发育中的信号转导与网络调控新

概述信号传导是细胞间通讯的主要形式，即由信号细胞产生信号分子，诱导靶细胞发生某种反应。靶细胞通常通过特异性受体识别细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内信号，引起细胞发生反应，这一过程称为信号传导。第2页,共57页，2024年2月25日，星期天第一节参与早期胚胎发育的信号调节途径①TGFβ信号途径②Wnt信号途径③Hedgehog

['hedʒhɔg]信号途径④Notch[nɔtʃ]信号途径⑤酪氨酸激酶受体途径⑥JAK-STAT信号途径⑦视黄酸（retinoicacid，RA）途径第3页,共57页，2024年2月25日，星期天一、TGFβ信号途径TGFβ：即转化生长因子β是一类分泌性的信号分子。TGFβ超家族因子包括30多个成员，可分为TGFβ、BMP、Activin等亚类。TGFβ家族因子在早期发育中起着关键作用：TGFβl，2，3，5：参与了细胞外基质形成和细胞分裂的调节；BMP因子：在脊椎动物及果蝇的胚胎背-腹轴图示形成过程中具有重要作用；Nodal(属于BMP因子亚类)：在脊椎动物胚胎中胚层的图示形成及左-右轴的建立过程中起着关键作用。第4页,共57页，2024年2月25日，星期天一、TGFβ信号途径TGFβ类分子是以前体形式合成的，需要经过加工才能成为有活性的成熟形式，其成熟单体之间通过二硫键形成二聚体。TGFβ类配体（与受体专一性结合的分子）通过其受体复合体激活下游信号传递。其受体具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性，包括2个亚类，即I型和II型受体。第5页,共57页，2024年2月25日，星期天I型、II型受体I型和II型受体均为单跨膜受体蛋白，激酶活性区城位于膜内，但I型受体在膜内紧接着跨膜区有一个特征性的富含甘氨酸与丝氨酸的区域(称为GS区城)。不同的TGFβ类配体结合不同的I型和II型受体，二者都是信号传导所必需的。第6页,共57页，2024年2月25日，星期天一、TGFβ信号途径①TGFβ配体首先与II类受体(TβR-II)结合；②TGFβ

I类受体(TβR-I)也被募集到这一复合体中；③TβR-II会磷酸化TβR-I的GS区域并使其活化。TβR-I单独不能结合TGFβ。BMPI型或II型受体可以单独较弱地结合BMP分子，但只有在I、II型受体共同存在时才具有高亲和力。研究表明：TGFβ信号传导受体复合物是一个异源四聚体，包括2个TβR-I和2个TβR-II分子。第7页,共57页，2024年2月25日，星期天Smad蛋白Smad蛋白(果蝇中为Mad)在传递TGFβ类信号中起着关键作用。脊椎动物至少有9个Smad，依据共功能不同可分为3类，即受体调节型Smad(R-Smad)、通用型(Co-Smad)和抑制型Smad。④TGFβI类受体被激活后可磷酸化R-Smad。R-Smad具有受体特异性，BMP受体可激活Smad1，5，而TGFβ、Activin可激活Smad2，3。⑤R-Smad被活化后与Co-Smad(Smad4)形成复合体并转运至细胞核内调节靶基因的表达。抑制型Smad：包括Smad6，7。它们可与R-Smad竞争I型受体结合位点而抑制其激活。Smad6也可通过与R-Smad形成无活性的二聚体而抑制其活性。第8页,共57页，2024年2月25日，星期天TGFβ信号途径第9页,共57页，2024年2月25日，星期天TGFβ信号途径第10页,共57页，2024年2月25日，星期天二、Wnt信号途径Wnt基因家族编码一类分泌性的信号因子，在早期胚胎发育中具有重要功能。最早发现的wnt家族基因是小鼠的wnt-1（最初称int-1）和果蝇的wingless。人类有19个wnt基因，果蝇有7个。Wnt可以激活多种信号传导途径，引起不同的细胞反应。第11页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt蛋白分类根据其活性的差异，可将Wnt蛋白分为两大类，Wnt-1/wg类和Wnt-5a类。①wnt-I类：（如wnt-1，-2，-3A，-7B，-8及-8B，wingless）在爪蟾胚胎中异位表达时可以诱导次级体轴的形成并能够转化C57MG乳腺上皮细胞；②wnt-5a类：（如wnt-4，-5A及-11）不具有次级体轴诱导的能力，但可以降低细胞的黏着性，改变细胞的运动状态。第12页,共57页，2024年2月25日，星期天（一）Wnt/β-catenin途径Wnt/β-catenin信号途径又称经典Wnt信号途径。参与了脊椎动物胚胎体轴的建立与分化、果蝇的分节等发育过程。Wnt的主要受体是Frizzled（Fz）家族受体，属于7次跨膜蛋白。其N端膜外区含有一个富含半胱氨酸

（Cys）的区域，是与Wnt配体结合的区域。Wnt/β-catenin信号的活化还需要另一个Wnt辅助受体LRP5/6（属于低密度脂蛋白受体相关蛋白，果蝇中的同源蛋白称为Arrow）。第13页,共57页，2024年2月25日，星期天β–cateninβ–catenin（果蝇中称Armadillo）是该途径中的效应因子。β–catenin具有两种功能：①一方面在细胞连接处它与钙粘素相互作用，参与形成粘合带（细胞连接的一种），对于细胞粘连具有重要作用；②另一方面，存在于细胞之中的可溶性β–catenin则参与了Wnt信号的传导。第14页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/β-catenin途径失活①在Wnt信号没有被激活时，胞质内的β–catenin与多种蛋白质形成一个复合体，包括GSK3、APC、Axin等。GSK3：糖原合成激酶，在没有Wnt信号时，GSK-3能将磷酸基团加到β-catenin氨基端的丝氨酸/苏氨酸残基上，磷酸化的β-catenin通过泛素-蛋白酶体途径被迅速降解。APC：一种抑癌基因，其突变引起良性肿瘤——腺瘤性结肠息肉病，APC蛋白的作用是增强复合体与β-catenin的亲和力。Axin：一种支架蛋白，具有多个与其它蛋白作用的位点，能将APC、GSK3、β-catenin等结合在一起。第15页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/β-catenin信号通路未激活状态Wnt/β-catenin信号通路激活状态Wnt/PCP信号通路第16页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/β-catenin途径活化②当Wnt配体与Fz/LRP6（受体/辅助受体）结合时，会诱导Axin与LRP6膜内部分结合，使得原蛋白复合体解聚。同时Fz可通过Dishevelled（Dsh）抑制GSK3的活性，β–catenin不会被降解掉。Dsh是一种多功能蛋白，可以与多种蛋白结合，在不同条件下可分别参与Wnt/β–catenin途径和Wnt/JNK途径。③β–catenin在细胞质内积累，并进入细胞核内，与T-细胞因子（TCF）家族的转录因子一起激活靶基因的转录。④当β–catenin不存在时，TCF可与转录抑制因子Groucho（Gro）结合而抑制相应基因的转录。第17页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/β-catenin途径活化抑制GSK3的活性结合复合体解聚第18页,共57页，2024年2月25日，星期天（二）Wnt/JNK途径Wnt/JNK途径又称为平面细胞极性途径或非经典Wnt信号途径。最早发现于果蝇。在果蝇上皮性组织中，细胞的表面结构或不同类型的细胞在组织水平面的分布是不对称的，如上皮刚毛的分布，复眼中不同类型细胞的分布等，这种极性称为平面细胞极性（PCP）或组织极性。若调节该极性的信号途径基因发生突变，则会使刚毛、复眼等结构的位置和排列方向发生随机改变。第19页,共57页，2024年2月25日，星期天Fz和Dsh在Wnt/JNK途径中的作用对果蝇中该类突变的研究发现Fz和Dsh也参与了这一过程。Dsh的下游因子包括Rho家族的小分子GTP酶RhoA和Rac，可以结合并水解GTP。小分子GTP酶在其结合GTP时是有活性的，可活化下游效应分子，而当GTP被水解成为GDP时则回复到非活性状态。第20页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/JNK途径①在Wnt/JNK途径中，Wnt/Fz通过Dsh同时激活Rac和RhoA，其中对RhoA的激活需要Daam1的作用。②Rac进而激活JNK，而RhoA则激活Rock。③JNK和Rock再激活其下游效应因子，最终引起细胞骨架的重排和转录水平的变化。第21页,共57页，2024年2月25日，星期天Wnt/JNK途径第22页,共57页，2024年2月25日，星期天三、Hedgehog信号途径Hedgehog（Hh）家族蛋白是一类分泌性信号分子，在动物发育过程中具有重要作用。果蝇的Hedgehog信号途径在体节形成中起着重要作用；脊椎动物的Sonichedgehog（Shh）参与了神经系统的背-腹轴图式形成及肢的发育，Indianhedgehog（Ihh）参与了骨骼的发育。第23页,共57页，2024年2月25日，星期天Hedgehog蛋白Hh蛋白是以前体形式合成的，其中其N末端具有信号活性而C末端具有蛋白酶活性，Hh蛋白合成后经历一个自我催化的裂解过程，形成N末端（HhN)和C末端两部分，其中N末端部分具有信号活性。Hedgehog的受体Patched（Ptc）是一个12次跨膜蛋白，Ptc会抑制另一个7次跨膜蛋白Smoothened（Smo）的活性。Cubitusinterruptus（Ci）是这一信号途径中的转录效应因子，其脊椎动物中的同源蛋白是Gli。第24页,共57页，2024年2月25日，星期天Hedgehog信号途径失活①在没有Hh配体时，Smo没有活性;②Ci蛋白与Cos2（一种微管结合蛋白）、Fused（一种激酶）和SuppressorofFused[Su（Fu），一种胞质蛋白]形成一个复合体并结合于微管之上；③Ci进而被PKA磷酸化并Slimb（一种F-box蛋白）依赖性地被蛋白酶分解。④分解产物Ci75是一种转录抑制因子，可以进入细胞核而抑制Hh靶基因的转录。第25页,共57页，2024年2月25日，星期天Hedgehog信号途径失活第26页,共57页，2024年2月25日，星期天Hedgehog信号途径活化①当Hh与Ptc结合时，Ptc发生构象改变，对Smo的抑制作用解除；②Smo的活化会促进Cos2/Fused/Su（Fu）复合物的磷酸化而从微管上解离下来，同时可抑制PKA活性，从而抑制Ci的裂解。③完整的Ci（Ci155

）可以进入细胞核并结合转录激活辅助因子CBP，激活相应Hh靶基因的表达。第27页,共57页，2024年2月25日，星期天Hedgehog信号途径活化第28页,共57页，2024年2月25日，星期天四、Notch信号途径Notch信号途径在神经细胞的分化、脊椎动物体节的发育等过程中具有重要作用。Notch是一个很大的单跨膜受体蛋白，其配体也是一类跨膜蛋白，统称为DSL配体。Notch信号只能作用于相邻细胞之间。

Notch信号的传递过程比较独特，是通过膜内蛋白水解机制（RIP）进行的。第29页,共57页，2024年2月25日，星期天Notch信号途径从Notch受体的合成、加工到最后的信号传递先后经历了3次蛋白水解。①第一次发生在Notch的成熟过程中：在高尔基体中，Notch被Furin类转化酶水解为两个部分，二者之间通过非共价键形成异源二聚体并被转运到细胞膜表面。②当DSL配体与Notch结合时会诱发Notch发生两次断裂，第一次发生在膜外靠近细胞膜的地方，是由TACE类跨膜金属蛋白酶催化。第30页,共57页，2024年2月25日，星期天Notch信号途径③紧接着，在Notch跨膜区中间发生断裂，这一过程是由跨膜的Presenilin类γ-分泌酶介导的。断裂后产生的游离的Notch胞内部分称为Notch细胞内区域（NICD）。④NICD进而被转运至细胞核内，并与CSL[CBF/Su（H）/Lag-1的第一个字母缩写]家族转录因子结合，激活Notch靶基因的表达。第31页,共57页，2024年2月25日，星期天Notch信号途径①②③第32页,共57页，2024年2月25日，星期天五、酪氨酸激酶受体途径大多数生长因子的细胞表面受体属于酪氨酸激酶受体（RTK）家族。生长因子：包括表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、神经细胞生长因子（NGF）、血小板源生长因子（PDGF）、血管内皮细胞生长因子、胰岛素、胰岛素样生长因子（IGF）、Ephrin等。这些生长因子在早期发育中具有重要作用：EGF在果蝇卵子轴性的决定及成虫盘的发育中；FGF在脊椎动物神经系统图式形成和肢的发育中；Ephrin在脊椎动物体节形成、后脑分节及神经轴突的导向过程中都起着关键作用。第33页,共57页，2024年2月25日，星期天酪氨酸激酶受体（RTK）家族RTK属于单跨膜蛋白，其共同特征是细胞内部分带有酪氨酸激酶结构域，具有酪氨酸激酶活性。不同生长因子受体在结构上也有所差异。RTK与相应配体结合后，会发生二聚体化或多聚体化，分子间相互催化在多个位点发生磷酸化。磷酸化的RTK胞内部分为多种信号传导蛋白提供了结合部位。第34页,共57页，2024年2月25日，星期天膜外膜内细胞膜第35页,共57页，2024年2月25日，星期天MAPK信号传递途径RTK主要激活MAPK（丝裂原激活的蛋白激酶）信号传递途径。MAPK属于一种Ser/Thr蛋白激酶，可在多种不同的信号转导途径中充当信号转导因子。MAPK传导途径包括一系列激酶介导的级联磷酸化反应。MAPK本身需要被磷酸化才能被活化，催化这一过程的激酶称为MAPK激酶（MAPKK）；而MAPKK又需要被MAPKK激酶（MAPKKK）所激活。MAPK分为3类：ERK、JRK和p38。RTK主要激活ERK。第36页,共57页，2024年2月25日，星期天MAPK信号传递途径①RTK与相应配体结合后，会发生二聚体化或多聚体化，分子间相互催化在多个位点发生磷酸化。②RTK被磷酸化后，会结合一种含有SH2结构域的接头蛋白Grb2。SH2结构域可以识别并结合磷酸化的酪氨酸残基。③Grb2可结合一种鸟苷酸置换因子（GEF）Sos；④Sos可以活化G蛋白Ras。Ras是一种重要的分子开关，具有GTP酶活性，当它结合GTP时是活化的，而当GTP被水解为GDP时则没有活性。Ras的活性/失活的调控是这一信号途径的关键调节点，因此这一途径又被称为Ras信号途径。第37页,共57页，2024年2月25日，星期天MAPK信号传递途径⑤Ras被活化后会激活一种MAPKKK——Raf；⑥Raf进而激活一种MAPK激酶——MEK；⑦MEK进一步激活ERK；⑧活化的ERK可以进入细胞核并磷酸化多种转录因子，从而调节其转录活性。ERK也可磷酸化细胞质中的靶蛋白，如Ser/Thr蛋白激酶Rsk，活化的Rsk进入细胞核可调节部分转录因子的活性。第38页,共57页，2024年2月25日，星期天MAPK信号传递途径第39页,共57页，2024年2月25日，星期天肌醇磷脂信号途径有些RTK（如FGF受体）也可激活肌醇磷脂信号途径。这是由磷脂酶C（PLC）和/或磷脂酰肌醇3’-激酶（PI3K）介导的。①活化的RTK可结合并激活PLCγ和PI3K。②PLC可水解细胞膜中的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2），产生可溶性的肌醇三磷酸（IP3）和脂酰甘油（DAG）。③IP3可促进胞内Ca2+的释放。胞内Ca2+的的增高会引起多种反应。④Ca2+还与DAG协同激活蛋白激酶C（PKC）。⑤PI3K可催化形成磷酸化磷脂酰肌醇，包括PI（3）P、PI（3，4）P2和PI（3，4，5）P3，这些产物可激活多种效应因子（如SARA、PKB、Ras等）。第40页,共57页，2024年2月25日，星期天肌醇磷脂信号途径第41页,共57页，2024年2月25日，星期天六、JAK-STAT信号途径STAT即信号转导与转录激活因子，含有SH2结构域。SATA的活化是由Janus激酶（JAK）完成的。①JAK可与相应受体结合。而相应配体与受体结合时，会引起受体的二聚体化，使得与膜受体结合的两个JAK分子相互接近而发生磷酸化。②活化的JAK可磷酸化相应受体膜内部分的一些酪氨酸残基，为STAT提供结合位点。③STAT进而与膜受体结合，被JAK磷酸化而激活。④活化的STAT可形成二聚体并进入细胞核，与DNA上的STAT结合位点结合而调节靶基因的表达。这一途径被称为JAK-SATA信号途径。JAK-SATA途径在血细胞及骨髓的生长于分化过程中具有重要作用。第42页,共57页，2024年2月25日，星期天JAK-STAT信号途径第43页,共57页，2024年2月25日，星期天七、视黄酸（retinoicacid，RA）途径视黄酸是小分子脂溶性信号分子，可以自由通过细胞膜和核膜。其受体主要存在于细胞核中。两类受体：视黄酸受体（retinoicacidreceptor,RAR）视黄素X受体（retinoidXreceptor,RXR）RA受体以同源或异源二聚体形式结合DNA，不同的二聚体组合识别的DNA序列略有不同，从而调节不同靶基因的表达。视黄素在脊椎动物神经系统前后轴的图式形成及肢的再生过程中具有主要作用。第44页,共57页，2024年2月25日，星期天第二节信号活性的调控与相互关联一、信号活性的调控对配体活性的调节：如加工修饰（Wnt和Hedgehog被棕榈酰化）；配体结合因子（BMP抑制因子：Noggin、Chordin、Caronte等）；对受体活性的调节：与受体蛋白正确折叠加工有关的分子伴侣；蛋白多糖（抑制FGF信号的活性）；蛋白聚糖（促进Wnt、FGF辅助受体的活性）；对信号途径中转录效应因子活性的调控：浓度和稳定性的调节（泛素-蛋白酶体途径可调控Wnt中的β-catenin，TGFβ途径的Smad）；向细胞和转运的调控（MAPK可磷酸化Smad抑制其向核内转运）；信号活性的负反馈调节：一个信号途径的活化激活相应信号途径的负调控因子的表达，从而抑制相应信号途径的过度活化（FGF信号途径中的Sef和Sprouty）第45页,共57页，2024年2月25日，星期天二、信号途径的关联和整合不同信号传递途径的相互关联：同一信号分子可同时激活多种下游传递链（RTK可同时激活MAPK、PKC、STAT等）；很多信号效应因子是多功能的，可调节其他途径信号因子的活性（活化的ERK可磷酸化Smad1、2、3，抑制它们向核内转运；STAT途径可激活Smad7的表达而抑制FGFβ途径）；信号途径特异性的调控：来自信号传递途径的转录调节信息与组织特异性转录调节信息在靶基因的顺式调控元件水平得以整合；不同信号途径在靶基因增强子水平的整合：果蝇eve基因在肌肉前体细胞中的表达，受多个信号途径的调控。第46页,共57页，2024年2月25日，星期天三、形态发生原信号分子在胚胎的图示形成过程中起着关键作用。图式形成：即一种器官或整个躯体不同区域出现有序分化的过程，如胚胎或器官沿体轴的分化。这一过程控制着机体或器官图式元件（如不同组织、结构或细胞类型）的空间排布。胚胎中的每一位置都表达不同的位置信息，位于相应位置的细胞应能够感应这一信息而作出正确的反应(分化或增值等)。不同信号分子的区域性表达是提供区域特异性信息的重要途径。第47页,共57页，2024年2月25日，星期天三、形态发生素早在19世纪末MorganTH