细胞信号转导基础

关于细胞信号转导基础第1页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三细胞信号转导（cellularsignaltransduction，cellsignaling）针对外源性信号所发生的细胞内各种分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能的过程，称为细胞信号转导。第2页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三细胞间信号转导的作用方式：1.内分泌型2.旁分泌型3.自分泌型4.其他类型：包括接触依赖型、突触型和缝隙连接型等。第3页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第一节信号转导的概述一、信号分子与受体（一）信号分子（signalmolecule）具有调节细胞生命活动的化学物质称为信号分子。信号分子的特点是具有特异性、高效性和可被灭活，但不具备酶活性，唯一的功能是与靶细胞的受体结合，通过信号转换机制把细胞外信号转变为细胞内信号。广义的信号分子概念狭义的信号分子概念第4页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（二）受体根据受体在细胞中的位置，将其分为两大类。1.细胞膜受体2.细胞内受体第5页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三1.离子通道受体2.G蛋白偶联受体3.酶耦联受体：1）酪氨酸蛋白激酶受体（tyrosineproteinkinasereceptor,TPKR）；2）非酪氨酸蛋白激酶受体，包括5种亚类：酪氨酸激酶耦联受体、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、组氨酸激酶耦联受体、受体鸟苷酸环化酶、类受体酪氨酸去磷酸酶等。细胞膜受体（membranereceptor）分类第6页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三NCG蛋白偶联区G蛋白偶联受体结构胞外胞浆第7页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三富含Cys区段免疫球蛋白样序列激酶插入序列TPKIGF-Ⅰ受体EGF受体PDGF受体FGF受体EGF：表皮生长因子IGF-Ⅰ：胰岛素样生长因子-ⅠPDGF：血小板衍生生长因子FGF：成纤维细胞生长因子第8页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三TPKPPPPPPPPPPPPTPKAdaptorprotein第9页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三细胞内受体（intracellularreceptor）I型核受体（NR-I）II型核受体（NR-II）第10页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（三）、受体与信号分子的结合特点1）结合的饱和性2）结合的高亲和性3）高度专一性4）结合的可逆性5）特定的作用模式第11页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、信号转导的基本过程（一）信号转导的基本过程（二）细胞内信号转导相关分子信号转导分子（signaltransducer）：在细胞信号转导途径中，能够在细胞内传递特定调控信号的化学物质称为信号转导分子或细胞内信号分子。1.第二信使2.酶分子3.调节蛋白第12页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第二信使（secondmessenger）第二信使为第一信使作用于靶细胞后在胞浆内产生的信息分子，第二信使将获得的信息增强，分化，整合并传递给效应器才能发挥特定的生理功能或药理效应。第13页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第二信使具有的特点：1）在细胞中的浓度或分布可迅速改变，即可在短时间内迅速增长，短时间内又可迅速灭活；2）不位于能量代谢途径的中心；3）阻断该分子的变化可以阻断细胞细胞对外源信号的反应；4）作为变构效应剂作用于细胞内相应的靶分子。

第14页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第二信使的种类1）环核苷酸，如cAMP，cGMP2）脂类衍生物，如DAG，IP3（？），PIP3，Ceramide。3）无机物，如Ca2+，NO，（CO），（H2S）等。第15页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三作为信号转导分子的酶类1）蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶2）蛋白酪氨酸激酶3）蛋白组氨酸/赖氨酸/精氨酸激酶4）蛋白色氨酸激酶5）蛋白天冬氨酰基/谷氨酰基激酶第16页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三作为信号转导分子的调节蛋白1）G蛋白2）衔接蛋白3）转录因子（反式作用因子）？第17页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三G蛋白（Gprotein）鸟苷酸结合蛋白称为G蛋白。G蛋白在细胞内广泛存在，参与细胞信号转导的G蛋白有三聚体G蛋白和小G蛋白两大类。小G蛋白主要包括Ras家族、Rho家族和Rab家族。第18页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三衔接蛋白（adapterprotein）衔接蛋白也称为接头蛋白，连接上游和下游信号转导分子，通过变构效应激活下游分子，其结构基础是含有蛋白质相互作用结构域，功能是募集和组织信号转导复合物。第19页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三衔接蛋白的互作（interaction）结构域1.SH2结构域（Srchomology2domail）约由100个氨基酸残基组成，可识别和结合SH2结合位点。SH2结合位点由蛋白质分子中的磷酸化酪氨酸及相邻的3-6个氨基酸残基所构成2.SH3结构域（Srchomology3domain）由50个氨基酸残基组成，能识别和结合蛋白质分子中富含脯氨酸的序列。3.PH结构域（pleckstrinhomologydomain）约由120个氨基酸残基组成，可与磷脂酰肌醇衍生物等结合。4.PTB结构域（phosphotyrosinebindingdomain）约由120个氨基酸残基组成，该结构域也可以识别一些含磷酸化酪氨酸的位点…………….第20页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三第二节主要信号转导途径一、G蛋白耦联受体信号转导途径（一）G蛋白简介G蛋白：一般是指任何可与鸟苷酸结合的蛋白质的总称。与膜受体耦联的G蛋白的共同特征是：1）由α，β，γ等3个不同的亚单位构成的异聚体。各种G蛋白亚基中α

亚基差别最大。2）具有结合GTP或GDP的能力，并具有GTP酶活性，能将与之结合的GTP分解形成GDP。3）其本身的构象改变可进一步激活（或抑制）效应蛋白，改变后者活性。对G蛋白激活后的精确反应，由特定的α，β，γ亚型和下游靶分子的特殊亚型同时控制。第21页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三G结构的共同特点1.具有结合受体并受其活化调节的位点2.具有与亚基相结合的位点。3.具有与靶蛋白结合的位点。4.具有GDP或GTP结合的位点。5.具有GTP酶的活性位点。6.具有ADP核糖基化位点和毒素修饰位点。第22页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（二）G蛋白耦联受体信号转导的基本过程1.配体结合受体并激活受体2.G蛋白活化及G蛋白循环3.G蛋白激活下游效应分子4.第二信使的产生及分布变化5.第二信使激活蛋白激酶进而活化效应蛋白第23页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（三）AC-cAMP-PKA信号转导途径

和PLC-IP3/DG信号转导途径第24页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三AC-cAMP-PKA信号转导途径该途径以靶细胞内cAMP浓度改变和激活蛋白激酶A(PKA）为主要特征。是激素调节物质代谢的主要途径。1.cAMP的合成与分解胰高血糖素、肾上腺素等激素与其受体（G蛋白偶联受体）结合而激活受体。活化的受体可促使Gs的GDP与GTP交换，导致Gs的α亚基与βγ解离，G蛋白释放出αs-GTP。αs-GTP激活腺苷酸环化酶（AC），催化ATP转化为cAMP。βγ复合体也可以独立地作用于相应的效应物，与α亚基拮抗。cAMP可被磷酸二酯酶（PDE）降解为5’-AMP而失活。少数激素如生长激素抑制素、胰岛素和抗血管紧张素等，它们活化受体后可催化抑制性G蛋白解离，导致细胞内AC活性下降，从而降低细胞内cAMP水平。第25页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三receptorhormoneβγαsGDPβγGTPαsGTP(AC)iAC+ATPcAMP(AC)iAC无活性AC有活性ACAC-cAMP-PKA信号转导途径第26页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2.cAMP的作用机制cAMP通过激活蛋白激酶A（PKA）系统发挥生理作用。PKA是一种由四聚体（C2R2）组成的别构酶。每个调节亚基（R）有2个cAMP结合位点，催化亚基具有催化底物蛋白质某些特定丝/苏氨酸残基磷酸化的功能。调节亚基与催化亚基相结合时，PKA呈无活性状态。当4分子cAMP与2个调节亚基结合后，调节亚基脱落，游离的催化亚基具有蛋白激酶活性。PKA的激活过程需要Mg2+.AC-cAMP-PKA信号转导途径第27页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三CC+4cAMPCCRR+RRcAMPcAMPcAMPcAMP无活性PKA有活性PKAAC-cAMP-PKA信号转导途径第28页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三丝氨酸Serine酪氨酸Tyrosine苏氨酸ThreonineTPK使底物蛋白上酪氨酸残基的–OH基磷酸化PKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的–OH基磷酸化第29页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三3.PKA的作用1）对代谢的调节作用2）对基因表达的调节作用PKA的催化亚基进入细胞核后，可催化反式作用因子CREB（cAMPresponseelementbindingprotein）磷酸化，磷酸化的CREB形成同源二聚体，与DNA上的CRE(cAMPresponseelement）结合，从而激活受CRE调控的基因转录。3）PKA还可以使细胞核内的组蛋白、酸性蛋白以及胞浆内的核蛋白体蛋白、膜蛋白、微管蛋白及受体蛋白等磷酸化，从而影响这些蛋白质的功能。AC-cAMP-PKA信号转导途径第30页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PKA的激活及作用举例激素（胰高血糖素、肾上腺素等）腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（有活性）ATPcAMP蛋白激酶A(PKA)（无活性）蛋白激酶A(PKA)（有活性）糖原合成酶（有活性）糖原合成酶P（无活性）磷酸化酶b激酶（无活性）磷酸化酶b激酶P（有活性）磷蛋白磷酸酶1磷蛋白磷酸酶1磷蛋白磷酸酶1磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶aP（有活性）磷蛋白磷酸酶抑制剂（无活性）磷蛋白磷酸酶抑制剂P（有活性）++++---第31页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PLC-IP3/DG信号转导途径1）IP3和DAG的生物合成促甲状腺释放激素、去甲肾上腺素和抗利尿激素等作用于靶细胞膜上特异性受体（G蛋白偶联受体）后，通过特定的G蛋白（Gp）激活磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(PI-PLC)，PI-PLC则分解膜成分-磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）而生成DAG和IP3

。第32页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三receptorhormoneβγαPGDPβγGTPαPGTPPI-PLCPIPLC+PIP2DAG+IP3PI-PLCPIPLC无活性PI-PLC有活性PI-PLC第33页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PI-PLCPIP2IP3DAG第34页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2）DAG和IP3的功能DAG生成后仍留在质膜上，在磷脂酰丝氨酸和Ca2+的配合下激活蛋白激酶C。IP3生成后，从膜上扩散到胞浆中与内质网和肌浆网上的受体结合，促进这些钙储库内的Ca2+迅速释放，使胞浆内的Ca2+浓度升高。第35页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三3）PKC的功能①对代谢的调节作用PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的丝氨酸和（或）苏氨酸残基发生磷酸化反应。靶蛋白包括质膜受体、膜蛋白和多种酶。从而启动一系列生理、生化反应。如：PKC能催化质膜的Ca2+通道磷酸化，促进Ca2+流入胞内；PKC也能催化肌浆网的Ca2+-ATP酶磷酸化，促进钙进入肌浆网。这样，在胞浆内的Ca2+浓度处于动态平衡。第36页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三丝氨酸Serine酪氨酸Tyrosine苏氨酸ThreoninePKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的–OH基磷酸化TPK使底物蛋白上酪氨酸残基的–OH基磷酸化第37页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三②对基因表达的调节作用PKC对基因的活化过程分为早期反应和晚期反应两个阶段。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。如c-fos，AP1/jun等原癌基因。立早基因的表达产物寿命短暂，受磷酸化修饰后跨越核膜，活化晚期反应基因，并导致细胞增生或核型变化。3）PKC的功能第38页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三信号signalPKCC-fos基因AP1/c-jun基因mRNAmRNAC-fos蛋白AP1/c-jun蛋白PKCPKCAP1/c-jun蛋白C-fos蛋白PPC-fos蛋白PAP1/c-jun蛋白PP早期反应晚期反应转录激活PKC对基因的早期活化和晚期活化第39页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径钙调蛋白（CaM）为钙结合蛋白，当胞浆的Ca2+浓度≧10-2mmol/L时，Ca2+与CaM结合，其构象改变而激活Ca2+-CaM激酶（或其他酶，如NO合酶）。Ca2+-CaM激酶的底物谱非常广，可以磷酸化许多蛋白质的丝氨酸和（或）苏氨酸残基，使之激活或失活。如：Ca2+-CaM激酶既能激活腺苷酸环化酶，又能激活磷酸二酯酶，从而调节细胞内cAMP的浓度。Ca2+-CaM激酶也可以激活胰岛素受体的酪氨酸蛋白激酶活性。还可以调节PKA活性。第40页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三Ca2++Ca2+CaMCa2+-CaMCa2+-CaM激酶无活性Ca2+-CaM激酶有活性NO合酶无活性NO合酶有活性P精氨酸NO瓜氨酸+Ca2+-CaM的作用PKA,PKC,PKG,Ca2+-CaM激酶使底物蛋白上丝氨酸或苏氨酸残基的–OH基磷酸化第41页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三二、酶耦联受体信号转导途径酶耦联受体均为单次跨膜蛋白，受体的细胞内结构域本身具有酶活性，或是受体与酶直接耦联；受体与配体结合后可激发受体本身的酶活性，或者激发受体耦联酶的活性使信号继续向下游传递。第42页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（一）受体酪氨酸激酶介导的信号转导1.RTK（receptortyrosinekinase,RTK）的结构及RTK的活化1）RTK的结构大多为单次跨膜蛋白；N端在胞外，C端在胞内；酪氨酸蛋白激酶功能区位于C端，包括ATP结合区和底物结合区两个功能区。2.RTK的活化配体与受体结合后，受体二聚体化（或寡聚体化），受体胞内区域构象变化使酪氨酸蛋白激酶活性激活，后者使酪氨酸残基发生自体磷酸化（autophosphorylation）,形成SH2结合位点，结合具有SH2结构域的下一级信号分子，形成一个大的信号转导复合体。第43页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三2.RTK信号转导途径1）Ras-MAPK级联反应信号转导途径2）其他RTK信号转导途径，如PLC-IP3/DG途径，PI3K/PKB途径等。第44页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三受体型TPK的信息传递途径

---------受体型TPK-Ras-MAPK途径催化型受体与配体结合后，发生自身磷酸化并磷酸化中介分子-----Grb2和SOS，使其活化，进而激活Ras蛋白。由于ras蛋白为多种生长因子信息传递过程所共有，因此又称为Ras通路。活化的ras蛋白可进一步活化Raf蛋白。Raf蛋白具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，它可激活有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase,MAPK)系统，发挥生理活性。受体型TPK活化后还可通过激活腺苷酸环化酶、多种磷脂酶（如PI-PLC、磷脂酶A和鞘磷脂酶）等发挥调控基因表达的作用。第45页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PPPPPP细胞外信号EGF,PDGF等Grb2SOSGrb2SOSPPRasGDPRasGTPrafPrafMAPKKKMAPKKKPMAPKKMAPKKPMAPKMAPKP反式作用因子反式作用因子P激活转录……..受体型TPK激活基因表达的途径——受体型TPK-Ras-MAPK途径第46页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PPPPPP腺苷酸环化酶AC激活磷脂酶C激活PIP2IP3+DAGcAMPPKA活化Ca2+-CaM依赖性蛋白激酶活化PKC活化修饰转录因子和调节因子快速反应原癌基因激活细胞核受体型TPK激活基因表达的途径——受体型TPK-各种酶激活途径第47页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三Ras蛋白Ras蛋白是由一条多肽链组成的单体蛋白，由原癌基因ras编码而得名。它的活性与其结合GTP或GDP有关。Ras结合GDP时没有活性，但磷酸化的SOS可促进GDP从Ras脱落，使ras变成GTP结合状态而活化。Ras蛋白的分子量为21kD，故又名p21蛋白。因其分子量小于与七个跨膜螺旋受体偶联的G蛋白，也被称作为小G蛋白。第48页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三MAPK系统的作用MAPK系统包括MAPK，MAPKK，MAPKKK。MAPK具有广泛的催化活性，它除调节花生四烯酸的代谢和细胞微管形成以外，更重要的是可催化细胞核内许多反式作用因子（如转录因子）的Ser/Thr残基磷酸化，导致基因转录或关闭。迄今共发现有14种MAPKKK，如Raf\MEKK家族、MLK家族、TAK、ASK家族等。7种MAPKK，如MEK家族，MKK家族。至少13种MAPK，如ERK家族、p38MAPK家族、JNK/SAPK家族等。第49页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PI3K/PKB途径配体与受体结合后，PI3K（磷脂酰肌醇-3-激酶）的p85亚单位与活化的受体结合，p110亚单位被受体磷酸化而活化。PI3K可催化PIP3的产生。PIP3产生后，通过结合PKB（PKB是原癌基因c-akt的产物，故又称为AKt）的PH结构域，将其锚定于质膜而活化。PKB可磷酸化多种蛋白，介导代谢调节和细胞存活等效应。第50页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（二）酪氨酸激酶耦联受体介导的信号转导一部分生长因子、大部分细胞因子和激素等的受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但它们能借助细胞内的一类具有激酶结构的连接蛋白JAKs(janusKinase)完成信息转导。Jak是一种酪氨酸激酶。第51页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三非受体型TPK的信息传递途径

----------JAKs-STAT途径JAKs家族成员包括JAK1、JAK2、TYK2和JAK3，分子内均有SH2结构域。配体与非催化型受体结合后，受体二聚化导致胞内段富含脯氨酸的基序与Jak结合，相邻受体耦联的Jak互为底物而引发对方的酪氨酸残基磷酸化，因而活化各自的JAKs.JAKs再通过激活信号转导子和转录激动子（signaltransductorsandactivatoroftranscription,STAT)而最终影响到基因的转录调节。在JAKs-STAT通路中，激活后的受体可与不同的JAKs和不同的STAT相结合，因此该途径传递信号更具有多样性和灵活性。第52页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三图5-8第53页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三PPPPPPJAK1138491非活化的STAT单体1138491PPP磷酸化的STAT复合物481138491PPP48干扰素应答元件核膜干扰素JAKs-STAT途径第54页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三（三）受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的信号转导转化生长因子（TGF-）、激活素（activin）和骨形态发生蛋白（BMP）等的受体称为TGF-家族受体，为具有丝氨酸-苏氨酸激酶活性的受体。该家族除在发育过程中起重要作用外，还可以调节细胞的增殖、分化、黏附、移行及细胞凋亡，此类受体的突变会促使某些肿瘤的发生。TGF-家族的受体介导的信号转导途径中最重要的信号转导分子是Smad，因而此途径称为Smad途径。第55页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三TGF-信号转导的基本步骤第56页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三三、依赖于受调蛋白水解信号转导途径第57页，讲稿共65页，2023年5月2日，星期三核因子κB途径核因子κB（nuclearfactor-κB，NF-κB)途径体系主要涉及机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制过程的信息传递。NF-κB包括NF-κB1,NF-κB2和某些癌基因蛋白（如RelA)等。在多数细胞类型，NF-κB在胞浆内与抑制性蛋白质（包括IκBα、IκBγ、Bcl-3等）结合形成无活性的复合物。当肿瘤坏死因子（TNF）等作用于相应受体后，可通过第二信使Cer等激活此系统。病毒感染、脂多糖、活性氧中间体、佛波酯、双链RNA以及前述信息传递途径中活化的PKC，PKA等则可直接激活NF-κB系统。激活过程是通过磷酸化抑制性蛋白使其构象发生改变而从NF-κB脱落，NF-κB得以活化。活化的NF-κB进入细胞