第22章基因表达调控与信号转导的偶联机制七

1、基因表达与细胞基因表达与细胞信号转导的偶联机制信号转导的偶联机制Coupling of Gene Expression and Cell SignalingsignalCoupling of Gene Expression and Cell SignalingCell signal目目 录录目目 录录第一节第一节细胞信号转导机制概述细胞信号转导机制概述General Mechanism of Cell Signal Transductiono 多细胞生物适应环境、调节代谢离不开内外多细胞生物适应环境、调节代谢离不开内外环境与细胞、细胞与细胞之间的环境与细胞、细胞与细胞之间的细胞通讯细胞通讯（c

2、ell communication），这是生物体存活、），这是生物体存活、生长、分化，以及多细胞、多组织系统执行生长、分化，以及多细胞、多组织系统执行正常功能的需要。正常功能的需要。o 这种针对内外源信息所发生的细胞应答过程这种针对内外源信息所发生的细胞应答过程称为称为信号转导信号转导（signal transduction）。）。 信信息息转转导导过过程程信号分子在细胞内的合成信号分子在细胞内的合成信号分子从发出信号的细胞释放信号分子从发出信号的细胞释放信号分子转运至靶细胞信号分子转运至靶细胞靶细胞上的特异性受体识别信号分子靶细胞上的特异性受体识别信号分子靶细胞内信号转导通路的启动靶细胞内信

3、号转导通路的启动靶细胞的代谢、功能或分化改变靶细胞的代谢、功能或分化改变信号分子的清除及靶细胞应答反应的终止信号分子的清除及靶细胞应答反应的终止细胞信号转导的基本路线细胞信号转导的基本路线 一、细胞外化学信号一、细胞外化学信号o 生物体可感受任何物理、化学和生物学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信号转换为细胞可直接感受的化学信号化学信号（chemical signaling）。(一）可溶性分子信号一）可溶性分子信号化学信号可以是化学信号可以是可溶性的可溶性的，也可以是，也可以是膜结合形式膜结合形式

4、多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。它们作用于周围的或相距较远的同完成的。它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这种通讯方式称为种通讯方式称为化学通讯化学通讯。n根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：三类：作用距离最远的作用距离最远的内分泌（内分泌（endocrine）系统化学系统

5、化学信号，称为信号，称为激素激素；属于属于旁分泌（旁分泌（paracrine）系统的系统的细胞因子细胞因子，主，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自自分泌（分泌（autocrine）。作用距离最短的是神经元突触内的作用距离最短的是神经元突触内的神经递质神经递质 （neurotransmitter）。 神经分泌神经分泌内分泌内分泌自分泌及旁分泌自分泌及旁分泌化学信号的名称化学信号的名称 神经递质神经递质激素激素细胞因子细胞因子作用距离作用距离nmmcm受体位置受体位置膜受体膜受体膜或胞内受体膜或胞内受体膜受体膜受体举例举例乙酰胆碱乙酰胆碱谷氨酸谷氨酸胰

6、岛素胰岛素生长激素生长激素表皮生长因子表皮生长因子神经生长因子神经生长因子化学信号的分类化学信号的分类 （二）细胞表面分子也是重要的细胞外信号（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，达到功能上的相互协调。这别和相互作用，达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯膜表面分子接触通讯，也是一种细胞间直接通讯。也是一种细胞间直接通讯。 o 细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。细胞与细胞直接相互作用也

7、属于细胞外信号。属于这一类通讯的有属于这一类通讯的有：相邻细胞间粘附因：相邻细胞间粘附因子的相互作用、子的相互作用、T淋巴淋巴细胞与细胞与B淋巴细胞表面淋巴细胞表面分子的相互作用等。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二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号o受体受体(receptor)是信息分子的接收分子，化学本是信息分子的接收分子，化学本质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子。质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子。o受体的作用：受体的作用：p识别外源信号分子，即识别外源信号分子，即配体（配体（ligand）；p转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的转换配体信号，使之成为细胞内分子可

8、识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。信号，并传递至其他分子引起细胞应答。 o 受体与信号分子结合的特性受体与信号分子结合的特性 很强的特异性很强的特异性 亲和力极大亲和力极大 可饱和性可饱和性 可逆性可逆性配体配体-受体结合曲线受体结合曲线受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内 o 受体按照其在细胞内的位置分为：受体按照其在细胞内的位置分为：细胞表面受体细胞表面受体细胞内受体细胞内受体 接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其他接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其他细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素细胞表面的信号分子，如生长

9、因子、细胞因子、水溶性激素分子、黏附分子等。分子、黏附分子等。 受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。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。性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。 细胞膜表面受体主要有三大类细胞膜表面受体主要有三大类 离子通道型膜受体离子通道型膜受体 （ligand-gated receptor channel）G-蛋白偶联的七跨膜受体蛋白偶联的七跨膜受体 （G protein-coupled r

10、eceptor，GPCR）酶依赖的单跨膜受体酶依赖的单跨膜受体 （enzyme-linked receptor） 三、信号分子结构、含量和分布变化是三、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信号转导网络工作的基础o 膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细胞核的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过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统。转导网络系统。o 构成这一网络系统的是一些蛋白质分子构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号信号转导分子，转导分子，signal transducer）和小分子活性和小分子活性物质物质（第二信使，

11、（第二信使，second messenger）。o 在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递，构成信号转互作用将信号进行转换和传递，构成信号转导通路（导通路（signal transduction pathway）。）。o 不同的信号转导通路之间发生交叉调控（不同的信号转导通路之间发生交叉调控（crosstalking），形成复杂的信号转导网络（），形成复杂的信号转导网络（signal transduction network）系统）系统 。细胞间细胞间信息物质信息物质( (第一信使第一信使) )细胞内细胞内信息物质信息物质1、神经

12、递质、神经递质2 2、内分泌激素、内分泌激素3、局部化学介质、局部化学介质4 4、气体信号、气体信号5 5、其他、其他第二信使：第二信使：细胞内传递细胞内传递信息的小分子物质。信息的小分子物质。第三信使：第三信使：负责细胞核负责细胞核内外信息传递的物质。内外信息传递的物质。膜受体膜受体信号转导分子信号转导分子改变细胞内各种信号分子的构象改变细胞内各种信号分子的构象改变信号分子的细胞定位改变信号分子的细胞定位促进信号分子复合物的形成或解聚促进信号分子复合物的形成或解聚改变小分子信使的浓度或分布改变小分子信使的浓度或分布细胞转导信号的基本方式：细胞转导信号的基本方式：第二节第二节细胞内信号转导相关

13、分子细胞内信号转导相关分子Intracellular Signal Molecules一、第二信使浓度和分布变化是一、第二信使浓度和分布变化是重要的信号转导方式重要的信号转导方式o 细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。信号转导分子的调节。( (一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使o 目前已知的细胞内环核苷酸类第二信使有目前已知的细胞内环核苷酸

14、类第二信使有cAMP和和cGMP两种。两种。 1核苷酸环化酶催化核苷酸环化酶催化cAMP和和cGMP生成生成 （adenylate cyclase，AC） （guanylate cyclase，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中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶o 细胞内有水解细胞内有水解cAMP和和cGMP的磷酸二酯酶（的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMPNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOPOOHOPOOHOHATPACPPiNOCH2OOHOHNNNNH2POOHOHAMPPDEH2O磷酸二

15、酯酶磷酸二酯酶(phosphodiesterase, PDE)腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)蛋白激酶蛋白激酶A是是cAMP的靶分子的靶分子o cAMP作用于作用于cAMP依赖性蛋白激酶（依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，cAPK），即蛋白激），即蛋白激酶酶A（protein kinase A，PKA）。）。 o PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子物分子包

16、括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子通道和某些转录因子 。3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性cAMP-dependent protein kinase，PKA蛋白激酶ARRR： 调节亚基调节亚基C： 催化亚基催化亚基cAMP底物底物(酶或蛋白质酶或蛋白质)名称名称受调节的通路受调节的通路糖原合酶糖原合酶糖原合成糖原合成磷酸化酶磷酸化酶 b 激酶激酶糖原分解糖原分解丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A激素敏感脂酶激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羟化酶酪氨酸羟化酶多巴胺、肾上腺素和去甲肾上多巴胺、肾上

17、腺素和去甲肾上腺素合成腺素合成组蛋白组蛋白H1 、组蛋白、组蛋白 H2BDNA聚集聚集蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶1抑制因子抑制因子1蛋白去磷酸化蛋白去磷酸化转录因子转录因子CREB转录调控转录调控PKA底物举例底物举例 蛋白激酶蛋白激酶G是是cGMP的靶分子的靶分子 o cGMP作用于作用于cGMP依赖性蛋白激酶（依赖性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激），即蛋白激酶酶G（protein kinase G，PKG）。）。 4蛋白激酶不是蛋白激酶不是cAMP和和cGMP的唯一靶分子的唯一靶分子o 一些离子通道也可以直接受一些离子通道也可以直接受c

18、AMP或或cGMP的的别构调节。别构调节。 视杆细胞膜上富含视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道门控阳离子通道 嗅觉细胞核苷酸嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道门控钙通道 1. 磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成（二）脂类也可作为胞内第二信使（二）脂类也可作为胞内第二信使磷脂酶磷脂酶C催化催化DAG和和IP3的生成的生成 PIP2甘油二酯（甘油二酯（DAG）+ 肌醇三磷酸（肌醇三磷酸（IP3） PLC磷脂酶（磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，最重），催化磷脂水解，最重要的是磷脂酶要的是磷脂酶C（phospholipase C

19、，PLC）磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇PIPIPPIP2 PI-3-PPI-3,4-P2PI-3,4,5-P3 磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶激酶（PI-3K） 催化亚基（催化亚基（P110）调节亚基（调节亚基（P85） PI-3K 磷脂酰肌醇激酶类（磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs），催化磷脂酰肌醇磷酸化。），催化磷脂酰肌醇磷酸化。 （phosphatidylinositol，PI）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相应的靶蛋白分子 IP3的靶分子是钙离子通道的

20、靶分子是钙离子通道o IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质为水溶性，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中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。受体结合。IP3 IP3受体受体钙离子通道开放，细胞内钙释放钙离子通道开放，细胞内钙释放细胞内钙离子浓度迅速增加细胞内钙离子浓度迅速增加DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶和钙离子的靶分子是蛋白激酶Co蛋白激酶蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），属于），属于丝丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。活动。 PIP3的靶分子是蛋白激酶的靶分子是蛋白激酶Bo 蛋白激酶

21、蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）也是一类丝）也是一类丝/苏氨苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68）和）和PKC（73）高度同源。）高度同源。o 由于由于PKB分子又与分子又与T细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因v-akt编码的蛋白编码的蛋白Akt同源，又被称为同源，又被称为Akt。 o PKB/AktPKB/Akt在体内参与许多重要生理过程：在体内参与许多重要生理过程： 参与参与胰岛素促进糖类胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原由血液转入细胞、糖原合成及蛋白质合成过程。合成及蛋白质合成过程。 PKB还参与还参

22、与多种生长因子多种生长因子如如PDGF、EGF、NGF等信号的转导。等信号的转导。 在在细胞外基质细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过与细胞相互作用的信号转导过程中，程中，PKB亦是关键信号分子。亦是关键信号分子。 （三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类（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钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征 细胞外液细胞外液游离钙浓度游离钙浓度高高（1.121.23mmol/L）；）； 细胞内液细胞内液的钙离子含量的钙离子含量很低很低，且，且90%以上储存于细胞内以上储存于细胞内钙库钙库（内质网和线粒体内质网和线粒体内）；胞液中游离

23、内）；胞液中游离Ca2+的含量极的含量极少（基础浓度只有少（基础浓度只有0.010.1mmol/L）。）。 o 导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种： 一是细胞质一是细胞质膜钙通道开放膜钙通道开放，引起钙内流；，引起钙内流；二是细胞内二是细胞内钙库膜钙库膜上的上的钙通道开放钙通道开放，引起钙释放。，引起钙释放。 o 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离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现o 钙调蛋白钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细）可看

24、作是细胞内胞内Ca2+的受体。的受体。乙酰胆碱、儿茶酚胺、乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素加压素、血管紧张素和胰高血糖素等和胰高血糖素等 胞液胞液Ca2+浓度升高浓度升高 CaMCaMCa2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ o CaM发生构象变化后，作用于发生构象变化后，作用于Ca 2+/CaM-依赖依赖性激酶（性激酶（CaM-K） 。 （四）（四）NO的信使功能与的信使功能与cGMP相关相关 o NO合酶介导合酶介导NO生成生成 NO合酶合酶 胍氨酸胍氨酸精氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NOo 三种形式的三种形式的 NO合酶（合酶（nitric

25、 oxide synthase，NOS） 组成型组成型NOS (cNOS) 可诱导型可诱导型NOS（iNOS）神经型神经型NOS（nNOS）内皮型内皮型NOS（eNOS）NOS NOS NOS o NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶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。核糖转移酶和环氧化酶完成。 NO与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合与可溶性鸟苷酸环化酶分子中的血红素铁结合生成的生成的cGMP引起鸟苷酸环化酶构象改变引起鸟苷酸环化酶构象改变.酶活性增高酶活性增高cGMP作为第二信使，产生生理效应作为第二信使，产生生理效应GTPo 除了除了NO以

26、外，一氧化碳（以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氢（）、硫化氢（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。的第二信使作用近年来也得到证实。 o 小分子细胞内信使的特点小分子细胞内信使的特点在完整细胞中，该分子的浓度或分布在外源信号的在完整细胞中，该分子的浓度或分布在外源信号的作用下发生迅速改变；作用下发生迅速改变；可作为别位效应剂作用于靶分子；可作为别位效应剂作用于靶分子；不应位于能量代谢途径的中心。不应位于能量代谢途径的中心。 二、蛋白质作为细胞内信号转导分子二、蛋白质作为细胞内信号转导分子o蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递

27、信号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。的原理是发生构象变化。o 引起信号转导分子发生构象变化的因素有引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：种：化学修饰化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化、甲基化等；化、乙酰化、甲基化等；小分子信使作为小分子信使作为别位效应剂别位效应剂引起靶分子构象变引起靶分子构象变化，如化，如cAMP激活激活PKA； 蛋白质相互作用蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化。可导致信号转导分子构象变化。 增强或抑制酶类信号转导分子的增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性催化活性；许多分子在构象变化后暴露

28、出潜在的亚细胞定位区许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，域，转位（转位（translocation）至细胞膜或细胞核）至细胞膜或细胞核；募集募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子分子解离解离。 构象变化主要引起构象变化主要引起3种效应：种效应：（一）蛋白激酶（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子蛋白磷酸酶是信号通路开关分子o 蛋白激酶（蛋白激酶（protein kinase）与蛋白磷酸酶（）与蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白质的可逆性）催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。磷酸化修饰。o 蛋白质的磷酸化与去

29、磷酸化是控制信号转导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。分子活性的最主要方式。o 磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能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降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。于酶的作用。1. 蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关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酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶 ATPADP蛋白激酶蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的磷酸化的酶蛋白酶蛋白2.蛋白丝氨酸蛋白丝氨

30、酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶是主要的蛋白激酶o 蛋白激酶是催化蛋白激酶是催化ATP -ATP -磷酸基转移至靶蛋白的磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。特定氨基酸残基上的一大类酶。 激酶激酶磷酸基团的受体磷酸基团的受体蛋白丝氨酸蛋白丝氨酸/ /苏氨酸激酶苏氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白组蛋白组/ /赖赖/ /精氨酸激酶精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸蛋白天冬氨酸/ /谷氨酸激酶谷氨酸激酶丝氨酸丝氨酸/ /苏氨酸羟基苏氨酸羟基酪氨酸的酚羟基酪氨酸的酚羟基咪唑环，胍基，咪唑环，胍基，- -氨基氨基巯基巯基酰基酰

31、基蛋白激酶的分类蛋白激酶的分类 细胞内许多重要的蛋白丝细胞内许多重要的蛋白丝/苏氨酸激酶是细苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子。这些蛋白激胞内小分子第二信使的靶蛋白分子。这些蛋白激酶被活化后可以直接或间接地作用于细胞内的转酶被活化后可以直接或间接地作用于细胞内的转录调节因子，是连接细胞信号转导与基因表达调录调节因子，是连接细胞信号转导与基因表达调控的重要开关控的重要开关蛋白丝蛋白丝/苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子靶蛋白分子3. MAPK级联激活是多种信号通路的中心级联激活是多种信号通路的中心o 丝裂原激活的蛋白激酶（丝裂原激活的蛋白激酶

32、（MAPK）属于蛋白丝）属于蛋白丝/苏氨酸激酶类，是接收膜受体转换与传递的信苏氨酸激酶类，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。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的磷酸化与活化示意图MAPKKKMAPKKMAPKThrTyrThr TyrPPphosphataseoffonMAPK蛋白激酶的逐级磷酸化是细胞信号通路的重要特征蛋白激酶的逐级磷酸化是细胞信号通路的重要特征 MAPK的逐级磷酸化是的逐级磷酸化是将膜受体接受的信号转将膜受体接受的信号转导至核内基因

33、表达控制导至核内基因表达控制的重要环节，是细胞生的重要环节，是细胞生长、分化和应激反应的长、分化和应激反应的共同信号通路共同信号通路MAPK作用机制：被激活后转移至作用机制：被激活后转移至细胞核内，使一些转录因子发生磷细胞核内，使一些转录因子发生磷酸化，改变细胞内基因表达的状态。酸化，改变细胞内基因表达的状态。另外，它也可以使一些其它的酶发另外，它也可以使一些其它的酶发生磷酸化使之活性发生改变。生磷酸化使之活性发生改变。ERK、 JNK/SAPK、p38的级联激活过程：的级联激活过程：MAPKKKMAPKKMAPKMEKKJNKKJNK/SAPKRafMEKERK1/2/3ASK1凋亡信号调节

34、激酶凋亡信号调节激酶MKK3/MKK6P38MAP种类种类转录因子转录因子蛋白激酶蛋白激酶ERKElk-1、 c-Fos、c-JunRsk2、P70S6KJNKc-Jun 、SP-1、ATF-2P38c-Myc、CREB、SP-1、ATF-2PRAK、MSK部分部分MAPK底物举例底物举例 MAPK家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等。家族成员的底物大部分是转录因子、蛋白激酶等。4.蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶o 蛋白质酪氨酸激酶（蛋白质酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。）催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。受体型受体

35、型PTK：胞内部分含有胞内部分含有PTK的催化结构域；的催化结构域； 非受体型非受体型PTK ：主要作用是作为受体和效应分子主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导分子之间的信号转导分子 ；核内核内PTK：细胞核内存在的细胞核内存在的PTK。 5.蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号o 蛋白质磷酸（酯）酶蛋白质磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸催化磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同化的蛋白分子发生去磷酸化，与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。构成了蛋白质活性的开关系统。o 无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节无论蛋白激酶对于其下游分子的作用

36、是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号。起的变化产生衰减信号。蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号PTKPTK无活性无活性活化活化P自自我我磷磷酸酸化化PTPPTPSSP无活性无活性活化活化Src family PTK无活性无活性Src family PTKPTPPPTK活化活化 活化活化信号信号抑制抑制信号信号（二）（二）G蛋白的蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号通路结合状态决定信号通路的开关的开关 o 鸟苷酸结合蛋白鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein，G

37、 protein）简称）简称G蛋白蛋白，亦称，亦称GTP结结合蛋白，是一类信号转导分子，在各种细胞信合蛋白，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。号转导途径中转导信号给不同的效应蛋白。o G蛋白结合的核苷酸为蛋白结合的核苷酸为GTP时为活化形式，作时为活化形式，作用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的用于下游分子使相应信号途径开放；当结合的GTP水解为水解为GDP时则回到非活化状态，使信号时则回到非活化状态，使信号途径关闭。途径关闭。 如果没有视紫质，我们将看不见光线；如果没有嗅觉受体，我们将闻不见气味；如果没有-肾上腺素受体，我们将无法调节血糖；如果没有毒蕈

38、碱受体，乙酰胆碱将无法将心跳速度限定在合理范围内；如果没有5-羟色胺受体，我们甚至无法感受幸福 o G蛋白主要有两大类：蛋白主要有两大类： 异源三聚体异源三聚体G蛋白：蛋白：与与7次跨膜受体结合，次跨膜受体结合，以以亚基（亚基（G）和）和、亚基亚基(G)三聚体的三聚体的形式存在于细胞质膜内侧。形式存在于细胞质膜内侧。 低分子量低分子量G蛋白（蛋白（21kD） o G蛋白通过蛋白通过G蛋白偶联受体（蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）与各种下游效应分子，如）与各种下游效应分子，如离子通道、腺苷酸环化酶、离子通道、腺苷酸环化酶、PLC联系，调节各联系，

39、调节各种细胞功能。种细胞功能。 异源三聚体异源三聚体G蛋白直接介导受体信号转换蛋白直接介导受体信号转换Ras超家族成员是重要的信号转导分子超家族成员是重要的信号转导分子o 低分子量低分子量G蛋白（蛋白（21kD），它们在多种细胞信），它们在多种细胞信号转导途径中亦具有开关作用。号转导途径中亦具有开关作用。 o Ras是第一个被发现的小是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白蛋白，因此这类蛋白质被称为质被称为Ras家族，因为它们均由一个家族，因为它们均由一个GTP酶酶结构域构成，故又称结构域构成，故又称Ras样样GTP酶。酶。 在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小在细胞中还存在一些调节因子，专门

40、控制小G蛋白活性：蛋白活性：（三）蛋白相互作用结构域介导信号通（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的过程是由多种分子聚集形成的信号转导复合信号转导复合物（物（signaling complex）完成的。完成的。 o 信号转导复合物作用：信号转导复合物作用：保证了信号转导的特异性和精确性，保证了信号转导的特异性和精确性，增加了调控的层次，从而增加了维持机体增加了调控的层次，从而增加了维持机体稳态平衡的机会。稳态平衡的机会。o 信号转导通路形成要求信号转导分子之

41、间可特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，即蛋白质异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊作用，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结构域介导的。这些结构域被称为蛋白相互作用结构域（用结构域（protein interaction domain）。）。 信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用蛋白激酶蛋白激酶BtkPHTHSH3SH2催化区催化区衔接蛋白衔接蛋白 Grb2SH3SH2SH3转录因子转录因子 statDNA 结合区

42、结合区SH2TA细胞骨架蛋白细胞骨架蛋白tensin/SH2PTB蛋白相互作用结构域蛋白相互作用结构域缩写缩写识别模体识别模体Src homology 2 SH2含磷酸化酪氨酸模体含磷酸化酪氨酸模体Src homology 3 SH3富含脯氨酸模体富含脯氨酸模体pleckstrin homologyPH磷脂衍生物磷脂衍生物Protein tyrosine binding PTB含磷酸化酪氨酸模体含磷酸化酪氨酸模体WW WW富含脯氨酸模体富含脯氨酸模体蛋白相互作用结构域及其识别模体蛋白相互作用结构域及其识别模体 衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络o 衔接头蛋

43、白（衔接头蛋白（adaptor protein）是信号转导通路中不同信）是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，连接上游信号转导分子与下游信号号转导分子的接头，连接上游信号转导分子与下游信号转导分子。转导分子。o 发挥作用的结构基础：蛋白相互作用结构域。发挥作用的结构基础：蛋白相互作用结构域。o 功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分功能：募集和组织信号转导复合物，即引导信号转导分子到达并形成相应的信号转导复合物。子到达并形成相应的信号转导复合物。o 大部分衔接蛋白的结构中只有大部分衔接蛋白的结构中只有2个或个或2个以上的蛋白相互个以上的蛋白相互作用结构域，除此以外几乎不含有其他的序

44、列。作用结构域，除此以外几乎不含有其他的序列。 衔接蛋白连接信号转导分子衔接蛋白连接信号转导分子衔衔接接蛋蛋白白N Nckck结结构构与与相相互互作作用用分分子子示示意意图图SH2CNSH3SH3SH3HGFR, VEGFR, BCR-AblPDGFR, EphB1 SLP-76, HPK1, p130casIRS-1,p62doc CKIg g2,WASP,IRS-1,DOCK180, NIKIRS-1,DOCK180, Sos,NIK,Pak1,Pak3,NAP4,WIP,dynamin, synaptojanin、 Abl,c-CblAbl,c-Cbl,NAP1,Sam68支架蛋白保证特

45、异和高效的信号转导支架蛋白保证特异和高效的信号转导o 支架蛋白（支架蛋白（scaffolding proteins）一般是分子质量较大）一般是分子质量较大的蛋白质，可同时结合很多位于同一信号转导通路中的的蛋白质，可同时结合很多位于同一信号转导通路中的转导分子。转导分子。 o 信号转导分子组织在支架蛋白上的意义：信号转导分子组织在支架蛋白上的意义： 保证相关信号转导分子容于一个隔离保证相关信号转导分子容于一个隔离而稳定的信号转导通路内，避免与其而稳定的信号转导通路内，避免与其他不需要的信号转导通路发生交叉反他不需要的信号转导通路发生交叉反应，以维持信号转导通路的特异性；应，以维持信号转导通路的特

46、异性； 支架蛋白可以增强或抑制结合的信号支架蛋白可以增强或抑制结合的信号转导分子的活性；转导分子的活性； 增加调控复杂性和多样性。增加调控复杂性和多样性。 目目 录录第二节第二节控制基因表达的细胞信号转导网络控制基因表达的细胞信号转导网络Signal Transduction Network Controlling Gene Expression一、细胞通过改变基因表达状态适应一、细胞通过改变基因表达状态适应细胞内外环境细胞内外环境基因表达谱的改变是细胞信号转导的最重要效应之一基因表达谱的改变是细胞信号转导的最重要效应之一 无论是可溶性的细胞间化学信号，还是位于相邻细无论是可溶性的细胞间化学信

47、号，还是位于相邻细胞的膜表面化学信号都需要经由受体进行信号的传递，胞的膜表面化学信号都需要经由受体进行信号的传递，而这些传递的许多中间环节和终点效应都涉及到基因表而这些传递的许多中间环节和终点效应都涉及到基因表达的调节控制达的调节控制 二、细胞内存在复杂的控制基因表达的二、细胞内存在复杂的控制基因表达的信号转导网络信号转导网络（二）信号转导网络在转录后水平调控基因表达（二）信号转导网络在转录后水平调控基因表达（一）信号转导通路在转录水平调控基因表达（一）信号转导通路在转录水平调控基因表达 DNA调节序列的修饰、染色质的结构状调节序列的修饰、染色质的结构状态、各种转录因子及转录辅因子态、各种转录

48、因子及转录辅因子 影响影响mRNA稳定性和翻译速度的各种稳定性和翻译速度的各种RNA结合蛋白、结合蛋白、miRNA、参加蛋白质生物合成全过、参加蛋白质生物合成全过程的多种蛋白分子及其复合体程的多种蛋白分子及其复合体 接受细胞信号诱导的转录因子分类接受细胞信号诱导的转录因子分类 细胞内众多的组织特异性或可调细胞内众多的组织特异性或可调控的转录因子接受受体传递的信控的转录因子接受受体传递的信号，依据细胞分工和功能的需求号，依据细胞分工和功能的需求实现基因表达的时空特异性实现基因表达的时空特异性 影响转录共调节因子影响转录共调节因子p300的信号通路的信号通路 （三）细胞内有几种（形式）连接信号（三

49、）细胞内有几种（形式）连接信号 转导通路与基因表达的重要开关转导通路与基因表达的重要开关1. 可逆磷酸化是连接细胞信号转导与基因表达调可逆磷酸化是连接细胞信号转导与基因表达调控的重要开关控的重要开关2. G蛋白蛋白/小小G蛋白的蛋白的GTP/GDP结合状态决定结合状态决定信号通路的开关信号通路的开关 （四）生物大分子相互作用是信号转导（四）生物大分子相互作用是信号转导 网络控制基因表达的物质基础网络控制基因表达的物质基础目目 录录第三节第三节核受体介导的基因表达调控核受体介导的基因表达调控信号转导信号转导Nuclear Receptor Mediated-Gene Expression Con

50、trol Signaling 细胞内的受体蛋白有的位于细胞核内，有细胞内的受体蛋白有的位于细胞核内，有的位于细胞质中，但是大多为的位于细胞质中，但是大多为DNA结合蛋白，结合蛋白，具有转录因子活性，直接调节细胞的基因表达，具有转录因子活性，直接调节细胞的基因表达，因此被称为核受体（因此被称为核受体（nuclear receptors，NR）一、核受体超家族大多具有转录因子结构一、核受体超家族大多具有转录因子结构核受体的基本结构核受体的基本结构 二、配体类型或结构域是核受体超家族二、配体类型或结构域是核受体超家族分类的依据分类的依据受体类别受体类别代表性成员代表性成员类固醇激素受体（I型受体）糖

51、皮质激素受体（glucocorticoid receptor，GR）盐皮质激素受体（mineralcorticoid receptor，MR）雌激素受体（estrone receptor，ER）孕激素受体（progestogen receptor，PR）雄激素受体（androgen receptor，AR）非类固醇激素受体（II型受体）甲状腺激素受体（thyroid hormone receptor，TR）视黄酸受体（retinoid X receptor，RAR）视黄醇X受体（retinoid X receptor，RXR）维生素D3受体（vitamin D3 receptor，VDR）过氧

52、化物酶体增殖活化受体（peroxisome proliferator-activator receptor ,PPAR)孤儿核受体（III型受体）神经生长因子诱导受体（nerve growth factor-induced receptor ,NGFI-B)睾丸受体2（testis receptors 2 , TR2 )X染色体连锁孤儿受体（X-linked orphan receptor-1）三、核受体作为转录因子直接调节三、核受体作为转录因子直接调节靶基因的表达靶基因的表达目目 录录第四节第四节膜受体介导的信号转导通路膜受体介导的信号转导通路与基因表达调控与基因表达调控 Gene Expr

53、ession Linked to Membrane Receptor Mediated-Signal Transduction一、膜受体介导的信号转导途径与基因一、膜受体介导的信号转导途径与基因表达调节偶联表达调节偶联o 细胞膜受体依据结构和信号转导机制的差异可细胞膜受体依据结构和信号转导机制的差异可以分为以分为3种类型种类型 ：离子通道受体离子通道受体G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体单次跨膜受体单次跨膜受体 特性特性离子通离子通道受体道受体G-蛋白偶联受体蛋白偶联受体单次跨膜受体单次跨膜受体内源性内源性配体配体神经递质神经递质神经递质、激素、趋化因子、神经递质、激素、趋化因子、外源刺激（味，光）

54、外源刺激（味，光）生长因子生长因子细胞因子细胞因子结构结构寡聚体形寡聚体形成的孔道成的孔道单体单体具有或不具有催化活具有或不具有催化活性的单体性的单体跨膜区跨膜区段数目段数目4个个7个个1个个功能功能离子通道离子通道激活激活G蛋白蛋白激活蛋白酪氨酸激酶激活蛋白酪氨酸激酶细胞细胞应答应答去极化与去极化与超极化超极化去极化与超极化调节蛋白质功去极化与超极化调节蛋白质功能和表达水平能和表达水平调节蛋白质的功能和调节蛋白质的功能和表达水平，调节细胞表达水平，调节细胞分化和增殖分化和增殖三种膜受体的特点三种膜受体的特点 在三类膜受体中，除离子通道型受体外，在三类膜受体中，除离子通道型受体外，G蛋白偶联受

55、体和单跨膜的酶相关受体所传递的信蛋白偶联受体和单跨膜的酶相关受体所传递的信号通路都直接有基因表达调节分子作为传递通路号通路都直接有基因表达调节分子作为传递通路中的效应分子，相关的信号转换引起基因表达谱中的效应分子，相关的信号转换引起基因表达谱的改变，实现细胞间信号对细胞功能的调节的改变，实现细胞间信号对细胞功能的调节 （一）（一）G蛋白偶联型受体信号通路与蛋白偶联型受体信号通路与 基因表达调控的偶联基因表达调控的偶联o G蛋白偶联受体（蛋白偶联受体（GPCR）得名于这类受体的细）得名于这类受体的细胞内部分总是与异源三聚体胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信蛋白结合，受体信号转导的第一步反

56、应都是活化号转导的第一步反应都是活化G蛋白。蛋白。o G蛋白偶联受体通过蛋白偶联受体通过G蛋白蛋白-第二信使第二信使-靶分子发挥作用靶分子发挥作用G G 蛋白偶联受体蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors, GPCRs) 又称七次跨膜又称七次跨膜 螺旋受体螺旋受体/ /蛇型受体蛇型受体(serpentine receptor) G蛋白偶联受体的结构蛋白偶联受体的结构矩型代表矩型代表 -螺旋，螺旋， N端被糖基化，端被糖基化，C端的半胱氨酸被棕榈酰化。端的半胱氨酸被棕榈酰化。受体与配体结合后受体与配体结合后引起跨膜区螺旋发引起跨膜区螺旋发生重排从而改变细生重排从而改

57、变细胞内环状结构与羧胞内环状结构与羧基末端的构象，暴基末端的构象，暴露出露出G G蛋白识别位点蛋白识别位点 G G蛋白蛋白 (guanylate binding protein)是一类和是一类和GTPGTP或或GDPGDP相结合、位于细相结合、位于细胞膜胞液面的外周蛋胞膜胞液面的外周蛋白，由白，由 、 、g g 三个亚三个亚基组成。基组成。有两种构象：有两种构象：非非活化型活化型；活化型活化型G蛋白循环蛋白循环RHACGDP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ACATPcAMPGTPGTPG 种类种类 效应分子效应分子细胞内信使细胞内信使靶分子靶分子asAC活化活化cAMPPKA活性活性aiAC活化活化c

58、AMPPKA活性活性aqPLC活化活化Ca2+、IP3、DAGPKC活化活化atcGMP-PDE活性活性cGMPNa+通道关闭通道关闭哺乳动物细胞中的哺乳动物细胞中的G 亚基种类及效应亚基种类及效应 此类受体的信息传递可归纳为此类受体的信息传递可归纳为 激素激素 受体受体蛋白蛋白酶酶 第二信使第二信使蛋白激酶蛋白激酶酶或其他功能蛋白酶或其他功能蛋白 生物学效应生物学效应胰高血糖素受体通过胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号通路转导信号 血管紧张素血管紧张素II 受体通过受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导通路介导信号转导o 血管紧张素血管紧张素II（Angio

59、tensin II）受体亦属于）受体亦属于G蛋白偶联受体，但是偶联的蛋白偶联受体，但是偶联的G蛋白的亚基蛋白的亚基 为为 q，通过，通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。通路发挥效应。 ACEI（血管紧张素转换酶抑制剂）（血管紧张素转换酶抑制剂）ARB（血管紧张素（血管紧张素受体拮抗剂）受体拮抗剂）（二）单跨膜（酶偶联）受体介导信号的（二）单跨膜（酶偶联）受体介导信号的终效应分子许多是转录调节因子终效应分子许多是转录调节因子o 酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自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身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。

60、受体。 o 这些受体大多为只有这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，个跨膜区段的糖蛋白，亦称为单跨膜受体。亦称为单跨膜受体。o 酶偶联受体种类繁多，但是以具有酶偶联受体种类繁多，但是以具有PTK活性活性和与和与PTK偶联的受体居多。偶联的受体居多。 u 受体型蛋白酪氨酸激酶受体型蛋白酪氨酸激酶 （receptors tyrosine kinases，RTKs）u 蛋白酪氨酸激酶偶联受体蛋白酪氨酸激酶偶联受体 （tyrosine kinase-coupled receptors，TKCRs）u 受体型蛋白酪氨酸磷酸酶受体型蛋白酪氨酸磷酸酶 （receptors tyrosine phospha