细胞生物学细胞信号转导

关于细胞生物学细胞信号转导细胞生物学—细胞信号转导一、细胞膜受体的结构和特性

膜受体（membranereceptor）是可选择性地识别和结合外来信号，并引起相应的细胞生物效应的一类膜蛋白。其化学成分多为跨膜糖蛋白，约占膜总蛋白的１％－２％。不同的受体有不同的结构，一般包括三个部分：１、识别部（discriminator）也称调节亚单位，是受体蛋白的胞外部分。依赖其糖链的多样性，识别不同的化学信号。２、效应部（effector）或称催化亚单位。是受体的膜内胞质部分，通常具有酶活性。在受体与化学信号结合后被激活，产生相应的生物学效应。３、转化部（transducer）亦称之为传导部（inducer），是受体与效应部之间的偶联成分。它可将识别部所接受的信息经过转换传递给效应部。第2页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导二、膜受体的特性识别外来信号并通过构象变化引发胞内继发效应是受体的两个基本作用。它一般具有以下特性：１、特异性受体与化学信号的专一性结合是依靠分子之间的立体构象互补的非共价键结合。这种特异性结合不是绝对的。２、可饱和性一个细胞或一定量组织内受体数目是有限的，各类细胞中不同受体的浓度是相对恒定的。因此，受体与配体的结合有一个饱和度。３、高亲和性受体与配体具有很强的亲和力，表现为：当溶液中只有相当低浓度的配体时，就足以使二者结合达到饱和。第3页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导４、可逆性由于受体与配体之间属于非共价键结合，所以，分子间的识别反应往往是可逆的。当结合引发出生物效应后，受体－配体复合物便解离，受体又恢复到原来状态，能再与配体结合。５、特定的组织定位受体的分布，无论在种类，还是数量上，均呈现特定的模式，即受体之存在于靶细胞。第4页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导三、膜受体类型根据膜受体蛋白的类型及相应的信号转导机制之不同，可将膜受体归纳为以下三种类型：离子通道偶联受体

G蛋白偶联受体酶偶联受体核受体

第5页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

离子通道型受体离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。第6页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导G蛋白耦联型受体三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulatorofGproteinsignaling）增强。RGS也属于GAP（GTPaseactivatingprotein）。第7页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导G

EffectorSignal第8页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导ExtracellularCytoplasmicCOOH--NH2i1i2i3e1e2e3TM1TM2TM3TM4TM5TM6TM7-S-S-BindingofligandsLocationofG第9页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

4superfamiliesbindsGTP

Threesubunits第10页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第11页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

cAMP信号通路

cAMP信号通路的组成：膜刺激型受体（stimulataryreceptor，Rs）；抑制型受体（inhibitoryreceptor，Ri）；刺激型调节蛋白（sitimulataryregulatoryprotein，Gs）；抑制型调节蛋白（inhibitoryregulatoryprotein，Gi）；腺苷酸环化酶（adenylatecyclase，AC）；蛋白激酶A（proteinKinaseA，PKA）；环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodieste-rase）。第12页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导腺苷酸环化酶第13页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导蛋白激酶A第14页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导环腺苷酸磷酸二酯酶第15页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导cAMP信号通路的传递过程——Gs调节模型配体（信号分子）→受体→G蛋白→环化酶→cAMP（第二信使）→蛋白激酶A（proteinkinaseA,PKA）→基因调控蛋白→基因转录。第16页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第17页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第18页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第19页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导EffectsofPKASer/Thr残基磷酸化（1）对代谢的调节作用肾上腺素调节糖原分解（2）对基因表达的调节作用

cAMP应答元件（CRE）基因调控区

cAMP应答元件结合蛋白（CREB）反式作用因子

PKA的催化亚基进入细胞后使CERB特定的Ser/Thr磷酸化，形成同源二聚体，结合DNA，激活转录第20页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导cAMP信号通路的传递过程——Gi调节模型第21页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

磷脂酰肌醇信号通路胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号。第22页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第23页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第24页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第25页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第26页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导G

i/o

G

s

G

q

G

12/13

inhibitionofcAMPproduction

inhibitionofCa2+channelsactivationofGIRKK+channelsG-proteinsubtypes

increasedsynthesisofcAMPactivationofCa2+andK+channelsactivationofPLCleadingtoactivationofPKC(DAG)intracellularCa2+release(IP3)mediatessignallingbetweenGPCRsandRhoA(GTPase)functionunderinvestigation第27页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

第28页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

第29页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第30页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第31页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第32页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第33页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第34页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第35页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第36页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第37页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导SmallGTP-bindingproteinsincludeRas(growthfactorsignalcascades).Rho(regulationofactincytoskeleton)Rab(vesicletargetingandfusion).ARF

(formingvesiclecoatomercoats).Ran

(transportofproteinsinto&outofthenucleus).AllGTP-bindingproteinsdifferinconformationdependingonwhetherGDPorGTPispresentattheirnucleotidebindingsite.Generally,GTPbindinginducestheactivestate.第38页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导MostGTP-bindingproteinsdependonhelperproteins

GAPs

GTPaseActivatingProteins,promoteGTPhydrolysis.第39页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导GEFs,

GuanineNucleotideExchangeFactors,promoteGDP/GTPexchange.Theactivatedreceptor(GPCR)servesasGEFforaheterotrimericGprotein.第40页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导鸟苷酸环化酶（GC）GC的激活间接地依靠Ca2+效应蛋白磷酸化NO作用机理：肌肉细胞中激活GC→蛋白激酶GHRGCGTPcGMPcGMP-依赖性蛋白激酶蛋白激酶G（一个cGMP结合位点）cGMP-蛋白激酶途径第41页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导CyclicNucleotideMetabolism-cGMP

第42页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

酶偶联受体及其介导的信号转导通路酶偶联受体的一般特征

酶偶联受体（enzyme-linkedreceptor），又称催化性受体（catalyticreceptor）。是一大类重要的膜受体家族。其共同的特点是：该类受体均为一次跨膜肽链，胞外区是配体结合位点；胞内区是蛋白激酶催化部位。无需G蛋白的介导作用，仅由受体自身酶蛋白的激活来直接完成信号的跨膜转导。受体的二聚化（dimerization）是该类受体激活的普遍机制。第43页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导类型①受体酪氨酸激酶②酪氨酸激酶连接的受体③受体酪氨酸磷脂酶④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤受体鸟苷酸环化酶⑥组氨酸激酶连接的受体

第44页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导酪氨酸激酶第45页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导信号转导过程配体（主要是各种生长因子）与受体结合；受体胞外区构象变化，聚合成二聚体；受体胞内区酪氨酸残基自磷酸化（受体激活）；活化的受体结合，并与胞质中带有蛋白SH（Srchomologregion）或PH结构域（PleckstrinHomology）的信号转导分子结合，形成受体－胞内信号蛋白复合体；传递信号并引发细胞相应的生物效应。第46页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

SH2结构域（SrcHomology2结构域）：约100个氨基酸组成，介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。

SH3结构域（SrcHomology3结构域）：约50-100个氨基酸组成，介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。

PH结构域（PleckstrinHomology结构域）：约100-120个氨基酸组成，可以与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞膜上。第47页,共91页，2024年2月25日，星期天•LigandbindsreceptorPTK第48页,共91页，2024年2月25日，星期天•LigandbindsreceptorPTK•AutophosphorylationontyrosinePPPP第49页,共91页，2024年2月25日，星期天•LigandbindsreceptorPTK•Autophosphorylationontyrosine•GRB2

(aSH2-andSH3-containingprotein)bindstothereceptorphosphotyrosinemotifY-V/L-N-XviaitsSH2domainPPPPSH2SH3GRB2SOS第50页,共91页，2024年2月25日，星期天•LigandbindsreceptorPTK•Autophosphorylationontyrosine•GRB2(aSH2-andSH3-containingprotein)bindstothereceptorphosphotyrosinemotifY-V/L-N-XviaitsSH2domain•TheSH3ofGRB2bindsconstitutivelytotheproline-richsequenceintheC-terminusofSOS

(aguaninenucleotideexchangefactorforRAS).

PPPPSH2SH3GRB2SOS第51页,共91页，2024年2月25日，星期天PPPPSH2SH3GRB2SOSGRB2•24kDaadaptormolecule.•OnlycontainsanSH2domainbetweentwoSH3domains第52页,共91页，2024年2月25日，星期天PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAS•OncogenicformsofRASoftenhavepointmutationsthatlockRASintheactiveGTP-boundform.Evidence:Cellswereinducedtoproliferateby+PDGFandEGF.Microinjectionofanti-RASantibodiesintothecellsblockedthecellproliferation.MicroinjectionofaconstitutivelyactivemutantofRAScausedcellstoproliferateintheabsenceofPDGFandEGF.第53页,共91页，2024年2月25日，星期天•TheRAS-GTPeffectordomaininteractswiththeN-terminalregulatoryregionoftheRAF

(serine/threonineproteinkinase),hencerecruitingRAFtothemembranePPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAF第54页,共91页，2024年2月25日，星期天PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFRAF•RAFisaserine/threonineproteinkinase•RAFisaMAPKkinasekinase(MAPKKK).•Cantransformcellswhenconstitutivelyactiveorwhenoverexpressed.第55页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFRAF•The14-3-3familyofscaffoldproteinsinteractsconstitutivelywithRAFviathephosphorylatedSer621inRAFBoth14-3-3andRASmayberequiredforactivationofRAF.第56页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFRAF•RASrecruitsRAFtothemembrane.MembranetargetingofRAFisnecessarytofullyactivateRAF.(ExpressionofmutantRAFthatcannotbindRAS

nostimulationofcellproliferationbyaconstitutivelyactiveRAS).第57页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivationofRAF(mostlikelybyphosphorylationofRAFandbindingtothescaffoldprotein14-3-3)PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAF第58页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedRAFinturnactivatesMEK(alsocalledMAPKkinase)byphosphorylationontwoconservedserineresiduesinMEK.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPP第59页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedRAFinturnactivatesMEK

(alsocalledMAPKkinase)byphosphorylationontwoconservedserineresiduesinMEK.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPP第60页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMEK•AlsocalledMAPKkinase(MAPKK).•PhosphorylatedonSer218andSer222byactivatedRAF.•MutationofMEKthatleadstoconstitutiveactivity(byreplacingthetwoSerwithglutamicacidsorasparticacids-bymimicphosphorylation)

MAPKactivation,mitogenicity,andcellulartransformation.第61页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMEKactivates

MAPK(aserine/threonineproteinkinase)byphosphorylationofconservedthreonineandtyrosineresidues.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPP第62页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMEKactivatesMAPK(aserine/threonineproteinkinase)byphosphorylationofconservedthreonineandtyrosineresidues.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPP第63页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPPMAPK•FiveisoformsofERKhavebeenidentified,butERK1andERK2havebeenmoststudied.第64页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPPMAPK•MAPKactivationisbiphasic:atransientpeakwithin5-10min,andasustainedpeaklastingseveralhours.Thedifferentactivationkinetics

differentcellularresponse(EGFinducesonlythetransientresponseandstimulatecellgrowth;butNGF(nervegrowthfactor)inducesthesustainedresponseandstimulatedifferentiation).第65页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPPMAPK•InactivationofMAPKisachievedbyseveralphosphatases:theserine/threoninephosphatasePP2A第66页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMAPKphosphorylatesanumberofsubstratesinthecytoplasmPPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPMAPKPPSubstratesSubstratesPP第67页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMAPKphosphorylatesanumberofsubstratesinthecytoplasmitalsotranslocatedintothenucleus(withinmin)whereitphosphorylatesnucleartranscriptionfactors.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPSubstratesMAPKPPMAPKPP第68页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMAPKphosphorylatesanumberofsubstratesinthecytoplasmitalsotranslocatedintothenucleus(withinmin)whereitphosphorylatesnucleartranscriptionfactors.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPSubstratesMAPKPPMAPKPP第69页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMAPKphosphorylatesanumberofsubstratesinthecytoplasmitalsotranslocatedintothenucleus(withinmin)whereitphosphorylatesnucleartranscriptionfactors.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPSubstratesMAPKPPMAPKPPP第70页,共91页，2024年2月25日，星期天14-3-3•ActivatedMAPKphosphorylatesanumberofsubstratesinthecytoplasmitalsotranslocatedintothenucleus(withinminutes)whereitphosphorylatesnucleartranscriptionfactors.

Transcriptionofgenesimportantforcellproliferation.PPPPSH2SH3GRB2SOSRASGTPRAFMEKPPSubstratesMAPKPPMAPKPPP第71页,共91页，2024年2月25日，星期天第72页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第73页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导TranscriptionFactorRegulation(CREB,Elk-1andc-Fos)ThetranscriptionfactorCREBbindstothecAMPresponseelement(CRE)andactivatesgenetranscriptioninresponsetoawidevarietyofextracellularsignals(includinggrowthfactors,hormones,andneurotransmitters).TranscriptionalactivationofCREBiscontrolledthroughphosphorylationatSer133byp90Rskandthep44/42MAPkinase.Thetranscriptionalactivityoftheproto-oncogenec-Foshasbeenimplicatedincellgrowth,differentiation,anddevelopment.Fosisinducedbymanystimuli,rangingfrommitogenstopharmacologicalagents.c-Foshasbeenshowntobeassociatedwithanotherproto-oncogene,c-Jun,andtogethertheybindtotheAP-1bindingsitetoregulategenetranscription.LikeCREB,c-Fosisregulatedbyp90Rsk.Elk-1isatranscriptionfactorthatisactivatedbytheMAPkinase-mediatedphosphorylationofaSer/Thrclusteratthecarboxylterminus.ActivatedElk-1bindstotheserumresponseelement(SRE)toinducegenetranscriptioninresponsetoserumandgrowthfactors.RecentstudieshavealsodemonstratedthatElk-1isatargetforthestress-activatedkinaseSAPK/JNK.第74页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导第75页,共91页，2024年2月25日，星期天JNKpathway•JNKtranslocationintothenucleus

phosphorylationofthetranscriptionfactorc-JUNattheN-terminalresidues(Ser63andSer73)

activationoftranscriptionbyc-JUNRac1/Cdc42GTPSTRESSPAKMEKK1-3PPMEK4PPJNKPPc-JUNP第76页,共91页，2024年2月25日，星期天Rac1/Cdc42GTPSTRESSPAKMEKK1-3PP14-3-3PPPPSH2SH3Grb2SosRasGTPRafMEK4PPMEKPPJNKPPMAPKPP第77页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导SpecificityofMAPkinasepathways•Whencellsaretreatedwithmitogenicagents(e.g.growthfactors),MAPK(ERK)becomestronglyactivatedbutJNKispoorlyactivated.•Conversely,whencellsarechallengedwithstress,JNKisactivatedbutMAPK(ERK)isonlyweaklyactivated.第78页,共91页，2024年2月25日，星期天细胞生物学—细胞信号转导

JAK(justanotherkinase,Janusproteintyrosinekinase)-STAT(signaltransducerandactivatoroftranscription)GF、IFN、EPO、G-CSF、IL-2、IL-6

其受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，借助细胞内的一类具有激酶结构的连接蛋白JAKs完成信息转导配体与非催化型受体结合后，能活化各自的JAKs，