3-3蛋白家族结合位点，从而制止Bad与Bcl-2家族组员Bcl-2和Bcl-XL结合，这就将两者释放进入细胞生存响应过程中。 第89页第89页由Akt介导生理效应 磷酸化克制糖原合成酶GSK3GSK3在非转导性细胞中含有构成型活性，能磷酸化诸多蛋白质（包括糖原合成酶、c-Myc、周期素D），以保持它们无活状态或者增进它们降解。 GSK3被Akt磷酸化后，酶活性受到克制，造成那些在正常情况下被GSK3阻遏路径重新打开。第90页第90页由PDK1介导生理效应 PDK1除了能激活Akt外，还能平行磷酸化和激活其它蛋白激酶，包括p70S6K激酶、细胞因子非依赖型生存激酶（CISK）、蛋白激酶PK

60、Cx等。 p70S6K通过激活各种特殊蛋白质翻译而对细胞生长起作用；CISK与其同类伙伴Akt相同介导细胞生存路径；PKCx则参与许多细胞应答反应。第91页第91页被PIP3激活其它蛋白 其它含有PH功效域且能被PIP3激活蛋白质还包括：Rac和ADP-核苷化因子（ARF6）中GDP/ GTP互换因子、布鲁顿酪氨酸激酶（Btk）、Tec家族中蛋白酪氨酸激酶。其中， Rac和ARF6均与肌动蛋白多聚化关系密切。第92页第92页2H PI3K信号转导路径 降解PIP3能够终止PI3K介导信号转导路径，这一过程至少由两种不同类型磷酸酶负责：c PI3K信号转导路径负控制 含有SH2功效域磷酸酶SHI