课件：细胞信号转导11级临床医学.ppt

第15章,细胞信息转导,Cellular Signal Transduction,细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程称为信号（息）转导（signal transduction）。,第一节,细胞信号转导概述,The General Information of Signal Transduction,目前认为，细胞（间）信息转导有神经(电生理)、化学分子(有机、无机分子)、直接接触等途径。前者主要属生理学，后两者主要属生物化学。但前者往往最终还要通过化学分子（途径）来实现。 信息物质：细胞分泌的具有调节自身和其它细胞的代谢和功能的各种化学物质。,细胞应答反应,细胞外信号,受体,细胞内多种分子的浓度、活性、位置变化,细胞信号转导的基本路线,一、细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式,生物体可感受任何物理、化学和生物学刺激信号，但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的化学信号（chemical signaling）。 化学信号可以是可溶性的（水溶性），也可以是膜结合形式的（脂溶性）。,（一）化学信号通讯存在从简单到复杂的进化过程,化学信号通讯是生物适应环境不断变异、进化的结果。,单细胞生物与外环境直接交换信息。 多细胞生物中的单个细胞不仅需要适应环境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功能上的协调统一。,（二）可溶性分子信号作用距离不等,多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性（水溶性、脂溶性）化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这种通讯方式称为化学通讯。,根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：,作用距离最远的内分泌（endocrine）系统化学信号，一般为激素； 特点：一般由特殊分化的内分泌细胞合成、释放；通过血液循环而不是扩散到达靶C；作用时效长。这类C往往就是组织学中典型的属于上皮组织中的“腺上皮”的“内分泌腺C”。,属于旁分泌（paracrine）系统的细胞因子，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自分泌（autocrine）。 特点：通过扩散而不是血循环到达邻近靶C，一般作用时效短。,作用距离最短的是神经元突触内的神经递质 （neurotransmitter）。 特点：由神经元突触前膜释放，如乙酰胆碱、去甲肾上腺素。其作用时间更短。（我认为，此有点类似旁分泌。）,注意： 上述均为C间信息物质（第一信使），而C内信息物质(见后述) ，一般称为第二信使，但如果是蛋白质分子，就不称为第二信使而称为信号转导分子（见后述)。,化学信号的分类,（三）细胞表面分子也是重要的细胞外信号,细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用，达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯，也是一种细胞间直接通讯。,细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。,二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号,受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质是蛋白质，个别是糖脂 。 受体的作用： 一是识别外源信号分子，后者也称为配体； 二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号(第二信使)，并传递至其他分子引起细胞应答。,（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递,受体与信号分子结合的特性：,配体-受体结合曲线,（二）受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内,受体按照其在细胞内的位置分为：,细胞表面受体 细胞内受体,接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其它细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等。,受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。,接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素等。,注意：,综上所述，无论何种化学（信号）分子途径；均需要受体。,三、信号分子结构、含量和分布变化是信号转导网络工作的基础,膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细胞核的转导过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统。 构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号转导分子，signal transducer）和小分子活性物质（第二信使，second messenger）。,NH2,AAAAA,m7G,Translation,信号转导网络,细胞信号转导的基本方式示意图,细胞在转导信号过程中所采用的基本方式包括：,改变细胞内各种信号转导分子的构象 改变信号转导分子的细胞内定位 促进各种信号转导分子复合物的形成或解聚 改变小分子信使的细胞内浓度或分布,第二节,细胞内信号转导相关分子 Intracellular Signal Molecules,一、第二信使的浓度和分布变化是重要的信号转导方式,1957年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了cAMP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。,第二信使（secondary messenger）：通常将C内一些传递信息的小分子化合物称为第二信使。 注意： 目前“第二信使”用得很广泛，但在各种教科书上我没有找到一个满意的说法。 从理论上说，C内信息物质都应是第二信使，但目前公认的第二信使仅有：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP等。 我是这样理解的：顾名思义，第二信使就是C受第一信使作用后产生的一些新的化学物质，它也仅起传导作用所以称“信使”，它们多为小分子化合物（但如果是蛋白质分子，就不称为第二信使而称为信号转导分子。,小分子细胞内信使（第二信使）的特点：,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变； 该分子类似物可模拟细胞外信号的作用； 阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。 作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。,(一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使,目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。,cAMP和cGMP的结构及其代谢,1核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成,（adenylate cyclase，AC）,（guanylate cyclase，GC）,2细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶,细胞内有水解cAMP和cGMP的磷酸二酯酶（PDE）； PDE对cAMP和cGMP的水解具有相对特异性；,3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性,环核苷酸作为第二信使的作用机制：cAMP和cGMP在细胞可以作用于蛋白质分子（蛋白激酶A，PKA），使其发生构象变化，从而改变活性。 蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多第二信使直接作用的靶分子。,蛋白激酶A是cAMP的靶分子,cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，cAPK），即蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）。,PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子 。,PKA底物举例,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）。,4蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。,视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道,嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道,（二）脂类也可作为胞内第二信使,具有第二信使特征的脂类衍生物:,二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG） 花生四烯酸（arachidonic acid，AA） 磷脂酸（phosphatidic acid， PA） 溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid，LPA） 4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP） 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2) 肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）,这些脂类衍生物都是由体内磷脂代谢产生的。,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成,催化这些信使生成的酶有两类：,一类是磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（phospholipase C，PLC）；,另一类是各种特异性激酶，即磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs），催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。,磷脂酶C催化DAG和IP3的生成,磷脂酶C（PI-PLC，简称PLC）可将PIP2分解成为甘油二酯（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）。,2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子,脂类第二信使作用于靶分子，引起靶分子的构象变化。 第二信使种类、靶分子不同，构象改变后的效应也不同。,IP3的靶分子是钙离子通道,IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。,DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶C,蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），属于丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。,PKC作用的底物包括质膜受体、膜蛋白、多种酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。,目前发现的PKC同工酶有12种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。,PIP3的靶分子是蛋白激酶B,蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）也是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68）和PKC（73）高度同源。,PKB的底物有糖原合酶激酶-3、核糖体蛋白S6激酶、某些转录因子、翻译因子抑制剂4E-BPI以及细胞凋亡相关蛋白BAD等。,PKB被认为是重要的细胞存活信号分子。,PKB在体内参与许多重要生理过程：,参与胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原合成及蛋白质合成过程。 PKB还参与多种生长因子如PDGF、EGF、NGF等信号的转导。 在细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过程中，PKB亦是关键信号分子。,（三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类,1钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征,细胞外液游离钙浓度高（1.121.23mmol/L）； 细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有0.010.1mol/L）。,导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：,一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流； 二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。,胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。,2钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现,钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。,乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等,胞液Ca2+浓度升高,CaM,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,CaM发生构象变化后，作用于Ca 2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K） 。,（四）NO的信使功能与cGMP相关,NO合酶介导NO生成,NO合酶,胍氨酸,精氨酸,NO,三种形式的 NO合酶（nitric oxide synthase，NOS）,组成型NOS (cNOS) 可诱导型NOS（iNOS）,NOS,NOS,NOS,NOS主要分布于外周神经、中枢神经系统和肾（致密斑和髓质内集合管），其中外周神经主要为非肾上腺能/非胆碱能神经和肾上腺能神经末梢。 NOS分布最广泛，包括肝细胞、心肌细胞、血管平滑肌细胞、免疫细胞、成纤维细胞等。 NOS的分布于内皮细胞、心肌细胞和脑。,钙调蛋白是NOS的主要调节分子，3种NOS均含有钙调节蛋白结合位点。 凡是引起细胞内Ca2+升高的信号均有可能作用于NOS。,NO在细胞内外可产生多种生理、病理效应,NO在很多组织、系统发挥生理或病理作用。,受NO激活和抑制的酶和蛋白质,NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。,除了NO以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氢（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。,1998年美国科学家费里德慕拉德、路易斯伊格纳罗和罗伯特佛契哥特，为表彰他们发现一氧化氮重要的生物学机制而共同获得了诺贝尔生理学及医学奖。,二、蛋白质作为细胞内信号转导分子,蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化。,增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性； 许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位（translocation）至细胞膜或细胞核； 募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。,构象变化主要引起3种效应：,引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：,化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化、甲基化等；,小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构象变化，如cAMP激活PKA；,蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化。,信号转导分子浓度的改变将影响信号传递和细胞应答。 信号转导分子的细胞内定位改变也是信号转导调节的重要方式。 定位变化既可以是位于细胞质的分子转位至细胞膜，也可以是向细胞核或其它细胞器的转位，从而将信号传递至相应的应答部位。,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子,蛋白激酶（protein kinase）与蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最主要方式。 磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。,蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关,酶的磷酸化与脱磷酸化,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,（二）G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关,鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein，G protein）简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白，是一类信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。 G蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式，作用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的GTP水解为GDP时则回到非活化状态，使信号途径关闭。,介导七跨膜受体信号转导的异源三聚体G蛋白,亚基 （G） 、亚基 (G),具有多个 功能位点 亚基具有GTP酶活性,与受体结合并受其活化调节的部位 亚基结合部位 GDP/GTP结合部位 与下游效应分子相互作用部位,主要作用是与亚基形成复合体并定位于质膜内侧； 在哺乳细胞，亚基也可直接调节某些效应蛋白。,G蛋白通过G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）与各种下游效应分子，如离子通道、腺苷酸环化酶、PLC联系，调节各种细胞功能。,（三）蛋白相互作用结构域介导信号通路中蛋白质的相互作用,信号转导分子在活细胞内接收和转导信号的过程是由多种分子聚集形成的信号转导复合物（signaling complex）完成的。,信号转导复合物作用：,保证了信号转导的特异性和精确性， 增加了调控的层次，从而增加了维持机体稳态平衡的机会。,蛋白质相互作用结构域是形成复合物的基础,信号转导通路形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊结构域介导的。这些结构域被称为蛋白相互作用结构域（protein interaction domain）。,第三节,各种受体介导的基本信号转导通路 Signal Pathways Mediated by Different Receptors,离子通道受体 G-蛋白偶联受体 单次跨膜受体,细胞内受体,细胞膜受体,受体,三种膜受体的特点,一、 细胞内受体多属于转录因子,位于细胞内的受体多为转录因子，与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。 该型受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等，它们进入细胞后，有些可与其位于细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物，有些则先与其在细胞质内的受体相结合，然后以激素-受体复合物的形式穿过核孔进入核内。,核受体结构及作用机制示意图,激素反应元件举例,二、离子通道型膜受体是化学信号与电信号转换器,离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道（ligand-gated receptor channel）。 配体主要为神经递质。,乙酰胆碱受体的结构与其功能,乙酰胆碱受体结构,乙酰胆碱结合部位,离子通道,顶部观,侧面观,乙酰胆碱受体功能模式图,离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变，即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的。 离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和-氨基丁酸的受体。,三、G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用,G蛋白偶联受体（GPCR）得名于这类受体的细胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信号转导的第一步反应都是活化G蛋白。,GPCR是七跨膜受体（serpentine receptor）,（一）G蛋白的活化启动信号转导,信号转导途径的基本模式 ：,配体+受体,G蛋白,效应分子,第二信使,靶分子,生物学效应,G蛋白循环,（二）G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用,活化的G蛋白的亚基主要作用于生成或水解细胞内第二信使的酶，如AC、PLC等效应分子（effector），改变它们的活性，从而改变细胞内第二信使的浓度。 可以激活AC的G蛋白的亚基称为s（s 代表stimulate）；反之，称为i（i代表inhibit）。,哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应,利用AC-cAMP-PKA转导信号的部分化学信号,此外，由于G蛋白亚型的不同，形成多种其他通路和效应，如PDE-cGMP-Na+通道信号转导通路、PLC-IP3-Ca2+/CaM-PK信号转导通路等。,四、单跨膜受体依赖酶的催化作用传递信号,酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。 这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，亦称为单跨膜受体。 酶偶联受体种类繁多，但是以具有PTK(酪氨酸蛋白激酶) 活性和与PTK偶联的受体居多。,具有各种催化活性的受体,酶偶联受体大部分是生长因子和细胞因子的受体，它们所介导的信号转导通路主要是那些调节蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化。,不同蛋白激酶组成的PTK偶联受体信号途径基本模式相同,PTK偶联受体主要通过蛋白质相互作用激活自身或细胞内其他的PTK或丝/苏氨酸激酶来转导信号。 PTK偶联受体介导的信号转导途径的基本模式 ：,结合配体后受体形成二聚体或寡聚体； 第一个蛋白激酶被激活。对于具有蛋白激酶活性的受体来说，此步骤是激活受体胞内结构域的蛋白激酶活性；对于没有蛋白激酶活性的受体来说，此步骤是受体通过蛋白质-蛋白质相互作用激活与它紧密偶联的蛋白激酶； 通过蛋白质-蛋白质相互作用或蛋白激酶的磷酸化修饰激活下游信号转导分子，通常是继续活化下游的一些蛋白激酶； 蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途径中的关键酶、反式作用因子等，影响代谢途径、基因表达、细胞运动、细胞增殖等。,PTK偶联受体介导的信号转导途径的基本模式：,本章结束！谢谢大家！,（一）RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路,表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）是一个典型的受体型PTK。 RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路之一。,表皮生长因子受体作用机制：,EGFR介导的信号转导过程,（二）JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号,T细胞抗原受体、B细胞抗原受体、肥大细胞表面的IgE受体。,属于酶偶联受体，它们自身不具备蛋白酪氨酸激酶活性； 非受体型的Src家族蛋白酪氨酸激酶和ZAP70家族蛋白酪氨酸激酶是这一类受体的直接信号转导分子。 下游分子包括PLC、MAPK家族的活化，并有多种衔接蛋白参与。,大部分白细胞介素（interlukin, IL）受体属于酶偶联受体。,通过JAK（Janus Kinase）-STAT（signal transducer and activator of transcription）通路转导信号。 细胞内有数种JAK和数种STAT的亚型存在，分别转导不同的白细胞介素的信号。,白介素介导的信号转导通路,（三）NF-B是重要的炎症和应激反应信号分子,NF-B是一种几乎存在于所有细胞的转录因子，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。,肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclear factor-B，NF-B）通路。,NF-B 信号转导通路,转化生长因子（transform growth factor , TGF）受体。,属于单次跨膜受体，自身具有蛋白丝氨酸激酶催化结构域。 受体活化后通过信号分子Smad介导的途径调节靶基因转录，影响细胞的分化。 细胞内有数种Smad存在，参与TGF家族不同成员（如骨形成蛋白等）的信号转导。,（四）TGF受体是蛋白丝氨酸激酶,TGF 受体介导的信号转导通路,五、细胞信号转导过程的特点和规律,对于外源信息的反应信号的发生和终止十分迅速； 信号转导过程是多级酶反应，具有级联放大效应； 细胞信号转导系统具有一定的通用性； 不同信号转导通路之间存在广泛的信息交流。,信号转导途径和网络共同的规律和特点：,影响细胞可以对外源信息做出特异性反应的因素包括：细胞间信息分子的浓度、相应受体的分布与含量、细胞内信号转导分子的种类和含量等。 不同组织可以以不同的方式使用同一信号转导分子，但是相互作用的分子可以不同，蛋白激酶的底物也可能不一样，从而导致输出信号的差别。,细胞信号转导与医学 The Relation Between Cellular Signal Transduction and Medicine,第四节,对发病机制的深入认识 为新的诊断和治疗技术提供靶位,信号转导机制研究在医学发展中的意义,信号转导分子的异常可以发生在编码基因，也可以发生蛋白质合成直至其细胞内降解的全部过程的各个层次和各个阶段。从受体接受信号直至最后细胞功能的读出信号发生的