第9章 细胞信号转导

第9章细胞信号转导

CellSignalTransduction许聪细胞生物学教研室1本章主要内容细胞信号转导概述细胞内受体介导的信号传递细胞表面受体介导的信号传递G蛋白偶联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导其它细胞表面受体介导的信号通路细胞信号转导的整合与控制2细胞通讯（cellcommunication）(重点)

一个细胞发出的信息通过介质（配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生靶细胞内一系列生理生化变化，最终表现为靶细胞整体的生物学效应的过程。细胞信号转导（cellsignaltransduction）

细胞将外部信号转变为自身应答反应的过程，这是实现细胞间通讯的关键过程。

第一节细胞信号转导概述3一、细胞通讯1.方式

化学信号（chemicalmessengers）通讯

接触依赖性通讯（contact-dependentsignaling）

间隙连接（gapjunction）胞间连丝（plasmodesma）4化学信号通讯作用方式内分泌旁分泌化学突触自分泌5一、细胞通讯2.步骤①-②信号细胞合成并释放信号分子（配体）；③转运信号分子至靶细胞；④信号分子与靶细胞表面受体特异性结合并导致受体被激活；⑤活化的受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径；⑥引发细胞代谢、功能或基因表达的改变；⑦-⑧解除信号并导致细胞反应终止。6一、细胞通讯3.功能存活生长+分裂分化死亡7二、几个基本概念（重点）信号分子受体第二信使分子开关89（一）信号分子（配体）Signalmolecule(Ligand):细胞的信息载体，能与靶细胞受体结合并传递信息。物理信号：声、光、电、温度化学信号：激素、局部介质、神经递质9化学信号分子气体性信号分子：NO、CO特点：可自由扩散进入细胞激活效应酶。亲脂性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素特点：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质或细胞核中受体结合形成激素－受体复合物,调节基因表达。亲水性信号分子：神经递质、局部介质和多数蛋白类激素特点：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号转导，在细胞内产生第二信使引起细胞的应答反应。101.概念

受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，多为糖蛋白。受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，分别具有结合特异性和效应特异性。（二）受体11细胞内受体细胞表面受体（二）受体2.类型亲水性信号分子小的亲脂性信号分子12细胞内受体位于细胞质基质或核基质中；识别并结合小的脂溶性分子；通常是基因调控蛋白或酶，与信号分子结合后被激活。13细胞表面受体A.离子通道偶联受体（ionchannel-coupledreceptor）B.G蛋白偶联受体（G-protein-coupledreceptor，GPCR）

C.酶联受体（enzyme-linkedreceptors）143.特点同一信号分子作用于不同靶细胞的受体后，产生不同的生物学效应。如：乙酰胆碱作用于骨骼肌细胞引起收缩，作用于心肌细胞收缩减缓，作用于唾液腺引起唾液分泌。同一靶细胞上不同的受体应答不同的胞外信号，产生相同的效应。如：肝细胞肾上腺素或胰高血糖素受体在结合各自配体后，都能促进糖原降解而升高血糖。每种细胞都有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动细胞不同生物学效应，如：生长、分裂、分化或调亡。（二）受体15不同靶细胞以不同方式应答于相同化学信号16受体转导胞外信号引发快反应和慢反应17（三）第二信使“第一信使”-----细胞外信号分子第二信使（secondmessenger）

由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。指在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。18（三）第二信使目前公认的第二信使包括cAMP（环腺苷酸）、cGMP（环鸟甘酸）、Ca2+、

DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）等。19分子开关（molecularswitch）：通过活化（开启）和失活（关闭）2种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性的调控蛋白。GTPase超家族蛋白质磷酸化和去磷酸化Ca2+的结合或解离（四）分子开关20GTPase超家族GTP结合蛋白，包括三聚体（大G蛋白）和单体（小G蛋白），都具有GTPase活性，都具有2种存在状态：即G蛋白·GTP为活化的“开启”状态，而G蛋白·GDP为失活的“关闭”状态。21蛋白质磷酸化和去磷酸化通过蛋白激酶（proteinkinase）使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶（proteinphosphatase）使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性。22Ca2+的结合或解离钙调蛋白（calmodulin，CaM）23细胞表面受体介导的信号通路5个步骤：受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成受体－配体复合物，导致受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞内信号放大的级联反应细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应三、信号转导系统及其特性（一）信号转导系统基本组成及信号蛋白相互作用24蛋白质模式结合域（modularbindingdomain）25蛋白质模式结合域及其结合基序特异性26（二）细胞内信号蛋白复合物的装配三、信号转导系统及其特性基于支架蛋白基于受体活化域基于肌醇磷脂27（三）信号系统的主要特性三、信号转导系统及其特性特异性放大效应脱敏/适应整合作用28第二节细胞内受体介导的信号传递亲脂性小分子-类固醇激素、视黄酸、维生素D和甲状腺素受体在细胞核内脂溶性气体分子NO-受体具有鸟苷酸环化酶活性个别亲脂性小分子

-如前列腺素受体在细胞质膜上29一、细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内受体超家族本质是依赖激素激活的基因调控蛋白。3个功能域C端激素结合结构域中部DNA或Hsp90结合结构域N端转录激活结构域激素－核受体复合物与激素应答元件（HRE）结合，诱导基因活化①快速的初级反应阶段②延迟的次级反应阶段30快速的初级反应和延迟的次级反应31二、NO气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合32“明星分子”——NONO为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞；血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞；NO的生成以精氨酸为底物由NO合成酶（NOS）催化，以NADPH为电子供体，生成NO和瓜氨酸；NO的效应酶是鸟苷酸环化酶。33NO在导致血管平滑肌舒张中的作用乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→NO合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→PKG→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅34硝酸甘油治疗心绞痛：其作用机理是硝酸甘油代谢生成NO，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，从而增加心脏供血。败血症休克病：该病是在某些革兰氏阳性菌感染细胞时，诱发巨噬细胞在全身释放NO,再由NO触发大范围的血管舒张。已显示一氧化氮合酶的抑制物有望成为一种治疗败血症休克的有效药物。NO与药物35第三节G蛋白偶联受体介导的信号转导（重点）G蛋白受体效应物36一、G蛋白偶联受体的结构与激活1.受体：一条多肽链组成的跨膜蛋白跨膜：7次跨膜α螺旋区(H1-H7)，4个细胞外肽段(E1-E4)，4个细胞内肽段(C1-C4)膜外：配体结合的区域(E4)膜内:

C3环结构域和有些受体的C2环，是与G蛋白相互作用的位点，配体的结合引起受体胞内域活化G蛋白

372.G蛋白G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）的简称，位于质膜胞浆一侧。由Gα、Gβ、Gγ三个亚基组成，Gβ和Gγ亚基以异二聚体存在；Gα和Gβγ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上；Gα亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白。一、G蛋白偶联受体的结构与激活38393.效应物（effector）：指直接产生效应的物质，它们是信号转导途径中的催化单位。A:离子通道B:腺苷酸环化酶C:磷脂酶C一、G蛋白偶联受体的结构与激活39哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器404.G蛋白偶联受体的激活一、G蛋白偶联受体的结构与激活41一、G蛋白偶联受体的结构与激活42一、G蛋白偶联受体的结构与激活43二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路G蛋白偶联受体主要有3类：激活离子通道激活或抑制腺苷酸环化酶(AC)，以cAMP为第二信使激活磷脂酶C(PLC)，以IP3和DAG作为双信使44（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道受体通过三聚体Gi蛋白与K+通道相联系。乙酰胆碱的结合以常见的方式引发Giα亚基活化并与Gβγ解离，释放的Gβγ亚基（而不是Giα-GTP）结合并打开K+离子通道，K+通透性增加，使膜超级化，降低心肌收缩频率。当与Giα结合的GTP水解形成GDP时，Giα-GDP重新与Gβγ结合。45Gt蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路光→视紫红质（感受弱光刺激）→Gt蛋白（传导素）（GtαGβγ）→Gtα→cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性γ亚基→cGMP-PDE（α/β）→cGMP水解→cGMP门控阳离子通道关闭→膜瞬间超极化→视神经→脑→视觉反应46（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体受体：刺激性激素的受体(Rs)；抑制性激素的受体(Ri)G蛋白：刺激性G蛋白(Gs)；抑制性G蛋白(Gi)效应酶：腺苷酸环化酶（AC）第二信使47腺苷酸环化酶（AC）和环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)腺苷酸环化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降解cAMP生成5’-AMP，导致细胞内cAMP水平下降48蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）无活性的PKA是含有2个调节亚基(R)和2个催化亚基(C)的四聚体，每个R亚基上有2个cAMP结合位点cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活PKA49以cAMP为第二信使的信号通路501.cAMP-PKA信号与糖原代谢512.cAMP-PKA信号通路与基因表达调控信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高，激活蛋白激酶A，活化的PKA（催化亚基）转位进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答元件结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的CREB与CBP（CREB结合蛋白）形成复合物，与靶基因调控序列（

CRE）结合，增强靶基因的表达。52霍乱毒素与百日咳毒素对G蛋白的特殊作用

霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，催化胞内NAD+中的ADP-核糖基共价结合在Gsα亚基上，结果使Gsα亚基丧失GTPase活性，导致Gsα亚基被“锁定”在持续活化状态并不断地激活AC，cAMP增加100倍以上，致使细胞大量Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。

百日咳毒素催化Giα亚基ADP-核糖基化，结果阻止与Giα亚基结合的GDP的释放，使Giα亚基被“锁定”在非活化状态，失去对AC的抑制作用，导致气管上皮细胞内cAMP水平升高，促使液体、电解质和黏液分泌减少。53（三）激活磷脂酶C、以IP3和DAG作为双信使G蛋白偶联受体介导的信号通路胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上的磷脂酰肌醇(PI)最终水解为三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。54IP3-Ca2+和DAG-PKC双信使信号通路反应链：胞外信号分子

G蛋白偶联受体

G蛋白磷脂酶C(PLC)

→IP3→胞质Ca2+浓度升高→Ca2+-CaM复合体→靶蛋白磷酸化→细胞应答→DAG→激活PKC→靶蛋白或基因调控蛋白的磷酸化→细胞应答551.IP3-Ca2+信号通路与钙火花IP3打开内质网膜上的IP3-门控Ca2+通道，细胞质基质中Ca2+浓度迅速升高。钙火花（Ca2+spark）：在短短的10ms内，细胞内某一微区Ca2+探针Fluo-3的荧光强度骤升1倍，随后又在20ms内消失，故称钙火花。钙火花在时空上的叠加形成了细胞水平的钙振荡。56Ca2+-CaMCa2+通过钙调蛋白发挥作用。钙调蛋白（calmodulin,CaM）：每个CaM分子由148氨基酸残基组成，含四个结构域，每个结构域可结合1个Ca2+。CaM是一种广泛分布的高度保守的小分子Ca2+结合（应答）蛋白，参与许多Ca2+依赖性的生理反应与信号转导。Ca2+通过形成Ca2+-CaM复合物将靶酶激活或抑制，这是一种受Ca2+浓度控制的可逆反应。572.DAG-PKC信号通路细胞质基质中Ca2+浓度的升高，导致蛋白激酶C（PKC）转位到质膜内表面，被DAG活化；PKC通过使底物蛋白磷酸化使细胞产生应答反应（细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖及分化）。PKC向细胞膜移动活化PKC582.DAG-PKC信号通路途径1：PKC激活一系列磷酸化级联反应，导致MAP激酶（MAPK）的磷酸化并使之活化，MAPK磷酸化并活化基因调控蛋白Elk-1。

Elk-1与另一种DNA结合蛋白——血清应答因子（SRF）共同结合在短的DNA调控序列（血清应答元件，SRE）上，调节基因转录；途径2：PKC的活化导致I-κB磷酸化，使基因调控蛋白NF-κB与I-κB解离并进入细胞核，与相应的基因调控序列结合激活基因转录。59小结：G蛋白偶联受体介导的信号转导60第四节酶联受体介导的信号转导酶联受体又称催化性受体（catalyticreceptors）是一大类与酶连接的细胞表面受体。酶联受体的结构：跨膜蛋白，由胞外区、跨膜区和胞内区三部分组成：

胞外区是受体与配体结合的部位，胞内区具有酶的催化活性，跨膜区为疏水肽段，作用是连接胞外区和胞内区。61第四节酶联受体介导的信号转导受体酪氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶受体鸟苷酸环化酶酪氨酸蛋白激酶联受体62一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路（重点）受体酪氨酸激酶（RTK）包括7个亚族绝大多数RTK是单体跨膜蛋白N端位于细胞外，是配体结合域，C端位于胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有自磷酸化位点RTK的主要功能控制细胞的生长、分化63受体酪氨酸激酶的激活在静息状态RTK活性很低，信号分子与受体结合导致受体二聚化，受体的二聚化激活酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化受体胞内段的酪氨酸残基（自磷酸化autophosphorylation）激活的RTK内的磷酸酪氨酸残基可被含SH2结构域的胞内信号蛋白所识别，启动信号传导64Ras蛋白

Ras蛋白：由190个氨基酸残基组成的单体GTP结合蛋白，是一种GTPase开关蛋白

Ras蛋白GTP-GDP转换机制：鸟苷酸交换因子（GEF）使Ras蛋白活化（开启）；GTP酶促进蛋白（GAP）使Ras蛋白失活（关闭）65活化的RTK激活Ras蛋白生长因子受体结合蛋白GRB2，具有SH2