细胞信号转导2011(秋)-1课件

1、 Department of Biochemistry and Molecular Biology吴元明 生物化学与分子生物学教研室生物通讯与细胞信号转导的分子机制内 容第一节 细胞通讯第二节 细胞信号转导的分子机制 第三节 不同受体介导的细胞信号转导通路第四节 细胞信号转导与医学信号受体网络应答（细胞外信号）（细胞内的多种分子的浓度、活性、位置变化）生物个体间通讯生物个体内通讯 外激素(Pheromone)指生物个体通过释放一种或是几种刺激性信号，引起接受个体产生行为反应Does Human Phermone Really Exist?生物通讯Biological Signaling 生物通

2、讯 个体间通讯 extra-individual signaling pheromones, 外激素 个体内通讯 intra-individual signaling cell signaling 细胞通讯第一节 细胞通讯细胞通讯的方式？细胞通讯异常与疾病细胞间隙连接细胞表面分子介导通讯 化学信号介导通讯 Three ways of cell signaling 细胞通讯方式I 细胞间隙连接连接蛋白connexin连接子connexon两个细胞间的连接性结构细胞间通道生物学意义： 在局部对很少的信号发生迅速和充分反应细胞通讯方式 III- 化学信号通讯蛋白质或小分子有机化合物周围或远距离细胞信

3、息物质：作用距离：化学信号种类激素 (Hormone)内分泌 endocrine 类固醇类 氨基酸类 蛋白质或肽类血液激素作用距离：m血流靶细胞旁分泌paracrine自分泌autocrine细胞因子：可溶性蛋白质或多肽 生长因子 炎症因子作用距离 ：mm、m旁分泌paracrine靶细胞化学信号种类第一节 细胞通讯细胞通讯的方式？细胞通讯异常与疾病When Cell Signaling Goes Wrong A cell fails to send out a signal at the proper time A target cell does not respond to a sign

4、al A signal doesnt reach its target A cell responds even though it has not received a signal Too much signal A target cell does not respond to a signalType II DiabetesA signal doesnt reach its target重症肌无力是神经肌肉接头处传递障碍的慢性疾病， 乙酰胆碱受体 (AChR)抗体是导致其发病的主要自身抗体, 主要是产生Ach受体抗体与Ach受体结合，使神经肌肉接头传递阻滞 重症肌无力Myastheni

5、a Gravis内毒素休克（endotoxic shock）Too much signalA cell responds even though it has not received a signalTumorMany disease treatments rely on cell communicationThe first step is to locate the problem.The second step is to find a way around the problemDiseaseRoadblockTreatmentAlternate route第二节 细胞信号转导的分子

6、机制细胞如何接受外源信号参与信号转导的分子种类信号转导通路的分子开关信号转导复合物、转录因子受体的分类基因表达调控胞核水溶性化学信号膜受体脂溶性化学信号胞内受体细胞内反应细胞质膜 膜受体 胞内受体受体(receptor) 是信息分子的接收分子，细胞经由特异性受体接收细胞外信号 识别外源信号分子，即配体（ligand）受体的作用 转换配体信号，使之成为细胞内分子可识 别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答化学本质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子第二节 细胞信号转导的分子机制细胞如何接受外源信号参与信号转导的分子种类信号转导通路的分子开关信号转导复合物、转录因子蛋白激酶GTP结合蛋白信号转导复合物转

7、录因子cAMP和cGMP三磷酸肌醇（IP3）二脂酰甘油（DAG）Ca2+NO CO H2S小分子信使 蛋白分子信使 Signal Transducer分泌肾上腺素肌糖原与肝糖原分解剧增，血糖增加为肌肉收缩供能，满足运动需求胞内信号转导研究的开始Earl W. Sutherland（1915-1974） The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1971for his discoveries concerning the mechanisms of the action of hormones” 发现肾上腺素增强肝组 织中糖原磷酸化酶的活性糖原磷酸化酶

8、活性增高50年代 该酶活性增高与cAMP有关 提出了肾上腺素的作用是通过cAMP作为第二信使 实现的31At this point I should acknowledge a large debt of gratitude to Professor Carl Cori. When I returned to St. Louis after medical service in World War II, I was undecided as to whether I should enter medical practice or go into research. Cori convinc

9、ed me, not so much by anything he said so much as by his example, that research was the right direction for me to take. Although I have occasionally felt an urge to see patients, I have never really regretted this decision to stay in the laboratory.胞内小分子信使第二信使第一信使第二信使第二信使第二信使作用过程小分子信使环核苷酸是重要的细胞内第二信使

10、许多脂类分子也可作为胞内第二信使钙离子是第二信使气体是第二信使ATP腺苷酸环化酶 (AC)cAMPMg2+PPi信使 cAMP5-AMPMg2+H2O磷酸二酯酶腺苷酸环化酶adenylate cyclase, AC膜结合的糖蛋白分为8型同工蛋白 cAMP靶分子-蛋白激酶A有活性PKA无活性PKA糖、脂代谢相关的酶类离子通道转录因子PKA底物信使 cGMP平滑肌舒张尿钠排泄视觉转换GTP鸟苷酸环化酶 (GC)cGMP5-GMP磷酸二酯酶小分子信使环核苷酸是重要的细胞内第二信使许多脂类分子也可作为胞内第二信使钙离子是第二信使气体是第二信使磷脂酶C (phospholipase C, PLC)磷脂酰

11、肌醇专一性PLC（PI-PLC）PLC、PLC 、PLC 、PLC 、 PLC二脂酰甘油肌醇三磷酸磷酯酰肌醇-4,5二磷酸 PIP2 IP3 + DAGPLC脂类信使 IP3 DAGDAG的靶分子为PKCIP3的靶分子为Ca2+通道磷酯酰肌醇-4,5二磷酸 PIP2 PIP3Phosphoinositide 3-Kinase, PI3KPI3K3-磷酸酶磷脂酰肌醇-3激酶磷酯酰肌醇-3,4，5三磷酸 第二信使PIP3活化靶 分子蛋白激酶B（PKB） PKB为胰岛素受体下 游重要信号分子，参 与葡萄糖转运 PKB是重要的细胞存 活信号分子小分子信使环核苷酸是重要的细胞内第二信使许多脂类分子也可作

12、为胞内第二信使钙离子是第二信使气体是第二信使钙离子信使钙调蛋白（Calmodulin,CaM）小分子信使环核苷酸是重要的细胞内第二信使许多脂类分子也可作为胞内第二信使钙离子是第二信使气体是第二信使扩张血管，增加血流a 100 year old explosive and heart medicine硝酸甘油(Nitroglycerin)-NO信使血管内皮血管平滑肌80年代NO has many Clinical ApplicationsNO is involved in the normal defense against bacterial and parasitic infectionsN

13、O can be inhaled to specifically treat high blood pressure in the lungs of newbornsNO is important for signaling between nerve cells in the brain.小分子细胞内信使的特点在细胞中，分子的浓度或分布在外源信号的作用下发生迅速改变不位于能量代谢途径的中心可作为别构效应剂在胞内有确定的靶分子 Signal Transducer蛋白激酶GTP结合蛋白信号转导复合物转录因子cAMP和cGMP三磷酸肌醇（IP3）二脂酰甘油（DAG）Ca2+NO CO H2S小分子

14、信使 蛋白分子信使问题探讨 细胞内的蛋白质分子如何转导信号？ 构象变化Conformational Change蛋白质构象变化的效应分子活性的变化分子在细胞内的位置变化分子间相互作用的变化 （1）蛋白分子的化学修饰 (chemical modification)蛋白质构象变化的原因磷酸化/去磷酸化 (phosphorylation/dephosphorylation) 乙酰化/去乙酰(acylation/deacylation) （3） 蛋白分子之间的相互作用（2）小分子信使的变构效应第二节 细胞信号转导的分子机制细胞如何接受外源信号参与信号转导的分子种类信号转导通路的分子开关信号转导复合物、

15、转录因子信号通路的重要分子开关 蛋白激酶与蛋白磷酸酶 Protein Kinase and Protein Phosphatase GTP结合蛋白 GTP Binding Protein （Molecular Switchs）Kinases/Phosphatases Act asMolecular Switches蛋白质的磷酸化与去磷酸化是信号转导过程中最重要的调控方式56The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1992Edmond H. Fischer Edwin G. Krebs “for their discoveries concernin

16、g reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism”Switzerland and USA University of Washington Seattle, WA, USA b.1920(in Shanghai, China)USA University of Washington Seattle, WA, USA b. 1918 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是信号转导过程中的最重要的调控方式，负责这一修饰调节的是 蛋白激酶 （protein kinase） 蛋白磷酸酶 (protein phosph

17、atase) 蛋白激酶与蛋白磷酸酶 是指能够将-磷酸基团从磷酸供体分子上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。磷酸供体可以是ATP，也可以是其他三磷酸核苷酸。蛋白激酶Protein kinases蛋白底物发生磷酸化的主要残基threoninetyrosine丝氨酸苏氨酸酪氨酸人的基因组中编码蛋白激酶的基因约占3%121 out of 6,144 yeast genes encode protein kinases 319 of Drosophila 13,338 genes encode protein kinases 437 of C. elegans 18,266 genes speci

18、fy protein kinases 1049 putative protein kinases out of mustard 25,706 genes 510 protein kinases in human genome and these have been subclassified into over 57 families “kineomes. Proteins kinases are encoded by one of the largest classes of genes in the human genome, and these particular proteins a

19、re the major building blocks of the information highways that operate inside of cells.It is thought that perhaps 30% of the proteins encoded by the human genome contain covalently bound phosphate, and abnormal phosphorylation is now recognized as a cause or consequence of many human diseases.The Fac

20、ts of Protein Kinases蛋白激酶分类蛋白丝/苏氨酸激酶受环核苷酸调节，如PKA受二脂酰甘油（DAG）调节，如 PKC受Ca2+/钙调蛋白调节，如 CaM-K丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）细胞周期素依赖蛋白激酶(CDK)蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶受体胞浆蛋白酪氨酸激酶核内蛋白酪氨酸激酶蛋白激酶的逐级磷酸化-细胞信号通路的重要特征MAPK级联激活系统细胞增殖、分化、应激MAPKMAPKKMAPKKKPP转录因子磷酸化基因表达改变蛋白激酶分类蛋白丝/苏氨酸激酶受环核苷酸调节，如PKA受二脂酰甘油（DAG）调节，如 PKC受Ca2+/钙调蛋白调节，如 CaM-K丝裂原激活的蛋白激

21、酶（MAPK）细胞周期素依赖蛋白激酶(CDK)蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶受体胞浆蛋白酪氨酸激酶核内蛋白酪氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase）作用于蛋白分子中的酪氨酸残基使之磷酸化， 很多细胞信号转导的最早期事件即为多种蛋白质的酪氨酸磷酸化。大部分对活性具有正向调节作用，在细胞增殖与分化、T细胞、B细胞或肥大细胞的活化过程中具有重要调节作用。 蛋白酪氨酸激酶的抑制剂可以阻断上述细胞的应答反应。蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸磷酸化的发现者Tony HunterMol Cell Biol 1981 Feb;1(2):165-78 Changes in protein

22、 phosphorylation in Rous sarcoma virus-transformed chicken embryo cells. Cooper JA, Hunter T.Salk Institute, San Diego, California 92138. Rous sarcoma virus encodes a tyrosine-specific protein kinase (p60src) which is necessary for cell transformation. To identify substrates for this kinase, we set

23、out to detect phosphotyrosine-containing proteins in Rous sarcoma virus-transformed chicken embryo cells, making use of the known alkali stability of phosphotyrosine. 32P-labeled phosphoproteins were separated by isoelectric focusing and sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis. The

24、 gels were then incubated in alkali. Using this procedure with normal cells, we detected a total of about 190 alkali-resistant phosphoproteins. In Rous sarcoma virus-transformed cells, five phosphoproteins were found which were not detectable in normal cells. Two of these are probably structural pro

25、teins of the virus. The other three transformation-dependent phosphoproteins, and four other phosphoproteins which were elevated by transformation, all contained phosphotyrosine. Increased phosphorylation of these proteins did not occur with cells infected with a mutant Rous sarcoma virus, temperatu

26、re sensitive for transformation, grown at the restrictive temperature. We conclude that these seven proteins are probably substrates of p60src, although they may be substrates for other tyrosine-specific protein kinases activated by p60src.Human Tyrosine Kinases (90)Over half of the 90 tyrosine kinases are implicated in human cancer. 指具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子，与蛋白激酶相对应存在，共同构成了磷酸化与去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统 无论蛋白激