第七章信号转导

第七章 细胞信号转导淮南师范学院生命科学系 主讲人：童贯和 生长发育 是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程 ,而基因的表达除了受 遗传因素 支配外 ,也受周围 环境 的调控。 植物在整个生长发育过程中，受到各种内外因素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出 相应反应 ，确保正常的生长和发育。 植物细胞信号转导（ signal transduction） 是指细胞耦联各种刺激信号（包括各种内外刺激信号）与其引起特定生理效应之间的一系列分子反应机制。重力作用光合作用的光光形态建成的光温度风病原微生物土壤微生物有毒元素和有毒化学物质矿质营养水分状况土壤性质寄生生物草食昆虫大气湿度光周期植物细胞信号转导的模式细胞接收胞外信号进行信号转导可以分为 4个步骤： 1.信号分子与细胞表面受体的结合； 2.跨膜信号转换； 3.在细胞内通过信号转导网络进行信号传递、放大与整合； 4.导致生理生化变化。如果信号分子可以直接进入细胞，前两个步骤可省略。第一节 信号与受体结合一、信号 (signals)对植物体来讲 ,环境变化就是刺激 ,就是信号。如含羞草运动 . 物理信号： 是指细胞感受环境刺激后产生的具有传递信息功能的物理因子。 如光、电、水力学信号等。 化学信号（配体）： 细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质 。如激素、病原因子等。信号转导途径手触摸含羞草后小叶合拢，手触摸就是刺激（信号），小叶合拢就是反应。偶联刺激到反应之间的生化和分子途径就是这个反应的信号转导途径。获得膨压失去膨压小叶叶枕 叶柄信号 受体 反应(图 7-1)当植物的一张叶片被 虫咬伤后 ，会诱导本叶和其它叶产生 蛋白酶抑制物 (PIs)等，以阻碍病原菌或害虫进一步侵害。如果伤害后立即 除去受害叶 ，则其它叶片 不会产生 PIs。寡聚糖产生 PIs不会产生 PIs虫咬虫咬产生 PIs虫咬虫咬如果将受害叶的细胞壁水解片段 (主要是寡聚糖)加到叶片 中，又可模拟伤害反应诱导 PIs的产生，从而认为 寡聚糖 是由受伤叶片释放并经维管束转移，继而 诱导能使 PIs基因活化的化学信号物质。（ 图 7-2） 植物激素是植物体主要的胞间化学信号。 如当植物根系受到 水分亏缺胁迫 时，根系细胞迅速合成脱落酸 (ABA)， ABA再通过 木质部蒸腾流 输送到地上部分，引起叶片 生长受抑 和 气孔导度的下降 。而且 ABA的合成和输出量也随水分胁迫程度的加剧而显著增加。这种 随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量也随之增加的化学信号物质 称之为 正化学信号 。然而在水分胁迫时，根系合成和输出 细胞分裂素 (CTK)的量显著减少 ，这样的 随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量随之减少的化学信号物质 称为 负化学信号 。 当环境信号刺激的作用位点与效应位点处在植物不同部位时，胞间信号就要作 长距离的传递 ，高等植物胞间信号的长距离传递，主要有以下几种：1.易挥发性化学信号在体内气相的传递，乙烯 和 茉莉酸甲酯 均属此类信号 .2.化学信号的韧皮部传递 。 3.化学信号的木质部传递。 4.电信号的传递。 5.水力学信号的传递。 干旱ABACTK正化学信号负化学信号二、受体 （ receptor)受体： 指能够特异地识别并结合信号、在细胞内 放大、传递信号 的物质。存在于细胞表面或亚细胞组分中的 天然分子。受体的主要特性： 能与配体特殊结合； 高度的亲和力； 饱和性。根据受体在细胞中的位置，可将它分为 细胞表面受体 和 胞内受体 。至今发现的受体大都为 蛋白质 。细胞受体 +配体（信号物质）受体 -配体复合体生化反应细胞反应细胞表面受体G蛋白连接受体 (G-protein-linked receptor)：受体蛋白的氨基端位于细胞外侧，羧基端位于内侧，一条单肽链形成几个 螺旋的跨膜结构 。 羧基端具有与 G蛋白相互作用的区域，受体活化后直接将 G蛋白激活，进行跨膜信号转换。细胞内的 G蛋白一般分为两大类：一类是由三种亚基 (、 、 )构成的 异源三体 G蛋白 ，另一类是只含有一个亚基的单体 “ 小 G蛋白 ” 。小 G蛋白与异源三体 G蛋白 亚基有许多相似之处 。它们都能结合 GTP或 GDP，结合了GTP之后都呈活化态，可以启动不同的信号转导。G蛋白连接受体信号分子G蛋白酶信号分子活化 G蛋白 活化酶（ 图 7-3）酶连受体 (enzyme-linked receptor)受体本身是一种 酶蛋白 ，具有胞外 感受信号区域 、 跨膜区域 和胞内的 激酶区域 。当细胞外区域与信号分子结合时，可 激活酶 ，将下游 组分 （靶蛋白） 磷酸化 而传递信号。信号二聚体酶连受体无活性催化区域 有活性催化区域离子通道偶联受体 (ion-channel-linked receptor)离子通道偶联受体信号分子除了含有与配体结合的部位外 ,受体本身就是离子通道 ,这使受体在接受信号后立即引起离子的跨膜流动 。细胞内受体位于 亚细胞 组分如 细胞核、液泡膜上 的受体叫做 细胞内受体 。一些信号是 疏水性小分子 ，不经过跨膜信号转换，而直接扩散入细胞 ，与细胞内受体结合后，在细胞内进一步传递和放大。一些信号 ,如 甾类小分子 ,可以通过 简单扩散 进入细胞 ,与细胞内受体调节基因结合。第二节 跨膜信号转换跨膜信号转换（ transmenbrane transduction):信号与细胞表面的受体结合后，通过受体将信号转导进入细胞内的过程。G蛋白跨膜信号转换 :G蛋白（ G protein）的全称为 异三聚体 GTP 结合蛋白 （heterotrimeric GTP binding protein），它具有 GTP酶的活性 ，由 （ 31-46 kD）、 （约 36 kD） 和 （ 7-8 kD） 三种亚基组成。亚基上氨基酸残基的酯化修饰作用将 G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。R.受体激素GDP ATPcAMP+PPiGTPG蛋白 腺苷酸环化酶质膜(图 7-4) (图 7-5)二元组分系统跨膜信号转换 :在植物细胞中，还存在着另一条叫做 二元组分系统的跨膜信号转换 （ two-component system) 途径。二元组分系统首先是在细菌中发现的。 结构： 受体有两个基本的部分，一是 组氨酸蛋白激酶 （ His protein kinase,HPK)， HPK位于质膜，分为 感受细胞外刺激部分 和 激酶部分 。另一个是 反应调节蛋白 （ response-regulator protein,RR)。 信号转换： 当 HPK接受信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸基团传递给下游的 RR。RR也有两个部分：一是 接受磷酸化基团的部分 ，具有天冬氨酸残基。另一部分为信号输出部分 ，将信号传递给下游的组分，通常是转录因子，调控基因的表达。组氨酸激酶活化受体区His激酶区RAF 类似激酶内质网膜细胞核转录因子乙烯响应基因同系物（ 图 7-6）第三节 细胞内信号转导形成网络在植物生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。因而，复杂而多样的信号系统之间存在相互作用，形成 信号转导的网络 （ network),也有人将这种作用称作 “ 交谈 ” （ cross talk)。初级信号：胞外信号。第二信使：细胞内传递和放大细胞外的刺激信号，最终引起细胞中生化反应的化学物质，如 Ca2+、 AMP、IP3、 DAG等 。 一般来说， 静息态胞质 Ca2+浓度小于或等于 0.1molL-1,而细 胞壁、内质网和液泡中的 Ca2+浓度要比胞质中的 高 2 5个数量级 。 细胞受刺激后 ，胞质Ca2+浓度可能发生一个短暂的、明显的 升高 ， 或发生梯度分布或区域分布的变化 。胞质 Ca2+继而 与钙结合蛋白 （或称为钙离子感应蛋白）结合而起作用。 目前在植物细胞中发现的钙离子感应蛋白有： 钙调蛋白、钙依赖型蛋白激酶以及钙调磷酸酶 B相似蛋白。 钙调蛋白 ：（ calmodulin, CaM） 是一种耐热球蛋白，由 148个氨基酸组成的单链小分子酸性蛋白。 CaM分子有四个 Ca2+结合位点 。当外界信号刺激引起胞内 Ca2+浓度 上升到一定阈值 后 (一般 10-6molL-1), Ca2+ 与 CaM结合，引起 CaM构象改变。而活化的 CaM又与靶酶结合，使其活化而引起生理反应。 目前已知有十多种酶受 Ca2+-CaM的调控，如蛋白激酶、 NAD激酶、 H+-ATPase等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中 Ca2+-CaM胞内信号起了重要的调节作用。 钙调蛋白的作用方式：1.直接与靶酶结合 ,诱导靶酶的活性构象 ,而调节靶酶的活性。2.与 Ca2+结合，形成活化态的 Ca2+CaM复合体，然后再与靶酶结合将靶酶激活。 CaM与 Ca2+有很高的亲和力，一个 CaM分子可与 4个 Ca2+结合。一、 Ca2+/CaM在信号转导中的作用（ 图 7-8）（ 图 7-7） 质膜钙通道：从胞外或胞内钙库向细胞质释放 Ca2。 质膜钙泵： 从细胞质向细胞外或胞内钙库运送 Ca2。 Ca2 /nH+反向运输体 从细胞质向胞内钙库运送 Ca2。 Ca2 单向运输体 。细胞信号反应过程中胞内外细胞信号反应过程中胞内外 Ca2+ 的相互作用的相互作用细胞内的 钙稳态 是靠钙离子的跨膜运转来调节的。 细胞壁是胞外钙库 。质膜上 Ca2+通道控制 Ca2+内流， 而 质膜上的 Ca2+泵负责将 Ca2+泵出细胞。 胞内钙库 （如液泡、内质网、线粒体）的膜上存在Ca2+通道、 Ca2+泵和Ca2+/H+反向运输器。 前者控制 Ca2+外流，后者将胞质 Ca2+泵入胞内钙库。胞内游离 钙离子浓度的变化可能主要是通过钙离子的 跨膜运转 或 钙的螯合物 的调节而实现的。许多信号如蓝光、触摸能改变 膜势 和 活化通道 ，使钙能进入，增加胞质中Ca2+， 引起 K+和Cl-通道的打开，失去膨压，这种分别的转导途径通过 Ca2+/钙调 蛋白激酶 和其他蛋白联系起来。电压调节的Ca2+通道蓝光、触摸等膜受体膜 势蛋白质激酶细胞质中开放的 Ca2+通道附近 Ca2+的分配颜色区表示 Ca2+浓度， 红的最高， 蓝 的最低反向运输器液 泡胞 质高单向运输体线粒体基质二、 IP3/DAG在信号转导中的作用磷脂酰肌醇 -4、 5-二磷酸 （ PIP2）是一种分布在质膜内侧的肌醇磷脂，占膜脂的极小部分。 肌醇磷脂是一类由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有甘油、脂酸、磷酸和肌醇。 PIP2在磷脂酶 C（ PLC） 的催化作用下，水解成肌醇三磷酸（IP3） 和二酰甘油（ DAG）。磷脂酰肌醇 -4， 5-二磷酸 （ PIP2）（ 图 7-9） IP3 是水溶性的，它 从质膜扩散到胞质溶胶 ，与内质网膜或液泡膜上的 IP3-门 Ca2+通道结合 ，就使通道打开。液泡中的 Ca2+迅速释放出来， 增加胞质 Ca2+浓度 ，于是引起生理反应。这种 IP3促使胞内钙库释放 Ca2+，增加胞质 Ca2+的信号转导，称为 IP3/Ca2+信号传递途径 。 DAG仍留在 质膜上 ，与 蛋白激酶 C（ PKC）结合并使之激活 。 PKC进一步使其他激酶 (如 G蛋白、磷脂酶 C等 )磷酸化 ,调节细胞的繁殖和分化 .这种 DAG激活 PCK，再使其他蛋白激酶磷酸化的过程 ,称为DAG/PKC信号传递途径 。这一途径是否存在于植物细胞还需要验证。以上两条信号传导途径称为 “双信号系统 ”。（ 图 7-10）（ 图 7-11）三、信号转导中的蛋白质可逆磷酸化在信号转导过程中 ,蛋白质的可逆磷酸化是生物体内一种普遍的翻译后修饰方式。 蛋白质的磷酸化和脱磷酸化分别由 蛋白激酶 (protein kinase,PK)和 蛋白磷酸酶 (protein phosphatase,PP)催化完成。蛋白质 蛋白质 nPi蛋白激酶蛋白磷酸酶nNTP nNDPn Pi H2O细胞内第二信使往往通过调节细胞内多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶，从而调节蛋白质的磷酸化和脱磷酸化过程，进一步传递信号。促分裂原活化蛋白激酶（ MAPK）信号转导级联反应，是由 MAPK、 MAPKK和MPAKKK三个激酶组成的一系列蛋白质磷酸化反应。在反应中， 前一反应的产物是后一反应中的催化剂 。 每次反应就产生一次放大作用。细胞信号传导的主要分子途径IP3-三磷酸肌醇； DG-二酰甘油； PKA-依赖 cAMP的蛋白激酶； PKCa2+-依赖 Ca2+的蛋白激酶； PKC-依赖 Ca2+与磷脂的蛋白激酶；PKCa2+CaM-依赖 Ca2+CaM的蛋白激酶（ 图 7-12）（一）蛋白激酶 蛋白激酶是一个大家族 ，植物中约有 2%-3% 的基因编码蛋白激酶。 根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶有 丝氨酸 /苏氨酸激酶 、 酪氨酸激酶 和 组氨酸激酶 等三类，它们分别将底物蛋白质的丝氨酸/苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。 有的蛋白激酶具有双重底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，又可使酪氨酸残基磷酸化。1.钙依赖型蛋白激酶（ CDPK）： 属于丝氨酸 /苏氨酸激酶，是 植物细胞中特有的一个蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。蛋白激酶催化域自身抑制域（ 31个氨基酸 ）钙调蛋白样结构域（ 共 508个氨基酸）N C类似 CaM结构区域的钙离子结合位点与 Ca2+结合后，抑制被解除，酶就被活化。 现已发现，被 CDPKs磷酸化的靶蛋白有质膜 ATP酶、离子通道、水孔蛋白、代谢酶以及细胞骨架成分等。2.类受体蛋白激酶（ RLK）： 植物中的 RLK属于 丝氨酸 /苏氨酸激酶 类型，由 胞外结构区 、 跨膜螺旋区 及 胞内蛋白激酶催化区 三部分组成。根据胞外结构区