药学分子生物学第五章.ppt

什么是细胞信号转导呢？,细胞信号转导（cellularsignaltransduction,cellsignaling）:,针对外源性信号所发生的细胞内各种分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能的过程。,第五章细胞信号转导基础,细胞间信号转导的作用方式：（根据分子作用的距离）,内分泌(endocrine)型：以激素为主，它们是由内分泌器官分泌的化学信号，并随血流作用于全身靶器官。,旁分泌(endocrine)型：以细胞因子为主，它们主要作用于局部的细胞，作用距离以毫米计算。,自分泌(endocrine)型：神经介质为主，其作用局限于突触内，作用距离在100nm以内。,一、信号分子与受体,（一）信号分子,具有调节细胞生命活动的化学物质,特异性、高效性、可被灭活、可与靶细胞的受体结合，转变为细胞内信号,第一节信号转导概述（TheGeneralofSignalTransduction）,按化学本质分类,蛋白质和肽类,氨基酸及其衍生物,类固醇激素,脂肪酸衍生物,维生素类,气体分子,按细胞分泌信号分子的方式,神经递质,内分泌激素,局部化学介质,自分泌信号,（二）受体,一类存在于靶细胞膜或细胞内的可特异识别并结合外界信号分子（配体），进而引起靶细胞内产生相应的生物效应的分子。,膜受体（细胞表面受体）（membranereceptor）,胞内受体（核受体）,受体在细胞的位置,存在于细胞膜上的受体，绝大部分是镶嵌蛋白。根据其结构和转换信号的方式分为三大类：离子通道型受体;G蛋白偶联受体;酶偶联受体,指具有离子通道作用的细胞膜受体,1、此型受体通常由单一的多肽链或均一的亚基组成，其肽链可分为细胞外区、跨膜区、细胞内区三部分；,2、受体的跨膜区由7个螺旋结构组成；多肽链的N-端位于细胞外区，而C-端位于细胞内区；在第五及第六跨膜螺旋结构之间的细胞内环部分（第三内环区），是与G蛋白偶联的区域；,3、大多数常见的激素受体和慢反应神经递质受体是属于G蛋白偶联型受体；,1、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受体；,2、这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，也称为单次跨膜糖蛋白；,3、可分为酪氨酸蛋白激酶受体（TPKR）和非酪氨酸蛋白激酶受体；,酪氨酸蛋白激酶受体（TPKR）,受体本身具有酪氨酸蛋白激酶(TPK)活性，如胰岛素样生长因子受体(IGF-R)，表皮生长因子受体(EGF-R)。,表皮生长因子受体(EGF-R),非酪氨酸蛋白激酶受体,与配体结合后，可与酪氨酸蛋白激酶等偶联而表现出酶活性，如生长激素受体、干扰素受体。,酪氨酸激酶偶联受体受体丝氨酸/苏氨酸激酶组氨酸激酶偶联受体受体鸟甘酸环化酶类受体酪氨酸去磷酸酶,胞内受体（核受体）,主要包括类固醇激素受体，如肾上腺皮质激素；性激素；维生素D3受体(VDR)以及甲状腺激素受体(TR)。,此类受体位于细胞质或细胞核内，通常为单纯蛋白质；,信号分子进入细胞以后，能与特异性受体结合形成活性复合物，作用于染色体DNA，调节基因表达，从而影响细胞的物质代谢和生理活动；,胞内受体通常为单体蛋白，含400-1000个氨基酸残基，分为四个功能区域：,1.高度可变区：位于受体N-端，不同受体间无同源性，具有转录激活作用。,4.配体结合区：位于C-端，不同受体有3060%的同源性，其结构与功能最复杂，包括：与配体结合；与HSP结合。,2.DNA结合区：含66-68个氨基酸，富含Cys，不同受体此域有较高同源性，含有两个锌指结构，为DNA结合所必需。,3.绞链区：为DNA结合区与配体结合区之间的段序列，可能含有与转录因子相互作用和受体向核内移动的信号。,（三）受体与信号分子的结合特点,2、高度的亲和力(highaffinity)；,1、高度专一性；,指一种激素或细胞因子只能选择性与相应的受体结合的性质。其原因在于配体通过具有特定结构的部位与受体上的特定结合部位相结合。,通常用其解离常数（Kd）来表示其亲和力的大小，多数配体与受体的解离常数为10-1110-9mol/L。,3、可饱和性；,4、可逆性；,配体与受体通常通过非共价键而结合，因此可以采用简单的方法将二者分离开。,5、特定的作用模式；,在不同细胞中，受体的种类和含量分布均不同，表现为特定的作用模式，即具有组织特异性。,二、转导的基本过程,（一）信号转导的基本过程,特定的细胞释放信息物质,信息物质经扩散或血循环到达靶细胞,与靶细胞的受体特异性结合,受体对信号进行转换并启动细胞内信使系统,靶细胞产生生物学效应,（二）细胞内信号转导相关分子,在细胞信号转导途径中，能够在细胞内传递特定调控信号的化学物质称为信号转导分子（signaltransducer）或细胞内信号分子。,第二信使,酶分子,调节蛋白,第二信使（secondmessenger）,特点：,在细胞中的浓度或分布可迅速改变；,不位于能量代谢途径的中心；,阻断该分子的变化可以阻断细胞对外源信号的反应；,作为变构效应剂作用于细胞内相应的靶分子；,分类：,环核苷酸，如cAMP和cGMP；,脂类衍生物如甘油二酯（DAG）；神经酰胺，花生四烯酸；,无机物如Ca2+、NO；,思考题,第二信使的靶分子都有哪些？,酶分子,分类：,催化小分子信使生成和转化的酶：AC、GC、PLC等？,蛋白激酶和蛋白磷酸酶,蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶,蛋白酪氨酸激酶（PTK）,蛋白组氨酸/赖氨酸/精氨酸激酶,蛋白色氨酸激酶,蛋白天冬氨酰基/谷氨酰基激酶,调节蛋白,G蛋白,衔接蛋白：如Grb2、SOS等,三聚体G蛋白,小G蛋白,Ras蛋白,Rho蛋白,Rab蛋白,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,小G蛋白,低分子量G蛋白（20-30kDa）,在多种细胞信号转导途径中具有开关作用。,RasProtein,衔接蛋白,SH2结构域,约由100个氨基酸组成，可识别和结合SH2结合位点,能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合,SH3结构域,约由50个氨基酸组成；,能识别和结合蛋白分子中富含脯氨酸的序列,PTB结构域,约由120个氨基酸组成；,能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合,PH结构域,约由120个氨基酸组成；,识别具有磷酸化的丝氨酸和苏氨酸的短肽，并能与G蛋白的复合物结合，还能与带电的磷脂结合,一、G蛋白偶联受体信号转导途径,（一）G蛋白简介,G蛋白即鸟苷酸调节蛋白，是一类位于细胞膜胞液面的外周蛋白；,由、和三种亚基构成的异三聚体，分子量大约为100kD。,第二节主要信号转导途径（上）,(guanylatebindingprotein),接着，亚基的GTPase将GTP水解为GDP，亚基重新与亚基结合而失活。,G蛋白存在有活性和无活性两种状态。当亚基与GDP结合，并构成异三聚体时呈无活性状态。,当配体与受体结合后，受体的构象发生变化，与亚基的C-端相互作用，促使GDP从亚基上脱落下来，而GTP结合上去，G蛋白被激活。此时，亚基与亚基分离，可分别与效应蛋白（酶）发生作用。,G蛋白的活性型和非活性型的互变,G蛋白有许多种类，不同的G蛋白能特异地将受体与相应的效应酶偶联起来，将特异的信息传递到细胞内；,现已发现，在哺乳动物中，G蛋白的亚基有20余种，亚基有5种，亚基有12种；,依据他们的效应分子或细菌毒素的敏感性,（二）G蛋白偶联受体信号转导的基本过程,主要包括以下几个阶段：,配体结合受体并激活受体；G蛋白活化及G蛋白循环；幻灯片9G蛋白激活下游效应分子；第二信使的产生及分布变化；第二信使激活蛋白激酶进而激活效应蛋白。,G蛋白循环,1、受体-配体结合激活G蛋白；,2、G蛋白活化信号的传递；,3、G蛋白的失活；,（三）AC-cAMP-PKA和PLC-IP3/DG信号转导途径,1、AC-cAMP-PKA信号转导途径,信号转导途径的组成内容：,胞外信息分子（第一信使）膜受体G蛋白腺苷酸环化酶（AC）第二信使-cAMP蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）,信息分子（第一信使）,主要有儿茶酚胺类激素、胰高血糖素、腺垂体的激素、下丘脑激素、甲状旁腺素、降钙素、前列腺素等。,H+RRS激活Gs被激活ACcAMP,H+RRi激活Gi被激活ACcAMP,150kDa,跨膜12次。Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,腺苷酸环化酶（AC）,cAMP的合成与分解,ATP,cAMP,AC,Mg2+,磷酸二酯酶,PPi,H2O,Mg2+,5-AMP,蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）,四个亚基构成的寡聚体,两个亚基为催化亚基，另两个亚基为调节亚基。,当调节亚基与cAMP结合后发生变构（每一调节亚基可结合两分子cAMP），与催化亚基解聚，从而激活催化亚基。,cAMP水平升高引起的基因转录的过程,cAMP-PKA信息转导途径及其调节作用,cGMP-PKG途径,此途径与cAMP-PKA途径类似，即通过激活GC，催化生成第二信使cGMP，再通过激活PKG传递信息。,cGMP的合成和降解,GTP,cGMP,GC,Mg2+,磷酸二酯酶,PPi,H2O,Ca2+/Mg2+,5-GMP,NO可激活GC，从而激活该途径。,心房肽是通过此途径传递信号，可引起血管平滑肌的松弛。,2、PLC-IP3/DG信号转导途径,signalmolecules+GPCRG被激活PLC,PIP2,DG+IP3,PIP2：磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸,DG：二酰甘油,IP3:1,4,5-三磷酸肌醇,(1)DG-PKC途径,DG通过两种途径终止其信使作用：,一是被DG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；,二是被DG酯酶水解等过程分解为甘油和花生四烯酸。,(2)IP3-Ca2+途径,IP3信号的终止：,通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。,Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。,Ca2+在体液中分布的区域特点：,细胞外液游离钙浓度高（1.12-1.23mmol/L）；,细胞内液钙离子含量很低，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0.01-0.1mol/L）；,胞质内Ca2+浓度升高途径：,1、细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；,2、细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放；,胞液Ca2+可以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。,钙调蛋白（CaM）,分子量为17kD，耐热、耐酸的蛋白质,一分子的CaM可结合四分子的Ca2+。当其与Ca2+结合后，可发生变构，从而激活依赖CaM的蛋白激酶。,Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶途径：,1）细胞质内Ca2+浓度升高促使Ca2+/CaM复合物形成；,2）Ca2+/CaM复合物激活蛋白激酶；,3）钙调素依赖蛋白激酶效应蛋白；,CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）,专一功能CaM-K,肌球蛋白轻链激酶：调节肌肉收缩,磷酸化酶激酶：调节糖原分解,延长因子2激酶：调节蛋白合成,多功能CaM-K,Ca2+/CaM-依赖性激酶I,Ca2+/CaM-依赖性激酶II,环境刺激,胞间信号,受体,第一信使,G蛋白,细胞外,效应器,DG,IP3,Ca2+,cAMP,Ca2+调节蛋白,PKCa2+CaM,酶蛋白磷酸化修饰,细胞反应,PKCa2+,PKA,PKC,CaM结合蛋白,细胞膜,细胞内,胞间信号传递,膜上信号转换,胞内信号转导,蛋白质磷酸化,膜上信号转换系统,第二信使,思考题,G蛋白偶联受体信号通路的共同之处？,二、酶偶联受体信号转导途径,1、结合配体后，受体形成二聚体或寡聚体；,2、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，即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，即受体通过蛋白质-蛋白质相互作用激活与它紧密偶联的蛋白激酶；,3、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；,4、蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途经中的关键酶、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。,（一）受体酪氨酸激酶介导的信号转导,1、RTK的结构与RTK的活化,（1）RTK的结构,大多为单次跨膜糖蛋白；,胞外区N端一般由500-850个氨基酸残基组成，为配体结合部位；,胞内区具有酪氨酸激酶结构域，位于C端，包括ATP结合区和底物结合区。,受体酪氨酸蛋白激酶的分子结构,（2）RTK的活化,1、结合配体后，受体形成二聚体或寡聚体；,2、受体膜内部分发生构象变化；,3、酪氨酸残基发生自体磷酸化；,4、形成SH2结合位点的空间结构，与具有SH2结构域的下一级信号分子结合；,5、信号逐级传递；,2、RTK信号转导途径,（1）Ras-MAPK级联反应信号转导途径,组成内容：,信号分子：生长因子、细胞因子等信号,RTK：催化型受体,Grb-2：衔接蛋白，与RTK的SH2结构域结合,SOS：富含脯氨酸，可与Grb-2SH3结合，,Ras：刺激丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族,MAPK激酶系统,MAPK激酶系统,MAPK激酶激酶(MAPKKK)，如Raf-1激酶；MAPK激酶(MAPKK)，如MEK1/2；MAPK，如ERK1/2，活化部位基序为苏-X-酪。,一组酶兼底物的蛋白，通常由三种蛋白激酶的级联反应过程，种类较多，包括：,EGFR介导的信号转导过程,MAPK家族,ERK家族：调控细胞增殖与分化,JNK/SAPK家族：参与细胞对辐射、渗透压和温度变化的应急反应，促进细胞修复,p38MAPK家族：介导炎症和细胞凋亡等应激反应,（2）其他RTK信号转导途径,PI3K/PKB途径:（Akt途径）,（二）酪氨酸激酶偶联受体介导的信号转导,组成内容：,信号分子：多为细胞因子,非受体酪氨酸激酶,JAKs（januskinase）,信号转导子/转录活化子（signaltransductorsandactivatorsoftranscription，STAT）,JAK/STATPathway,（三）受体丝氨酸/苏氨酸激酶介导的信号转导,TGF-家族：TGF-、激活素、骨形态蛋白等,组成内容：,为具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性受体,Smad家族,功能：,在发育过程中起重要作用，还可以调节细胞增殖、分化、粘附、移行及细胞凋亡,Smad家族,近几年发现的一类细胞内信号转导蛋白，是把TGF-与受体结合后产生的信号从胞质传到胞核的中介分子。,Smads蛋白可分为3类：,受体调节型smads(R-smads)：smad1、2、3、5、8,共同介质型smads(Co-smads)：smad4,抑制型smads(I-smads)：smad6、7,TGF-Smad信号通路,TGF-同时结合2个I型受体和2个II型受体，首先II型受体被激活，进而将I型受体激活；,此异源四联复合物结合并激活Smad2/3；,结合Smad4，并在细胞核内不断积累；,Smad复合物与其他转录因子结合，共同调控基因转录。,三、依赖于受调蛋白水解信号转导途径,特点：,在外来信号分子作用下，会引起某个潜在基因调控蛋白的受调蛋白水解，受调蛋白水解过程能够调节相应靶基因的表达,NF-B信号转导途径,NF-B为一个转录因子家族，是一种重要潜在的基因调控蛋白；,包括5个亚单位：c-Rel、RelA、RelB和NF-B1、NF-B2,静息细胞中，NF-B和IB形成复合体，以无活性形式存在于胞浆中。,当受到细胞外信号刺激后，IB激酶复合体（IBkinase,IKK）活化将IB磷酸化，使NF-B暴露核定位位点。游离的NF-B迅速移位到细胞核，与特异性NF-B序列结合，诱导相关基因转录。,NF-B信号转导途径,该途径主要涉及机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡，以及肿瘤生长抑制过程的信息传递,一、信号转导一过性与记忆性,（一）信号转导一过性,什么叫做“信号转导一过性”,在细胞信号转导链中，连续不断的配体可刺激连续多次的信号转导，在每一个节点，接收到上游一次信号并把信号传导至下游后，该节点的信号会及时终止，并恢复到未接信号的初始状态，以便接受下一次信号。,第三节细胞信号转导的特性,1、保证信号转导一过性的机制,受体和信号转导蛋白快速的“活化-失活”,G蛋白活性和非活性型的转换；与上、下游分子的迅速结合与解离；磷酸化-去磷酸化实现激酶的激活与失活；第二信使的快速产生-降解。,2、信号转导一过性的意义,有效降低信号转导途径的背景，保证对连续多次信号的灵敏应答；限制信号在每一节点的持续时间，保证信号强度适度。,（二）信号转导记忆性,某些情况下，上游信号已经终止后，某些信号转导蛋白仍保持一定时间的持续活化状态，表现出记忆性，但这种记忆是受到严格调控的,二、信号转导效应的调控,（一）信号转导的放大效应,一个信号,多个受体,一个活化受体,多个G蛋白,一个G蛋白,多个效应器,许多第二信使,磷酸化更多靶蛋白,产生放大效应,（二）信号转导的负性调控,即利用负反馈机制终止或降低某节点的信号,1、细胞对外来信号的适应和失敏,在外来信号持续作用下，细胞并不能一直保持很高的反应性，这一现象称为细胞对外来信号的适应（adaption）或失敏（desensitization）,意义：失敏保证细胞信号系统对外源信号水平的变化作出及时反应,受体失敏受体滞留受体量调节某些信号转导蛋白的失活或抑制,2、细胞信号转导负性调节,（1）受体的调节,受体失敏,激活的受体可被磷酸化修饰而失活，称为受体失敏,受体滞留,失敏受体可通过受体介导的胞吞作用方式进入细胞质内，称为受体滞留,受体量调节,受体减量调节,（2）信号蛋白直接参与负性调节,I-BiSmad,一条信号途径中的功能分子可影响和调节其他途径；一种信号转导分子不一定只参与一条途径的信号转导；不同信号转导途径下游分子作用于共同的靶转录因子复合体；多种不同的信号途径汇合在一个共同的靶效应分子上。,（一）信号途径间的交汇,4种模式：,三、信号转导途径之间的相互作用,信号汇集；来自G蛋白偶联受体，受体酪氨酸激酶的信号通过Grb2-SOS汇集到Ras，然后沿着MAPK激酶级联系统进行传递信号趋异；来自VEGF受体的信号能够分几个不同的途径进行传递信号串扰；PKA系统与受体酪氨酸激酶系统间的相互干扰,三大类：,思考题,G蛋白偶联受体信号通路与酶偶联受体信号通路的相互作用？,（二）信号转导的网络,通过不同的膜受体间的相互作用；通过不同的信号转导分子间的相互作用；通过不同转录因子与顺式作用元件的相互作用；,（三）信号网络中信号传递专一性,配体-受体之间的专一性；细胞内信号转导的专一性；基因转录的专一性；,细胞信号转导异常：是指由于信号转导蛋白量或结构的改变，导致信号转导的过强或过弱，并由此引起细胞增殖、分化、凋亡或机能代谢的改变。,第四节信号转导与分子靶向药物,细胞信号转导异常与疾病,受体异常与疾病G蛋白异常与疾病胞内信号转导分子、转录因子异常与疾病多个环节细胞信号转导与疾病,信号转导药物,作用：,恢复细胞内信号转导分子的表达或活性异常及其所参与的信号通路异常,信号转导药物研究趋势,从单一分子、单一通路研究向规模化研究发展从定性研究向定量研究发展从单纯生物学实验研究向计算机模拟研究的发展从体外研究向体内研究的发展从基础研究向应用研究的发展,细胞信号转导与肿瘤,从多个环节干扰细胞信号转导过程，导致肿瘤细胞增殖与分化异常,1.表达生长因子样物质,某些癌基因如sis癌基因的表达产物与PDGF高度同源，int-2基因的表达产物与成纤维细胞生长因子结构相似。,2.表达生长因子受体蛋白,某些癌基因可以表达生长因子受体的类似物，起到促增殖作用。如erb-B癌基因编码的变异型EGF受体，在没有EGF存在的条件下，可持续激活下游的增殖信号。,3.表达蛋白激酶类,某些癌基因可通过编码肥受体TPK或丝/苏氨酸激酶类影响细胞转导过程。如src癌基因产物具有较高的TPK活性，可催化下游信号转导分子的酪氨酸磷酸化，促进细胞异常增殖。,4.表达信号转导分子类,如人膀胱癌细胞ras基因编码序列第35位核苷酸由正常G突变为C，相应的Ras蛋白甘氨酸突变为缬氨酸，使其处于持续激活状态。,5.表达核内蛋白类,某些癌基因如myc、fos、jun的表达产物位于核内，能与DNA结合，具有直接调节转录活性的转录因子样作用，激活基因转录，促进肿瘤发生。,以Ras蛋白为靶的药物,（1）Lovastain：是一个可以降低胆固醇的药物，它可以阻断培养的大鼠嗜铬细胞瘤细胞被N-ras诱导的分化，并在裸鼠中表现出抗癌活性。它已上I期临床试验。,（2）Phenylacetate：它能抑制胆固醇生物合成。在动物实验中表现抗癌活性而进入I期临床试验。有三个前列腺癌病人用此要后病情稳定，有两个成胶质瘤病人的机能持续改善。,（3）d-Limonene：是橘油中主要的成分，用作香料和风味剂。它可以有选择性地抑制Ras,对化学诱导大鼠的乳腺癌有化学防护和化学治疗作用。现在，它已经在I期临床试验中用来治疗患晚期的乳腺癌和胃肠道癌的病人。,1、受体的定义及分类2、配体与受体作用的特点3、信号转导基本过程4、膜受体介导的信息传递途径有哪些5、G蛋白偶联受体信号转导基本过程6、酶偶联受体信号转导基本过程7、第二信使特点8、图示GPCR介导的信号通路,名词解释1、细胞信号转导2、信号分子3、受体4、膜受体5、G蛋白偶联受体6、离子通道偶联受体7、自身磷酸化8、受体失敏9、受体滞留10、受体减量调节,1、细胞膜受体的化学本质是：A.糖蛋白B