第11章细胞信号转导.ppt

第11章,细胞信息转导,CellularSignalTransduction,.,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,1）化学信号分泌途径,受体的作用：一是识别外源信号分子，即配体（ligand）；二是转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。,2）受体及特性,受体与信号分子结合的特性：,G-蛋白偶联受体离子通道受体单次跨膜受体,细胞内受体,细胞膜受体,受体,受体按照其在细胞内的位置分为：,3）受体类型,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,4）信号转导,第二节,细胞内信号转导相关分子IntracellularSignalMolecules,.,常见第二信使,环核苷酸:cAMP,cGMP,脂类：IP3,DAG,金属离子：钙离子,气体分子：NO,CO,H2S,一、第二信使,（一）环核苷酸,目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。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，使后者发生构象变化，从而改变活性。蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子。,2）蛋白激酶A是cAMP的靶分子,蛋白激酶A是cAMP的靶分子蛋白激酶G是cGMP的靶分子蛋白激酶活化后，可使多种蛋白质底物发生磷酸化，改变其活性状态。,（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）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生成脂类第二信使,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（phospholipaseC，PLC）；,另一类是各种特异性激酶，即磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositolkinases,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,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。,1）IP3的靶分子是钙离子通道,IP3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。,淋巴细胞和嗅觉细胞,2）DAG的靶分子是蛋白激酶C,蛋白激酶C（proteinkinaseC，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。,催化结构域,Ca2+,DAG,磷脂酰丝氨酸,调,节,结,构,域,催化结构域,底物,Ca2+,DAG,磷脂酰丝氨酸,调节结构域,假底物结合区,DAC活化PKC的作用机制示意图,（三）钙离子,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：,细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；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+,（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（nitricoxidesynthase，NOS）,组成型NOS(cNOS)可诱导型NOS（iNOS）,NOS,NOS,NOS,NOcGMPPKG肌松弛,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。,一氧化碳（carbonmonoxide，CO）硫化氢（sulfuretedhydrogen，H2S）,其它第二信使,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构成信号转导通路上的各种开关和接头。,开关分子,蛋白激酶蛋白磷酸酶,G蛋白的GTP/GDP结合状态,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子,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。,1.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,蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP-磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。,蛋白激酶的分类,MAPK级联激活是多种信号通路的中心,丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，是接收膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子。MAPK调控的生物学效应：参与细胞增殖、分化及凋亡过程等细胞功能的调控，是多种信号转导途径的共同作用部位。,MAPK的磷酸化与活化示意图,MAPKKK,MAPKK,MAPK,Thr,Tyr,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,TF-P,酶-P,基因表达,哺乳动物细胞重要的MAPK亚家族：,细胞外调节激酶（extracellularregulatedkinase，ERK）c-JunN-末端激酶/应激激活的蛋白激酶（JNK/SAPK）p-38-MAPK,细胞增殖与分化,应激反应,介导炎症、凋亡等反应,3.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（ProteinTyrosinekinase，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,4.蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,蛋白质磷酸酶(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,（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（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）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。,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）,41,G蛋白偶联受体的分子结构,无活性型,GTP,GDP,活性型,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（Gprotein-coupledreceptors，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。,重要的信号转导分子低分子质量G蛋白,低分子量G蛋白（21kD），它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。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：,GTP,GDP,Ras,Ras,SOS（鸟苷酸交换因子）,GAP（GTP酶活化蛋白）,on,off,Ras的活化及其调控因子,（三）蛋白相互作用,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（signalingcomplex）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。,（四）衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络,衔接蛋白（adaptorprotein）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（SH2、SH3等）。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。,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（scaffoldingproteins）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。,保证相关信号转导分子容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。,信号转导分子结合在支架蛋白上的意义：,第三节,各种受体介导的基本信号转导通路SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors,.,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,受体的结构,位于细胞浆和细胞核中的受体，多为转录因子，与相应配体结合后，能与DNA顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。,高度可变区,位于N端，具有转录活性,DNA结合区,含有锌指结构,激素结合区,位于C端，结合激素、热休克蛋白，使受体二聚化，激活转录,铰链区,有核定位信号，引导受体进入细胞核。,一、细胞内受体多属于转录因子,包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，它们的作用是参与基因表达的调控。,核受体结构示意图,接收的信号是脂溶性化学分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。它们进入细胞后，有些可与细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物，有些则先与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、细胞表面受体,接收水溶性化学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。,存在于细胞质膜上的受体。,三种膜受体的特点,（一）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-gatedreceptorchannel）。配体主要为神经递质。,.,.,.,.,.,受体,配体,Cell,Cell,通道关闭状态,通道开启,细胞应答,乙酰胆碱受体的结构与其功能,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。,（二）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（serpentinereceptor）,1、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,R,H,AC,GDP,GTP,腺苷酸环化酶,AC,ATP,cAMP,G蛋白循环,2、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,3、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,4、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（AngiotensinII）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,（三）单跨膜受体依赖酶的催化作用传递信号,这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白。信号转导的共同特征：需要直接依赖酶的催化作用作为信号传递的第一步反应。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。,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。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调节细胞增殖和分化。,与配体结合后具有酪氨酸蛋白激酶活性，如胰岛素受体insulingrowthfactorreceptor,IGF-R表皮生长因子受体(epidermalgrowthfactorreceptor,EGF-R)。,与配体结合后，可与酪氨酸蛋白激酶偶联而表现出酶活性，如生长激素受体、干扰素受体。,非酪氨酸蛋白激酶受体型,酪氨酸蛋白激酶受体型（催化型受体）,1.RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路,表皮生长因子受体（epidermalgrowthfactorreceptor,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。,受体酪氨酸激酶介导的信号转导,表皮生长因子受体作用机制：,EGFR介导的信号转导过程,2.JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号,大部分白细胞介素（interlukin,IL）受体属于酶偶联受体。,通过JAK（JanusKinase）-STAT（signaltransducerandactivatoroftranscription）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。,酪氨酸激酶偶联受体介导的信号转导,白介素介导的信号转导通路,3.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（nuclearfactor-B）通路。,依赖于受调蛋白水解信号转导途径,NF-B信号转导通路,泛素化,招募衔接蛋白TNF受体偶联死亡域蛋白TRADDTNF受体偶联因子-2NRAF-2受体作用蛋白激酶RIPK激活I-kBa激酶激酶（IKKK）激活I-kBa激酶(IKK),转化生长因子（transformgrowthfactor,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。,4.TGF受体是蛋白丝氨酸激酶,受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的信号转导,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应答同一信号转导分子，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TheRelationBetweenCellularSignalTransductionandMedicine,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。,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。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。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。,各种蛋白激酶的抑制剂是广泛用于抗肿瘤，药物对靶酶的作用方式：调节酶量，使酶的合成增加或减少调节酶的活力，包括激动剂、抑制剂、辅酶等,网络药理学：在以前的药物研发模式中，主要遵循“一个药物、一个基因、一种疾病”的模式，这是导致70%的新药在临床试验失败的主要原因。临床上的多种慢性病如肿瘤、心脑血管疾病、糖尿病、老年性痴呆、炎症等都是多基因、多因素作用的疾病，仅根据单一作用靶点难以达到良好治疗的效果。,基于系统生物学的理论，对生物系统的网络分析，选取特定信号节点（Nodes）进行多靶点药物分子设计的新学科。网络药理学强调对信号通路