细胞生物学-第十一章 细胞通讯与信号转导（二）.ppt

第十一章细胞通讯与信号转导,医学细胞生物学,授课教师：张光谋教授E-mail：gmzhang,2,目录,第十一章细胞通讯与信号转导,第一节细胞通讯与信号转导概述,第二节细胞内受体介导的信号通路,第三节细胞表面受体介导的信号通路,第四节细胞信号转导通路的特征和调控,3,第三节细胞表面受体介导的信号转导,一、G蛋白偶联受体信号转导通路二、酶联受体信号转导通路三、依赖于受调蛋白水解的信号转导通路,4,一、G蛋白偶联受体信号转导通路,G-蛋白偶联受体：是指配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与G-蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。,5,（一）G-蛋白（GTP结合蛋白）概述,位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成，和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上.G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用。亚基具有GTP酶活性。,6,7,G-蛋白分类,8,（二）G蛋白偶联受体信号转导的基本过程,1.信号与受体结合并激活受体；2.G-蛋白活化及G-蛋白循环；3.G-蛋白激活下游效应分子；4.第二信使的产生；5.第二信使激活蛋白激酶；6.蛋白激酶激活靶蛋白或靶酶。,9,二、G蛋白偶联受体信号转导类型,根据效应器蛋白的不同和引起的级联反应的不同，分为：激活离子通道cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路,10,（一）激活离子通道,心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道,最终K+外流，导致细胞膜超极化，缓解心肌细胞的收缩频率。,11,（二）cAMP信号通路,真核细胞应答激素反应的主要机制之一。细胞外信号与相应受体结合，导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。这一信号通路的首要效应酶是腺苷酸环化酶（A-cyclase），通过腺苷酸环化酶调节胞内cAMP的水平，从而将细胞外信号转换成细胞内反应。,12,cAMP信号通路的组成成分：,（1）信号受体(Receptor):激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）；（2）G-蛋白:活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；（3）催化成分，即腺苷酸环化酶（AC）（4）第二信使cAMP（5）蛋白激酶A（PKA）（6）靶蛋白或靶酶,13,1.信号受体(Receptor),14,Rs和Ri,二者具有相似的七次跨膜结构，但与之相应的胞外信号不同。属于Rs：肾上腺素（型）受体、胰高血糖素受体、促黄体生长激素受体、促卵泡激素受体、促甲状腺素受体、促肾上腺皮质激素受体等。属于Ri：肾上腺素（2型）受体、乙酰胆碱（M）受体、生长激素释放的抑制因子受体。,15,2.G-蛋白,16,腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。环腺苷酸磷酸二酯酶：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,3.催化成分,17,4.蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）,cAMP信号通路的主要效应是激活靶酶和开启基因表达，这是通过蛋白激酶A完成的。PKA由两个催化亚基和两个调节亚基组成。cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,18,蛋白激酶A的作用机理,被激活的蛋白激酶A可以两种方式起作用:PKA使其靶酶磷酸化：丝氨酸、苏氨酸残基直接激活特定的转录调控因子（bindingproteinofcAMP-responeselement,orCREB）.,19,Glycogenbreakdowninskeletalmuscle,20,cAMP-PKA信号通路对基因转录的激活,21,cAMP信号通路激活型与抑制型受体进行的信号传导,动画,22,（二）磷脂酰肌醇信号通路,胞外信号分子与细胞表面G-蛋白偶联受体结合，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（DAG）两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号。,刺激磷脂酰肌醇信号通路的外界信号分子有：神经介质类如肾上腺素、5-羟色胺等；某些多肽类激素如V1-后叶加压素、血管紧张素；生长因子如血小板生长因子、T细胞有丝分裂原等。,23,磷脂酰肌醇信号通路,组成成分：信号受体：G-蛋白效应物：磷脂酶C（PLC）,24,双信使系统,25,1.IP3-Ca2+信号通路,26,钙离子参与细胞内多种重要生理功能及调节，如细胞的收缩、运动、分泌和分裂等。其信号作用是通过其浓度的升高和降低来实现的（细胞内：10-810-7M，比胞外低104105倍）。同其它胞内信使一样，钙离子需与其靶蛋白或靶酶结合才能传递信息，产生细胞效应。细胞中有多种能与其结合的蛋白质，钙调蛋白（calmodulin，CaM）是其中最重要的一种。,27,受CaM调节的酶：腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、钙调蛋白激酶、Ca2+-ATP酶,钙调蛋白（calmodulin，CaM）广泛分布于真核细胞中。当细胞中钙离子超过10-2mM，无活性的CaM即可与钙离子结合，构象改变而被激活，由此可激活靶蛋白或靶酶。,28,2.DAG-PKC信号通路,29,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DAG活化(PIP2水解释放出的DAG是水不溶的(非极性的)，一直停留在质膜上）。PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶，PKC具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，既涉及许多细胞“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。,30,活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径,MAP激酶：促分裂原活化的蛋白激酶（MAPK）,31,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。DAG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,32,磷脂肌醇信号途径,动画,33,三、酶联受体介导的信号通路,受体蛋白既是受体又是酶，一旦与配体结合即激活受体胞内段的酶活性，又称催化受体(catalyticreceptor)。这类受体结构的共同点是：通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。至少包括5类。,34,Thekindsofenzymelinkedreceptor,受体酪氨酸激酶(Receptortyrosinekinase)；受体丝氨酸/苏氨酸激酶(Receptorserine/threoninekinase)；受体酪氨酸磷酸酯酶(Receptoroftyrosinephophatase);受体鸟苷酸环化酶(Receptorguanyatecyclase)；酪氨酸蛋白激酶偶联受体(tyrosinekinase-linkedreceptors)。,35,(一)受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs）是细胞表面一大类重要受体家族，包括6个亚族，胞外配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。RTK主要功能是控制细胞生长、分化而不是调控细胞中间代谢。,36,EGF:表皮生长因子IGF-1:胰岛素样生长因子NGF:神经生长因子PDGF:血小板衍生生长因子,富含Cys结构域,免疫球蛋白样结构域,M-CSF:巨噬细胞集落刺激因子FGF:成纤维细胞生长因子VEGF:血管内皮生长因子,37,Thestimulationofthetyrosinekinase,Theformofadimerisauniversalmechanismthattheenzymelinkedreceptors,onetransmembrane,weresitmulated.,38,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，有分子开关的作用。,鸟苷酸释放因子（GRF）,39,40,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RTKRas蛋白Raf(MAPKKK)MAPKKMAPK转录因子磷酸化激活靶基因细胞应答和效应。,41,42,TGF-作用：影响细胞增殖、分化，在创伤愈合、细胞外基质的形成、胚胎发育、骨重建、免疫调节以及神经系统发育中都有重要作用。,（二）TGF-Smad信号通路,43,酪氨酸蛋白激酶偶联受体(tyrosinekinase-linkedreceptors）是细胞表面的一类细胞因子受体。受体本身不具有酶活性，但它的胞内段具有与胞质酪氨酸蛋白激酶(Jakkinase)的结合位点。与酪氨酸激酶偶联受体相连的胞质酪氨酸蛋白激酶是新近发现的Janus激酶（Januskinase，JAK）家族。JAK的N端结构域与受体结合，C端为激酶结构域。,（三）酪氨酸激酶偶联受体介导的信号通路,44,JAK-STAT信号通路,45,第四节信号转导通路的特征和调控,一、信号转导的一般特征二、信号转导效应的调控三、信号转导途径之间的相互作用,46,一、信号转导的一般特征,信号转导分子激活机理的类同性。信号转导过程的级联反应。信号转导途径的通用性与特异性。信号转导途径的通用性是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用；但信号转导途径还必须具有特异性，其产生的基础是配体与受体结合的特异性，从而引起特定的效应。胞内信号转导途径的相互交叉。细胞对信号的整合作用,47,二、信号转导效应的调控,细胞对外界信号作出适度的反应既涉及信号的有效刺激和启动，也依赖信号的解除与细胞的反应终止。在信号浓度过高或细胞长时间暴露于某一种信号刺激的情况下，细胞会以不同的机制使受体脱敏，这种现象称为适应（adaptation）。,48,靶细胞对信号分子的脱敏机制：,受体没收（receptorsequestration）；即逐渐降低表面受体的数目，如通过受体介导的内吞作用，或通过膜流的内化。受体下调（receptordown-regulation）:，如通过受体介导的内吞作用，受体-配体复合物进入溶酶体被消化降解而不能重新利用，减少细胞表面受体的数目。受体失活（receptorinactivation）；如G蛋白偶联受体激酶使结合配体的受体磷酸化脱敏。,49,信号蛋白失活（inactivationofsignalingprotein）：受体已被激活的情况下，其下游信号蛋白发生变化，使通路受阻，不能诱导正常的细胞反应。抑制性蛋白产生（productionofinhibitoryprotein）：受体结合配体而被激活后，在下游反应中产生抑制性蛋白并形成负反馈环从而降低或阻断信号转导途径。,50,三、信号转导途径之间的相互作用,细胞各种不同的信号通路决不是彼此孤立的，它们之间构成了一个复杂的信号网络系统（sigalnetworksystem）。人们对信号网络系统中各种通路之间的相互关系，形象地称为“交叉对话”（crosstalk）。,51,5条平行的胞内信号通路与它们之间的网络关系,52,本节小结,一、G蛋白偶联受体信号转导通路二、酶联受体信号转导通路三、信号转导通路的特征和调控,53,思考题,1.概念