13+细胞信号转导_2009级医学学班_朱飞舟.ppt

第15章,细胞信息转导,CellularSignalTransduction,细胞通讯（cellcommunication）是体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞（targetcell）接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程称为信号转导（signaltransduction）。,第一节,细胞信号转导概述,TheGeneralInformationofSignalTransduction,细胞应答反应,细胞外信号,受体,细胞内多种分子的浓度、活性、位置变化,细胞信号转导的基本路线,一、细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式,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）。化学信号可以是可溶性的，也可以是膜结合形式的。,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）。,（一）可溶性分子信号作用距离不等,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。,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）是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分，其化学本质是蛋白质，个别糖脂。受体的作用：一是识别外源信号分子，即配体（ligand）；二是转换配体信号，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。,（一）化学信号通过受体在细胞内转换和传递,受体与信号分子结合的特性：,配体-受体结合曲线,（二）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它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、粘附分子等。,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。,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）。,NH2,AAAAA,m7G,Translation,信号转导网络,细胞信号转导的基本方式示意图,第二节,细胞内信号转导相关分子IntracellularSignalMolecules,一、第二信使的浓度和分布变化是重要的信号转导方式,1957年，E.Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），从而提出了cAMP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。,(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。,cAMP和cGMP的结构及其代谢,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）；PDE对cAMP和cGMP的水解具有相对特异性；如，PDE2可水解cGMP和cAMP，cAMP特异性PDE有PDE3和PDE4。,3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性,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）。,cGMP激活PKG示意图,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,（二）脂类也可作为胞内第二信使,具有第二信使特征的脂类衍生物:,二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG）花生四烯酸（arachidonicacid，AA）磷脂酸（phosphatidicacid，PA）溶血磷脂酸（lysophosphatidicacid，LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate，PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）,这些脂类衍生物都是由体内磷脂代谢产生的。,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成,催化这些信使生成的酶有两类：,一类是磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（phospholipaseC，PLC）；,另一类是各种特异性激酶，即磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositolkinases,PIKs），催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成,2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子,脂类第二信使作用于靶分子，引起靶分子的构象变化。第二信使种类、靶分子不同，构象改变后的效应也不同。,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。,淋巴细胞和嗅觉细胞,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。,PKC作用的底物包括质膜受体、膜蛋白、多种酶和转录因子等，参与多种生理功能的调节。,目前发现的PKC同工酶有12种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。,（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）。,专一功能CaM-K,多功能CaM-K,肌球蛋白轻链激酶:调节肌肉收缩磷酸化酶激酶:调节糖原分解延长因子2激酶:调节蛋白合成,Ca2+/CaM-依赖性激酶I,Ca2+/CaM-依赖性激酶II,（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,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。,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。,（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。,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,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,ERK途径包括Raf-MEK-MAPK级联反应,ERK亚家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。ERK的级联激活过程：,蛋白酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号,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,蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号,（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。,重要的信号转导分子低分子质量G蛋白,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。,GTP,GDP,Ras,Ras,SOS,GAP,on,off,Ras的活化及其调控因子,（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。,蛋白质相互作用结构域是形成复合物的基础,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）。,四、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,第三节,各种受体介导的基本信号转导通路SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors,离子通道受体G-蛋白偶联受体单次跨膜受体,细胞内受体,细胞膜受体,受体,三种膜受体的特点,一、细胞内受体多属于转录因子,位于细胞内的受体多为转录因子，与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。该型受体结合的信息物质有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等，它们进入细胞后，有些可与其位于细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物，有些则先与其在细胞质内的受体相结合，然后以激素-受体复合物的形式穿过核孔进入核内。,核受体结构及作用机制示意图,激素反应元件举例,二、离子通道型膜受体是化学信号与电信号转换器,离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道（ligand-gatedreceptorchannel）。配体主要为神经递质。,乙酰胆碱受体的结构与其功能,乙酰胆碱受体结构,乙酰胆碱结合部位,离子通道,顶部观,侧面观,乙酰胆碱受体功能模式图,离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变，即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的。离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和-氨基丁酸的受体。,三、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（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。,GPCR是七跨膜受体（serpentinereceptor）,（一）G蛋白的活化启动信号转导,信号转导途径的基本模式：,配体+受体,G蛋白,效应分子,第二信使,靶分子,生物学效应,G蛋白循环,（二）G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用,活化的G蛋白的亚基主要作用于生成或水解细胞内第二信使的酶，如AC、PLC等效应分子（effector），改变它们的活性，从而改变细胞内第二信使的浓度。可以激活AC的G蛋白的亚基称为s（s代表stimulate）；反之，称为i（i代表inhibit）。,哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应,（三）胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号,利用AC-cAMP-PKA转导信号的部分化学信号,（四）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。,利用PLC-IP3/DG-PKC转导信号的部分化学信号,此外，由于G蛋白亚型的不同，形成多种其他通路和效应，如PDE-cGMP-Na+通道信号转导通路、PLC-IP3-Ca2+/CaM-PK信号转导通路等。,四、单跨膜受体依赖酶的催化作用传递信号,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。,具有各种催化活性的受体,（一）RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路,表皮生长因子受体（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一个典型的受体型PTK。RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路之一。,表皮生长因子受体作用机制：,EGFR介导的信号转导过程,大部分白细胞介素（interlukin,IL）受体属于酶偶联受体。,通过JAK（JanusKinase，蛋白酪氨酸激酶）-STAT（signaltransducerandactivatoroftranscription）通路转导信号。细胞内有数种JAK和数种STAT的亚型存在，分别转导不同的白细胞介素的信号。,（二）JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号,白介素介导的信号转导通路,（三）NF-B是重要的炎症和应激反应信号分子,NF-B是一种几乎存在于所有细胞的转录因子，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。,肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclearfactor-B，NF-B）通路。,NF-B信号转导通路,（四）TGF受体介导的信号转导通路,五、细胞信号转导过