第八章 细胞信号转导72353.ppt

第八章细胞信号转导,第一节概述,一细胞通讯二信号转导系统及其特性,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通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递,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（二）细胞内信号蛋白的相互作用（三）信号转导系统的主要特征,特异性、放大作用、信号终止或下调特征、细胞对信号的整合作用,第三节G蛋白耦联受体介导的信号传导,G蛋白耦联受体,第四节酶连受体介导的信号转导,酶连受体,第五节信号的整合与控制,细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息细胞对信号的控制,（一）细胞通讯的方式,细胞通讯（cellcommunication）（二）信号分子与受体信号分子受体第二信使与分子开关细胞识别（cellrecognition）,一细胞通讯,细胞通讯（cellcommunication）,一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。细胞通讯方式：分泌化学信号进行通讯内分泌（endocrine）旁分泌（paracrine）自分泌（autocrine）化学突触（chemicalsynapse）接触性依赖的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白间隙连接实现代谢偶联或电偶联,胞间通信的主要类型,1细胞间隙连接连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道，允许小分子如Ca2+、cAMP通过。作用：协同相邻细胞对外界信号的反应，如可兴奋细胞的电耦联现象(电紧张突触)。,2膜表面分子接触通讯,即细胞识别，如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。,3化学通讯,细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。,细胞识别（cellrecognition）,概念：细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性地相互作用，进而导致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。信号通路（signalingpathway）细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。,细胞的信号分子与受体,信号分子（signalmolecule）信号：物理信号（光信号、电信号、磁场等）化学信号亲脂性信号分子亲水性信号分子气体性信号分子(NO)（成分：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物）受体（receptor）多为糖蛋白；两个功能区第二信使（secondmessenger）分子开关（molecularswitches）,主要的胞内第二信使,20世纪70年代Sutherland提出第二信使学说第一信使的概念：胞外信号分子。第二信使的概念：第一信使与受体作用后胞内最早产生的信号分子。,第一信使：多为水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，称第一信使。第二信使：起信号转换和放大的作用，如cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+。,胞内第二信使学说图解（1959，Sutherland),受体,1受体的概念受体是一种能识别和选择性结合某种配基（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号转导作用，将细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，最终表现为生物学效应。特点：特异性；饱和性；高度的亲和力。2受体的结构特点多为糖蛋白；至少两个功能区。与配体结合的区域结合特异性产生效应的区域效应特异性3受体的类型4受体的功能,受体类型,细胞内受体:本质是激素激活的基因调控蛋白细胞表面受体:细胞表面受体分属三大家族：离子通道偶联的受体（ion-channel-linkedreceptor）G-蛋白偶联的受体（G-protein-linkedreceptor,GPLRorG-protein-coupledreceptor,GPCR）酶偶连的受体（enzyme-linkedreceptor）第一类存在于可兴奋细胞，后两类存在于大多数细胞。,受体的功能,受体的功能：介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用)信号转导：受体的调节受体的激活（activation）（级联反应）；受体失敏（desensitization）关闭反应、减量调节（down-regulation）降低反应。,通过细胞内受体介导的信号传递,信号分子：甾类激素、甲状腺素、NO等。甾类激素介导的信号通路两步反应阶段：初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录，发生迅速；次级反应：初级反应产物再活化其它基因产生延迟的放大作用。一氧化氮介导的信号通路,通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递与酶偶联的受体,离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递,受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如乙酰胆碱受体；阴离子通道，如氨基丁酸受体。信号途径特点：受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白跨膜信号转导无需中间步骤主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性,G-蛋白偶联的受体介导的信号跨膜传递,G-蛋白偶联受体G-蛋白活化与调节cAMP信号通路磷脂酰肌醇信号通路,其它G蛋白偶联型受体,G蛋白耦联型受体,7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。,G-proteinlinkedreceptor,三聚体GTP结合蛋白，即，G蛋白：组成：，和属脂锚定蛋白。作用：分子开关。亚基结合GDP失活，结合GTP活化。也是GTP酶，催化结合的ATP水解，恢复无活性状态，其GTP酶活性可被GAP增强。,G蛋白偶联受体（GPCR）种类繁多，真核细胞普遍表达（7次跨膜）信号分子包括：感觉信号（光、嗅、声等）；激素、神经递质等。GPCR的效应器：AC、PLC、PLA2、GRK（GPCR激酶）、PDE、PI3K、离子通道等,其它G蛋白偶联型受体,1化学感受器中的G蛋白气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。,RichardAxel,LindaB.Buck,2视觉感受器中的G蛋白,黑暗时视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠通道开放，钠内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时视紫红质作用于G蛋白，激活磷酸二酯酶，cGMP浓度下降，形成光感受。,细胞表面其它与酶偶联的受体,受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）酪氨酸蛋白激酶联系的受体两大家族：一是与Src蛋白家族相联系的受体；二是与Janus激酶家族联系的受体。信号转导子和转录激活子（signaltransducerandactvatoroftranscription，STAT）与JAK-STAT途径。,受体丝氨酸/苏氨酸激酶,配体是转化生长因子-s家族成员，包括TGF-1-5。依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。,受体酪氨酸磷酯酶,使特异的胞内信号蛋白去磷酸化。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水平。与酪氨酸激酶协同工作，如参与细胞周期调控。,受体鸟苷酸环化酶,位于肾和血管平滑肌细胞，配体为ANP或BNP。血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，血管平滑肌松弛，血压下降。信号途径为：配体受体鸟苷酸环化酶cGMP依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,细胞因子受体超家族,包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信号途径为JAKSTAT或RAS途径。,cAMP信号通路,信号通路：组分及其分析G-蛋白偶联受体;G-蛋白;腺苷酸环化酶;PKAGPCR的失敏（desensitization）与减量调节细菌毒素对G蛋白的修饰作用cAMP作用的多样性,信号通路,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下游靶蛋白基因调控蛋白基因转录,cAMPactivateproteinkinaseA,whichphosphorylateCREB（CREbindingprotein）proteinandinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNAwithamotif5TGACGTCA3,GPCR的失敏：例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。受体活性快速丧失（速发相）-失敏（desensitization）；机制：受体磷酸化受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。两种Ser/Thr磷酸化激酶：PKA和肾上腺素受体激酶（ARK），负责受体磷酸化；胞内协作因子捕获蛋白（arrestin）-结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（arrestin已克隆、定位11q13）。反应减弱（迟发相）-减量调节（down-regulation）机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adaptors作用；受体减量调节与内吞后受体的分选有关。,cAMP作用模式多样,在低等生物网柄基菌(Dictyostelium)中，它作为分泌到胞外的胞间信使，起单细胞粘菌聚集和分化作用。在E.coli中，cAMP则直接结合CRP(cAMPreceptorprotein)受体蛋白上，形成cAMP-CRP复合体，作为转录因子结合到DNA，从而调节基因表达。这时，它的作用模式又像一个可直接进入细胞内的胞外甾体激素。,又称双信使途径。信号分子与G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成IP3和DAG。,磷脂酰肌醇信号通路,磷脂酰肌醇信号通路,“双信使系统”反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应磷脂酶C(PLC)DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH双信使系统信号终止（Ca2信号的终止）,Ca2信号的终止,信号的终止：IP3信号：去磷酸化为IP2；磷酸化为IP4。Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。DAG信号：被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,ControlsonCytosolicCalcium,蛋白激酶,是一类磷酸转移酶，将ATP的磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上，使蛋白磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性。,受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路,受体酪氨酸激酶（receptortyrosinekinases，RTKs）包括6个亚族信号转导：配体受体受体二聚化受体的自磷酸化激活RTK胞内信号蛋白启动信号传导RTK-Ras信号通路：配体RTKadaptor；GRFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活RTKs的失敏（desensitization）,G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活MAPK（Mitogen-activatedproteinkinase）又称ERK（extracelularsignal-regulatedkinase）-真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子-在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究；PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活PKC和PLC参与G蛋白偶联受体激活MAPK：G蛋白偶联受体激活G蛋白；G蛋白亚基或亚基激活PLC，促进膜磷脂代谢；磷脂代谢产物（DAG+IP3）激活PKC；PKC通过Ras或Raf激活MAPK；由于PKC对钙的依赖性不同，所以G蛋白偶联受体MAPK途径对钙要求不同；PKA对G蛋白偶联受体MAPK途径的负调控迄今未发现和制备出MAPK组成型突变（dominantnegativemutant），提示细胞难于忍受MAPK的持续激活（MAPK的去活是细胞维持正常生长代谢所必须）。主要机制：特异性的Tyr/Thr磷脂酶可选择性地使MAPK去磷酸化，关闭MAPK信号。cAMP，MAPK；cAMP直接激活cAMP依赖的PKA；PKA可能通过RTK或通过抑制Raf-Ras相互作用起负调控作用。,RTKs的失敏：催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。机制：受体的磷酸化修饰。EGF受体Thr654的磷酸化导致RTK活性的抑制，如果该位点产生Ala突变，则阻止活性抑制，后又发现C端的Ser1046/7也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的C端恰好是SH2蛋白的结合部位。引起受体磷酸化的激酶：PKC-作用于Thr654；CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）-作用于Ser1046/7还发现：EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。RTK晶体结构研究表明，RTK激活后形成稳定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。RTK失敏对细胞正常功能所必须，RTK的持续激活将导致细胞生长失控。,由细胞表面整联蛋白介导的信号传递,整联蛋白及其主要功能介导细胞附着；提供细胞外环境调控细胞的渠道粘着斑的功能：一是机械结构功能；二是信号传递功能导致粘着斑装配的信号通路通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：由细胞表面到细胞核的信号通路由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路,细胞信号传递的基本特征与蛋白激酶的网络整合信息,细胞信号传递的基本特征：具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存细胞以不同的方式产生对信号的适应(失敏、减量调节、负反馈)蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的crosstalk具有高度复杂性和非线性。细胞信号转导主要途径模式图,内分泌：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：低浓度（10-8-10-12M），全身性，长时效。旁分泌：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子；气体信号分子。突触信号发放：神经递质经突触作用于靶细胞。自分泌：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。,分子开关：信号传递过程中控制反应开（激活进行）或关（失活终止）的分子。,（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,果蝇-蜕皮激素,NO,NO作用于邻近细胞。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。,NO的作用机理：乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。,Guanylatecyclase,RegulationofcontractilityofarterialsmoothmusclebyNOandcGMP,1998年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。,RobertF.Furchgott,LouisJ.Ignarro,FeridMurad,乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2）调节主要为亚基变化。选择性运输钠离子或钙离子。,GPLR的C端富含Ser和Thr磷酸化位点-受体磷酸化失敏机制,G蛋白：GTP结合调节蛋白，三聚体结构。其中a亚基具有GTP酶的活性。在信号转导中起着分子开关的作用。,cAMP信号途径,通过调节胞内cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。主要组分：受体：Rs、RiG蛋白：Gs、Gi,腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,Adenylatecyclase,蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。,cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。,环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：降解cAMP生成5-AMP，终止信号。,DegredationofcAMP,Gs调节模型:激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出和。亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。亚基复合物可直接激活某些胞内靶分子。,不同细胞对cAMP信号途径的反应：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE（cAMPresponseelement）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。,Gi调节模型通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。,Inositolphospholipidsignaling,Mimickedbyionomycin,PIP2Hydrolysis,IP3开启胞内IP3门控钙通道：