细胞信号转导障碍与疾病课件

1 细胞信号转导异常与疾病 2 第一节 细胞信号转导系统概述 v细胞通讯（cell communication）：指一个细胞发 出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应 的过程。 v细胞通讯主要有三种方式： 1 细胞间隙连接 2 膜表面分子接触通讯 3 化学通讯 3 细胞间隙连接 膜表面分子接触通讯 化学通讯 4 化学通讯可分为4类： 5 细胞通过胞膜或胞内的受体感受胞外信息分 子的刺激，经复杂的细胞内信号转导系统的转换 而影响其生物学功能的过程称细胞信号转导 (Cellular Signal Transduction)。 其含义即是细胞间通讯的信号或外界环境因子 作用于细胞表面(或胞内)受体后, 如何跨膜传递形 成第二信使, 及其后的信息分子级联传递、诱导基 因表达和引起生理反应的过程。 细胞信号转导的概念 6 根据受体存在的部位,可将细胞信号转导分为 两类:膜受体介导的跨膜信号转导和核受体介 导的细胞信号转导。水溶性信息分子如肽类 激素、生长因子及某些脂溶性信息分子（如 前列腺素）等与膜受体结合，进而经胞内信 号转导的级联反应将细胞外信息传递至胞浆 或核内，调节靶细胞功能，这一过程称为跨 膜信号转导。 7 控制信号转导蛋白活性的方式： 1.通过配体调节 2.通过G蛋白调节 G蛋白分子开关 3.通过可逆磷酸化调节 8 细胞信号转导系统的主要组成元件 1，信号分子：主要包括细胞外因子(生长因子, 细胞因子,激素和神经递质, 抗原, 粘附分子) 、 环境刺激因子(电磁, 电离辐射, 光, 压力，声等)、 胞内代谢产物(H+, 腺苷等)等。 2, 信号接受分子: 主要包括细胞表面受体( 酪氨 酸蛋白激酶受体, 与G蛋白关联的受体,与酪氨酸 蛋白激酶联系受体, 细胞因子受体, 粘附分子受体, 其他如丝/苏氨酸激酶受体, 离子通道受体等)、胞 内非受体型蛋白激酶。 3，胞内级联反应蛋白分子：G蛋白, SH2/SH3, PH , Death Domain 等. 9 4，第二信使：cAMP, cGMP, IP3, Ca+, DG. 5，效应分子：离子通道, 基因水平的调控. 细胞信号转导系统的主要组成元件 10 细胞信号转导的类型或通路及机制 我们将信号转导过程人为地划分为三部分: 1, 生物信号的跨膜传递; 2, 胞内信号的传递放大; 3, 细胞效应及信号的调节与终止. 11 生物信号的跨膜传递 生物信号的跨膜传递有以下几条途径或方式: 1, G蛋白介导的信号转导途径; 2, 受体型酪氨酸蛋白激酶(RPTK)介导的信号传递; 3, 非受体PTK信号传导途径; 4, 配体跨膜信号转导途径; 5, 受体/非受体丝/苏氨酸激酶信号; 6, 其他如新发现与肿瘤相关的信号跨膜机制有 Wnt/wingless Pathway,Notch Pathway,et al. 也有以胞内信使分类的，各信号通路间存在Cross-Talk 12 1, G 蛋白偶联受体的信号转导途径: 胞外信号作用于相应受体后, 活化G蛋白 一方面G蛋白构型的改变使GTP与G蛋白紧密结合, 另一方面G蛋白的亚基解离形成活化的-GTP 复合物和二聚体, 由-GTP调控效应酶(腺苷 酸环化酶、磷脂酶C/A2、cGMP-PDE等)的活性.效应 酶激活后产生第二信使cAMP, cGMP, IP3, DAG。 详见下图： 13 RGGDP L GDP LRHG GTP Mg2+ GGDP aGDP asGTP Effect P Mg2+ RL G蛋白的生理激活模式 R为G蛋白偶联受体(GPcRs), L为激动剂 14 光 视紫红质 （光R） Gt Gta -R Gsa GC AC 激动剂 2-R，M-R Gi PLC 1-R，内皮素-R Gqa ? (+) (-) (+) (+) cGMP-PDE cGMP cAMP PIP2 ATP 细胞外 细胞膜 细胞内 cGMP GPK PKA DG 肌浆网、内质网Ca2+释放 IP3IP4（Ca2+通道） Na+通道关闭 靶蛋白磷酸化 靶基因转录 酶蛋白磷酸化 PKCPKCa2+Cam PKCa2+ 细胞效应 G 蛋白信号传导途径 15 2,受体酪氨酸蛋白激酶途径: 受体主要包括生长因子、胰岛素受体等， 由50多种跨膜受体组成的超家族（FIG）。该 类受体有位于细胞膜外侧的配基结合部位、一 个疏水的单链跨膜片断和一个位于胞内的酪氨 酸激酶催化部位组成。当生长因子与胞外的配 基结合部位结合后，受体发生二聚体化并催化 胞内酪氨酸残基自身磷酸化，其酪氨酸激酶被 活化使底物发生磷酸化。其底物是一类含SH2 结构组成的蛋白（PP66c-src, GTPase-Activating Protein, PI3K等信号传导蛋白)。如下图： 16 Human Tyrosine Kinases Family 17 EGF 受体PTK二聚化 受体PTK-P 细胞膜 受体PTK-PGF连接蛋白 Grb2PLC 靶蛋白磷酸化 PIP2 IP3 Ca2+ DG RasGTP RasGDP 激活Raf MAPKK（MEK ） （MAPKKK） MAPK（ERK） P-Tyr P-Thr C-Jun、C-Fos、C-Myc-P-Ser/Thr 核糖体S6蛋白激酶（RSK）-P-Ser/Thr 细胞由G0G1 细胞核 细胞浆 （Raf 1、Raf A主 要存在于生殖细胞，Raf B主要在脑细胞） 受体PTK的信 号转导途径1 PI3Kp85 P110 SH2、SH3 Domain 吸引SOS PKC 18 受体PTK的信 号转导途径2 19 3,细胞因子受体和非受体型酪氨酸蛋白激酶 信号传导途径 细胞因子受体也有胞外的配基结合点、穿膜的 螺旋及细胞内结合区， 但胞内结合区无酪氨酸 蛋白激酶催化活性。其功能是与非受体酪氨酸激 酶结合, 酪氨酸激酶相互将对侧激酶激活即磷酸化, 为效应蛋白提供结合位点.与细胞主要包括两大类: Src家族(淋巴细胞信号传导), Jak家族(酪氨酸激 酶). Tec为非受体型酪氨酸蛋白激酶. 20 4, 配体跨膜信号转导/核受体途径; 受体既存在于细胞表面,也存在于细胞质中. 一类疏水性的甾体激素是脂溶性较大的配基,可 通过细胞膜与胞质中的受体结合成复合物,跨过 核膜与染色体结合,从而启动或抑制DNA转录翻 译过程,诱导或抑制新的蛋白生成,产生各种生 理生化反应. 1),类固醇受体家族: 定位于胞浆,与HSP解离 暴露DNA结合区并二聚体化入核,结合与HRE (Hormone Response Element,HRE)或其他转录因 子以调节基因转录; 2),甲状腺受体家族(包括维甲酸):位于核内.以 同源或异源二聚体的形式与DNA或其他蛋白结合. 21 5, 受体/非受体丝/苏氨酸激酶信号 目前对丝/苏氨酸激酶Receptor/non-receptor serine/threonine protein kinase (PSK/SPK)的 信号转导途径即调控机制的认识远少与G蛋白或 PTK途径。 22 6, 其他信号转导途径： 主要有新近发现与肿瘤发生密切相关的信号转导 机制：Wnt/wingless pathway, Hedgehog/patched Pathway, Notch pathway, Cadherins/catenins Pathway. 等。 23 The Wnt pathway (named as a hybrid of Wingless and Int ) regulates cell fate decisions during development of a vide variety of animal species. Secreted Wnt glycoproteins bind to the Frizzled receptor, a family of serpentine receptors, to activate Dishevelled, a PDZ domain protein. Dishevelled acts to inhibit a cytoplasmic complex involving GSK-3, axin and APC that acts to degrade beta- catenin. GSK-3 phosphorylates beta-catenin leading to ubiquitination and degradation by the proteosome. Activation of the Wnt pathway inhibits degradation of beta-catenin allowing its nuclear transport and gene induction via binding to TCF. During the elaboration of cell types and tissues, the Wnt pathway often interacts with the FGF and TGF-beta pathways. Wnt signaling Pathway 24 也有以胞内信使分类的 如腺苷酸环化酶（AC）或鸟苷酸环化酶（GC） Ach Ach-R Ca2+ NO合成酶 血红素加氧酶 Arg NO CO Heme ANP/BNP CNP STA/Guanylin ？ GC-A GC-B GC-C RET-C sGC 膜结合型GC GTP cGMP 调节离子通道 （视、嗅觉及肾脏） 调节PDFs活性cAMP、cGMP水平改变 PKG 交叉激活APK Effect 25 细胞内信号的传递放大或级 联反应及调控 细胞内信号的传递本质上主要依赖: 1,蛋白的可逆磷酸化(phosphorylation); 2, 蛋白质的乙酰化(Protein Acetylation); 3,蛋白水解等过程。蛋白质水解主要发现在细胞 凋亡蛋白酶（Caspases）的激活过程。 信号放大依赖“接头蛋白( Adaptor Protein)” 、细胞内第二信使、其他效应蛋白等，他们的本 质是蛋白激酶和磷酸酶。在信号转导过程中形成 瀑布可逆磷酸化反应，将信号由胞浆传导至核内 。 26 细胞信号传入核内至少有三种传递方式： 1，胞质中活化的信号转导激酶直接进入核内， 与相应的转录因子作用，激活转录因子。如 MAPK 途径； 2， 胞质中活化的激酶使转录因子磷酸化，后者 进入核内激活相应的基因表达。如STAT91； 3，胞质中活化的激酶使转录因子磷酸化，磷酸 化的转录因子从胞质中的锚蛋白或抑制蛋白中 释放并入核结合至相应的靶基因上，促使基因 表达增加，如NF-B。 27 蛋白质的磷酸化主要有酪氨酸磷酸化，丝/ 苏氨酸磷酸化，分别由蛋白酪氨酸激酶（PTK ）、蛋白丝/苏氨酸激酶(PSK)高度专一性完成 。目前仅发现一种Weel激酶有双向激酶的活性( 其他如Clk、Erk1/2均无直接证据）。 从结构上看，所有蛋白激酶均有一非常保守 的催化区域，其他结构与酶活性调节及亚细胞 定位有关。其自身调控机制为：1）自身磷酸化 调节；2）通过假底物自身抑制结构域（假底物 结构）调节。 28 蛋白质的去磷酸化有蛋白酪氨酸、丝/苏氨酸 磷酸酶完成。 1）酪氨酸蛋白磷酸酶（PTPase）：能使磷酸 酪氨酸脱磷酸。自1988年Tonks等分离第一株 PTPase 以来, 已发现超过40种, 有受体或非受体. 2) 丝/苏氨酸磷酸酶(Ps/Ptasa): 能使丝/苏氨酸磷 酸化, 目前仅发现几种, 特异性也不强。 3）双向磷酸酶：PTEN, 位于人第十染色体， 抑癌基因。 29 Return to Pathway Diagrams List Protein acetylation 30 信号调节与终止及细胞效应 信号的转导受各种方式调节： 1, 配基即信号的水解或吸收; 2, GTP的水解调节G蛋白的活性; 3, 蛋白质可逆磷酸化是信号转导的重要调节方 式;（酶、转录因子、其他基因表达调节物） 4, 不同信号转导通路的协同或拮抗作用。 细胞效应千变万化，大致包括特定基因表达 的变化；细胞增殖；细胞分化；其他生物学行为 的改变等。 31 信号转导障碍与疾病的关系及应用 疾病时细胞信号转导异常可涉及细胞信号、受 体、胞内信号转导分子、转录因子等多个环节，细 胞信号转导系统中单个或多个环节的原发障碍可以 引起某些疾病的发生，且某些疾病亦可导致细胞信 号转导的改变而促进了疾病的进一步进展。 其大致的环节为： 1，细胞信号异常； 2，细胞受体异常； 3，胞内信号转导分子如G蛋白等异常； 4，转录因子异常； 5，多环节信号转导异常。 32 细胞信号异常 细胞信号过强、过弱甚至缺乏会导致疾病。 1, 细胞信号过强: 信号或类信号分子的过表达; 摄入过多; 医源性因素。 2，信号过弱或缺乏：如胰岛素缺乏、心肌不典 型增生导致的肾上腺素相对不足等。维生素D 的缺乏。 33 细胞受体异常 因受体的数量、结构或调节功能变化， 使之不能介导配体在靶细胞中应有的效应所 引起的疾病称为受体病或受体异常症。 常有 down regulation（数目减少） /desenditigation（反应性减弱或消失） ；up regulation（数目增多）/ hypersensitivity（ 反应性增强）。 34 一、遗传性受体病： 由编码受体的基因突变(mutation)使受体缺失 、减少或结构异常而引起的疾病。 1)家族性高胆固醇血症(FH, Familial hyperchelesterolemia) 肝及肝外组织中富含LDL受体，能与血液中富含胆固 醇的LDL结合，并介导LDL颗粒内吞入细胞，LDL受体 与含胆固醇的LDL解离，LDL受体回细胞膜。LDL在溶 酶体酶作用下降解释放胆固醇供细胞需要并降低血胆固 醇。 编码LDL受体基因突变时LDL受体缺陷(常染色体显 性遗传)，会出现受体合成障碍；受体运转障碍：内 质网高尔基体运转障碍；受体活性中心受损（结合 位点变异）；内吞缺陷（编码胞浆区domain异常）。 纯合子LDL受体基因常致患者死亡 35 2)家族性肾性尿崩症 肾小管对ADH反应性降低引起的尿崩症为肾性尿崩 症。发病环节有ADH受体基因 突变（ X染色体）； 受体后信息传递异常（常染色体隐性遗传，水通道蛋 白缺陷引起）；肾小管病变引起。 3）甲状腺素抵抗综合症 因靶细胞对激素反应性降低或丧失而引起的一系列 病理变化为激素抵抗综合症。甲状腺素受体有：-甲状 腺素受体和-甲状腺素受体，通常为编码-甲状腺素受 体的基因突变而导致甲状腺素抵抗。 36 二、自身免疫性受体病 体内产生抗受体的自身抗体。分阻断性抗体；导致 decreased response。 刺激性抗体。 导致improved response。 1)重症肌无力 主要是骨骼肌的运动终板膜表面的烟碱型胆碱（n- Ach）受体被以胸腺上皮细胞和胸腺产生的抗n-Ach受体 Ab封闭或加速受体内吞与破坏引起的肌张力下降。 2）自身免疫性甲状腺病 腺垂体分泌的TSH与甲状腺细胞膜上TSH受体结合经 G-Protein 途经导致甲状腺细胞生长、甲状腺分泌。人体 出现TSH受体的Ab时(刺激性弥漫性甲状腺肿； 37 阻断性桥本氏甲状腺炎和特发性粘液水肿)发病。 3 ）继发性受体异常 心衰时1受体降低、GI/GS比例增高可导致心功 能障碍。 38 G蛋白的异常与疾病 1,霍乱 主要是霍乱毒素干扰细胞内信号转导。霍乱毒素选择 性催化Gsa亚基中Arg201核糖化，此时Gsa仍可与GTP结 合，但GTPase活性丧失，不能将GTP水解GDP使Gsa 处于不可逆激活状态，ACcAMP升高（100倍,小肠上皮 细胞膜蛋白构型改变，Cl -, H 2O持续运转至肠腔腹泻 2， 假甲状旁腺功能减退症（PHP） 靶器官对PTH反应性降低而引起的遗传性疾病。 PHP1A型：Gsa等位基因的单个基因突变PTH受体 +GSACcAMP降低（50%）导致TSH、LH、FSH抵 抗。PHP1B型 ： 仅对PTH抵抗 3，肢端肥大症(acromegaly)和巨人症(gigantism) Gsa的基因点突变（Arg201为半脱氨酸或组氨酸取代， Glu227为Arg或亮氨酸取代）而抑制GTPase活性使Gsa持 续激活cAMP含量升高垂体细胞生长和分泌功能活跃 39 细胞内信号转导分子、转录因子异常与疾病 1.NO与缺血、再灌注损伤 NO 可调节血压和血管张力; 缺氧和酸中毒均可诱导 NOS活性增加 NO cGMP PKG活 性增加, 可使血管扩张及VEGF增加。 2.NF-KB与炎症 TNF、IL-1、病毒（Virus）、氧化剂、佛波酯（ PRC1激活剂）、Toxinprotein KinaseIKB磷酸化并 与NF-KB解离NF-KB入核与DNA特定的KB序列结合 编码炎症介质和细胞因子的基因转录增加，产生炎症放 大。 40 细胞多环节信号转导异常与疾病 1.非胰岛素依赖性糖尿病 胰岛素异常：胰岛细胞破坏，胰岛素分泌减少使信 号减少或缺乏； 胰岛素受体异常：胰岛素受体属PTK家族，有、 亚基组成，正常以二聚体形式存在于细胞膜上，有胰 岛素结合于 亚基时，引起亚基磷酸化，在IRS1/2参 与下激活含SH2的Grb2及PI3K，启动下游信号传导。 受体后信号异常: A. 遗传性胰岛素受体异常, 其受体基因突变引起, 主要有: 受体合成减少或破坏增加; 受体变异引起亲和 力下降(Arg735 Ser); 受体PTK活性降低。 B. 自身免疫性受体异常, 体内有抗受体抗体存在。 C. 继发性病变。 受体后的信号异常：PI3K/IRS 41 2.高血压病 血压的调节主要依赖血管平滑肌细胞（Vascular smooth muscle cell, VSMC)。正常情况下在神经及体 液调节下，VSMC呈非增殖性收缩表型调节血管张力 。 但病理状态下，VSMC转化为合成表型，一方面分泌 多种血管活性物质