第八章 细胞信号转导.ppt

1,第八章细胞信号转导,码：cellbiology2012,路径：网盘ebox同步文件夹细胞生物学课件,路径：网盘ebox同步文件夹学生问题,2,本章要点：,细胞信号转导概述细胞内受体介导的信号转导G蛋白耦联受体介导的信号转导酶连受体介导的信号转导细胞表面整联蛋白介导的信号转导信号的整合与控制,3,一、细胞通讯（cellcommunication）1.概念：是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。,第一节概述,4,2.细胞通讯的方式,细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯。细胞间接触依赖性的通讯。细胞间形成间隙连接或胞间连丝实现细胞间的通讯。,5,细胞分泌化学信号的作用方式可分为4种类型：,内分泌（激素）旁分泌（某些生长因子）自分泌通过化学突触传递神经信号,6,不同的细胞间通讯方式,7,3.细胞通讯过程,细胞通讯中两个基本概念的理解：信号传导（cellsignalling)-强调信号的产生与细胞间传送。信号转导（celltransduction)-强调信号的接收与接收后信号转换的方式和结果。,8,细胞表面受体介导的细胞通讯的六个基本步骤：,细胞内化学信号分子的合成与释放；化学信号分子运送至靶细胞；信号分子与靶细胞质膜上特异性受体结合并激活受体；信息的跨膜转导,将胞外信号转导为胞内信号，启动细胞内一种或多种信号转导途径；引起细胞的应答反应（生物学效应：功能、代谢或发育的改变）信号的解除并导致细胞应答反应的终止。,9,二、细胞的信号分子与受体,（一）信号分子1.概念：是细胞的信息载体，包括化学信号激素、局部介质、神经递质等，和物理信号如声、光、电和温度的变化。,10,2.化学信号的分类：,亲脂性信号分子：特点：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质或细胞核中受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达。主要代表为甾类激素和甲状腺素,11,亲水性信号分子：特点：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。主要包括神经递质、生长因子、局部化学介质、大多数激素。气体性信号分子：NO是第一个被发现的气体信号分子.,12,（二）受体,1.概念：一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。多数为糖蛋白，少数为糖脂（如霍乱毒素受体和百日咳毒素受体），有的是糖蛋白和糖脂的复合物(如促甲状腺素受体）。,13,2.分类：细胞内受体细胞表面受体,小的亲脂性的信号分子,亲水性的信号分子,14,细胞内受体,位于细胞质基质或核基质中；识别并结合小的脂溶性分子；通常是基因调控蛋白（转录因子）或酶，与信号分子结合后被激活。,15,细胞表面受体,离子通道耦联受体G蛋白耦联受体酶连受体,16,3.特点：,同一信号分子，如乙酰胆碱，作用于不同靶细胞的受体后，产生不同的生物学效应。同一靶细胞上不同的受体应答不同的胞外信号产生相同的生物学效应。每种细胞都有自身的一套受体。,乙酰胆碱结构式,作用于唾腺细胞引分泌,作用于心肌细胞降低收缩频率,作用于骨骼肌细胞引起收缩,17,1.概念：细胞外的信号分子（第一信使）与受体作用后在细胞内最早产生的信号分子称为第二信使，其功能是启动和协助细胞内信号的逐级放大。2.包括cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3)、二酰基甘油（DAG）等。,三、第二信使与分子开关,激活PKA,激活ER钙通道,激活PKG,激活PKC,18,3.分子开关：活化失活（1）GTPase开关蛋白（2）靶蛋白的磷酸化和去磷酸化,失活,活化,靶蛋白,靶蛋白,OH,P,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,19,二、信号转导系统及其特性,（一）信号转导系统的基本组成与信号蛋白,基本组成4个步骤：细胞表面受体识别信号分子信号的跨膜转导，产生第二信使信号放大级联反应受体下调,20,第二节细胞内受体介导的信号转导,细胞内核受体及其对基因表达的调节NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合。,21,一、细胞内核受体对基因表达的调节配体：为脂溶性、相对分子量小，可直接穿膜，类固醇激素、视黄酸、维生素D等；受体的本质：依赖激素激活的基因调控蛋白；受体由三部分组成：C端-激素结合位点中部-DNA或抑制性蛋白的结合位点N端-转录激活结构域,22,转录激活结构域,激素结合位点,DNA结合结构域,抑制蛋白复合物,A:细胞内受体蛋白作用模型,B:几种胞内受体蛋白超家族成员,雌激素受体,皮质醇受体,孕酮受体,维生素D受体,甲状腺素受体,视黄酸受体,非活化状态,活化状态,23,核内受体信号传递途径,类固醇激素诱导的基因活化：（1）初级反应阶段：直接激活少数特殊基因，快速发生。（2）次级反应阶段：直接反应产物再激活其它基因，对初级反应起放大作用。,24,1998年R.Furchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖,二、NO介导的信号通路-进入靶细胞直接与酶结合,25,1.NO概述,NO为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞；血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞；NO的生成以精氨酸为底物由NO合成酶（NOS)催化；NO的效应酶是鸟苷酸环化酶，导致cGMP合成增多。,26,2.NO导致血管平滑肌舒张的作用机制？,血管神经末梢释放乙酰胆碱作用于血管内皮细胞G蛋白耦联受体并激活磷脂酶C，通过第二信使导致细胞质Ca2+浓度增加；Ca2+结合钙调蛋白刺激一氧化氮合成酶，以精氨酸为底物在内皮细胞中合成NO;NO扩散进入临近的平滑肌细胞，在那里结合并激活鸟苷酸环化酶，该酶使GTP转变成cGMP；cGMP活化蛋白激酶G，从而抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，导致血管平滑肌细胞松弛，血管舒张。,27,硝酸甘油治疗心绞痛：其作用机理是在硝酸甘油代谢生成NO，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，从而增加心脏供血。,3.NO与药物,28,第三节G蛋白耦联受体介导的信号转导,29,一、G蛋白耦联受体的结构与激活：,概念：G蛋白耦联的受体是指配体-受体复合物与靶蛋白（酶或离子通道）的作用要通过与G蛋白的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将包外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。,30,2.受体结构：,受体为7次跨膜蛋白；受体胞外结构域识别并结合胞外信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联；3.与受体结合的信号分子的广泛性。包括多种肽类激素、局部介质、神经递质等。,31,4.G蛋白的结构,全称：三聚体GTP结合调节蛋白，位于细胞质膜的原生质表面；由、三个亚基组成，G二聚体及G亚基通过共价结合脂分子锚定于膜上；G亚基具有GTP酶活性，是分子开关蛋白，与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态。,32,胞外信号结合所诱导的G蛋白的活化,5.G蛋白的活化过程,G-GTP结合并激活效应器蛋白，从而传递信号。,33,二、G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路,以cAMP为第二信使的信号通路磷脂酰基醇双信使信号通路G蛋白耦联受体介导的离子通道信号通路,34,(一)cAMP信号通路,概念：细胞外信号与相应受体结合，激活G蛋白耦联系统，激活效应酶腺苷酸环化酶（AC），导致细胞内第二信使cAMP的水平变化而激活蛋白激酶A（PKA），最终引起细胞应答。,35,腺苷酸环化酶,跨膜12次的膜蛋白，胞质侧有2个催化结构域；结合GTP的Ga亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化；在Mg2+、Mn2+存在条件下能将ATP转变成cAMP.,36,腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP,环腺苷磷酸二酯酶降解cAMP为5AMP,2.cAMP浓度的调节,cAMP浓度的调节是细胞快速应答胞外信号的重要分子基础,37,3.激活型和抑制型cAMP信号通路,不同的信号分子与相应的受体（Rs、Ri）结合，耦联相应的三聚体G蛋白(GSGi)从而激活或抑制腺苷酸环化酶的活性，提高或降低cAMP的水平。激活型三聚体G蛋白和抑制型三聚体G蛋白含相同的G二聚体。,s:stimulationi:inhibition,38,脂肪细胞激素诱导的腺苷酸环化酶的激活与抑制,39,4.蛋白激酶A(PKA)：结构：由两催化亚基和两调节亚基组成；功能：PKA在不同细胞中作用于不同的底物，PKA的活化导致细胞产生不同的应答反应。,调节亚基,催化亚基,40,PKA的细胞质功能-激活靶酶影响细胞代谢（快速应答胞外信号）,PKA的细胞核功能-开启基因表达合成特异性蛋白（缓慢应答胞外信号）,41,胰高血糖素和肾上腺素刺激肝细胞促进血糖升高的生物学机制（信号转导机制）？,胰高血糖素或肾上腺素同细胞表面受体特异性结合；通过激活G蛋白活化腺苷酸环化酶；激活的腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP，cAMP同蛋白激酶A的调节亚基结合，将PKA激活，活化的PKA使糖原合成酶磷酸化从而抑制葡萄糖合成糖原，同时PKA可使磷酸化酶激酶磷酸化而促进糖原分解为1-磷酸葡萄糖，最后生成葡萄糖进入血液循环。,PKA的细胞质功能,42,被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转位进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化。磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。,PKA的细胞核功能,CREB：cAMPresponseelementbindingprotein,43,反应链：信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A细胞产生不同的应答反应,44,（二）磷脂酰肌醇信号通路,概念：胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上的磷脂酰肌醇（PI)最终水解为三磷酸肌醇（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，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。,45,反应链：胞外信号分子G蛋白偶联的受体G蛋白磷脂酶C(PLC),IP3胞质Ca2+浓度升高Ca2+-CaM复合体靶蛋白磷酸化细胞应答DAG激活PKC靶蛋白或基因调控蛋白的磷酸化细胞应答,磷脂酰肌醇信号通路图解,46,1.IP3引起胞质溶胶中Ca2+浓度的升高,IP3打开内质网膜上的IP3-门控Ca2+通道，细胞质基质中Ca2+浓度迅速升高；细胞质基质中Ca2+浓度是严格受控的，其浓度升高是暂时的。IP3信号的终止通过依次的去磷酸化形成自由的肌醇而实现。,47,1.2.3内质网膜及质膜上的的Ca2+通道（顺浓度梯度）,4.5质膜和内质网膜上的Ca2+泵（逆浓度梯度）,6.质膜上的Na+-Ca2+交换器（逆浓度梯度、可兴奋细胞）,1,2,3,4,5,6,细胞内Ca2+水平调控示意图,48,钙调蛋白（calmodulin)是真核细胞中的Ca2+应答蛋白，含4个结构域,每个结构域可结合一个Ca2+.,Ca2+-CaM复合体通过激活不同的靶酶（钙调蛋白激酶）调节细胞行为.,2.Ga2+-CaM复合体,49,3.DAG激活蛋白激酶C(PKC),细胞质基质中Ca2+浓度的升高，导致PKC转位到质膜内表面(Ca2+依赖性），被DAG活化,PKC通过使底物蛋白磷酸化使细胞产生应答反应。,DAG信号作用的终止：靠DAG激酶的磷酸化和DAG酯酶的水解而终止DAG的信使作用。,50,活化的PKC可通过两条途径增强特殊基因的转录,PKC通过激活一条蛋白激酶的级联反应，最终激活MAPK,MAPK转位进入细胞核，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化合活化，进而增强特异基因的转录。PKC的活化导致抑制蛋白的磷酸化，使胞质中的基因调控蛋白摆脱抑制状态，进入细胞核，激活特殊基因的转录。,途径1,途径2,MAPK（mitogen-activatedproteinkinases）丝裂原活化蛋白激酶是细胞内的一类丝氨酸苏氨酸蛋白激酶。,51,小结：磷脂酰肌醇信号通路,52,（三）G蛋白耦联受体介导的离子通道,、离子通道耦联受体及其信号转导,多亚基组成的受体、离子通道复合体，既是受体又是配体门控离子通道。,乙酰胆碱门控Na+和Ca2+通道（N-型乙酰胆碱受体）,53,、G-蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控,心肌细胞膜的M-型乙酰胆碱受体通过G蛋白与K+通道相联系。K+通道开放，使膜超极化，降低心肌收缩频率。,54,55,第四节酶连受体介导的信号转导,酶连受体又称为催化性受体，通常为跨膜蛋白。分为两种情况：其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，NGF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。已知五类：1.受体酪氨酸激酶。2.受体丝氨酸/苏氨酸激酶。3.受体酪氨酸磷脂酶。4.受体鸟苷酸环化酶、5.酪氨酸激酶连接的受体。,56,1.受体酪氨酸激酶,受体酪氨酸激酶（receportyrosinekinase,RTK）已鉴定50余种，包括6个亚族；RTKs为单体蛋白:含胞外结构域、一个疏水的跨膜a螺旋、胞内结构域；RTKs的信号分子：神经生长因子（NGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、上皮生长因子（EGF）、胰岛素(insulin)；RTKs的主要功能控制细胞的生长、分化。,一、受体酪氨酸激酶(RTK)及RTK-Ras蛋白信号通路,57,受体酪氨酸激酶（RTK）的6个亚族,58,2.受体酪氨酸激酶的激活,配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性,在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。细胞质中有SH2结构域的信号蛋白与磷酸化的酪氨酸残基结合，信号在细胞内传递。,59,配体的结合导致RTK二聚化与自磷酸化,信号分子与受体结合导致受体的二聚化。受体构象改变，激活酪氨酸激酶活性，发生自磷酸化/交叉磷酸化。,60,活化的RTK结合含SH2结构域的胞内信号蛋白，如GRB2和PLC和GAP等,3.活化的RTK激活Ras,GRB2与活化的RTK和Sos结合，接近Ras-GDP促进其生成Ras-GTP,Ras是单体GTP结合蛋白，有GTPase活性。结合GTP时为活化态，结合GDP为失活态。,61,GDP的释放需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Ras蛋白的GTP酶活性受GAP（GTPaseactivatingprotein,GTP酶活化蛋白）的促进。,Ras蛋白GTP-GDP转换机制,62,4.RAS信号途径MAPK磷酸化级联反应MAPK转位进入细胞核使基因调控蛋白磷酸化细胞应答,63,小结：详述RTK-Ras信号通路,RTK-Ras信号通路可概括如下：配体RTKadaptor（如GRB2)GEF（如Sos)RasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子磷酸化基因表达。,64,二、细胞表面其他酶连受体,（一）受体丝氨酸/苏氨酸激酶是单次跨膜蛋白受体，在胞内区具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，该受体以异二聚体行使功能。主要配体是转化生长因子-。（TGF-。）。,（二）受体酪氨酸磷酯酶为单次跨膜蛋白受体，胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。,（三）受体鸟苷酸环化酶是单次跨膜蛋白受体，胞外段是配体结合部位，胞内段为鸟苷酸环化酶催化结构域。受体的配体心房排钠肽（ANPs）和脑排钠肽（BNPs）。ANPs与受体结合直接激活胞内段鸟苷酸环化酶的活性，使GTP转化为cGMP，cGMP作为第二信使结合并激活依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG），导致靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,65,（四）酪氨酸激酶连接的受体为单次跨膜蛋白，不具有酶活性，但与配体结合后发生二聚化而激活，罗织或连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），其信号途径为JAKSTAT或RAS途径。,JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signaltransducerandactivatoroftranscription）。STAT被JAK磷酸化后发生二聚化，然后穿过核膜进入核内调节相关基因的表达。,66,1、配体cytokine与受体结合导致受体二聚化；2、二聚化受体激活JAK；3、JAK将STAT磷酸化；4、STAT形成二聚体，暴露出入核信号；5、STAT进入核内，调节基因表达。,JAKSTAT途径,67,三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导,体外培养的正常细胞在悬浮培养的条件下不能生长、分裂细胞的增殖必须依赖于细胞表面和细胞外基质之间建立接触。细胞外基质主要组分：纤黏连蛋白、胶原蛋白、蛋白聚糖等。,68,整联蛋白(integrin)：细胞表面的跨膜蛋白，由和亚基组成,具有供各种胞外物质（包括纤黏连蛋白、胶原蛋白等）结合的位点。其作用不仅使细胞附着于基质上，同时也提供了一种细胞外环境可以调节细胞内活动的途径。,69,黏着斑(focaladhesions)：细胞与胞外基质之间形成的复杂的大分子复合体，含成簇的整联蛋白、细胞质蛋白和肌动蛋白纤维。其组装受信号控制，具有信号转导功能。酪氨酸激酶Src（src编码的蛋白）：一种定位在黏着斑结构中的酪氨酸激酶。黏着斑激酶FAK(focaladhesionkinase)：黏着斑激酶，可被活化的Src激活。,70,反应链：与整联蛋白结合的胞外配体整联蛋白黏着斑的形成激活Src激活FAKGRB2-SosRas活化MAPK细胞核的基因转录,71,第五节信号的整合与控制,一、细胞对信号的整合收敛（convergence）不同类型的受体识别与结合各自的特异性配体。来自各种非相关受体的信号，可以在细胞内汇聚、收敛，激活一个共同的效应器，从而引起细胞生理、生化反应和细胞行为的改变。,72,来自细胞表面G蛋白耦联受体、整联蛋白和受体酪氨酸激酶所转导的信号都收敛到Ras蛋白，然后沿MAPK级联反应途径向下传递。,细胞对信号的整合-收敛,73,发散（divergence）：来自同一配体的信号可以发散性的激活各种不同的效应器，从而表现出细胞信号转导的发散性特征。,74,4条平行的胞内信号通路间的交叉对话,3.交叉对话（crosstalk）：不同的信号