信号转导与疾病

1、第十章 细胞信号转导与疾病教学要求掌握细胞信号转导、受体、G蛋白、受体病、蛋白质磷酸化修饰等概念；熟悉细胞信号转导的基本途径以及细胞信号转导不同环节的异常与疾病的关系；了解细胞信号转导网络的生物学功能；细胞信号转导异常性疾病防治的病理生理学基础。生物体和细胞感知周围环境并对环境变化作出反应的能力，对其生存具有重要作用。高等生物由亿万个细胞所组成。各种器官、组织、细胞、细胞器以及生物大分子在空间上是相互分离的，它们与外界环境之间更是如此，因此，对外界环境的刺激需要复杂的信号传递系统来完成刺激与效应之间的生物学过程，才能使它们之间相互影响和协调一致，在整体上对外界环境的变化作出最有利于自身生存的反

2、应。细胞通过位于胞膜或胞内的受体感受胞外信息分子的刺激，经复杂的细胞内信号转导系统的转换而调节其生物学功能，这种针对外源信息所发生的细胞应答反应的全过程就称为细胞信号转导（signal transduction）。细胞信号转导是细胞对外界刺激作出应答反应的基本生物学方式。第一节 细胞信号转导的基本知识一、细胞间信号多细胞生物体由细胞组成具有不同功能的组织与器官。对于高等生物，细胞在发育过程中出现高度的定向分化，细胞间存在精密的分工，但要完成复杂的机体功能，需要细胞与细胞之间建立更紧密的联系，以便协调整体生命活动，因此，细胞间通讯（intra-cellular communication）对于维

3、持机体的正常生物学功能极其重要。通过质膜结合分子的直接接触型通过间隙联接的直接联系型通过分泌化学分子的间接接触型图10-1. 细胞间通讯的不同类型细胞间通讯可分为以下三种类型：1. 通过细胞质膜表面的结合分子，如蛋白、糖蛋白和糖脂之间的特异性相互识别和作用，称为直接接触型；2. 通过间隙连接（gap junction）通道的直接联系型；3. 通过分泌化学信号分子的间接联系型（图10-1）。本文以化学信号分子的细胞间联系来介绍细胞间通讯的过程。当相隔一定距离的细胞之间进行远距离调控时，则通过间接通讯方式进行。间接联系型通讯的特点是不需要细胞之间的直接接触，而是靠分泌释放化学信号分子，通过血液或体

4、液进行运输，作用于靶细胞，实现细胞之间的互相联系。其作用方式可分为三种：神经递质的分泌：神经末梢受到刺激时产生神经递质，在神经细胞之间或神经细胞与靶细胞之间形成化学性突触联系；内分泌（endocrine）作用：内分泌激素释放入血，随血流运输到生物体各部分，而只对有其受体的组织和细胞发生作用；旁分泌（paracrine）作用：生长因子和细胞因子在被细胞分泌后，很快被吸收或破坏，只能对临近的细胞起作用；自分泌（autocrine）作用：有些信号分子分泌后，又作用于自身细胞使产生某种特定的反应。这种分类并不是绝对的，同一种化学物质有时有两种或更多种类的作用方式。细胞间化学信号分子具有以下几个特点：1

5、特异性 细胞间信号分子只有在与特异性的受体结合，引起受体的构象发生改变，将信号转变为细胞内信号后，才能调节靶细胞的功能。即细胞间分泌信号分子只对能识别它的、具有特异受体的靶细胞、靶器官起作用。2作用的复杂性 同一分子作用于不同靶细胞上不同的受体，其诱导的反应不同，即使受体相同诱导的反应也可不同；不同的信号分子在同一细胞可以产生相同的反应，也可产生不同的反应。3不同化学信号的时间效应各异 动物体内神经递质介导的反应最快，多数分泌激素协调细胞代谢时反应也比较快，而在动物发育过程中，影响细胞、组织、器官分化和发育的一些分泌性化学信号，常常效应时间持久。4细胞间信号分子存在两种形式 大多数内分泌激素、

6、神经递质、生长因子、细胞因子是亲水性的，它们只能与细胞表面的受体结合，通过受体的信号转换才能起作用，介导较为短暂的反应。甾类及甲状腺素、维甲酸等脂溶性信号分子不溶于水，在血液中靠与特殊载体结合运转，故常可停留较长时间；而且从血液中释放出来后，很容易穿过靶细胞膜直接进入细胞，并与胞质内或核内的受体结合形成复合物，作为转录因子与DNA结合，改变基因表达模式，影响生长发育与分化，表现为长时间、持续性细胞反应。二、细胞内信号相对于细胞外信号（第一信使），在细胞内传递细胞调控信号的化学物质被称为细胞内信号或第二信使（second messenger）。一般认为环磷酸腺苷（cyclic AMP, cAMP

7、），环磷酸鸟苷（cyclic GMP, cGMP）、环ADP核糖（cyclic ADP-ribose, cADPR）、钙离子（Ca2+）、三磷酸肌醇（trisphosphate inositol, IP3）、甘油二脂（diacyl glycerol, DG） 等为胞内第二信使。生物体内细胞受到刺激后，常先产生第一信使，与细胞表面或胞内的受体相结合使受体活化，通过产生第二信使将信息传递到特定效应部位而起作用。第二信使物质在传递信号时绝大多数是通过酶促级联反应方式进行的，通过信号级联（cascades）传递可改变酶的活性、影响离子通道（ion channel）的开闭，或者调节基因的表达，最终改变细

8、胞的功能，从而完成整个信号转导过程。三、受体所有的化学信号都必须与受体（receptor）相结合才能将信号传递至细胞内相应的效应分子，引起细胞反应。作为细胞内信号转导的关键起始构件，受体在细胞信号转导过程中起着非常重要的作用。受体是存在于细胞膜或细胞内的生物大分子物质（多数为蛋白质，个别为糖脂），能识别特异性的信号分子并与之结合，将信号传递到细胞内部，使细胞对外界刺激产生相应的效应。而能与受体特异性结合的信号分子则称为配体（ligand）。根据以上定义，受体有两方面的功能：第一是识别自己特异的信号物质配体，识别的表现在于两者特异性地结合。第二是把识别和接受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，

9、启动一系列胞内信号级联反应，最后导致特定的细胞效应。要使胞间信号转换为胞内信号，受体的两个功能缺一不可。受体根据位置的不同可分为两类：细胞表面受体和细胞内受体。细胞表面受体通常由与配体相互作用的细胞外结构域（extra-cellular domain）、固定受体在细胞膜上的跨膜结构域（transmembrane domain）和起信号传递作用的胞内结构域（intra-cellular domain）三部分组成。大部分的激素、神经递质、生长因子和细胞因子等水溶性的信号分子，以及光、重力等某些环境因素，必须与膜受体相作用后，才能把信号传递到胞内。细胞表面受体又可分为离子通道型受体、G蛋白偶联型受体

10、（G protein-coupled receptor, GPCR）及具有酶活性的受体三大类。而有些脂溶性信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等能直接通过脂质双分子膜进入细胞，与胞内受体结合发挥信号传递作用。 （一）细胞表面受体1. 离子通道型受体 此类受体的共同特点是除了作为受体可接受信号外，本身又具有离子通道的功能。通常是由多个亚基组成的多聚体，每个亚基具有2、4或5个跨膜域，亚基在膜上组装成环状的、中间可供离子通过的孔道。此型受体的配体主要为神经递质等信息物质。当受体与配体结合后，可在极短的时间内使离子通道迅速打开，相应离子可通过胞膜流入或流出细胞，产生离子流及电效应，并导致膜电位的

11、变化。由离子通道型受体介导的跨膜信号转导无须中间步骤，反应快，一般只需几毫秒，根据信号转导方式的不同又可分为两类，一类是配体依赖性复合体，另一类是电压依赖性复合体。前者常见于神经细胞和神经肌肉接头处，如烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptor, nAchR）、-氨基丁酸受体（gamma-aminobutyric acid A receptor, GABAR）、甘氨酸受体、谷氨酸/天冬氨酸受体、5-羟色胺受体和ATP受体。二氢吡啶类受体是后者的代表。nAchR是典型的配体门控性受体，它位于神经细胞和神经肌肉接头处。电镜下观察呈环形颗粒状，外形不对称，似

12、一朵玫瑰花瓣。nAchR单体是由，四种亚基组成的五聚体，即2，每一亚基各含五个长度不同的跨膜区域，每个亚基的第二个跨膜区（M2）共同构成Na通道的内壁。Ach的结合部位是在两个亚基上。当两分子的Ach与之结合时，该受体处于通道开放构象状态，但时限非常短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后Ach与之解离，受体恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。电压依赖性受体/离子通道复合体是单分子多肽，每个分子含4个同源性重复序列，跨膜形成离子通道。每个重复序列单位含6个跨膜片段，其中第四个片段构成独特性区域，规则排列的极性氨基酸序列被非极性氨基酸中断，推测此部位代表电位感受器。2. G蛋白偶联型受体 这

13、类受体如与肾上腺素受体，毒蕈碱型乙酰胆碱受体（muscarinic acetylcholine receptor, mAchR）和视网膜视紫红质受体（rhodophane receptor, RhR）等都属于此类，在视觉、味觉和嗅觉的产生中都有此类受体的存在，是受体中十分重要的一类。这类受体须与G蛋白偶联才能产生胞内信使，将信号传递到胞内。它们都是单体，形成7个螺旋的跨膜结构，因此又称为七次跨膜受体（serpentine receptor）。由于肽链反复跨膜，在膜外侧和膜内侧形成了几个环状结构，分别负责与配体的结合和细胞内信号的传递，其中胞浆面第三个环能与G蛋白结合。各类受体结构上相似，表明它

14、们可能来自同一祖先基因。这类受体的信息传递过程可归纳为：激素受体G蛋白酶第二信使蛋白激酶酶或功能蛋白生物学效应。主要介导调节细胞物质代谢和基因转录。3. 具有酶活性的受体 这类受体是一种单次跨膜的酶蛋白，具有酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）活性或非酪氨酸蛋白激酶活性。整个受体分子分为3个结构域，即胞外域与配体结合，胞内域具有激酶活性，并可与ATP和底物结合，可把胞外信号直接转化为胞内效应，以及连接此两个部分的跨膜结构域。许多生长因子，如血小板源性生长因子（platelet-derived factor，PDGF），表皮生长因子（epidermal gro

15、wth factor，EGF）和胰岛素等的受体都属于此类受体。因此，这类受体介导的信号转导途径，在参与细胞生长、分化的调控中起着重要作用。近年来发现膜上还有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性的受体，如转化生长因子（transform growth factor , TGF-）受体超家族成员。激活的受体在空间上形成一个或数个SH2结合位点，通过这些位点与具有SH2结构域（src homology-2 domain，SH2 domain）的蛋白质结合并使之激活，激活的蛋白质可进一步催化细胞内的生化反应，是一种“经济”有效的细胞信号跨膜传递方式。（二）胞内受体 胞内受体通常是单体，其氨基末端的氨基酸序列高度

16、可变，长度不一，具有转录激活作用，有配体结合域。此外这一区域对于受体二聚化及转录的激活也有重要作用，其DNA结合域由6668个氨基酸残基组成，富含半胱氨酸残基，具两个锌指结构(zinc finger)，借此与DNA结合。胞内受体在细胞内的分布情况可不同，如糖皮质激素、盐皮质激素的受体位于胞浆中，而维生素D3及维甲酸的受体则存在于胞核内，还有一些可同时存在于胞浆及胞核中。研究发现，胞内受体常在细胞浆和核区穿梭，并且这一过程受到细胞内信号转导系统地严密控制。配体与受体结合后，能与启动子区DNA的激素反应元件（hormone response element，HRE）结合，调节基因转录。因此，由胞内

17、受体介导的信号转导反应过程较长，参与调节许多与生长发育有关的生理过程。四 细胞信号转导的主要途径（一）cAMP/cGMP第二信使及其胞内信号转导途径1. G蛋白 G蛋白（GTP binding protein）一般指的是在信号转导中与受体偶联的，能与GTP或GDP结合的蛋白质，位于细胞膜胞质面。广义的G蛋白是指所有能与GTP结合的蛋白质，但它们之中有的虽然在信号转导中扮演重要角色，但并不与受体偶联，而存在于不同的细胞部位，如小G蛋白（small GTP-binding protein），因其分子质量较小而得名，最常见的是Ras；而有的可能与细胞信号传递并无直接联系，如在蛋白质合成中的伸长因子（

18、enlongation factor）。在细胞信号传递中扮演重要角色的G蛋白主要有两类：一类是与膜受体偶联的异源三聚体G蛋白，另一类是以单体形式存在的小G蛋白。所有的G蛋白都具有GTP酶的活性，能水解GTP生成GDP，可把这些G都归属于“G蛋白超家族”。异源三聚体G蛋白（heterotrimeric GTP-binding protein）由、三种亚基组成，亚基的分子质量在3946 kD之间，各种G蛋白亚基中，亚基差别最大，因此亚基就被用作G蛋白分类的依据，亚基具有多个功能位点，其中包括可与受体结合的部位、与亚基结合的部位、GTP或GDP结合部位以及与下游效应分子相互作用的部位等，亚基还具有G

19、TP酶的活性。当G蛋白处于非活化状态时，它为异源三聚体，亚基上结合着GDP。激素配体与受体结合后，导致受体构象改变，其上与G结合位点暴露，受体与G蛋白结合，形成受体-G复合体后，亚基构象改变，与亚基解离，并释放GDP，结合GTP而被活化。目前，至少已分离鉴定了20多种不同的亚基，6种亚基和12种亚基。按功能 G蛋白可分为多种，常见的有：激动型G蛋白（Gs）、抑制型G蛋白(Gi)、磷脂酶C型G蛋白（Gp）、Gt（transdution，转导素）和Go蛋白。Gt位于视网膜感光细胞中，可以将光能转换为神经冲动。Go是在提纯脑组织中G蛋白的过程中发现的，参与调节磷脂代谢，因而可能与肌醇磷脂信号系统有关

20、（见表10-1）。表10-1. 信号转导中的G蛋白G蛋白的类型功能Gs激活腺苷酸环化酶Gi抑制腺苷酸环化酶Gp激活磷脂酰肌醇特异的磷脂酶CGt激活视觉神经元活动Go大脑中主要的G蛋白，可能调节离子通道 小分子量G蛋白主要位于丝裂原激活的蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase, MAPK)系统的上游，与异源三聚体G蛋白一样，非活化状态时结合GDP，当受到外源性刺激时，释放GDP，结合GTP，本身即被活化，而这些G蛋白亦具有GTP酶活性，将GTP水解为GDP，G蛋白本身又回到非活化状态。Ras是最先发现的小分子量G蛋白，是Ras基因的产物。与异三聚体G蛋白不同

21、的是，Ras作为质膜内侧蛋白，其活性主要受酪氨酸蛋白激酶调节，但是需要两种蛋白中介：一是接头蛋白(adaptor)，二是鸟苷酸释放因子（guanine-nucleotide releasing factor，GRF）。2. 主要途径 当胰高血糖素、肾上腺素和促肾上腺皮质激素等配体与靶细胞膜上特异性的受体相结合形成激素-受体复合物时，受体构象改变而被激活，活化的受体与G结合位点暴露，形成受体-G复合体，亚基构象改变，释放GDP，结合GTP而活化，亚基与亚基解离，同时暴露出与腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）结合位点；亚基与AC结合使其活化，并进一步催化ATP生成 cAMP，

22、使细胞内cAMP的浓度升高（图10-2）。维持十余秒后，亚基上的GTP酶活性使结合的GTP水解为GDP，亚基恢复最初构象，从而与AC分离，AC活化终止，cAMP经磷酸二脂酶降解成5-AMP而失活，亚基重新与亚基复合体结合，如有胞外信号配体与受体结合，以上过程重复进行。cAMP产生以后，激活cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，PKA），通过将代谢途径中的一些靶蛋白上的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化，从而调节细胞的物质代谢和基因表达。以糖原分解代谢为例，简要说明这一过程。当动物做剧烈运动时，肾上腺素分泌增多，与肝细胞的-肾上腺素能受体结合，

23、受体变构，使G蛋白活化，激活效应器酶AC，产生cAMP，cAMP激活PKA，PKA进而激活另外一种蛋白激酶-糖原磷酸化酶激酶，后者使糖原磷酸化酶磷酸化，从无活性的b形式转化为有活性的a形式，糖原磷酸化酶a最终将糖原磷酸化，使其终端葡萄糖基脱下来，生成1-磷酸葡萄糖。在cAMP水平增高，激活蛋白磷酸化酶时，还可使一种专一的蛋白磷酸酶抑制蛋白磷酸化，从而使其激活。被激活的蛋白磷酸酶抑制蛋白转而与活性蛋白磷酸酶结合而使其失活。这一过程使前述cAMP通过激活磷酸化酶，抑制磷酸酶，从而促使糖原趋向分解的方向更加强化。活化的G还可以激活鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC），产生cGMP

24、，再激活cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，PKG）。PKG在脑组织和平滑肌中含量较丰富。GTP配体受体腺苷酸环化酶GDPGTPATPcAMP图10-2. 异三聚体G蛋白对AC的激活在神经系统中，cAMP参与神经节突触传递。当某些突触前神经细胞兴奋时，神经末梢释放递质，作用于突触后膜上相应的受体并激活AC，在突触后膜合成cAMP，进而激活PKA，通过膜蛋白的磷酸化改变膜对离子的通透性，从而影响神经细胞的兴奋性。在真核细胞中cAMP的作用也与转录因子调节有关，即cAMP激活PKA后，后者对某些特异性的转录因子进行磷酸化，磷酸化的转录因子被活化，再与

25、基因的特定调节序列结合，从而调控基因的表达。在这些转录因子中，研究的最清楚的是cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）。下面以CREB为例，介绍cAMP对基因表达调节的信号转导途径：当配体与其受体结合后，通过G蛋白活化AC产生cAMP，cAMP继而活化PKA，使异四聚体的PKA解离，催化亚基（C亚基）由细胞质进入核内，然后使转录因子CREB在氨基末端转录活性区附近的第133位丝氨酸残基磷酸化而被活化，活化的CREB即可与DNA分子上的cAMP调节靶基因附近的cAMP反应元件（cAMP response element, C

26、RE）的序列（TGACGTCA）结合，从而起调节靶基因的作用。此外，磷酸化的CREB可被蛋白磷酸酶-1（protein phosphatase，PP-1）脱去Ser133的磷酸基团，从而终止CREB活化，即终止cAMP对基因转录的调节信号。PP-1也可被PAK 催化亚基磷酸化激活，说明存在一个负反馈的调节回路。受cAMP调节的转录因子还有CREM I、CREM II、ATF1、ATF 3、ATF 4、ATF 6等，它们都能与CRE结合，都属于具有亮氨酸拉链结构的转录因子家族。（二）膜磷脂代谢产物信使及其信号转导细胞膜是维持细胞生命活动的重要结构基础之一。其中质膜磷脂代谢在细胞信号传递中具有重要

27、作用。磷脂是细胞膜所特有的组分，而细胞内其他部分的含量很少，其中肌醇磷脂在信号转导中最为重要。肌醇磷脂主要分布在质膜内侧，其总量约占膜磷脂总量的10%。主要包括三种：磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol, PI）、磷脂酰肌醇-4-磷酸（phosphatidylinositol­4­phosphate, PIP）和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（phosphatidylinositol­4,5­bisphosphate，PIP2）。促甲状腺激素释放激素、去甲肾上腺素和抗利尿激素等作用于靶细胞膜上特异性受体后，通过Gp型G蛋白激活磷脂酰肌醇特异性

28、磷脂酶C (phospholipase C，PLC), 将PIP2分解为三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DG），同时产生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径即IP3/Ca2+和DG/PKC通路，因此，又把这一信号系统称之为“双信使系统”。IP3是一种水溶性分子，其产生后可从胞膜扩散至胞质中，与内质网膜上的受体结合，使膜上的Ca2通道开放，Ca2从内质网释放入胞浆，启动细胞内Ca2信号系统；脂溶性的DG生成后仍留于细胞膜上，在存在有Ca2、磷脂酰丝氨酸的情况下激活蛋白激酶C （protein kinase C, PKC），PKC可磷酸化多种胞内蛋白，由此启动细胞的一系列生理、生化反应。胞外信号

29、受体细胞膜磷脂酶CIP3DGIP3 受体Ca2+Ca2+激酶磷酸化效应图10-3. 双信使信号转导途径PKC广泛存在于细胞膜和细胞质中。目前至少已发现12种PKC亚型，均由不同的基因所表达，在组织分布及底物特异性方面均不尽相同。具有一个亲水的催化结构域和一个疏水的、可与Ca2+或磷脂相互作用的调节结构域。在细胞培养和体外实验的条件下都已证明在细胞未受外界信号刺激时，PKC以非活性构象存在于胞质中，在细胞膜受体与外界信号结合后，PKC的调节结构域与DG、磷脂酰丝氨酸及Ca2+结合，致使PKC构象改变，催化结构域暴露，PKC由此被激活，从胞质转移到细胞膜上。激活的PKC可对其底物进行磷酸化，最后导

30、致特定的生理效应。后来发现DG的作用是提高PKC与Ca2和磷脂的亲和力，使之在Ca2+的生理浓度的条件下就可被激活。PKC被激活后调节广泛的细胞效应，既涉及许多细胞的“短期生理效应”，如分泌作用，肌肉收缩等，也参与细胞的DNA和蛋白质合成、细胞的生长分化等与基因表达相关的“长期效应”（图10-3）。（三）胞内钙信号途径 在收缩、运动、分泌和分裂等复杂的生命活动中，均需要Ca2+的参与和调节。细胞游离Ca2+浓度的升高或降低是形成Ca2+信号的基础。静止状态时，大多数细胞外游离Ca2+浓度在1001000 mmol/L左右；细胞质Ca2+浓度为0.1 mmol/L左右，相差34个数量级。因此，在

31、细胞外与细胞质之间，以及胞内钙库（内质网、肌浆网、线粒体）和细胞质之间存在着Ca2+浓度梯度。当细胞受到特异性的刺激时，胞内钙库的钙通道或胞膜上的钙通道开放，致使细胞内钙离子浓度快速、大幅度升高，由此产生钙信号。同其他胞内信使一样，钙离子需要与其靶蛋白或靶酶结合才能传递信息。细胞中有许多能够与钙离子结合的蛋白质（Ca2+ binding protein，CaBP），功能也不尽相同。其中最重要的是钙调蛋白（calmodulin，CaM），是细胞中分布最广、功能最多、研究也最深入的一种。CaM是由19个氨基酸残基组成的、耐热、酸性的小分子单体蛋白，广泛分布于真核细胞中。每个分子的CaM可以结合4个

32、钙离子，当胞浆Ca2+浓度10 mmol/L时，无活性的CaM即可与钙离子结合，形成Ca2+-CaM复合物，CaM构象发生改变，继而激活下游靶蛋白或靶酶。CaM靶蛋白种类很多，包括蛋白磷酸化酶和脱磷酸酶、钙转移酶（如钙泵和电压依赖性钙通道）、肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）、钙调蛋白依赖性激酶（calmodulin-dependent protein kinase，CaM-PK）、以及其他信号转导途径的信号组分（如PED酶、AMP环化酶等）、细胞骨架相关蛋白、核内转录因子、RNA结合蛋白、分子伴侣蛋白等。CaM可以两种方式调节它们的活性：1. 直

33、接与这些靶酶结合，诱导靶酶的活性构象而调节它们的活性；2. 通过活化依赖Ca2+-CaM的蛋白激酶，再磷酸化许多靶酶，间接影响其活性。（四）酶活性受体与跨胞质信号转导 这一途径的特点是受体大多数是单次跨膜的糖蛋白，受体胞内结构域具有磷酸化等酶的活性或具有募集胞质酶蛋白的能力，能引起以级联磷酸化反应为主的跨胞质信号转导，因此，可以单独完成跨膜信号传递，而不需要第二信使的传递。包括蛋白酪氨酸激酶受体，其中研究最详细的是受体酪氨酸蛋白激酶（receptor tyrosine protein kinase，RPTK）。RPTK由多个亚家族组成，包括多种多肽生长因子受体、胰岛素受体和同源癌基因产物的受体

34、。除胰岛素受体以二聚体的形式存在外，其余受体都由一条单跨膜肽链组成。其中MAPK通路是研究的比较清楚的。MAPK是一个蛋白激酶家族，在哺乳动物中，至少已克隆和鉴定了4个MAPK亚族，即细胞外信号调节的激酶（extracellular signal­regulated kinase，ERK）、c-Jun N端蛋白激酶（c-Jun N terminal kinase，JNK）/应激激活的蛋白激酶（stress­activated protein kinase，SAPK）、p38 MAPK、和大丝裂原活化蛋白激酶（big MAP kinase，BMK1）。这4条MAPK通路都是通

35、过MAPKKK（MAPK kinase kinase）®MAPKK（MAPK kinase）®MAPK（MAP kinase）保守的三级激酶级联的形式传递信号。1. Ras/ERK通路 生长因子如表皮生长因子（EGF）与受体胞外域结合后（图10-4），受体发生二聚化，从而改变受体的构象，受体胞内域酪氨酸残基发生自身磷酸化，进而活化酪氨酸激酶活性（TPK）。磷酸化的酪氨酸可被一类含有SH2区的蛋白质识别而结合。生长因子受体结合蛋白2（growth factor receptor-bound protein 2, Grb2）分子包含1个SH2结构域和2个SH3结构域，作为接头蛋

36、白结合到受体上，将胞浆中具有鸟苷酸交换因子活性并能与Grb2 的SH3结构域结合的Sos（son of sevenless）蛋白募集至细胞膜，Sos促进无活性Ras所结合的GDP被GTP所置换，导致Ras活化。激活的Ras活化Raf （MAPKKK），进而激活MEK（MAPKK），最终导致ERK（MAPK）的激活，由此完成了MAPK的三级激活过程。激活的ERK二聚化进入核内，促进多种转录因子磷酸化，如促进血清反应因子（serum response factor，SRF）磷酸化，使其与含有血清反应元件（serum response element，SRE）的靶基因启动子相结合，增强转录活性；ER

37、K也可在胞浆内促进胞浆靶蛋白磷酸化或调节其他蛋白的活性，如激活磷脂酶A2；ERK还可激活参与蛋白质翻译调节的激酶，从而影响蛋白质的翻译过程。MAPK cascade细胞效应表皮生长因子PPPPRasGRB2SOS自身磷酸化二聚化SH2 结构域SH3 结构域受体Raf图10-4. 表皮生长因子介导的信号转导通路2. JNK/SAPK通路 应激激活的蛋白激酶（SAPK）是不同于ERK的另一个MAPK家族成员，其介导的JNK/SAPK通路是与Ras/ERK并行的另一条MAPK通路，核内靶转录因子为Jun，SAPK可有效磷酸化Jun，引起转录激活，而ERK却不能。活化受体的磷酸化酪氨酸位点也可被含有S

38、H2区的PLC识别并与之结合，进一步导致PLC激活，水解PIP2生成IP3和DG，进而调节细胞的活动。3. p38 MAPK通路 p38最初作为一种能被LPS激活的激酶而鉴定。在筛选抑制炎症因子生成的化合物时发现一族吡啶-异咪哒唑化合物能够通过抑制p38 MAPK的活性而抑制IL-1和TNF-a的生成。除了LPS之外，生血细胞因子，如促红细胞生成素 (erythropoietin, EPO)和白细胞介素3 (IL-3)、致炎细胞因子、细菌成分、紫外线照射、细胞外高渗、H2O2、热休克等刺激都能激活这条通路。目前已鉴定4种p38亚型，即p38a、p38b、p38g、p38d。这些亚型在炎症条件下

39、的激活具有各自不同的特性。对细胞内p38的定位及其对刺激的反应的研究发现在RAW264.7细胞、心肌细胞、内皮细胞等的静息状态下，其主要散在分布于胞浆内，LPS、UV、高温刺激后，p38被激活并移位入核。提示转录因子可能是p38 MAPK的重要作用目标。目前已发现p38能激活ATF2、CHOP10、MEF2C （myocyte enhancer factor 2C）等转录因子。通过对转录因子磷酸化来调节参与细胞反应的基因转录和表达是MAPK的重要功能。除了转录因子之外，p38还能激活细胞内的一些蛋白激酶，如MAPK激活蛋白激酶（MAPK activated protein kinase 2/3

40、, MAPKAPK2/3）、MAPK整合激酶（MAP kinase signal-integrating kinase, MNK）和p38调节/激活蛋白激酶（p38 regulated/activated protein kinase, PRAK）。这些丝氨酸/苏氨酸家族的成员被磷酸化激活后，转而激活低分子量热休克蛋白(small heat-shock protein, sHSP)，从而介导细胞骨架重构，参与细胞应激反应。p38亚族的不同激酶可转移到特定的细胞内部位，作用到细胞内相应的目标，从而发挥不同的调节功能。4. BMK1通路 BMK1又同时被鉴定为ERK5。研究表明，TNF-a、H2O

41、2、细胞外高渗等刺激均能激活该蛋白激酶，说明该通路可能也参与某些条件下的炎症反应调控。对p38 MAPK和BMK1 在TNF-a诱导c-jun表达中的调控作用的研究发现p38 和BMK1在TNF-a诱导c-jun转录的调控中具有协同作用。TNF-a通过激活p38和BMK1，使MEF2A和MEF2D磷酸化，从而诱导MEF2A/MEF2D异源二聚体形成，这在TNF-a诱导的c-jun基因转录表达调控中起着重要的作用。（五）非受体蛋白激酶信号转导途径 一部分生长因子、大部分细胞因子、生长激素（growth hormone, GH）、干扰素（interferon，INF）、红细胞生成素（EPO）、一些

42、白细胞介素（interleukin，IL）和粒细胞集落刺激因子（colony­stimulating factor，CSF）等的膜受体本身并无蛋白激酶活性，其信号转导是由非受体TPK介导的。现以INF-为例，说明其信号转导途径。INF-与受体结合使受体发生二聚化后，受体胞内近膜区可与胞浆内非受体酪氨酸激酶JAK（Janus kinase）结合并发生磷酸化，进而与信号转导与转录激活因子（signal transducer and activator of transcription，STAT）相结合。在JAK的催化下，STAT中的酪氨酸磷酸化，STAT分子中还存在SH2结构域，一个ST

43、AT中的磷酸酪氨酸位点与另一个STAT中的SH2结构域间交互结合，形成STAT二聚体转移入核，与DNA启动子的活化序列结合，诱导靶基因的表达，促进多种蛋白质的合成，进而增强细胞抵御病毒感染的能力。（六）胞内受体及其信号转导途径 细胞内受体分布于胞浆或核内，本质上都是配体调控的转录因子，均在核内启动信号转导并影响转录，故统称为核受体。静息状态下，胞内受体位于胞浆中，在未与配体结合前与热休克蛋白（heat shock protein，HSP）结合存在，阻止了受体向细胞核的移动及其与DNA的结合，处于非活化状态。当配体与受体的结合时，受体构象发生改变，使HSP与其解离，暴露DNA结合区。激活的受体通

44、过DNA结合域完成二聚化并转移入核，与DNA上的激素反应元件（HRE）相结合或与其他转录因子相互作用，增强或抑制靶基因转录（图10-5）；核内受体不与HSP结合，多以同源或异源二聚体的形式与DNA或其它蛋白质结合，配体入核与受体结合后，激活受体并经HRE调节基因转录。HRE细胞外配体DNA诱导转录受体Hsp56细胞膜Hsp70Hsp90核膜图10-5. 胞浆内受体介导的信号转导途径第二节 细胞信号转导障碍与疾病信号转导在生命现象中有非常重要的作用，机体稳态的维持是健康的保证，这就需要机体所有细胞的功能处于精确的调控之下。信息传递过程中任一环节的异常都使得细胞不能对外界刺激作出正确反应，最终导致

45、疾病的发生。可以说，各种疾病的发生和发展都直接或间接归因于信号转导分子和信号转导过程的异常。有些疾病是由特异性的信号转导分子异常所引起，有些是由于信号转导过程中的一环或多个环节异常所引起。本章从这两个角度对一些疾病的发病机制进行介绍。一、受体异常与疾病 由于受体的数量、结构或功能的异常，导致受体不能介导细胞外信号在靶细胞中所应有的效应，称为受体病或受体异常症。根据发病机制的不同又可分为三型。（一）遗传性或原发性受体病 这是一类由于受体基因突变导致的受体数量减少或结构异常所引起的疾病。1. 家族性高胆固醇血症 该病是由于患者肝细胞膜上低密度脂蛋白（low density lipoprotein,

46、 LDL）受体的数量因基因突变而显著减少，仅为正常人的60，有的患者受体的数量虽然正常，但与配体结合区发生点突变而与配体的结合能力缺乏或变异，或编码胞浆区的基因突变使受体与配体结合后不能介导细胞内反应。这些都使得患者肝细胞对血液中LDL的摄入能力降低，LDL持续存在于血液中，引起高胆固醇血症。2. 非胰岛素依赖性糖尿病 是一种常见的遗传性受体病。胰岛素受体是具有酪氨酸激酶活性的受体，它的数量减少或功能障碍使胰岛素激发的细胞内信号转导通路异常，造成糖代谢不能正常进行，最终导致糖尿病。3. 家族性先天性红细胞增多症 由于促红细胞生成素受体（EpoR）发生突变，使EpoR胞浆区失去部分序列，而这种序

47、列是与造血细胞磷酸酶受体活化的负性调节分子的结合位点，导致该受体对EPO的敏感性增加10倍，从而促进了EPO信号转导和红细胞生成。4. Laron综合症 是一种常染色体隐性遗传病，导致产生异常的生长激素受体，其特征是身体矮小而肥胖，低血糖及高水平的血液游离脂酸，与缺乏生长激素的个体相似，但对生长激素治疗无反应。5. 严重联合免疫缺陷综合症（severe combined immune-deficient, SCID） 由于IL-2R功能缺陷，导致共用IL-2R亚单位的受体功能丧失，致使IL-2R、IL-4R、IL-7R、IL-9R均丧失功能而出现相应的免疫缺陷表型。还有FGF受体异常造成的胃癌

48、；抗利尿激素（anti-diuretic hormone, ADH）受体异常导致的肾性尿崩症；靶细胞上受体异常导致对激素的反应性降低或缺失，导致了激素抵抗综合症的发生；家族性男性思春期早发症（因黄体激素受体异常所致）和视网膜色素变性（因视紫红质变异而致）。还有，凝血酶A2受体异常造成的凝血酶A受体异常症、抗胰蛋白酶受体异常造成的高血压等等。甾体激素受体所致疾病主要有髓性肌萎缩症、甲状腺激素不应症和急性原髓性白血病等等。（二）自身免疫性受体病 是由于体内产生了针对受体的自身抗体而引起疾病，根据结果的不同又可分为刺激性抗体或阻断性抗体，前者引起细胞对配体的反应性增强，后者则干扰配体与受体的结合，导

49、致细胞的反应性降低。1. 重症肌无力 正常情况下，当神经冲动到达神经末梢时，可释放乙酰胆碱（Ach），后者与骨骼肌运动终板膜表面的Ach受体（AchR）结合，经过一系列的信号转导过程，引发肌肉收缩。而该病患者体内产生了抗AchR的抗体，通过干扰Ach与受体的结合，使兴奋从神经传递到肌肉的过程发生障碍，同时促使受体发生分解，细胞表面受体的数量明显减少，从而影响肌肉的收缩。患者轻微运动后就感到疲乏无力，经休息后可有不同程度的缓解。重者可波及全身肌肉，甚至因呼吸肌受累而危及生命。2. 自身免疫性甲状腺病 腺垂体合成和释放的促甲状腺素（TSH）作用于甲状腺细胞膜上的TSH受体，经G蛋白偶联的信号转导途

50、径调节甲状腺细胞的生长和甲状腺素的分泌。当体内出现抗甲状腺素的自身抗体时，可引起自身免疫性甲状腺病。根据自身抗体的性质又可分为两类，第一：刺激性抗体，其可模拟TSH的作用，与TSH受体结合后，通过激活G蛋白，促进甲状腺素的分泌和甲状腺腺体的生长，见于弥漫性甲状腺肿（Graves病）；第二：阻断性抗体，其与TSH受体结合后，抑制了TSH与受体的结合，消除或减弱了TSH的作用，抑制了甲状腺素的分泌，造成甲状腺功能减退，见于慢性淋巴细胞性甲状腺炎和特发性粘液性水肿。（三）继发性受体病 这是一类由于机体自身代谢紊乱引起受体异常后产生的疾病，肥胖可降低胰岛素受体的功能，引发糖尿病；心力衰竭可使心肌细胞上

51、受体的数量减少，对儿茶酚胺的敏感性降低，这样虽可对心力衰竭时过量的儿茶酚胺刺激发生代偿反应，但另一反面也促进了心力衰竭的发展。二、G蛋白异常与疾病 在致病因素的作用下，G蛋白有三种主要的改变：G蛋白亚单位的基因突变，导致G蛋白功能紊乱；亚单位基因表达的改变；细菌毒素导致 亚单位翻译后修饰的改变。（一）亚单位结构活化 在正常情况下，垂体生长激素分泌细胞受到下丘脑分泌的激素的调控，当发生基因突变时，这些细胞中G蛋白的亚单位GTP酶活性降低约30倍，引起G蛋白持续活化，cAMP升高，甚至在缺乏细胞外刺激时亦如此。从而使这些细胞逃脱下丘脑的调控，导致垂体分泌生长激素的细胞大量增生及激素分泌增多，形成垂

52、体肿瘤。（二） G蛋白功能缺乏 Albright遗传性骨营养不良（AHO）是一种少见的基因异常导致的遗传性疾病。患者伴有Gs的亚基活性缺乏，导致AC活性缺乏。（三） G蛋白基因表达的改变 G蛋白表达的水平对维持正常的生理状态很重要，试验证明G蛋白表达水平的改变可导致心血管疾病。在肥大性或扩张性心肌病模型中，发现Gs的亚基 mRNA水平降低，伴有Gs生物活性的降低，Gi的亚基水平的增加。肿瘤细胞的运动也与瘤细胞膜上某些G蛋白表达水平的改变有关。G蛋白的水平还可影响到药物的耐受性及依赖性，乙醇耐受性的动物模型显示在小脑及垂体前叶s表达水平降低，说明乙醇耐受与s表达降低之间有关。（四） 细菌毒素对G

53、蛋白翻译后的修饰 G蛋白行使完其功能后，由亚单位内源性GTP酶活性所灭活。霍乱毒素进入小肠上皮细胞以后直接作用于Gs的亚单位，使其发生ADP-核糖化修饰。亚单位受到修饰后，其固有的GTP酶活性丧失，不能恢复到GDP结合形式，因而Gs处于持续活化状态，细胞中cAMP含量持续升高。促使Cl与HCO3不断进入肠腔引起急性腹泻和脱水；百日咳毒素可逆转AC的­肾上腺素能抑制作用。百日咳毒素的修饰导致Gi蛋白从与它相结合的受体分离，打破了Gs与Gi的平衡，结果仍是导致了cAMP的增加，从而刺激胰腺细胞释放胰岛素。这就是百日咳杆菌感染引起低血糖的机制。三、蛋白激酶异常与疾病 （一）PKC与疾病 1

54、. 哮喘 哮喘是由多种炎性细胞参与的气道慢性非特异性炎症，多种炎性细胞释放的各种炎性介质与细胞因子在其发病中扮演重要角色。PKC信号转导通路在这些炎症介质的释放中具有十分重要的作用，可密切调控淋巴细胞、肥大细胞、巨噬细胞等炎性细胞的功能。2. 慢性阻塞性肺病（Chronic obstructive pulmonary disease, COPD） 在COPD中，引起肺部破坏的酶为基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP），这些酶使肺内胶原和弹性蛋白破坏，肺泡受损。研究表明，PKC的激活可增强MMP的释放。PKC还通过抑制内皮源性NO活性，使NO扩血管的作用降低

55、，促使H2O2等氧自由基释放，致花生四烯酸增加，促进肺动脉平滑肌细胞增殖，共同导致了COPD的缺氧性肺动脉高压。3. 肿瘤 PKC亚型的异常表达和活性的增高在肿瘤的形成和转移等过程中起重要作用，如在小细胞肺癌中，PKC，和表达明显增加；在人急性白血病细胞中PKC，和的表达异常增高；肝癌肺转移病灶中PKC表达增加。某些PKC亚型对肿瘤具有抑制作用，PKC过度表达可抑制人乳腺癌细胞增生。4. 高血压 PKC过度表达能促进平滑肌细胞的分化和增生，这与动脉硬化和高血压的发病有密切关系。5. 自身免疫性疾病 自身免疫性疾病是由T淋巴细胞介导的疾病，其发病机制主要是T淋巴细胞功能不恰当的活化，而PKC在T

56、细胞的增生和活化中起重要作用，在自身免疫性甲状腺炎细胞中，PKC、和明显升高。（二）酪氨酸蛋白激酶与疾病 在B淋巴细胞和T淋巴细胞胞浆中有多种非受体型酪氨酸激酶，它们在传递淋巴细胞特异性信号、决定淋巴细胞的分化中起着重要作用。其中有一种btk基因编码的蛋白酪氨酸激酶BTK，其在决定B淋巴细胞的分化中起关键作用，如果病人B淋巴细胞中的btk转录受阻或发生点突变，使BTK减少或者异常，幼稚的B淋巴细胞就不能分化为产生免疫球蛋白的浆细胞，导致了临床上一种人类X染色体连锁遗传性免疫缺陷病Bruton综合症的发生。患者血内缺乏丙种球蛋白，体液免疫功能完全丧失而由T淋巴细胞所引起的细胞免疫功能是正常的。R

57、et是原癌基因ret编码的细胞跨膜糖蛋白，是受体酪氨酸激酶（RTK）家族的一个新成员。通常RTK的转导途径中Ras-GTP复合物增多常常导致MAPK活化，然而在Ret引发的途经中，Ras和MAPK 的活化之间无相关性，表明Ret通过一条独特的途径介导信号转导过程。Ret存在于人肠神经节细胞、神经母细胞瘤、嗜铬细胞瘤、甲状腺髓样癌、甲状腺C细胞和黑素细胞等细胞中表达，其介导的信号转导对调节神经脊细胞的增殖、分化、迁移到肠壁，对肠神经系统的发育，对肾脏输尿管芽形成及肾组织器官发育，对神经内分泌系统的发育都起着重要作用。甲状腺乳头状腺癌（PTC）与ret基因重排有关,家族遗传甲状腺髓样癌（FMTC）

58、组织存在ret基因点突变。先天性巨结肠（HSCR）是在胚胎发育中，神经脊细胞向低位肠道迁移发生障碍，造成肠道粘膜下层和后肠肌丛中缺乏副交感神经细胞。HSCR基因为常染色体显性，与ret原癌基因连锁。胚胎干细胞的ret基因缺乏导致HSCR的发生。 四、转录因子异常与疾病 细胞外刺激通过细胞内信号转导途径引起细胞功能发生改变，其中一个最重要的机制就是把信号传递到细胞核内，激活转录因子的活性，后者再与各种基因的调控元件结合，调节靶基因的表达，使细胞产生效应。因此转录因子的异常也会引起疾病。如，转录因子AML1的异常就造成急性骨髓性白血病。STAT是一类DNA结合蛋白，作为JAK-STAT途经中重要的JAK底物，STAT在细胞因子的信号转导中起着关键性的作用。哺乳动物细胞中STAT亚型有6种：即STAT16。 STA