生物化学：细胞信号转导

第十九章

CellSignalTransduction

细胞信号转导衰老机体结构细胞增殖细胞分化细胞凋亡细胞信号转导染色体生物大分子的结构与功能物质代谢能量代谢章讲课要点了解信号转导的基本概念掌握构成信号转导途径的基本要素及其特点掌握信号转导的分子机理了解信号转导研究的最新进展及发展趋势第一节引言图1近30年来公开发表的与细胞信号转导相关的论文变化趋势2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosisTable1NobelprizesawardedforresearchinsignaltransductionPart1.访问《科学》周刊

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和“衰老科学”(ScienceofAgingKnowledgeEnvironment，简称SAGEKE)Part4.访问STKE

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是生命科学研究领域的研究热点之一NIH在2004年确定的今后十年研究重点领域是

Discoveryofnewcellularsignalingpathway一、信号与信号转导egg

caterpillarchrysalis

butterfly

生物体的新陈代谢和生长发育主要受遗传信息及环境变化信息的调节控制

如何控制基因的表达及增殖、分化、发育等是分子生物学最大挑战。环境刺激在此过程中起着重要的调节作用—“细胞信号转导”研究的主要内容。它研究的中心问题史细胞感受、转导环境刺激及调节生理反应和基因表达的分子途径。一、信号与信号转导信号（signal）:是指在生物体生长发育过程中所受到的各种刺激，又称为初级信使（primarymessenger）信号的分类来源胞外信号胞内信号分子性质

化学信号物理信号1、信号及信号转导途径的基本概念一、信号与信号转导信号转导：当受体细胞通过存在于细胞表面或细胞内的某些分子(受体)感受胞外信号或胞内信号后，胞外信号转变为胞内信号并通过一系列胞内信号转导途径的组分，最终引起相应基因表达的改变和特定的生理生化响应（responses）。2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：感受（Perception）:

即靶细胞（targetcell）对来自于胞外的信号分子应答（检测）。通常是通过位于细胞质膜上的蛋白质分子（称为受体）所感知。当信号分子与受体蛋白特异性相互作用（结合）后，引起后者发生某种变化（活性或构象等），进而下游的信号转导过程。信号转导（Transductionstage）:信号的转换：即将信号分子转化为一种能产生特异性细胞应答的形式。信号转导通常需要一系列不同分子的参与，呈现级联放大形式2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：应答（Response）:被转导的信号引发(triggers)特异的生理生化过程的改变

因此，细胞信号转导过程可有助于一些关键性细胞活性在恰当的时间、适合的细胞以及与其它细胞协调地发生。一、信号与信号转导3、信号的归宿：（1）细胞代谢信号—它们使细胞摄入并代谢营养物质，提供细胞生命活动所需要的能量；（2）细胞分裂信号—它们使与DNA复制相关的基因表达，调节细胞周期，使细胞进入分裂和增殖阶段；（3）细胞分化信号—它们使细胞内的遗传程序有选择地表达，从而使细胞最终不可逆地分化成为有特定功能的成熟细胞；（4）细胞功能信号—如激素、蛋白、核苷酸等，使细胞能够进行正常的代谢活动等；（5）细胞死亡信号—这是细胞一生中发出的最悲壮、最惨烈的信号。这类信号一旦发出，为了维护多细胞生物的整体利益和生物种系的最高利益，就在局部范围内和一定数量上发生细胞的利他性自杀死亡！

二、信号转导系统的特征

1、为什么信号转导途径比代谢途径等途径要复杂得多？(1)人们可以通过示踪技术检测出代谢底物化学转化的连续步骤，但是不能够直接用这种方法来研究信号转导。因为在信号转导途径中输入信号的化学结构与信号的靶分子的结构一般是没有关系的。(2)与代谢反应等不同，信号的化学结构并不对其下游的过程产生影响。而代谢底物或者基因转录调节因子的构象会影响各自相关途径的进行；(3)与依赖模板的反应，如基因转录和DNA复制不同，在信号转导途径中不存在对全过程的进行和结局起操纵作用的模板；(4)其他途径常常是由线性排列的过程组成，一个反应接着另一个反应地、沿着既定的方向依次进行，直到终止。可以说，它们是直通式的，纵向交流的。而信号转导途径是非线性排列的。实际上，许多信号转导途径可以通过一系列的蛋白质与蛋白质相互作用形成一个网络（network），它们是全方位地交流的。二、信号转导系统的特征

2、信号转导途径的特性：（1）信号转导分子存在的暂时性（2）信号转导分子活性变化的可逆性（3）信号转导分子激活机制的类同性（4）信号转导途径的连贯性（5）作用的瞬时性与效果的永久性（6）信号转导的网络化（7）信号转导的专一性ReceptorSignal第二节

信号转导途径的基本组成成分信号转导系统的各种要素

（1）接受细胞外信号刺激并将它们转换成细胞内信号的成分；（2）有序地激活一个或者有限几个“唱主调”的信号转导途径，以诠释细胞内的信号；（3）使细胞能够对信号产生特定响应，并作出功能上或发育上决定（如基因转录、DNA复制和能量代谢等）的有效方法；（4）将细胞一生所作出的所有决定加以联网的方法，这样，细胞才能对在任何特定时刻作用于它的且种类繁多的信号作出协同响应。

1、受体(Receptor)受体的概念

受体是指存在于细胞内或细胞表面，能与信号分子或称配基（ligand）特异结合并能引起特定生理生化效应的一类特殊的蛋白质。受体的基本特征（1）能识别和结合信号分子，具有专一性；（2）能转导信号为细胞反应，产生特定的生理生化效应；（3）具有组织特异性；（4）对配基具有高亲和性；（5）与配基结合具有饱和性和可逆性。1、受体(Receptor)受体的分类

（1）膜受体：这类受体存在于细胞质膜上，通常由与配体相互作用的细胞外结构域、将受体固定在细胞膜上的跨膜结构域和起传递信号作用的胞内结构域三部分构成。这些受体通常是跨膜蛋白质。然而，也有一些受体可以通过聚糖磷脂酰肌醇(GPI)键挂在细胞膜上。

1、受体(Receptor)受体的分类

（2）细胞内受体：与上述几种膜受体不同，一些信号分子（配基）（如多肽激素、生长因子等）的受体是细胞内受体，它或者在细胞质中，或者在细胞核中。脂溶性的信号分子可以通过扩散方式穿过细胞膜，直接进入细胞内；信号分子也可以借助于某些载体蛋白进入细胞内。在细胞内，它们与相关受体结合，并直接作用于靶分子。1、受体(Receptor)植物细胞膜受体的种类①类受体蛋白激酶（receptor-likeproteinkinases,RLKs）1、受体(Receptor)植物细胞膜受体的种类②G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）1、受体(Receptor)植物细胞膜受体的种类③离子通道型受体2、胞内信使系统

第二信使（secondmessenger）：当细胞感知胞外信号刺激后，在受体细胞内常产生一些次级信号分子，从而将细胞外信息转换为细胞内信息

2、胞内信使系统信号的级联放大2、胞内信使系统（1）钙与钙调素

其主要实验证据来自于三个方面：（1）许多胞外信号刺激导致细胞质内Ca2+浓度（[Ca2+]cyt）瞬时的时空变化；（2）钙离子通道的抑制剂（如La3+等）可抑制由信号刺激引起的[Ca2+]cyt的时空变化，也抑制了相应的生理生化应答；（3）[Ca2+]cyt的时空变化参与了生长素和ABA的作用。

钙离子参与的信号转导途径CalmodulinInsomecasesCa2+activatesasignaltransductionproteindirectlybutmostlytheyfunctionbymeansofcalmodulinACa2+bindingproteinthat’spresentathighlevelsineukaryoticcells.MediatesmanycalciumregulatedprocessesRegulates:ProteinkinasesPhosphatases2、胞内信使系统（2）肌醇磷脂信使系统2、胞内信使系统（2）肌醇磷脂信使系统2、胞内信使系统（3）环核苷酸信号系统（cAMP）当信号分子与特异性受体蛋白结合后，活化了腺苷酰环化酶（膜蛋白）cAMP作为第二信使活化proteinkinaseA,aserine/threoninekinase.类似：cGMP2、胞内信使系统（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统2、胞内信使系统（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统2、胞内信使系统（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统Proteinkinasesandphosphatasesarethemselvesregulatedbycomplexsignalcascades.Forexample:SomeproteinkinasesareactivatedbyCa++-calmodulin.ProteinKinaseAisactivatedbycyclic-AMP(cAMP).第三节信号转导的分子机理

（以植物为例）一、异三聚体G蛋白介导的信号转导RolesofG-proteinmediatedsignalinginplantgrowthanddevelopmentandintheresponsestoenvironmentalstressProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling1、构成G蛋白介导的信号转导途径的组分G-蛋白偶联受体，GPCRG-蛋白效应蛋白（effectors）G-蛋白偶联受体，GPCRSevenTransmembraneProteins,7MMainlylocalizedinPM>1000GPCRsidentifiedinmammalianGeneralstructureofGPCRsanditsinteractionswithligands

GProteinHeterotrimericProtein:Gα,GβandGγGα:27,Gβ:6,Gγ:14

Gproteinno:27×6×14=2268GαhasGTPaseactivity,GβandGγFormsheterodimerGβγ

EffectorsGβγGαAdenylylcyclaseIonchannelsAdenylylcyclasePLCIonchannelsProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling

RegulatorsofG-ProteinSignalingproteins(RGS)Discovery:Geneticstudiesofyeast,wormsandAspergillusRolesofRGSproteinsinG-proteinsignaling:(1)Gαactivatingprotein(GAP)(2)RGSproteinsinteractwithothereffectorsRoleofG-proteininCellularSignalingGSGiGqG12/13aNa+

channelsCa2+

channelscAMPK+

channelscAMPPLC,cGMPPLC-b1-3BiologicalFunction-Smell&Taste(~1000receptors)-light-Neurotransmitters-Chemotoxin-Exocytosis-Bloodpressure-Embryogenesis-cellgrowth&differentiation-HIVinfection-OncogenesisNa+/K+exchangeregulation2.G-protein-mediatedSignalinginArabidopsisG-proteinsinArabidopsis

PrototypicalsinglecopyGαandGβarepresent

TwogenesforGγsubunitarereported

GenessimilartoGPCRisreported

NovelheptahelicalMlofamily(~15members)Extra-largeGαgenepresent(N-terminalBacterialTon-BBox)SimilarGαandGβgenesfromotherplantsarereportedMonomericG-proteinsarepresent,noRastype

ArabidopsisisasimplersystemArabidopsis: 1Galpha,Gisubfamily,mostsimilartoGzmember 1Gbeta 2Ggammas 2possibletrimersAnimals: 27Galphas,4subfamilies,Gs,Gi,Gq,G12/13 6Gbetas 14Ggammas 2268possibletrimers3.RegulatorofG-ProteinSignalingProtein(RGS):AnewproteininArabidopsisCDS:135—1514Protein:459aa,noname7transmembranedomains

AY091142

Arabidopsisthalianaunknownprotein

(At3g26090)mRNA,completecds

gi|20268775|gb|AY091142.1|[20268775]RGSPROTEIN成功分离到异三聚体G蛋白

亚基和

亚基的突变体，为进一步深入开展植物异三聚体G蛋白功能和信号转导的分子机制研究奠定了基础。这一突破性进展亦使植物异三聚体G蛋白成为国际性的研究热点。G蛋白介导的信号转导在植物生长发育中的作用Science(2001):Gproteinsmodulatecellproliferation证明拟南芥异三聚体G蛋白

亚基是细胞分裂的正调节子，而

亚基则是细胞分裂的负调节子。PlantPhysiol(2002):GproteinsmodulatemultiplesignalsPlantCell(2003):Gproteinsnegativelyregulateauxin-inducedcelldivisionPlantPhysiol

(2003):Gproteinsinlightsignaling

异三聚体G蛋白参与多种植物激素信号、糖信号、光信号和逆境信号的调节G蛋白介导的信号转导在植物生长发育中的作用PlantPhysiol

(2004):GproteinscanactindependentlyofGCR1PlantCell

(2005):Gproteinsmediatesozonestressresponse

从遗传学的角度证明，在拟南芥中，和异三聚体G蛋白偶联的受体（G-protein-coupledreceptor,GPCR）GCR1也可以通过另一条与异三聚体G蛋白非直接相关的途径调节种子的萌发。这一发现为植物中与异三聚体G蛋白偶联的受体在信号转导调节中的作用提供了又一个崭新的阐述。

G蛋白介导的信号转导在植物生长发育中的作用Science

(2003):

AseventransmembraneRGSproteinmodulatescellproliferation

MethodsEnzymol

(2004):RGS1mediatessugarsignaling在模式植物拟南芥中，发现一种非常独特的RGS蛋白。这种天然杂合体先前从没有在任何生物体上发现过，因而这一发现无论在异三聚体G蛋白所介导的信号转导分子机制研究上，还是在进化上都有着极其重大的意义。研究进一步确证RGS蛋白可以和异三聚体G蛋白的

亚基存在直接的相互作用，并为其功能提供了直接的分子生物学和遗传学的证据。RGS蛋白很可能充当葡萄糖的受体。这一突破性的发现被认为是异三聚体G蛋白研究史上的一个里程碑。G蛋白介导的信号转导在植物生长发育中的作用二、蓝光对气孔运动的调节蓝光促进气孔开放？气孔是是控制植物细胞与大气进行水气交换的重要机构，也研究植物细胞信号转导机理的良好的系统之一。保卫细胞响应蓝光引起气孔张开。气孔是由一对保卫细胞构成，其张开和关闭运动是由保卫细胞内膨压变化驱动的膨胀与收缩所控制。当保卫细胞从周围环境中被动吸收水分，引起保卫细胞膨胀，膨胀的保卫细胞通过纤维微丝的特异定向作用和保卫细胞细胞壁的不均匀加厚而导致气孔张开。保卫细胞的被动吸水主要是由K+离子通过保卫细胞膜上的电压门K+离子通道调节和质膜内侧的负电势驱动进入保卫细胞内引起水势降低引起的。蓝光引起的气孔张开主要是蓝光激活保卫细胞质膜上的H+离子泵（H+-ATPase），后者使膜内侧形成负电势。1、蓝光激活质膜H+-ATPase的机理蓝光照射后H+离子从保卫细胞向外“泵”出蓝光依赖的H+离子向外“泵”出是受保卫细胞质膜上的H+-ATPase所调节蓝光对H+-ATPase酶的活化与其磷酸化有关蓝光对H+-ATPase酶的活化作用是通过14-3-3蛋白与H+-ATPase磷酸化羧基末端结合实现的，H+-ATPase酶磷酸化本身不足于导致酶的活化。2、蓝光受体蓝光对H+-ATPase酶的活化作用是通过与存在于保卫细胞内的相应光受体特异结合实现的。保卫细胞内存在植物向光性有关的蓝光受体，称为Phot1(Phototropin1)和Phot2(Phototropin2)。该蓝光受体调节应答蓝光引起气孔张开的实验证据主要是：

（1）LOV结构域的吸收光谱与气孔张开的作用光谱一致；（2）对拟南芥Phot1和Phot2的单突变体，phot1和phot2及双突变体phot1phot2植株的气孔分析表明，在蓝光处理下，与野生型一样，两单突变体气孔照常开放，而双突变体的气孔则不开放，说明蓝光受体Phot1和Phot2在蓝光调节气孔开放中的作用具有冗余（redundance)；（3）当用真菌毒素fusicoccin直接活化H+-ATPase酶后，该双突变体的气孔正常开放。说明编码两受体基因表达同时受阻后，由于保卫细胞不能感知蓝光而导致蓝光不能促进气孔的开放；（4）用PHOTO1cDNA转化拟南芥phot1phot2双突变体，转基因植株叶片气孔恢复了对蓝光的应答；（5）蛋白质定位实验表明，蓝光受体Phot1均匀地定位于保卫细胞质膜上；（6）生物化学分析证明，蚕豆保卫细胞原生质体的蓝光受体应答蓝光后可发生磷酸化，并且达到最大磷酸化水平所需时间比质膜H+-ATPase酶应答蓝光发生磷酸化所需时间要短。当应用蛋白激酶抑制剂处理抑制Phototropins磷酸化时，同时也同样程度地抑制了H+-ATPase酶的磷酸化。

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