ch9 细胞信号转导

1、第九章 细胞信号转导信号转导的概念：指外界信号（如光、电、化学分子）与细胞内或表面受体作用，转换并开启细胞信号通路，进而引起细胞应答反应的一系列过程。第一节 细胞信号转导概述一、细胞通讯（cell communication）指一个细胞发出的信息通过介质（配体）传递到另一个靶细胞，并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导，产生靶胞内一系列生理生化变化，最终表现为靶细胞整体生物学效应的过程。（一）细胞通讯的方式主要有3种方式。1细胞间隙连接（gap junction，动物）和胞间连丝通讯（植物）2细胞间接触依赖性通讯3化学通讯根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类：1. 内

2、分泌（endocrine）：内分泌细胞分泌信号分子（如激素）随血液循环运输至全身，作用于靶细胞。2. 旁分泌（paracrine）：细胞分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近的靶细胞。包括：各类细胞生长因子；气体信号分子（如：NO）3. 化学突触通讯：神经递质或神经肽由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。4. 自分泌（autocrine）：细胞对自身分泌的信号分子产生反应，信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞。常见于病理条件下，如肿瘤细胞合成并释放生长因子刺激自身，导致肿瘤细胞持续增殖。二、信号分子与受体（一）信号分子生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（

3、声、光、热、电流），也可以是化学信号。1. 分类从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性2类：脂溶性信号分子、水溶性信号分子2. 细胞信号分子的共同特点特异性，只能与特定的受体结合；高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。（二）受体受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，少数为糖脂，也有受体为糖蛋白糖脂复合物（如促甲状腺素受体）。当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动信号转导途径，引发2种主要的细胞反应，最终表现为

4、改变细胞行为。 快反应：细胞内预存蛋白活性或功能改变，进而影响细胞代谢功能的短期反应。 慢反应：影响细胞内特殊蛋白的表达量的长期反应（最常见方式是通过转录因子的修饰来激活或抑制基因表达）。1. 分类根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为：细胞内受体（intracellular receptor）和细胞表面受体（cell surface receptor）。2. 每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如

5、肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。3. 受体的脱敏和下调信号强度过强或细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞将通过多种途径使受体脱敏，产生适应。受体脱敏机制有5种：（1） 受体没收（receptor sequestration）通过受体介导内吞作用，将受体移到细胞内部，暂时隐蔽起来；在早胞内体的中（pH 5.0）受体和配体解离，受体返回质膜再利用，配体进入溶酶体被消化。（2）受体下调（receptor down-regulation）通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解。（3）受体失活(receptor inactivation)修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔

6、离，即受体失活。（4）信号蛋白失活信号级联传递反应受阻，受体不能发挥作用。（5）产生抑制性蛋白受体结合配体被激活后，在下游反应中产生抑制性蛋白，形成负反馈机制而降低或阻断信号转导途径。（三）第二信使与分子开关1信使分子（1）第一信使细胞外化学信号分子，称为第一信使（primary messenger）；（2）第二信使 在细胞内产生的非蛋白类小分子，通过其浓度变化应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非酶蛋白的活性从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、Ca2+、二酰基甘油（DAG）、肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和3，4，5-三磷

7、酸磷脂酰肌醇（PIP3）等。2. 分子开关（1）分子开关的概念在细胞内信号级联传递途径中，有的信号蛋白可通过活化的“开启”和失活的“关闭”2种状态来控制下游靶蛋白的活性，称之为分子开关（蛋白）。（2）分子开关蛋白的类型 有3类分子开关蛋白。 GTPase开关 包括三聚体G蛋白和单体G蛋白,如Ras蛋白。结合GTP时呈活化的“开启”状态，结合GDP时呈失活的“关闭”状态，通过这2种状态的转换控制下游靶蛋白的活性。GTPase开关蛋白由活化状态转换为失活状态，该过程受GTPase促进蛋白（GTPase-acceleration protein, GAP）和G蛋白信号调节在（regulator of

8、 G protein-signaling, RGS）所促进，受鸟苷酸解离抑制蛋白（guanine nucleotide dissociation inhabitor,GDI）的抑制；GTPase开关蛋白的再活化被鸟苷酸交换因子(guanine nucleotide-exchage factor,GEF)所促进。 蛋白激酶/蛋白磷酸酶控制的磷酸化/去磷酸化分子开关蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸。蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化。通过蛋白激酶/磷酸酶使靶蛋白磷酸化/去磷酸化，为细胞提供一种“开关”机制，使各种靶蛋白处于活化或失活状态。（

9、有的蛋白磷酸化时有活性，有的去磷酸化时有活性） Ca2+依赖的钙调蛋白 结合Ca2+活化，未结合Ca2+失活。三、信号转导系统及其特性（一）细胞内信号蛋白的相互作用 信号蛋白的相互作用是依靠蛋白质的不同模式结合域（modular binding domain）与匹配的基序（motif）或蛋白质上特定修饰位点识别与结合，从而在细胞内组装成不同的信号转导复合物，构成细胞内信号传递通路的结构基础。SH2结构域：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。SH3结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。PH结构域：可以与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞

10、膜上。（二）细胞内信号蛋白复合物的装配信号蛋白复合物的形成有重要生物学意义：在时空上增强细胞应答反应的速度、效率和反应的特异性。细胞内信号蛋白复合物装配有3种策略：（1）基于支架蛋白的信号蛋白复合物的装配（2）在活化受体上装配信号蛋白复合物（3）肌醇磷脂锚定位点结合信号蛋白复合物（三）信号转导系统的主要特性1特异性：受体-配体“结合”特异性，“效应器”特异性2放大效应：通过细胞内信号放大的级联反应实现3网络化与反馈调节机制：信号转导系统的网络化特性由一系列正反馈和负反馈环路组成，有利于克服分子间相互作用的随机性对细胞生命活动的负面干扰。4信号整合作用：通过整合不同的信息，细胞对胞外信号分子的特

11、异性组合作出程序性反应，从而维持生命活动的有序性。第二节 细胞内受体介导的信号传递一、细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内核受体的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白（转录因子）。甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，其受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与胞质鸟苷酸环化酶结合，改变酶的构象，导致酶活

12、性的增强和cGMP合成增多。cGMP激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），PKG磷酸化Ca2+泵使之活化，从而降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，血管扩张、血流通畅。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞；硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量 。第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导一、G蛋白耦联受体的结构与激活（一）G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor,GPCR）是指配体受体复合物与靶蛋白（效应酶或通道蛋白）的作用要通过与G蛋白的偶联，调节相关酶的活性，在细胞内产生第二信使

13、，从而将胞外信号跨膜传递到胞内,影响细胞的行为。G蛋白偶联受体种类很多，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白偶联型受体。（二）G蛋白三聚体GTP结合调节蛋白的简称,位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成，和亚基以异二聚体形式存在， 和亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，亚基本身具有GTPase 活性。当亚基与GDP结合时处于失活的关闭状态，与GTP结合时处于活化的开启状态。二、G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路(一) 激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路以心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道为例心肌细胞中M乙酰胆碱受体

14、与Gi 蛋白偶联，受体结合乙酰胆碱而活化；活化的受体与三聚体Gi蛋白的Gi亚基结合，使其结合的GDP被GTP置换，引发三聚体Gi蛋白解离；释放的G亚基复合物结合并开启质膜上的K+通道，使K+外流，导致心肌细胞膜超极化，降低心肌细胞的收缩频率。与Gi结合的GTP水解形成GDP时，Gi-GDP重新与G结合形成三聚体Gi蛋白。（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体所介导的信号通路（cAMP信号通路）1. cAMP-PKA信号通路的反应链刺激性(抑制性)激素刺激性（抑制性）G蛋白耦联受体刺激性（抑制性）G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A酶或基因调控蛋白代谢反应或基因转录。2cAM

15、P-PKA信号通路的组分 刺激性激素受体（Rs）或抑制性激素受体（Ri） 刺激性G蛋白（Gs）或抑制性G蛋白（Gi）刺激性（激活性）激素与刺激性受体结合，激活刺激性G蛋白的Gsa, Gsa激活腺苷酸环化酶活性，提高靶细胞cAMP水平。抑制性激素与抑制性性受体结合，激活抑制性G蛋白的Gia, Gia抑制腺苷酸环化酶活性，降低靶细胞cAMP水平。 腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase，AC）在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。 环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）可降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。 蛋白激酶A（Pr

16、otein Kinase A，PKA）由2个催化亚基（C）和2个调节亚基（R）组成，每个R亚基有2个cAMP结合位点。在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的X-Arg-Arg/Lys-X-Ser/Thr-基序（X代表任意氨基酸，代表疏水氨基酸）中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性。在不同的组织细胞中，活化的PKA异构体及其效应酶（底物）不同，从而产生不同的效应。如：肝细胞和肌细胞：促进糖原分解，抑制糖原合成。脂肪细胞：活化PKA使磷脂酶磷酸化而激活，

17、促进甘油三酯水解成脂肪酸和甘油。卵巢细胞：促进类固醇激素（雌激素和孕酮）合成。某些分泌细胞：激活相关靶基因的转录表达。3. 在肝细胞和肌细胞中，活化的PKA有3方面的因素来调节糖原代谢（促进糖原分解和抑制糖原合成）A活化PKA使糖原磷酸化酶激酶（GPK）磷酸化而活化，从而促进糖原降解；B另一方面，活化的PKA使糖原合酶（GS）磷酸化而失活，从而抑制糖原合成；C此外，活化的PKA使磷蛋白磷酸酶抑制蛋白（IP）磷酸化而活化，导致磷蛋白磷酸酶（PP）失活，从而使磷酸化的GPK和磷酸化的GS不能去磷酸化，也表现为促进糖原分解和抑制糖原合成。（三）激活磷脂酶C、以 IP3和DAG作为双信使G蛋白偶联受体

18、介导的信号通路（磷脂酰肌醇信号通路）在磷脂酰肌醇信号通路中，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-），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（DAG）两个第二信使（IP3在细胞质中扩散，DAG是亲脂性分子，联系在膜上），胞外信号转换为胞内信号，分别激活2个不同的信号通路，即IP3-Ca2+和DAG-PKC途径。因此，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。1. IP3-Ca 2+信号通路IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升

19、高，激活各类依赖钙离子的蛋白。Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应。钙调蛋白（calmodulin，CaM）是真核细胞中普遍存在的Ca 2+应答蛋白，由单一肽链构成，具有4个钙离子结合部位。结合钙离子，发生构象改变而活化，可调节钙调蛋白依赖性酶的活性。细胞对Ca 2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性酶的种类。NOTE 1: ryanodine Ca 2+通道（ryanodine受体）除IP3配体门Ca 2+通道外，肌肉细胞内质网（肌质网）膜上还存在ryanodine Ca 2+通道，也称ryanodine受体，因与一种植物碱ryanodine(雷诺丁)具有很高的亲和力与特异性

20、。Ryanodine Ca 2+通道为电压门Ca 2+通道。NOTE 2： 钙火花（calcium sparks）用与Ca2+特异结合的荧光探针（如Fluo-3）和激光共焦显微镜检测细胞中的Ca2+，可发现细胞中某微区荧光强度骤升而后很快消失的现象，称为钙火花。钙火花为ryanodine通道释放Ca2+使细胞内某微区Ca2+浓度瞬时增高引起的。2. DAG-PKC信号通路DAG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC与Ca2+结合，暴露出疏水的膜结合区而转位

21、到质膜内表面，被DAG活化，活化的PKC可以使底物蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，使不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。第四节 酶联受体介导的信号转导酶偶联型受体（enzyme linked receptor，也称催化性受体）分为2大类：其一是本身具有酶活性；其二是本身没有酶活性，但胞内段可以连接非受体酶。这类受体的共同点是：通常为跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），也称酪氨酸蛋白激酶受体，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋

22、白类激素，包括神经生长因子（NGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）等多种生长因子和胰岛素。其主要功能是控制细胞增殖、生长、分化，而不是调控细胞中间代谢。1受体酪氨酸激酶的结构和激活 胞外结构域：N端，含配体结合位点受体酪氨酸激酶 跨膜螺旋 胞质结构域：C端，包括自磷酸化位点和具酪氨酸激酶活性的催化位点配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基（即受体自磷酸化）。磷酸酪氨酸残基可被含SH2结构域的胞内信号蛋白识别，作为下游

23、信号蛋白的锚定位点， 启动信号转导。2. Ras及其活化ras (rat sarcoma, 大鼠肉瘤) 基因的表达产物。190 aa的小G蛋白，位于胞质侧，结合GTP激活，结合GDP失活。Ras-GTP和Ras-GDP的转换需要鸟苷酸交换因子(GEF)和GTP酶活化蛋白（GAP）。3. RTK-RAS-MAPK信号途径（1）受体酪氨酸激酶（RTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应。（2）活化的Ras蛋白与Raf（又称MAPKKK）的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶。（3）

24、活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。（4）MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基磷酸化使之激活。（5）MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，磷酸化修饰许多底物蛋白和基因调控蛋白（转录因子），改变基因表达。第五节 其他细胞表面受体介导的信号通路Notch 信号通路 Notch信号通路是一种细胞间接触依赖性通讯方式。Notch信号是细胞与细胞间相互作用的主要信号通路之一，对多细胞生物中细胞分化命运的决定起关键作用。Notch受体由Notch基因编码，为