细胞间信号转导(研究生)

细胞信号转导系统

CellsignaltransductionNobelprizesawardedforresearchinsignaltransduction

2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.Nurse

M&P

keyregulatorsofthecellcycle2002

S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&P

Apoptosis单细胞生物直接对外界环境的变化作出反应。高等生物往往是由成亿个细胞所组成的有机体，大多数细胞不与外界直接接触，而且已分化成具有特殊结构与功能的细胞，如此众多的细胞之间必然需要有效的信息联络，对细胞功能进行调控，从而完善地发挥各自的功能，彼此协调，相互配合，维持机体的恒稳状态，适应各种生命活动和生长、繁殖的需求。细胞间通讯方式细胞间隙连接1500D以下膜表面分子接触通讯如:T细胞的激活化学信号通讯化学信号细胞间信息传递的方式神经传导神经递质体液传导体液传导内分泌传导激素旁分泌传导细胞因子自分泌传导细胞因子信息分子定义：携带生物信息，在细胞之间进行传递的小分子化学物质在细胞间进行信息传递的信息分子称为第一信使将第一信使的信息在细胞内进一步传递的信息分子称为第二信使信息分子的化学本质蛋白质多肽类氨基酸衍生物如肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺等。脂类化合物固醇类化合物：糖皮质激素、性激素等，磷脂类化合物：甘油二酯,PIP3,1—磷酸神经酰胺，溶血磷脂酸，其他小分子核苷酸衍生物、NO、CO等信息分子作用特点亲水性：不能穿过细胞膜的脂质双分子层，而需要与细胞膜上的受体相结合，把信息转入靶细胞。亲脂性：能穿过细胞膜，进入细胞内，形成信息分子-受体复合物，引起效应。信息分子由信息细胞释放分泌，经运输系统，达到靶细胞，与特异性受体结合，产生细胞内的第二信使，作用于效应分子，产生效应。信息分子的种类激素主要指内分泌激素神经递质细胞因子是由免疫细胞或非免疫细胞分泌的，能参与调控真核细胞的增殖、分化、代谢和运动功能等多项生命过程的生物活性的多肽分子。同一细胞因子作用于不同的靶细胞，可以产生不同的效应。受体（receptor）定义：靶细胞中能够被体内一些生物活性物质如激素、细胞因子所识别，并与之结合将信号传至细胞内产生生物效应的物质，也即细胞接受细胞外信号的接收装置，直接参与细胞的信息传递。受体的化学性质主要为蛋白质。受体与信息分子的结合特点高度亲和力高度特异性可逆性可饱和性放大效应受体的分类细胞表面受体水溶性表面信号分子离子通道受体

G蛋白偶联受体单次跨膜受体细胞内受体脂溶性化学信号

细胞信号转导的基本方式网络构成基础：蛋白质分子和小分子活性物质基本方式

小分子信使的浓度或细胞内定位分布发生改变

大分子信使的构象变化：蛋白质分子的化学修饰；小分子信使的变构效应；大分子信使的变构作用

蛋白质分子的细胞内定位改变

蛋白质分子的细胞内水平调节细胞内的关键信号转导分子蛋白激酶与蛋白磷酸酶

蛋白激酶（proteinkinase）：能够将γ-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。

蛋白激酶分类蛋白丝/苏氨酸激酶-丝/苏氨酸的羟基蛋白酪氨酸激酶-酪氨酸的酚羟基蛋白组/赖/精氨酸激酶-咪唑环、胍基、ε-氨基蛋白半胱氨酸激酶-巯基蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶-酰基

PKA、PKG、PKC、钙调素依赖的蛋白激酶、蛋白酪氨酸激酶、MAPK蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）是具有催化已经磷酸化的蛋白质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，共同构成磷酸化与去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号GTP结合蛋白GTP结合蛋白三聚体α亚基和βγ亚基低分子量G蛋白21kD

Ras调控结合元件(modularbindingdomain)

即信号分子中存在着的一些特殊的结构域，大约50-100个氨基酸构成，信号分子通过这些特殊结构域相互识别和作用而有序衔接，形成不同的信号传递链。SH2结构域信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子SH3结构域信号分子与含脯氨酸蛋白分子PH结构域磷脂分子PIP2、PIP3PTB结构域同SH2

磷酸酪氨酸一个信号分子含两种以上的结合元件同一调控元件可存在多种不同的信号转导分子结构域本身均为非催化结构域主要信号转导途径及作用机制(一)离子通道型受体及信号转导这种受体本身就是离子通道，这种通道的开放与接受信息分子（神经介质）的控制紧密连接，少量的神经介质能短暂快速的打开或关闭离子通道而改变某些离子的通透性。如骨骼肌细胞的乙酰胆碱受体。（二）G蛋白偶联型受体及信号转导这类受体结构较相似，均为单链多肽，氨基端在胞膜外，形成与配体结合的结构域，跨膜部分有7段肽链来回穿过细胞膜，胞浆部分是肽链的羧基端，具有三聚体G蛋白结合区域。G蛋白的循环和活化三聚体G蛋白由α、β、γ三种亚基组成。α亚基具有GTP水解酶活性，又有调节效应蛋白作用，β和γ亚基具有调节α亚基作用，也有调节效应蛋白的作用，而且β亚基上有脂链，故具有固定作用。这三个亚基可以聚合在一起形成αβγ三聚体，也可以解离为α和βγ形式。当G蛋白与GDP相结合时无活性，而与GTP结合时则活化成激活状态。

受体与信息分子结合后，受体构象改变，并使与受体相偶联的G蛋白构象改变，使GTP置换了GDP。G蛋白激活后，离开受体并解离成βγ和α亚基GTP，α亚基水解GTP，并调节腺苷酸环化酶的活性，调节细胞内cAMP等第二信使的浓度，从而把信息传导给下游分子，同时，与α亚基结合的GTP水解成GDP，然后α亚基GDP复合物重新与βγ亚基结合形成无活性的三聚体，完成一次信息传导。配体结合改变受体构象，暴露G蛋白结合位点配体-受体复合物在脂双层中扩散并与G蛋白形成复合物，使之发生GTP-GDP交换而活化GTP取代GDP后，α亚基与βγ亚基解聚，暴露出AC结合位点α亚基结合并活化AC，细胞内cAMP含量增加α亚基水解GTP后回到初始构象，与βγ亚基聚合成三聚体复合物(三)单次跨膜受体介导的信号转导

这类受体的结构比较特殊，细胞膜外部分也是结合配体的部位，跨膜部分常较短，一般20个左右的氨基酸残基，为疏水性残基，无七段来回折叠结构，膜内部分肽段常具有内在的酶活性，这种内在的酶活性受配体与受体结合的影响，还有潜在的磷酸化的位点。与受体相偶联的酶蛋白常常有以下几种类型：①酪氨酸蛋白激酶，专门催化底物蛋白肽链中的酪氨酸残基的磷酸化；②受体酪氨酸蛋白磷酸酶，水解酪氨酸残基上的磷酸基团；③受体丝／苏氨酸蛋白激酶，主要催化底物蛋白肽链中的丝氨酸、苏氨酸残基的磷酸化；④有的还与受体鸟苷酸环化酶相偶联，当受体与配体结合后可催化产生环鸟苷酸(cGMP)。(四)与转录因子偶联的受体

多位于胞内，与一些疏水性信息分子相识别，如类固醇激素、甲状腺素、前列腺素、维生素A等。

这种受体主要包括三个区域，①羧基端为激素等信息分子的结合区域，②氨基端为转录活化区，调控某些基因的启动子或上游的调控基因，③中央部分为DNA的结合区，富含碱性氨基酸，平时此区与抑制蛋白结合形成复合物。受体与信息分子结合时，发生构象变化，抑制蛋白脱落，暴露出DNA的结合区，转入胞核内，与特定DNA部位结合，调控转录活性。cAMP

途径-活化信号分子与受体结合，引起受体构象变化受体活化G蛋白（结合GTP，α与βγ解离）活化后的G蛋白激活腺苷酸环化酶（AC）AC催化ATP生成cAMPcAMP活化PKA（依赖cAMP的蛋白激酶）PKA使目标蛋白磷酸化，调节代谢酶的活性或调节基因的表达PKA的靶蛋白：①磷酸化酶激酶其磷酸化对象是糖原磷酸化酶，后者被激活后使糖原分解；②糖原合成酶磷酸化后活性被抑制，从而阻断糖原合成。正是由于PKA的双重作用，保证了骨骼肌细胞中可供利用的葡萄糖含量达到最大值。细胞核内受cAMP、PKA诱导的基因转录调控区，都存在着一个由8个碱基组成的共同序列，TGACGTCA，称为

cAMP效应元件（CRE），能识别并结合CRE的是一种特异的转录调节因子—CRE结合蛋白（CREB）。CREB上133位Ser残基被PKA磷酸化时，CREB就活化了，从而激活这些基因的转录。cAMP

途径-失活信息分子与受体解离，受体失活G蛋白失活（GTP被水解成GDP，αβγ亚基重新聚合）AC失活cAMP被磷酸二酯酶水解PKA失活IP3–Ca2+途径信号分子与受体结合，引起受体构象变化受体活化G蛋白（结合GTP，α与βγ解离）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGIP3使钙通道打开，细胞内Ca2+升高Ca2+与CaM结合，激活Ca2+-CaM依赖的蛋白激酶Ca2+-CaM依赖的蛋白激酶使目标蛋白磷酸化。Ca2+-CaM依赖的蛋白激酶调节PKA的活性：CaM激酶既能激活腺苷环化酶又能激活磷酸二酯酶，即它既加速cAMP的生成又加速cAMP的降解，使信息迅速传至细胞内，又迅速消失。激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶活性。PKC途径信号分子与受体结合，引起受体构象变化受体活化G蛋白（结合GTP，α与βγ解离）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGDG与Ca2+共同活化PKCPKC使目标蛋白磷酸化PKC广泛地存在于机体的组织细胞内，目前已发现12种PKC同工酶，它们对机体的代谢、基因表达、细胞分化和增殖起作用。PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的Ser/Thr发生磷酸化级联反应。靶蛋白包括质膜受体、膜蛋白和多种酶,从而调节细胞代谢。PKC能使立早基因（immediate－earlygene）的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表达。立早基因多数为细胞原癌基因。最终活化晚期反应基因并导致细胞增生或核型变化。促癌剂-佛波酯（phorbolester）正是作为PKC的强激活剂而引起细胞持续增生，诱导癌变。PKG途径PKG即cGMP依赖性蛋白激酶，cGMP是PKG的变构激活剂。PKG在脑组织和平滑肌中含量较丰富。cGMP由cGMP磷酸二酯酶降解、失活。酪氨酸蛋白激酶途径信息分子与受体结合，引起受体二聚化受体发生自身磷酸化，激活受体本身所具有的酪氨酸蛋白激酶活性。酪氨酸蛋白激酶使下游目标蛋白磷酸化，引起一系列级联反应，如TPK-Grb2-SOS-ras-raf（MAPKKK）-MEK（MAPKK）-ERK1（MAPK）。酪氨酸蛋白激酶的靶蛋白接头蛋白：它们将活化的RTKs和细胞内的其他信号蛋白连接起来，但其本身并没有信号作用，如生长因子受体结合蛋白-2（GRB-2）、SOS蛋白等。

涉及信号传递的酶：如GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3-激酶）、磷脂酶C-γ（PLC-γ）和Src蛋白等。尽管活化的RTKs的靶蛋白的结构和功能各异，但基本上都含有高度保守的SH2和SH3（Srchomologyregion）结构域。许多细胞外因子都能与特异靶细胞表面的RTKs相互作用，调节细胞的各种功能。包括细胞生长和增殖、细胞分化、巨噬细胞活动中外源颗粒的吞噬等。研究得最为详尽是激素如胰岛素、生长激素和生长因子，后者中包括表皮生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、纤维细胞生长因子(FGF)和细胞因子(Cytokine)。细胞因子如干扰素(Interferons,INFs)和白细胞介素(Interleukins,ILs)等都是通过激活RTK后经信号传导途径发挥其作用的。在信号传导过程中，通过加上或移去磷酸基团从而改变下游一系列蛋白质的活性是信号传导过程中一个最显著的特征。细胞信号传导过程的另外一个显著特征是以GTP结合蛋白作为“开关”的某种细胞活动与另外一些同样需要GTP结合蛋白参与调控的细胞活动过程相偶联。不同信号转导通路的交叉联系细胞信号转导实际上是一个网络，各条转导通路并不是独立存在而互不相关，而是相互联络，一条通路的激活可以启动或活化另一通路，也可以抑制另一通路，这是所谓信号转导的“串话（crosstalking）”。这对各条信号通路间的平衡和细胞的正常活动具有十分重要的意义。

cAMP-PKA通路和PLC-DG-PKC通路间的串话1.PIP2-PLC通路激活cAMP通路：PIP2-PLC的产物IP3可使细胞内Ca2+浓度升高，通过Ca2＋-CaM激活AC-I和AC-Ⅱ型，使细胞内cAMP水平上升，激活PKA通路；过多的Ca2十则可抑制ACⅤ或AC-Ⅵ。2.cAMP通路对PI-PLC通路的负调节作用:当细胞内cAMP浓度增高时，PI-4,5-P2的水解降低，导致DG下降和PKC活力降低。

3.PKA对PKC在基因调节水平的拮抗

cAMP反应元件（CRE）结合蛋白（CREB）既可受PKA的催化亚基磷酸化而激活，又可受PKC的磷酸化，后一过程不能激活CREB，反而减少了PKA使CREB磷酸化的机会；CREB既可和DNA的CRE序列结合，也可和AP-1（Fos和Jun的异二聚体）作用的TPA反应元件（TRE）结合，这样，活化的CREB就能和受PKC正调节的AP-1竞争TRE位点；CREB可取代Fos和Jun形成异二聚体，阻断AP-1的形成。

受体Tyr

激酶通路和PKC之间的串话

受体Tyr

激酶活化后可以直接激活PLC，催化生成的DG通过激活PKC，转而激活Raf，启动Raf-MEK-ERK通路，这就可解释为什么不少生长因子可以引起PKC活力的升高，以及PKC的激活剂可引起ERK通路中一个信号分子活力的升高，此外，PKC还可对受体Tyr

激酶的胞内调节区的Ser或Thr进行磷酸化修饰，从而抑制受体Tyr

激酶的活力。

G蛋白通路和受体Tyr

激酶通路间的串话

这两条通路是细胞信号转导中最主要的通路，各自均有支路如G蛋白-腺苷酸环化酶-cAMP通路和G蛋白-PLC-DG通路以及受体Tyr激酶-PLC-DG通路等，这两条大通路之间也在各个层次上互相联系，实现串话。

1.G蛋白α亚基或βγ亚基激活PLC，后者催化PIP2水解生成的DG激活PKC，同样可激活Raf-1。2.G蛋白βγ亚基激活Src蛋白再通过Grb2／Sos进入ERK通路。3.G蛋白α亚基激活腺苷酸环化酶，后者使cAMP升高后活化PKA，而PKA则是Raf-1的负调节因子。如PKA可使Raf-1