蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号.ppt

蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号,蛋白质酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。,受体型PTK：胞内部分含有PTK的催化结构域； 非受体型PTK ：主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导分子 ； 核内PTK：细胞核内存在的PTK。,生长因子类受体属于PTK,部分受体型PTK结构示意图,Src家族/ZAP70家族/Tec家族/JAK家族属于非受体型PTK,非受体型PTK的结构,非受体型PTK的主要作用,蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,蛋白质磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。 无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。,蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,蛋白磷酸酶的特性：,底物特异性（催化作用的特异性）,细胞内的分布特异性,决定了信号转导途径的精确性,根据蛋白磷酸酶所作用的氨基酸残基而分类,蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 蛋白酪氨酸磷酸酶 个别的蛋白磷酸酶具有双重作用，即可同时作用于酪氨酸和丝/苏氨酸残基。,（二）G蛋白,鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein，G protein）简称G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。,G蛋白主要有两大类：,异源三聚体G蛋白：与7次跨膜受体结合，以亚基（G）和、亚基(G)三聚体的形式存在于细胞质膜内侧。 低分子量G蛋白（21kD）,介导七跨膜受体信号转导的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。,低分子质量G蛋白,低分子量G蛋白（21kD），在多种细胞信号转导途径中具有开关作用。 Ras是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras家族，因为它们均由一个GTP酶结构域构成，故又称Ras样GTP酶。,在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性：,增强其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF）和鸟苷酸释放蛋白（guanine nucleotide release protein，GNRP）； 降低其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。,GTP,GDP,Ras,Ras,SOS,GAP,on,off,Ras的活化及其调控因子,（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）。,蛋白相互作用结构域有如下特点,一个信号分子可以含有两种以上的蛋白质相互作用结构域，因此可以同时与两种以上的其他信号分子结合； 同一类蛋白质相互作用结构域可存在于多种不同的分子中。这些结合结构域的一级结构不同，因此对所结合的信号分子具有选择性，这是信号分子相互作用特异性的基础； 本身均为非催化结构域。,蛋白相互作用结构域及其识别模体,信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用,（四）衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络,衔接蛋白（adaptor protein）是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子。 发挥作用的结构基础：蛋白相互作用结构域。 功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分子到达并形成相应的信号转导复合物。 大部分衔接蛋白的结构中只有2个或2个以上的蛋白相互作用结构域，除此以外几乎不含有其他功能序列。,衔接蛋白连接信号转导分子,支架蛋白保证特异和高效的信号转导,支架蛋白（scaffolding proteins）一般是分子质量较大的蛋白质，可同时结合很多位于同一信号转导通路中的转导分子。 信号转导分子结合在支架蛋白上的意义：, 保证相关信号转导分子容纳于一个隔离而稳定的信号转导通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反应，以维持信号转导通路的特异性； 支架蛋白可以增强或抑制结合的信号转导分子的活性； 增加调控复杂性和多样性。,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5-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,R,H,AC,GDP,GTP,腺苷酸环化酶,AC,ATP,cAMP,（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,（三）胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号,利用AC-cAMP-PKA转导信号的部分化学信号,霍乱毒素的作用机理 霍乱毒素有催化活性的亚基找到作为细胞识别物G蛋白，然后把一个ADP分子结合上去。这就把G蛋白转换到一种持续激活的状态，使其发出一个无休止的信号，使得细胞被这些信号迷惑，在进行其他生命活动的同时，开始将大量的水分子和钠离子运输到细胞外，超过了肠道的再吸收能力而导致危及生命的脱水症状。,霍乱毒素分子通过信号识别手段直接输送到靶细胞。一个包含5个完全相同的多肽链的环状亚基（用蓝色标记），用来与细胞表面上的多糖特异结合，以便使用红色标记的毒素分子的毒性亚基可以进入细胞中，对细胞进行破坏。,（四）血管紧张素II 受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导,血管紧张素II（Angiotensin II）受体亦属于G蛋白偶联受体，但是偶联的G蛋白的亚基为q，通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。,利用PLC-IP3/DG-PKC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。,PTK偶联受体介导的信号转导途径的基本模式：,（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,SMAD最早被证实的TR-激酶的底物,是Drosophila Mother against dpp (Mad)和C elegans (Sma)两个基因的名字的融合。 已克隆出9种SMAD，可将其归结成三大类 受体调节的SMADs (receptor-regulated-SMAD，R-SMADs) 共同的偶配体SMADs (common-partner-SMAD，Co-SMADs) 抑制性SMADs (inhibitory-SMAD，I-SMADs),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异常都可以导致疾病的发生。,一、信号转导分子的结构改变是许多疾病发生发展的基础,与GPCR信号通路密切相关的G蛋白基因突变可以导致一些遗传性疾病，如色盲、色素性视网膜炎、家族性ACTH抗性综合征、侏儒症、先天性甲状旁腺功能低下、先天性甲状腺功能低下或功能亢进等。,G蛋白在细菌毒素的作用下发生化学修饰而导致功能异常是一些细菌感染致病的分子机制。这些疾病包括霍乱、破伤风等等。,G蛋白与感染性疾病,肿瘤的发生和发展涉及多种单跨膜受体信号通路的异常，许多癌基因或抑癌基因的编码产物都是该信号通路中的关键分子，尤其是各种蛋白酪氨酸激酶，更是与肿瘤发生密切相关。,二、细胞信号转导分子是重要的药物作用靶位,信号转导分子的激动剂和抑制剂是信号转导药物的研究出发点。,一种信号转导干扰药物是否可以用于疾病的治疗而又具有较少的副作用，主要取决于两点。一是它所干扰的信号转导途径在体内是否广泛存在，如果该途径广泛存在于各种细胞内，其副作用则很难得以控制。二是药物自身的选择性，对信号转导分子的选择性越高，副作用就越小。,JNK/SAPK途径参与应激(反应),JNK/SAPK的级联激活过程：,JNK至少又由JNK1、JNK2和JNK3三个亚类组成。 JNK家族是细胞对各种应激原诱导的信号转导的关键分子，参与细胞对射线辐射、渗透压、温度变化等的应激反应。一些细胞因子，如TGF-也可通过JNK发挥作用。,P38-MAPK亚家族介导炎症、凋亡等应激反应,P38-MAPK的级联激活过程：,P38-MAPK家族也是转导细胞应激反应的重要