过程分子生物学(2 201X)ppt课件

过程分子生物学 5 2 3 4 1 6 基因表达的调控机制 细胞通讯的分子机制 免疫多样性的分子识别 胚胎发育的基因表达谱 肿瘤发生的分子机制 基因组学与系统生物学 细胞通讯的分子机制 E B C D A F G 细胞通讯的基本概念 水溶性物质的跨膜运输 物理传送 信号分子的跨膜传递 信号转导 G蛋白信号转导途径 JAK STAT信号转导途径 TNF信号转导途径 TGF信号转导途径 H PI3K信号转导途径 I 细胞分裂素信号转导途径 J 信使系统的偶联与启动 2A细胞通讯的基本概念 外界信号如何进入细胞 细胞又如何应答 这是分子生物学的一个基本命题 正在受到越来越多的重视 1992年的诺贝尔生理学奖授予了蛋白质可逆磷酸化的奠基人 1994年则授予了GTP结合蛋 白的发现者 响应环境并控制分子跨细胞质膜进出 是所有细胞的重要特征这一过程依靠定位于细胞质膜上的蛋白质 细胞质膜对水溶性的物质是不容渗透的 这些物质包括离子 无机物 多肽等 为了进入和影响细胞 亲水性的物质或者通过胞饮的方式进入细胞 或者与 定位在细胞质膜上的蛋白质发生相互作用 以信号的方式进入细胞 2A细胞通讯的基本概念 配体与受体 抗原与抗体 酶与底物是蛋白质之间特异性结合的三大系统 a配体与受体 配体 Ligand 通常是指细胞外物质 不管是无机分子还是多肽 它们的共同特征是通过细胞质膜上的蛋白组分 或以胞饮的方式进入细胞 或传递信号 故亦称为信号分子 受体 Receptor 是指细胞质膜上与配体特异性结合的靶蛋白分子 有些受体本身还具有酶的催化功能 2A细胞通讯的基本概念 物理扩散 脂溶性信号分子 脂溶性激素如甾体激素 可通过简单的物理扩散作用穿透质膜进入细胞内 并在细胞内或核内与其靶蛋白结合 发挥功能 无需细胞膜专一性受体 b信号分子传递的基本形式 物理传送 一部分的水溶性信号分子 通过与细胞膜上的特异性受体系统结合 将之物理传送至细胞内 信号转导 大部分的水溶性信号分子 与细胞膜上的特异性受体结合 并触发细胞内的一系列响应过程 信号分子本身不进入细胞内 但在其与受体结合过程中产生的信号已进入胞内 并得以倍增 同时产生出新的信号分子 后者称为第二信使和第三信使 2B水溶性物质的跨膜运输 物理传送 小分子糖类物质与细胞质膜上的特异性受体结合 导致受体蛋白的构象发生改变 变构的受体蛋白将糖翻入细胞内 然后 配体脱离后的受体又转换成原来的构象 这一过程属于主动运输 需要消耗能量 a翻转作用 糖 水溶性分子的主动运输 糖分子 糖分子 翻转作用 细胞膜 细胞内 细胞外 细胞膜 细胞内 细胞外 2B水溶性物质的跨膜运输 物理传送 当配体与受体结合后 胞内的包含素蛋白分子便结合在受体附近的胞膜内侧 胞膜在包含素的作用下形成微囊泡结构 将配体受体复合物包裹起来并运至靶部位膜 如核膜等 b胞饮作用 受体介导的蛋白质胞饮 蛋白质分子的胞饮过程 蛋白分子 胞饮作用 微囊泡 包含素 细胞膜 细胞膜 细胞膜 2B水溶性物质的跨膜运输 物理传送 受体直接构成离子通道 c通道作用 离子通道 受体直接构成离子通道 而配体则控制离子通道的开启与关闭 刺激信号 离子 受体直接构成离子通道 钠离子通道 乙酰胆碱是一种神经信号分子 它参与肌肉延伸收缩的调节作用 乙酰胆碱受体由五个亚基组成 形成配体控制的Na 通道 乙酰胆碱与 受体结合后 受体a亚基构象改变 Na 迅速流入细胞内 导致细胞内外电压降减小在数微秒的时间内 肌肉细胞便会响应神经细胞的电压降脉冲 发生收缩运动 乙酰 胆碱不存在时 通道关闭 每个亚基跨膜四次跨膜区内氨基酸的性质决定了通道的孔径及离子选择性 受体直接构成离子通道 冷热离子通道 冷离子通道TRPM8能在低温或薄荷醇等外界物理或化学因素的刺激下打开 该离子通道响应15 25 的温度范围 允许Na 和Ca2 离子进入传感神经元细胞并使之去极性化 口腔内的这种传感神经元将信号传递至大脑的三叉神经中枢 TG 皮肤上的这种传感神经元则将信号传递至脊索的脊根神 经中枢 DRG 此外 最近还鉴定出三种热传感器 第一种称为TRPV1型胡椒粉 辣椒素 热传感器 其敏感温度为43 以上 第二种称为TRPV2型热传感器 其敏感温度为52 以上 第三种称为TRPV3型温热传感器 其敏感温度范围在25 43 之间 受体直接构成离子通道 冷热离子通道 鼻孔 唇窝 睛中的视蛋白被光化学激活一样 但蝰蛇却是通过其唇窝内的组织辐射发热方式间接激活红外线热受体TRPA1通道的 响尾蛇TRPA1在室温下呈无活状态 但在28 0 2 5 以上时被强烈激活 灰鼠蛇的TRPA1也是热敏型的 但其激活温度有些偏高 为36 3 0 6 有趣的是 先前鉴定的脊椎动物 包括鱼类 的TRPA1同源物主 蝰蛇能感应波段为750 1000nm的红外线并由此探测温血猎物 蛇的红外线检测由位于面部两侧眼睛与鼻孔之间的专门的颊鳞唇窝器官介导 就理论而言 红外线受体可以直接检测光子 就像眼 要接受化学物质的刺激 并作为 冷 的检测器而发挥功能 Nature 464 2010 受体直接构成离子通道 瞬时受体电势通道超家族TRP 上述冷热和味觉离子通道属于瞬时受体电势通道TRP超家族 该家族的第一个成员是在果蝇光子受体细胞中发现的 哺乳动物TRP离子通道家族各成员之间的序列同源性甚低它们可分成三大类 1短通道TRPC 2osm9样通道TRPV 3长通道TRPM 所有 和渗透压变化 在人类等高等哺乳动物中 TRPM通道负责感应味道 如甜苦等 N C TRP结构域 TRP盒 锚蛋白重复序列 TRPC N C TRPV N C TRPM TRPC成员的C端均含有一个TRP盒 Glu Trp Lys Phe Ala Arg 和一个由25个氨基酸组成的功能未知的TRP结构域 但其它TRP通道成员一般没有类似结构 TRPC通道和TRPV通道的N端胞质功能域中含有锚蛋白重复序列 而TRPC通道和TRPM通道的C端含有Pro丰富区 在果蝇中 TRPC型通道负责视觉 TRPV通道负责感应温度 Pro丰富区 受体通过信号传递控制离子通道 受体通过与GTP结合蛋白偶联 驱动离子通道开关 此类受体具有典型的七跨膜结构7TM 不论其配体性质如何 当配体 如激素 与受体结合后 由于其构象改变 激活GTP结合蛋白的核苷酸交换反应 GDP GTP 结合GTP的a亚基便与核苷酸环化酶结合 后者直接启动 离子通道的开关 受体通过信号传递控制离子通道视觉系统的信号传递机制 视网膜杆细胞中的视紫红质和视锥细胞中的视蛋白 颜色敏感 都是光量子的受体 实质上真正吸收光量子的分子是11 顺 视网膜素 它与受体第七跨膜区的Lys共价结合 GTP结合蛋白将受体和磷酸二 酯酶 PDE 偶联在一起 PDE负责水解cGMP cGMP浓度下降导致离子通道关闭 离子浓度的改变信号由视觉神经传至大脑 光子促使受体构象发生变化 激活GTP结合型蛋白 后者又激活PDE 一个光子可激活数百个G蛋白分子 一个G蛋白分子又可 激活PDE降解许多cGMP分子 从而完成信号的放大 受体通过信号传递控制离子通道视觉系统的信号传递机制 在视蛋白中 吸收光量子的分子也是11 顺 视网膜素 但其共价结合区域内的氨基酸序列不同 导致每种视蛋白分子只有唯一的最大光吸收值 一个视锥细胞只表达 单一的视蛋白 因此一个视锥细胞只能对一种波长的光敏感 这便是 颜色敏感的分子机制 受体通过信号传递控制离子通道嗅觉系统的信号传递机制 气味分子与相应的受体结合 导致其构象发生改变 激活GTP结合蛋白 后者激活腺苷酸环化酶AC 由ATP合成cAMP 后者与离子通道结合并开启之 Na 进入细胞 K 流出细胞 电位 差传至大脑 受体通过信号传递控制离子通道嗅觉系统的信号传递机制 2004年的诺贝尔生理学或医学奖授于了美国科学家阿克塞尔和巴克 诺贝尔基金会为此发表的声明说 嗅觉一直是人类感觉中最神秘的一种 我们过去无法理解人类辨认和记忆大约一万种不同气味的基本原理 而阿克塞尔和巴克却帮我们解答了这个问题 他们通过 1000个气味受体蛋白的编码基因 研究表明 每个嗅觉神经细胞只表 截止到目前为止 阿克塞尔和巴克领导的研究小组共发现了大约 达一种气味受体蛋白 那么如何感应上万种不同的气味呢 一系列具有开拓性的研究详细阐明了我们嗅觉系统的工作机制 受体通过信号传递控制离子通道味觉系统的信号传递机制 与触觉 视觉 听觉 嗅觉不同 味觉已进化为饮食行为的主要调节者和驱动者 味觉系统能检测食物中的营养成分及有害化合物 人类以及大多数哺乳动物将味觉刺激归并为酸 甜 苦 咸 鲜五大主体味觉品质 其中 甜味和鲜味属于能促进营养食物 诸如构筑蛋白质合成和能量的砖瓦 摄入的 好 味 而苦味和酸味则属于警示生物体有毒和低pH以拒绝含有害物质 如有毒植物和过熟未熟的水果 的食物摄入的 坏 味 咸味对人类而言即可被感觉为 好 味也可被感觉为 坏 味 完全取决于钠离子浓度和体验者的生理需求 进而引发动物接受或拒绝潜在食物的先天性行为 受体通过信号传递控制离子通道味觉系统的信号传递机制 软腭 腹后内侧核 大岩浅神经 岛叶味觉皮层 味蕾 舌面 受体通过信号传递控制离子通道味觉系统的信号传递机制 哺乳动物的舌部和软腭分布着丰富的味蕾 典型的味蕾呈卵状 由50 100个味觉受体细胞 TRC 构成 TRC平均寿命仅两周 不断为新生细胞所取代 它们靠其特殊的膜表面受体感应相应的 化合物 Cell 139 234 2009 受体通过信号传递控制离子通道味觉系统的信号传递机制 哺乳类动物感应甜味 鲜味 苦味的受体均属于异源二聚体的G蛋白偶联型受体 GPCRs 暗示它们采取类似视觉和嗅觉通过控制离子通道的机制实现对相应神经元的刺激和信号传递 而咸味和酸味的感应受体则直接构成离子通道 以类似冷热离子通道的方式传递信号 猫科动物在其早期进化阶段获得了T1R2基因的缺失突变 因此 丧失了所有的甜味感觉 这就很好地解释了所有的猫和虎对糖类食物的冷漠行为 受体通过信号传递控制离子通道味觉系统的信号传递机制 不仅哺乳动物 果蝇等昆虫对不同味觉的感应也同样由不同的味觉受体细胞介导 这些细胞通过与专用的神经线路相连 最终导致使动物对相应味觉产生不同程度的偏好或厌恶 化学合成的镇痛药螺朵林 spiradoline 对老鼠是无味的 如果将能识别螺朵林的蛋白RASSL编码基因分别置于甜味受体T1R2和苦味受体T2R19基因启动子的控制下表达 则转基因鼠对螺朵 林的态度完全相反 螺朵林 辣椒素 2C信号分子的跨膜传递 信号转导 许多水溶性信号分子本身不能直接进入细胞 但它们能与相应的膜蛋白受体特异性结合 进而在细胞质中引起一系列以磷酸化反应为主的级联响应 最终将信号传递到细胞核内 这一过程称为信号转导 信号传递的 路线称为信号转导途径 2C信号分子的跨膜传递 信号转导 信号转导途径的第一站是细胞外的信号分子 即配体 特异性地识别细胞膜上的受体蛋白 并与之结合 一旦结合了信号分子 受体空间构象就会发生变化 这 个过程称为第一次应答 共有三种表现形式 a信号转导途径中的第一次应答反应 激活受体自身含有的蛋白激酶活性 这类受体的特征是 跨膜一次 由胞外区 跨膜区 胞内区三部分组成 胞外区是配体的结合位点 胞内区是受体自身的酪氨酸蛋白激酶活性区 也称为受体的顺式酶活性 通常这个活性部位由250个氨基酸组成 除此之外 这类受体的胞内区还可能含有丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶活性 或者与鸟苷酸环化酶相连 根据胞内区的酶活 性质不同 可将这类受体分为四大家族 激活受体自身含有的蛋白激酶活性 当配体与受体结合后 受体空间结构发生变化 这是蛋白激酶发挥催化功能的前提条件 共有三种形式的构象变化 配体结合导致单体二聚化 配体连接两个单体 配体连接导致构像改变 激活细胞质内的蛋白激酶活性 这类受体的特征是 跨膜一次 胞外区与配体结合 关键序列为WSXWS 膜内区不含蛋白激酶的功能域 但在近膜处存在着细胞内蛋白激酶家族的结合区域 当配体与受体结合后 构象发生改变 受体与细胞质内蛋白激酶特异性结合 并激活这些蛋白激酶的磷酸化活性 如T 淋巴细胞的CD4受体在与配体结合后 便能特异性地与细胞 内的Lck蛋白激酶结合 并激活之 激活结合在细胞膜内侧上的G蛋白 这些受体的特征是 跨膜七次 7MT G蛋白是一种GTP GDP结合型蛋白 位于受体附近的膜内侧上 其无活性状态是一个结合GDP的三聚体 a b g 一旦受体与配体结合 受体构象发生改变 导致GDP为GTP所取代 这时G蛋白解离成一个携带GTP的亚基 a 和一个二聚体 bg 单聚体或 和二聚体再去激活其它的靶蛋白 引起一连串级联反应 通常情况下 最终刺激产生第二信使分子 cAMP 离子通道的调节便是一例 2C信号分子的跨膜传递 信号转导 细胞外的信号分子 配体 特异性识别和结合细胞膜上的受体蛋白之后 受体产生第一次应答反应 继而 便将信号通过三种方式在胞质中传递 b细胞质中信号转导的基本形式 转录调控因子直接穿过胞质到达细胞核 有些转录调控因子能直接被配体 受体复合物激活 并穿过胞质进入细胞核 受体被配体激活后做出的第一次应答反应就是将潜伏在胞质内受体附近的无活转录调控因子召集到自己的身边 然后将之激活 具有这种性质的转录调控因子包括SMAD家族和STAT家族的各成员 其中SMAD家族在其Ser残基上被受体磷酸化激活而STAT家族则在其Tyr残基 上被受体磷酸化激活 信号通过脚手架蛋白逐次传递至细胞核 在相当多的信号转导途径中 被配体激活的受体将信号逐次传递给下游脚手架蛋白 驿站蛋白 构成一系列的级联反应 此时 信号的载体是磷酸基团 信号传递的形式是磷酸化反应或 和蛋白质降解反应 但许多蛋白质降解步骤也是受磷酸化反应控制的 以此机制进行信号转导的包括 NF kB Rel Wnt CI GLI Notch Ras信号转导途径 信号通过第二信使分子传递至细胞核 在有些信号转导途径中被配体激活的受体可导致细胞质内第二信使分子浓度的波动 并依赖这些小分子或离子在胞质中的扩散作用将信号传递至细胞核 具有上述功能的第二信使分子包括Ca2 和磷酸肌醇酯 PIP 等 以此机制进行信号转导的有 NFAT和PLC等信号 转导途径等 2C信号分子的跨膜传递 信号转导 在某些信号转导途径中 由配体 受体相互作用所产生的信号被传递到细胞核外侧后 还需要通过下列三种方式进入核内 进而作用于相关基因的调控区 促进 靶基因的转录 c细胞核中信号转导的基本形式 激酶转位作用 运载信号的蛋白激酶直接进入细胞核内 并在核内使相应的转录调控因子磷酸 化激活 调控靶基因的表达 因子转位作用 运载信号的蛋白激酶在细胞核外侧使相应的转录调控因子磷酸化激活 后者再 进入核内调控靶基因的表达 抑制剂释放作用 运载信号的蛋白激酶在细胞核外侧使转录调控因子 抑制剂复合物磷酸化 促使其释放转录调控因子 后者再进入核内 调控靶基因的表达 2DG蛋白信号转导途径 异源三聚体GTP GDP结合蛋白 G蛋白 是一类固定在细胞质膜内表面上的信号转导子 它连结受体和脚手架因子 构成细胞内信号转导途径 与G蛋白相偶联的受体能响应大量的激素 神经递质 趋化因子 自分泌和旁分泌因子 G蛋白由三个不同的亚基a b g构成 但当信号转导时 它们是以单亚基或二聚体的形式工作的 即信号传递或者通过Ga亚基或者通过Gbg复合物进行 目前已知的G蛋白亚基分别为Ga20种 Gb6种 Gg11种 2DG蛋白信号转导途径 根据序列相似性 G蛋白可分为四个家族 Gs Gi Go Gq G11 G12 G13 这四大G蛋白家族能转导数量众多的胞外信号分子 同一种信号分子结合不同的受体 可将信号传递给不同的G蛋白家族 例如 肾上腺素信号分子通过b 肾上腺素受体将信号传递到与受体偶联在一起的Gs上 通过a2 肾上腺素受体被传递到Gi上 通过a1 肾上腺素受体则被传递到Gq和G11上 然后 各类G蛋白再通过不同的信号转导途径调控重要的细胞组分 包括代谢酶类 离子通道以及相应的转录机器 这些细胞组分的运行和反应决定了细胞的行 为和功能 如胚胎发育 学习记忆 稳态建立等 aG蛋白信号转导途径的基本特征 G蛋白四大家族的信号转导网络 2DG蛋白信号转导途径 bG蛋白信号转导途径的构成与功能 所有的G蛋白都参与多重信号转导途径的构成和运行 最终将信号传递至不同的细胞机器上 形成响应速率和作用强度各不相同的生理效应 例如 在神经元细胞中 cAMP可通过PKA对离子通道实施 短期效应 同时通过Rap和MAPK对转录机器实施长期影响 所有的G蛋白都调控GTP酶 如Rap和Rho等 的活性 所有的G蛋白途径或刺激或抑制一条或多条由MAPK介导的分支 途径 Gs信号转导途径 Gs途径是最早被鉴定的细胞信号转导途径 许多关键的概念 如第二信使 蛋白磷酸化 信号转导等就是来自于该途径的研究 即便 经历了二十年的研究 Gs途径的新知识仍在不断地增加 Gs途径的关键效应分子是cAMP 信号分子 如肾上腺素和糖原等 与相应的受体结合后 激活Gs的a亚基 后者激活腺嘌呤核苷酸环化酶AC合成cAMP cAMP有三大功能 1 直接开启CNGC离子通道 2 激活蛋白激酶PKA 后者即可开启L 型Ca2 离子通道 又可依次激活磷酸化酶激酶PhosK和糖原磷酸化酶GlyPhos 导致糖原降解为葡萄糖 3 依次激活GTP GDP交换因子EPAC GTP酶Rap1有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶B Raf 有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶MEK 有丝分裂原激活的蛋白激酶MAPK 后者进入核内激活cAMP应答元件结合蛋白CREB 活化的CREB再与相关基因的 转录调控元件CRE结合 促进这些基因的转录 Gs信号转导途径 配体 受体 Gsa AC cAMP PKA EPAC CNGC CREB CRE 质膜 核膜 PDE 降解 Gi信号转导途径 Gi信号转导途径的主要特征是其Ga能抑制AC的活性 许多重要的激素和神经递质 如肾上腺素 乙酰胆碱 多巴胺 5 羟色胺等 都能利用Gi和Go途径转导信号 该途径为百日咳毒素所抑制 其机制是百日咳毒素在G蛋白a亚基C端的区域内使其ADP核苷酰化 从而阻止a 亚基与相应的受体相互作用 在Gi途径中 Ga亚基和Gbg复合物均能单独传递信号 例如 Gbg复合物至少能与四种效应因子直接偶联 间接偶联Ras蛋白中的GTP酶活性 进而激活MAPK 一些重要的生理功能 心脏起博活性 的毒覃碱性胆碱调控过程 就是通过M2 毒覃碱性受体与Gi蛋白偶联 释放出Gbg复合物 再由后者激活K 离子通道而实现的 Ga则能调控 信号从c Src到STAT3途径和Rap途径的传递 也能抑制AC的活性 Gq信号转导途径 Gq信号转导途径的主要特征是被钙质动用激素激活 并刺激细胞合成第二信使分子三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 DAG IP3触发钙质从胞内钙库中的释放 而DAG则负责召集PKC到膜上并激活之 在很多类型的细胞中 胞内钙质的释放能激活细胞表面上钙库操纵的Ca2 通道 导致胞外的Ca2 流入胞内 Gq的a亚基则能 通过蛋白酪氨酸激酶PYK2激活转录调控因子NF kB 2DG蛋白信号转导途径 cRas信号转导途径 很多生长因子激活相应的受体后 通过效应分子活化由原癌基因ras编码的Ras蛋白 后者又依次激活其下游脚手架因子 最终作用于靶基因的表达 Ras蛋白为多种生长因子信号传递过程所共有 而且本身也是G蛋白家族的一个成员 构成一条独立的信号转导途径 Ras信号转导途径中的脚手架蛋白包括 Ras蛋白 SH蛋白 Raf蛋 白等 Ras信号转导途径中的脚手架蛋白Ras蛋白 Ras蛋白是原癌基因ras的表达产物 目前已发现几十种不同的Ras样蛋白 根据其结构特点可分为三个主要家族 1 Ras蛋白 哺乳细胞可表达四种真正的Ras蛋白 分别由基因H ras N ras K rasA K rasB编码 这类蛋白主要参与受体酪氨酸激酶的信号传递过程 2 Rho Rac蛋白 由基因rho和rac编码 与Ras蛋白同源 并介导细胞骨架的构建 3 Rab蛋白 由基因rab编码 主要与物质 Ras GTP Ras GDP GTP GDP交换因子GEF GTP酶激活蛋白GAP 无活状态 激活状态 的跨膜运输有关 Ras蛋白是一类GTP结合蛋白 具有与GTP和GDP的结合特性 GTP酶激活蛋白 GAP 激活Ras蛋白内在的GTP酶活性 鸟苷酸解离抑制因子GDI则抑制 Ras GDP与Ras GTP两种状态之间的转化 Ras信号转导途径中的脚手架蛋白SH蛋白 SH蛋白家族因与原癌基因src编码的Src蛋白具有较高的同源序列及结构相似性 因此而得名 其成员之一的生长因子受体结合蛋白Grb由自磷酸化的受体蛋白激酶活性 催化其磷酸化而被激活 激活了的Grb蛋白又去激活GEF SOS 后者使Ras GDP转化为Ras GTP因此SH蛋白是连结受体与Ras蛋白之间信号传递的重 要分子 Ras信号转导途径中的脚手架蛋白Raf蛋白 Raf蛋白是一种蛋白激酶 它能使细胞有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶 MEK MAPKK 激活 其激活的方式也是磷酸化 而且Raf本身又是Ras GTP复合物的底物 Ras GTP使Raf蛋白磷酸化 同时自己转换成Ras GDP形态 现已知 Raf蛋白有三个同型 GDP GTP Raf MEK Ras 物 即同一转录前体不同剪切方式的形成物 74kD的Raf1 广泛存在于体内 68kD的RafA 主要在生殖细胞内表达 95kD的RafB 主要在脑细胞中表达 Ras信号转导途径中的级联反应 绝大多数生长因子的受体及部分细胞因子受体本身具有酪氨酸激酶活性构成酪氨酸激酶受体家族 这类受体被生长因子激活后 其胞内区的酪氨酸激酶活性将自身的酪氨酸磷酸化 同时具备了催化其它蛋白质磷酸化的功能 由此引发有序的级联反应 这些反应大多是各种蛋白质的磷酸化 包括Tyr Ser Thr等具有羟基侧链的氨基酸残基 Ras信号转导途径中的级联反应 Ras信号转导途径的最后一站是原癌基因编码的转录调控因子Myc Max Jun Fos 它们被上游脚手架分子MAPK激活后 直接作用于相关基因的顺式转录调控元件 例如 Myc与Max形成二聚体 与基因的DNA顺式元件CACGTG结合 并激活相应基因的转录启动 Jun与Fos形成二聚体AP1 与基因的佛波醇应答元件TGACTCA结合 并激活相应基因的转录启动 P P P P P GDP GTP P P FGF FGFR FRS Grb2 SOS Ras Raf MEK MAPK Myc Max 2EJAK STAT信号转导途径 大部分的细胞因子受体属于造血因子受体超家族的成员 与生长因子受体不同 细胞因子受体的胞内区域不具有酪氨酸激酶活性 但其细胞内的近膜保守区能结合一些非受体型的酪氨酸激酶 在配体的介导下 受体亚基二聚化或寡聚化 使受体胞内区域靠近 并结合于胞内近膜区的酪氨酸激酶 同时被活化 进而启动一系列信号转导途径 其中最具有代表性的就是JAK STAT信 号转导途径 2EJAK STAT信号转导途径 JAK STAT信号转导途径由特异性受体 非受体型的酪氨酸激酶 JAK 信号转导子和转录激活子 STAT 三部分构成 aJAK STAT信号转导途径的基本构成 JAK酪氨酸激酶家族 绝大多数激活STAT的细胞因子受体不含内源性激酶活性 它们所需的酪氨酸激酶活性由受体接合型的胞质蛋白质 JAK家族成员提供 因此JAK是不同于受体酪氨酸激酶的另一类激酶 JustAnotherKinase JAK 也有人认为该名来源于古希腊门神Janus 它具有方向相反的两张面孔 与此类蛋白激酶C端的两个催化亚基相 似 因此又称JanusKinase JAK JAK家族最明显的结构特征是其C端拥有两个催化功能域 靠近N端是三个保守的结构域 中部有两个功能域 JAK在进化上相当保守 哺乳动物细胞内有四个JAK成员 JAK1 JAK2 JAK3 TYK2 有种遗传性免疫缺陷症就是因为突变使得受体 与JAK相互作用能力丧失或者JAK激酶活性丧失 JAK能特异性地结合在细胞因子受体的胞内功能域上 当细胞因子配体与相应的受体结合后 受体二聚化 使得结合在受体亚基上的两个JAK相互靠近 并相互磷酸化而被激活 然后JAK再催化其底物蛋白 如STAT 磷酸化 由此将受体信号继续 传递下去 STAT信号转导子和转录激活子蛋白家族 哺乳动物细胞含有七个STAT SignalTransducersandActivatorsofTranscription 编码基因 分别为STAT1 STAT2 STAT3 STAT4 STAT5A STAT5B STAT6 其编码产物之间的氨基酸序列具有较大的离散性 这种离散性使 得它们能响应较大范围的胞外信号分子 同时具有较广的组织特异性分布 STAT蛋白在其C端含有SH2和SH3两个功能域 而且还有一个保守的酪氨酸残基位点 该位点的磷酸化是STAT活化的基础 在配体信号分子不存在时 作为转录因子的STAT蛋白定位于细胞质中 并呈无活状态 当配体与受体偶联后 STAT迅速被激活 其分子上的SH2 Src homology 功能域与受体磷酸化了的酪氨酸残基特异性结合 从而靠近受体的胞内功能域 此时 STAT上保守的酪氨酸残基被磷酸化 磷酸化了的STAT可从JAK 受体复合物上离解下来 并形成二聚体 继而转移至核内 依靠其SH3功能域 能特异性地结合Pro富集区 直接作用于基因转录调控的 顺式元件上 2EJAK STAT信号转导途径 JAK STAT信号转导途径在真核生物的霉菌 线虫 果蝇 脊椎动物乃至人类中高度保守 而且受到各种内源性和环境刺激因素的调控 从而使得细胞和组织具有更大的可塑性 但是 该信号转导途径在真菌和植物中至今没有发现 在很多情况下 细胞中的早期应答基因以及那些依赖于细胞因子的功能基因是由JAK STAT控制表达的 当细胞中没有新的蛋白质合成时 这些早期应答基因通常增加转录 bJAK STAT信号转导途径的基本特征 JAK STAT介导的信号转导程序 当信号分子与相应的受体结合后 受体在膜上二聚化 这使得连结在受体胞质区的两个JAK也相互靠近并相互催化对方磷酸化 同时又使受体胞质区中的酪氨酸残基磷酸化 制造出吸引锚定STAT的位点 游离于细胞质中的STAT蛋白通过其 结构 然后迅速被运输到核内 SH2功能域与受体胞质区中磷酸化了的酪氨酸残基结合 然后在自己的酪氨酸残基上接受磷酸基团 磷酸化了的STAT蛋白从受体上解离下来 或同源或异源形成二聚体 JAK STAT介导的信号转导程序 大多数的STAT二聚体能识别DNA链上8 10对碱基的反向重复序列5 TTN4 6AA 3 这个相对保守的DNA序列称为GAS gamma interferonactivationsequence 元件 因为它首先是在研究STAT同源二聚体与g 干扰素基因调控序列之间的相 互作用时被发现并命名的 该元件的相对保守性也反映出不同序列的GAS对特定的 STAT二聚体具有不同的亲合力 JAK STAT介导的信号转导程序 一旦被激活的STAT二聚体识别并结合靶基因的GAS元件上 该基因的转录速度就会大幅度加快 其机制是STAT分子内的转录激活功能域能召集一些核内共激活因子 以促进对染色质的修饰反应以及与核心启动子之间的通讯 联络 2EJAK STAT信号转导途径 细胞因子干扰素和白介素是通过JAK STAT信号转导途径调控靶细胞广泛的生理功能的 三类干扰素 a b g 和白介素6分别使用了三条特异性的信 号转导途径 c干扰素和白介素介导的JAK STAT信号转导途径 I 型干扰素介导的途径 该途径的信号分子为a干扰素和b干扰素 转录调控因子为STAT1 STAT2异源二聚体 该途径的信号转导机制不同于大多数其它的JAK STAT途径 其最终的转录调控因子不是简单的STAT二聚体 而是由STAT1 STAT2和一个必需的DNA结合亚基 IRF9 构成的异源三聚体 IRF9是干扰素调控因子家族的一个成员 STAT与IRF9的结合使得这个复合物能识别干扰素 刺激应答元件 ISRE II 型干扰素介导的途径 该途径的信号分子为g干扰素 转录调控因子为STAT1 STAT1同源二聚体这种二聚体识别靶基因上游的g干扰素激活序列 GAS 白介素介导的途径 该途径的信号分子为白介素6 转录调控因子为STAT3 STAT3同源二聚体 又称STAT3途径 该途径广泛存在于各种类型的细胞中 对生长调控 炎症发生 胚胎发育具有重要作用 此外 这条途径的激活还常见于多种实体肿瘤和血癌细胞中 具有刺激生长和抗凋亡的功效 很多原本使用酪氨酸激酶受体的生长因子信号转导途径也直接通向STAT3途径 如表皮生长因子EGF 血小板样生长因子PDGF等 2EJAK STAT信号转导途径 JAK STAT信号转导途径并不能自发地工作 胞内和环境的许多刺激因素均能控制其运行 所有正负调控因子的稳态浓度和信号诱导浓度的维持 决定了JAK STAT途径的信号应答反应在一个特定细胞中的作用强度和持续时间 JAK STAT途径的正负调控有四种机制 dJAK STAT信号转导途径的调控 途径融合 多种不同类型的蛋白激酶 包括几种MAPK 能使STAT的酪氨酸残基磷酸化 从而将其它转导途径中的信号融入到JAK STAT途径中 进入内吞囊泡并遭降解 受体降解 JAK STAT信号转导途径的负调控过程常使用普通的机制 如受体 反馈抑制 JAK拥有自己专一性抑制剂SOCS 细胞因子信号转导阻遏因子 它能直接结合并钝化JAK 那些能促进STAT激活的细胞因子同时也能刺激SOCS编码基因的表达 因此SOCS构成了一个反馈抑制回路 修饰灭活 细胞内某些丝氨酸磷酸化反应以及蛋白质的翻译后修饰作用会削弱STAT的活性 更为特异性的抑制信号来自蛋白酪氨酸磷酸酶 它们能在膜结合型的受体激酶复合物水平上或者在核内 除去被激活的STAT二聚体上的磷酸基团 剩下的STAT单体则重新回到细胞质中 此外 还有一种名叫激活型STAT蛋白抑制剂 PIAS 的因子能直接与磷酸化 的STAT二聚体结合 从而阻止其对DNA元件的识别 2FTNF信号转导途径 肿瘤坏死因子 TNF 是细胞凋亡 炎症发生 免疫调节过程中一类重要的枢纽分子 它涉及到人类多种疾病的发病机制 如败血症 糖尿病 癌症 骨质疏松症 多重硬化症 肠炎 风湿性关节炎等 TNF与TNF受体 1 TNF R1 相互作用 能激活 若干信号转导途径 2FTNF信号转导途径 早在一百年前就有人指出了TNF的抗癌活性 然而直到1984年纯化了人的TNF并克隆表达了其cDNA编码区 人们才对TNF的多重生物活性有了一个全景式 的了解 aTNF的结构与功能 TNF是一种由激活的巨噬细胞合成的同源三聚体 每个亚基有157个氨基酸 它能作用于两种不同的细胞表面受体TNF R1和TNF R2 其中TNF R1介导TNF的大部分生理活性 TNF与TNF R1的结合能触发一系列细胞内的级联反应 最终激活两大核内转录因子kB NF kB 和c Jun 这两大转录因子可诱导表达一组具有重要生理功能的基因 涉及细胞的生长凋亡 组织发育 肿瘤发生 免疫识别 炎症反应 环境压力应答等过程 TNF与其受体TNF R1所介导的信号转导途径的一个共同特征是 TNF能在细 膜上诱导形成多蛋白信号转导复合物 2FTNF信号转导途径 bTNF信号转导途径的工作原理 TNF信号转导途径的第一步是TNF三聚体与TNF R1的胞外功能域特异性结合 并从TNF R1的胞内功能域上释放出致死功能域 SODD 的抑制蛋白因子 由此集聚起来的TNF R1胞内功能域又为TNF受体结合型致死功能域 TRADD 所识别 TRADD再吸引另外三种脚手架因子 受体相互作用型蛋白RIP TNF R结合因子2 TRAF2 Fas结合型致死功能域FADD 然后 上述三种脚手架蛋白再将一些关键的酶分子分别召集起 来 进而启动三条分支途径的信号转导 由FADD介导的分支途径 Fas结合型致死功能域FADD将caspase 8蛋白酶召集到TNF R1复合物上 同时激活caspase 8 通过该蛋白酶的自降解效应 并由此引发一系列蛋白降解反 Fas途径 应 最终导致细胞凋亡 由TRAF2介导的分支途径 TRAF2召集细胞凋亡蛋白 1的两个抑制剂cIAP 1和cIAP 2 对细胞实施抗凋亡作用 此外 TRAF2还能激活有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶 MAPKKK 如胞外信号调节型的激酶的激酶的激酶1 MEKK1 或凋亡刺激型激酶1 ASK1 它们通常以复合物的形式存在于受体的周围 进而激活一个激酶级联反应 最终导致c JunN端激酶 JNK 的激活 后者再使c Jun磷酸化 并增强其转录刺激功能 由RIP介导的分支途径 RIP是一种蛋白激酶 起着最终激活转录因子NF kB的功能 但RIP不是TNF诱导的NF kB激活所必需的 NF kB的激活过程依赖于磷酸化控制的泛激素化反应以及kB抑制剂 IkB 的降解作用 后者在未受刺激的细胞胞质中与NF kB结合在一起 IkB激酶 IKK 是一种多蛋白复合物 以TNF诱导的方式使IkB磷酸化 IKK复合物的核心由两个催化亚基IKKa IKKb和一个调节亚基NEMO NF kB必 需的调节因子 又称IKKg 构成 此外 IKK复合物中还含有一个激酶特异性的分子伴侣 由Cdc37和Hsp90两种蛋白组成 其功能是帮助IKK复合物在胞质与质膜之间穿梭移动 RIP将上述IKK复合物吸引到的自己身边 并激活之 该过程通常在TNF配 信号处理受体后数分钟内便可完成 2FTNF信号转导途径 cTNF介导的Fas信号转导分支途径 细胞程序性死亡 细胞凋亡 以及细胞死亡的其它相关形式在机体发育 稳态维持 肿瘤监视 免疫识别等过程中具有重要作用 细胞凋亡由两条主要途径启动 内源性途径从线粒体开始 外源性途径通过致死受体与相应配体的结合而被激活 作为TNF信号转导网络中 的一条分支途径 Fas在细胞凋亡过程中起着重要的作用 Fas分支途径的生理功效 Fas又称为Apo 1或CD95 是肿瘤坏死因子受体 TNFR 超家族中的一个含有致死功能域的成员 Fas不仅在细胞凋亡的生理调节中 起着重要作用 而且还与各种恶性肿瘤和自身免疫疾病密切相关 Fas分支途径的工作原理 在配体不存在时 Fas依靠其分子上的配体前体装配功能域形成无活的复合物 这种复合物与配体 FasL或对抗性抗体 相互作用后便重新组装 进而形成致死诱导型转导复合物DISC 这种Fas DISC复合物中含有脚手架蛋白因子 Fas接合型的致死功能域蛋白 FADD 蛋白酶caspase 8或caspase 10 能启动细胞的程序性死亡过程 在DISC内 由FasL诱导的Fas FADD caspase 8或caspases 10级联作用 导致这些caspase发生自发性蛋白水解加工反应 进而释放出 有活性的蛋白酶 Fas分支途径的工作原理 在I 型细胞中 加工好的caspase 8足以直接激活caspase家族的其它成员 它们分别作用于特定的底物 进 而进入细胞程序性死亡的各个阶段 在II 型细胞中 caspase的激活还依赖于一轮信号扩增 即caspase 8介导裂解凋亡因子原Bcl 2的家族成员Bid继而释放线粒体型的凋亡因子原 后者激活caspase 9 活化的caspase 9激活刽子手caspase 3 caspase 3再依次激活Fas DISC复合物外围的caspase 8 从而形成一个正反馈循环 Fas分支途径的调控位点 上述由Fas介导的细胞程序性死亡过程中的每一步都是调控的靶位点 这使得细胞对Fas配体的刺激具有较大的弹性效应 Fas配体FasL的编码基因在大多数细胞中是不转录的 在少数细胞中由转录调控因子NF kB AP1 或T细胞激活的核内因子 NF AT 控制其表达 进而调控FasL Fas介导的生物学效应 如激活诱导型CD4 T细胞死亡 在某些情况下 细胞也可通过对Fas编码基因表达的调控来左右Fas途径的响应程度 例如由p53诱导的细 胞程序性死亡就是采用这种机制 2FTNF信号转导途径 dTNF信号转导途径的生理意义 TNF信号转导网络一个有趣的特征是它同时连接了细胞凋亡 Fas分支途径 NF kB RIP分支途径 JNK TRAF2分支途径 三条通路 使得三者共同起源于TNF R1 当NF kB通路不运行时 细胞对TNF诱导的细胞凋亡易感性增加 而NF kB的强化激活则能防止细胞凋亡的发生 类似地 当细胞内缺少NF kB时 TNF诱导的JNK通路激活强度增大 作用时间延长 而几个由NF kB激活的基因表达产物又通过TNF抑制JNK的激活 另一方面 NF kB的激活能促进IkB和其它一些抑制因子 如cIAP 的重新合成 从而使得TNF信号转导的持续时间 和作用强度维持在一个稳定的水平上 2GTGF信号转导途径 转化型生长因子 b TGF b 超家族的成员控制着多种发育和稳态维持过程 其活性受损会导致各种人类疾病 包括癌症 软骨发育障碍 肺源性高血压等 TGF b家族成员这些重要生物功能的实现 依赖于TGF 信号转导途径 也称SMAD信号转导途径 2GTGF信号转导途径 转化型生长因子 b TGF b 超家族的第一个成员 分泌型多肽因子TGF b1 是在三十多年前发现的 迄今为止 在脊椎动物体内已经鉴定了三十多个新成员 并在无脊椎动物线虫和果蝇中也发现了十几个结构和功能相似的蛋白质 TGF b1信号转导途径中的很多组分是肿瘤抑制剂 在癌细胞中 它们的功能往往发 生障碍 aTGF信号转导途径的配体与受体 TGF的信号转导过程 脊椎动物 线虫 果蝇的TGF信号转导途径相当保守简单 与TGF b家族信号相互作用的细胞表面受体是一种单跨膜的蛋白复合物 含有一个胞内激酶功能域 能使Thr Ser残基磷酸化 该受体复合物包括两个不同的转膜蛋白 即I 型受体和II 型受体 配体结合后两者相互结合 并发生单一方向的磷酸化反应 即II 型受体使I 型受体磷酸化 激活I 型受体上的激 酶功能域 接着I 型受体再将信号传递给胞内脚手架因子SMAD家族成员 2GTGF信号转导途径 SMAD脚手架蛋白家族是TGF途径中胞内信号转导复合物的核心组成部分 它从细胞表面受体处接受信号 并直接传递至核 内 SMAD可分为三个不同的类别 bTGF信号转导途径的脚手架复合物 受体调控型SMAD 受体调控型SMAD R Smad 包括Smad1 Smad2 Smad3 Smad5和Smad8 I 型受体直接在它们C端两个保守的Ser残基上磷酸化 磷酸化了的R Smad在信号转导途径中拥有多种功能 它们诱导自身从受体复合物以及受体激活型SMAD锚定因子SARA 其功能就是将SMAD吸引至 近膜处 上释放出来 然后进入核内并得以积累 辅助型SMAD 辅助型SMAD Co Smad 只有Smad4一个成员 游离型的R Smad进入核内之后 与Smad4构成异源复合物 这种复合物再与各种DNA结合蛋白 转录共激活因子 或转录共阻遏因子结合 进而正负调控相关靶基 因的表达 抑制型SMAD 抑制型SMAD包括Smad6和Smad7 其功能是抑制R Smad的功能 从而阻断 TGF信号转导途径 泛素依赖性的蛋白降解途径控制着SMAD蛋白的丰度 进而使TGF信号转导途径处 于一个稳定的状态 2GTGF信号转导途径 脊椎动物拥有七种不同的I 型受体和五种不同的II 型受体 各型中的任何一种受体都能与另一型中的受体混合配对 并响应TGF b配体家族的信号 尽管受体与配体复合物的形式并不完全一致 但其生物信号输出的性质仅仅取决于I 型受体 七种I 型受体中的三种受体使R Smad中的Smad2 Smad3磷酸化 进而转导TGF b类的信号 另外四种I 型受体则激活R Smad中的Smad1 Smad5 Smad8 进而转导由成骨蛋白 BMP 信号分 子介导的途径 cTGF信号转导途径的复合形式 2GTGF信号转导途径 由于细胞总是暴露在多重信号分子的作用之下 因此TGF信号转导途径也能与其它途径交叉工作 例如 由受体酪氨酸激酶激活的MAPK能直接磷酸化SMAD 从而修饰TGF信号转导途径 此外SMAD也能与其它信号转导途径中的转录调控因子协同工作 ERK p38 JNK 蛋白激酶B PKB Akt cTGF信号转导途径的复合形式 虽然大量的证据表明 SMAD在TGF信号转导途径中起着极为重要的作用 但由TGF b介导的不依赖SMAD的信号转导途径同样存在 例如 TGF b能迅速激活Rho家族成员GTP酶 MAPK 如 2HPI3K信号转导途径 1 2 3 4 5 6 OH HO OH 1 2 3 4 5 6 OH OH 磷脂酰肌醇 4 5 二磷酸酯4 5 PIP2 磷脂酰肌醇 3 4 5 三磷酸酯3 4 5 PIP3 PI3K 磷酸肌醇 3 激酶 2HPI3K信号转导途径 磷酸肌醇 3 激酶 PI3K 催化磷脂酰肌醇 4 5 二磷酸酯 PIP2 的磷酸化反应 生成磷脂酰肌醇 3 4 5 三磷酸酯 PIP3 后者在细胞生存 细胞代谢 细胞构架重组过程中起着重要作用 由PI3K介导的信号转导途径则与重度炎症 糖尿病 癌症密切相关 例如 PI3K NadaY Kalaany DavidM Sabatini Nature 458 725 2009 信号转导途径的异常激活会降低肿瘤组织对食物限制的敏感性 2HPI3K信号转导途径 磷酸肌醇 3 激酶 PI3K 有多种分子形式 其中IA型的PI3Ks包括PI3Ka PI3Kb PI3Kd 它们通过含有蛋白质酪氨酸激酶活性的生长因子受体 负责响应生长因子的刺激 进而对细胞生长 分裂 生存等过程产生重要的调控作用 IB型的PI3Ks主要包括PI3Kg 它为G蛋白偶联型受体所激活 大多数目前已知的能激活PI3Kg的配体 均涉及对免疫系统及血管内壁的多种类型细胞 内重要生理过程的调控 如炎症发生 心血管平滑肌收缩等 aPI3K的结构与功能 IA型PI3K信号转导途径 IA型PI3K为异源二聚体 由一个调节亚基p85和一个催化亚基p110组成 在未被配体刺激的细胞中 调节亚基将催化亚基维持在一个低活性状态 当生长因子受体或其它脚手架蛋白被激活 调节亚基便与受体磷酸化的Tyr残基直接作用 进而介导催化亚基 p85 P P p110 Ras GTP 信号分子 PIP2 PIP3 的激活 另一方面 被受体激活了的Ras蛋白也能直接作用于p110 更进一步刺激PI3K的活性 从而实现信号的放大 活化了的PI3K将质膜脂双层上的磷脂酰肌醇 受体 4 5 二磷酸酯PIP2转化为磷脂酰肌醇 3 4 5 三磷酸酯PIP3 PI3Ka PI3Kb PI3Kd IB型PI3K信号转导途径 IB型PI3Kg的调控亚基p101和催化亚基p101g分别为Gi的Gbg亚基和Ras蛋白所激活 该信号转导途径的配体多为炎症信号蛋白及血管活化型 刺激因子 2HPI3K信号转导途径 含有血小板 白细胞C激酶底物