激素作用的分子机理

1、1激素作用分子机理的最新进展2概念的延伸和扩展u经典激素：特定组织(腺体)化学活性物质血循环靶器官或组织生物学作用u付激素：局部作用，分布极其广泛u内分泌旁分泌自分泌u激素新定义：化学的、非营养性的，微量(umol)细胞间信使物质3激素的新定义u非营养型的nmol或更低浓度就能起作用的细胞间化学信使u包括内分泌激素、生长因子、细胞因子神经递质u可以通过内分泌、旁分泌、自分泌形式起作用4亲水性和嫌水性激素的比较 特点 嫌水性(hgdrophobic) 亲水性(hgdrophilic) 举例 类固醇和甲状腺激素 肽类或儿茶酚胺合成后贮存 通常 不常，除小肽 半寿期 长(hs or days) 短(

2、min) 受体 细胞质或核 质膜 作用机制 直接 间接(第二信使)5膜受体按结构分类及其相应配体u单跨膜片段膜受体：生长因子、细胞因子、少数肽类激素受体、受体具有内在酶活性或酶偶联u四跨膜片段膜受体：神经递质类、配件门控离子通道u七跨膜片段膜受体：肽类激素、神经递质等g蛋白偶联受体6单跨膜片段受体的信号转导u分类：v酪氨酸激酶型受体v酪氨酸激酶偶联受体v丝 / 苏氨酸激酶型受体v鸟苷酸环化酶型受体u不同类受体其信号转导机制亦各异7具酪氨酸激酶活性的：u最简单，单一穿膜螺旋结构 激素结合位点氨基端-细胞外区 糖基化位点 含酪氨酸激酶活性羧基端-细胞内区 磷酸化位点8iiiiiiivvviviiv

3、iiiix九类酪氨酸激酶型受体结构egfr2/neu/c-erbb-2rer3/c-erbb-3insulinrinsulin relatedrigf-1rpdgfrpdgfrmcsf-1rc-kitcys富集区酪氨酸激酶区激酶间隔区fgfr1fgfr2fgfr3fgfr4flt 1/vegfrflk/kdrmet/hgfrtrkatrkbtrkcephelkeckeekerkcek4/mek4/hekcek5axl跨膜域纤连蛋白iii型区igg样区9酪氨酸激酶型受体的信号转导如生长因子类受体基本途径：h-r结合受体形成二聚体(活化)受体自身磷酸化磷酸化受体或其底物的tyr-p与某些胞内信号分

4、子的sh2(src homology2)区相互作用，调控这些分子功能，活化受体，激活ras信号转导途径：10(ras原癌基因，编码蛋白p21(21k)，能与gtp结合，具gtp酶活性，属g蛋白)活化受体gdp-ras(无活性)gtp-ras 激活raf(二聚体)使mapk / erk (mek)磷酸化(激活)使一系列转录因子(p90rsk c. myc和eik等磷酸化)调节基因转录11gtp血小板源生长因子受体(pdgfr)表皮生长因子受体(egfr)rasrafmekerk 1/2gdppsossh3grb2 sh2sh3 shc sh2p质膜酪氨酸激酶型受体信号转导中的ras通路12质膜r

5、asgtprafmapkkkmekmapkkmapkpperkpp胞质核细胞质底物的磷酸化erkppp转录因子转录酪氨酸激酶型受体信号转导中ras-raf-mek-erk途径13酪氨酸激酶偶联型受体的信号转导途径：如某些细胞因子和肽类激素(如gh、prc) jak-stat信号途径：h-rc与jak (janus kinase相偶联)结合使jak分子磷酸化使受体活化，活化受体通过其tyr-p与stat分子的sh2域相互作用形成二聚体与靶基因上游的反向重复序列ttccnggaa结合特定基因表达14配体酪氨酸激酶偶联型受体的jak-ststs信号转导途径胞质受体其它信号途径jakjakp pp p

6、statx statystatxstaty核s1s2g转录15四跨膜受体的结构四跨膜片段受体信号转导示意图 r-t-e三位一体(trune receptor concept)rte效应信号激素神经递质致味剂光16可形成离子通道的受体：钠离子通道：肌肉、神经的烟酸乙酰胆碱受体氯离子通道：-氨基丁酸和甘氨酸的受体u结构复杂，45亚基组成1743k43k细胞骨架l-htpo4po4-l-h乙酰胆碱受体结构+-细胞骨架-1819七穿膜受体-g蛋白偶联受体(gpcr)的结构tm1tm2tm3tm4tm5tm6tm7糖基化位点n端细胞外细胞内l1l2l3l4e1e2e3c端20g蛋白的分类：u大g蛋白()

7、vgs：激活acvgi：抑制acvgq：激活plcvg12u小g蛋白：vef-tu：延长因子vras：信号转导vran：核转运vrac / rho细胞骨架装配和有丝分裂vrab：囊泡运输21效应器受体效应器膜受体效应器受体1、未受刺激时gdp2、配体活化受体3、受体活化g蛋白agonisdgtp gdp4、g蛋白-效应器相互作用5、gtp水解gtpagonisdg蛋白循环22质膜刺激型受体抑制型受体rss刺激型配体抑制型配体35 amp(camp)5ampgtpgs+atpigigtp磷脂酶riccrrccrr无活性camp磷酸化蛋白adpatpmg+campcampcamp活性pka蛋白质生

8、物学效应pka的活化23腺苷酸环化酶u150 kda膜蛋白u活性受g蛋白调节uca+钙调素(calmodulin)的影响24影响腺苷酸环化酶活性c-amp水平的激素刺激促激素(lh、hcg、fsh、acth、tsh、下丘脑释放激素)msh-肾上腺素能协同剂glucagonvasopressin(肾中)pthcalcitonin，某些前列腺素(例如pge1)抑制2-肾上腺素能协同剂inslulin蝇覃碱乙酰胆碱协同剂某些阿片肽某些前列腺素(如pge2)25c-amp通路的各种信号输出过程h8r8 g8h8r8 g8c 磷酸化c-amp-r基因和酶激活8 ac c-amp pka ac：引起pla

9、2：打开k+通道i ac(+)(+)(+)(-)(-)26蛋白激酶分类和转化u组成：v异四聚体r2c2：w两个催化亚单位(c)w两个调节亚单位(r)u活性形式：pka-c27蛋白激酶c-amp依赖的(pka)：不同亚基形成的四聚体(r2c2)c-gmp依赖的(pkg)：两个相同的亚基(76 k)u两者都需mg +，和atp作磷酸供者，类似的基质特异性(丝、缬为底物) pka1 参与急性反应如分泌或酶的激活pka pka2 启动基因转录等 r2c2 + 4c-amp (r2, c-amp2)2 + 2c (无活性) (活化)28pka-c的生物效应u调节糖原的合成和分解u多种离子通道的磷化(开或

10、闭)u对gpcr磷酸化，起负调节作用u调节基因表达29酶的激活酶的失活水和离子的通透性细胞外吐(分泌)突能传递肌收缩类固醇合成膜电位糖原分解脂肪分解钙代谢基因转录核转录因子camp肾上腺素能受体离子通道受体结构蛋白微管蛋白等pka酶糖原磷酸化激酶其他细胞外吐作用pka的多种生物学作用30pkapkapka对糖代谢的调节+-adpatpphosphatase inhibitor-p protein dephosphorvlation - phosphatase cascadeprotein phosphataseglycogen+- decreased dephosphorylation is

11、stimulatoryglycogen phosphorylase-pglycogen-1-p- increased dephosphorylation is stimulatoryglycogensynthase-pudp-glycosephosphorylase kinase-p+-adpatpadpatpadpatp- increased phosphorylation is stimulatory- increased phosphorylation is stimulatory protein dephosphorvlation - kinase cascade31细胞内pka对cf

12、tr的调节cftr(囊性纤维变性跨膜电导调节因子)为一种氯离子通道，其胞内域有一r区pka，可使其磷酸化右侧r区未磷酸化，通道关闭；左侧pka使r区磷酸化，通道开放dbd为核苷酸激活域，也能调节cftr的功能细胞外h2n质膜细胞内细胞外atpnbd1cl-r区cystic fibrosis transmembrane conductance reglatorpppppkanbd2coohatpplasma membrane关闭开放nbd1nbd2r区pppppkacl-atpatpcl-nbd1nbd2rdomain32g1gtplpar2aar血小板源生长因子受体(pdgfr)表皮生长因子受

13、体(egfr)p13kp85/p110p110src?rasrafmekerk 1/2gdppsossh3grb2 sh2sh3 shc sh2抑制性g蛋白的(gi)的亚单位通过激活scru gi的亚单位对ras通路的激活： 激活src，后者激活shr或酪氨酸激酶型受体，进而激活ras通路p33调控效应器的三种模式1、 调节同一种效应器，二者之间无相互作用2、 、 调节同一效应器，二者之间有相互作用3、 三聚体共同调节效应器34细胞膜细胞反应gigdpgtp腺苷酸环化酶acatpc-ampgsgdpgtphgtpgdpgqip3ca+蛋白激酶a(pka)蛋白激酶c(pkc)pipippip2d

14、ag磷脂酶c激素膜受体的c-amp-pka信号转导途径和ip3(dag)-pkc信号转导途径35r1r2rn膜受体蛋白激酶a(pka)camp蛋白激酶c(pkc)原癌蛋白 ha ras v-sis v-src蛋白磷酸化(激活)camp(cre)反应元件tpa(tre)反应元件亮氨酸c-amp反应元件结合蛋白结合区(dbd)引入并激活c-jun和c-fos转录因子膜受体的pka-c-amp反应元件(cre)信号转导与pkc-tra反应元件(tre)信号转导途径之间的交互作用(cross talking)36leucinesactivationdomainzipperregiondna-bindi

15、ngregionnh2nh2coohcoohdnacreb-cre 结合机理camp反应元件结合蛋白二聚体及其如反应元件的相互作用37pka对2受体活性的调节pka使2受体胞内域磷酸化，使其与g蛋白解偶联38脂类第二信使及其转导途径：进展迅速u第二信使：v三磷酸肌醇(ip3)v二脂酰甘油(dag)v其它：wp胆碱w磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(ptdins (3,4,5)p3)w花生四烯酸w神经酰胺w磷酸鞘氨w鞘氨醇磷酸胆碱等39途 径：p3 + dag激素与其膜受体结合 使其偶联的g蛋白(gq)活化激活磷酯酶c-(plc- )使磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸水解401、经磷脂酶c(plc)催化

16、一磷脂酰肌醇4,5-二磷酸水解产生1,4,5三磷酸肌醇(1,4,5,ip3)和二酯酰甘油(dag)pppi-plcfa2fa1ooooopo3-opo3-pi(4,5)p24,5-二磷酸磷脂酰肌醇h2oopo3-opo3-i-1,4,5-p31,4,5-三磷酸肌醇 2m1,2-dag1,2-二酰茎甘油 2m磷脂酶c(plc)水解opo3-fa2fa1oh+部分脂类第二信使的产生和化学结构41ppc-plcfa2fa1oooopch磷脂酰胆碱phosphocholinepc2 m磷酸胆碱1,2-dagh2o水解pc-plcfa2fa1oh+2、经胆碱磷脂酶(pc-plc)催化磷脂酰胆碱(pch)

17、水解为磷酸胆碱和dagch2ch2n+(ch3 ) 3opo3-ch2ch2n+(ch3) 3部分脂类第二信使的产生和化学结构42ppc-pldfa2fa1oooopc磷脂胆碱2 mcholine胆碱plda磷脂酸h2o水解pldfa2fa1oh+3、经磷脂酶d(pld)催化磷脂酰胆碱水解为胆碱和磷脂酸ch2ch2n+(ch3 ) 3ohch2ch2n+(ch3) 3部分脂类第二信使的产生和化学结构43 ip3-ip与内质网膜上ip3受体(即ca+通道结合、使ca +通道开放) 进入胞浆而 钙调素(cam) 一系列生物效应：u多种酶性u细胞骨架成分分泌u依赖ca + cam蛋白激酶活性dag激

18、活蛋白激酶c(pkc或c激酶)44pkc有多种亚型(subtype)和异形体(isoform)u寻常pkc(c-pkc)vv1、ii对ca+和dag依赖u新pkc(n-pkc)vvv对dag依赖v不依赖于ca +vu非典型pkc(apkc)：和，对ca +和dag均不依赖45pkc活化后的生物效应u细胞骨架成分磷酸化，功能改变uraf磷酸化激活raf-mapkk-mapk信号传递途径u调节多功能转录因子nfkb活性u使转录因子fos / jun表达而又磷酸化影响基因的转录46m1achr1bargqptk pkc ca+calmodulingtprasrafmekerk 1/2gdpsosps

19、h3grb2 sh2sh3 shc sh2m1achr1bargqplcpkcip3 + dagpip247亲脂性激素作用的分子机理u核受体的结构v核受体超家族：1988，evansv成员：类固醇激素(糖皮质激素、雌孕激素、雄激素等)、甲状腺激素、维生素d3和维甲酸受体，已逾150个(75%属孤儿受体orphan receptor)w有相应配体者：该配体调节的基因转录因子w无相应配体者：一种组成性(constitutive)转录激活 / 阻遏因子48u核受体超家族：v类固醇受体家族：gr、mr、ar、er、prv甲状腺激素 / 维甲酸 / 维生素d受体家族u核受体：v配体依赖性核受体v孤儿受体

20、：w有配体但未发现w无配体：组成性转录因子49u亚型(subtype)：不同基因编码同一种受体，如rar、rar、rar等u异形体(isoform)：同一种基因由于选择性启动子和 / 或mrna选择性剪接而产生不同产物如rar1、rar250hgr人糖皮质激素受体777hpr人尿激素受体dna ligand934hvdr维生素d受体htr 人甲状腺激素受体her人雌激素受体hmr人盐皮质激素受体har人雄激素受体919984595490456427hrar 维甲酸受体462448454hrxr462hear-1614herr-2*herr-1*mnur77mh-2riibp4034466015

21、21433de75a1237dtll543dsvp508hear-3/coup-tfhear-3dusp/2c/cf-1423452孤儿受体主要核受体的结构51核受体的进化u源于同一祖基因，此基因含有两个功能域，分别结合dna和配体u由结合dna的基因和结合配体的基因融合而成52类固醇受体的激活和转形(activation-transformation)u激活机制温度离子浓度或/ 和ph 脱磷酸化稀释或凝胶过滤多聚体解体dna结合区与dna正电荷暴露亲和力抑制因素被去除(hsp 90)53核受体转化(transformation)u类固醇核受体与配体结合后，构象发生变化，受体与raps解离，解

22、离的受体dbd暴露出来，能与dna高亲和力结合，这一过程称为受体的活化或称转化u转化受体比未转化受体小，4svs，8-9s转化受体无raps转化受体可结合dnagr的转化受体核定位序列暴露，可转位入核内u非类固醇不与raps结合，故无转化现象54核受体功能分区ua / b区：位于n端，保守性低，转录激活uf区：位于c端，保守性低，功能未明ud区：绞链区、连接lbd和dbduc区：结合dna，dbd，最保守ue区：结合配体，lbd，保守55a / bcdef结合dna结合配体二聚化二聚化结合热休克蛋白反式结合沉默作用核定位核定位结合tfiib结合tfiib核受体功能分区56c区与dbd的异同uc

23、区：v不同核受体序列比较而得v从cys到cys羧基侧第5个氨基酸残基共66aaudbd：v与dna结合的部分v除c区外还包括t盒和a盒v从cys到cys9羧基侧约20个aa57c区(dbd)序列图u保守性高u9个半守的cysu两个锌指u两个区域：锌指螺旋延伸区up盒位于螺旋1内，x-y-半胱-赖-z， x、y、z决定受体dna相互作用的特异性ud盒位于第二锌指起始部位，决定半位间隔ua盒、t盒：参与dna结合的非锌指残基58hgr 440 c l v c s d e a s g c h y g v l t c g s c k v f f a r a v 5 g g h n y lher 185

24、 c a v c n d y a s g y h y g v w s c e g c k a f f c r o i o g h n d y hhrxr 102 c v v c g d k a t g y h y r c i t c e g c k g f f f p t i q k r l h p s y shrxr 135 c a i c g d r s s g k h y g v y s c e g c k g f f o r t i r k d l t y sngf1b 266 c a v c g d n a s c o h y g v r t c e g c k g f f l r

25、t v o k s a k y ip盒螺旋 1hgr c a g r n d c l l d k l r r k r c p a c r y r r c l o a g m n l e a r k t k k k i k g i g o a t aher c p a t n o c t i d k n r r k s c o a c r l r x c y e v g m m k g g i r k o r r g g r h l k h k rhtr c k y e g k c v i d k v t r n g c o e c r f k k c i y v g m a t d l v l

26、 d d s k r l a k r k l i ehtr c r d r k d c t v d k r o r n r c o y c r y o k c l a t g m k r e a v q e e r q r g k d k d g dgngflb c l a n k d c r v d k r r r n r c o f c r f o k c l a v g m v k e v v r t o s l k g r r g r l r sd盒螺旋 2几种核受体dbd氨基酸序列g/e19s/g20clk22v/a/g23k26k27第一锌指域第二锌指域t盒a盒c37- 8559e

27、区u约250 aa，富含螺旋(65)u多种功能：配体结合、转录激活、二聚化、核定位hsp相互作用、沉默作用、ifiib相互作用u配体结合袋(疏水)uaf2或tc区u七体重复(heptad repeat)与二聚化有关60亚细胞定位u核受体：v非类固醇核受体：无论是否结合配体均位于核内并与染色质结合v类固醇受体：wgr：未结合配体时主要位于胞液内，结合配体后转位入核内wer、ar、mr、pr：位于核内但只有在结合配体后始与染色质结合61配体依赖性核受体作用机理模式图l：配体 rc：受体62核受体结合蛋白(raps)u新合成的核受体并没有活性，只有在一些分子伴侣的帮助下经折叠、解折叠、卷曲等交杂过程

28、始能形成对配体具高亲和力的构象u非类固醇核受体活性构象一经获得可长久维持且不需分子伴侣继续作用u类固醇核受体只有与某些分子伴侣持续作用始可维持对配体高亲和力的构象，故受体常与这些分子伴侣结合在一起形成载受体复合物，这些分子伴侣也称受体结合蛋白(raps)，重要的raps有hsp 90、hsp 70、hsp 56、p 23、p60、dnaj等63激素核受体作用原理示意图u反应元件：v与核受体结合的dna序列v位于受调节启动子上游，属顺式作用元件v常由两个66 bp的单元组成，每个定位称为半位v两半位排列方式有：反向重复(回文结构)，同向重复和翻转重复(反向回文结构) v类固醇核受体均呈反向重复，

29、且间隔3 bpwgr、mr、pr、ar：agaacannntgttctwer：aggtcannntgaccgt64受体二聚体u多数受体与dna相互作用时须形成二聚体u同二聚体异二聚体：多与rxr组成u两步二聚化：v先由lbd内的二聚化区形成初级二聚体v遂后dbd内的二聚化区发挥作用、形成稳定的二聚体vdbd有挠性，根据半位特性和间隔旋转u非类固醇核受体半位与er相同，惟常呈同向重复且间隔多样u某些孤儿核受体如ngfib以单体与dna结合，故其反应元件只相当于一个半位65grgrrxrrarngfi-b类固醇受体gr 糖皮质激素受体mr 盐皮质激素受体pr 孕酮受体受体ar 雄激素受体er 雌激

30、素受体rxrrxr孤儿受体的二聚体rxr (usp) 9-cis racoup/arp ?hnf-4 ?异二聚体tr thyroid hormonarar all-trans ravdr 1.25-(oh)2-vd3ppar eicosinoidsecr ocdysone?ngfi-b (ceb-1) ?elp / sf-1 (ftz-f1) ?核受体与dna上反应元件结合的四中模式类固醇受体与同二聚体与反向重复反应元件结合孤儿受体单体同二聚体与同向重复结合tr等同rxr形成异二聚体如同向反应元件结合单体与反应元件结合66coohpznkcnh2znnd+dn+znznkcnh2coohp 3

31、4 a两个核受体的二聚体dbd通过d盒形成对称的头 - 头形式的二聚体67螺旋2螺旋1d盒p盒nct/a盒第一锌指abca g g t c a n n n t g a c c tcncncna g g t c a n n n n a g g t c a cn核受体dbd与反应元件结合示意图 a: 未二聚化的dbd结构 b：二聚体(头-头)同反向重复序列结合 c：二聚体(头-尾)同同向重复序列结合68t g t t c ta c a a g a 1 2 3 4 5 6arg - 447val - 443 -1 -2 -3 -4 -5 -6lys - 442h2ot g a c c ta c t

32、g g a 1 2 3 4 5 6arg - 211glu - 203 -1 -2 -3 -4 -5 -6lys - 206h2oh2oh2olys - 210h2o糖皮质激素受体反应元件(gre)雌激素受体反应元件(ere)gr、er与效应反应元件半位的相互作用氢键； h2o 水介导的氢键； 疏水作用69gr dbd与gre的结合示意图70雌激素受体基因结构及其dbd结构示意图第一锌指和第二锌指欧不同的外显子编码71激素对基因表达的调控机理u转录水平上的调节v基因转录速率w初次和再次效应w再次效应：快、幅度大、特异性差w多因素联合作用vm-rna稳定性w改变特异性m-rna的半寿期vrna多聚酶活性w激活早期或快速相反应w基因表达长期或持续作用聚合酶i：核仁内，使r-rna转录聚合酶ii：核质中，产生m-rna前体物72dna模板活性udna模板结构 激素作用 凝聚状(condensed) dna 松散状(圆筒形、螺旋状