肿瘤学精选幻灯片.ppt

1 细胞信号传导与肿瘤 2 一 细胞通讯 二 受体介导的信号传导 三 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递 四 肿瘤细胞信号传导 五 信号传导在肿瘤治疗中的应用 3 一 细胞通讯 cellcommunication 一个细胞发出信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体作用 然后通过细胞信号转导产生细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的过程 信号转导 细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程 4 一 细胞通讯的方式 三种主要方式 分泌化学信号 细胞间接触依赖性 间隙连接或胞间连丝 5 细胞分泌化学信号的作用方式 1 内分泌 由内分泌细胞分泌信号 激素 到血液中血液循环作用于靶细胞 6 2 旁分泌 细胞分泌局部化学介质到细胞外液中经过局部扩散作用 作用于靶细胞 7 3 自分泌 4 通过化学突触传递神经信号 8 N N 信号细胞靶细胞 受体 膜结合信号分子 细胞间间接触性依赖的通讯细胞间直接接触而无信号分子的释放 通过与质膜上的信号分子与靶细胞膜上受体分子作用来介导通讯 9 细胞间形成间隙连接使细胞质相互沟通 10 二 细胞的信号分子与受体 1 信号分子细胞的信息载体 种类繁多 包括化学信号如激素 局部介质和神经递质 以及物理信号如声 光 电和温度变化等2 受体能够识别和选择性结合某种配体 信号分子 的大分子物质 多为糖蛋白 少数是糖脂或两者组成的复合物 如促甲状腺素受体 至少包括两个功能区域 配体结合区域和产生效应的区域 受体的特征 特异性 饱和性 高度的亲和力 11 NO可快速扩散透过细胞膜 作用于邻近细胞 血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞 NO的生成由一氧化氮合酶 nitricoxidesynthase NOS 催化 以L精氨酸为底物 以NADPH作为电子供体 生成NO和L瓜氨酸 NO没有专门的储存及释放调节机制 靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关 NO 12 受体的类型 表面受体 在细胞质膜上的称为表面受体 13 Receptorsincludetwoclasses glycoproteins Theotheriscell surfacereceptors 离子通道偶联受体 ion channellinkedreceptor G 蛋白偶联受体 G proteinlinkedreceptor 酶联受体 enzyme linkedreceptor Oneisthereceptorswithincells steroidhormones and 14 G 蛋白偶联受体 这类受体的种类很多 在结构上都很相似 都是一条多肽链 并且有7次 螺旋跨膜区 每一种G 蛋白偶联受体都有7个 螺旋的跨膜区 信号分子与受体的细胞外部分结合 并引起受体的细胞内部分激活相邻的G 蛋白 15 细胞内受体 位于胞质 核基质中的受体称为细胞内受体 16 三 分子开关 细胞内信号传递中的蛋白质 通过激活机制和失活机制来对信号传递的级联反应进行精确控制 细胞内信号传递蛋白质 开关蛋白 可分为两类 一类开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启 由蛋白磷酸酶使之去磷酸化而关闭 另一类是GTPase开关蛋白 结合GTP而活化 结合GDP而失活 蛋白激酶是一类磷酸转移酶 使蛋白质磷酸化 分为5类 其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶 蛋白丝氨酸 苏氨酸激酶 17 18 二 受体介导的信号传导 1 胞内受体介导的信号传导 细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白 细胞内受体通常有3个不同的结构域 一个是与配体 激素 结合的位点 位于C末端 一个是与DNA或抑制蛋白结合的结构域 另一个是激活基因转录的N端结构域 在没有与配体结合时 则由抑制蛋白抑制了受体与DNA的结合 若是有相应的配体 则释放出抑制蛋白 19 Intracellularreceptors Steroidhormonereceptors A 细胞内受体蛋白作用模型 B 几种胞内受体蛋白超家族成员 20 2 膜表面受体介导的信号转导 膜表面受体主要有三类 离子通道型受体 ion channel linkedreceptor G蛋白偶联型受体 G protein linkedreceptor 酶偶联的受体 enzyme linkedreceptor 第一类存在于可兴奋细胞 后两类存在于大多数细胞 在信号转导的早期表现为激酶级联 kinasecascade 事件 即为一系列蛋白质的逐级磷酸化 籍此使信号逐级传送和放大 21 特点 受体 离子通道复合体 四次 六次跨膜蛋白 受体本身为离子通道 即配体门通道 ligand gatedchannel 跨膜信号转导无需中间步骤主要存在于神经 肌肉等可兴奋细胞 其信号分子为神经递质 有选择性 配体的特异性选择和运输离子的选择性阳离子通道 如乙酰胆碱 谷氨酸和五羟色胺的受体 阴离子通道 如甘氨酸和 氨基丁酸的受体 离子通道型受体 22 G蛋白 由 三个亚基 亚基结合GDP处于关闭状态 结合GTP处于开启状态 亚基具有GTP酶活性 能催化所结合的GTP水解 恢复无活性的三聚体状态 其GTP酶的活性能被GAP增强 G蛋白耦联型受体 23 G蛋白耦联型受体 7次跨膜蛋白 胞外结构域识别信号分子 胞内结构域与G蛋白耦联 调节相关酶活性 在细胞内产生第二信使 类型 多种神经递质 肽类激素和趋化因子的受体 味觉 视觉和嗅觉感受器 相关信号途径 cAMP途径 磷脂酰肌醇途径 24 细胞膜 核膜 第二信使cAMP cGMP DAG PIP3 G蛋白连接受体 配体 25 Gs调节模型 激素与Rs结合 Rs构象改变 与Gs结合 Gs的 亚基排斥GDP 结合GTP而活化 Gs解离出 和 亚基活化腺苷酸环化酶 将ATP转化为cAMP 亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子 霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的 亚基上 使 亚基丧失GTP酶的活性 处于持续活化状态 导致霍乱病患者细胞内Na 和水持续外流 产生严重腹泻而脱水 26 GTP bindingregulatoryprotein 27 G蛋白耦联型受体的信号传导途径 一 cAMP信号途径 通过调节cAMP的浓度 将细胞外信号转变为细胞内信号 主要组分 激活型受体 Rs 或抑制型受体 Ri 活化型调节蛋白 Gs 或抑制型调节蛋白 Gi G proteinlinkedreceptor 28 腺苷酸环化酶 跨膜12次 在Mg2 或Mn2 的存在下 催化ATP生成cAMP Adenylatecyclase 29 cAMP信号途径可表示为 激素 G蛋白耦联受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 cAMP 依赖cAMP的蛋白激酶A 基因调控蛋白磷酸化 基因转录 不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同 在肌肉细胞 1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1 磷酸 而抑制糖原合成 在某些分泌细胞 需要几个小时 激活的PKA进入细胞核 将CRE结合蛋白磷酸化 调节相关基因的表达 CRE cAMPresponseelement 是DNA上的调节区域 30 由受体 G蛋白 腺苷酸环化酶等组成 G蛋白 腺苷酸环化酶 ATP cAMP R C PKA CREB transcription cAMP cGMP cAMP转导途径 31 胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合 激活质膜上的磷脂酶C PLC 使质膜上4 5 二磷酸磷脂酰肌醇 PIP2 水解成1 4 5 三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 diacylglycerol DAG DAG激活蛋白激酶C PKC IP3开启胞内IP3门控钙通道 Ca2 浓度升高 激活钙调蛋白 磷脂酰肌醇途径 32 Inositolphospholipidsignaling Mimickedbyionomycin 33 PIP2Hydrolysis 34 钙调蛋白 calmodulin CaM 可结合钙离子将靶蛋白 如CaM Kinase 活化 蛋白激酶C位于细胞质 Ca2 浓度升高时 PKC转位到质膜内表面 被DG活化 PKC属蛋白丝氨酸 苏氨酸激酶 双信使系统 反应链 胞外信号分子 G 蛋白偶联受体 G 蛋白 IP3 胞内Ca2 浓度升高 Ca2 结合蛋白 CaM 细胞反应磷脂酶C PLC DG 激活PKC 蛋白磷酸化或促Na H 交换使胞内pH IP3信号的终止是通过去磷酸化形成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 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酯酶水解成单酯酰甘油 35 36 其它G蛋白偶联型受体 1 化学感受器中的G蛋白存在于嗅觉和味觉化学感受器中 类型繁多 不同细胞具有不同的受体 感受不同的气味 气味分子与G蛋白偶联型受体结合 可激活腺苷酸环化酶 产生cAMP 开启cAMP门控阳离子通道 cAMP gatedcationchannel 引起钠离子内流 膜去极化 产生神经冲动 最终形成嗅觉或味觉 37 2 视觉感受器中的G蛋白 黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高 cGMP门控钠离子通道开放 钠离子内流 膜去极化 突触持续向次级神经元释放递质 有光时cGMP浓度下降的负效应起传递光刺激的作用 光信号 Rh激活 Gt活化 cGMP磷酸二酯酶激活 胞内cGMP减少 Na 离子通道关闭 离子浓度下降 膜超极化 神经递质释放减少 视觉反应 视紫红质 rhodopsin Rh 为7次跨膜蛋白 由视蛋白和视黄醛组成 38 小G蛋白 SmallGProtein 因分子量只有20 30KD而得名 同样具有GTP酶活性 起分子开关作用 类型 Ras Rho SEC4 YPT1 微管蛋白 亚基 特点 结合GTP活化 GTP水解成为GDP时 自身为GTP酶 则回复到非活化状态 其功能与G 类似 调节因子 鸟苷酸交换因子 GEF 鸟苷酸释放因子 GRF 鸟苷酸解离抑制因子 GDI GTP酶活化蛋白 GAP 等 小G蛋白 39 分为两种情况 本身具有激酶活性 如EGF PDGF CSF等的受体本身没有酶活性 但可以连接非受体酪氨酸激酶 如细胞因子受体超家族 已知六类 受体酪氨酸激酶 受体丝氨酸 苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷脂酶 酪氨酸激酶连接的受体 受体鸟苷酸环化酶 组氨酸激酶连接的受体 与细菌的趋化性有关 酶耦联型受体 40 酶偶联型受体的共同点 单次跨膜蛋白 接受配体后发生二聚化 起动下游信号转导 41 一 受体酪氨酸激酶 1 酪氨酸激酶 胞质酪氨酸激酶 如Src Tec ZAP70 JAK 核内酪氨酸激酶 如 Abl Wee 受体酪氨酸激酶 RTKs 为单次跨膜蛋白 配体 如EGF 与受体结合 导致二聚化 二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基 42 酪氨酸激酶受体结构图 糖基化肽链 膜内区 细胞膜 胞浆 胞外 激酶活性 43 2 信号分子间的识别结构域SH2结构域 SrcHomology2结构域 介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合 SH3结构域 SrcHomology3结构域 介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合 PH结构域 PleckstrinHomology结构域 与磷脂类分子PIP2 PIP3 IP3等结合 受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径 PI3K途径 磷脂酰肌醇途径等 44 配体 受体 受体二聚化 受体的自磷酸化 激活RTK 胞内信号蛋白 启动信号传导RTK结合信号分子 形成二聚体 并发生自磷酸化 活化的RTK激活RAS RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应 最终激活有丝分裂原活化蛋白激酶 mitogen activatedproteinkinase MAPK 活化的MAPK进入细胞核 可使许多底物蛋白的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化 如将Elk 1激活 促进c fos c jun的表达 RTK Ras信号通路 45 RTK Ras信号途径可概括如下 配体 RTK adaptor GEF Ras Raf MAPKKK MAPKK MAPK 进入细胞核 其它激酶或基因调控蛋白 转录因子 的磷酸化修钸 基因表达 Ras释放GDP需要鸟苷酸交换因子 GEF 如Sos 参与 Sos有SH3结构域 但没有SH2结构域 不能直接和受体结合 需要接头蛋白 如Grb2 的连接 Ras的GTP酶活性不强 需要GAP的参与 46 第二信使 PKA Ras Raf MEK MAPK 配体 G蛋白连接受体 细胞膜 核膜 G蛋白连接受体通路 47 Ras GEF RafisaPKthattriggersMAP Kpathway c fos c junCellproliferation RPTK RasPathway 48 49 三 由细胞表面整合蛋白介导的信号传递 整合蛋白与粘着斑 导致粘着斑装配的信号通路有两条 粘着斑的功能 一是机械结构功能 二是信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路 由细胞表面到细胞核的信号通路 由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路 50 细胞信号传递的基本特征与网络整合信息 细胞信号传递的基本特征 具有收敛 convergence 或发散 divergence 的特点 细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性 信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存 细胞以不同的方式产生对信号的适应 蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的crosstalk 51 细胞信号传递特征 收敛性和发散性 52 53 肿瘤发生与发展是一个多因素作用 多基因参与 经过多个阶段才最终形成的极其复杂的生物学现象 肿瘤细胞是正常细胞的信号通路出现了紊乱和异常 突变可能影响一条或几条细胞信号传导途径 一条信号传导途径涉及多个基因的突变 所以基因突变的直接结果是细胞内信号传导途径的失调控 多基因突变和多信号传导途径的网络交互作用是促进肿瘤发生与发展的主要分子机制 癌基因 抑癌基因突变的结果导致细胞周期的失控 使得细胞获得以增殖过多 凋亡过少为主要形式的失控性生长特征 四 肿瘤细胞信号传导 54 肿瘤恶变的分子机制 癌基因的激活 过度表达 抑癌基因的失活 突变 修复相关基因的功能缺失 凋亡机制丢失 端粒酶过度表达 信号传导调控机制紊乱及侵润转移 55 癌基因编码产物 生长因子样物质sis PDGF int 2 成纤维细胞生长因子生长因子受体类erb B neu EGFR蛋白激酶类Src TPK mos raf 丝 苏氨酸蛋白激酶信号传导分子类ras rho核内蛋白质类myc fos APL RAR 癌基因编码产物的异常表达 能从各个环节来影响细胞信号传导过程 造成信号传导障碍 使细胞增殖信号传导增强或处于持续激活状态 56 抑癌基因编码产物 细胞周期的重要调控因子Rb p53结合Mdm2 上调p21NF1Ras的负调节因子 GAP PTEN细胞周期阻滞 诱导凋亡DDC与神经细胞粘附因子同源肿瘤转移抑制基因 nm23 参与GTP GDP转换 与肿瘤的侵袭和转移有关抑癌基因的丢失或突变 可导致细胞生长失控 57 1 与细胞生长 分裂和增殖有关的信号传导通路处于异常活化状态蛋白酪氨酸激酶受体路径MAPK信号传导途径WNT catenin信号传导途径TGF SMAD信号传导途径2 处于活化状态的凋亡通路传递信号受阻TNF信号传导通路3 肿瘤浸润转移信号传导途径细胞黏附分子信号传导途径 肿瘤相关的信号传导通路 58 由于突变或染色体易位导致受体组成型二聚体化 使受体不再受配体的介导而持续激活 这是肿瘤发生的重要机制之一 最常见 染色体易位形成融合蛋白 主要见于血液病 如BCR ABL融合基因是t 9 21 易位的结果 见于慢性粒细胞白血病 一 蛋白酪氨酸激酶受体通路 增殖 59 二 MAPK信号传导与肿瘤 增殖 MAPK信号传导系统 MAPKKK MAPKK MAPK 是介导细胞膜受体信号传导的最常见信号通路 RAS ERK信号途径 RAS Raf MEK ERK 途径功能之一是促进有丝分裂原诱导的细胞周期蛋白Cyclin的表达 在肿瘤形成中发挥重要作用 此途径的激活是细胞恶转所必需的 ras12 13 59 61位致瘤性点突变 导致Ras与GTP持续结合 使Ras通路处于持续开启状态 过度激活细胞内的许多通路 造成细胞正常生长调控的紊乱 60 61 WNT 果蝇的wingless wg 基因 小鼠的Int基因WNT catenin通路 G蛋白耦联受体通路WNT Frizzled 受体 G蛋白 GSK3 catenin MYC CyclinD1 细胞增殖 catenin GSK3 APC等形成复合物稳定 catenin该途径失调控可导致多种肿瘤形成 Wnt1 小鼠乳腺癌APC 80 以上的大肠腺瘤和大肠癌CTNNB1 编码 catenin 大肠腺瘤和大肠癌 肝细胞癌等 三 WNT catenin信号传导通路 增殖 62 TGF 受体 SMAD 下游信号蛋白 进入细胞核 行使转录因子功能TGF 信号由胞膜向核内传导的主要承担者TGF 对不同的细胞有不同的效应 在多种原发性上皮性肿瘤中 起抑制生长的作用 对成纤维母细胞等类型细胞 起刺激细胞分裂的作用 四 TGF SMAD信号传导通路 增殖 63 五 TNF信号传导通路 凋亡 TNF TNFR ASMase CM SAPK JNK Caspase 细胞凋亡细胞内外的许多信号刺激可以诱导细胞发生凋亡 如相应配体结合死亡受体 如Fas TNFR等 紫外线照射和电离辐射 抗癌药物 生长因子缺乏 激活某些癌基因和抑癌基因等 尽管这些信号以及随后的反应途径多种多样 但现已公认 细胞凋亡后期的共同途径是Caspases 半胱氨酸蛋白酶 的激活 64 Caspases半胱氨酸蛋白酶 Caspases是细胞调亡的指挥中枢之一 通过切断与中卫细胞的联络 重组细胞骨架 关掉DNA复制和修复 破坏DNA和核结构 诱导细胞显示吞噬和整合为调亡小体的信号等 在细胞调亡过程中起着重要作用 65 细胞黏附主要与细胞表面一系列相关受体和胞内骨架蛋白有关 细胞黏附的异常是肿瘤细胞运动 侵袭和去分化的原因和基础 细胞恶性转化以骨架蛋白组织的破坏 黏附减弱以及黏附依赖的反应丧失为标志 肿瘤细胞的 接触抑制消失 即为最显著的形态些特征 侵袭性肿瘤 恶性细胞侵入基底膜 向周围组织浸润 六 细胞黏附分子信号传导通路 浸润转移 66 肿瘤易感性 一些家族性肿瘤与黏附信号传导通路上重要分子的基因突变有关 例 APC 结肠癌易感基因 通过与Cadherins竞争结合catenin而参与细胞黏附 基因组稳定性 维持基因组稳定性的任一信号传导通路的改变都可能使突变发生累积 启动肿瘤的发生和进展 非正常黏附态的细胞失去了正常细胞周期的调控点 使细胞损伤的DNA被累积成稳定的基因突变 孤立的细胞对恶转更加敏感 例 细胞黏附的丧失降低了P53蛋白的含量和活性 进一步证实了细胞黏附与细胞周期调控的内在联系 细胞黏附与肿瘤的发生 浸润转移 67 Cadherins家族是介导细胞间黏附 建立细胞极性和正常细胞分化的一类重要分子 Cadherins通过 catenin介导与细胞骨架蛋白的相互作用 在多种上皮组织肿瘤中 Cadherins的表达水平下调 下调程度与肿瘤细胞的恶性程度和存活率直接相关 在肿瘤细胞中 catenin的缺失减弱了Cadherins的正常功能 catenin在将胞外信号向核内运输 与转录因子结合激活某些基因的表达过程中 充当信号转接中心的作用 成为一些信号传导通路的交叉点 如Cadherins介导的黏附信号 和WNT介导的信号传导等 1 Cadherins catenin信号传导途径 黏附 68 2 Integrin家族介导的肿瘤信号传导 转移 肿瘤细胞的迁移涉及到在肿瘤组织原位细胞黏附作用的丧失 浸润周围的血管壁 并在转移灶穿透血管壁 这些生物学行为的完成需要细胞与不同组织部位的细胞外基质之间建立或打破特异性黏附作用 本质上是在肿瘤细胞表面发生Integrin分布的质和量的改变 纤连蛋白 Integrin 粘附斑激酶 FAK catenin 细胞骨架蛋白 Ras MAPK途径 PI3K途径 69 癌细胞凋亡与信号转导异常 70 肿瘤信号传导的显著特点 累积的突变基因在作用上不是相互分离的 而是相互依赖并在细胞内形成一个复杂的调控网络 其协同作用使细胞具有选择性优势而形成克隆性扩张 例 肿瘤抑制基因RB1作为细胞周期关卡作用的功能丧失 以及促进细胞进入持续无控制增殖状态的RAS信号传导系统的改变 RB1细胞周期关卡功能缺失是细胞通向癌变过程中的第一步 ras致瘤性点突变使Ras通路处于持续开启状态 过度激活细胞内的许多通路 造成细胞正常生长调控的紊乱 肿瘤信号传导网络调控 71 MAPK RAF MEK Ras P16 CDK4 CDK6 增殖 凋亡 正常 72 MAPK RAF MEK PI3K BAD Caspase Ras PKB E2F MDM2 凋亡 增殖 FOS MYC VEGF 浸润