细胞内信号传导通路ppt.ppt

CompanyLogo 第十六章细胞内信号传导通路 CompanyLogo 信号转导 cellularsignaltransduction 指外界信号 如光 电 化学分子 与细胞表面受体作用 经复杂的细胞内信号转导系统的转换影响细胞内信使的水平变化 进而引起细胞应答反应的一系列过程 跨膜信号转导的一般步骤 特定的细胞释放信息物质 经扩散或血循环到达靶细胞 靶细胞的受体特异性结合 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 CompanyLogo 信号通路信号通路 signalingpathway 指细胞接受外界信号 通过一整套特定的机制 将胞外信号转导为胞内信号 最终调节特定基因的表达 引起细胞的应答反应 在细胞中 各种信号转导分子相互识别 相互作用将信号进行转换和传递 构成信号转导通路 signaltransductionpathway CompanyLogo 不同的信号转导通路之间发生交叉调控 crosstalking 形成复杂的信号转导网络 signaltransductionnetwork 系统 信息传递途径的交联对话表现为 1 一条信息途径的成员 可参与激活或抑制另一条信息途径 如促甲状腺素释放激素与膜受体结合后 通过Ca2 磷脂依赖性蛋白激酶系统激活PKC 同时Ca2 浓度增高会激活腺苷酸环化酶 生成cAMP 进而激活PKA CompanyLogo 2 两种不同的信息途径可共同作用于同一种效应蛋白或同一基因调控区而协同发挥作用 如糖原磷酸化酶 其 亚基可被PKA磷酸化而使酶活化 亚基可与Ca2 磷脂依赖性蛋白激酶系统通路产生的Ca2 结合而使酶活化 上述两条途径在核内可使转录因子CREB的Ser133激酶磷酸化而活化 进而调控多种基因表达 CompanyLogo 3 一种信息分子可作用几条信息传递途径 如胰岛素与膜受体结合后 可通过受体底物激活 PLC产生IP3和PAG 激活PKC 另外也可激活Ras途径 CompanyLogo 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 CompanyLogo 人类为什么能感受到春天紫丁香的香气 并在任何时候都能提取出这种嗅觉上的记忆 人能够分辨和记忆约1万种不同的气味 但人具有这种能力的基本原理是什么 香气 受体结合 G蛋白 纤毛膜上的离子通道 产生电信号 沿着神经细胞的轴突传送 嗅球 紫丁香 CompanyLogo cAMP信号途径又称PKA系统 是蛋白激酶A系统的简称 proteinkinaseAsystem PKA 概念 细胞外信号和G蛋白偶联的受体结合 导致胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路 一 G蛋白在cAMP PKA通路中的作用 CompanyLogo 胞外信息分子 第一信使 膜受体G蛋白腺苷酸环化酶 adenylatecyclase AC 第二信使 cAMP蛋白激酶A proteinkinaseA PKA cAMP 蛋白激酶A通路组成要素 CompanyLogo cAMP 蛋白激酶A途径涉及的反应链配体 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 基因转录 CompanyLogo 1 胞外信息分子通过这一途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺类激素 胰高血糖素等 含氮激素 2 膜受体胞外信息分子结合的受体为G蛋白偶联型膜受体 形成激素 受体的复合物 使受体变构激活 CompanyLogo CompanyLogo 3 G蛋白激活的受体催化Gs的GDP与GTP交换 亚基与 二聚体解离 形成 s GTP 二聚体在信号传导和信息通路的交联对话中也起着重要作用 能够独立激活G蛋白活化所产生的效应器 二聚体参与PH结构域 如AC PLC Ras MAPK等 的调节 改变相应酶活性 GTP水解构成G蛋白循环 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 4 cAMP s GTP激活腺苷酸环化酶 AC 催化ATP转化成cAMP cAMP经磷酸二酯酶降解成5 AMP 胰岛素能激活该酶 茶碱则抑制酯酶 cAMP是分布广泛而重要的第二信使 细胞内的平均浓度为10 6mol L 其浓度受腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶调节 CompanyLogo GTP bindingregulatoryprotein CompanyLogo 反应链 激素 G 蛋白偶联受体 G 蛋白 腺苷酸环化酶 cAMP CompanyLogo R H AC GDP GTP 腺苷酸环化酶 AC ATP cAMP 腺苷酸环化酶 AC 的生成 CompanyLogo 真核细胞 cAMP通过激活cAMP依赖性蛋白激酶系统 PKA 实现调节作用 PKA是一种由四个亚基构成的寡聚体 其中有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的作用机制 CompanyLogo CompanyLogo cAMP是第一个被发现的第二信使 1971年获诺贝尔生理学和医学奖 萨瑟兰 EarlW Sutherland Jr 1915 1974 CompanyLogo 对糖代谢的调节作用PKA可促使多种酶或蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化 从而调节酶的催化活性或蛋白质的生理功能 例如肾上腺素调节糖原分解的级联反应 5 PKA的作用 CompanyLogo 肾上腺素的cAMP信号转导机制 激素 胰高血糖素 肾上腺素等 受体 CompanyLogo cAMP变构激活PKA PKA磷酸化激活磷酸化激酶 再磷酸化激活糖原磷酸化酶活性 促进糖原分解的调节 CompanyLogo CompanyLogo 对基因表达的调节作用在基因转录调控区有一共同的DNA序列 TGACGTCA 称为cAMP应答元件 cAMPresponseelement CRE 可与cAMP应答元件结合蛋白 cAMPresponseelementboundprotein CREB 相互作用而调节此基因的转录 CompanyLogo PKA的催化亚基进入胞核后 催化反式作用因子 CREB中特定的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化 磷酸化的CREB形成二聚体 与DNA上的CRE结合 从而激活受CRE调控的基因转录 PKA还可使细胞核内蛋白质等磷酸化 影响这些蛋白质的功能 CompanyLogo cAMPactivateproteinkinaseA whichphosphorylateCREB CREbindingprotein proteinandinitiategenetranscription CREiscAMPresponseelementinDNAwithamotif5 TGACGTCA3 CompanyLogo 细胞核 蛋白质 PKA对基因表达的调节作用 演示 CompanyLogo CompanyLogo 掌握 cAMP PKA信号转导通路 cAMP对糖原代谢过程的调节 cAMP对基因表达的调节 目的要求 CompanyLogo 第二节磷脂与钙离子 蛋白激酶通路 CompanyLogo 信号通路是以三磷酸肌醇 IP3 及二脂酰甘油 DAG 为第二信使的双信号途径 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 CompanyLogo CompanyLogo 胞外信息分子及其受体G蛋白及磷脂酶 PLC 甘油二酯 DAG 和蛋白激酶C PKC 三磷酸肌醇 IP3 和IP3受体 Ca2 钙调蛋白 calmodulin CaM 依赖CaM的蛋白激酶 CaMPK 一 磷脂与Ca2 蛋白激酶通路的基本要素 CompanyLogo 信息分子通过此途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺 生长因子 抗利尿激素 乙酰胆碱 神经递质等 G蛋白也是由 三种亚基构成的三聚体 为Gp型 其激活机制与前述G蛋白相似 一 磷脂酶激活 CompanyLogo 磷脂酶C PLC Gp蛋白介导激活PLC 生长因子与相应受体结合 使受体二聚化和自身磷酸化 为PLC 的SH2提供描点位点 PLC 其酪氨酸残基被磷酸化修饰而激活 CompanyLogo PLC PLC PLC PLC有三种 其中主要是PLC 被激活 CompanyLogo DAG和IP3PLC激活后 可特异性催化质膜上的磷脂酰肌醇 4 5 双磷酸 PIP2 水解产生两种第二信使 即甘油二酯 DAG 和1 4 5 三磷酸肌醇 IP3 另外磷脂酶D水解磷脂酰胆碱产生磷脂酸 PA 和胆碱 PA能转变DAG 磷脂D在细胞反应后期引起PKC的持续活化 CompanyLogo PLC催化DAG和IP3的生成 CompanyLogo IP3与内质网和肌浆网上的IP3受体结合 IP3受体是Ca2 的通道 使进细胞内中钙库Ca2 释放 使Ca2 的浓度升高IP3受体为四聚体 每个亚基含有三个结构域 二 IP3和Ca2 途径 配体结合域 调节 转导域 通道域 N C CompanyLogo IP3受体 影响IP3R钙通道活性的因素 Ca2 促进开放 巯基试剂 ATP抑制开放 肝素 Mg2 与H 被PKA磷酸化后对IP3敏感性下降 CompanyLogo 细胞内 Ca2 的调节 CompanyLogo 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 二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油 CompanyLogo DAG在磷脂酰丝氨酸 PS 和Ca2 协同下激活PKC PKC由一条多肽链组成 含一个催化结构域和一个调节结构域 两者活性中心部分贴近或嵌和 PKC的调节结构域与DAG结合 其构象改变 暴露活性中心而被激活 三 DAG和PKC途径 CompanyLogo DAG激活PKC信号途径 CompanyLogo PhospholipaseCsignaltransductionpathway CompanyLogo PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的丝氨酸 苏氨酸残基发生磷酸化反应 PKC能催化质膜的Ca2 通道磷酸化 促进Ca2 流入胞内 提高胞浆Ca2 浓度 PKC也能催化肌浆网的Ca2 ATP酶磷酸化 使钙进入肌浆网 降低胞浆的Ca2 浓度 由此可见 PKC能调节多种生理活动 使之处于动态平衡 1 对代谢的调节作用 CompanyLogo PKC对基因的活化过程可分为早期反应和晚期反应两个阶段 PKC能使立早基因的反式作用因子磷酸化 加速立早基因的表达 立早基因多数为细胞原癌基因 如c fos AP1 jun 它们表达的蛋白质具有跨越核膜传递信息之功能 因此称为第三信使 第三信使受磷酸化修饰后 最终活化晚期反应基因并导致细胞增生或核型变化 促癌剂 佛波酯 phorbolester 作为PKC的强激活剂而引起细胞持续增生 诱导癌变 2 对基因表达的调节作用 CompanyLogo PKC对基因的早期活化和晚期活化 CompanyLogo CompanyLogo 掌握 IP3 Ca2 和DAG PKC信号传递途径的基本过程 目的要求 CompanyLogo 钙调蛋白 calmodulin CaM 是一种分子量为17kD 耐热 耐酸的钙结合蛋白质 由148个氨基酸残基构成 一分子的CaM可结合四分子的Ca2 当胞浆Ca2 的浓度高到10 9mol L时 Ca2 结合后 可发生变构 Ca2 CaM复合物的功能主要有以下方面 三 Ca2 钙调蛋白依赖性途径 CompanyLogo 1 Ca2 内流开放质膜和肌浆网的Ca2 通道 质膜Ca2 通道开放 钙库Ca2 通道开放 Ca2 浓度升高 CompanyLogo 2 激活依赖CaM的蛋白激酶 CaMPK CaMPK是一种作用底物非常广泛的蛋白激酶 通过对这些酶或蛋白质的磷酸化修饰 产生相应的调节作用 CaM激活靶酶的机制 靶酶存在自抑制结构域 结合CaM后 消除了自抑制作用而被活化 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo Ca2 依赖性信息转导过程 CompanyLogo 调控NO的信号传导NO合酶是一个含有CaM的多亚基酶 终结Ca2 信息直接激活质膜的Ca2 泵和激活CaMPK间接活化肌浆网的Ca2 泵 关闭磷酸肌醇信息传导途径激活CaM依赖的肌醇 3 激酶 使三磷酸肌醇转变四磷酸肌醇 后者抑制作用 关闭花生四烯酸信号传导途径抑制CaM依赖的磷脂酶A作用 CompanyLogo 第三节cGMP 蛋白激酶系统 CompanyLogo 此信号传递途径与cAMP 蛋白激酶A途径类似 即通过激活鸟苷酸环化酶 GC 催化生成第二信使cGMP 再通过激活蛋白激酶G PKG 而传递信息 信号途径为 配体 受体鸟苷酸环化酶 cGMP 依赖cGMP的蛋白激酶G PKG 靶蛋白的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化而活化 CompanyLogo 配体与鸟苷酸环化酶活性的受体结合 引起受体的催化结构域二聚化 激活鸟苷酸环化酶 GC 催化GTP生成cGMP cGMP由磷酸二酯酶催化而降解 临床上应用血管扩张剂的硝酸甘油和硝酸盐的作用机制是释放一氧化氮 NO NO在平滑肌细胞中可激活鸟苷酸环化酶 使cGMP生成增加 激活蛋白激酶G 导致血管平滑肌松弛 一 cGMP的合成 CompanyLogo CompanyLogo cGMP的合成和降解 CompanyLogo cGMP的功能为 激活cGMP依赖性蛋白激酶G PKG 激活PKAcGMP浓度增高时 交叉激活PKA 结合特异的磷酸二酯酶家族cGMP激活或抑制PDE活性 引起PKA活性的改变 二 cGMP的功能 CompanyLogo 别构效应调节离子通道在视觉和嗅觉系统有cGMP控制地的阳离子通道 近期发现 心脏和肾脏有一种cGMP门通道 可能与cGMP介导的利尿作用有关 CompanyLogo 蛋白激酶G是激酶家族的一员 它能催化靶蛋白的丝氨酸 苏氨酸残基磷酸化 产生生物学效应 PKG和PKA磷酸化相似 但对底物的亲和力不同 表现不同的功能 三 cGMP的蛋白激酶 CompanyLogo PKG的功能 CompanyLogo NO是非极性小分子 容易穿过细胞膜 从产生的细胞扩散到临近细胞中 与可溶性的NO受体 腺苷酸环化酶 结合发挥生理效应 硝酸甘油等药物在临床上作为血管扩张剂 降压作用 使用是因为它们能自发地产生NO 升高cGMP 实现松弛血管平滑肌 降低血压的作用 另外 Viagra 万艾可 俗名伟哥 通过抑制cGMP分解酶的作用而提高cGMP的浓度 促使阴茎血管舒张而勃起 凡能作用于腺苷酸环化酶的配体 如心钠素 鸟苷素 内毒素 NO及产生NO的物质都能升高cGMP的浓度 因此都有一定的降压作用 CompanyLogo 第四节Ras Raf MAPK通路 CompanyLogo 受体酪氨酸激酶 简称RTKs receptortyrosinekinase 是最大的一类酶联受体 Ras是原癌基因c ras表达的产物 RPTK结合信号分子 形成二聚体 并发生自磷酸化 活化的RPTK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 CompanyLogo 信号分子作用 CompanyLogo 一 Ras Raf MAPK通路元素 催化性受体 GRB2 SOS Ras蛋白 RafMAPK激酶系统 CompanyLogo RTK Rasproteinsignalpathway pathway 信号 配体 受体 RTK 受体二聚化 Dimer 受体的自磷酸化 活化的RTK 接头蛋白GRB2 Sos Ras蛋白 Raf MAPKKK MAPKK MAPK 转录因子磷酸化 激活靶基因 细胞应答和效应 CompanyLogo 催化性受体位于细胞质膜上称为受体型TPK 如胰岛素受体 表皮生长因子受体及某些原癌基因 erb B kit fmS等 编码的受体 当配体与催化型受体结合 使二聚体的酪氨酸蛋白激酶 TPK 被激活 使某些酪氨酸残基磷酸化 这一过程称为自身磷酸化 autophospho rylation 二 Ras Raf MAPK通路步骤 CompanyLogo CompanyLogo 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 GRB2细胞内存在一种衔接蛋白 Grb2 growthfactorreceptorboundprotein2 具有SH2结构域 SH2结构域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合 磷酸化的受体通过连接物蛋白可偶联其他效应蛋白 CompanyLogo SOS sonofsevenless SOS 一种鸟嘌呤核苷酸释放因子 富含脯氨酸 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 磷酸化的Grb2可与下游的SOS结合形成复合体 使SOS磷酸化 结构域SH3结合 促使Ras的GDP交换成GTP CompanyLogo Sos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合 将受体和无活性的Ras蛋白偶联 CompanyLogo Ras蛋白Ras蛋白为多种生长因子信息传递过程所共有 因此又称为Ras通路 Ras是原癌基因 ras 产物 分子量为21KD 故又称P21蛋白 类似于G蛋白的G 亚基 它的活性与其结合GTP或GDP直接有关 Ras与GDP结合时无活性 但磷酸化的SOS可促进GDP由Ras脱落 使Ras转变成GTP结合状态而活化 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo Rasprotein 在许多真核生物细胞中 Ras蛋白在RTK介导的信号通路中是一个关键组分 位于细胞质侧 是小的GTP结合蛋白 有GTPase的活性 结合GTP时为活化状态 结合GDP时为失活状态 Ras的GTP酶活性不强 需要GAP的参与 GTP酶活化蛋白 GAP Ras蛋白活化态Ras蛋白失活态鸟苷酸释放因子 Sos CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo Raf蛋白具有丝 苏氨酸蛋白激酶活性 又称MAPKKK 激活有丝分裂原激活蛋白激酶 MAPK 系统 MAPK系统是一组酶兼底物的蛋白分子 通常由三种蛋白激酶的级联反应构成 种类较多 包括 MAP激酶激酶激酶 MAPKKK 如Raf 1激酶 MAP激酶激酶 MAPKK 如MEK1 2 MAPK 如ERK1 2 CompanyLogo MAPK Mitogen activatedproteinkinase 又称ERK extracelularsignal regulatedkinase ERK亚家族包括ERK1 ERK2和ERK3等 ERK的级联激活过程 CompanyLogo MAPKKK MAPKK MAPK CompanyLogo CompanyLogo 磷酸化激酶是通过Thr和Tyr的双位点同时磷酸化而被激活 CompanyLogo MAPK作用机制 被激活后转移至细胞核内 使一些转录因子发生磷酸化 改变细胞内基因表达的状态 另外 它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变 MAPK家族成员的底物大部分是转录因子 蛋白激酶等 MAPK调控的生物学效应 参与多种细胞功能的调控 尤其是在细胞增殖 分化及凋亡过程中 是多种信号转导途径的共同作用部位 CompanyLogo EGFR介导的信号转导过程 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo PKA对通路的负调节作用提高细胞内cAMP水平 PKA催化Ras分子中43ser磷酸化 降低Ras与ATP的亲和力 抑制Raf的激活 PKC对通路的激活调节作用活化的PKC增加Ras与ATP的亲和力 再激活Raf 二 Ras Raf MAPK通路的调节 CompanyLogo CompanyLogo 第五节JAKs STAT信号转导通路 CompanyLogo 部分生长因子 大部分细胞因子 如干扰素 红细胞生成素 EPO 粒细胞集落刺激因子和一些白细胞介素等 其受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性 但有两个重要的功能区 其近端有能与非受体型酪氨酸激酶JAKs相互作用的区域 远端则有多个酪氨酸残基 能被活化的JAK磷酸化 CompanyLogo JAKs再通过激活STAT而最终影响到基因的转录调节 故将此途径又称为JAK STAT信号转导通路 由于在JAK STAT通路中 激活后的受体可与不同的JAKs和不同的STAT相结合 因此该途径传导信号更具多样性和灵活性 CompanyLogo 胞外信息分子生长因子和细胞因子非催化性受体JAKs januskinases 信号转导子和转录激动子 信号转导子和转录激动子 signaltransductorsandactivatorsoftranscriptionSTAT 一 JAK STAT途径基本要素 CompanyLogo JAK即JanusKinase 两面神激酶 是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶 PTK 该族成员有7个同源区 JH1 7 其中JH1区为激酶区 JH2区为伪激酶区 与其它PTK不同 JAK内无Src同源区2 SH2 结构 因其既能催化与之相连的细胞因子受体发生酪氨酸磷酸化 又能磷酸化多种含特定SH2区的信号分子从而使其激活 故称之为Janus 罗马神话中前后各有一张脸的门神 二 JAK CompanyLogo STAT即Signaltransducersandactivatorsoftranscription 信号传导及转录激活因子 含有SH2和SH3结构域 可与特定的含磷酸化酪氨酸的肽段结合 当STAT被磷酸化后 发生聚合成为活化的转录激活因子形式 进入胞核内与靶基因结合 促进其转录 现在已克隆成功4种JAK JAK1 3和Tyk2 与6种STAT Stat1 6 三 STAT CompanyLogo 信息转导过程细胞因子或生长因子 R 受体二聚化 JAK STAT 基因转录活性改变 细胞生理功能改变 CompanyLogo 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 CompanyLogo 白介素介导的信号转导通路 CompanyLogo 干扰素诱导调节基因转录机制 CompanyLogo CompanyLogo 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 crossingtalking 信号转导途径和网络共同的规律和特点 CompanyLogo CompanyLogo CompanyLogo 第六节信号转导异常与疾病 CompanyLogo 细胞信号转导系统具有调节细胞增殖 分化 代谢 适应 防御和凋亡等作用 它们的异常与疾病 如肿瘤 心血管病 糖尿病 某些神经精神性疾病以及多种遗传病的发生发展密切相关 受体和细胞信号转导分子异常既可以作为疾病的直接原因 引起特定疾病的发生 亦可在疾病的过程中发挥作用 促进疾病的发展 细胞信号转导异常可以局限于单一成分 如特定受体 或某一环节 亦可同时或先后累及多十环节甚至多条信号转导途径 造成调节信号转导的网络失衡 对信号转导系统与疾病关系的研究不仅有助于阐明疾病的发生发展机制 还能为新药设计和发展新的治疗方法提供思路和作用靶点 CompanyLogo 一 信号转导异常的原因 一 生物学因素霍乱弧菌产生分泌的外毒素 霍乱毒素 有选择性的催化Gs 亚基上的精氨酸201核糖化 使GTP酶活性丧失 不能将GTP水解成GDP 从而使Gs 处于不可逆激活状态 不断刺激AC生成cAMP 胞浆中的cAMP含量可增加至正常的100倍以上 导致小肠上皮细胞膜蛋白构型改变 大量氯离子和水分子持续转运入肠腔 引起严重腹泻和脱水 因身体丧失水 钠和氯化物而脱水 重者发生循环衰竭 CompanyLogo 剧烈腹泻脱水休克 Gs201Arg核糖化 霍乱 Cholera 机制 CompanyLogo 二 理化因素1 化学性因素 如 多环芳烃类化合物 鸟氨酸加合物 小鼠小G蛋白K Ras基因12和13密码子突变 Ras的GTP酶活性 Ras处于与GTP结合的持续激活状态 Ras Raf 又称MAPKkinasekinase MAPKKK MEK 又称MAPKkinase MAPKK ERK extracellular signalregulatedkinase细胞外信号调节激酶 通路 细胞异常增殖 CompanyLogo 2 物理性因素机械刺激 电离辐射也可激活细胞内的信号转导通路 研究发现适当的机械刺激可促进细胞的生长 分化和功能 但刺激强度过大或作用时间过长 可对细胞造成损伤 如 心肌的牵张刺激和血流切应力对血管的刺激可激活PKC ERK extracellular signalregulatedkinase 等 CompanyLogo 三 遗传因素 染色体异常和编码信号转导的基因突变 其表现形式呈现异质性 或缺失 或插入突变或点突变 突变可发生在结构基因也可发生在基因的调节序列 某些信号转导蛋白在突变后获得了自发激活和持续性激活 又称为组成型激活突变 constitutivelyactivatedmutation 如 常染色体显形遗传的甲状腺机能亢进患者中发现有TSHR的激活性突变 使甲状腺素 甲亢 CompanyLogo 四 免疫学因素 由于患者体内产生了抗某种自身抗体而导致的疾病被称为自身免疫性受体病 属自身免疫性疾病 刺激型抗体 可模拟信号分子或配体的作用 激活特定的信号转导通路 使靶细胞功能亢进 如弥漫性甲状腺肿 Graves disease 刺激性抗体模拟TSH的作用促进甲状腺素分泌和甲状腺腺体生长女性 男性甲亢 甲状腺弥漫性肿大 突眼 CompanyLogo TSHR 甲状腺细胞膜 CompanyLogo 阻断型抗体 该抗体与受体结合后 可阻断受体与配体的结合 从而阻断受体介导的信号转导通路的效应 导致靶细胞功能低下 如桥本病 重症肌无力 阻断性抗体与TSH受体结合减弱或消除了TSH的作用抑制甲状腺素分泌甲状腺功能减退 黏液性水肿 CompanyLogo TSHR 甲状腺素分泌甲状腺细胞增殖 阻断型TSHR抗体 桥本病 甲状腺细胞膜 桥本病 Hashimoto sthyroditis CompanyLogo 五 内环境因素 机体在缺血 缺氧 炎症创伤等持续应急状态下 自稳调节紊乱并导致神经递质 激素 细胞因子 炎症介质等大量释放 可引起某些信号转导通路的过度激活和某些信号转导障碍 CompanyLogo 二 信号转导异常的发生环节 在信号转导通路中任何一个环节从无论是在信号的发放 接收 还是信号在细胞内的传递直至作用靶蛋白出现效应出现障碍时 都会影响最终的效应 CompanyLogo 一 胰岛素抵抗性糖尿病 遗传性胰岛素受体异常 包括受体合成减少受体与配体的亲和力降低 如受体精氨酸735突变为丝氨酸受体TPK活性降低 如甘氨酸1008突变为缬氨酸 胞内区TPK结构异常糖尿病2型主要表现为靶细胞对胰岛素的不敏感或者抵抗 故又称为胰岛素抵抗性糖尿病 患者一般有家族史 除有严重高血糖和高胰岛素血症外 多数患者还伴有黑色棘皮及多毛症 匝容丑陋 胰岛索受体 受体后的信号转导通路和其效应蛋向的改变是当前该病研究中关注的热点 CompanyLogo 胰岛素作用信号转导 signaltransductionofinsulin 胰岛素 受体TPK磷酸化 在IRS 1及IRS 2参与下 与Grb2和PI3K结合 启动下游信号转导 CompanyLogo 1 胰岛素受体异常 胰岛素受体属于受体TPK家族 由 亚单位组成 无活性的胰岛素受体在未与配体结合时即以二聚体的形式存在于细胞膜 胰岛素与受体 亚单位结合后 引起 亚单位的酪氨酸磷酸化 并在胰岛素受体底物1 2 insulinreceptorsubstrate1 2 IRS 1 2 的参与下 与含SH2区的Grb2和PI3K结合 CompanyLogo CompanyLogo 胰岛素受体为酪氨酸蛋白激酶 PTK 型受体 胰岛素与IR结合导致受体的PTK激活 该酶通过胰岛素受体底物 IRS 激活PI一3K及Ras Raf一MEK ERK等多条信号转导通路 促进葡萄糖转运蛋白4 GLL 4 转位到膜上 从而增加外周组织摄取葡萄糖的能力 使无活性的糖原合酶转为激括的形式 增加糖原的合成 使基因表达增强 蛋白质合成增加 促进细胞的增殖等 根据胰岛素受体异常的原因可分为 CompanyLogo 胰岛素信号转导机制 CompanyLogo 1 遗传性胰岛素受体异常 因基因点突变所致 包括 受体合成减少或结构异常的受体在细胞内分解破坏增多导致受体数量减少 受体与配体的亲和力降低 如受体精氨酸735突变为丝氨酸 使合成的受体不能正确折叠 与胰岛素亲和力下降 受体TPK活性降低 如甘氨酸1008突变为缬氨酸 胞内区TPK结构异常 磷酸化酪氨酸的能力减弱 CompanyLogo 2 自身免疫性胰岛素抵抗性糖尿病 患者多为女性 亦有黑皮及多毛症 除糖屎病外 还台并其他自身免疫性疾病 如系统性红斑狼疮等 患者血中可测到抗胰岛素受体的抗体 以阻断型为主 与受体结合后可阻断胰岛索与受体的结台及效应 血液中存在抗胰岛素受体的抗体 CompanyLogo 3 继发性胰岛素抵抗 已证明体内胰岛素水平持续性增高可以下调IR 导致靶细胞对胰岛素的反应性下降 如发现部分肥胖者有高胰岛素血症及糖耐量的异常 并伴细胞表面的IR减少 其原因是肥胖患者通常摄人过量 使餐后血糖浓度明显增高 进而引起血中胰岛素浓度升高 长时间增高的胰岛素可通过下诃作用使IR减少 导致靶细胞对胰岛素的敏感性降低 从而出现糖尿病的症状 节制饮食可阻断这一恶性循环 使胰岛素及受体水平趋向正常 除肥胖外 高血糖和运动不足等也可引起胰岛素抵抗性糖尿病 有报道高葡萄糖的毒性作用可使IR的PTK活性降低 但其机制尚不清楚 CompanyLogo 除了受体的异常外 已证明在严重的创伤 应激 感染时 大量产生的应激激素 如糖皮质激素 和细胞因子 如TNF a 等可通过干扰胰岛素受体后的信号转导途径及细胞内的代谢 导致绲织细胞对胰岛素的抵抗井造成糖代谢的紊乱 CompanyLogo 二 肿瘤 恶性肿瘤的特征是高增殖 低分化 并具有转移能力 多种致瘤因素 如病毒感染可以导致基因突变 使得原癌基因激活或者抑癌基因失活 而它们的产物中有相当部分是生长因子 受体 或者细胞内的信号转导蛋白 因此肿瘤的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 使细胞出现增殖失控 分化受阻和 或 凋亡障碍 而晚期则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 这里只讨论导致肿瘤细胞过度增殖的信号转导 CompanyLogo 肿瘤细胞RTK激活Ras ERK信号转导通路过强 细胞膜 CompanyLogo 正常细胞的生长与分化受到精细的网络调节 细胞癌变最基本的特征是生长失控及分化异常 近年来人们认识到绝大多数的癌基因表达产物都是细胞信号转导系统的组成成分 它们可以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可以编码生长因子样的活性物质 例如 sis癌基因的表达产物与PDGF 链高度同源 int 2癌基因蛋白与成纤维细胞生长因子结构相似 此类癌基因激活可使生长因子样物质生成增多 以自分泌或旁分泌方式刺激细胞增殖 在人神经胶质母细胞瘤 骨肉瘤和纤维肉瘤中均可见sis基因异常表达 CompanyLogo 2 表达生长因子受体类蛋白某些癌基因可以表达生长因子受体的类似物 通过模拟生长因子的功能受体起到促增殖的作用 例如 erb B癌基因编码的变异型EGF受体 缺乏与配体结合的膜外区 但在没有EGF存在的条件下 就可持续激活下游的增殖信号 在人乳腺癌 肺癌 胰腺癌和卵巢肿瘤中已发现EGF受体的过度表达 在卵巢肿瘤亦可见PDGF受体高表达 且这些受体的表达与预后呈负相关 CompanyLogo 3 表达蛋白激酶类某些癌基因可通过编码非受体TPK或丝 苏氨酸激酶类影响细胞信号转导过程 例如 src癌基因产物具有较高的TPK活性 在某些肿瘤中其表达增加 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 此外 还使糖酵解酶磷酸化 糖酵解酶活性增加 糖酵解增强是肿瘤细胞的代谢特点之一 mos raf癌基因编码丝 苏氨酸蛋白激酶类产物 其可促进MAPK磷酸化 进而促进核内癌基因表达 CompanyLogo 4 表达信号转导分子类ras癌基因编码的21kD小分子G蛋白Ras 可在Sos催化下通过与GTP结合而激活下游信号转导分子 在30 的人肿瘤组织已发现有不同性质的ras基因突变 其中突变率较高的是甘氨酸12 甘氨酸13或谷氨酰胺61为其他氨基酸残基所取代 变异的Ras与GDP解离速率增加或GTP酶活性降低 均可导致Ras持续活化 促增殖信号增强而发生肿瘤 例如 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12突变为缬氨酸 使其处于持续激活状态 CompanyLogo 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 过度表达的癌基因可引起肿瘤发生 如高表达的jun蛋白与fos蛋白与DNA上的AP 1位点结合 激活基因转录 促进肿瘤发生 CompanyLogo 一 促细胞增殖的信号转导过强1 促细胞增殖因子产生增多自分泌机制在肿瘤发生发展过程中发挥重要作用 已证明多种肿瘤组织能分泌生长因子 如转化生长因子 TGFd 血小板衍生性生长因子 F lateletdenwdg w hAccor PDGF 成纤维细胞生长因子 曲robl 脚m矗ctor FGF 等 丽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 CompanyLogo 2受体的改变促细胞增殖因子受体的表达增多或异常激恬 1 某些生长因子受体表达异常增多 大量实验表明恶性肿瘤常伴有某些生长网子受体表达的异常增多 且其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 它们与生长因子结合后 可启动Ras Raf MEK ERK通路 DAG pKc通路 PI一3K PKB通路等多条信号转导通路 促进基因表达和细胞周期的运行 导致细胞增殖 如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的原癌基因的过度表达 EGFR既是表皮生长因子 EGF 的受体 也是TGF嘘的受体 EGFR增多使肿瘤细胞对TGh和EGF的反应性增强 CompanyLogo 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 v越cm do出dld舯wcllk nr vEGI 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 CompanyLogo 2 突变使受体组成型激活 已在多种肿瘤组织中证实有R K的组成型激括突变 如在肺癌 乳腺瘟 卵巢癌中发现一种缺先了N端配体结合区的头部截短的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和转化 CompanyLogo 3细胞内信号转导蛋白的改变已发现肿瘤中有多种促进增殖的细胞内的信号转导蛋白改变 在人类肿瘤中发生频率最高的突变是小G蛋白R 的激活型突变 R 由单亚基组成 与GT p结合 RasGTP 是其活性形式 而RasGDP是其非恬性形式 生长因子与其受体结合后 能通过接头蛋白 a却 r 如GRB2 shc 与作为鸟苷酸交换因子 GEF 的SOS形成复合物 sos促使Rm与G12 P解离 而结合0TP 激活的R GTP进一步激话Raf MEKMAPK ERlK信譬转导通路 图7 5 促进细胞增殖 之后Ras通过其内在GTP酶分解GTP 转变为RasGDP 从而终止活性 在肿瘤中最常发现的R 突变是第12位甘氨酸 13位甘氨酸或61位谷氨酰胺为其他氨基酸残基所取代 导致Ras自身GTP酶活性下降 使RnGTP不能转变成R越GDP而始终处于GTP结合的活性态 造成R RafMEK ERK通路的过度激活 从而导致细胞的过度增殖与肿瘤的发生 CompanyLogo f二 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 还可能由生长抑制因子受体的减少 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机制减弱或丧失 转化生长因子D s岛rml 引vow hk断B TG邛 对多种肿瘤细胞具有抑制增殖及诱导捅亡的作用 TGFB受体 TpR 是具有丝 苏氪酸蛋白激酶活性的受体 受体与配体结合后 能磷酸化下游的smad蛋白家族 后者以二聚体的形式转 核内 调节靶基因的转录 通过抑制细胞周期索依赖性激酶4 cDK4 的表达 诱导p2 w蜩 P27 和P15出 等cDK抑制因子的产生 将细胞阻滞于GI期 已发现在肿瘤细胞中 如胃肠癌 肝癌及淋口瘤中有TGt p 型受体 TpR 的突变 并在多种肿增中证实有smad4的失活 突变或缺失 受体和smad的突变司使TGF目的信号转导障碍 使细胞逃脱TGFB的增殖负调控从而发生肿瘤 此外 还表明TG印可通过促进细胞外基质的生成和刺激肿瘤组织血管的增生 促进肿瘤的发生和发展 CompanyLogo 三 高血压 高血压血管的改变主要为血管收缩 血管平滑肌细胞的增殖 肥大以及结缔组织含量增加所致的血管阻力增加 长期的血管阻力增加可使左心压力负荷过重 导致左心心肌肌细胞基因表达增强 RNA和蛋白质合成增加 使心肌细胞肥大 在心肌细胞肥大的同时还可有细胞外基质成分以及血管的结构改变 称为心肌的重建或重塑 remodeling 它们的发生都与高血压时促细胞增殖的信号转导异常有关 CompanyLogo 正常血管平滑肌细胞 vascularsmoothmusclecell VSMC 呈非增殖性的收缩表型 在神经及激素刺激下调节血管壁张力 维持组织血流量 在病理状态下 VSMC转化为合成表型 生成和分泌多种血管活性物质 生长因子及细胞外基质 同时自身发生迁移 肥大 hypertrophy 指细胞体积增大 和增殖 hyperplasia 指细胞数量增加 VSMC生物学变化可引起血管壁增厚 管腔狭窄 血管顺应性降低和血管重构 在高血压病的发生与发展中起重要作用 引起VSMC增殖肥大的细胞外信息可分为 CompanyLogo 高血压时心肌肥厚的发生和发展涉及多种促心肌肥厚的信号 牵拉刺激机械性的牵拉刺激不仅可直接导致信号转导和基因表达的改变 造成心肌细胞增殖 还能促进全身或局部分泌血管活性物质 生长因子和细胞因子等 激素信号缩血管物质分泌增多 通过GPCR 发挥很强的促进心肌细胞增殖的作用 局部体液因子牵拉刺激和一些激素信号可导致心肌组织中生长因子和细胞因子如TGF FGF等合成分泌增多 上述这些信号可激活以下信号转导通路 CompanyLogo 牵拉刺激 激素信号 局部体液因子 激活PLC PKC 激活MAPK家族 胞内Na Ca2 增高 PLC DAG IP3 PKC 基因表达与细胞增殖 ERK JNK和p38 生长分化发育 炎凋生症亡长反分应化 平滑肌和心肌内质网 肌浆网钙通道开放 激活Ca 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 Na H 交换蛋白 CompanyLogo ERKcascadeisoneoftheimportantpathway ReceptorTPK Growthfactor CompanyLogo 1 生物化学性因素对VSMC的刺激指由内分泌 旁分泌或自分泌作用于VSMC的激素 细胞因子及生长因子等 在许多心血管疾病患者或动物模型中 可以检测到血浆或血管壁局部血管活性物质和促生长因子的含量升高 它们除改变血管口径外 还有很强的促肥大增殖作用 去甲肾上腺素 血管紧张素II和内皮素分别与各自的受体结合后 激活Gq及PLC 经磷脂酰肌醇级联反应 改变细胞的功能与代谢并增强基因转录 生长因子如PDGF等通过作用于细胞表面的受体TPK 引起受体酪氨酸残基自身磷酸化 经与一系列信号转导分子的相互作用 引起基因转录和蛋白质合成增加 CompanyLogo GPCR 胞膜 Ca2 离子通道 Ca2 IP3 DAG Gq PI PLC PKC Biologicresponses CA Ang 等 G R R 基因表达增加 心肌和血管平滑肌增生 细胞内Ca2 库 CompanyLogo 三 心肌肥厚和心衰当高血压和瓣膜病时 心肌细胞受到的机械和化学刺激增多 机械刺激主要表现为心肌负荷过重时 心肌细胞受到的牵拉刺激增多 这种牵拉刺激以及由于心策功能损害 心输出量减少卫可以导致神经内分泌和体液系统激活 使得化学刺激 信号 如儿茶酚胺 血管紧张素 醛固酮 加压素 内皮紊以及心肌细胞内一些细胞因子和生长因子等发放增多 它们能通过各自的受体激活相应的信号转导通路 导致心收缩力增强 回心皿流增多 牵拉刺激以及化学信号的长时间作用还与心肌肥厚和心肌重构的发生密切相关 此外 上述机械的和化学信号的过度增多或者长时间作用对机体也有有害的作用 表现在可以减弱心肌收缩力 导致心肌细胞的凋亡 从而参与心衰的发生和发展 CompanyLogo 1激活PLc PKc通路去甲肾上腺素 血管紧张素 以及在心血管疾病中体内增多的神经体液因子和生长因子 细胞因子等可以激活磷脂酶c PLc 产生脂质双信使gAG和 P DAG可激活蛋白激酶c PKc 此外 牵拉刺激也激活PKc 如将自发性高血压大鼠 SHRj腹主动脉缩窄8小时后 心肌的PK 话性及In明显增高 将心肌细胞培养在硅胶膜上 牵拉膜使心肌细胞伸展 早期即出现磷脂酶c PLc 的活性增高和PK 的澈活 激活的PK 可通过多种机制促进基因表达 刺激细胞的增殖 故在高血压心肌肥厚的形成中发挥重要作用 CompanyLogo 2融活cA