细胞信号转导异常与疾病医学PPT.ppt

细胞信号转导异常与疾病 主要内容 细胞信号转导系统概述 信号转导异常的原因和机制 细胞信号转导异常与疾病 第一节细胞信号转导系统概述 内容提要 细胞信号转导的基本过程和机制 细胞信号转导系统的调节 一 细胞信号转导的基本过程和机制 信号的接收和转导 受体接收信号 细胞内信号转导通路 启动 细胞受体 膜受体 核受体 典型细胞信号转导过程 膜受体 膜受体的成员 G蛋白偶联受体 G protein coupledreceptor GPCR 家族 酪氨酸蛋白激酶型受体或受体酪氨酸激酶 receptortyrosinekinase RTK 家族 细胞因子受体超家族 死亡受体家族 如TNFR Fas等 丝 苏氨酸蛋白激酶 PSTK 型受体 如TGF R 家族 离子通道型受体 粘附分子 如钙粘素 整合素 等 占受体的大多数 膜受体的作用 接收化学信号 感受物理信号 感受细胞之间直接接触所产生的刺激 并激活细胞内的信号转导通路 感受细胞与细胞外基质之间直接接触所产生的刺激 并激活细胞内的信号转导通路 信号转导蛋白及控制信号转导蛋白活性的方式 细胞内存在的蛋白质 含受体 通过它们一系列构象 活性的变化完成细胞信号转导过程 这些蛋白质称为信号转导蛋白 信号转导蛋白 信号转导蛋白有活性和非活性两种形式 控制信号转导蛋白活性的方式 通过配体调节 能与受体等蛋白特异性结合的因子 信号 称为配体 细胞外信号与受体结合激活受体 细胞内信使分子能激活细胞内受体和蛋白激酶 通过G蛋白调节 G蛋白是指能够结合GTP或GDP 并具有内在GTPase活性的蛋白 与GTP结合是它们的活性形式 能转导信号 G蛋白又可分为 GTP 与GDP结合的非活性形式 GTPase分解 转为 关闭信号转导通路 单亚基的小G蛋白 由 三个亚基组成的G蛋白家族 小G蛋白有 激活的G蛋白 小G蛋白 Ras家族 Rho家族 由于内在GTP酶活性低 正调控因子的鸟苷酸交换因子 GEF 负调控因子GTP酶激活蛋白 GAP 受控于 多种受体引发的跨膜信号转导 如能够激活腺苷酸环化酶 AC 和多种磷脂酶 能介导 它们的产物作为细胞内的第二信使 又能激活 下游蛋白激酶 跨膜信号转导上游 有信号转导通路中的分子开关之称 这是因为 通过可逆磷酸化调节 以丝裂原激活的蛋白激酶 mitogen activatedproteinkinase MAPK 家族为例 该家族包括 一些信号在细胞内是通过磷酸化的级联反应来进行的 来说明 细胞外信号调节的蛋白激酶 extracellular signalregulatedkinase ERK c junN端激酶 c junN terminalkinase JNK 应激蛋白的蛋白激酶 stressactivatedproteinkinase SAPK p38MARK 多种细胞外信号启动的细胞内信号转导 具有 细胞的生长 分化 应激及死亡的作用 该家族 参与 其中ERK通路主要被分裂原激活 调节 生长因子与受体结合后 能激活小G蛋白Ras 进而激活Raf MEK ERK通路 JNK SAPK通路和p38MARK通路能被多种应激原 促炎细胞因子 生长因子激活 例如 信号对靶蛋白的调节 细胞转导系统通过对信号的加工整合 最终将信号传给其终端 通过对靶分子的作用 导致一系列生物效应 使机体得以适应复杂和多变的内外环境 信号转导通路对靶蛋白调节的最重要的方式是可逆性磷酸化调节 激活的蛋白激酶 如PKA PKC MAPK家族成员等 或磷酸酶 信号转导通路中 各种效应蛋白 如代谢酶 离子通道 离子泵 运输蛋白 骨架蛋白等 能通过对 进行 接下页 跨膜信号转导通路 可逆的磷酸化修饰 它们的活性和功能 快速调节 导致 神经兴奋和抑制 肌肉收缩 离子的转运 代谢变化等 通过对 转录因子的可逆磷酸化修饰 转录因子的活性 调节 促进转录因子转入核内与DNA结合 例如 提高转录因子的活性 核受体 配体依赖性转录调节因子 与配体结合后被激活 激活的转录因子可调节基因表达 进而 细胞增殖分化和凋亡等 调节 二 细胞信号转导系统的调节 受体数量的调节 体内配体浓度发生明显而持久变化时 可以改变自身受体或其他受体的数量 使受体数量减少的 称向下调节 down regulation 使受体数量增加的 称为向上调节 up regulation 受体不断地生成和降解保持平衡 生成或降解加快受体数量 生成或降解减慢受体数量 在高浓度受体激动剂的长时间作用下 膜受体被内化可致其数量 使靶细胞对激动剂的敏感性 膜受体与配体结合后 与配体结合的膜受体会被细胞内化 内化后部分受体降解 剩余的受体可重新回到细胞膜被利用 受体的再循环 配体的异源性调节 甲状腺素可使肾上腺素 受体 特别是心肌的 2受体 甲亢患者的心肌组织对 受体激动剂的敏感性出现心悸 例如 例如 受体亲和力的调节 受体磷酸化 脱磷酸化 激活的蛋白激酶可反过来使同种或异种受体磷酸化 导致受体与配体结合的亲和力 调节受体亲和力和活性的方式 能使受体磷酸化的蛋白激酶分为 受体特异性 受体非特异性 G蛋白偶联受体激酶 G protein coupledreceptorkinases GRKs 只能使GPCR磷酸化 例如 PKA和PKC 例如 能磷酸化含有PKA和PKC作用位点的受体 例如 接下页 PKC可使表皮生长因子 EGF 受体第654位的苏氨酸残基磷酸化 导致该受体的亲和力 PKA可使G蛋白偶联受体 GPCR 磷酸化 受体信号转导的调节是实现内环境稳定的需要 给哮喘患者长时间使用异丙肾上腺素 可使支气管平滑肌上的受体减少或与G蛋白偶联 造成支气管平滑肌对药物的反应性降低 受体调节性变化还与机体对药物的敏感性有关 长时间使用某种药物可致相应受体下调 使组织细胞对药物不敏感 接上页 体内某种激素 配体剧烈变化时 受体的改变可缓冲激素 配体的变动 以减少有可能导致的代谢紊乱和对细胞的损害 过度或长时间调节可致受体数量 亲和力或受体后信号转导过程长时间的变化 使细胞特定配体的反应性减弱或增强 前者称为减敏或脱敏 后者称为高敏或超敏 例如 第二节信号转导异常的原因和机制 主要内容 信号转导异常的原因 信号转导异常的发生环节 一 信号转导异常的原因 生物因素 Toll样受体 Tolllikereceptor TLR 的作用 TLR 型膜蛋白 是一类病原体识别相关的受体 多种病原体及其产物感染人体后 可通过该受体家族成员激活细胞内的信号转导通路 在病原体感染引起的免疫和炎症反应中起重要作用 病原体通过干扰细胞内的信号转导通路导致疾病 霍乱毒素 霍乱弧菌外毒素 选择性催化Gs 亚基的精氨酸201核糖化 使Gs 的GTP酶丧失活性 而使Gs 处于不可逆性激活状态 不断刺激AC生成cAMP大量生成 使小肠上皮细胞膜蛋白构型发生改变 大量氯离子和水持续转运入肠腔 引起严重腹泻和脱水 例如 理化因素 化学致癌物的作用 例如 多环芳烃类化合物 鸟苷酸加合物能诱导小鼠小G蛋白K Ras基因突变 使Ras的GTP酶活性 其结果使Ras处于与GTP结合的持续激活状态 激活的Ras能通过激活Ras Raf MEK ERK通路 导致细胞异常增殖 机械力的作用 心肌的牵拉刺激和血流切应力对血管的刺激等可通过特定的信号转导通路激活PKC ERK等 心肌肥厚和动脉粥样硬化 也是由于过度或过长的机械刺激 引起细胞损伤所致 例如 遗传因素 遗传因素可使染色体异常和编码信号转导蛋白的基因突变 其结果可导致 信号转导蛋白数量或 信号转导蛋白功能改变 失活性突变 信号转导蛋白功能减弱或丧失 受体与配体结合障碍 如促甲状腺激素受体 TSHR 的失活性突变可使甲状腺细胞对TSH不敏感 患者表现为甲状腺功能减退 酪氨酸蛋白激酶型受体 RTK 的酶活性丧失 核受体转录调节功能丧失等 如 如 靶细胞对特定信号不敏感 有些信号转导蛋白突变后还能抑制或阻断野生型信号转导蛋白的作用称为显性负性作用 功能获得性突变 某些信号转导蛋白突变后获得了自发激活和持续性激活能力 称为组成型激活突变 已在常染色体显性遗传的甲亢患者中发现有TSHR的激活型突变 使患者甲状腺细胞释放甲状腺素而出现甲亢 内分泌肿瘤 如垂体肿瘤 肾上腺皮质肿瘤和卵巢肿瘤 中有G 基因突变 导致G 亚基因的GTP酶活性降低 使G 处于持续的激活状态 免疫因素 受体抗体产生的原因和机制 如 由于基因突变导致 受体一级结构改变受体具有抗原性 受体原来隐蔽的抗原成分决定簇暴露 受体蛋白与外来抗原 如感染的病原体 有共同的抗原决定簇 使细胞对相应受体产生交叉免疫反应 遗传因素和环境因素导致机体免疫功能紊乱时 将自我当成非自我 自身受体抗体 产生 抗受体抗体的类型 可模拟信号分子或配体的作用 激活特定信号转导通路 刺激型抗体 靶细胞功能亢进 已证实90 以上的Graves患者体内出现刺激性促甲状腺激素受体抗体或甲状腺刺激型抗体 TSAb 能模拟TSH的作用 与甲状腺滤泡细胞膜上的TSH受体结合后 能通过激活的信号转导通路刺激甲状腺滤泡细胞的功能和生长 造成甲状腺素持续升高 引起甲亢 与受体结合后阻断 阻断型抗体 阻断受体与配体的结合 阻断 受体介导的信号转导通路和效应 细胞功能低下 在10 40 桥本病患者体内发现有甲状腺阻断型抗体 TBAb 该抗体能阻断促甲状腺激素 TSH 对甲状腺的兴奋作用 导致甲状腺功能减退 在重症肌无力患者体内也发现有阻断型的抗N型乙酰胆碱受体 nAChR 的抗体 该抗体不仅能阻断运动终板上的nAChR与乙酰胆碱的结合 而且抗体与受体结合后 由于抗原抗体反应还可以导致运动终板结构损伤 终板膜上的nAChR减少 结果导致神经肌肉传递功能障碍 轻者仅表现为眼肌收缩功能减退 重者可波及全身肌肉 甚至呼吸肌受累而危及生命 例如 内环境因素 缺血 缺氧 炎症 创伤 内环境紊乱时 神经 内分泌系统过度激活 某些信号转导通路过度激活和某些信号转导障碍 机体功能代谢紊乱 严重的 疾病的发生发展 促进 二 信号转导异常的发生环节 目前研究较多的是配体和受体水平改变 随着研究进展 正向受体后的过程深入 不同受体介导的信号转导通路间并不是互不相干的 而是存在交互通话 cross talk 和作用 某种信号蛋白的功能丧失后 如它的作用能由别的相关信号蛋白来取代 或者功能相近的信号转导途径间发生了功能上的互补 则不会影响细胞的功能代谢 并非所有的信号转导蛋白异常均导致疾病 单个环节或单个信号转导分子的异常多见于遗传病 而一些多基因疾病 如肿瘤已证明有多种信号转导蛋白和多环节的异常 第三节细胞信号转导异常与疾病 主要内容 受体 信号转导障碍与疾病受体 信号转导过度与疾病多环节的信号转导异常与疾病 家族性高胆固醇血症 familialhypercholesterolemia FH 是20世纪70年代初由Brown和Goldstein报道的第一个受体病 该病是由于低密度脂蛋白 LDL 受体缺陷所致 此后随着研究的进展 越来越多的受体和信号转导蛋白异常与疾病的关系得到阐明 一 受体 信号转导障碍与疾病 受体数量 亲和力 受体阻断型抗体的作用 受体功能所需的协同因子或辅助因子缺乏 受体功能缺陷 受体信号转导蛋白的缺陷 如失活性突变等 特定信号转导过程或中断 若细胞不能启用另外的信号转导通路来代偿 靶细胞对该信号敏感性或丧失 疾病 雄激素受体缺陷与雄激素抵抗征 雄性激素受体 AR 是核受体的一种 作为配体依赖性的转录调节因子 AR与雄性激素结合后 在核内与靶基因中特定DNA序列 雄激素反应元件结合 通过调节基因表达产生生物效应 AR的减少和失活性突变可致雄激素不敏感综合征 androgeninsensitivitysyndrome AIS AIS的分类 男性假两性遗传表现为程度不等的性分化发育障碍 最严重的为睾丸女性化综合症 即患者染色体核型为XY 有睾丸 但外生殖器表现不同程度的女性化 较轻的男性患者有不同程度的尿道下裂和阴茎短小 特发性无精症和少精症 延髓脊髓性肌萎缩 spinalandbulbarmuscularatrophy SBMA 是一种运动神经元变性疾病 表现为进行性的延髓及脊髓性的肌无力及肌萎缩 本病患者均为男性 除了肌萎缩外 近50 的患者尚有乳房女性化及生育能力低下表现 胰岛素受体与胰岛素抵抗性糖尿病 胰岛素受体 insulinreceptor IR 促进葡萄糖转运蛋白4 GLUT4 转位到膜上 从而增加外周组织摄取葡萄糖的能力 为酪氨酸蛋白激酶 proteintyrosinekinase PTK 型受体 胰岛素与IR结合 受体的PTK激活 PTK通过胰岛素受体底物 IRS PI 3K Ras Raf MEK ERK 激活 使无活性的糖原合酶转为激活的形式 增加糖原的合成 使基因表达增强 蛋白质合成增加 促进细胞增殖 遗传性的胰岛素抵抗性糖尿病包括 Leprechaunism综合征 Rabson Mendenhall综合征 A型胰岛素抵抗症 一般有家族史 临床表现 有严重高血糖 高胰岛素血症 多伴有黑色素棘皮及多毛症 面容丑陋 该病患者约50多种胰岛素受体的基因突变 呈明显的异质性 以点突变为主 分布于受体的胞外区和PTK区 基因改变特点 二 受体 信号转导过度激活与疾病 某些信号转导蛋白的过度表达 基因突变使某一信号蛋白成为异常的不受控制的激活状态 某种抗受体抗体能够持续刺激受体 细胞内特定信号转导通路过度激活 细胞增殖 分化 凋亡或功能代谢的异常 生长激素 GH 是腺垂体分泌的多肽激素 其功能是促进机体生长 GH的分泌受丘脑下部GH释放激素 GHRH 和生长抑素的调节 GHRH与垂体细胞上的受体结合后经激活Gs 导致AC活性升高和cAMP积聚 促进腺垂体分泌GH 在分泌GH过多的垂体腺瘤中 有30 40 是由于编码Gs 的基因点突变 其特征是Gs 的精氨酸201为半胱氨酸或组氨酸所取代 或谷氨酰胺227为精氨酸或亮氨酸所取代 这些突变抑制了GTP酶活性 使Gs 处于持续激活状态AC活性升高 cAMP含量增加 垂体细胞生长和分泌活跃 故在这些垂体腺瘤中信号转导障碍的关键环节是Gs 过度激活导致的GHRH和生长抑素对GH分泌调节失衡 GH分泌增多可刺激骨骼过度生长 在成人引起肢端肥大症 在儿童引起巨人症 三 多个环节的信号转导异常与疾病 与单基因遗传病不同 一些疾病存在多个环节的信号转导异常 例如 肿瘤 晚期则主要是控制细胞黏附和运动性的基因发生变化 使肿瘤细胞获得了转移性 肿瘤细胞信号转导的改变是多成分 多环节的 肿瘤的早期主要是与增殖 分化 凋亡有关的基因发生改变 造成调控细胞生长 分化和凋亡信号转导异常 使细胞出现高增殖 低分化 凋亡减弱等特征 这里只讨论导致肿瘤细胞过度增殖的信号转导 促进细胞增殖的信号转导增强 生长因子产生增多 多种肿瘤组织能分泌生长因子 如转化生长因子 TGF 血小板衍生性生长因子 PDGF 成纤维细胞生长因子 FGF 等 而肿瘤细胞通常具有上述生长因子的受体 因此肿瘤细胞可通过自分泌机制导致自身的增殖 受体的改变 某些生长因子受体表达异常 实验表明 恶性肿瘤常伴有某些生长因子受体表达的异常 而且表达量与肿瘤的生长速度密切相关 酪氨酸蛋白激酶受体 RTK 是多种生长因子受体以及与其有同源性的癌基因产物 在细胞的生长 分化 代谢及有机体的生长发育中发挥重要作用 RTK与生长因子结合后 可发生二聚化及受体间的交叉磷酸化 导致胞内区的PTK激活 激活的受体通过其接头蛋白 adapter 启动多条信号转导通路 如PLC DAG PKC通路 PI 3K PKB通路 Ras Raf MEK ERK通路等促进基因表达和细胞周期的运行 导致细胞的增生 已在多种人的肿瘤细胞 如前列腺癌 乳腺癌 胃肠道肿瘤 卵巢癌中发现有编码表皮生长因子受体 EGFR 的原癌基因c erb B的扩增及EGFR的过度表达 EGFR既是表皮生长因子 EGF 的受体 也是TGF 受体 EGFR增多使肿瘤细胞对TGF 和EGF的反应性增强 促进增殖效应更为明显 神经胶质细胞瘤中神经生长因子受体 NGFR 明显增多 人多发性骨髓瘤细胞及成人T细胞白血病 ATL 细胞膜上的IL 2受体及IL 6受体表达异常增高 此外 已在脑胶质瘤 乳腺癌 卵巢癌 结肠癌等多种肿瘤组织中证实有血管内皮细胞生长因子 VEGF 受体 FGF受体以及PDGF受体的高表达 这些生长因子受体能介导相应生长因子促进血管生成的作用 在肿瘤的进展过程中也起着重要作用 突变使受体组成型激活 已在多种肿瘤组织中证实有PTK的组成型激活突变 如在肺癌 乳腺癌 卵巢癌中发现一种缺失了N端配体结合区的头部截断的EGFR 这种受体处于配体非依赖性的持续激活状态 能持续刺激细胞的增殖转化 细胞内信号转导蛋白的改变 在人类肿瘤中发现频率最高的突变是小G蛋白Ras的12位甘氨酸 13位甘氨酸或61位谷氨酰胺为其它氨基酸残基所取代 导致Ras自身GTP酶活性下降 而且能抵抗GTPase活化蛋白 GTPaseactivatingprotein GAP 的作用 使RasGTP不能转变成RasGDP而始终处于GTP结合的活性状态 造成Ras Raf MEK ERK通道的过度激活 从而导致细胞的过度增殖与肿瘤的发生 在肿瘤组织中还发现有某些编码蛋白激酶的癌基因 如src癌基因 的表达增加 src的产物具有较高的PTK活性 可催化下游信号转导蛋白的酪氨酸残基磷酸化 促进细胞异常增殖 抑制细胞增殖的信号转导过弱 细胞癌变过程不仅可由促进细胞增殖的信号转导通路过强所致 还可能是生长抑制因子受体减少 丧失以及受体后的信号转导通路异常 使细胞的生长负调控减弱或丧失 转化生长因子 TGF 对多种肿瘤细胞具有抑制增殖及激活凋亡的作用 TGF 受体 T R 是具有丝 苏氨酸蛋白激酶 PSTK 活性的受体 分为 型和 型 现已发现在肿瘤细胞中 如胃肠癌 肝癌及淋巴瘤中有TGF 型受体 T R 的突变 并在多种肿瘤中证实有Smad4的失活 突变或缺失 型受体与配体结合后 与 型受体形成寡聚糖 并使 型受体磷酸化 激活的 型受体能使Smad蛋白家族的丝 苏氨酸残基磷酸化 之后Smad以二聚体的形式转入核内 调节靶基因的转录 通过抑制细胞周期素依赖性激酶4 CDK4 的表达 诱导P21wafl P27kipl和P15ink4b等CDK抑制因子的产生 将细胞阻滞于G1期 高血压心肌肥厚 信号转导异常不仅参与了疾病的发生还参与疾病的发展 高血压 左心阻力负荷过重 例如 左心肌细胞基因表达 RNA和蛋白合成 心肌细胞肥大 细胞外基质成分 血管结构改变 心肌的重建或重塑 促细胞增殖的信号转导异常 高血压时心肌肥厚发生 发展涉及的促心肌肥厚的信号 见下页 牵拉刺激 左心长期压力超负荷 激素信号 心肌细胞受到过多的牵拉 直接 信号转导和基因表达的改变 心肌细胞增殖 全身或局部分泌血管活性物质 生长因子和细胞因子等 促进 高血压 神经内分泌系统激活 儿茶酚胺 Ang ET 1等分泌 通过GPCR 发挥很强的的促进 心肌细胞增殖的作用 局部体液因子 牵拉刺激 激素信号 心肌组织中生长因子和细胞因子如TGF FGF等合成分泌 激活 激活PLC PKC通路 心肌组织中存在多种PKC亚型 参与 化学信号和压力负荷所致的心肌肥厚的信号传递 如 将自发性高血压大鼠腹主动脉缩窄8小时后 心肌的PKC活性及IP3 将心肌细胞培养在硅胶膜上 通过其产物DAG 牵拉膜使心肌细胞伸展 早期即出现磷脂酶C的活性 PKC激活 PKC还是上述多种激素如Ang 等和生长因子信号传递途径中的一个重要的蛋白激酶 可通过多种机制促进 基因表达 st 细胞增殖 PKC激活 心肌细胞基因表达模式的改变 心肌细胞呈现胚胎期心肌细胞的特点 肌球蛋白重链 MHC 基因转录增加8倍 如 原在成熟心肌中存在的 型MHC转为胚胎期的 MHC MHC比 型的收缩力低 激活MAPK家族的信号通路 肾上腺素 Ang ET 化学信号 心肌细胞的牵拉刺激 MAPK家族的 激活 ERK JNK p38 转入核中 转录因子磷酸化调节基因表达 促进 心肌细胞的增殖 心肌肥大的形成 参与 使细胞内Na Ca2 等阳离子浓度增高 高血压时上述胞外信号可通过不同机制使心肌细胞内Na Ca2 浓度 心肌细胞被拉长 细胞膜变形 离子通道异常 Na 内流 机械性刺激 通过PLC IP3途径 Ang 分泌 生长因子分泌 细胞内Ca2 浓度 高血压心肌肥厚 心肌细胞上的钙受体密度 其增加幅度与心肌细胞的肥厚程度呈正相关 通过PLC PKC途径激活 细胞膜上的Na H 交换蛋白 1 NHE 1 细胞内Na 浓度和细胞内碱化 心肌细胞内RNA 蛋白质合成 同时 牵拉刺激 能促进 激活 化学信号 PI 3K通路 JAK STAT通路 心肌细胞中 细胞周期的运行 心肌细胞的增殖 上述激活的信号转导通路可致基因表达的改变 导致 心肌细胞RNA和蛋白质的合成 诱导 细胞的增生肥大 最终导致 信号转导系统在炎症反应调控中的作用 信号转导系统与炎症的启动 放大和反应过程密切相关 促进炎症或抑制炎症的信号转导失控导致的过度炎症反应在类风湿性关节炎 急性呼吸窘迫综合征 休克 缺血 在灌注损伤等的发生发展过程中均起重要作用 导致炎症细胞激活和放大的信号转导通路 炎症启动的特征 单核巨噬细胞 嗜中性粒细胞 PMN 嗜酸性粒细胞 血小板 内皮细胞 等参与炎症反应细胞的激活 激活炎细胞的因素有 病原体及其产物 免疫复合物 补体 创伤 坏死组织的产物 炎细胞内的信号转导途径 不同的受体 启动 LPS 脂多糖 受体介导的信号转导 LPS 单核巨噬细胞和嗜中性粒细胞细胞表面的受体结合 通过与TLR4胞内区的连接蛋白 如MyD88 激活 IL 1受体连接的蛋白激酶 IRAK 启动 炎细胞内多条信号转导通路 包括 接下页 LPS受体介导的激活炎细胞的信号转导 激活转录因子NF B 静息时 LPS受体 NF B的二聚体 抑制性蛋白I B结合 无活性的形式存在于胞浆中 促炎细胞因子 IL 1 TNF 受体 激活 诱导 LPS 促炎细胞因子 IL 1 TNF NF B激酶 NIK 再激活 I B激酶 IKK或I K I B NF B复合体 I B NF B 调节多种细胞因子 IL 2 IL 6 IL 8 TNF GM CSF IFN 等 趋化因子 某些粘附因子以及诱导性NO合酶等多种基因的表达 解离 降解 进入核内 参与 炎症反应 激活多种磷脂酶信号转导通路 如PLC PKC信号通路 钙信号通路 激活MAPK家族成员LPS 促炎细胞因子与受体结合 激活磷脂酶2 PLA2 产生 花生四烯酸及其衍生物 脂质炎症介质 激活 MAPK家族的JNK和p38 激活 磷酸化 一系列转录因子 如c jun ATF 2 Elk 1和MEF 2 进一步调节 能对LPS反应的细胞因子的表达 参与炎症反应细胞的细胞膜上又具有上述因子的受体 这些因子与受体结合后 可导致炎细胞的进一步激活和炎症反应的扩大 引起炎症级联反 inflammatorycascade 总之 LPS能启动细胞内多条信号转导通路 并能激活多种转录因子 促进促炎细胞因子 趋化因子 脂质炎症介质和活性氧等因子的合成和释放 TNF 受体和IL 1受体介导的炎细胞的信号转导 TNF 和IL 1主要由活化的单核巨噬细胞和嗜中性粒细胞产生 是LPS作用的主要介导物和体内最重要的促炎因子 TNF 受体 IL 1受体 IL 1R TNF 诱导 TNFR1 三聚体 形成 caspase酶家族 激活 细胞凋亡 通过接头蛋白 如TRAF2或TRAF6 NIK IKK NF B通路 MAPK家族信号转导通路 激活 单核巨噬细胞分泌TNF IL 1 IL 6 IL 8 细胞因子级联反应 cytokinecascade 白细胞和内皮细胞 激活 表达粘附分子 嗜中性粒细胞出现吞噬活性释放蛋白水解酶和氧自由基 炎症反应扩大 TNFR1 TNFR2 激活 参与炎症反应的粘附分子及其信号转导通路 静息状态下 微血管内皮细胞和白细胞仅表达少量与白细胞 或与血管内皮细胞 特异结合的粘附分子 炎症时激活的白细胞 激活的白细胞表达粘附分子整合素 1 VLA 4 和 2 Mac 1 LFA 1 亚族以及L 选择素明显 细胞因子 趋化因子 表达粘附分子 如已证明 激活的血管内皮细胞也依次表达作为整合素配体的粘附分子VCAM 1 ICAM 1和E 整合素 实验表明 内皮细胞被激活2小时后 其表面的ICAM 1增加30倍 E 选择素增加100倍 其中ICAM 1的增高在12 24小时达到高峰 可持续72小时 整合素 这些粘附分子介导 白细胞在血管内滚动 与血管内皮细胞粘附 与内皮下基底膜作用 弹性蛋白酶 释放 胶原酶 破坏血管基底膜 穿出血管进入炎症灶 白细胞内的多条信号转导通路 细胞外基质 激活 激活多种蛋白激酶 如多种PTK PKC ERK JNK等 使细胞内Ca2 浓度 激活小G蛋白Rho 激活PI 3 上述由整合素与配体结合产生细胞信号转导 可促进白细胞的骨架重构 利于白细胞的变形运动 从而使其穿出血管进入炎症灶 信号转导与炎症的调控 为防止过度炎症反应对机体的损害体内有多层次的抗炎机制 抗炎因子的作用 炎细胞能产生炎症介质 也能生成具有抗炎作用的因子 如IL 4 IL 10等 IL 10称为细胞因子合成抑制因子可抑制多种细胞因子的生成 有一些炎细胞还能表达膜联蛋白 1 该蛋白的主要作用是通过与磷脂底物的结合抑制PLA2活性 使脂质炎症介质PGs TXA2 LTs和PAF合成 受体水平的抑制物 TNF IL 1和IL 6都有其可溶性受体 并能与它们的配体结合 但不能介导信号转导 起促炎细胞因子拮抗剂的作用 IL 1受体还有内源性拮抗剂 IL 1receptorantagonist IL 1ra 也称为IL 1 IL 1 即通常简称IL 1 同源 但有不同的基因编码 和 IL 1ra能与IL 1受体特异性结合 但结合后不能启动细胞的信号转导通路 起封闭受体的作用 正常人血浆中有低活性的IL 1ra 经LPS刺激后 血浆IL 1ra活性可升高100倍 能钝化促炎因子的生物学功能 保护组织免受过度的炎症损害 糖皮质激素 GC 的抗炎作用 通过糖皮质激素受体 GR 介导 能够依赖性的转录调节因子 GR为核受体家族成员 膜联蛋白 1和IL 1受体拮抗剂等抗炎物质的表达 故可将GC譬喻为体内调制炎症的 总开关 诱导 细胞信号转导系统在炎症调控中的作用的目的是将炎症控制在一定限度 防止过度炎症反应对组织的损伤 其他疾病 肿瘤 糖尿病 哮喘 高血压 免疫性疾病 除了少数家族遗传性的糖尿病 高血压等疾病外 迄今的研究并没有证实这些病的发生与某个信号转导成分的突变明确相关 胰岛素抵抗性糖尿病由于胰岛素受体 IR 基因突变导致胰岛素抵抗性糖尿病的仅占患者的1 左右 例如 绝大多数患者中没有发现IR或其他信号转导蛋白的突变 即 胰岛素抵抗的发生与调控胰岛素信号转导中的关键性信号转导蛋白以及调控糖脂代谢的受体酶和转录因子等多种基因表达量 多态性和突变有关 故现在认为 很可能是多种基因细微变化的叠加效应 环境因素 饮食过多 体力劳动过少致肥胖 代谢变化 胰岛素抵抗 应激 与疾病 主要内容 概述 基本表现 应激损伤与应激相关疾病 第一节概述 应激的概念 第一节概述 主要内容 应激源 分类 应激原的作用 一 应激的概念 是指机体在受到各种躯体的 physical 或心理的 psychologic 因素刺激时所出现的与刺激无直接关系的非特异性全身反应 称为应激 stress 或应激反应 stressresponse 而刺激因素 stress causingagents 被称为应激原 stressor 二 应激原 分类 环境因素 externalfactors 如温度的剧变 射线 噪声 强光 电击 低压 低氧 中毒 创伤 感染等等 机体的内在因素 internalfactors 自稳失衡 disturbanceofhomeostasis 如血液成分的改变 心功能的低下 心律失常 器官功能的紊乱 性的压抑等 心理 社会因素 psycho socialfactors 如职业的竞争 工作的压力 紧张的生活节奏 人际关系的复杂 拥挤 孤独 突发的生活事件等等 应激原的作用 作用强度 作为应激原需有一定的强度 但不同的人 同一个人在不同的时间 不同的条件下 引起反应的应激原强度也可不同 应激的双重作用 有的应激原可引起良性应激 eustress 和有的则可引起劣性应激 distress 但应激过度不论良性应激或劣性应激 都会造成机体的功能障碍 因此应激对健康具有双重作用 第二节应激反应基本表现 主要内容 应激的神经内分泌反应 应激的细胞体液反应 应激时机体的功能代谢变化 一 应激的神经内分泌反应 应激最基本的表现 LC NE LC NE的基本组成单元 脑干的去甲肾上腺素能神经元 主要位于蓝斑 locusceruleus LC 交感 肾上腺髓质系统 该系统的中枢位点 主要与大脑边缘系统有密切的往返联系 主要至脊髓侧角 上行 是情绪 认知 行为功能变化的结构基础 下行 调节交感 上腺髓质系统 蓝斑 去甲肾上腺素能神经元 交感 肾上腺髓质轴 locusceruleus norepinephrine sympathetic adrenalmedullaaxis LC NE 下丘脑 垂体 肾上腺皮质轴 hypothalamus pituitary adrenalcortexsystem HPA 为代表的强烈兴奋的神经内分泌反应 应激时的基本效应 中枢效应 主要与应激时的兴奋 警觉有关 并可引起紧张 焦虑等情绪反应 脑干的去甲肾上腺素能神经元与室旁核分泌促肾上腺皮质激素释放激素 corticotrophinreleasinghormone CRH 的神经元有直接的纤维联系 可能是应激启动HPA轴的关键结构 外周效应 主要表现 血浆肾上腺素浓度迅速 epinephrine 强烈应激时 可达正常时的4 6倍 去甲肾上腺素浓度迅速 nor epinephrine 强烈应激时 可达正常时的10 45倍 交感 上腺髓质系统的强烈兴奋主要作用 应激时一系列的代谢 受体激活抑制胰岛素分泌 受体激活刺激胰高血糖素分泌 调控机体对应激的急性反应 介导 心血管代偿机制 强烈的交感 肾上腺髓质兴奋也会引起能量消耗和组织分解 导致血管痉挛 某部位组织缺血 致死性心律失常等 HPA 下丘脑的室旁核 paraventricularnucleus PVN HPA轴的基本组成单元 腺垂体 anteriorpituitary 肾上腺皮质 adrenalcortex 此神经内分泌轴的中枢位点 杏仁复合体 amygdalecomplex 上行 海马结构 hippocampus 边缘皮层 limbiccortex 通过ACTH 下行 主要通过CRH 调控 应激时的基本效应 中枢效应 介质 CRH ACTH 可能是应激时最核心的神经内分泌反应 其神经元广泛布在大脑皮质到脊髓 最主要位于室旁核 刺激ACTH的分泌 CRH的主要功能 应激信号 增加糖皮质激素 GC 分泌 是HPA轴激活的关键环节 进而 室旁核的CRH神经元将神经信号转换成应激信号 CRH分泌 或经轴突运输 或经垂体门脉系统进入腺垂体 ACTH分泌 增加GC的分泌 调控应激时的情绪行为反应 CRH是内啡肽释放的促激素 促进蓝斑 去甲肾上腺素能神经元的活性 与LC NE轴形成交互影响 慢性应激时CRH持续造成适应机制障碍出现焦虑 抑郁 食欲 性欲减退等 应激时CRH的作用 外周效应 对机体抵抗有害刺激有极为重要的作用 使应激时血糖增加 促进蛋白质的糖原异生 调控儿茶酚胺 胰高血糖素等的脂肪动员作用 抑制许多炎症介质 细胞因子的生成 释放和激活 具有稳定溶酶体膜 减少细胞因子和溶酶体酶对细胞的损伤 维持循环系统对儿茶酚胺正常反应性 对免疫 炎症反应有显著抑制效应 慢性应激时胸腺 淋巴结缩小 多种细胞因子 炎症介质的生成受到抑制 机体的免疫力下降 易发生感染 GC持续增加对机体的不利影响 造成生长发育迟缓 生长激素 GH 受抑 急性应激时GH升高 GH受抑是CRH引起的 且GC升高还使靶细胞对胰岛素样生长因子1 IGF 1 又称生长介素somatomedin 产生抵抗 造成生长发育迟缓 并常合并一些行为的异常 如抑郁 异嗜癖等 造成性腺轴的抑制 GC对下丘脑 腺垂体的促性腺素释放激素 GnRH 黄体生成素 LH 的分泌有抑制效应 并使性腺对这些激素产生抵抗 引起性功能减退 月经失调等 接下页 对甲状腺轴 thyroidaxis 产生抑制 对机体抵抗有害刺激有极为重要的作用 GC的持续升高还产生一系列代谢改变 如血脂升高 血糖升高 并出现胰岛素抵抗等 GC的持续升高可抑制 促甲状腺激素释放激素 TRH 的分泌 促甲状腺激素 TRH 的分泌 阻碍甲状腺素T4在外周组织转化为活性更高的三碘甲状原氨酸T3 接上页 其他 应激可引起广泛的神经内分泌改变 除LC NE sympathetic adrenalmedullaaxis和HPA轴以外的其它内分泌变动 详见表1 表1应激的其它内分泌变化 二 应激的细胞体液反应 细胞对多种应激原 特别是非心理性应激原 的应激反应表现 表达一些相关的 多半具有保护作用的蛋白质 如 热休克蛋白 急性期反应蛋白 某些酶 细胞因子等 热休克蛋白 heat shockprotein HSP 是指热应激 或其它应激 时细胞新合成或合成增加的一组蛋白质 它们主要在细胞内发挥功能 属于非分泌型蛋白质 热休克蛋白最初是从经受热效应 从25 移到30 30分钟 的果蝇唾液腺中发现的 故名热休克蛋白 以后发现许多对机体有害的应激因素也可诱导热休克蛋白的生成 故又名为应激蛋白 stressprotein 基本组成 根据其分子量大小分类 见表2 热休克蛋白的基本功能 估计占细胞总蛋白的5 HSP功能 帮助新生蛋白质的正确折叠 移位 维持和受损蛋白质的修复 移除 降解 因此被称为 分子伴娘 molecularchaperon 通过对蛋白质形成时精确的时空调控 参与一个新生蛋白质形成正确的三维结构 接下页 可在蛋白质水平起防御 保护作用 HSP的功能 热 炎症 感染等多种应激原 蛋白质结构的损伤 暴露出与热休克蛋白的结合部位 热休克蛋白与受损蛋白的结合 释放出 游离的热休克转录因子 heatshocktranscriptionfactor HSF 游离HSF聚合成三聚体 接上页 核内移位 热休克蛋白基因上游的启动序列相结合 启动 热休克蛋白的转录合成 热休克蛋白 机体对多种应激原的耐受能力 表2各类型热休克蛋白 HSP110亚群HSP110HSP105HSP90亚类HSP90 HSP90 Grp90 94HSP70亚类HSC70 组成型 HSP70 诱导型 Grp78 Bip Grp75HSP60亚类HSP60TriC HSP40亚类HSP47HSP40 hbj 1 小分子HSP亚类HSP32 HO 1 HSP27AB 晶体蛋白HSP10泛素 110 90 70 60 4020 30 10 8 分子量 kD 分类 胞浆 核胞浆胞浆胞浆内质网胞浆胞浆 核内质网线粒体线粒体胞浆内质网胞浆胞浆胞浆 核胞浆线粒体胞浆 核 细胞内定位 可能的功能 热耐受蛋白质折叠与类固醇激素受体结合 维持其活性状态热耐受帮助分泌蛋白质的折叠新生蛋白质的成熟 移位蛋白质折叠 细胞保护帮助新生蛋白质折叠新生蛋白质的折叠 移位帮助新生蛋白质折叠帮助新生蛋白质折叠胶原合成的质量控制蛋白质折叠抗氧化调控细胞骨架肌动蛋白细胞骨架的稳定HSP60的辅因子蛋白质的非溶酶体降解 分子量非精确值 而是大约量 因天然蛋白质的分子量本身具有一定的变异 Grp 葡萄糖调节蛋白 Glucoseregulationprotein 细胞低糖时降低 HSC70 热休克的同族蛋白 Heatshockcognate Bip 免疫球蛋白重链结合蛋白 Immunoglobulinheavychainsbindingprotein TriC TCP 1环形复合物 Taillesscomplexpolypeptide1ringcomplex HO 1 血红素加氧酶 1 hemeoxygenase 1 急性期反应蛋白 acutephaseprotein AP 感染 炎症或细胞损伤等应激原 诱发机体 快速启动的防御性非特异性反应 体温升高 血糖升高 外周血白细胞数增高 核左移 血浆中某些蛋白质浓度 如 急性期反应和急性期反应蛋白 这些蛋白质被称为急性期反应蛋白 属分泌型蛋白质 这个反应称为急性期反应 主要构成及来源 主要由肝脏合成 单核巨噬细胞 成纤维细胞也可产生 正常时血中急性期反应蛋白含量很少 炎症 感染 发热时明显增多 表3 少数蛋白在急性期反应时减少 被称为负急性期反应蛋白 如白蛋白 前白蛋白 运铁蛋白 transferrin 表3急性期反应蛋白的基本构成 C 反应蛋白血清淀粉样A蛋白 1 酸性糖蛋白 1 抗糜蛋白酶结合珠蛋白纤维蛋白原铜蓝蛋白补体成分 1050001600004000068000100000340000151000180000 8 0 100 6 1 20 3 0 60 5 2 02 0 4 00 2 0 60 75 1 65 1000倍 1000倍2 3倍2 3倍2 3倍2 3倍50 50 成分 分子量 血浆浓 mg ml 急性炎症时增加 AP的主要生物学功能 是一种启动迅速的机体防御机制 机体对感染 组织损伤反应的2个时期 急性反应时相 其特征之一是急性期反应蛋白的浓度迅速 迟缓相或免疫时相 其重要特征为免疫球蛋白的大量生成 构成机体对外界刺激的保护性系统 抑制蛋白酶 AP的功能 创伤 感染时体内蛋白分解酶 急性期反应蛋白中的蛋白酶抑制剂可避免蛋白酶对组织的过度损伤 如 1 蛋白酶抑制剂 1 抗糜蛋白酶等 清除异物和坏死组织 急性期反应蛋白中的C反应蛋白 抗感染 抗损伤 作用最明显 与细菌细胞壁结合 起抗体样调理作用 激活补体经典途径 促进吞噬细胞的功能 抑制血小板的磷脂酶 减少其炎症介质的释放 在各种炎症 感染 组织损伤等疾病中都可见C反应蛋白的迅速 且其升高程度与炎症 组织损伤的程度呈正相关 临床C反应蛋白常用作炎症类疾病活动的指标 C反应蛋白 补体成分的可加强机体的抗感染能力 凝血蛋白类的可增强机体抗出血能力 铜蓝蛋白具有抗氧化损伤的能力 结合 运输功能 结合珠蛋白 铜蓝蛋白 血红蛋白等可与相应的物质结合 避免过多的游离Cu2 血红素等对机体的危害 并可调节它们的体内代谢过程和生理功能 三 应激时机体的功能代谢变化 中枢神经系统 CNS 机体对大多数应激原的感受均包含有认知因素 与应激最密切相关的CNS部位包括 CNS是应急反应的调控中心 如 丧失意识的动物在遭受躯体创伤时 应激时的多种神经内分泌改变都可不出现 昏迷病人对大多数应激原 包括许多躯体损伤的刺激不出现应激反应 边缘系统的皮层 杏仁体 海马 下丘脑 脑桥的蓝斑 应激时出现 活跃的神经传导 神经递质和神经内分泌的变化 应激时与应激最密切相关的CNS部位的功能改变 蓝斑区 室旁核与边缘系统的皮质 杏仁体 海马结构及与蓝斑有丰富的交互联系 其分泌的CRH是应激反应的核心神经内分泌因素之一 NE神经元激活和反应性 持续应激还使该脑区的酪氨酸羟化酶 NE合成限速酶 活性 蓝斑投射区 下丘脑 海马 杏仁体 的NE水平 过度时产生焦虑 害怕或愤怒等 应激时CNS的多巴胺神经能 5 HT能 GABA能及阿片肽能神经元等都有相应的变化 并参与应激时的神经精神反应的发生 其过度反应也参与了适应综合症的情绪行为障碍的发生 免疫系统 immunesystem 免疫系统是应激系统的重要组成部分 神经内分泌变化 应激反应的主要神经内分泌激素对免疫的调控作用 见表4 免疫系统 有重要调控作用 应激时 急性应激反应时 外周血吞噬细胞数目增多 活性 补体 C反应蛋白 非特异性抗感染的急性期蛋白 应激时变化最明显的是 糖皮质激素 持续强烈的应激反应 儿茶酚胺 抑制效应 免疫 因此 免疫系统反过来又参与对应激的调控 免疫功能抑制甚至功能紊乱 诱发 自身免疫病 表4神经内分泌对免疫的调控作用 因子糖皮质激素儿茶酚胺 内啡肽加压素促肾上腺皮质激素生长激素雄激素雌激素CRH 基本作用抑制抑制增强 抑制增强增强 抑制增强抑制增强增强 具体效应抗体 细胞因子的生成 NK细胞活性淋巴细胞增殖抗体生成 巨噬细胞 T细胞的活性T细胞增殖抗体 细胞因子的生成 NK 巨噬细胞活性抗体生成 巨噬细胞激活淋巴细胞转化淋巴细胞转化细胞因子生成 病毒 细菌 毒素 抗原等为非感知刺激 免疫系统对非感知刺激极为敏感 免疫细胞 刺激 非感知刺激 抗体 清除 产生 细胞因子 免疫防御反应 有害刺激 免疫系统 产生 神经内分泌激素 细胞因子 神经 内分泌系统得以感知这些非识别性刺激 免疫细胞产生的神经 内分泌激素 见表5 表5免疫细胞产生的神经 内分泌激素 免疫细胞T细胞B细胞巨噬细胞脾细胞胸腺细胞 免疫细胞释放的神经内分泌激素ACTH 内啡肽 TSH GH 催乳素 胰岛素样生长因子 1ACTH 内啡肽 GH 胰岛素样生长因子 1ACTH 内啡肽 TSH GH 胰岛素样生长因子 1 P物质黄体生成素 卵泡刺激素 FSH CRHCRH 促性腺激素释放激素 CnRH ADH 催产素 oxytocin 由于免疫细胞的游走性 这些激素可在局部产生显著的生理或病理作用 也可入血液循环产生相应的内分泌激素样作用 免疫细胞产生的某些细胞因子的神经 内分泌激素样作用 干扰素 IFN 如 可与阿片受体结合 产生阿片肽样的镇痛作用 TNF 可促使下丘脑分泌CRH 可作用于肾上腺皮质产生ACTH样的促GC分泌作用 有TSH样作用和使黑色素生成的效应 IL 1 可直接作用于CNS使体温升高 代谢 食欲 促进CRH GH TSH的释放而抑制催乳素 LH的分泌 IL 2 可促进CRH ACTH 内啡肽的释放 心血管系统 cardiovascularsystem 应激时的基本变化 心率 心肌收缩力 心输出量 血压 总外周阻力 视应激信号和CNS调控状态而异 某些应激状态下 如运动 战斗有关的应激 交感兴奋引起骨骼肌血管明显扩张 可抵消交感兴奋所引起的其他部位血管收缩导致的外周阻力表现为总外周阻力 某些应激情况下 如失血 心源性休克 或某些精神应激刺激下 如需高度警惕专注的环境 时 主要由交感 肾上腺髓质系统介导 冠状动脉血流 动物实验表明 冠状动脉血流量在夜晚熟睡时最低 白天应激时最高 一日之中波动可达5倍 但精神应激在某些情况下冠状动脉痉挛 特别在已有冠状动脉病变的基础上 从而导致心肌缺血 心脏节律 交感 肾上腺髓质的强烈兴奋也可使心室纤颤的阈值降低 在冠状动脉和心肌已有损害的基础上 强烈的精神应激有时可诱发心室纤颤 导致猝死 消化系统 digestivesystem 慢性应激 典型变化为食欲 机制与CRH的分泌有关 严重时可诱发神经性厌食症 部分人会进食成为肥胖的诱因 与应激时内啡肽和单胺类 NE DP 5