基因表达调控与信号转导的偶联机制

基因表达与细胞信号转导的偶联机制CouplingofGeneExpressionandCellSignaling,signal,CouplingofGeneExpressionandCellSignaling,Cellsignal,第一节,细胞信号转导机制概述GeneralMechanismofCellSignalTransduction,多细胞生物适应环境、调节代谢离不开内外环境与细胞、细胞与细胞之间的细胞通讯（cellcommunication），这是生物体存活、生长、分化，以及多细胞、多组织系统执行正常功能的需要。这种针对内外源信息所发生的细胞应答过程称为信号转导（signaltransduction）。,Signaling,信息转导过程,信号分子在细胞内的合成,信号分子从发出信号的细胞释放,信号分子转运至靶细胞,靶细胞上的特异性受体识别信号分子,靶细胞内信号转导通路的启动,靶细胞的代谢、功能或分化改变,信号分子的清除及靶细胞应答反应的终止,细胞信号转导的基本路线,一、细胞外化学信号,生物体可感受任何物理、化学和生物学刺激信号，但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的化学信号（chemicalsignaling）。,(一）可溶性分子信号,化学信号可以是可溶性的，也可以是膜结合形式,多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这种通讯方式称为化学通讯。,根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：,作用距离最远的内分泌（endocrine）系统化学信号，称为激素；属于旁分泌（paracrine）系统的细胞因子，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自分泌（autocrine）。作用距离最短的是神经元突触内的神经递质（neurotransmitter）。,化学信号的分类,（二）细胞表面分子也是重要的细胞外信号,细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用，达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯，也是一种细胞间直接通讯。,细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。,属于这一类通讯的有：相邻细胞间粘附因子的相互作用、T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等。,二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号,受体(receptor)是信息分子的接收分子，化学本质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子。受体的作用：识别外源信号分子，即配体（ligand）；转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。,受体与信号分子结合的特性,很强的特异性亲和力极大可饱和性可逆性,配体-受体结合曲线,受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内,受体按照其在细胞内的位置分为：,细胞表面受体细胞内受体,接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其他细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、黏附分子等。,受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。,接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。,细胞膜表面受体主要有三大类,离子通道型膜受体（ligand-gatedreceptorchannel）G-蛋白偶联的七跨膜受体（Gprotein-coupledreceptor，GPCR）酶依赖的单跨膜受体（enzyme-linkedreceptor）,三、信号分子结构、含量和分布变化是信号转导网络工作的基础,膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细胞核的转导过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统。构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号转导分子，signaltransducer）和小分子活性物质（第二信使，secondmessenger）。,在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递，构成信号转导通路（signaltransductionpathway）。不同的信号转导通路之间发生交叉调控（crosstalking），形成复杂的信号转导网络（signaltransductionnetwork）系统。,细胞间信息物质(第一信使),细胞内信息物质,膜受体,信号转导分子,改变细胞内各种信号分子的构象改变信号分子的细胞定位促进信号分子复合物的形成或解聚改变小分子信使的浓度或分布,细胞转导信号的基本方式：,第二节,细胞内信号转导相关分子IntracellularSignalMolecules,一、第二信使浓度和分布变化是重要的信号转导方式,细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。,(一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使,目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。,1核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成,（adenylatecyclase，AC）,（guanylatecyclase，GC）,2细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶,细胞内有水解cAMP和cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE),腺苷酸环化酶(adenylatecyclase,AC),蛋白激酶A是cAMP的靶分子,cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependentproteinkinase，cAPK），即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）。,PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子。,3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性,cAMP-dependentproteinkinase，PKA,蛋白激酶A,R,R,R：调节亚基C：催化亚基,cAMP,PKA底物举例,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP-dependentproteinkinase，cGPK），即蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG）。,4蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。,视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道,嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成,（二）脂类也可作为胞内第二信使,磷脂酶C催化DAG和IP3的生成,PIP2,甘油二酯（DAG）+肌醇三磷酸（IP3）,PLC,磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，最重要的是磷脂酶C（phospholipaseC，PLC）,磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇,磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositolkinases,PIKs），催化磷脂酰肌醇磷酸化。,（phosphatidylinositol，PI）,2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子,IP3的靶分子是钙离子通道,IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。,DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶C,蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC），属于丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。,PIP3的靶分子是蛋白激酶B,蛋白激酶B（proteinkinaseB，PKB）也是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68）和PKC（73）高度同源。由于PKB分子又与T细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因v-akt编码的蛋白Akt同源，又被称为Akt。,PKB/Akt在体内参与许多重要生理过程：,参与胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原合成及蛋白质合成过程。PKB还参与多种生长因子如PDGF、EGF、NGF等信号的转导。在细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过程中，PKB亦是关键信号分子。,（三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类,1钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征,细胞外液游离钙浓度高（1.121.23mmol/L）；细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有0.010.1mol/L）。,导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种：,一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流；二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。,胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。,2钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现,钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。,乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等,胞液Ca2+浓度升高,CaM,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,CaM发生构象变化后，作用于Ca2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K）。,（四）NO的信使功能与cGMP相关,NO合酶介导NO生成,NO合酶,胍氨酸,精氨酸,NO,三种形式的NO合酶（nitricoxidesynthase，NOS）,组成型NOS(cNOS)可诱导型NOS（iNOS）,NOS,NOS,NOS,NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。,除了NO以外，一氧化碳（carbonmonoxide，CO）、硫化氢（sulfuretedhydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。,小分子细胞内信使的特点,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在外源信号的作用下发生迅速改变；可作为别位效应剂作用于靶分子；不应位于能量代谢途径的中心。,二、蛋白质作为细胞内信号转导分子,蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化。,引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：,化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化、甲基化等；,小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构象变化，如cAMP激活PKA；,蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化。,增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性；许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位（translocation）至细胞膜或细胞核；募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。,构象变化主要引起3种效应：,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子,蛋白激酶（proteinkinase）与蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最主要方式。磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。,1.蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关,酶的磷酸化与脱磷酸化,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP-磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。,蛋白激酶的分类,细胞内许多重要的蛋白丝/苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子。这些蛋白激酶被活化后可以直接或间接地作用于细胞内的转录调节因子，是连接细胞信号转导与基因表达调控的重要开关,蛋白丝/苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子,MAPK级联激活是多种信号通路的中心,丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，是接收膜受体转换与传递的信号并将其带入细胞核内的一类重要分子，在多种受体信号传递途径中均具有关键性作用。,MAPK的磷酸化与活化示意图,MAPKKK,MAPKK,MAPK,Thr,Tyr,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,蛋白激酶的逐级磷酸化是细胞信号通路的重要特征,MAPK的逐级磷酸化是将膜受体接受的信号转导至核内基因表达控制的重要环节，是细胞生长、分化和应激反应的共同信号通路,MAPK作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。,ERK、JNK/SAPK、p38的级联激活过程：,ASK1凋亡信号调节激酶,MKK3/MKK6,P38,部分MAPK底物举例,MAPK家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等。,蛋白酪氨酸激酶,蛋白质酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。,受体型PTK：胞内部分含有PTK的催化结构域；非受体型PTK：主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导分子；核内PTK：细胞核内存在的PTK。,生长因子类受体属于PTK,部分受体型PTK结构示意图,Src家族/ZAP70家族/Tec家族/JAK家族属于非受体型PTK,非受体型PTK的结构,细胞核内也存在着PTK，这对于信号在核内的传递有重要意义。重要的核内PTK有Abl和Wee。细胞核内PTK参与转录过程和细胞周期的调节。,蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,蛋白质磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。,蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,根据蛋白磷酸酶所作用的氨基酸残基而分类,蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶个别的蛋白磷酸酶具有双重作用，即可同时作用于酪氨酸和丝/苏氨酸残基,（二）G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关,鸟苷酸结合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白，是一类信号转导分子，在各种细胞信号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。G蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式，作用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的GTP水解为GDP时则回到非活化状态，使信号途径关闭。,G蛋白主要有两大类：,异源三聚体G蛋白：与7次跨膜受体结合，以亚基（G）和、亚基(G)三聚体的形式存在于细胞质膜内侧。低分子量G蛋白（21kD）,G蛋白通过G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptors，GPCRs）与各种下游效应分子，如离子通道、腺苷酸环化酶、PLC联系，调节各种细胞功能。,异源三聚体G蛋白直接介导受体信号转换,Ras超家族成员是重要的信号转导分子,低分子量G蛋白（21kD），它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。Ras是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras家族，因为它们均由一个GTP酶结构域构成，故又称Ras样GTP酶。,在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性：,（三）蛋白相互作用结构域介导信号通路中蛋白质的相互作用,信号转导分子在活细胞内接收和转导信号的过程是由多种分子聚集形成的信号转导复合物（signalingcomplex）完成的。,信号转导复合物作用：,保证了信号转导的特异性和精确性，增加了调控的层次，从而增加了维持机体稳态平衡的机会。,信号转导通路形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊结构域介导的。这些结构域被称为蛋白相互作用结构域（proteininteractiondomain）。,信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用,蛋白激酶,Btk,PH,TH,SH3,SH2,催化区,衔接蛋白,Grb2,SH3,SH2,SH3,转录因子,stat,DNA结合区,SH2,TA,细胞骨架蛋白,tensin,/,SH2,PTB,蛋白相互作用结构域及其识别模体,衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络,衔接头蛋白（adaptorprotein）是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与下游信号转导分子。发挥作用的结构基础：蛋白相互作用结构域。功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分子到达并形成相应的信号转导复合物。大部分衔接蛋白的结构中只有2个或2个以上的蛋白相互作用结构域，除此以外几乎不含有其他的序列。,衔接蛋白连接信号转导分子,衔接蛋白Nck结构与相互作用分子示意图,SH2,C,N,SH3,SH3,SH3,HGFR,VEGFR,BCR-AblPDGFR,EphB1,SLP-76,HPK1,p130casIRS-1,p62doc,CKIg2,WASP,IRS-1,DOCK180,NIK,IRS-1,DOCK180,Sos,NIK,Pak1,Pak3,NAP4,WIP,dynamin,synaptojanin、Abl,c-Cbl,Abl,c-Cbl,NAP1,Sam68,支架蛋白保证特异和高效的信号转导,支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子质量较大的蛋白质，可同时结合很多位于同一信号转导通路中的转导分子。信号转导分子组织在支架蛋白上的意义：,保证相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反应，以维持信号转导通路的特异性；支架蛋白可以增强或抑制结合的信号转导分子的活性；增加调控复杂性和多样性。,第二节,控制基因表达的细胞信号转导网络SignalTransductionNetworkControllingGeneExpression,一、细胞通过改变基因表达状态适应细胞内外环境,基因表达谱的改变是细胞信号转导的最重要效应之一,无论是可溶性的细胞间化学信号，还是位于相邻细胞的膜表面化学信号都需要经由受体进行信号的传递，而这些传递的许多中间环节和终点效应都涉及到基因表达的调节控制,二、细胞内存在复杂的控制基因表达的信号转导网络,（二）信号转导网络在转录后水平调控基因表达,（一）信号转导通路在转录水平调控基因表达,DNA调节序列的修饰、染色质的结构状态、各种转录因子及转录辅因子,影响mRNA稳定性和翻译速度的各种RNA结合蛋白、miRNA、参加蛋白质生物合成全过程的多种蛋白分子及其复合体,接受细胞信号诱导的转录因子分类,细胞内众多的组织特异性或可调控的转录因子接受受体传递的信号，依据细胞分工和功能的需求实现基因表达的时空特异性,影响转录共调节因子p300的信号通路,（三）细胞内有几种（形式）连接信号转导通路与基因表达的重要开关,1.可逆磷酸化是连接细胞信号转导与基因表达调控的重要开关,2.G蛋白/小G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路的开关,（四）生物大分子相互作用是信号转导网络控制基因表达的物质基础,第三节,核受体介导的基因表达调控信号转导NuclearReceptorMediated-GeneExpressionControlSignaling,细胞内的受体蛋白有的位于细胞核内，有的位于细胞质中，但是大多为DNA结合蛋白，具有转录因子活性，直接调节细胞的基因表达，因此被称为核受体（nuclearreceptors，NR）,一、核受体超家族大多具有转录因子结构,核受体的基本结构,二、配体类型或结构域是核受体超家族分类的依据,三、核受体作为转录因子直接调节靶基因的表达,第四节,膜受体介导的信号转导通路与基因表达调控GeneExpressionLinkedtoMembraneReceptorMediated-SignalTransduction,一、膜受体介导的信号转导途径与基因表达调节偶联,细胞膜受体依据结构和信号转导机制的差异可以分为3种类型：,离子通道受体G-蛋白偶联受体单次跨膜受体,三种膜受体的特点,在三类膜受体中，除离子通道型受体外，G蛋白偶联受体和单跨膜的酶相关受体所传递的信号通路都直接有基因表达调节分子作为传递通路中的效应分子，相关的信号转换引起基因表达谱的改变，实现细胞间信号对细胞功能的调节,（一）G蛋白偶联型受体信号通路与基因表达调控的偶联,G蛋白偶联受体（GPCR）得名于这类受体的细胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信号转导的第一步反应都是活化G蛋白。G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用,G蛋白偶联受体(G-proteincoupledreceptors,GPCRs)又称七次跨膜螺旋受体/蛇型受体(serpentinereceptor),G蛋白偶联受体的结构矩型代表-螺旋，N端被糖基化，C端的半胱氨酸被棕榈酰化。,受体与配体结合后引起跨膜区螺旋发生重排从而改变细胞内环状结构与羧基末端的构象，暴露出G蛋白识别位点,G蛋白(guanylatebindingprotein),是一类和GTP或GDP相结合、位于细胞膜胞液面的外周蛋白，由、三个亚基组成。有两种构象：非活化型；活化型,G蛋白循环,R,H,AC,腺苷酸环化酶,AC,ATP,cAMP,GTP,哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应,此类受体的信息传递可归纳为,胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号,血管紧张素II受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导,血管紧张素II（AngiotensinII）受体亦属于G蛋白偶联受体，但是偶联的G蛋白的亚基为q，通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。,ACEI（血管紧张素转换酶抑制剂）ARB（血管紧张素受体拮抗剂）,（二）单跨膜（酶偶联）受体介导信号的终效应分子许多是转录调节因子,酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，亦称为单跨膜受体。酶偶联受体种类繁多，但是以具有PTK活性和与PTK偶联的受体居多。,受体型蛋白酪氨酸激酶（receptorstyrosinekinases，RTKs）蛋白酪氨酸激酶偶联受体（tyrosinekinase-coupledreceptors，TKCRs）受体型蛋白酪氨酸磷酸酶（receptorstyrosinephosphatases，RTPs）受体型蛋白丝/苏氨酸激酶（receptorsserine/threoninekinase，RSTK）受体型鸟苷酸环化酶（receptorsguanylatecyclases，RGCs）,常见的酶偶联受体,二、几种典型的信号转导通路与基因表达调控偶联,1、酪氨酸激酶受体（RTK）,EGFR介导的Ras-MAPK信号途径与基因表达调控偶联,表皮生长因子受体（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一个典型的受体型PTKRasMAPK途径是EGFR的主要信号通路之一,EGFR介导的Ras-MAPK信号途径与基因表达调控,EGFR介导的信号转导过程,细胞外信号EGF、PDGF等,具PTK活性的受体,Ras-GTP,细胞膜,二聚化,配体RPTK二聚化SH2-Grb2-SH3Pro-SosRasRaf（MAPKKK）MEK(MAPKK)ERK(MAPK)进入细胞核转录因子基因表达。,2、丝氨酸/苏氨酸激酶受体（RTK）,转化生长因子（transformgrowthfactor,TGF）受体,受体活化后通过信号分子Smad介导的途径调节靶基因转录，影响细胞的分化。细胞内有数种Smad存在，参与TGF家族不同成员（如骨形成蛋白等）的信号转导。,3、蛋白酪氨酸激酶偶联受体(TKCRs),JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号,干扰素受体介导的信号转导通路与基因表达调控,肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclearfactor-B，NF-B）通路,细胞信号转导过程的特点和规律,对于外源信息的反应信号的发生和终止十分迅速；信号转导过程是多级酶反