细胞通讯与信号转导-细胞生物学

“饥肠辘辘”“狼吞虎咽”生理学问题:什么信号触发胰腺腺泡细胞的分泌颗粒释放(胰腺消化酶分泌)?,生物合成分泌途径,胞吞途径,生物合成分泌途径3.高尔基体到细胞表面Biosynthetic-secretorypathway,fortheirdiscoveriesconcerningthestructuralandfunctionalorganizationofthecell,Intheearly1950s,Thechoiceofthepancreaticexocrinecell,averyefficientproteinproducer,astheobjectforourstudiesreflectedinpartourtraining,andinpartourenvironment.Iwascomingfromamedicalschool.PhilipSiekevitzwascomingfromagraduateschoolwithaPh.D.inBiochemistry.OurenvironmentwastheRockefellerInstituteforMedicalResearch.Butperhapsthemostimportantfactorinthisselectionwastheappealoftheamazingorganizationofthepancreaticacinarcellwhosecytoplasmispackedwithstackedendoplasmicreticulumcirsternaestuddedwithribosomes.Itspictureshadformetheeffectofthesongofamermaid:irresistibleandhalftransparent.,医学问题:霍乱毒素如何引起腹泻?,第十一章细胞通讯与信号转导CellCommunication&Signaling,细胞生活在社会中单细胞：细胞与环境多细胞：细胞与细胞、与环境,细胞生存要求它们能感知环境中信号，并对之作出反应。多细胞生物的不同细胞之间需要协调互相关系，共同应对环境信号。这些需求通过细胞通讯和信号转导实现。,酵母对邻近细胞释放的交配因子发生反应而形成朝向因子源头的突起shmoos,卵子受精引发胞质溶胶钙离子快速增加，并形成从精子进入部位向整个细胞播散的钙波。这个钙波刺激质膜发生改变，防止其他精子进入，并启动受精卵发育电影,细胞信号转导：,细胞通讯：,-细胞之间通过分泌信号分子或直接接触而相互实施调控。,-细胞感受环境信号、把这种信号转导入细胞内，并做出反应的过程。,细胞信号转导是细胞对环境做出反应及细胞之间相互通讯、调控的手段。,物理性光、温度、压力、辐射等化学性激素、生长因子、细胞因子、神经递质、气体等,信号：,细胞对信号的反应:,1.细胞质：蛋白质活性改变2.细胞核：基因表达改变-转录出新的或更多的蛋白质,细胞信号转导的研究内容,对环境作出反应：皮肤黑素细胞在紫外线照射下黑色素生成增多视网膜视杆细胞的感光作用细胞之间的通讯：心肌细胞的同步跳动运动神经末梢对肌肉的支配雄激素对靶细胞的作用白细胞的趋化运动,上世纪90年代以来信号转导研究领域获诺贝尔奖的科学家,1991，Nelzer和sokmann：离子通道1992，Krebs和Fisher：糖原代谢中蛋白质的可逆磷酸化1994，Gilman和Rodbell：G蛋白信号传导1998,Palmer，NO的信号传导,第一节细胞通讯与信号转导的基本知识第二节受体及其信号转导途径第三节细胞信号转导的调节第四节细胞信号转导途径之间的相互作用,第一节细胞通讯与信号转导的基本知识,一、细胞通讯的分类二、细胞通讯与信号转导系统的构成三、细胞通讯与信号转导的一些特点,一、细胞通讯的分类1.接触依赖型2.旁分泌型3.突触型4.内分泌型5.自分泌型6.间隙连接型,1.接触依赖型,2.旁分泌型,3.突触型,5.自分泌型,4.内分泌型,6.间隙连接型,GAPJUNCTION,AUTOCRINE,细胞通讯的分类(信号发放细胞-靶细胞),1.接触依赖型锚着于质膜上的信号分子直接接触靶细胞质膜上受体。如膜抗原递呈分子被免疫细胞识别。2.旁分泌型信号释放至附近基质，作用于局部。如生长因子。3.突触型信号为神经递质，释放至突触间隙，作用于突触后膜（另一个神经元）。如乙酰胆碱与其受体。4.内分泌型信号为激素，经血液作用于全身靶细胞。如性激素与其受体。5.自分泌型信号释放至周围基质，作用于自身。如细胞因子。6.间隙连接型信号经缝隙连接作用于相邻细胞。如cAMP。,二、细胞通讯与信号转导系统的构成信号转导的基本模式:细胞外信号分子被细胞的信号接收装置(受体)所感知,然后细胞内的信号转导装置(一系列信号转导蛋白)被依次激活,信号借此逐步传递下去,最后,特定的靶蛋白(参与代谢的酶、基因调节蛋白、细胞骨架蛋白等)被激活，由此引起细胞的各种反应。,二、细胞通讯与信号转导系统的构成,信号接收装置,信号转导装置,靶蛋白,信号分子,效应,细胞信号转导系统的构成,信号接收装置：受体(膜、胞内)信号转导装置：G蛋白、蛋白激酶、接合蛋白细胞内信使：cAMP,cGMP,IP3,DG,Ca2+效应分子：转导蛋白或信使的靶分子靶蛋白：代谢酶、基因调控蛋白（转录因子）等,二、细胞通讯与信号转导系统的构成信号转导系统的构成：1.信号接收装置2.信号转导装置3.第二信使,信号接收装置:入室线座(电信号)-膜受体信号转导装置:座机-转导蛋白信号传出装置:听筒(声音)-第二信使,信号：黄体生成素细胞：睾丸间质细胞反应：雄激素生成增多,细胞信号转导模式图,受体:位于细胞膜表面或细胞内部的一类特殊蛋白质,能特异地识别信号分子(配体),并以很高的亲和力与之结合,从而启动细胞内信号转导通路。1.细胞表面受体(膜受体)2.细胞内受体（核受体）,信号接收装置-受体receptors,信号接收装置-受体receptors细胞表面受体(膜受体membranereceptors)其配体为水溶性2.细胞内受体（核受体nuclearreceptors）,其配体为脂溶性,膜受体种类：1.离子通道偶联受体存在于电兴奋性细胞（神经、肌肉细胞）之间的突触部位，是神经递质的受体，将化学信号转变为电信号。如乙酰胆碱受体。2.G蛋白偶联受体许多激素和神经递质的受体,如肾上腺素受体。3.酶偶联受体生长因子和细胞因子的受体。其胞内结构域本身具有酶活性或与酶偶联。,膜受体分类,G蛋白偶联受体(Gproteincoupledreceptor,GPCR)离子通道偶联受体(Ion-coupledreceptor)酶活性相关受体1)酪氨酸激酶偶联受体(Tyrosinekinasecoupledreceptor)2)酪氨酸激酶活性受体(受体酪氨酸激酶,Receptortyrosineprotein,RTK)3)其他酶活性受体,信号接收装置:膜受体,G蛋白偶联受体,离子通道偶联受体,酶偶联受体,1、一系列蛋白质2、依次经历活化-失活,构成从膜受体到细胞核之间的信号传导链。,信号转导装置-转导蛋白transductionproteins,信号转导装置:转导蛋白,1.接力蛋白-将信号传至相邻下游分子2.信使蛋白-将信号传至细胞内另一亚区3.接合蛋白-通过特定结构域偶联其上下分子4.信号放大蛋白-生成大量调节性小分子即第二信使5.信号转换蛋白-将信号转换成另一种形式6.切分蛋白-接收一条线路输出至多条7.整合蛋白-接收多条线路并整合/输出至一条8.潜在基因调节蛋白-膜受体自身活化后移入核内,信号转导装置:转导蛋白,图1516,接合蛋白信号放大蛋白,在细胞内信号途径上某些节点快速大量增多、能迅速将信号播散至各个下游通路、然后又被快速灭活的小分子。又被称为第二信使（胞外信号为第一信使）,腺苷酸环化酶(AC),ATP,cAMP,细胞内信使intracellularmessenger,细胞内信使(第二信使)在细胞内信号途径上某些节点快速大量增多、能迅速将信号播散至各个下游通路的小分子。,Ca2+作为细胞信使的基础,胞浆与胞内Ca2+库或胞外Ca2+存在巨大的浓度梯度化学特性决定了Ca2+易与靶蛋白形成特异、紧密的结合高效率的Ca2+转移系统：Ca2+泵、Ca2+通道,问题：为什么细胞进化出肌质网这样的“钙库”？思考：Ca2+启动哪些生物学效应？,信号从转导蛋白经细胞内信使向下游扩散：G蛋白激活后激活腺苷酸环化酶(AC),导致cAMP大量产生,ATP,cAMP,大量信使分子cAMP迅速扩散,作用于细胞内各部分的其他转导蛋白或靶蛋白.,AC,信号转导系统信号接收装置：膜受体LHR信号转导装置：G蛋白、cAMP依赖的蛋白激酶第二信使：cAMP靶蛋白：类固醇合成酶系SGEs、cAMP反应元件结合蛋白CREB,信号接收装置,信号转导蛋白,细胞内信使(第二信使),靶蛋白,信号黄体生成素LH,反应雄激素生成增多,三、细胞通讯与信号转导的一些特点1.信号组合及其效应2.信号转导蛋白的“分子开关”特性3.信号蛋白通过特定结构域相互作用4.信号转导复合体的形成,1.信号组合及其效应,同一细胞对不同的信号(或其组合)有不同的反应EGF:分裂RA:分化TNF:死亡肾上腺素:特化的生物学行为,如分泌,收缩,糖原分解,不同细胞对同一信号如乙酰胆碱有不同反应心肌细胞:心率及收缩力降低唾液腺细胞:分泌唾液骨骼肌细胞:收缩,同一细胞对不同的信号(或其组合)有不同的反应,不同细胞对同一信号如乙酰胆碱有不同反应,动画,2.信号转导蛋白的“分子开关”特性,信号转导蛋白收到上游信号后迅速活化，在活化状态下完成信号向下游传递，然后自身失活，恢复非活化状态，以接收新一次的上游信号。信号转导蛋白每经历一次活化非活化变换，就传导一次信号。具有这种特征的信号转导蛋白叫作分子开关molecularswicth。,1、磷酸化-去磷酸化phosphorylation-dephosphorylation,2、G蛋白(proteineG)上GTP-GDP,分子开关有两大类型：,磷酸化-去磷酸化phosphorylation-dephosphorylation,2.信号转导蛋白的“分子开关”特性,激酶（kinase）使底物磷酸化磷酸酶（phosphotase）使底物去磷酸化每个信号转导蛋白可以是激酶的底物，自身又可以作为激酶，使其他底物磷酸化，从而将信号逐级传递并放大,GTP结合蛋白(GTPbindingprotein),2.信号转导蛋白的“分子开关”特性,G蛋白就是GTP结合蛋白，能与GTP结合并能水解GTPG蛋白与GTP结合时为活化状态，将信号向下游传递。GTP被水解成GDP后G蛋白失活。,3.信号蛋白通过特定结构域相互作用,许多信号转导蛋白之间可以通过能互相识别的特定结构域发生直接的相互作用，发生聚合，形成三维网络，由此决定信号的传递途径。这些结构域有相似结构。,3.信号蛋白通过特定结构域相互作用,4.信号转导复合体的形成,通过形成信号转导复合体,提高信号转导的速度、效率和特异性。两种形式：1通过脚手架蛋白把一组转导蛋白组织为一个信号转导复合体。2激活的受体胞内段暂时性地为多个转导蛋白提供锚定位点，复合体形成。,4.信号转导复合体的形成,1.脚手架蛋白把一组转导蛋白组织为一个信号转导复合体,2.受体胞内段暂时地为多个转导蛋白提供锚定位点,从而形成信号转导复合体,第二节受体及其信号转导途径,一、G蛋白偶联受体信号转导途径二、酶偶联受体信号转导途径三、受调蛋白水解依赖的受体信号转导途径四、细胞内受体,G蛋白偶联受体(Gprotein-coupledreceptor,GPR),CREB,CRE,结果:糖元合成减少分解增多,一.G蛋白偶联受体激活途径例如：肾上腺素促发肌肉细胞糖原分解成葡萄糖,膜受体偶联的G蛋白异三聚体G,G,Gr靶分子：膜上的酶、离子通道不同组合形成各种G蛋白异三聚体,分类:与激活型受体偶联，激活腺苷酸环化酶:Gs与抑制型受体偶联，抑制腺苷酸环化酶:Gi,G蛋白:两类-游离的单体与膜偶联的异三聚体,G蛋白偶联受体的激活,信号分子激活膜受体,受体激活G蛋白(GDP变成GTP),G蛋白激活AC,自己失活(GTP变成GDP).AC产生cAMP,自己失活.,AC产生cAMP,cAMP激活A激酶,A激酶激活CREB,CREB结合至CRE,启动基因转录.,膜受体激活GG与GDP解离,与GTP结合,激活腺苷酸环化酶释放G/GrG(GTP酶活性)水解GTP变成GDPG失活并与G/Gr重新结合,G蛋白异三聚体的作用:,修饰G,使之无法失活,下游效应持续,钠、水外流,霍乱毒素:,GPR-cAMP-PKA信号途径,GPR-cAMP-PKA信号途径,配体可以是激素等受体激活后激活G蛋白，活化G蛋白激活腺苷酸环化酶(AC)AC以ATP为原料，快速大量生成cAMPcAMP激活PKAPKA是激酶，通过使底物发生磷酸化而引起各种生理效应,GPR-cAMP-PKA途径调节的生理活动,糖原分解animation类固醇激素合成,二.酶偶联受体激活途径(受体酪氨酸激酶)例如:生长因子促进细胞增殖,信号分子结合至膜受体(RTK),受体发生二聚化和磷酸化而激活.,Sos激活Ras,活化的Ras将信号传导下去,主要下游途径是MAPK,促进有丝分裂.,激活的RTK通过接合蛋白Grb2与Sos结合,形成信号复合体(RTK-Grb2-Sos).,RTK-Ras-MAPK信号途径,MAPK途径,(MAPK:丝裂原激活蛋白激酶，激活后促进细胞分裂),RTK-Ras-MAPK信号途径,配体为生长因子受体聚合为寡聚体自身磷酸化，构象变化通过接合蛋白（含SH2结构域）Grb2和Sos激活RasRas引起MAPKKK-MAPKK-MAPK级联激活最终激活转录因子:cMyc,cJun,cFos(转录因子结合到基因启动子，促进转录出促增殖蛋白质。）,创伤愈合中的细胞扩增,animation,RTK-Ras-MAPK途径调节的生理活动,三.受调蛋白水解依赖的受体信号转导途径例如：肿瘤坏死因子造成细胞死亡,膜受体激活,通过接合蛋白激活受体作用蛋白激酶RIP,后者又激活一系列激酶.抑制性信号分子被磷酸化,再被泛素化,然后经历蛋白水解.转录因子被解除抑制而激活,进入胞核,与DNA作用促进新蛋白质的转录.,四.细胞内受体(核受体)信号转导途径例如：皮质激素促进脂肪细胞增多和特殊分布,疏水性信号分子：甾体类激素、甲状腺素、维生素D3、维甲酸受体本身是转录因子受体与DNA结合造成靶基因活化,皮质醇,质膜,细胞内受体蛋白,激活的靶基因,转录,细胞核,DNA,RNA,细胞内受体(核受体)激活效应原发/继发,皮质激素,细胞内受体,DNA,激活靶基因转录出新的蛋白质,新的蛋白质对另一些基因起调控作用促进或抑制其转录,转录因子(transcriptionfactor),在GPCR-cAMP-PKA途径中有CREB在RTK-Ras-MAPK途径中有cMyc,cJun,cFos在受调蛋白水解依赖的信号转导途径中有NF-B在核受体信号途径中,核受体自身为转录因子。,转录因子就是基因调控蛋白，通过与DNA上基因调控序列结合，调节基因转录。,细胞受调控后的快速反应：蛋白质活性改变(细胞质),NF-BP50nucleartranslocation(IF),Control,TNF-30mim,细胞受调控后的慢速反应：基因表达改变-转录出新的或更多的蛋白质(细胞核),Control,TNF-1h,Survivin,TNF-4h,请查阅组胚学、生理学书后回答:什么信号触发胰腺腺泡细胞的分泌颗粒释放(胰腺消化酶分泌),第三节细胞信号转导的调节,一、信号转导的一过性二、信号转导的记忆性三、信号转导的放大效应四、信号转导的负性调节,三、信号转导的放大效应,放大效应:少量胞外信号分子大量胞内效应分子1个受体/配体复合物激活多个G蛋白1个G蛋白激活多个AC1个AC产生多个cAMP1个cAMP激活多个PKA(级联反应cascade)放大效应也是严格受控的,信号传导中的级联反应(Cascade)：放大效应,第四节细胞信号转导途径之间的相互作用（略）,一、细胞信号转导途径之间的交谈二、细胞信号转导网络的形成三、信号网络中信号转导的专一性,各条途径有相互作用，甚至形成网络以互相协调，但又保持专一性。,激素与生长因子信号系统之间的交谈,G蛋白偶联受体,与受体酪氨酸激酶两条途径,共用部分环节,激酶激活,肌肉收缩时肾上腺素和神经冲动对糖元分解的协调,糖元降解增加,糖元合成减少,能量供应增加,饥饿时肝细胞中肾上腺素对糖元分解的协调,糖元降解增加,糖元合成减少,血糖升高，能量供应增加,细胞核,细胞质,细胞外,胞间信使,第二信使,第一信使,看视网膜光感受细胞中的信号转导,人们是如何获得这些知识的？,1992年诺贝尔生理医学奖,蛋白质磷酸化,fortheirdiscoveriesconcerningreversibleproteinphosphorylationasabiologicalregulatorymechanism,EdmondH.Fischer,EdwinG.Krebs,1994年诺贝尔生理医学奖,G蛋白,fortheirdiscoveryofG-proteinsandtheroleoftheseproteinsinsignaltransductionincells,AlfredG.Gilman,MartinRodbell,1960年代,1970年代,转导器概念的形成,RealizingfrompainfulexperienceasagraduatestudentthatcommercialpreparationsofATPcontainavarietyofcontaminatingnucleotides,Itestedmanytypesofpurineandpyrimidinenucleotides.GTP,GDP,andITPweretheonlynucleotidesthatmimickedtheeffectsofATP.Mostimportantly,theguaninenucleotidesactedatconcentrationsmuchlower(twotothreeordersofmagnitude)thanATP.,本章重点,重点掌握系通讯和信号转导的基本知识1、细胞通讯：细胞之间可以通过分泌信号分子或直接接触而相互实施调控。2、细胞信号转导：细胞感受环境信号、把这种信号转导入细胞内，并做出反应的过程。,Moviemovie,本章重点,3、细胞通讯有6类：1.接触依赖型2.旁分泌型3.突触型4.内分泌型5.自分泌型6.间隙连接型,本章重点,4、信号转导的基本模式:细胞外信号分子被细胞的信号接收装置(受体)所感知,然后细胞内的信号转导装置(一系列信号转导蛋白)被依次激活,信号借此逐步传递下去,最后,特定的