专题二常见的细胞信号转导通路.ppt

专题二常见的细胞信号通路,JAK-STAT,TNFR-NF-KB,Keap1-Nrf2,一、JAK-STAT信号通路,JAK-STAT信号通路主要介导细胞因子（IFN/，IFN,IL-10,IL-6等）和生长因子（EPO,GH,EGF,PDGF）刺激的信号转导通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等多种生物学过程。主要由三个成分组成：酪氨酸激酶相关受体（tyrosinekinaseassociatedreceptor）、酪氨酸激酶JAK、转录因子STAT。能激活JAK/STAT途径的受体家族广泛分布于各种组织的细胞中，属于细胞因子受体超家族。G蛋白也可以通过非受体型酪氨酸激酶激活JAK/STAT,干扰素受体家族，白介素受体家族等。受体胞外部分为N端，胞内部分为C端、跨膜区。共同特点：是体本身不具有激酶活性，但胞内段具有酪氨酸激酶JAK的结合位点。受体之间无明显的同源性，只在胞浆近膜区有一段同源区，该区域是其与JAK激酶结合的功能区段。受体的同源区通常包括两个高度保守的结构，一个是富含脯氨酸的“box1”，另一个是在受体靠近细胞膜处的“box2”，它们是决定细胞因子受体与JAK激酶之间相互偶联的最重要结构。,JAK-STAT信号通路,酪氨酸激酶相关受体,受体的二聚化可以是同源的也可以是异源的。在发生同源受体二聚化时，只有JAK2被激活；相反，由不同亚基组成的异源受体二聚化，却可以激活多种JAK。一旦被激活，JAK便磷酸化受体的亚基以及其他底物。,JAK-STAT信号通路,JAK是一类细胞膜内的非受体型可溶性酪氨酸激酶，分子量120-130KD，只有催化结构域而没有SH2。JAK既能磷酸化与其相结合的细胞因子受体，又能磷酸化多个含特定SH2结构域的信号分子。,JAK-STAT信号通路,JAK蛋白家族共包括4个成员：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2，它们在结构上有7个JAK同源结构域（JH）。JH1结构域为激酶区、JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域,酪氨酸激酶JAK（Januskinase）,信号转导子和转录激活子（signaltransducerandactivatoroftranscription）。自第一1991年个STAT蛋白Stat1被纯化出来以后，目前已发现STAT家族的七个成员，即STAT1,STAT2,STAT3,STAT4,STAT5a,STAT5b,STAT6，含有734851个氨基酸不等，分子量约为84-113KD。所有STAT蛋白分子由7个不同的功能结构域组成：N-端保守序列、螺旋结构域、DNA结合区、连接区域、SH3结构域、SH2结构域、C-端的转录激活区。,JAK-STAT信号通路,转录因子STAT,1、N端结构域：位于1125位氨基酸残基之间，是STAT蛋白家族中最高度保守性的结构域之一。功能：N端结构域有助于STAT蛋白的二聚体形成四聚体或高度有序的多聚体，增强STAT蛋白和靶基因启动子的结合力。,、螺旋结构域：位于135315位氨基酸残基之间，由4个螺旋组成，主要负责STAT蛋白与其它蛋白的相互作用。,3、DNA结合结构域：位于320490位氨基酸残基之间，含有几个-折叠结构，与靶基因的启动子结合，启动靶基因的转录。不同的STAT蛋白具有不同的DNA结合特异性。,JAK-STAT信号通路,4、连接结构域：位于490580位氨基酸之间，连接DNA结合结构域和SH2结构域，其序列高度保守，可能与转录调节有关。,5、SH2结构域：位于585685位氨基酸残基之间，是STAT分子最保守的结构域，是最重要的功能区段。决定了STAT分子和其相应的受体相互作用的特异性；介导了STAT和活化的JAK之间的相互作用；介导了STAT分子的二聚化，一个STAT蛋白中的SH2结构域与另一个STAT蛋白中磷酸化的酪氨酸相互作用形成二聚体，从而导致STAT蛋白的入核。,JAK-STAT信号通路,、SH3结构域：位于500600位氨基酸之间，序列保守性较SH2差，能结合富含脯氨酸的序列。目前尚未发现SH3结构域内有何重要的氨基酸。,7、酪氨酸激活基序：这个酪氨酸和其C端的氨基酸序列不仅可以阻止与自身SH2结构域的结合，还决定了STAT分子和其相应的受体相互作用的特异性，以及STAT分子之间二聚化的特异性。,8、转录激活结构域（TAD）：有一个保守的丝氨酸残基，其磷酸化与否直接影响STAT蛋白的转录活性。它很可能受到翻译后调节，如丝氨酸磷酸化。,JAK-STAT信号通路,二聚化受体激活JAK,JAK将STAT磷酸化,STAT形成二聚体，暴露出入核信号,STAT进入核内，调节基因表达,配体与受体结合导致受体二聚化,JAK-STAT信号通路,JAK-STAT信号通路,JAK激活后催化受体上的酪氨酸残基发生磷酸化修饰，继而这些磷酸化的酪氨酸位点与周围的氨基酸序列形成“停泊位点”（dockingsite），同时含有SH2结构域的STAT蛋白被招募到这个“停泊位点”。,JAK-STAT信号通路,细胞因子与相应的受体结合后引起受体分子的二聚化，这使得与受体偶联的JAK激酶相互接近并通过交互的酪氨酸磷酸化作用而活化。,最后，激酶JAK催化结合在受体上的STAT蛋白发生磷酸化修饰，活化的STAT蛋白以二聚体的形式进入细胞核内与靶基因结合，调控基因的转录。一种JAK激酶可以参与多种细胞因子的信号转导过程，一种细胞因子的信号通路也可以激活多个JAK激酶，但细胞因子对激活的STAT分子却具有一定的选择性。例如IL-4激活STAT6，而IL-12却特异性激活STAT4。,JAK-STAT信号通路,NF-B信号通路包括受体、受体近端信号衔接蛋白、IB激酶复合物、IB蛋白（inhibitoryproteinofNF-B）、NF-B二聚体。通常情况下，细胞质中的NF-B与IB结合成三聚体复合物，处于失活状态。很多细胞外刺激信号都可以引起NF-B信号通路的激活，如TNF-a、白介素IL-1、LPS，以及物理和化学因素如紫外线等。这些细胞外的刺激所产生的胞内早期信号途各不相同，但都可以通过衔接蛋白的传递，最终激活IKK复合物。,二、NF-B信号通路,NF-B信号通路分为的经典信号通路和非经典信号通路在NF-B经典信号通路中，IB蛋白的降解使NF-B二聚体得到释放在NF-B非经典信号通路中，则是通过P100到P52的加工处理，是信号通路激活,NF-B信号通路,包括七个成员：IB、IB、IB、IB、Bcl-3、p100、p105。在细胞质中与NF-B二聚体结合。IB蛋白：存在锚蛋白重复区域（即多个紧密相连的钩状重复序列，每个重复序列含有33个氨基酸,IKKIKK调节亚基NEMO,NF-B信号通路,IB激酶复合物,IB蛋白家族,1986年从B淋巴细胞的细胞核提取的转录因子，能与免疫球蛋白kappa轻链基因的增强子B序列GGGACTTTCC特异性结合，促进轻链基因表达。NF-B属于转录因子Rel家族成员，广泛存在于各种细胞中。目前发现5种：RelA(p65)、RelB、C-Rel、p50/NF-kB1(p50/RelA)和p52/NF-kB2。每个成员N端都有一个高度保守的Rel同源结构域（RHD），由约300个氨基酸组成，包含结合特异性DNA序列的基序；蛋白二聚化的基序；一个核定位基序。C末端疏水区域提供NF-B亚基之间的连接。,NF-B信号通路,核转录因子-B（nuclearfactor-kappaB,NF-B）,在P65、c-Rel和RelB中，存在着转录激活区域-TAD，对基因表达起正向调节的作用。P50、P52不存在转录激活区域，他们的同二聚体可以抑制转录。NF-B以二聚体形式存在。在胞浆二聚体NF-B与IB结合，在核内二聚体NF-B与DNA结合,NF-B信号通路,当TNF-a（或炎症因子、LPS、紫外线）等外界刺激时，IB激酶被磷酸化而激活，有活性IB激酶催化IB磷酸化。IB激酶被激活，IB蛋白的亚基的Ser32和Ser36残基和亚基的Ser19和Ser23残基磷酸化，泛素化。,NF-B信号通路,有活性IB随即从p50/p65/IB异源三聚体中解离出来，NF-B二聚体构象发生变化，核定位序列（nuclearlocalizationsignals,NLS）暴露，并迅速从细胞质进入细胞核内，与核内DNA上的特异序列相结合，从而启动或增强相关基因的转录。,NF-B信号通路,在很多NF-B信号通路中，许多的信号中间物都是共有的，特别是IKK复合物的上游信号。不同的信号通路可利用一些共有的信号元件激活和抑制通路。,NF-B信号通路,IKK复合物上游衔接蛋白TRAFs（TNF受体相关因子）RIPs（受体作用蛋白）IKK复合物的激酶TAK1（TGF激活性激酶1）、NIK（NF-B诱导激酶）,NF-B信号通路,TRAFs家族成员是一大类胞内接头蛋白，能直接或间接与多种TNFR和IL-1/TLR受体家族成员结合，连接到多种下游信号通路的信号因子，包括NF-B的信号通路，从而影响细胞的生存、增殖、分化等，并参与多个生物学过程的调控。在几乎所有NF-B的信号通路中，都是关键的信号中间物。TRAF蛋白家族TRAF蛋白家族一共有7个成员，分别是TRAF1、TRAF2、TRAF3、TRAF4、TRAF5、TRAF6、TRAF7。,TRAFs：TNF受体相关因子,TRAF蛋白质在结构上具有很高的同源性，同源性一般大于30%，其特征性的结构是所有成员在羧基端都有一个TRAF结构域，即包括一个卷曲螺旋结构，介导同型和异型蛋白之间的相互作用。另外，TRAF2-7的N-末端存在一个RING指结构，其可以作为E3泛素连接酶起作用，即将泛素转移到目的蛋白上。RING指结构后还有5到7个锌指结构域,TRAF蛋白的结构,NF-B信号通路,TRAFs的功能,通过TRADD，TRAF2和TNF-的受体TNFR1结合，向下传递信号，激活IKK。在此过程中，其RING指区域作为E3连接酶是必须的。但是其具体作用机制还需要深入研究。在TNFR1信号通路中，单一的敲除TRAF2或TRAF5，NF-B信号通路的激活仍会出现。但是双敲除TRAF2和TRAF5，则会造成NF-B信号通路中，IKK复合物的激活出现缺陷。因此，在TNFR1信号通路中，需要TRAF2和TRAF5的共同作用。,NF-B信号通路,在Toll-likeIL-1信号通路中，TRAF6可与受体复合物发生作用，激活IKK。但是，TRAF6的E3连接酶作用机制也是需要进一步证明的。,NF-B信号通路,另外，TRAF蛋白家族成员中，TRAF3也是较广泛。TRAF3是既可以介导NF-B经典信号通路，也可以介导非经典信号通路。在经典信号通路中，其可以与受体直接作用激活IKK复合物。而在非经典信号通路中，TRAF3通过NIK（NF-B诱导激酶）激活IKK，从而激活信号通路。因此，不管在经典还是非经典信号通路中，TRAF蛋白在诱导IKK激活方面发挥着很重要的作用。,NF-B信号通路,RIPs受体作用蛋白,RIPs是经典NF-B信号途径中的关键的衔接蛋白。RIPs既可以通过蛋白结合区域直接作用于信号通路的上游，也可以通过与NEMO结合激活IKK复合物。并且，在大多数的TRAF依赖型信号通路中，RIPs都被牵涉其中。RIP蛋白家族一共有7个成员，分别为RIP1-7。RIP蛋白的结构特征是：都具有保守的丝氨酸/苏氨酸激酶区域。,NF-B信号通路,RIP1,RIP1具有一个死亡结构域，介导其他衔接蛋白和受体的死亡结构域之间的相互作用。RIP1可以招募并激活IKK复合物。RIP1激酶区域对IKK的激活并不是必需的，通过NEMO的寡聚化和IKK的自磷酸化，诱导IKK复合物的激活。RIP1只出现在NF-B经典信号通路中，而对于CD40或LTR介导的非经典信号通路中是不需要RIP1的。,RIP2包括一个C-末端半胱天冬酶活性和招募区域（CARD），可介导受体和衔接蛋白之间的相互作用。与RIP1相似，RIP2的激酶区域对IKK的激活也不是必需的，在NF-B经典信号通路中，RIP2与TAK1和TRAFS作用，直接诱导NEMO的泛素化，和下游信号通路激活。,RIP2,NF-B信号通路,RIP3RIP3由于和RIP1具有同型作用基序（RHIM），所以与RIP1具有同等功能。但是在信号通路中，RIP3的重要性远远比不上RIP1，因为当RIP3缺失时，大多数的NF-B信号通路是正常的。在特殊情况下，RIP3可能影响和阻碍RIP1诱导的NF-B信号通路的激活。RIP蛋白总结：RIP1（作为一个死亡结构域和NEMO的衔接蛋白）与RIP2（作为一个CARD到NEMO的衔接蛋白），在一些NF-B经典信号通路中扮演着类似的角色。通过与NEMO结合，RIP蛋白招募IKK复合物。通过NEMO的寡聚化或泛素化依赖机制直接介导IKK复合物的激活。,NF-B信号通路,TAK1/NIKTGF-激活激酶1/NF-B诱导激酶,TAK1TAK1一般在RIP蛋白激活IKK的信号通路中（例如：抗原受体和NOD-LRR信号通路）。但是其作用机制并不明确。主要表现在：在不同的经典信号通路中，TAK1的基因被敲除，NF-B信号通路的激活会出现不同程度的缺陷。TAK1是否直接或间接介导IKK的激活不清楚的。通过信号中间物，LTR介导的IKK的激活是不需要TAK1的。,NF-B信号通路,NIK,在RIP蛋白缺失的情况下，NIK主要负责激活NF-B的非经典信号通路。NIK可直接磷酸化，激活IKK。NIK受到结合的TRAF蛋白，CIAP1和CIAP2（E3连接酶）的调节，当TRAF蛋白，CIAP1和CIAP2发生降解时，可导致NIK的积累和IKK的激活。小结在NF-B非经典信号通路中，TRAF和NIK可以不通过NEMO，充分激活IKK，从而使信号通路激活。在NF-B经典信号通路中，TRAF和RIP蛋白，和TAK1都是必需的。,NF-B信号通路,NF-B转录活性的调节,在未受到刺激的细胞中，目的基因的B位点被P50或P52的同型二聚体所占据。在这个阶段，Bcl-3和IB既可以通过移去和稳定P50或P52的同型二聚体来正向和反向调节NF-B信号通路。,A,NF-B信号通路,当细胞受到刺激后，随着信号的传递，IB蛋白降解后，P65可以在细胞质中被IKK或PKAc磷酸化，还可以在细胞核中被MSK1/2或RSK-1（重组链激酶）磷酸化，磷酸化的P65更容易和CBP/P300结合，从而发生组蛋白和P65乙酰化，促进目的基因的表达。,NF-B信号通路,在IKK的作用下，共激活因子CBP/P300被磷酸化，从而与辅阻碍物HDACs发生交换，磷酸化的共激活因子CBP/P300与NF-B二聚体结合。,NF-B信号通路,IKK和MSK1也可以直接磷酸化组蛋白来促进转录。当NF-B与目的基因结合以后，IB和IB可以通过分离NF-B与目的基因而对NF-B信号通路进行反向调节,NF-B信号通路,NF-B信号通路的终止,目前，对于已经激活的NF-B信号通路的终止还不太清楚：在下调NF-B表达中，IB蛋白和其他基因表达产生的上游信号元件是关键的因素。细胞因子信号转导抑制因子SOCS-1，其除了可以影响上游JAK-STAT信号元件，同样可以降低NF-B的转录活性。IKK可以通过促进p65和c-Rel在细胞内降解，从而引起已激活的NF-B信号通路的终止。但是，以上的结论还需要进一步的证明。,NF-B信号通路,NF-B信号通路,随着NF-B信号通路和一些疾病（如：癌症，哮喘，肌营养不良）之间联系的发现，NF-B信号通路将更加受到人们的关注。虽然，对于NF-B信号通路中的一些基本性的问题，我们已经进行了深入的研究。但是，其中的很多问题，例如不同的NF-B二聚体的调节，泛素的正确作用，IB亚型的其他作用等等，都是需要进一步研究和探索的。另外，通过阻碍NF-B信号通路，即发展通路中的抑制因子的作用，来防治一些疾病，将成为人们未来研究的又一重点。,NF-B信号通路,NF-B信号通路与癌症NF-B具有明显的抑制细胞凋亡的功能，与肿瘤的发生、生长和转移等多个过程密切相关。NF-B的下游基因包括CyclinD1和c-Myc，因此NF-B的持续激活会刺激细胞生长，导致细胞增殖失控。NF-B在很多癌细胞中表达异常，75的乳腺癌样品中NF-B的表达比正常组织高很多倍。NF-B对肿瘤转移具有明显的促进作用，它能促进肿瘤转移相关基因ICAM-1、VCAM-1、MMP-9等的表达。NF-kB还能诱导VEGF表达，促进血管形成。此外，NF-kB还能通过调节COX2等基因的表达来促进肿瘤生长。,NF-B信号通路,NF-B与肿瘤治疗息息相关。目前，国内外主要以NF-B为靶点，使用抗氧化剂抑制NF-B活性以及针对p65和p50设计小分子干扰RNA（siRNA），抑制NF-B合成等方法作为癌症的治疗策略。TNF-具有很好的抗肿瘤作用和多种免疫调节功能，许多国家开展了用TNF治疗癌症的临床研究。IFN-、IFN-、TNF-、IL-2、G-CSF、GM-CSF被批准用于临床肿瘤治疗的几种细胞因子，都与NF-B的信号通路有关。,NF-B信号通路,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,氧化应激产生的活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）直接或间接地损伤细胞内蛋白质、脂质、核酸等大分子物质的生理功能，是众多疾病发生的病理生理基础。机体形成了一套复杂的氧化应激应答系统，当暴露于亲电子试剂或活性氧刺激时，能诱导出一系列的保护性蛋白，以缓解细胞所受的损害。Nrf2是细胞氧化应激反应中的关键因子，受Keap1的调控，通过与抗氧化反应元件ARE相互作用，调节下游抗氧化蛋白和II相解毒酶的表达,Keap1（Kelch2likeECH2associatedprotein1)Kelch2样ECH2相关蛋白，位于在细胞质中，与Nrf2结合，使其无法进入细胞核。Keap1含有5个结构域，分别为N端结构域（NTR）、干预区（IVR）、BTB区、双甘氨酸重复区（DGR）和C端结构域（CTR）。其中DGR区也叫Kelch区，是Keap1与Nrf2的结合区，同时也是与胞浆内肌动蛋白结合的位点；IVR区富含半胱氨酸，是整个蛋白的功能调节区；BTB区与Keap1同源二聚有关。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,Nrf2（nuclearfactorerythroid-2-relatedfactor-2）即核因子E2相关因子2，是CNC转录因子家族成员，含有6个高度保守的结构域Neh（Nrf2-ECHhomology），分别被命名为Nehl-Neh6。Nehl区包含1个C端亮氨酸拉链结构bZip（basicleucimezipper），bZip与细胞核内小Maf蛋白（smallMafproteins）形成异二聚体，使Nrf2能够识别、结合ARE，从而启动目标基因转录。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,Neh2区是Nrf2与胞浆蛋白Keap1（Kelch-likeECH-associatedprotein-1）结合区，含有ETGE基序、DLG基序两个结合位点。Neh4、Neh5是参与启动下游基因转录的结构域，当进入细胞核的Nrf2以Nrf2-Maf的形式与ARE结合后并不能立即启动转录，尚需要其他辅助蛋白如CREB结合蛋白、转录激活剂与Nrf2的Neh4，Neh5两个结构域结合后，才能启动转录过程。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,ARE（antioxidantresponseelement)抗氧化反应元件，是一个特异的DNA启动子结合序列。Nrf2的活化在正常条件下，Nrf2与Keap1结合，存在于细胞之中，发生氧化应激时，Keap1的半胱氨酸残基被修饰，改变构象导致Nrf2释放出来，进入细胞核中，与ARE结合后，促进靶基因的表达。也有人认为，诱导剂无法使Keap1-Nrf2解离，并且Nrf2可以经泛素化后降解。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,Keap1通过其BTB区结合Cul3、Kelch区结合Nrf2，将Nrf2连接到E3复合体，使泛素从E3转移到Nrf2的赖氨酸残基（位于ETGE基序、DLG基序之间），泛素化的Nrf2被迅速降解。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,发生氧化应激时，Keap1特定的半胱氨酸残基被修饰，导致构象的改变，DLG基序与Keap1的亲和力减弱而分离，即所谓的hingeandlatch模型，从而免于泛素化降解。另外，多种蛋白激酶，例如MAPKs、PKC、PI3K等，可通过诱导Nrf2的磷酸化参与对Nrf2转录活性的调节。,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,Keap1-Nrf2-ARE信号通路,四、Ras-MAPK信号转导途径,Ras-MAPK信号通路是一个复杂的网络系统。介导细胞的生长、分化等多种生物学功能。,主要由8部分组成配体酪氨酸激酶家族受体(RTK)衔接蛋白(Grb2,sos)RasRaf(MAPKKK)MEk(MAPKK)Erk(MAPK)转录因子,酪氨酸激酶家族受体,RTKs是一类重要的细胞膜，可以磷酸化自身和胞浆底物的酪氨酸残基一次跨膜结构域，酪氨酸激酶结构域和配体结合后发生二聚体化.,Ras-MAPK信号转导途径,RTKs,RTKs通过自磷酸化而被激活，然后激活Ras,Ras-MAPK信号转导途径,Grb2（growthfactorreceptorbindingprotein2)（接头蛋白，含1个SH2和2个SH3）接头蛋白：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和下游信号转导分子。,Ras-MAPK信号转导途径,SOS：sonofsevenless,SOS：sonofsevenless，来源于果蝇复眼的发育。有SH3结构域，没有SH2结构域,当PTK被配体（细胞外信号)激活后，PTK自我磷酸化而被激活，并与Grb2的SH2结合，Grb2的SH3与SOS结合，激活SOS。SOS具有核苷酸转移酶活性，使得Ras-GDP转变为Ras-GTP，Ras被激活。Raf蛋白；,Ras-MAPK信号转导途径,RAS蛋白