（应用数学专业论文）细胞蛋白信号的传播机制研究.pdf

中文摘要 捅姜 专业：应用数学 博士生：张彦斌 指导老师：周天寿教授 细胞生物学中一个令人关注的话题就是细胞内蛋白信号的传播机制问题。 更确定地说，在单细胞水平，细胞内的信号转导通路如何把胞外信号从细胞膜 传递到细胞核。信号分子的时空活性直接影响细胞内空间蛋白信号的传播，进 而控制关键的细胞过程。本博士论文从生物物理学的观点瞄准阐明细胞内蛋白 信号的传播机制，主要研究结果如下： ( 1 ) 我们提出了一种利用并行的活性丝裂蛋白激酶( m a p k ) 信号转导通 路之间的串话来传递信号的机制。对于球状细胞，我们发现单向和双向的串话 都能够在加强磷酸化的反应机制下使磷酸蛋白信号从细胞膜传递到细胞核的外 周。另外，我们还发现，在通路问的不同耦合强度下，双磷酸化的m a p k 在细 胞液中呈现出不同的空间分布。 ( 2 ) 我们调查了正反馈环路在空间磷酸蛋白信号传播中的潜在作用。为 此，我们考虑一个结构为四层的蛋白激酶级联通路，其中每层只涉及单磷酸 化去磷酸化反应环路。在小细胞情形，我们对短距离信号传送提出一个短程正 反馈，它通过产生双稳性把磷酸蛋白信号从质膜传播到核膜。然而，在大细胞 情形，短程正反馈环路不能传送磷酸蛋白信号到远距离。为克服此缺陷，我们 又提出了一种长程正反馈机制，它能够辅助磷酸蛋白信号传播到远距离。 ( 3 ) 基于最新提出的反应扩散m a p k 级联通路模型，我们调查了噪声对细 胞内信号转导通路中信号传播的正面效果。对于球状细胞，我们发现胞内和胞 外噪声都能够促进信号以磷酸蛋白波的形式从胞膜传送到细胞核外周，并促成 双磷酸化的m a p k 在细胞液中呈现出空间梯度分布。 ( 4 ) 活性细胞不时地勘察环境变化( 如随机波动) ，并利用特点蛋白( 如 信号分子) 做出适当响应( 甚至在细胞间没有通讯的情形下) 。假如不考虑细 胞内信号传播的空间因素，我们调查了噪声对相互独立细胞的群体行为的影 响。利用数学模型，我们显示出：一个公共的、噪声的信号分子能够诱导大肠 杆菌里相互独立的基因振子从非同步到相同步的转移，导致细胞群体的节律行 为。 细胞蛋向信号的传播机制研究第i 页，共1 2 1 页中山火学博士学位论文 中文摘要 我们的研究结果蕴含着：串话、正反馈环路和噪声可能被生命组织或系统 利用来传递空间信息并且调节细胞内部过程。我们的研究为理解细胞过程奠定 了理论基础。 关键词：活性丝裂蛋白激酶，信号转导通路，信号传播，串话，反馈回路，双 稳性 细胞蛋白信号的传播机制研究第i i 页，共1 2 1 页 中山大学博士学位论文 英文摘要 m e c h a n i s m so fi n t r a c e l l u l a rp r o t e i ns i g n a lp r o p a g a t i o n f o rc e l ls i g n a l l i n g z h a n gy a n b i n ( a p p l i e dm a t h e m a t i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h o ut i a n s h o u a ni m p o r t a n tt o p i ci n c e l lb i o l o g yi st ou n d e r s t a n dh o wi n t r a c e l l u l a rs i g n a l i n g p a t h w a y sr e l a ye x t r a c e l l u l a rs t i m u l ii n t ov a r i o u sl o c a t i o n si n s i d et h ec e l l m o r ep r e c i s e l y , i ti st ou n d e r s t a n dh o w i n t r a c e l l u l a rs i g n a l i n gp a t h w a y st r a n s f e re x t r a c e l l u l a r s i g n a l si n t ot h ec e l l u l a rn u c l e u sf r o mt h ec e l l u l a rm e m b r a n ea tt h el e v e lo fs i n g l ec e l l t h es p a t i o t e m p o r a la c t i v i t yo f s i g n a lm o l e c u l e sd i r e c t l yi n f l u e n c ep r o p a g a t i o no f s p a t i a l p r o t e i ns i g n a l si n s i d ec e l l s ，a n df u r t h e rr e g u l a t ep i v o t a li n t r a c e l h l a rp r o c e s s e s f r o m v i e w p o i n t so fb i o l o g i c a lp h y s i c s ，t h i st h e s i sa i m st oe l u c i d a t et h em e c h a n i s mo fp r o p a - g a t i o no fp r o t e i ns i g n a l si n s i d ec e l l s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) w ep r o p o s eam e c h a n i s mf o rs i g n a lp r o p a g a t i o n ，w h i c hu s e sc r o s s t a l kb e t w e e np a r a l l e li d e n t i c a ls i g n a lt r a n s d u c t i o np a t h w a y so fm i t o g e n - a c t i v a t e dp r o t e i nk i - n a s e ( m a p k ) c a s c a d e s f o ras p h e r i c a lc e l l ，w ef i n dt h a tu n i d i r e c t i o n a lo rb i d i r e c t i o n a l c r o s s t a l kw i t he n h a n c e m e n to fp h o s p h o r y l a t i o nc a nf a c i l i t a t ep h o s p h o p r o t e i ns i g n a l p r o p a g a t i o nf r o mt h ep l a s m am e m b r a n et ot h ep e r i p h e r yo fc e l ln u c l e u s m o r e o v e r , d i f f e r e n ts h a l l o ws p a t i a lg r a d i e n t so fb i p h o s p h o r y l a t e dm a p ko c c u ri nt h ec y t o s o la n - d e rd i f f e r e n ts t r e n g t h so fp a t h w a yi n t e r a c t i o n s ( 2 ) w es t u d yp o t e n t i a l so f p o s i t i v ef e e d b a c ki ns p a t i a lp h o s p h o p r o t e i ns i g n a lp r o p - a g a t i o n f o rt h i s ，w ec o n s i d e ras i g n a l i n gp a t h w a yo f4 一t i e r e dp r o t e i nk i n a s ec a s c a d e s w i t he a c ht i e ri n v o l v i n gs i n g l e ( d e ) p h o s p h o r y l a t i o nr e a c t i o n so n l y i nt h ec a s eo fa s m a l lc e l l ，w ep r o p o s eas h o r tp o s i t i v ef e e d b a c kf o rs h o r t - r a n g ec e l ls i g n a l l i n g ，w h i c h c a ng e n e r a t eb i s t a b i l i t yt of a c i l i t a t et h ep h o s p h o p r o t e i ns i g n a lp r o p a g a t i o nf r o mt h e p l a s m am e m b r a n et ot h ep e r i p h e r yo fc e l ln u c l e u s i nc o n t r a s t ，i nt h ec a s eo fal a r g e c e l lf o rw h i c ht h el o n g r a n g es i g n a l i n gc a nn o tb ea c h i e v e db yt h es h o r tf e e d b a c k , w e p r o p o s e al o n gp o s i t i v ef e e d b a c km e c h a n i s m ，a n df i n dt h a ti tc a nf a c i l i t a t et h ep r o p a g a t i o no fp h o s p h o p r o t e i ns i g n a lo v e ral o n gd i s t a n c e ( 3 ) b a s e do nar e c e n t l yp r o p o s e dm o d e lf o rr e a c t i o n d i f f u s i o nm a p kc a s c a d e s ， w ei n v e s t i g a t et h ep o s i t i v ee f f e c to fn o i s eo ns i g n a lp r o p a g a t i o ni ns i g n a l i n gt r a n s d u c t i o np a t h w a y s f o ras p h e r i c a lc e l l ，w ef i n dt h a te x t r a c e l l u l a ra n di n t r a c e l l u l a rn o i s ec a n f a c i l i t a t ep h o s p h o p r o t e i nw a v ep r o p a g a t i o nf r o mt h ep l a s m am e m b r a n et ot h ep e r i p h e r y 细胞蛋白信号的传播机制研究第i i i 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 英文摘要 o ft h ec e l ln u c l e u s ，t h u sl e a d i n gt ot h eo c c u r r e n c eo fas p a t i a lg r a d i e n to f b i p h o s p h o r y l a t e dm a p k ( 4 ) a c t i v ec e l l sc o n t i n u o u s l ys e n s ec h a n g e s ( e g ，s t o c h a s t i cf l u c t u a t i o n s ) i nt h e c e l l u l a re n v i r o n m e n t ，a n du s ep a r t i c u l a rp r o t e i n s ( e g ，s i g n a lm o l e c u l e s ) t or e s p o n d a p p r o p r i a t e l yt ot h ec h a n g e se v e nu n d e rt h ec o n d i t i o n so fn oc e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n w i t h o u tc o n s i d e r i n gs p a t i a lf a c t o r so fp r o p a g a t i n gs i g n a l si n s i d ec e l l s ，w ei n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fn o i s eo np o p u l a t i o nb e h a v i o r so fi n d e p e n d e n tc e l l s b ym a t h e m a t i c a l m o d e l s ，w es h o wt h a tac o m m o nn o i s ys i g n a l i n gm o l e c u l ec a ni n d u c ei n - p h a s es y n - c h r o n i z a t i o na c r o s sa l le n s e m b l eo fi n d e p e n d e n tg e n eo s c i l l a t o r si ne s c h e r i c h i ac o l i ， l e a d i n g t oac o l l e c t i v er e s p o n s eo rr h y t h m o u rr e s u l t si m p l yt h a tc r o s s t a l k ，p o s i t i v ef e e d b a c ka n dn o i s ew o u l db eu t i l i z e d b yl i v i n go r g a n i s m so rs y s t e m sf o rs p a t i a ls i g n a lt r a n s f e ra n dc e l l u l a rd e c i s i o n m a k i n g p r o c e s s i n g o u rs t u d yl a y sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n gi n t r a c e l l u l a rp r o - c e s s e s k e yw o r d s ：m i t o g e n - a c t i v a t e dp r o t e i nk i n a s e ，s i g n a lt r a n s d u c t i o np a t h w a y , s i g n a l p r o p a g a t i o n ，c r o s s t a l k ，f e e d b a c kl o o p ，b i s t a b i l i t y 细胞蛋白信号的传播机制研究 第i v 页，共1 2 l 页中山大学博士学位论文 中山大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鳓龉期：刃年，月甲日 学位论文使用授权说明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图 书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：坳友氖售师签名： 日期：聊年朋矽日 第一章绪论 第一章绪论 在前分子生物学时代，生物学家把生命视为具有特殊“活力”的有机体，遵 循着无机界不存在的法则进行生命活动。在分子生物学时代，研究者们把生命 视为一架精密的机器，由基因和蛋白质根据物理、化学的规律来运转。2 0 世纪 末期，人类和许多模式生物基因组计划的完成引来了以基因功能研究为目的的 后基因组时代。后基因组时代一个重要的研究目的是在整体水平上利用系统思 维来研究生命现象。这标志着生物学研究的一个新时代一“系统生物学”时代的 到来。 在后基因组时代，许多生物科学家把生命视为信息的载体，一切特性都 可以从信息的流动中得到实现。生物学也是信息科学，生物信息是有等级 次序的，而且沿着不同的层次流动。一般说来，生物信息以这样的方向进行 流动：d n a _ r i 删a 一蛋白质_ 蛋白质相互作用网络_ 细胞_ 器官一个体_ 群 体。在这里，每个层次信息都对理解生命系统的运行提供有用的视角。因此， 系统生物学的重要任务就是要尽可能地获得每个层次的信息并将它们进行整 合。根据系统论的观点，构成系统的关键不是其组成的物质，而是组成部分的 相互作用或部分之间的关系。这些相互作用或者关系，从本质上说就是信息。 换一个角度来说，生命是远离平衡态的开放系统，为了维持其有序性，生命系 统必须不断地与外部环境交换能量，以抵消其熵增过程。奥地利物理学家薛 定谔早在1 9 4 0 年代发表的著作生命是什么? 中就已指出 1 】，生命以“负熵 流”为食，而“负熵”其实就是信息的另一种表示方法。所以，我们可以这样说， 生命系统是一个信息流的过程，系统生物学就是要研究并揭示这种信息的运行 规律。 因此，系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功 能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功 能、表型和行为 2 。系统生物学不仅研究一个生物系统中所有组分成分的构 成，而且特别关注在特定条件下这些组分间相互作用关系 3 】，所以，从整体水 平上认识生物系统，可以研究：( 1 ) 系统结构，如基因、代谢、信号传导网络 以及物理结构；( 2 ) 系统的动力学特性；( 3 ) 控制系统的方法；( 4 ) 设计和 修改系统的方法以达到期望的特性 4 】。 细胞蛋白信号的传播机制研究第l 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 1 1 细胞信号转导 1 1 细胞信号转导 生命是一种自然现象，它具有很多令人惊奇的特性：能够稳定地自我复 制，感知外界的刺激，适应周围环境变化，并且具有可塑性、学习性、周期 性。这些现象最本质的根源在于生命的系统性。因此，只有在系统性的高度， 才能解释并理解生命的特质。 从系统学的角度来看，生命系统具有以下特点：1 ) 结构性，而且这种结 构是有层次的。系统内有了子系统，子系统内各元素是相互关联的、相互作用 的，交织成一个网络。2 ) 从时间上来看，这种系统具有周期性。正因为有了空 间上的结构、层次，才使得其在时间上有了周期性，循环发展，周而复始。3 ) 守恒性，所有的生命系统都毫无例外的遵循物理及化学的守恒定律，如质量守 恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒及熵守恒。生命绝不会从无中生有，它需 要维持自身的结构稳定，就需要不断从外界获取物质、能量、负熵。因此，生 命系统从一般意义上具有复杂性，稳定性，可控性或进化性；而从热力学意义 上来说，生命是开放系统，具有耗散结构性，而且处于非平衡态。生命是一个 复杂巨系统，它的产生和发展必须也只能从系统论的角度得以阐述。 生命体是多层次、非线性、多侧面的复杂结构体系；而细胞又是生命体结 构与生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动；生物的生殖发育、 遗传、神经( 脑) 活动等重大生命活动都是以细胞为基础。多细胞生物是一个 繁忙而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢与能量 代谢，还有赖于细胞间通信与信号调控，从而以不同的方式协调细胞的行为， 诸如细胞生长、分裂、分化、死亡及其各种生理功能。 为了实现细胞通讯过程，一个细胞发出的信息通常是通过介质( 又称配 体) 传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转 导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应。由此可 见，细胞信号传导是细胞间实现通讯的关键过程，它对于多细胞生物细胞间功 能的协调、控制细胞的生长和分裂、组织发生与形态建成是必需的。从细胞系 统层次来看，细胞信号传导系统的研究对了解生命本质与细胞基本生命活动有 重要理论意义。因此，细胞信号转导过程及其调控机制的研究不仅有利于认识 正常生理过程，而且对于揭示人类重大疾病的分子机制以及开发细胞信号转导 相关的药物都有着重要意义。 细胞蛋白信号的传播机制研究第2 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 第一章绪论 系统生物学将在基因组序列的基础上完成由生命密码到生命过程的研究， 这是一个逐步整合的过程，由生物体内各种分子的鉴别及其相互作用的研究到 途径、网络、模块，最终完成整个生命活动的路线图。这个过程可能需要一个 世纪或更长时间。系统生物学的整合性可以体现在两种不同的策略上。第一种 就是胡德和系统生物学研究所采用的方式，选定一个较为简单的系统，如单细 胞生物酵母，然后分析尽可能多的构成成分一一基因组、转录组、蛋白质组、 相互作用组，以揭示整个系统的行为。另外一种策略是吉尔曼( a g g i l m a n ) 领导的“信号转导联军”采用的，以一个较为复杂的系统( g 蛋白介导的和与其相 关的细胞信号转导系统) 为研究对象，采用尽可能多的研究手段去进行分析。 两种不同策略的共同目标就是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映 出生物系统的真实性，这样也有利于促进对疾病产生机制的了解，并进一步揭 示整个生命组织的发病原理。 细胞信号转导是通过研究生物大分子之间的相互作用来揭示生物细胞信息 传递过程及其机制的前沿领域，其主要内容几乎涉及了生物医学的各个学科。 细胞信号传导的研究与生命科学中的许多重要问题密切相关，它已成为了解错 综复杂的生命现象的主要切入点，并成为生命科学多领域、多层次联系的纽 带。 1 2 细胞内信号时空传递机制研究的历史现状及其意义 细胞是组成人体的各种器官的基本单位，现代生命科学尝试在细胞水平 上探究各种疾病现象，像肿瘤，神经退行性疾病( 包括帕金森或阿尔茨海默 病) ，代谢性疾病( 肥胖或免疫系统失常) 等等。例如，癌性肿瘤的发生是由 于细胞不受控制的生长引起的，这就需要深入探究细胞的功能，如细胞生长、 分化、增殖分裂和细胞凋亡等 5 。人体的整体功能上的协调统一是通过细胞 与细胞间的相互识别、联络和相互作用而实现的，这种存在于细胞内和细胞间 的识别、联络和相互作用，又在多个层次上具有交叉调控，形成了一个十分复 杂的信号网络系统。我们把细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞 外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因表达，并引起细胞的应答反应称为 细胞信号转导。通常的生命信号以及信息传输是通过各种分子的生化反应完成 的，“通路”是指一组相互作用实现细胞功能的分子生化反应网络。因此，细胞 的种种功能活动受到细胞内复杂的信号转导通路的调控，精细调节的信号转导 是正常生命活动的前提，而信号转导异常可以导致病理过程。 细胞蛋白信号的传播机制研究 第3 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 1 2 细胞内信号时空传递机制研究的历史现状及其意义 在细胞内进行信息传递时，细胞识别胞外信号并将其转化为胞内应答。胞 外信号包括多种不同形式，可能还包括胞外信号分子，如小分子量的信使成分 或蛋白质；也可能包括感觉性的信号，如光信号。胞外信号通过应答链传递入 细胞内，其中有数条彼此独立的应答链依次激活，此过程需要许多信号蛋白参 与。信号传递链中信号的传导由参与蛋白的相继活化而发生。细胞主要通过两 种途径识别并转导胞外信息。首先，一种途径是信号分子作用于核受体通路， 即信号分子直接通过细胞膜并激活胞内受体；然而，在大多数信号转导通路 中，胞外信号是通过跨膜受体的识别及跨膜功能蛋白的协助而传递入胞内的。 而且，细胞对外部环境的应答是通过g 蛋白偶联的跨膜受体( gp r o t e i n c o u p l e d r e c e p t o r s ，g p c r s ) 或者受体酪氨酸特异激酶( r e c e p t o rt y r o s i n ek i n a s e s ，r t k s ) 活化介导的有限数量的信号转导通路来实现的。这些信号转导通路不仅是简单 的传送，而且它们还进行处理，编码综合胞内外各种信号。目前研究已表明， 相同的信号蛋白在不同时空中的激活特性能够引起不同的基因表达图谱，进而 诱导各种不同的细胞生理应答 6 ，7 ，8 】。这些观察结果进一步说明，许多关键的 细胞功能，像细胞骨架重组、细胞周期检查点和细胞凋亡，精确的依赖于信号 蛋白在不同时间和空间上的活化分布。 起始于跨膜受体的细胞内信号主要通过两种方式传递。一是跨膜受体激 活后生成弥散性信息物质。这些信息物质结合并激活效应蛋白进一步进行信 号传递直至细胞核，触发不同的时空效应。第二种信息传递方式对调节生长 和分化非常重要，是通过逐级蛋白激酶级联反应传递信号。胞外信号结合并 激活跨膜受体，将信号传递到下游效应分子。r a s 蛋白或r a s 蛋白超家族其他成 员常参与该通路，并且所有反应均与细胞膜相关。信号从r a s 蛋白( 或其他调 节蛋白) 起始，通过蛋白激酶的序列级联反应传递到细胞内部，并可到达细 胞核( 图1 i a ) 。这条通路通常由促细胞分裂信号，如生长激素类信号激活，所 以被称为促分裂原活化蛋白激酶通路( m i t o g e n i ca c t i v a t e dp r o t e i nk i n a s ep a t h w a y , m a p k 通路) 。m a p k 通路激活后可以磷酸化并激活转录因子，从而调节基因 表达 9 ，1 0 。 m a p k 通路由三个蛋白激酶组成核心模块，输入信号被核心模块的顶 端( 或最高) 蛋白激酶接收，然后被末端蛋白激酶传送到底物。从r a s 蛋白 ( 或其他r a s 超家族蛋白) 起始的转导信号，处于级联反应较低层蛋白激酶 由于受细胞外、多数情况是促进细胞分裂的配基调节，所以又被称为细胞 外调节激酶( e x t r a c e l l u l a rr e g u l a t e dl ! ( i i l a s e ，e r k ) 。m a p k 常是级联反应末端 细胞蛋白信号的传播机制研究第4 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 第一章绪论 a 胞外信号 1 3胞外信号 a p 激酶 m a p 激酶 m a p 激 图1 1m a p l 通路结构的一般示意图。( a ) m a p l 通路的一般组织结构； ( b ) 通路特例，e 咖路 激酶的统称，有别于其他不同的末端蛋白激酶。第一条被确认的m a p k 通 路是e 嘲路。这条通路从促分裂原起始，通过r a s 蛋白，激活e r k 蛋白激 酶 1 l 】。m a p k e r k 蛋白在m a p k 模块位于转导信号的底端，还有两个上级 蛋白激酶。m a p k e r k 蛋白接收上级m a p e r k 激酶( m e k ) 或者叫m a p 激 酶激酶( m a p 删m a p 2 k ) 的磷酸化激活信号( 图1 1 ) 。m e k 蛋白本身是 另一类更上游的蛋白激酶的底物，如m e k 激酶( m e k k ，也叫m a p k k 激 酶，m a p k k k 或m a p 3 k ) 。 细胞具有接收各种形式的外部信息，如生长因子、荷尔蒙、神经传递素 和其他环境中信号，这些信号分子刺激各种细胞表面受体，大部分的细胞信 号传递是通过r t k s 、g p c p s 或细胞因子受体激活的m a p k 级联通路这一信号 处理中心模块来传输的 1 2 。研究证实，m a p k s 信号转导通路存在于大多数 细胞内，在将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内，并引起细胞生物学反应 ( 如细胞增殖、分化、转化及凋亡等) 的过程中具有至关重要的作用。研究表 明，m a p k s 信号转导通路在细胞内具有生物进化的高度保守性，在低等原核细 胞和高等哺乳类细胞内，目前均已发现存在着多条并行的m a p k s 信号通路，不 同的细胞外刺激可使用不同的m a p k s 信号通路，通过其相互调控而介导不同的 细胞蛋白信号的传播机制研究第5 页，共1 2 1 页 中山大学博士学位论文 1 2 细胞内信号时空传递机制研究的历史现状及其意义 细胞生物学反应。 1 - 2 1 细胞内信号转导通路的动力学 目前，线性的信号传递途径传输胞外信号到特异性基因表达逐渐被信号 传递网络来实现这一功能。g p c p s 和r t k s 都能够激活蛋白激酶和磷酸酶构成 的级联通路，例如激活m a p l 通路来诱导细胞核内的转录因子表达。在单独的 受体介导的通路中，细胞信号传输的特异性不是仅仅依靠一个蛋白或基因实 现，而是由下游信号分子活性在时空系统上分布确定的。经典的例子是p c i 2 细 胞在不同信号的刺激下产生不同的生理响应，表皮生长因子( e g f ) 诱导胞 内m a p k 的暂态激活进而促进细胞的增殖，然而，神经生长因子( n g f ) 通过 持续激活m a p k 来诱导细胞分化 6 ，7 】。但是，由于控制着m a p k 级联通路活性 的动力学是很复杂的，而且是非线性系统过程，因此，了解细胞如何作用就 需要动力系统理论。信号转导级联通路的永恒主题之一就是其系统具有双稳 性 1 3 1 。一个具有双稳性的蛋白级联通路系统能够在两个不同稳定态之间切 换，一个对应着高浓度态，另外一个是低浓度稳定态，但是不能停留在中间不 稳定态。当信号强度低于某一阈值，一蛋白级联，如m o s m e k p 4 2m a p k 级联 通路，非洲爪蟾卵母细胞中州k 级联通路和老鼠n i h 一3 t 3 细胞中e r k 级联通路 等，能停留在一低活性状态，而超过这一阈值的信号强度能让这些级联通路切 换到高活性状态。特别的，当信号强度再次降到次阈值( 比初始阈值低的另外 一阈值) 之前，级联通路都是处于高活性状态的。从时间动态规律看，经典 的m a p k 级联通路能够产生双稳动力系统( 两个稳定态“开”和“关”并存) ，不 连贯切换和震荡行为 1 4 ，1 5 ，1 6 。 有关信号网络的时间动态规律，利用动力系统模型能够很好的刻画并揭 示许多关键的细胞调控功能。从上个世纪9 0 年代开始，随着大量有关分子组 件以及复杂作用信号网络的数据信息的增长，数学模型逐渐成为一个有效新 型工具 1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 l ，2 2 ，2 3 。这些动力系统模型的建立，起初是为了更好 的理解信号应答的时间动态规律，进而希望能够还原整个细胞网络。经典的 细胞信号传递网络之一是起始于表皮生长因子受体( 印i d e r m a lg r o w t hf i e m r r e c 印t o r ，e g f r ) 的网络，该网络中的e g f r 和e r b b 家族成员一起对癌细胞形 成起关键作用 2 4 ，2 5 。e g f r 残基的磷酸化引起修饰蛋白和各种酶的募集和激 活，通过相互作用的各种级联通路来进行信号传播，这其中就包括磷脂酶c 7 ，磷酸肌醇3 激酶( p 1 3 k ) 和e r k m a p k 通路 2 6 1 。1 9 9 9 年，k h o l o d e n k o 领导 细胞蛋白信号的传播机制研究第6 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 第一章绪论 的研究小组建立了第一个有关肝细胞的e g f r 网络动力系统模型 1 8 ，解释了肝 细胞在生长因子刺激下细胞应答的时间动态行为。该模型证明了一系列的假设 是合理的并提出了一些违反直觉的预测。其他一些具有很好预测功能的e g f 啪 路也已经被建立，这些模型描述刻画有关e g f r 介导信号传输各个方面，包 括m a p l 濒联反应对生长因子的暂态和持续响应 1 9 ，2 3 ，2 7 】，m a p k 激活幅值 对e g f r 数目的非线性依赖 2 1 】，自分泌正反馈循环 2 8 ，m a p k 通路和p 1 3 k 通 路之间的串话 2 9 ，来自于胞膜与内涵体的e g f r 介导的信号传递的综合 3 0 。 蛋白质磷酸化和去磷酸化过程是生物信号传输过程中非常重要的一类生化 反应，并有多种酶参与其中。蛋白质的生物活性经常是被磷酸化过程所激活， 而被去磷酸化过程所关闭，所以这样的a t p a d p 环过程就是在传输着生物信 号，被称为控制着信息流的“生物开关”。 a b 冈 l ，一 j 图1 2细胞信号网络中的基环。( a ) 一靶蛋白( t ) 的磷酸化和去磷酸化环。 蛋白t 被一激酶磷酸化成l ，一拮抗磷酸酶去磷酸化t p ； ( b ) d x g t p 酶r a s 蛋 白动力环。s o s 催化未活化g d p 绑定形式的r a s g d p 转化成活化g t p 绑定形式 的r a s g t p 。g t p 酶激活蛋r a s g a p ( 如g a p 显示) 是拮抗酶，催化逆向反 应。 信号转导网络基元通常是由一个具有两种或多种可逆变换形式的信号蛋 白构成的环，该信号蛋白活性由两种转换酶来化学修饰改变，如，一个激 酶和一个磷酸酶分别对磷酸蛋白起活化和失活作用，还有调节性g t p 酶激活 蛋白( g t p a s ea c t i v a t i n gp r o t e i n ，g a p ) 和鸟苷酸交换因子( g u a n i n en u c l e o t i d e e x c h a n g ef a c t o r s ，g e f s o s ) 对于小分子g 蛋白( 如激活m a p k 级联通路的r a s 蛋 白) 也具有该同样的功能作用( 图1 2 ) 。活化的磷酸蛋白沿着基元级联传播信 细胞蛋白信号的传播机制研究第7 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 1 2 细胞内信号时空传递机制研究的历史现状及其意义 号。大多数信号转导通路的主链是由这些的生化反应循环基元级联构成的，由 胞膜受体接收的胞外信号就是通过这样构成的信号转导通路传送到细胞核或者 更远的信号蛋白。 1 9 8 1 年，g o l d b e t e r 和k 0 s h l a l l d 3 1 】观察到，在生命体内，参与磷酸化和去 磷酸化过程中的激酶和磷酸酶都处于饱和状态，由此出发建立数学模型，并发 现了著名的零阶超灵敏度现象。即在饱和转换酶情况下，循环基元的典型动力 学特征是具有超敏感性( u l t r a s e n s i t i v i t y ) 3 1 。基环中可转换形式的信号蛋白 的活性响应情况是依赖于饱和度的，响应曲线可以从双曲线形式的响应变化到 极陡的s 形( s i g m o i d a l ) 响应。转换酶对信号蛋白的隔离( s e q u e s t r a t i o n ) 作用 能够降低其s 形响应的变化率。同样的，当转换酶活性被抑制或者由它们的产物 饱和中和下，超敏感响应也会消失 3 2 。以此形成对照，多位点的磷酸化反应 ( 遵循分布的多碰撞反应机制 3 3 】) 能够大大增强信号输入输出的敏感性，同 时抵抗转换酶的隔离作用影响进而可以诱导类似于开关的信号响应。另外一种 循环基元，多位点蛋白的化学修饰激活模式也被细胞反复利用，更多位点的磷 酸化反应将导致具有更大倾斜度的切换。另外，关于有序分布式多位点磷酸化 情况，理论上已经分析得出了这样的结论：多位点磷酸化反应是一个有效的阈 值装置，却不是一个好的开关 3 4 。因此，多位点磷酸化环对理解信号转导动 力系统有很大的启示作用。 逐级蛋白激酶反应介导的信号传导，可以非常灵活和高效地调节信号的放 大和多样性。也就是，在蛋白激酶级联反应的各个水平都可以进行正向或负向 调节，所以可在很大范围内调节信号的强度。级联通路中环数目的增加或者正 反馈环路的引入都能增强靶蛋白对输入信号的敏感性响应 3 5 ，3 6 。正反馈放大 信号而负反馈环路削落信号。从动力学角度看，反馈环路不仅能够改变稳定状 态响应，而且也有利于失稳状态的出现。当系统的一个稳定状态变成不稳定状 态，该系统能跳到另外一个稳定状态，开始了震荡行为甚至混沌行为。已经有 研究表明，正反馈环路可以诱导双稳性，仅有正反馈环路或者与负反馈环路合 作也能够诱导振动 1 6 】，例如，来自于c a 2 + 诱导释放的c a 2 + 震荡行为和细胞周 期震荡 3 7 ，3 8 ，3 9 。正反馈诱导的振动行为不是正弦曲线型，而是以脉冲形振动 的松弛震荡型( 动力系统具有双稳性，通过一慢过程来周期驱动系统在开和关 状态之间切换的震荡行为) ，同样，正反馈环路也能够赋予信号级联通路具有 双稳性和松弛震荡，而负反馈环路赋予了它对参数变化的适应性和鲁棒性( 例 如，由遗传变异性引起变化) 4 0 ，4 1 。虽然负反馈在波动情况下可以稳定级联 细胞蛋白信号的传播机制研究第8 页，共1 2 1 页中山大学博士学位论文 第一章绪论 通路的输出，但是当反馈强度越过某一阂值也能够诱导阻尼或持续振动响应。 这些振动行为产生是由具有延迟的负反馈环路引起的，而且还要求独立的信号 传导级联环路具有某些超敏感性 1 4 】。其中一个典型的例子，松弛振子和负反 馈诱导的振子对噪声的鲁棒性是不同的 4 2 】，而且通常呈现不同震荡行为和对 振幅和周期的不同控制。 传统上许多复杂的动力学特征已经和级联信号环路紧密联系在一起了，甚 至只是简单的信号环路就已经能够产生复杂的动力学行为( 如双稳性和松弛震 荡) 。例如，多位点的蛋白化学修饰激活不仅能够增强信号响应的超敏感性， 而且具有潜在的双稳性诱导能力 4 3 ，4 4 。基于已有动态数据，m a p k 级联通路 中一单层反应，如双磷酸化e r k 环，能在某一参数范围内出现双稳性和时滞现 象( h y s t e r e s i s ) 4 3 】。一个单位点化学修饰环可以通过四种不同的调控机制来产生 双稳性切换，即通过其中蛋白( 激活或未激活态) 促进或者抑制该未活化蛋白 的激活反应来进行失稳控制 4 5 。附加的起稳定作用的环路通过影响转换酶的 生成率和降解率可以使该双稳性切换系统变成松弛震荡系统，在单位点化学修 饰环中已存在3 2 种不同环路设计来产生震荡行为【4 5 】。 在胞外信号的刺激下，许多信号蛋白共同参与细胞信号网络的集体动态行 为，而不是个别分子所能够完成的。由这些具有复杂动力学行为的环路基元构 成的级联通路能够产生大量的信号响应图案，进一步实现信号响应的特异性。 而各种负、正反馈环路又赋予了级联通路产生像渐进( g r a d e d r e s p o n s e ) 响应、超 敏感响应、多稳性和震荡行为等各种动力学行为【1 4 ，3 7 ，4 0 ，4 6 ，4 7 ，4 8 ，4 9 ，5 0 。例 如，相同的基本网络结构允许m a p k 级联通路作为可变的集成模块，具有类似 于负反馈环路放大器的降噪功能，还有像超敏感性或不连续的开关作用，这些 理论上的预测都已经被大量生物实验所验证 1 5 ，5 0 ，5 1 。 两个或多个具有双稳性环构成的级联通路能让信号传输动力系统具有多稳 性，例如经典的m a p k 级联通路 4 3 】。多稳性赋予的信号网络功能是能够控制 多个可逆状态之间的转变，最经典的例子之一是有关细胞周期状态之间的一系 列转换 3 8 ，3 9 。所以，一系列的多稳态分叉分析为更好的控制细胞命运和细胞 周期调控点提供了理论依据。 在时间动力学上，主要的信号响应类型已经被刻画，依赖于级联通路结构 和动力学参数选取，持续的输入能够引起持续响应，暂态响应，或者更加复杂 的双稳和震荡响应行为。总之，信号级联通路已经在实验和理论上被大量研 究，但是大部分的研究只考虑混合均质空间情况，而忽略了信号传送的空间因 细胞蛋白信号的传播机制研究第9 页，共1 2 1 页 中山大学博士学位论文 1 2 细胞内信号时空传递机制研究的历史现状及其意义 素。虽然在级联网络中输入输出关系与信息处理时间动力学上有了许多重要突 破，目前我们还是缺少有关蛋白修饰级联通路进行的空间信号传输的理论和实 验研究 5 2 ，5 3 ，5 4 。 11 2 1 2 细胞内空间蛋白信号的传输机制 通常我们认为各种各样的酶蛋白在单个细胞中是均匀参与各种生化反应， 在同质空间( h o m o g e n o u ss p a c e ) 下，信号转导通路也是由级联各种信号传输 者构成并传递胞外信号到它们的目标蛋白。然而，从新陈代谢反应得出，级联 各种酶催化反应在细胞空间中分