《肿瘤分子生物学》PPT课件.ppt

覃文新 上海市肿瘤研究所癌基因及相关基因国家重点实验室 细胞信号传导 细胞信号传导系统Cellsignalling 英国诗人JohnDonne Nomanisanisland Cell Nocellisanisland Referencesandrecommendedreadings YoshikawaH MatsubaraK QianGS JacksonP GroopmanJD ManningJE HarrisCC HermanJG SOCS 1 anegativeregulatoroftheJAK STATpathway issilencedbymethylationinhumanhepatocellularcarcinomaandshowsgrowth suppressionactivity NatGenet 2001 28 1 29 35 HanahanD WeinbergRA Thehallmarksofcancer Cell 2000 100 1 57 70 EvanGI VousdenKH Proliferation cellcycleandapoptosisincancer Nature 2001 411 6835 342 8 TaipaleJ BeachyPA TheHedgehogandWntsignallingpathwaysincancer Nature 2001 411 6835 349 54 Blume JensenP HunterT Oncogenickinasesignalling Nature 2001 411 6835 355 65 一 细胞信号传导的基本概念和特征二 G蛋白偶联受体和第二信使三 受体型酪氨酸激酶 第二种主要的信号传导途径四 细胞信号传导途径之间的关系五 其它细胞信号传导途径 细胞信号传导系统 Nobelprizesawardedforresearchinsignaltransduction 2001L H Hartwell R T Hunt P M NurseM Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S Brenner H R Horvitz J E SulstonM PApoptosis 大多数细胞信号传导系统包括 通过质膜上的特异受体识别来自细胞外部的各种刺激 将信号跨膜传递至胞质表面 再将信号传递至位于质膜内表面或胞浆内的特殊效应器分子 从而触发细胞的各种反应 可能包括基因表达的改变 酶活性的转换 细胞骨架的重组装 膜通透性的改变 DNA合成的激活 甚至细胞的死亡等 外界刺激水平下降后 信号分子失活或解体 导致细胞反应停止 一 甾醇类激素作用于靶细胞是以融合扩散的方式通过细胞膜 然后再与细胞内部的受体蛋白作用 转变成一个有活性的转录因子 一氧化氮 NO 这种细胞信使也是以扩散的方式通过细胞膜的 还有一种情况 信使分子与细胞表面受体结合直接激发细胞起反应 而不是在细胞内产生一个刺激信号后再通过一系列的传导过程触发细胞起反应 如神经递质乙酰胆碱就是这种机制 当它与骨骼肌细胞上的相应受体结合后 即开启受体自身的离子通道直接促发细胞反应 细胞信号传导 的概念 可简单概述为 细胞通过将信号传递至细胞内部来完成细胞对外界环境刺激所产生的相应反应 CellsignalingSignaltransduction 在信号传导过程中 通过加上或移去磷酸基团从而改变下游一系列蛋白质的活性是信号传导过程中一个最显著的特征 细胞信号传导过程的另外一个显著特征是以GTP结合蛋白 GTP bindingproteinsorGproteins 作为 开关 的某种细胞活动与另外一些同样需要GTP结合蛋白参与调控的细胞活动过程相偶联 本节将重点讨论下面两种显著不同的信号传导过程 一种是配体与细胞膜表面上的受体结合后 通过激活GTP结合蛋白而传导细胞信号另一种则是配体与受体结合后直接激活与受体相关的酶活性而传导细胞信号除此之外 还将扼要介绍另外几种信号传导途径 第二信使cAMP的发现50年代中期CaseWesternReserveUniversityEarlSutherland etal UniversityofWashingtonEdwinKrebsandEdmondFischer etal 二 尽管由cAMP引发的快速反应主要发生在胞浆内 但细胞核及其基因也参与了该反应 CREB cAMPresponseelement bindingprotein 转录因子的磷酸化 磷酸化的CREB结合到含有特殊核苷酸序列 TGACGTCA的DNA位点上 这段特殊的核苷酸序列被称之为CRE cAMP regulatedenhancer 序列 在肝细胞中 有好几种酶参与了葡萄糖再生的代谢途径 结果发现编码这些酶的基因都含有CREs序列 这样 高血糖素和肾上腺素不仅激活了分解代谢中的酶使糖原分解 而且它们也促进了葡萄糖合成代谢途径中有关合成酶的转录 Hormone cAMP PKA Levelofproteinphosphorylationincreased Levelofproteinphosphorylationdecreased ActivePhosphatase 1 InactivatedPhosphatase 1 P Activeformofinhibitor 1 Inactiveformofinhibitor 1 P 磷酸酶I PhosphataseI 能够移去多种磷酸化了的酶分子上的磷酸基因 如磷酸化了的磷酸化酶激酶 糖原合成酶和磷酸化酶等 除了放大功能外 级联式反应的另外一个特点是该反应链中的每一种酶 无论是激酶或是磷酸酶 都是潜在的控制细胞反应的调节点 在不同的组织细胞中 由不同种类的激素 配体 刺激靶细胞产生的cAMP将产生不同的生理反应 1 在肝脏中 肾上腺素刺激肝细胞产生cAMP并激活PKA后 将导致糖原分解 2 在肾脏中 加压素刺激肾小管细胞产生cAMP并激活PKA后 将造成肾小管细胞膜对水的渗透性下降 3 在甲状腺中 促甲状腺激素刺激甲状腺细胞产生cAMP并激活PKA后 将导致甲状腺激素的分泌 即使是同一激素 在不同的组织细胞中 尽管结合的是同一受体 也能产生不同的生理反应 如肾上腺素 在肝细胞 脂肪细胞和平滑肌细胞中 都是与类似的 肾上腺素能受体结合 同样产生的也是cAMP 然而反应却是不同的 肝细胞中糖原分解 脂肪细胞中甘油三酯分解 平滑肌细胞则产生松驰 只有当细胞外第一信使保持较高水平的情况下 cAMP才会连续不断的产生 当细胞外第一信使的浓度下降和这些第一信使分子从靶细胞膜上解离下来后 腺苷酸环化酶失活 cAMP的浓度迅速下降 胞浆中已经存在的那些cAMP分子迅即被腺核苷磷酸二酯酶降解 使反应终止 配体结合 口袋 是相当特异的两种受体间的不同点只在于受体的细胞膜外表面配体结合 口袋 这种配体结合 口袋 是相当特异的 不仅两种受体的结构非常相似 而且在受体和腺苷酸环化酶之间传递信息的另外一种蛋白也是非常相似的 这种受体和效应器分子之间的信息传递是由传导系统中的第三种成份来完成的 这第三种成份就是异源三聚体的G蛋白 因为它能与鸟苷酸 GTP或GDP 结合 故称之为G蛋白 HeX etal BBRC2002 2002 297 3 528 在真核细胞中 通过胞外刺激 受体与G蛋白之间发生功能联系并从而激发第二信使的产生看来是一种普遍的机制 从酵母到高等动植物 已经发现了一百多种不同的G蛋白偶联受体系统 这些受体系统分别接受各种不同的配体刺激 如激素 神经递质 外激素 pheromones 气味分子 odorants 和光子 photons 等 到目前为止 各种G蛋白偶联受体系统的激活都有着相似的时间秩序 可以用下面的描述来加以说明 1 通过受体激活G蛋白2 G蛋白与效应器分子之间的信号传输3 跨膜产生的信号反馈4 反应中止 有证据表明 大量不同配体包括激素 神经递质和感觉刺激等在内 都能够通过类似的机制跨膜传送信息 触发各种各样的细胞反应 在不同类型的细胞中 cAMP通过激活蛋白激酶后使不同的蛋白底物磷酸化而引发各种各样的反应 其特异性可能主要由位于信号传导途径 前端 Frontend 的不同受体和G蛋白所决定 对于一个给定的配体 其受体会有几种不同的异构体 Isoform 这些异构体对相应配体有着不同的亲和力 同时对与其相关的特定G蛋白也有着不同的亲和力 研究人员已经分离到了9种不同的肾上腺素能受体的异构体和15种不同的5 羟色胺受体的异构体 这些受体的不同异构体可能共存在同一细胞质膜中 也可能存在于不同类型的靶细胞膜中 将信号从受体传送至效应器分子的异源三聚体G蛋白也存在多种形式 至少有20种不同的G 亚基 5种不同的G 亚基和7种不同的G 亚基已经被分离鉴定 刺激型G蛋白 Stimulatory aGsprotein 抑制型G蛋白 Inhibitory aGiprotein 取决于 亚基的性质 相同的刺激在一个细胞中能够激活Gs蛋白 而在另一个细胞中却可能激活Gi蛋白 如肝细胞中 肾上腺素与 肾上腺素能受体结合 激活Gs蛋白 产生cAMP 相反 在平滑肌细胞中 肾上腺素与 肾上腺素能受体结合 激活Gi蛋白 抑制cAMP产生 cAMP是第一个被发现的第二信使 由它触发的反应至今仍在发现当中 除此之外 由G蛋白偶联受体激活的其它信号传导途径还有许多 我们将在下面的章节中讨论几个例子 神经递质乙酰胆碱结合到血管平滑肌细胞表面时 引起血管收缩 使血管变狭窄 当外来抗原结合到肥大细胞表面时 会引起细胞分泌组胺 从而引起变态反应的发生 这两个反应 一个导致收缩 另一个导致分泌 却都是由同样的细胞信使引起的 这种细胞信使是磷脂酰肌醇 Phosphatidylinositol PI 的衍生物 PI是细胞膜组份中一种较小的分子 它不仅是脂质双分子层的结构成份 而且也是一系列重要调节分子的前体 当乙酰胆碱结合到平滑肌细胞表面或抗原与肥大细胞结合时 结合了配体的受体可激活异源三聚体G蛋白 该G蛋白接下来可激活效应器分子磷脂酶C PhospholipaseC PLC 磷脂酶C与腺苷酸环化酶相似 也位于细胞膜内表面 磷脂酶C可水解PIP2成为肌醇1 4 5 三磷酸 Inositol1 4 5 trisphosphate IP3 和甘油二酯 diacylglycerol DAG 二者都在细胞信号传导过程中起着重要作用 经鉴定 由G蛋白激活的磷脂酶C PLC 是PLC 以区别于PLC 异构体 PLC 是由受体型酪氨酸激酶所激活 见本节下文 这两种异构体催化同一反应 但有着不同的性质 PKC实际上是一个家系 有些可单独被脂类形式的第二信使 如DAG 激活 有些则需要在Ca2 作为其激活剂的情况下才能被激活 酶名字中的 C 即来源于此 同PKA 被cAMP所激活 一样 PKC也是一种多功能的丝氨酸 苏氨酸激酶 可将许多不同的蛋白底物磷酸化 PKC在细胞生长与分化 细胞代谢和转录激活等细胞生命活动中起着非常重要的作用 但大多数的作用机制还不甚明了 PKC在细胞生长控制中所起的重要调控作用 在对一种植物化合物佛波酯 Phorbolesters 的研究中也得到了证实 Phorbolesters能够激活多种正常培养细胞的PKC功能 使细胞失去生长控制 暂时具有恶性细胞的行为 当佛波酯从培养基中移走后 细胞又回复到正常生长行为 与此相对照 已经遗传工程化 持续表达PKC的细胞 经过以上处理 在体外培养时将出现永久性恶性表型 并对易感裸鼠具有致瘤能力 PLC水解PIP2后生成的DAG 它激活的效应器分子是蛋白激酶C ProteinkinaseC PKC 它可以将靶蛋白分子上的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化 肌醇1 4 5 三磷酸 IP3 是一种小的水溶性分子 能够迅速扩散 在细胞膜中形成的IP3分子扩散进胞浆 与光面内质网表面IP3特异受体结合 光面内质网是各种细胞钙离子贮藏场所 其上面的IP3受体不仅仅是受体 而且也是四聚体的Ca2 通道 IP3与受体结合后通道打开 Ca2 扩散至胞浆 与各种靶分子结合 触发特异性反应的发生 IP3的作用是瞬间的 因为它很快就被酶解失活 尽管钙离子在结构上与环核苷酸 肌醇磷酸等完全不同 而且也不是一种酶促反应合成的物质分子 但却和其它胞浆信使一样也具有同样重要的作用 在正常情况下 胞浆内的钙离子浓度是很低的 大约10 7M 与此相对应 在胞外空间或某些细胞器如光面内质网和线粒体内 钙离子浓度将比正常胞浆的钙离子浓度高一万倍 钙离子在许多重要的细胞生命活动中起着重要作用 包括细胞分裂 分泌 内吞 受精 突触传递 新陈代谢和细胞运动 计算机成像技术钙离子与荧光染料结合能显示单细胞中游离钙离子浓度时间上的变化 吞噬细胞 向环境中的吞噬目标靠近 移动并最终将它吞噬的全过程中 钙离子浓度在吞噬细胞的某些区域内将会有显著性的瞬间增加 钙离子浓度在吞噬细胞中的增加是为了调节细胞骨架的变化 以满足吞噬活动的需要 IP3受体和Ryanodine受体是细胞内两个主要的Ca2 通道之一 因为Ryanodine受体对于植物性生物碱Ryanodine是敏感的 在骨骼肌细胞中 随着T小管 Ttubule 动能的传来 Ryanodine受体将会从肌浆网中释放出Ca2 与IP3受体不同 Ryanodine受体型钙离子通道能被许多试剂打开 钙离子自身也是这些试剂中的一种 当有限的钙离子通过质膜上的钙离子通道进入胞浆后 这些进入胞浆的钙离子会诱使光面内质网 SER 上的Ryanodine受体打开钙离子通道 造成大量的钙离子进入胞浆 这种现象叫做钙离子诱导的钙离子释放 Calcium inducedcalciumrelease 能够迅速产生瞬间的钙离子波并扩散至胞浆 最有名的钙波之一发生在精子与卵细胞膜接触的最初一分钟和接下去的受精过程中 突然升高钙离子浓度是激发早期胚胎发育的重要触发器 包括激活细胞周期素依赖的激酶 Cyclin dependentkinase CDK 该激酶可驱使受精卵发生第一次有丝分裂 这个钙离子波被认为是由细胞膜内表面合成的第二信使cADPR Cyclicadenosinediphosphateribose cADPR 引发的 cADPR扩散至胞浆 促发光面内质网膜上的Ryanodine受体型Ca2 通道打开 将非常微量的cADPR注射进一个未受精的海胆 Seaurchin 卵细胞中 就能引起钙离子释放并激活该卵细胞 cADPR已经被认为是一个能在许多细胞中打开Ryanodine型Ca2 通道的第二信使 如胰 细胞 当血糖浓度升高时 通过该机制 可诱使胰岛素分泌 不像环核苷酸 通过激活蛋白激酶所介导的作用变化不大 钙离子却能影响细胞中许多效应器分子 其中包括多种钙离子依赖的蛋白激酶 钙离子浓度的升高能够激活或抑制传输系统和各种各样的酶活性 导致膜的离子通透性发生改变 膜融合 细胞骨架的重组和肌肉收缩 钙离子通常不是以自由离子的形式与各种靶蛋白分子发生作用 而是与某些钙离子结合蛋白 Calcium bindingprotein 结合后激发细胞反应 如钙调素 Calmodulin 就是钙离子结合蛋白之一 是60年代末期在脑组织中发现的一种小分子多肽 在体内广泛分布 一个钙调素分子有四个钙离子结合位点 当它结合一个或一个以上的钙离子后 该蛋白构象发生改变 使得其与许多蛋白质分子的亲和力增加 在不同的细胞中 钙离子结合的钙调素复合物可能与蛋白激酶结合 也可能与环核苷磷酸二酯酶结合 或者与质膜中钙离子转运系统发生结合 钙调素广泛存在于植物 动物和真核微生物中 且有同样的氨基酸顺序 在前文中 我们从高血糖素和肾上腺素的作用机制着手开始了信号传导的讨论 这两种激素作用的结果使葡萄糖浓度得以升高 供各组织所需 胰岛素作用于肝细胞和肌细胞 起动一系列与高血糖素 肾上腺素作用相反的反应 降低血流中的葡萄糖并合成糖原 三 胰岛素受体不仅仅是一种结合配体的蛋白 它也是一种酶 一种蛋白酪氨酸激酶 Proteintyrosinekinase 能特异性的在靶蛋白分子中的酪氨酸残基上加上一个磷酸基团 酪氨酸激酶参与的是细胞生长和分化的早期调控 而不是细胞中间代谢的调控 胰岛素受体具有这种酪氨酸激酶活性 它也被称之为受体型的酪氨酸激酶 Receptortyrosinekinase RTK 已经有50多种不同的RTK得到分离鉴定 与具有7个跨膜单位的G蛋白偶联受体不同 每个RTK单聚体仅横跨细胞膜一次 胰岛素受体是一个四聚体蛋白 由两个 多肽链和两个 多肽链组成 链位于细胞膜的外表面 含有胰岛素结合位点 而 链则横跨过膜 将信号跨膜传送至膜内表面 没有结合胰岛素时 受体的酪氨酸激酶活性是失活的 结合胰岛素后 受体的构象发生变化 其酪氨酸激酶的活性被激活 可将磷酸基团特异性地加到a 其它 亚基的特异性酪氨酸残基上 该反应称之为 自动磷酸化 Autophosphorylation b 至少两种底物蛋白分子的多个特定酪氨酸残基上 这两种特定的底物蛋白质分子称之为胰岛素受体底物 Insulinreceptorsubstrates IRSs 磷酸化的IRSs的唯一功能就是结合并激活 下游 的许多效应器分子 RTKs并不是将底物蛋白的每一个酪氨酸残基都磷酸化 它们仅将某些特殊氨基酸序列内的酪氨酸残基磷酸化 这些序列称之为 磷酸酪氨酸基序 Phosphotyrosinemotifs 参与受体型酪氨酸激酶介导的信号传导途径的许多蛋白都含有SH2功能域 Src homologydomain 该功能域对于磷酸酪氨酸基序具有高亲和力 而对于酪氨酸残基没有磷酸化的相应蛋白质分子几乎没有亲和力 当IRS上的磷酸酪氨酸基序被胰岛素受体磷酸化后 IRS就会象磁铁一样结合到具有SH2功能域这种合适结构的蛋白质效应分子上 胰岛素受体一旦被激活 磷酸化的IRS蛋白对于大量不同的含有SH2功能域的蛋白质效应分子起着 锚定位点 Dockingsites 的作用 每一个被激活的蛋白质效应分子都引发一条独立的信号传导途径 结果是 胰岛素与细胞表面结合后的这种信息能够沿着几个不同的独立传导途径在细胞内部传递开来 其中之一可能是刺激DNA合成和细胞分裂 另一种途径可能是刺激葡萄糖转导体向细胞膜运动 以便向细胞内输入更多的葡萄糖分子 还有一种途径可能是导致转录因子的激活 开放一系列胰岛素特异的基因 还有可能的一种途径是导致蛋白质合成的激活 一个研究得较为深入的具有SH2功能域的效应分子是与IRS结合的3 羟基磷脂酰肌醇激酶 Phosphatidylinositol3 hydroxykinase PI 3 K PI 3 K催化的反应是 催化一个磷酸基团加到磷脂酰肌醇 PI 糖环上的3 碳原子位置 该酶催化所得到的产物包括PI 3 4 二磷酸和PI 3 4 5 三磷酸 它们是大量肌醇类细胞信使的前体 在许多细胞中 具有各种各样的功能 更为重要的是磷酸化的PIs的水平与靶细胞生长状态的改变密切相关 在胰岛素诱导的信号传导途径中已经显示出某些途径能够刺激细胞的生长和增殖 有关刺激生长的途径下文将进一步详细讨论 许多细胞外因子都能与特异靶细胞表面的RTKs相互作用 调节细胞的各种功能 包括细胞生长和增殖 细胞分化 巨噬细胞活动中外源颗粒的吞噬等 这些因子中研究得最为详尽是激素如胰岛素 生长激素和血液来源的生长因子 后者中包括表皮生长因子 Epidermalgrowthfactor EGF 血小板衍生生长因子 Platelet derivedgrowthfactor PDGF 纤维细胞生长因子 Fibroblastgrowthfactor FGF 和细胞因子 Cytokins 细胞因子是一类由免疫细胞分泌后诱导其它免疫细胞发生反应的一类因子 如干扰素 Interferons INFs 和白细胞介素 Interleukins ILs 所有这些因子都是通过激活RTK后经信号传导途径发挥其作用的 不同于胰岛素受体 大多数的RTKs在非活化的细胞中是以单体的形式存在的 只有当配体与RTK单体结合后 这种与配体结合的单体才与另一个RTK单体相互作用形成二聚体 这种RTK多肽的二聚体化激活了它们的酪氨酸激酶活性 导致其中的一个亚基将另外一个亚基位于胞浆区域内的大量酪氨酸残基磷酸化 尽管G蛋白和RTK信号传导途径通过不同的机制起作用 它们之间存在着大量类似的共同点 在G蛋白途径中 G蛋白构象的改变是将信号传导至细胞内部的分子开关 同样在RTK途径中 酪氨酸磷酸化也起着相似的作用 就象腺苷酸环化酶或磷脂酶C是G蛋白偶联受体的效应分子一样 具有SH2功能域的蛋白质也可以看作是RTKs的效应分子 既然不同的细胞可能含有具有相似SH2功能域的不同效应器分子 同一配体就能够在不同的靶细胞中触发不同的反应 Ras最初是作为一个病毒性癌基因而被发现 携带有该Ras基因的某些肿瘤病毒能使转化细胞从正常状态向恶性状态转变 随后的研究显示 象其它癌基因一样 Ras也存在于包括人体在内的动物的正常基因组中 八十年代早期 从几种人类肿瘤抽提出来的DNA中发现了一种突变型的Ras 将其导入某些培养中的细胞 这种突变型的Ras基因可使细胞向恶性肿瘤方向发生转化 提示该Ras基因的突变可使细胞失去正常生长的控制 后来研究发现 在所有人类肿瘤中 约有30 40 的肿瘤存在着Ras基因的突变 由于该基因在人类肿瘤发生中的重要性 许多科学家都把注意力集中到揭示Ras基因产物的作用机制上 直到最近几年才逐步揭示出Ras基因产物的作用机制 Ras是一个小分子的单聚体G蛋白 位于质膜的内表面 它在多种细胞内信号传导途径中起着非常重要的作用 象其它G蛋白一样 Ras循环也在GDP结合的非活性形式和GTP结合的活性形式之间进行 Ras的活性形式 能够激活信号传导途径中位于其下游的效应分子 也和其它G蛋白一样 Ras也具有内在的GTPase活性 将结合在其上的GTP水解成为GDP 其作用就象一个开头 关闭了Ras蛋白的活性 导致肿瘤形成的Ras基因的突变可使Ras蛋白失去GTase活性 其结果是 Ras突变产物在细胞中始终处于活性状态 沿着信号传导途径持续将信号传递至下游 使细胞一直处于增殖状态 另外 也发现一种Ras基因的突变产物不能结合GTP 导致细胞不能分裂 Ras被认为参与了细胞内多种不同的信号传导途径 是这些信号传导途径的聚焦点 在将信号从细胞膜外传递至细胞核的过程中 Ras蛋白起着非常重要的作用 整个过程开始于生长因子 如EGF或PDFG 等与各自受体的细胞外功能域结合 一种情况下 Ras代表一种特殊蛋白 指Ras基因的产物 另一种情况下 Ras代表一个小分子GTP结合蛋白的同源性超家族 该家族至少有50个以上由不同基因编码的成员 这些基因中的一部份所编码的蛋白 如最初的Rho亚家系 是信号从质膜受体向细胞骨架传递过程中的重要成员 最终可使肌动纤维的排列发生改变 从而影响细胞的形态 运动和粘附特性 如将Rho蛋白注射入培养中的纤维母细胞 可影响其细胞骨架的重排 生长因子与RTK结合后 RTK胞浆部分由自动磷酸化反应生成的磷酸酪氨酸就成为了一个被称之为Grb2 Growthfactorreceptorbindingprotein 的SH2底物蛋白分子结合点 然后Grb2在另一个叫做Sos Sonofsevenless 的蛋白帮助下结合到细胞膜内表面 从这里开始Ras蛋白就参与进来了 在一个未激活的细胞内 Ras与GDP保持结合状态 当配体与RTK结合后 吸引Grb2 Sos到细胞膜内表面 Sos蛋白与Ras蛋白结合 使GDP从Ras蛋白上脱离 由GTP取代 造成Ras蛋白被激活 Ras GTP是最基本也可能是唯一的功能就是吸引另外一个叫做Raf的蛋白与之一同结合到质膜上 Raf蛋白一旦定位在质膜上 就变成了一个有活性的蛋白激酶 激发一个称之为MAP Mitogen activatedprotein 激酶的级联式反应 MAP激酶级联式反应与葡萄糖总动员中由cAMP触发的级联式反应相似 但是它更复杂 级联式反应中的最后一个蛋白激酶MAPK MAPkinase 进入到细胞核 将特异的转录因子磷酸化 这些被激活的转录因子可与被称之为血清反应元件 Serumresponseelement SRE 的特异DNA序列结合 之所以称之为血清反应元件是因为它们可由来自血清中生长因子所传导的信号所激活 这几个基因所编码的蛋白被认为在细胞周期的激活中起着重要作用 最终可起动DNA合成 导致细胞分裂 细胞核并不是MAP激酶级联式反应的唯一靶向地 最近的研究表明另一个靶向物是胞浆蛋白PHAS 1 PHAS 1的非磷酸化状态 可与关键性起动因子之一的eIF4E结合 在真核细胞中 eIF4E可使核糖体锚定到mRNA分子上 开始蛋白质合成 当PHAS 1与该起动因子结合后 该因子就不能在蛋白质合成中发挥它的作用 在激活状态下 MAP激酶使PHAS 1磷酸化 其构象会发生改变 使其失去结合eIF4E的能力 换言之 也就是使得该起动因子在翻译过程中能够发挥它的作用 由此可以看出 在靶细胞中 MAP激酶级联式反应在转录和翻译的调控上都起着重要作用 上文描述的有关致有丝分裂因子信号传导途径是一个直接从细胞表面受体到细胞核中DNA的 直线 途径 尽管对于一条特定的信号传导途径 这是仅有的通路 但它不是该传导途径激活RTK后从细胞表面开始传递信号可能选择的唯一途径 研究表明信号在细胞内部的传递是相当复杂的 如 许多不相关的生长因子 通过与各自的受体结合 最终都能激活同一个效应器分子 如Ras或MAP激酶 同一个配体如EGF或胰岛素能够激活多种不同的效应器分子 使细胞产生多种不同的反应 信号能够在不同的传导途径间交互传递 Crosstalk 四 一 趋同信号传导 Convergentsignaling 最近一个最有趣的信号传导途径的趋同例子在胰岛素反应的研究中被发现 胰岛素与其受体结合 触发胰岛素受体底物磷酸化 激活PI 3 K 同时胰岛素也激发细胞的其它反应 包括蛋白质合成的激活和刺激生长 胰岛素受体底物磷酸化产生一个Grb2 锚点 Dockingsite 具有同样SH2功能域的蛋白质也可以与磷酸化的EGF或PDGF受体结合 由此可以看出 三种不同配体 胰岛素 表皮生长因子和血小板衍生生长因子 与其受体结合后起动的信号传导途径可共同沿着激活Ras和MAP激酶级联式反应的途径传导下去 在靶细胞中 导致相似的有关促进生长的基因的转录和翻译 二 趋异信号传导 divergentsignaling 在上文中曾讲过EGF或PDGF与其受体结合后可导致受体自身磷酸化 吸引具有SH2功能域的Grb2蛋白与质膜上受体的胞浆部分结合 Grb2不是唯一的具有可与磷酸酪氨酸基序结合的SH2功能域蛋白 另外 至少还存在着二种其它的SH2蛋白 即PI 3 K和PLC 也能与这些受体结合 经相互作用而被激活 这两种酶与有关刺激间的相互关系前面已有所讨论 PI 3 K是一种对磷脂酰肌醇 PI 磷酸化的酶 而PLC是一种将磷酸化的磷脂酰肌醇水解成IP3和DAG两种第二信使的酶 这两种酶位于各自信号传导途径的上游 EGF或PDGF与各自的受体结合后不仅可以沿着Ras MAP激酶途径传递信号 而且也能沿着由磷酸化肌醇触发的途径传导信号 三 信号传导途径间的交互作用 审视一下前面描述过的那些信号传导途径 似乎每一条途径都是直线型传递链 实事上 信息流在细胞内的流动更象一个相互作用的网络 这条信息传递链生成的产物也能参与到另一条信息传递链中 对细胞内信息传递链了解得越多 就会发现信息传导途径间的交互作用 Crosstalk 现象就越多 这里不打算将细胞内信号传导途径中交互作用的所有方式都归类出来 只列举cAMP参与作用的几个例子来说明交互作用的重要性 人们对于细胞外配体与G蛋白偶联受体或受体型酪氨酸激酶相互作用后所起动的两种细胞信号传导途径已经进行了较为详尽的研究 除此之外 还发现了大量的将细胞外信号传至细胞内部的其它通路 其中少数比较重要的传导途径将在下面略加讨论 五 发现背景1985年 人们发现了一种缺乏巨噬细胞的突变小鼠 这种小鼠对异常细胞或细菌没有吞噬能力 在氮代谢上也出现异常 正常小鼠随着细菌感染和炎症的发生会伴随着尿中氮的排泄增加 但是这种现象在突变小鼠是不存在 后来发现正常巨噬细胞在培养过程中 其吞噬活动依赖于培养基中的精氨酸 缺乏这种氨基酸 巨噬细胞就不能吞噬外来物 很快就发现精氨酸是一氧化氮合成酶的底物 在精氨酸氧化代谢过程中产生一氧化氮 该一氧化氮起着细胞内信使的作用 刺激细胞的吞噬活动 炎症期间 由于巨噬细胞积极参与广泛的吞噬活动 有大量的一氧化氮生成 一氧化氮的降解代谢产生大量的氮源 这就很好地解释了为什么会有大量的氮出现在该动物的尿中 血管内皮细胞生成的NO就是其对支配血管的自主性神经所释放的乙酰胆碱的反应 乙酰胆碱与内皮细胞表面结合 产生一个使胞浆内Ca2 浓度升高的信号 激活NO合成酶 在内皮细胞内生成的NO跨细胞膜扩散至相邻的平滑肌细胞 在这里NO激活鸟苷酸环化酶 Guanylylcyclase 催化合成cGMP cGMP触发的反应是导致肌肉松驰 紧接着血管膨胀 NO介导的血管膨胀机制的发现很好地解释了硝酸甘油的作用机制 硝酸甘油用于治疗心脏血供不足导致的心绞痛已有若干年 硝酸甘油在体内降解产生NO 可刺激心脏周围血管平滑肌松驰 促使血液回流心脏 大多数研究者认为身体内生成的NO是决定人血压高低的重要因素 在脑和支配各种周围器官的脊神经的某些区域内 发现其中的神经细胞含有高浓度的NO合成酶 在这些神经细胞中生成的NO被认为起着神经递质的作用 可在靶细胞内引发特异性反应 包括肠平滑肌的蠕动 收缩 阴茎勃起时的充血反应等 对NO合成酶的研究成果启发了研究人员着手开展对血红素氧合酶的研究 血红素氧合酶催化血红蛋白中血红素的降解 血红蛋白是由衰老死亡的血细胞产生的 人们发现血红素氧合酶在某些神经细胞内也有很高的水平 它们并不是起着对血红素进行降解的作用 神经系统中血红素氧合酶催化生成的产物之一是一氧化碳 CO 与NO一样 CO也是空气中有毒的污染物 有越来越多的证据表明CO起着化学信使的作用 在靶细胞中刺激产生cGMP CO在神经功能中起作用的证据来源于对嗅觉神经元的研究 嗅觉神经元在气味分子的刺激下 生成CO cGMP水平也显著升高 当用抑制血红素氧合酶药物处理动物时 嗅觉神经元中cGMP的升高将被阻断 非溶性物质非细胞物质如基底膜 Basementmembrane 其它细胞的表面 整合素 Integrin 是细胞和外界物质 细胞和细胞之间接触点上的二聚体膜蛋白受体 在一个生长的个体中 有证据显示整合素的细胞外功能域与细胞外配体如细胞外基质中的纤维结合素 Fibronectin 之间存在着相互作用 在细胞内产生一个导致Ca2 释放进胞质的信号 增加肌醇类第二信使的合成和细胞内蛋白质酪氨酸磷酸化的水平 最终导致基因表达发生改变 局部粘附性激酶 Focaladhesionkinase FAK 是在这些变化中起作用的效应器分子之一 它是一种酪氨酸蛋白激酶 之所以叫这个名字 是因为它在局部粘附区域内浓度集中 特别是在细胞接触位点的质膜内表面 在由整合素介导的细胞骨架重组反应中 FAK起着效应分子的作用 细胞骨架的重组影响到细胞的生长和行为表现 如大鼠成纤维细胞与培养皿接触时其细胞膜表面下就呈现出局部粘附反应 FAK也已经被认为是触发血小板聚集反应的效应分子 血小板是血中存在的一种无核细胞 负责血管受伤部分的止血 血小板通过其表面与某些血液中的蛋白如纤维蛋白原 Fibrinogen 接触而刺激血小板的聚集 有证据表明纤维蛋白原与血小板质膜上整合素的细胞外功能域结合 通过跨膜信号传递激活胞浆内的FAK分子 使得参与血小板聚集反应的一系列胞浆蛋白磷酸化 这也解释了Glanzmann s血小板机能不全患者其血小板上由于缺乏整合素而不能被纤维蛋白原激活 从而导致疾病的发生 蛋白磷酸化是一个重复可逆的修饰过程 由蛋白激酶加上去的磷酸基因能够由蛋白磷酸酶除去 所以 激酶和磷酸酶在它们的底物上具有相反的作用效果 当磷酸化激活该底物时 去磷酸化则使它失活 反过来也一样 与蛋白激酶一样 某些磷酸酶也是多功能的 能够从许多不同的蛋白质上移去磷酸基团 然而有一些磷酸酶却是相当特异的 仅能够从一 两种底物分子上移走磷酸基团 与激酶一样 大多数磷酸酶要么从丝氨酸 苏氨酸残基上移走磷酸基团 要么从酪氨酸残基上移走磷酸基团 但不会同时具有从丝氨酸 苏氨酸和酪氨酸残基上移走磷酸基团的功能 然而 少数已知的双重特异性磷酸酶却能够从这三种氨基酸残基上移走磷酸基团 以上所有这些蛋白磷酸酶都是可溶性的胞浆酶 另外一类新发现的磷酸酶 它们横跨质膜 行使着细胞表面受体的作用 参与细胞信号传导和细胞粘附 这些分子称作为受体样蛋白质酪氨酸磷酸酶 Receptorlikeproteintyrosinephosphatases RPTPs RPTPs作为细胞粘附分子的作用 可以用实验来证实 RPTP 是RPTPs分子中的一种 将其基因导入通常情况下相互间没有粘附特性的昆虫细胞 由于该基因导入后 其表面产物出现在细胞膜上 通过细胞膜上的RPTPs分子与邻近细胞发生特异的相互作用而聚集在一起 导致这些转化了的细胞聚集成簇 该实验提示RPTPs起着细胞粘附分子的作用 RPTPs的细胞外部份含有与其它细胞粘附分子 如Fibronectin 相似的功能域 在细胞粘附和跨膜信号传导过程中 RPTPs分子起着直接的联系作用 下列事件发生在所有胚胎发育过程中 1 中枢神经系统之外朝向靶器官发育的神经元的生长超过了支配该器官的需要 2 T淋巴细胞 负责杀伤异常和感染细胞的免疫细胞 的产生过程中出现了那些有能力攻击自身正常细胞的T淋巴细胞 3 人类手的早期形状类似鱼鳍 在以后将要成为手指的组织之间没有任何空间 上面的任何一种情况 细胞已不再为生物体所需 如过多的神经元细胞和手指缝之间的细胞 或细胞具有伤害自身个体的能力 如T淋巴细胞 时 这些细胞将经历称之为细胞凋亡的过程而发生死亡 不象组织意外受伤时出现的细胞死亡 这种死亡称之为坏死 凋亡是一种有序的程序性细胞死亡 其过程大致为细胞接收到某种信号 从而起动一个导致细胞死亡的正常反应 凋亡过程中需要激活一系列特异的基因 这些基因通过影响细胞周围的环境而导致细胞的死亡 细胞凋亡的特征是细胞和细胞核浓缩 在特定的DNA内切酶作用下 染色质被有序的切成小片段 并迅速地被巨噬细胞将正在凋亡的细胞吞噬 象上面例子中提到的那样 凋亡通常发生在胚胎发育过程中 但也发生在成年组织中 对于摧毁身体中那些将要发展成恶性肿瘤的细胞 诱导细胞发生凋亡具有特别重要的意义 在没有雄激素睾酮存在的情况下 前列腺内皮细胞将发生凋亡 这就是为什么已经广泛扩散到其它组织的前列腺癌能够用干扰睾酮产生的药物来治疗的机理 Bcl 2 adenovirusE1B19kDInteractingProteinLike BNIPL BNIP 2 BoydJM etal Cell 1994 Pro apoptoticgeneBNIPL 68 positive 43 identity withBNIP 2 Aschematicdiagramshowingtheapproximatelocationsoftheexonsandthesplicingarrangementofthe5 endsofBNIPL v1andBNIPL v2 TwoyeasthybridassayofBNIPLinteractingproteins BNIPLcdc42GAP Bcl2anditselfinteraction Pull downAssay InterferingeffectsofBNIPLtoGAPactivityofCdc42GAPtowardCdc42 ModeofBNIPproteininteraction BNIPLinduceshumanhepatoma7402cellapoptosis QinWX etal IdentificationofageneencodingBNIPL alinkerproteininteractswithBcl 2andCdc42GAP Submitted APCgeneloss DNAlosesmethylgroups rasgenemutation DCCgeneloss p53geneloss Othergenelosses Oneofavarietyofpossiblesequencesofgeneticchangesinacelllineage