激素作用的分子机理.ppt

激素作用分子机理的最新进展,概念的延伸和扩展,经典激素：特定组织(腺体)化学活性物质血循环靶器官或组织生物学作用 付激素：局部作用，分布极其广泛 内分泌旁分泌自分泌 激素新定义：化学的、非营养性的，微量(umol)细胞间信使物质,激素的新定义,非营养型的nmol或更低浓度就能起作用的细胞间化学信使 包括内分泌激素、生长因子、细胞因子神经递质 可以通过内分泌、旁分泌、自分泌形式起作用,亲水性和嫌水性激素的比较,特点 嫌水性(Hgdrophobic) 亲水性(Hgdrophilic) 举例 类固醇和甲状腺激素 肽类或儿茶酚胺 合成后贮存 通常 不常，除小肽 半寿期 长(hs or days) 短(min) 受体 细胞质或核 质膜 作用机制 直接 间接(第二信使),膜受体按结构分类及其相应配体,单跨膜片段膜受体：生长因子、细胞因子、少数肽类激素受体、受体具有内在酶活性或酶偶联 四跨膜片段膜受体：神经递质类、配件门控离子通道 七跨膜片段膜受体：肽类激素、神经递质等G蛋白偶联受体,单跨膜片段受体的信号转导,分类： 酪氨酸激酶型受体 酪氨酸激酶偶联受体 丝 / 苏氨酸激酶型受体 鸟苷酸环化酶型受体 不同类受体其信号转导机制亦各异,具酪氨酸激酶活性的：,最简单，单一穿膜螺旋结构 激素结合位点 氨基端-细胞外区 糖基化位点 含酪氨酸激酶活性 羧基端-细胞内区 磷酸化位点,I,II,III,IV,V,VI,VII,VIII,IX,九类酪氨酸激酶型受体结构,EGFR 2/neu/c-erbB-2 RER3/c-erbB-3,InsulinR Insulin relatedR IGF-1R,PDGFR PDGFR MCSF-1R c-kit,Cys 富集区,酪氨酸 激酶区,激酶 间隔区,FGFR1 FGFR2 FGFR3 FGFR4,Flt 1/VEGFR Flk/KDR,Met/HGFR,TrkA TrkB TrkC,Eph Elk Eck Eek Erk Cek4/Mek4/HEK Cek5,Axl,跨膜域,纤连蛋白III型区,IgG样区,酪氨酸激酶型受体的信号转导,如生长因子类受体 基本途径： H-R结合 受体形成二聚体(活化) 受体自身磷酸化 磷酸化受体或其底物的Tyr-P与某些胞内信号分子的SH2(Src homology2)区相互作用，调控这些分子功能，活化受体，激活Ras信号转导途径：,(ras原癌基因，编码蛋白P21(21K)， 能与GTP结合，具GTP酶活性，属G蛋白) 活化受体 GDP-RAS(无活性)GTP-RAS 激活Raf(二聚体) 使MAPK / ERK (MEK)磷酸化(激活) 使一系列转录因子(P90rsk C. myc和EIK等磷酸化) 调节基因转录,GTP,血小板源生长因子受体(PDGFR) 表皮生长因子受体(EGFR),Ras,Raf,MEK,ERK 1/2,GDP,P,Sos,SH3 Grb2 SH2 SH3,Shc SH2,P,质膜,酪氨酸激酶型受体信号转导中的Ras通路,质膜,Ras GTP,Raf,MAPKKK,Mek,MAPKK,MAPK,胞质,核,细胞质底物的磷酸化,ERK,P,转录因子,转录,酪氨酸激酶型受体信号转导中Ras-Raf-MEK-ERK途径,酪氨酸激酶偶联型受体的信号转导途径：,如某些细胞因子和肽类激素(如GH、PRC) JAK-STAT信号途径： H-Rc与JAK (Janus Kinase相偶联)结合 使JAK分子磷酸化使受体活化，活化受体通过其Tyr-P与STAT分子的SH2域相互作用形成二聚体 与靶基因上游的反向重复序列TTCCNGGAA结合 特定基因表达,配体,酪氨酸激酶偶联型受体的JAK-STSTs信号转导途径,胞质,受体,其它信号途径,JAK,JAK,P,P,STATx STATy,STATx,STATy,核,S1,S2,G,转录,四跨膜受体的结构 四跨膜片段受体信号转导示意图 R-T-E三位一体(trune receptor concept),效应,信号,激素 神经递质 致味剂 光,可形成离子通道的受体：,钠离子通道：肌肉、神经的烟酸乙酰胆碱受体 氯离子通道：-氨基丁酸和甘氨酸的受体 结构复杂，45亚基组成,G蛋白的分类：,大G蛋白() Gs：激活Ac Gi：抑制Ac Gq：激活PLC G12 小G蛋白： EF-Tu：延长因子 Ras：信号转导 Ran：核转运 Rac / Rho细胞骨架装配和有丝分裂 Rab：囊泡运输,效应器,受体,效应器,膜受体,效应器,受体,1、未受刺激时,GDP,2、配体活化受体,3、受体活化G蛋白,Agonisd,GTP GDP,4、G蛋白-效应器相互作用,5、GTP水解GTP,Agonisd,G蛋白循环,质膜,刺激型受体,抑制型受体,Rs,s,刺激型配体,抑制型配体,35 AMP (cAMP),5AMP,GTP,Gs,+,ATP,i,Gi,GTP,磷脂酶,Ri,无活性,cAMP,磷酸化蛋白,ADP,ATP,Mg+,cAMP,cAMP,cAMP,活性PKA,蛋白质,生物学效应,PKA的活化,腺苷酸环化酶,150 KDa膜蛋白 活性受G蛋白调节 Ca+钙调素(Calmodulin)的影响,影响腺苷酸环化酶活性C-AMP水平的激素,刺激 促激素(LH、HCG、FSH、ACTH、TSH、下丘脑释放激素) MSH -肾上腺素能协同剂 glucagon Vasopressin(肾中) PTH Calcitonin，某些前列腺素 (例如PGE1),抑制 2-肾上腺素能协同剂 Inslulin蝇覃碱乙酰胆碱协同剂 某些阿片肽 某些前列腺素(如PGE2),C-AMP通路的各种信号输出过程,H8R8 G8 H8R8 G8,C 磷酸化 C-AMP-R基因和酶激活,8 Ac C-AMP PKA Ac：引起PLA2：打开K+通道 i Ac,(+),(+),(+),(-),(-),蛋白激酶分类和转化,组成： 异四聚体R2C2： 两个催化亚单位(C) 两个调节亚单位(R) 活性形式：PKA-C,蛋白激酶,C-AMP依赖的(PKA)：不同亚基形成的四聚体(R2C2) C-GMP依赖的(PKG)：两个相同的亚基(76 K) 两者都需Mg +，和ATP作磷酸供者，类似的基质特异性(丝、缬为底物) PKA1 参与急性反应如分泌或酶的激活 PKA PKA2 启动基因转录等 R2C2 + 4C-AMP (R2, C-AMP2)2 + 2C (无活性) (活化),PKA-C的生物效应,调节糖原的合成和分解 多种离子通道的磷化(开或闭) 对GPCR磷酸化，起负调节作用 调节基因表达,酶的激活 酶的失活 水和离子的通透性 细胞外吐(分泌) 突能传递 肌收缩 类固醇合成 膜电位 糖原分解 脂肪分解 钙代谢 基因转录,核转录因子,cAMP,肾上腺素能受体,离子通道受体,结构蛋白,微管蛋白等,PKA,酶,糖原磷酸化激酶,其他,细胞外吐作用,PKA的多种生物学作用,PKA,PKA,PKA对糖代谢的调节,ADP,ATP,phosphatase inhibitor-P,Protein dephosphorvlation - phosphatase cascade,protein phosphatase,glycogen,- decreased dephosphorylation is stimulatory,glycogen phosphorylase-P,glycogen-1-P,- increased dephosphorylation is stimulatory,glycogen synthase-P,UDP-glycose,phosphorylase kinase-P,ADP,ATP,ADP,ATP,ADP,ATP,- increased phosphorylation is stimulatory,- increased phosphorylation is stimulatory,Protein dephosphorvlation - kinase cascade,细胞内,PKA对CFTR的调节,CFTR(囊性纤维变性跨膜电导调节因子)为一种氯离子通道，其胞内域有一R区PKA，可使其磷酸化,右侧R区未磷酸化，通道关闭；左侧PKA使R区磷酸化，通道开放 DBD为核苷酸激活域，也能调节CFTR的功能,细胞外,H2N,质膜,细胞内,细胞外,ATP,NBD1,Cl-,R区,Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Reglator,NBD2,COOH,ATP,plasma membrane,关闭,开放,R区,PKA,Cl-,ATP,ATP,Cl-,NBD2,R domain,G1,GTP,LPAR 2AAR,血小板源生长因子受体(PDGFR) 表皮生长因子受体(EGFR),P13K p85/p110 p110,Src,?,Ras,Raf,MEK,ERK 1/2,GDP,P,Sos,SH3 Grb2 SH2 SH3,Shc SH2,抑制性G蛋白的(Gi)的亚单位通过激活Scr Gi的亚单位对Ras通路的激活： 激活Src，后者激活Shr或酪氨酸激酶型受体，进而激活Ras通路,调控效应器的三种模式 1、 调节同一种效应器，二者之间无相互作用 2、 、 调节同一效应器，二者之间有相互作用 3、 三聚体共同调节效应器,Leucines,Activation Domain,Zipper Region,DNA-Binding Region,NH2,NH2,COOH,COOH,DNA,CREB-CRE 结合机理 cAMP反应元件结合蛋白二聚体及其如反应元件的相互作用,PKA对2受体活性的调节 PKA使2受体胞内域磷酸化，使其与G蛋白解偶联,脂类第二信使及其转导途径：进展迅速,第二信使： 三磷酸肌醇(IP3) 二脂酰甘油(DAG) 其它： P胆碱 磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(PtdIns (3,4,5)P3) 花生四烯酸 神经酰胺 磷酸鞘氨 鞘氨醇磷酸胆碱等,途 径：,P3 + DAG,激素与其膜受体结合,使其偶联的G蛋白(Gq)活化,激活磷酯酶C-(PLC- ),使磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸,水解,1、经磷脂酶C(PLC)催化一磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解产生1,4,5三磷酸肌醇(1,4,5,IP3)和二酯酰甘油(DAG),P,PI(4,5)P2,4,5-二磷酸磷脂酰肌醇,H2O,OPO3-,OPO3-,I-1,4,5-P3,1,4,5-三磷酸肌醇 2M,1,2-DAG,1,2-二酰茎甘油 2M,磷脂酶 C(PLC),水解,OPO3-,+,部分脂类第二信使的产生和化学结构,P,O,O,O,O,PCH,磷脂酰胆碱,Phosphocholine PC 2 M 磷酸胆碱,1,2-DAG,H2O,水解,PC-PLC,+,2、经胆碱磷脂酶(PC-PLC)催化磷脂酰胆碱(PCh)水解为磷酸胆碱和DAG,CH2,CH2,N+,(CH3 ) 3,OPO3-,CH2,CH2,N+,(CH3) 3,部分脂类第二信使的产生和化学结构,P,O,O,O,O,PC,磷脂胆碱 2 M,choline 胆碱,PLdA 磷脂酸,H2O,水解,PLD,+,3、经磷脂酶D(PLD)催化磷脂酰胆碱水解为胆碱和磷脂酸,CH2,CH2,N+,(CH3 ) 3,OH,CH2,CH2,N+,(CH3) 3,部分脂类第二信使的产生和化学结构,IP3-IP与内质网膜上IP3受体 (即Ca+通道结合、使Ca +通道开放) 进入胞浆而 钙调素(CaM) 一系列生物效应： 多种酶性 细胞骨架成分分泌 依赖Ca + CaM蛋白激酶活性 DAG激活蛋白激酶C(PKC或C激酶),PKC有多种亚型(Subtype)和异形体(isoform),寻常PKC(C-PKC) 1、II对Ca+和DAG依赖 新PKC(n-PKC) 对DAG依赖 不依赖于Ca + 非典型PKC(aPKC)：和，对Ca +和DAG均不依赖,PKC活化后的生物效应,细胞骨架成分磷酸化，功能改变 Raf磷酸化激活Raf-MapKK-MAPK信号传递途径 调节多功能转录因子NFKB活性 使转录因子fos / jun表达而又磷酸化影响基因的转录,M1AChR 1BAR,Gq,PTK PKC Ca+ Calmodulin,M1AChR 1BAR,PLC,PKC,IP3 + DAG,PIP2,亲脂性激素作用的分子机理,核受体的结构 核受体超家族：1988，Evans 成员：类固醇激素(糖皮质激素、雌孕激素、雄激素等)、甲状腺激素、维生素D3和维甲酸受体，已逾150个(75%属孤儿受体orphan receptor) 有相应配体者：该配体调节的基因转录因子 无相应配体者：一种组成性(constitutive)转录激活 / 阻遏因子,核受体超家族： 类固醇受体家族：GR、MR、AR、ER、PR 甲状腺激素 / 维甲酸 / 维生素D受体家族 核受体： 配体依赖性核受体 孤儿受体： 有配体但未发现 无配体：组成性转录因子,亚型(subtype)：不同基因编码同一种受体，如RAR、RAR、RAR等 异形体(isoform)：同一种基因由于选择性启动子和 / 或mRNA选择性剪接而产生不同产物如RAR1、RAR2,孤 儿 受 体,主要核受体的结构,核受体的进化,源于同一祖基因，此基因含有两个功能域，分别结合DNA和配体 由结合DNA的基因和结合配体的基因融合而成,类固醇受体的激活和转形(Activation-Transformation),激活机制 温度离子浓度或/ 和PH 脱磷酸化 稀释或凝胶过滤,多聚体解体 DNA结合区与DNA 正电荷暴露亲和力 抑制因素被去除(hsp 90),核受体转化(transformation),类固醇核受体与配体结合后，构象发生变化，受体与RAPs解离，解离的受体DBD暴露出来，能与DNA高亲和力结合，这一过程称为受体的活化或称转化 转化受体比未转化受体小，4SVS，8-9S 转化受体无RAPs 转化受体可结合DNA GR的转化受体核定位序列暴露，可转位入核内 非类固醇不与RAPs结合，故无转化现象,核受体功能分区,A / B区：位于N端，保守性低，转录激活 F区：位于C端，保守性低，功能未明 D区：绞链区、连接LBD和DBD C区：结合DNA，DBD，最保守 E区：结合配体，LBD，保守,A / B,C,D,E,F,结合DNA,结合配体,二聚化,二聚化,结合热休克蛋白,反式结合,沉默作用,核定位,核定位,结合TFIIB,结合TFIIB,核受体功能分区,C区与DBD的异同,C区： 不同核受体序列比较而得 从Cys到Cys羧基侧第5个氨基酸残基共66aa DBD： 与DNA结合的部分 除C区外还包括T盒和A盒 从Cys到Cys9羧基侧约20个aa,C区(DBD)序列图,保守性高 9个半守的Cys 两个锌指 两个区域：锌指螺旋延伸区 P盒位于螺旋1内，X-Y-半胱-赖-Z， X、Y、Z决定受体DNA相互作用的特异性 D盒位于第二锌指起始部位，决定半位间隔 A盒、T盒：参与DNA结合的非锌指残基,hGR 440 C L V C S D E A S G C H Y G V L T C G S C K V F F A R A V 5 G G H N Y L hER 185 C A V C N D Y A S G Y H Y G V W S C E G C K A F F C R O I O G H N D Y H hRXR 102 C V V C G D K A T G Y H Y R C I T C E G C K G F F F P T I Q K R L H P S Y S hRXR 135 C A I C G D R S S G K H Y G V Y S C E G C K G F F O R T I R K D L T Y S NGF1b 266 C A V C G D N A S C O H Y G V R T C E G C K G F F L R T V O K S A K Y I,p盒,螺旋 1,hGR C A G R N D C L L D K L R R K R C P A C R Y R R C L O A G M N L E A R K T K K K I K G I G O A T A hER C P A T N O C T I D K N R R K S C O A C R L R X C Y E V G M M K G G I R K O R R G G R H L K H K R hTR C K Y E G K C V I D K V T R N G C O E C R F K K C I Y V G M A T D L V L D D S K R L A K R K L I E hTR C R D R K D C T V D K R O R N R C O Y C R Y O K C L A T G M K R E A V Q E E R Q R G K D K D G DG NGFLb C L A N K D C R V D K R R R N R C O F C R F O K C L A V G M V K E V V R T O S L K G R R G R L R S,D盒,螺旋 2,几种核受体DBD氨基酸序列,G/E19,S/G20,Cl,K22,V/A/G23,K26,K27,第一锌指域,第二锌指域,T盒,A盒,C37,- 85,E区,约250 aa，富含螺旋(65) 多种功能：配体结合、转录激活、二聚化、核定位 hsp相互作用、沉默作用、IFIIB相互作用 配体结合袋(疏水) AF2或Tc区 “七体重复“(heptad repeat)与二聚化有关,亚细胞定位,核受体： 非类固醇核受体：无论是否结合配体均位于核内并与染色质结合 类固醇受体： GR：未结合配体时主要位于胞液内，结合配体后转位入核内 ER、AR、MR、PR：位于核内但只有在结合配体后始与染色质结合,配体依赖性核受体作用机理模式图 L：配体 Rc：受体,核受体结合蛋白(RAPs),新合成的核受体并没有活性，只有在一些分子伴侣的帮助下经折叠、解折叠、卷曲等交杂过程始能形成对配体具高亲和力的构象 非类固醇核受体活性构象一经获得可长久维持且不需分子伴侣继续作用 类固醇核受体只有与某些分子伴侣持续作用始可维持对配体高亲和力的构象，故受体常与这些分子伴侣结合在一起形成载受体复合物，这些分子伴侣也称受体结合蛋白(RAPs)，重要的RAPs有hsp 90、hsp 70、hsp 56、P 23、P60、Dnaj等,激素核受体作用原理示意图,反应元件： 与核受体结合的DNA序列 位于受调节启动子上游，属顺式作用元件 常由两个66 bp的单元组成，每个定位称为“半位“ 两半位排列方式有：反向重复(回文结构)，同向重复和翻转重复(反向回文结构) 类固醇核受体均呈反向重复，且间隔3 bp GR、MR、PR、AR：AGAACAnnnTGTTCT ER：AGGTCAnnnTGACCGT,受体二聚体,多数受体与DNA相互作用时须形成二聚体 同二聚体 异二聚体：多与RXR组成 两步二聚化： 先由LBD内的二聚化区形成初级二聚体 遂后DBD内的二聚化区发挥作用、形成稳定的二聚体 DBD有挠性，根据半位特性和间隔旋转 非类固醇核受体半位与ER相同，惟常呈同向重复且间隔多样 某些孤儿核受体如NGFIb以单体与DNA结合，故其反应元件只相当于一个半位,GR,GR,RXR,RAR,NGFI-B,类固醇受体,GR 糖皮质激素受体 MR 盐皮质激素受体 PR 孕酮受体受体 AR 雄激素受体 ER 雌激素受体,RXR (usp) 9-cis RA COUP/ARP ? HNF-4 ?,异二聚体,TR thyroid hormona RAR all-trans RA VDR 1.25-(OH)2-VD3 PPAR eicosinoids EcR ocdysone,?,NGFI-B (CEB-1) ? ELP / SF-1 (Ftz-F1) ?,核受体与DNA上反应元件结合的四中模式,类固醇受体与同二聚体与反向重复反应元件结合,孤儿受体单体,同二聚体与同向重复结合,TR等同RXR形成异二聚体如同向反应元件结合,单体与反应元件结合,COOH,P,Zn,NH2,Zn,N,D,+,+,+,D,N,+,+,+,NH2,COOH,P, 34 A,两个核受体的二聚体DBD 通过D盒形成对称的头 - 头形式的二聚体,螺旋2,螺旋1,D盒,P盒,N,C,T/A盒,第一锌指,A,B,C,A G G T C A N N N T G A C C T,C,N,C,N,A G G T C A N N N N A G G T C A,核受体DBD与反应元件结合示意图 A: 未二聚化的DBD结构 B：二聚体(头-头)同反向重复序列结合 C：二聚体(头-尾)同同向重复序列结合,GR DBD与GRE的结合示意图,雌激素受体基因结构及其DBD结构示意图 第一锌指和第二锌指欧不同的外显子编码,激素对基因表达的调控机理,转录水平上的调节 基因转录速率 初次和再次效应 再次效应：快、幅度大、特异性差 多因素联合作用 m-RNA稳定性 改变特异性m-RNA的半寿期 RNA多聚酶活性 激活早期或快速相反应 基因表达长期或持续作用 聚合酶I：核仁内，使r-RNA转录 聚合酶II：核质中，产生m-RNA前体物,DNA模板活性,DNA模板结构 激素作用 凝聚状(condensed) DNA 松散状 (圆筒形、螺旋状、紧紧缠绕) (转录活性低) (转录活性高) DNA的甲基化： 胞苷的甲基化抑制基因表达(增加DNA弯度和某些抑制蛋白质的结合) 激素作用促使靶基因5-区某高灵敏度的位点种