6-通过免疫系统受体的信号传导

第三部分第三部分成熟淋巴细胞受体库的发育成熟淋巴细胞受体库的发育 第六章免疫系统受体介导的信号转导 跨膜信号转导的基本原理 抗原受体的结构和信号转导通路 参与淋巴细胞作用的其他信号通路 第七章淋巴细胞的发育和生存 骨髓和胸腺中淋巴细胞的产生 抗原受体基因片段的重排调控淋巴细胞的发育 与自身抗原的作用可选择一些淋巴细胞存活并清除其余的细胞 周围淋巴组织中淋巴细胞的生存和成熟 第六章第六章免疫系统受体介导的信号转导免疫系统受体介导的信号转导 细胞通过多种细胞表面受体与周围环境进行交流 这些细胞表面受体可识别并与胞外 环境中存在的分子结合 T 淋巴细胞和 B 淋巴细胞的主要功能是对抗原产生应答 所以抗 原受体就显得尤为重要 研究得也最为透彻 抗原与这些受体结合后会产生胞内信号 改 变细胞的行为 其机制将是本章讨论的主要内容 由于在正常淋巴细胞类群中抗原受体存 在着多样性 因此我们了解的有关淋巴细胞胞内信号转导的大多数信息来源于肿瘤性的淋 巴样细胞系 用相应的受体抗体刺激这些细胞的抗原受体时 细胞可以活化 然而 越来 越多的信息来源于对转基因动物正常细胞的研究 这些转基因动物的 B 细胞或 T 细胞上只 表达单一类型的抗原受体 当成熟的初始淋巴细胞与其特异性抗原结合后 就可以活化并 进行克隆扩增 进而分化为功能性效应细胞 由此我们可以推测其中的信号转导通路 此 外 我们也会根据细胞发育的阶段以及配体的性质 来探究抗原受体和其他淋巴细胞受体 所转导的信号是如何导致其他应答的 如细胞失活或死亡 B 淋巴细胞和 T 淋巴细胞的抗原受体是以多蛋白复合物的形式存在于细胞表面 它们 由克隆分布的可变抗原结合链与具有信号转导功能的恒定附属链共同构成 B 细胞抗原受 体和 T 细胞抗原受体由不同的蛋白组成并具有不同的识别特性 这些已在第三章和第四章 介绍过了 然而 当 B 细胞受体和 T 细胞受体与其相应配体结合后 由受体介导的胞内信 号转导通路却非常相似 并且这些胞内信号都可传至细胞核 改变基因的表达 由此引发 淋巴细胞的应答 本章我们将首先讨论一些细胞信号转导的基本原理 并介绍涉及胞内信号转导通路的 共同机制 重点介绍抗原受体的信号转导通路 本章的第二部分 我们将概述从抗原受体 到细胞核的信号转导通路 并讨论当这些受体同时接受来自其他受体的信号时 这些信号 转导通路是如何被增强或抑制的 本章的第三部分和最后一部分将讨论在不同时间由不同 受体介导的其他信号是如何影响淋巴细胞和其他免疫系统细胞的发育 生存和应答的 跨膜信号转导的基本原理跨膜信号转导的基本原理 所有对外界刺激可以产生应答的细胞都会面临这样的挑战 就是如何使细胞外表面受 体所识别的刺激信号能够在细胞内引起变化 受体蛋白作为工具可以将胞外配体结合的信 号转换成胞内的生化事件 从而将胞外信号转导跨过质膜 将信号从一种形式转换成另外 一种形式即称为信号转导 信号转导 signal transduction 在本章的这部分我们将讨论细胞信号转 导的几种不同的机制 细胞表面受体可激活胞内信号转导通路 由此将胞外信号转换成胞 内信号并继续向内传递 此信号可被转换成不同的生化形式 分布于细胞内的不同部位 信号抵达不同部位时可以维持不变并被放大 胞内信号转导的一种结果是引起细胞骨架和 具分泌功能的细胞器发生改变 这可见于效应 T 细胞的活化过程中 效应 T 细胞在其抗原 受体与靶细胞抗原的结合位点处可直接释放分泌囊泡 胞内信号转导的终点通常为细胞核 在核内激活转录因子 启动新基因的表达 并可诱导细胞分裂 6 1 淋巴细胞与抗原结合可导致其抗原受体聚集淋巴细胞与抗原结合可导致其抗原受体聚集 所有具有信号转导功能的细胞表面受体 有些自身就是跨膜蛋白 有些也可与细胞内 外的蛋白相连成为复合物中的一部分 许多受体在与配体结合时可改变其蛋白构象 对某 些类型的受体来说 这种构象的改变可开启进入胞内的离子通道 引起那些作为胞内信号 的重要离子浓度发生改变 继而这些信号可引起胞内反应 对于另一些受体来说 构象的 改变可影响受体的胞浆部分 使胞浆部分与胞内信号蛋白和酶发生连接并使之活化 当淋巴细胞上的抗原受体与配体结合时 就引发抗原受体在细胞表面聚集并传递信号 受体聚集的条件首先是在模拟系统的实验中证实的 在实验中用抗受体胞外部分的抗体来 模拟抗原的结合 抗 B 细胞受体或抗 T 细胞受体的特异性抗体可通过诱导受体复合物所聚 集 从而激活信号转导通路 这一系统对于分析信号激活后的早期事件是非常方便的 因 为样品中的所有细胞可同时受到刺激 从而使得反应的进程更容易被追踪 当抗原受体相互交联时即可聚集 这种受体交联的重要性可以从下列比较中看出 用 抗体的 F ab 2片段 具有两个抗原结合位点 以及用抗体的 Fab 片段 具有一个抗原结合 位点 见图 3 3 去刺激抗原受体 并比较两者所产生的应答强度 用 Fab 片段处理淋巴 细胞时 抗原受体不出现聚集 细胞也不产生应答 然而当淋巴细胞用 F ab 2片段处理时 其抗原受体可形成二聚体 细胞产生应答 虽然这种应答很微弱 而当这种 F ab 2交联二 聚体形成后 进一步再采用直接针对 F ab 2片段的抗免疫球蛋白抗血清时 二聚体进一步 聚集 此时细胞应答则最为强烈 抗原受体的广泛交联可向胞内传递非常强烈的信号 图 6 1 抗体抗体 Fab 片段与片段与 BCR 结合 结合 但不产生信号但不产生信号 F ab 2片段使片段使 BCR 交联 交联 能够产生信号能够产生信号 抗抗 F ab 2抗体能够产生广泛抗体能够产生广泛 的交联 并产生强烈的信号的交联 并产生强烈的信号 Fab BCR F ab 2 兔抗 F ab 2抗体 B 细胞 图图 6 1抗原受体的交联是淋巴细胞活化的第一步抗原受体的交联是淋巴细胞活化的第一步 如图所示 用抗免疫球蛋白抗体激活 B 细胞受体 BCR 的例子说明了受体交联是必需的 条件 左图表示抗免疫球蛋白抗体的 Fab 片段可与受体结合 但不能使受体交联 也不能 激活 B 细胞 而用同一个抗免疫球蛋白抗体的 F ab 2片段 因它具有两个结合位点 故能使两个受体桥联 中图 并产生较弱的信号进入 B 细胞 最有效的活化作用见右图 先加 F ab 2片段使受体交联 然后再加兔抗体使结合受体的 F ab 2片段发生交联 从而出 现广泛交联的现象 利用抗体通常可刺激受体活化 见附录 I A 19 目前还不完全清楚当 B 细胞和 T 细胞在体内遇到其特异性抗原后 抗原受体是如何聚 集的 现在认为当 T 细胞受体与其他细胞表面接触 并识别了细胞上多拷贝的特异性 MHC 肽复合物 就会出现聚集 我们在第八章将会看到 T 细胞受体可与其他细胞表面 的信号转导分子有序聚集 但有关聚集的细节目前还知之甚少 病原体如完整的细菌和病 毒其表面具有的重复表位可以使 B 细胞受体发生交联 有些复合物分子具有规律性重复的 相同表位 也会产生同样的效应 但至今还不清楚可溶性的单价抗原是如何使 B 细胞受体 聚集的 例如免疫学家用以研究免疫应答的绝大多数实验性抗原 可溶性单价抗原不能诱 导或者很难诱导 B 细胞抗原受体聚集 这或许可用来解释为什么初始 B 细胞产生对这些抗 原的应答时 其活化有赖于接受来自抗原特异性 T 细胞的活化信号 我们在第九章将会看 到 可溶性单价抗原与 B 细胞抗原受体的结合可触发受体介导的细胞内吞 但这种结合本 身不足于刺激细胞分裂和分化 然而 受体介导的内吞可使抗原被处理成肽片段 与 MHC II 类分子结合后展示于 B 细胞表面 继而 B 细胞可被抗原特异性 CD4 效应 T 细胞所识别 后者传递的活化信号可以促进 B 细胞克隆扩增和分化 由于抗原受体及其配体的多样性 使得我们很难了解细胞与抗原结合后是如何引起受 体聚集的 以及信号是如何在淋巴细胞中传递的 此外 我们将在 6 8 部分阐述抗原交联 分子的协同受体也可与受体聚集并参与胞内信号的转导 我们将在下一节具体讨论配体结 合是如何导致受体聚集并产生信号的 这对于一些较为简单的受体来讲已研究得非常清楚 了 6 2 抗原受体聚集引起胞内信号分子的活化抗原受体聚集引起胞内信号分子的活化 本章讨论的大部分受体是通过蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶 protein tyrosine kinases 的活化来启 动胞内信号转导 此激酶可通过在某个酪氨酸残基上增加一磷酸基团来影响其他蛋白的活 性 此类受体最简单的一个例子是某些生长因子受体 其胞浆结构域本身就含有酪氨酸激 酶活性 这些酶结构域通常是无活性的 但当受体聚集时这些酶相互靠拢 它们即可通过 转磷酸化作用彼此激活 图 6 2 这些酪氨酸激酶一旦被激活 就可磷酸化其他胞浆信号 转导分子并使之活化 Kit CD117 即造血生长因子受体 有一 即造血生长因子受体 有一 个胞外配体结合区和一个胞内激酶区个胞外配体结合区和一个胞内激酶区 图 Kit 激酶区 Kit 一旦与其配体干细胞因子 一旦与其配体干细胞因子 SCF 结合后就出现二聚体化结合后就出现二聚体化 图 并排的激酶结构域互相磷酸化从而活化并排的激酶结构域互相磷酸化从而活化 图 图图 6 2生长因子受体生长因子受体 Kit 与配体结合可诱导受体二聚体化 与配体结合可诱导受体二聚体化 其胞质酪氨酸激酶的结构域发生转磷酸化作用其胞质酪氨酸激酶的结构域发生转磷酸化作用 Kit CD117 是一个跨膜蛋白 具有特异性结合干细胞因子 SCF 的胞外配体结合区 还具有一个本身有酪氨酸激酶活性的胞内区 在非结合状态下 受体的激酶部分是无活性 的 上图 当 SCF 与 Kit 结合后 导致受体蛋白形成二聚体 这就使两个酪氨酸激酶的 结构域相互磷酸化 因此活化 蛋白激酶通过转磷酸化作用从而活化是许多细胞表面激酶 传递信号的一个重要步骤 抗原受体的情况要复杂一些 稍后我们会看到 抗原受体本身不具有酪氨酸激酶活性 而是受体一些组分的胞浆部分与胞内蛋白酪氨酸激酶结合 因此该激酶被称为受体相关酪受体相关酪 氨酸激酶氨酸激酶 receptor associated tyrosine kinases 当受体聚集后 这些酶就结合并互相作 用 同时其受体的胞浆尾部由此启动上述的信号转导过程 在这种情况下 与抗原受体第一个接触的受体相关酪氨酸激酶是酪氨酸激酶中的 Src 家族成员 音为 Sark Src 家族激酶是脊椎动物和其他动物中与控制细胞分裂和分化相 关信号转导通路的共同成员 最早的 Src 家族成员一开始是作为癌基因癌基因 oncogene v src 的形式发现的 与 Rous 肉瘤病毒在鸡体内形成肿瘤的能力有关 该病毒基因随后被证实 是正常细胞基因 c src 的改变形式 病毒是在过去的某个时间从宿主细胞中获得的 其他几 个与细胞生长和分裂调控有关的信号转导通路中的共同成员 也是通过突变或去除了对这 些基因的正常控制后表现出来的致癌活性中首次发现的 受体相关 Src 家族激酶在淋巴细胞跨膜信号转导过程中起着关键作用 它们的活化也 将胞外受体遇到抗原的信息传递至胞内 但这只是多个步骤中的第一步 当配体与激酶偶 联受体结合后启动信号转导时 激酶活化启动的是胞内信号转导的级联反应 它可将信号 转导给其他分子并最终抵达细胞核 6 3 酪氨酸激酶对受体胞浆尾部的磷酸化可使胞内信号转导分子富集于受体周围酪氨酸激酶对受体胞浆尾部的磷酸化可使胞内信号转导分子富集于受体周围 蛋白激酶对酶和其他蛋白的磷酸化是细胞调节其生化活性的共同机制 这种调控机制 有许多优点 这种调控非常快速 不需要新蛋白的合成或蛋白降解就能改变细胞的生化活 性 同时 它也可经蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶 protein phosphatases 作用去掉磷酸基团而发生可逆反 应 许多酶在磷酸化后被激活 而在去磷酸化后失活 反之亦然 涉及信号转导的许多蛋 白激酶其活性都是以此方式调节的 另一与蛋白磷酸化同等重要的效应是产生其他蛋白的结合位点 这并不改变磷酸化分 子的本身活性 在这种情况下 磷酸化被用来作为一个标记 募集其他与磷酸化位点结合 的蛋白 例如 许多涉及信号转导的激酶是与细胞膜的内表面相连的 当这些激酶在胞质 中游离时并不能有效的作用于靶蛋白 但受体一旦活化 以及膜相关蛋白一旦磷酸化都可 产生此类靶蛋白的结合位点 胞浆蛋白与膜上的磷酸化位点结合后 可在激酶附近富集 继而依次被磷酸化和活化 图 6 3 在某种情况下 胞浆蛋白也可简单地通过与磷酸酪氨 酸结合而被活化 这是变构活化的一个例子 因为胞浆蛋白与磷酸酪氨酸的结合可导致其 分子构象发生改变 膜相关蛋白激酶不能膜相关蛋白激酶不能 有效地激活其胞浆靶分子有效地激活其胞浆靶分子 受体活化导致另一个受体活化导致另一个 膜相关的转接蛋白磷酸化膜相关的转接蛋白磷酸化 胞浆蛋白与磷酸化的胞浆蛋白与磷酸化的 转接蛋白结合 然后转接蛋白结合 然后 被激酶磷酸化并激活被激酶磷酸化并激活 图 蛋白激酶 图 转接蛋白 图 图图 6 3受体的活化招募胞质蛋白参与信号通路受体的活化招募胞质蛋白参与信号通路 受体相关蛋白激酶位于细胞膜内表面 不能有效地激活相应的胞质中靶分子 除非这些靶 分子被带到膜上 而另一种膜相关蛋白的功能是作为转接蛋白 当活化的激酶将其磷酸化 后就会产生胞浆靶分子的结合位点 将靶分子带到膜上 然后这些蛋白就能被膜相关激酶 磷酸化从而活化 蛋白质可在三类氨基酸 酪氨酸 丝氨酸或苏氨酸 以及组氨酸上进行磷酸化 这 些氨基酸中的每一种氨基酸都分别需要一种类型的激酶用以加上磷酸基团 目前已知仅有 前两种氨基酸是免疫系统中与信号转导有关的 正如我们已知的 与抗原受体聚集相关的 信号转导的早期事件 主要涉及蛋白酪氨酸激酶 而晚期事件也有蛋白丝氨酸 苏氨酸激酶 的参与 在抗原受体的信号转导过程中 由酪氨酸激酶反应产生的磷酸酪氨酸形成一个蛋白质 结构域的结合位点 即 SH2 结构域结构域 SH2 domain Src 同源结构域 2 这种结合位点 在许多胞内信号转导蛋白中发现 包括 Src 家族激酶 其中 SH2 结构域是最先发现的 SH2 结构域与磷酸酪氨酸的结合对于招募胞内信号转导分子至活化的受体附近是一关键机 制 除了 SH2 结构域 Src 家族激酶还有另一个结合结构域即 SH3 或 Src 同源结构域 3 这个结构域也在其他蛋白中存在 可与各类蛋白中的脯氨酸富集区相结合 因此可招募这 些蛋白至信号转导通路 这一点我们将在后面讨论 Src 家族激酶通常借助于脂类部分将 其氨基端区域锚定于细胞膜上 这些激酶分布在细胞膜的整个内表面 在细胞活化时它们 通过 SH2 结构域与磷酸酪氨酸结合成为受体信号转导的位点 磷酸化作用作为一种信号转导机制还具有下列优势 即它可通过蛋白磷酸酶特异性去 除由蛋白激酶加上的磷酸基团而发生可逆反应 并且该反应简易 快速 这是至关重要的 信号转导通路中的成员能很容易恢复到刺激前的状态 这不仅使得信号转导通路能很快接 受其他信号 而且它能限定信号处于有效状态的时间 以防细胞应答失控 因此这条信号 转导通路利用蛋白的磷酸化和去磷酸化来调控其中许多成员的活性就不足为奇了 从而将 细胞表面的信号与改变基因表达联系了起来 6 4 活化受体周围招募来的胞内信号转导组分将信号从胞膜传递至胞内并放大信号活化受体周围招募来的胞内信号转导组分将信号从胞膜传递至胞内并放大信号 一些类别的蛋白可被募集至活化受体的周围并参与信号转导 磷脂酶磷脂酶 C phospholipase C PLC 含有两个 SH2 结构域 通过 SH2 结构域磷脂酶 C 可与 磷酸酪氨酸结合 继而 磷脂酶 C 可被募集至质膜上的受体相关酪氨酸激酶活性部位 PLC 在推进信号从细胞膜向前传导并放大信号的过程中发挥着至关重要的作用 PLC 上酪氨酸残基的磷酸化可激活该酶 并将膜磷脂分子磷脂酰肌醇二磷酸磷脂酰肌醇二磷酸 phosphatidylinositol bisphosphate PIP2 裂解成两部分 为三磷酸肌醇三磷酸肌醇 Inositol trisphosphate IP3 和甘油二酯甘油二酯 Diacylglycerol DAG 图 6 4 由于一个 PLC 分子 能够产生许多 DAG 和 IP3分子 这一步骤及与其类似的酶促步骤都可发挥放大和维持信号 的作用 由活化 PLC 产生 DAG 和 IP3是许多类型受体介导的信号转导通路中的共同步骤 磷脂酶磷脂酶 C PLC 将 将磷脂酰肌醇二磷酸 磷脂酰肌醇二磷酸 PIP2 裂解 裂解 成两部分 甘油二酯 成两部分 甘油二酯 DAG 和三磷酸肌醇 和三磷酸肌醇 IP3 图 Lumen of endoplasmic reticulum 内质网腔 IP3打开钙通道使打开钙通道使 Ca2 从内质网和胞外液中流入 从内质网和胞外液中流入 Ca2 激活钙调素 并与 激活钙调素 并与 DAG 和和 PKC 结合结合 图 Calmodulin 钙调素 图图 6 4磷脂酶磷脂酶 C 裂解磷脂酰肌醇产生两个重要的信号分子裂解磷脂酰肌醇产生两个重要的信号分子 磷脂酰肌醇二磷酸 PIP2 是质膜内叶的组分 当磷脂酶 C PLC 活化后 就裂解 PIP2成两个部分 IP3 从膜扩散至胞质 和 DAG 仍留在膜上 这两个分子都是信号通 路中的重要组分 IP3与内质网 ER 膜上的 Ca2 通道结合 打开通道 允许储存在内质 网的 Ca2 进入胞浆 而在内质网中的 Ca2 减少后就启动打开质膜上的通道 允许 Ca2 从外 界流入细胞内 DAG 吸引蛋白激酶 C PKC 至细胞膜 在 Ca2 水平增加的条件下 PKC 活化 活化的 PKC 形式就是参与细胞激活过程的丝氨酸 苏氨酸激酶 Ca2 水平升高也激活 了钙调素蛋白 即普遍存在的 Ca2 结合蛋白 负责激活细胞内其他依赖 Ca2 的酶 IP3与内质网上的相应受体相互作用可引起 Ca2 由胞内储存处释放入胞浆中 立即提高 胞内游离的 Ca2 水平达数倍 内质网钙储存的消耗可引发质膜上钙通道的开启 以便更多 的 Ca2 进入细胞 使信号得以维持 图 6 4 胞内游离 Ca2 水平的上调可导致 Ca2 结合 蛋白钙调素的活化 它可依次结合并调控胞内其他几种蛋白和酶的活性 并沿着信号转导 通路向前传递信号 最终汇聚于细胞核 一种由钙离子通路调控的蛋白被称为活化 T 细胞 核转录因子 NFAT 我们将在 6 11 部分进一步讨论该转录因子 PIP2裂解的另一个产物为 DAG 它可保持与质膜内表面相联的状态 DAG 有助于活 化蛋白激酶蛋白激酶 C Protein kinase C PKC 家族的成员 见图 6 4 它们是丝氨酸 苏氨酸蛋 白激酶 被认为可启动几条通往细胞核的信号转导通路 一些蛋白激酶 C 亚型可进一步被 IP3反应中释放的 Ca2 活化 因而 由 PIP2裂解产生的这两种产物在激活蛋白激酶 C 时作 用可彼此得到加强 同时又各自具有独立的效应 当抗原与其受体结合时 淋巴细胞内许多活化步骤与许多类型细胞的活化都是相同的 譬如 静止淋巴细胞当遇到抗原时可增殖 而其他类型的细胞用对特殊的生长因子也会出 现增殖应答 其中的差别在于不同细胞类型中启动共同信号通路的受体是有差异的 而将 这些不同受体与胞内共同的信号转导组分联系起来 这就需要一种特殊的转接蛋白转接蛋白 adaptor proteins 在淋巴细胞中 与抗原受体结合的转接蛋白具有两个或更多的结构域 如 SH2 和 SH3 结构域 它们可介导蛋白与蛋白间的相互作用 这些蛋白自身不具有激酶的活性 其功能 通常是招募其他分子至活化受体处 这一类蛋白可借助其 SH2 结构域与磷酸酪氨酸残基结 合 并可通过其 SH3 结构域与富含脯氨酸基序的蛋白结合 图 6 5 与转接蛋白的结合 可使其他蛋白固定在细胞膜上或在其附近 在那里 它们可依次被受体相关的酪氨酸激酶 磷酸化并活化 有一种重要的蛋白家族被称为鸟苷酸置换因子 GEFs 其成员可与转接 蛋白结合 并可在信号转导的过程中活化 鸟苷酸置换因子可将信号传递给另一个在许多 信号转导通路中共同的中心组分即小 G 蛋白 我们将在下一部分予以讨论 转接蛋白含有转接蛋白含有 SH2 和和 SH3 结构域 通结构域 通 常如图所示排列常如图所示排列 配体与聚集的受体配体与聚集的受体 结合 激活酪氨酸结合 激活酪氨酸 激酶并引起受体激酶并引起受体 胞内区的磷酸化胞内区的磷酸化 转接蛋白通过其转接蛋白通过其 SH2 结构域与结构域与 磷酸酪氨酸结合磷酸酪氨酸结合 其他信号蛋白通过富其他信号蛋白通过富 含脯氨酸的序列与转含脯氨酸的序列与转 接蛋白结合 聚集在接蛋白结合 聚集在 活化受体附近活化受体附近 图 图 图 图 图图 6 5信号从受体传递到转接蛋白 后者可以将其他信号蛋白聚集至受体处信号从受体传递到转接蛋白 后者可以将其他信号蛋白聚集至受体处 转接蛋白是特殊的信号分子 其本身通常不具有酶活性 但是 它们能使其他分子与活化 的受体相连 如第一张图所示 转接蛋白通常包括 SH2 结构域 其两侧为 SH3 结构域 一旦受体如 Kit 被激活和转磷酸化 第二张图 转接蛋白就可以通过其 SH2 结构域与磷 酸酪氨酸结合 第三张图 此时 其他具有富含脯氨酸区域的分子可通过 SH3 结构域结 合到转接蛋白上 并被受体相关激酶激活 第四张图 6 5 小小 G 蛋白激活蛋白激酶级联反应并将信号传递至细胞核蛋白激活蛋白激酶级联反应并将信号传递至细胞核 小 GTP 结合蛋白或称小小 G 蛋白蛋白 small G proteins 是另一类蛋白 传递来自酪氨酸 激酶相关受体的信号 这种单链的小 GTP 结合蛋白家族与异源三聚体的 G 蛋白截然不同 异源三聚体 G 蛋白是与七次跨膜受体如过敏毒素或趋化因子受体相联的 见 6 16 部分 研究最透彻的小 G 蛋白是 Ras Ras 与 Src 家族的激酶一样 是通过其对细胞生长的影响 而被发现的 在引起肿瘤的各种动物逆转录病毒中都发现有一个编码 Ras 突变体的基因 随后在许多不同的人肿瘤中也发现了相应的细胞 Ras 基因 c Ras 存在突变 在肿瘤中频 繁地发现 c Ras 突变体表明正常的 Ras 基因在调控细胞生长方面起着关键的作用 并开始 注意 Ras 的生理作用 此蛋白在进化过程中高度保守 Ras 蛋白在所有真核细胞中都有发 现 并且可被许多不同的细胞活化配体所激活 小 G 蛋白如 Ras 根据它是与 GTP 结合还是与 GDP 结合可分为两种状态 与 GTP 结合 的 Ras 形式是有活性的 但它可以通过其本身具有的 Ras GTP 酶活性 除去结合在 GTP 上的磷酸基团 从而转换成为无活性的 GDP 结合形式 调节协同因子可以加速该反应 一 般情况 小 G 蛋白并不是始终处于活化状态的 它们最终都自我失活 因此 小 G 蛋白通 常处于结合 GDP 的非活化状态 并且它们只有在活化配体的作用下才暂时激活 然而 单 一氨基酸残基的突变即可使其锁定在活化状态 由此诱发癌变 小 G 蛋白的活化是由鸟苷酸置换因子鸟苷酸置换因子 guanine nucleotide exchange factors GEFs 介导的 GEFs 可将 GDP 转换成 GTP 图 6 6 在淋巴细胞内 Ras 和其他小 G 蛋白可被 转接蛋白募集至受体部位并且由这些结合转接蛋白的鸟苷酸置换因子激活 这样 G 蛋白 就起到分子开关的作用 只有在细胞表面受体活化时才可开启 小小 G 蛋白像蛋白像 Ras 一样 一样 当与当与 GTP 结合时有活性结合时有活性 小小 G 蛋白将结合的蛋白将结合的 GTP 裂解成裂解成 GDP 成为无活性的状态成为无活性的状态 鸟苷酸置换因子 鸟苷酸置换因子 GEFs 将 将 GDP 从小从小 G 蛋白中置换出来 使蛋白中置换出来 使 GTP 结合上去结合上去 图 图 图 图 图图 6 6鸟苷酸置换因子是小鸟苷酸置换因子是小 G 蛋白由无活性状态转换至活化状态的开关蛋白由无活性状态转换至活化状态的开关 Ras 是一个小 GTP 结合蛋白 本身具有 GTP 酶活性 在与 GTP 结合时 它是有活性的 第一图 而与 GDP 结合时 它是无活性的 大部分时间 由于它内在的 GTP 酶活性 它一般处于无活性的状态 第二图 当受体信号激活了鸟甘酸置换因子 GEFs 后者就 与小 G 蛋白如 Ras 结合 置换其中的 GDP 使其与 GTP 结合 右图 在其本身的 GTP 酶活性将 GTP 转变成 GDP 之前 Ras 蛋白是活化的并能传递信号 小 G 蛋白一旦活化 它还可激活丝裂原活化的蛋白激酶丝裂原活化的蛋白激酶 mitogen activated protein kinase MAP kinase 的级联反应 该激酶的级联反应在所有多细胞动物中都有发现 并 且参与活化配体所产生的许多效应 MAP 激酶级联反应可直接导致细胞核内转录因子的磷 酸化并活化 尤其是转录因子 AP 1 家族 它们是 Fos 和 Jun 蛋白的异源二聚体 为癌基因 fos 和 jun 的产物 可通过 MAP 激酶级联反应而活化 我们将在本章的下一部分具体讨论 这些活化通路 介绍淋巴细胞抗原受体复合体的结构 并关注由抗原受体以及聚集在其周 围的协同受体所产生的特殊信号 小结小结 淋巴细胞抗原受体利用许多胞内信号转导通路所共有的信号转导机制来传递细胞的活 化信号 抗原受体一旦与其配体结合 就发生聚集并由此导致位于细胞膜胞质处的受体相 关蛋白酪氨酸激酶活化 通过聚集受体尾部的酪氨酸残基被磷酸化 就启动了胞内的信号 转导 磷酸化的酪氨酸可作为另外一些激酶和其他放大和传递信号的蛋白分子的结合位点 PLC 就是以这种方式募集来的 并且启动两条胞内信号转导的主要通路 这也是许多其 他受体共有的信号通路 由 PLC 裂解膜磷脂 PIP2后产生扩散型的信使三磷酸肌醇 IP3 和膜结合型的甘油二二酯 DAG IP3可导致胞内游离 Ca2 水平的激增 这些游离的 Ca2 可 激活不同的钙依赖性酶 DAG 与 Ca2 一起可通过激活 PKC 家族成员而启动二级信号转导 通路 三级信号通路涉及到小 G 蛋白 它具有 GTP 酶活性 通过与 GTP 结合而活化 继 而可水解 GTP 产生 GDP 而失活 吸引小 G 蛋白进入信号转导通路中 并由鸟苷酸置换因 子 GEFs 催化其中的 GDP 转换成 GTP 从而激活小 G 蛋白 GEFs 和其他信号转导分 子可通过转接蛋白与活化受体相连 其中转接蛋白是通过一个蛋白结构域 SH2 与磷酸化酪 氨酸结合 同时通过其他结构域包括 SH3 结构域而与其他信号转导分子结合 所有这些信 号通路最终都将信号传递至核内 改变基因转录的方式 抗原受体的结构和信号转导通路抗原受体的结构和信号转导通路 B 细胞抗原受体 细胞抗原受体 B cell receptor BCR 和 T 细胞抗原受体 细胞抗原受体 T cell receptor TCR 是多蛋白的复合物 由克隆性可变抗原结合链 B 细胞受体中的克隆 性可变抗原结合链是免疫球蛋白重链和轻链 T 细胞受体中则是 TCR 和 TCR 链 与 恒定的辅助蛋白相连 恒定链是受体运输至细胞表面所必需的 最主要的是当受体与胞外 配体结合时可以启动信号转导通路 抗原与受体结合产生的信号最终会导致核转录因子的 活化 由此启动新基因的表达 并关闭那些通常仅在静息细胞中表达的基因 本章的这部 分 我们还将讨论抗原受体与协同受体聚集后是如何产生这些信号 6 6 淋巴细胞抗原受体的可变链与执行受体信号转导功能的恒定辅助链相连淋巴细胞抗原受体的可变链与执行受体信号转导功能的恒定辅助链相连 B 细胞受体复合物的抗原结合部位是一种细胞表面的免疫球蛋白 与该 B 细胞最终产 生的分泌性抗体具有相同的抗原特异性 事实上 B 细胞受体除了通过成对的重链羧基端 固定在膜上以外 它与分泌性单体免疫球蛋白是完全一样的 细胞表面重链相应的 mRNA 是以这样一种方式拼接的 即蛋白的羧基端由一个跨膜结构域和一个非常短的胞质尾部组 成 见图 4 19 但是重链和轻链本身并不能构成一个完整的细胞表面受体 将来源于表 达表面免疫球蛋白细胞的重链和轻链 cDNA 转染另一种细胞时 在转染的细胞中存在有合 成的免疫球蛋白但不是出现在细胞表面 这就暗示了免疫球蛋白受体要表达在细胞表面还 需要其他分子 随后鉴定出两种与 B 细胞表面重链的相关蛋白 它们被称为 Ig 和 Ig 当将 Ig 和 Ig 的 cDNA 与免疫球蛋白链的 cDNA 共同转染细胞时 细胞表面就产生了 B 细胞受体 每一个表面免疫球蛋白分子与一条 Ig 链和一条 Ig 链相连 因此 完整的 B 细胞受 体是一个由六条链 两条相同的轻链 两条相同的重链 一条 Ig 链和一条 Ig 链 组成的复合物 图 6 7 Ig 和 Ig 基因在基因组中位置是紧密相连的 它们编码的蛋白 由单一的免疫球蛋白氨基端样的结构域组成 是通过跨膜结构域与胞质尾部相连 Ig 和 Ig 是受体复合物唯一存在于胞质中的结构域 对信号转导来说是很重要的 免疫球蛋白 重链的跨膜形式具有一个非常短的胞质尾部 以前很难理解它是怎样将细胞表面免疫球蛋 白的信号转导入细胞内的 Ig 和 Ig 的发现解释了这个问题 膜结合型膜结合型 IgM mIgM 图 recognition 识别 light chain 轻链 heavy chain 重链 signaling 信号转导 图图 6 7B 细胞受体复合物是由细胞表面的免疫球蛋白组成的 细胞受体复合物是由细胞表面的免疫球蛋白组成的 每一个受体复合物均含有恒定蛋白每一个受体复合物均含有恒定蛋白 Ig 和和 Ig 免疫球蛋白识别并结合抗原 但自身不能产生信号 它与抗原非特异信号分子 Ig 和 Ig 相连 Ig 和 Ig 的胞质尾部都含有一个免疫受体酪氨酸活化基序 ITAM 如图 中黄色片段所示 当 B 细胞受体与抗原结合后它们能传递信号 Ig 和 Ig 之间以二硫 键相连 并与重链相连 但不清楚它们中哪个与重链相连 B 细胞受体复合物转导信号依赖于 Ig 和 Ig 上存在的氨基酸序列 即免疫受体酪氨免疫受体酪氨 酸活化基序 酸活化基序 immunoreceptor tyrosine based activation motifs ITAMs 这些基序最初 是在 Ig 和 Ig 的胞质尾部发现的 但现在已知该结构同样也存在于参与 T 细胞受体信号 转导的辅助链 以及肥大细胞 巨噬细胞 单核细胞和 NK 细胞的 Fc 受体上 与抗体的恒 定区结合 ITAMs 中有两个酪氨酸残基 中间由 9 12 个氨基酸隔开 典型的 ITAM 序列 是 YXX L V X6 9YXX L V 其中 Y 是酪氨酸 L 是亮氨酸 V 是缬氨酸 X 代表任意 氨基酸 Ig 和 Ig 在其胞质尾部各自有一个 ITAM 所以 B 细胞受体总共有两个 ITAMs 当受体与抗原结合时 这些 ITAMs 上的酪氨酸就被受体相关的 Src 家族酪氨酸激 酶 Blk Fyn 或 Lyn 磷酸化 由于 ITAMs 上具有两个精确分隔的酪氨酸 这就使得 ITAMs 可以高亲和力地结合到第二个蛋白酪氨酸激酶家族成员一前一后的 SH2 结构域上 我们将 在 6 9 部分中看到 这些激酶即 B 细胞中的 Syk 和 T 细胞中的 ZAP 70 对继续传递信号 是非常重要的 完整的 T 细胞抗原受体复合物包含有高变的 TCR 和 TCR 链 这两条链形成了 具有单一抗原结合位点的异二聚体 见第四章 除此以外 还包括几个不同的辅助链 恒定的辅助链是 CD3 CD3 CD3 和 链 前三者组成 CD3 复合物 复合物 CD3 complex 后者以一个大的胞浆内同源二聚体形式出现 T 细胞受体复合物具体的组成情况还不完全 清楚 似乎是 2 个细胞表面的 异二聚体与 1 个 CD3 1 个 CD3 2 个 CD3 和 1 个 同源二聚体相连 图 6 8 其中一个 异源二聚体被省略 三个 CD3 蛋白是由邻近 的基因编码的 并作为一个单元进行调节 是 异二聚体表达在细胞表面以及转导受体 信号所必需的 但要达到 异二聚体的最适表达以及信号的最大转导则需要 链 它是 由基因组其他部位的基因编码的 图 recognition 识别 signaling 信号转导 图图 6 8T 细胞受体复合物由抗原识别蛋白和恒定的信号蛋白组成细胞受体复合物由抗原识别蛋白和恒定的信号蛋白组成 T 细胞受体即 异二聚体 TCR 识别并与肽 MHC 配体结合 但不能将结合抗原的 信号转导至细胞内部 在功能性受体复合物中 异源二聚体是与一个由四条其他信 号链 2 条 1 条 1 条 组成的复合物相连的 这四条链共同被称为 CD3 抗原 结合链在细胞表面的表达以及信号转导都需要 CD3 细胞表面受体复合物也与同源二聚体 链相连 受体一旦与抗原结合 链就将信号转导至细胞内部 每条 CD3 链都有 1 个 ITAM 黄色片段 而每条 链有 3 个 ITAM 每条链的跨膜区域带有正电荷或是负电荷 如图所示 有人认为每个完整的受体复合物包含两个异源 二聚体和六条辅助链 如 图所示 这样电荷才能平衡 CD3 蛋白与 Ig 和 Ig 相似 它们都具有胞外免疫球蛋白样结构域和位于胞质尾部的 单个 ITAM 而 链不同 它仅有一个短的胞外结构域 但在其胞质结构域上有三个 ITAMs CD3 链的跨膜结构域上有带负电荷的酸性氨基酸残基 可与 链的正电荷反 应 图 6 8 T 细胞受体复合物总共有 10 个 ITAMs 与 B 细胞受体相比在信号转导中具 有更大的灵活性 这将在这一章的后面讨论 B 淋巴细胞和 T 淋巴细胞的抗原受体是由不同的蛋白构成 但具有相似的结构 两者 都是由两种功能性组分构成的分子复合物 这两种组分是 识别独特抗原的可变链以及参 与受体在细胞表面表达并将信号转导至细胞内部的恒定链 它们能将抗原的识别转变成细 胞行为 6 7 Src 家族的蛋白酪氨酸激酶可以磷酸化与家族的蛋白酪氨酸激酶可以磷酸化与 B 细胞和细胞和 T 细胞受体相连的细胞受体相连的 ITAMs ITAMs 上的酪氨酸发生磷酸化是第一个胞内信号 这表明淋巴细胞已探测到其特异性 抗原 在 B 细胞中 有三个 Src 家族的蛋白酪氨酸激酶 Fyn Blk 和 Lyn 可以发挥 这个作用 这些 Src 家族激酶可通过其氨基端结构域与未磷酸化的 ITAM 发生低亲和力结 合从而与静止受体相连 抗原结合导致受体聚集时 受体相关激酶发生磷酸化并相互激活 然后使位于 Ig 和 Ig 胞质尾部 ITAMs 上的酪氨酸残基发生磷酸化 ITAM 上单个酪氨酸 磷酸化就可以与 Src 家族激酶的 SH2 结构域结合 这样结合的激酶依次活化 进一步磷酸 化 ITAM 其他的酪氨酸残基 图 6 9 Src 家族激酶磷酸化家族激酶磷酸化 B 细胞受体尾部的细胞受体尾部的 ITAMs 图 抗原 图图 6 9Src 家族激酶与抗原受体相连并使家族激酶与抗原受体相连并使 ITAM 中的酪氨酸发生磷酸化中的酪氨酸发生磷酸化 与膜结合的 Src 家族激酶 Fyn Blk 和 Lyn 通过与 ITAM 基序结合而与 B 细胞抗原受体相 连 与 ITAM 的结合可以通过其氨基端结构域 也可以如图所示通过其 SH2 结构域与单个 磷酸酪氨酸结合 结合抗原以及受体聚集后 Src 家族激酶就使 Ig 和 Ig 胞质尾部 ITAMs 上的酪氨酸发生磷酸化 T 细胞受体介导的信号转导也是由两个 Src 家族激酶启动的 这两个 Src 家族激酶是 Lck 和 Fyn Lck 组成性地与协同受体分子 CD4 和 CD8 的胞质结构域相连 见第三章 而 Fyn 是当受体聚集时与 和 CD3 链的胞质结构域相连 下一部分 我们将讨论当受体 与肽 MHC 配体结合时 CD4 或 CD8 是如何与抗原受体一起聚集的 因此抗原的识别使 得 Fyn 和 Lck 都能磷酸化 T 细胞受体复合物辅助链上的特异性 ITAMs Src 家族激酶的酶活性是由激酶结构域和羧基端区域的自我磷酸化调节的 这些区域 均有调节性的酪氨酸残基 激酶结构域中的酪氨酸发生磷酸化使其具有活性 而在羧基端 的酪氨酸发生磷酸化则是抑制其活性的 Src 家族激酶即使在其激活性酪氨酸上发生磷酸 化 仍然可通过一种蛋白酪氨酸激酶 Csk c terminal Src kinase 即 C 端 Src 激酶 来保持 无活性状态 Csk 能使抑制性酪氨酸磷酸化 图 6 10 由于在静息细胞中 Csk 活性是组 成性的 所以 Src 蛋白通常是无活性的 跨膜蛋白酪氨酸磷酸酶 CD45 即白细胞共同抗原 可以解除 Csk 的抑制效应 因此在淋巴细胞和其他细胞中 CD45 是受体介导的信号通路所 必需的 CD45 可去除磷酸酪氨酸上的磷酸 特别是 Src 家族激酶中的抑制性酪氨酸残基上 的磷酸 因此 抑制 Src 家族激酶活化的 Csk 与恢复 Src 家族激酶活化潜能的 CD45 之间 的平衡决定了应对受体聚集后 Src 家族激酶的信号转导活性 这是淋巴细胞中调节启动受 体信号转导阈值的一种方法 例如在第十章中将会看到 活化的效应 T 淋巴细胞和记忆性 T 淋巴细胞表达一种 CD45 的变构体 它与 T 细胞受体复合物相连 从而使受体介导的信 号转导更容易进行 另一方面 初始 T 细胞表达的 CD45 变构体却没有这种特性 图 Unique region 独特区域 SH3 domain SH3 结构域 SH2 domain SH2 结构域 kinase domain 激酶结构域 activating tyrosine residue 激活性酪氨酸残基 inhibitory tyrosine residue 抑制性酪氨酸残基 激活性酪氨酸残基激活性酪氨酸残基 的磷酸化的磷酸化 抑制性酪氨酸残基的抑制性酪氨酸残基的 磷酸化引起构象改变 磷酸化引起构象改变 封闭活性位点封闭活性位点 图 图 图图 6 10Src 家族激酶活性的调节家族激酶活性的调节 Src 家族激酶包含两个酪氨酸残基 红色带 是磷酸化的靶点 激酶结构域中的酪氨酸发 生磷酸化可刺激激酶活化 下面左图 而该酪氨酸则是受体相关酪氨酸激酶的磷酸化靶点 第二个酪氨酸接近羧基端 具有调节功能 当第二个酪氨酸被磷酸化后 激酶由于抑制性 磷酸酪氨酸与 SH2 结构域发生相互作用而失去活性 如图最下面右图 调节 Src 家族激酶活性的另一种方法是控制它们在细胞中的含量 Src 家族激酶可被泛 素共价修饰 泛素是蛋白酶降解靶蛋白的一个信号 这条降解途径是通过与调节蛋白 Cb1 的相互作用而调控的 Cb1 自身不能将泛素连接到 Src 家族激酶上 它是激酶和泛素连接 酶之间的转接蛋白 该过程可通过限制胞内激酶的浓度来限制应答的最高水平 但受体聚 集后 Cb1 自身也是酪氨酸磷酸化的靶点 很可能在细胞活化后 Cb1 的作用是关闭活化 Src 家族激酶的级联反应 在抗原受体介导的信号转导过程中 Src 家族激酶的活化是信号转导过程中的第一步 它将信号转导给许多不同的分子 在我们讨论 Src 家族激酶产生的信号是如何向前传递这 一问题之前 我们先来看一下 抗原与 B 细胞和 T 细胞结合后是如何直接地或间接地激活 协同受体分子的 这些协同受体分子对于产生强而有效的胞内信号是至关重要的 6 8 协同受体与同一个抗原的结合增强了抗原受体的信号协同受体与同一个抗原的结合增强了抗原受体的信号 只有当 T 细胞受体复合物与协同受体 CD4 或 CD8 聚集时 T 细胞受体复合物接受的 信号才能达到最佳转导状态 这就是为什么大多数具有 MHC II 限制性 T 细胞受体的 T 细 胞表达 CD4 CD4 与 MHC II 类分子的近膜侧结构域结合 同时大多数具有 MHC I 限制 性 T 细胞受体的 T 细胞表达 CD8 CD8 与 MHC I 类分子结合 适当协同受体的表达意味 着与抗原受体结合的肽 MHC 复合物可同时与一个协同受体分子结合 要激活表达有适当 协同受体的 T 细胞 需要靶细胞上存在约 100 个相同的特异性肽 MHC 复合物 但如果 T 细胞上缺乏协同受体的话 要激活该 T 细胞则需要 10 000 个相同的复合物 大约是一个 细胞上所有 MHC 分子的 10 这种密度在体内即使存在也很难达到 T 细胞受体与适当协同受体的聚集有助于激活 T 细胞 Lck 酪氨酸激酶是与协同受体 的胞质结构域相连的 而 ITAMs 和其他靶分子是与 T 细胞受体复合物的胞质结构域相连 的 这种聚集就是将两者联合在一起 图 6 11 T 细胞中 Lck 的一个重要靶蛋白是另一 个激酶即 链相关蛋白或 ZAP 70 ZAP 70 对于信号的向前传递非常重要 我们将在下一 部分讲述 静止静止 T 细胞中未磷酸化细胞中未磷酸化 的的 ITAMs 配体与受体的结合导致受体配体与受体的结合导致受体 相关激酶相关激酶 ITAMs 的磷酸化的磷酸化 当协同受体与当协同受体与 MHC 配体结合配体结合 后 后 ZAP 70 与磷酸化的与磷酸化的 链链 ITAMs 发生结合 并通过发生结合 并通过 Lck 使使 ZAP 70 磷酸化和活化磷酸化和活化 抗原递呈细胞 图 图 图 图图 6 11T 细胞受体与协同受体的聚集启动了细胞受体与协同受体的聚集启动了 T 细胞内的信号转导细胞内的信号转导 当 T 细胞受体与抗原递呈细胞表面的 MHC 肽复合物结合时 T 细胞受体聚集 激活了受 体相关激酶如 Fyn 导致 CD3 和 链的 ITAMs 发生磷酸化 酪氨酸激酶 ZAP 70 与 链上磷酸化的 ITAMs 结合 但只有当协同受体与抗原递呈细胞表面的 MHC 分子结合后 图示 CD4 与 MHC II 类分子的结合 激酶 Lck 才能活化并进入复合物中 然后 Lck 磷酸化和激活 ZAP 70 与协同受体的聚集也可以增强 B 细胞受体的信号 成熟 B 细胞表达的 B 细胞协同受体细胞协同受体 B cell co receptor 是以细胞表面分子 CD19 CD21 和 CD81 复合物形式存在的 该复 合物与 B 细胞受体共同连接的一个途径就是识别已经激活了补体的抗原 CD21 分子 也 称为补体受体 2 CR2 是补体 C3d 片段的受体 病原体抗原可以直接激活补体 见第二 章 或通过抗体激活补体 从而使 B 细胞受体与 CD21 及相关蛋白交联 这样 B 细胞受体 相关酪氨酸激酶就可以诱导 CD19 的胞质尾部发生磷酸化 然后就能与 Src 家族激酶结合 并招募磷脂酰肌醇 3 OH 激酶 PI 3 激酶 图 6 12 B 细胞受体与 CD19 CD21 CD81 协同受体的共同连接可以使信号增强 1000 10 000 倍 B 细胞受体复合物种的第三种组分 CD81 TAPA 1 的作用目前还不清楚 B 细胞协同受体复合物细胞协同受体复合物 图 Src 家族酪氨酸激酶 PI 3 激酶 CD21 与 C3d 标记的抗原结合使协同受体与抗原受体成簇