第三章发育中的细胞信号途径

1、第三章发育中的细胞信号途径 不同物种的胚胎发育有着相似的分子机制和调控网络。 保守的，参与了不同物种及同一物种不同组织器官的发育过程。 有限的，参与早期胚胎发育的主要信号途径包括：Wnt、TGF/BMP、Hedgehog、RTK、Notch信号途径。 这些信号参与了大部分胚胎发育过程。第一节第一节 参与早期胚胎发育的信号调节途径参与早期胚胎发育的信号调节途径一、TGF信号途径 转化生长因子转化生长因子 是一类是一类分泌性的信号分子分泌性的信号分子超超家族，包括家族，包括30多个成员，可分为多个成员，可分为TGF 、BMP（骨形态发生蛋白）、（骨形态发生蛋白）、Activin等亚类。等亚类。 T

2、GF 类分子以前体形式合成，需要经过加类分子以前体形式合成，需要经过加工才能成为有活性的成熟形式，其成熟单体工才能成为有活性的成熟形式，其成熟单体之间通过之间通过二硫键二硫键形成形成二聚体二聚体。TGF-beta-FamilyBMP = Bone Morphogenic ProteinGDF = Growth and Differentiation Factor TGF 家族因子在早期发育中起关键作用：家族因子在早期发育中起关键作用： TGF 1，2，3，5参与参与细胞外基质细胞外基质形成和形成和 细细胞分裂胞分裂的调节；的调节； BMP在脊椎动物及果蝇胚胎的在脊椎动物及果蝇胚胎的背背-腹轴图

3、式形成腹轴图式形成中起作用中起作用； Nodal(BMP因子亚类）在脊椎动物胚胎因子亚类）在脊椎动物胚胎中胚层中胚层的图式形成及左右轴建立的图式形成及左右轴建立过程中起关键作用。过程中起关键作用。TGF-家族的受体家族的受体型型(RI)(RI)和和型受体型受体(R(R) )都是胞质区具有都是胞质区具有丝氨酸（丝氨酸（serineserine）/ /苏氨酸（苏氨酸（threoninethreonine）激酶活性的激酶活性的单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白；TGFTGF 结合结合RIIRII并诱导形成并诱导形成RIRI和和RIIRII结合形成四聚体；结合形成四聚体；R R 最丰富最丰富, , 为为细胞表面

4、糖蛋白细胞表面糖蛋白，能结合并富集细胞表面附近的，能结合并富集细胞表面附近的TGF,TGF,但在胞但在胞浆中存在的时间很短，不能浆中存在的时间很短，不能介导介导TGF-TGF-的活性的活性。 TGFTGF 配体首先与配体首先与型受体结合，进而型受体结合，进而TGF-TGF-的的型受体也被募集到这一复合体中型受体也被募集到这一复合体中( (形成形成四聚体），四聚体）， T T R R会磷酸化会磷酸化T T R R ，并使其，并使其活化。活化。Smads Smad蛋白在传递蛋白在传递TGF 信号通路中非常重要；信号通路中非常重要； TGF 信号通路中包括三种类型信号通路中包括三种类型 Smad 蛋

5、白：蛋白： receptor-regulated Smads (R-Smads), co-Smads, (Smad4) inhibitory or antagonistic Smads (I-Smads). (Smad6，7)激活的激活的RIRI磷酸化磷酸化R-SmadR-Smad，导致其变构，暴露出导致其变构，暴露出NLSNLS；两分子两分子R-SmadR-Smad与一分子与一分子co-Smad(co-Smad(Smad4Smad4) )相互作用相互作用，并与，并与importinimportin（输入（输入蛋白）蛋白） 形成一个大的细形成一个大的细胞质复合体。胞质复合体。TGF-Smad

6、signaling pathway整个复合体转位进入细胞核，整个复合体转位进入细胞核，RanGTPRanGTP导致导致importin importin 与之解与之解离，形成一个激活的复合体；离，形成一个激活的复合体；激活的复合体与靶基因的调节元件相互作用调节基因的表激活的复合体与靶基因的调节元件相互作用调节基因的表达。达。 WntWnt是一类是一类分泌型糖蛋白分泌型糖蛋白，通过，通过自分泌或旁分泌发自分泌或旁分泌发挥挥作用。作用。 在小鼠中，肿瘤病毒整合在在小鼠中，肿瘤病毒整合在WntWnt之后而导致乳腺癌之后而导致乳腺癌，命名为，命名为Int1Int1（wnt1wnt1），它与果蝇的无翅基

7、因（），它与果蝇的无翅基因（WinglessWingless，wgwg）有高度同源性。）有高度同源性。 WntWnt信号途径能引起胞内信号途径能引起胞内-连锁蛋白（连锁蛋白（-catenincatenin）积累。）积累。二、二、WntWnt信号途径信号途径Wnt家族成员家族成员 根据其根据其活性的差异活性的差异，可将，可将WntWnt蛋白分为两大蛋白分为两大类：类：Wnt-1Wnt-1wgwg类类和和Wnt-5aWnt-5a类类。” Wnt1Wnt1类基因包括类基因包括Wnt-1Wnt-1，-2-2，-3A-3A，-7B-7B，-8-8及及-8B-8B，winglesswingless等，在爪

8、蟾胚胎中异位表等，在爪蟾胚胎中异位表达时可以达时可以诱导次级体轴诱导次级体轴的形成；的形成； Wnt-5aWnt-5a类成员包括类成员包括Wnt-4Wnt-4，-5A-5A及及-11-11等，可等，可以以降低细胞的黏着性降低细胞的黏着性，改变细胞的运动状态。，改变细胞的运动状态。 该途径参与了该途径参与了脊椎动物胚胎体轴的建立与分脊椎动物胚胎体轴的建立与分化、果蝇的分节化、果蝇的分节等发育过程。等发育过程。 WntWnt的主要受体是的主要受体是Frizzled(Fz)Frizzled(Fz)家族受体，属家族受体，属于于7 7次跨膜蛋白，在结构上与次跨膜蛋白，在结构上与G-G-蛋白偶联受体蛋白偶

9、联受体类似。类似。1.Wnt/ -catenin途径途径（又称（又称经典经典Wnt信号途径信号途径） Wnt/Wnt/ -catenin-catenin信号的活化还需要另一个信号的活化还需要另一个WntWnt辅助受体辅助受体LRP5/6 LRP5/6 ( (果蝇中的同源蛋白称为果蝇中的同源蛋白称为ArrowArrow) )。 -catenin (-catenin (果蝇中称为果蝇中称为Armadillo)Armadillo)是经是经典典wntwnt信号通路中的信号通路中的效应因子效应因子。 -catenin-catenin具有两种功能：具有两种功能： 一方面它可与一方面它可与钙黏蛋白及肌动蛋白

10、钙黏蛋白及肌动蛋白结合，结合，从而将从而将细胞粘连复合体与细胞骨架细胞粘连复合体与细胞骨架相连，相连，对于细胞粘连具有重要作用；对于细胞粘连具有重要作用； 另一方面，存在于细胞之中的可溶性另一方面，存在于细胞之中的可溶性 - -catenincatenin参与了参与了WntWnt信号的传导。信号的传导。在在WntWnt信号未激活，信号未激活， -catenin-catenin与多种蛋白形成一个复合体并被与多种蛋白形成一个复合体并被GSK3GSK3磷酸磷酸化，然后通过化，然后通过泛素泛素- -蛋白酶体途径蛋白酶体途径被迅速降解。被迅速降解。GSK-3GSK-3：是一种蛋白激酶：是一种蛋白激酶(

11、(糖原合成激酶糖原合成激酶-3-3），能将磷酸基团加到），能将磷酸基团加到-catenin-catenin氨基端的丝氨酸氨基端的丝氨酸/ /苏氨酸残基上。苏氨酸残基上。 当当Wnt配体与配体与FzLRP6结合时会诱导结合时会诱导Axin与与LRP6膜内部分结合，膜内部分结合，使得原蛋白复合体解聚。同时使得原蛋白复合体解聚。同时fz可通过可通过Dsh抑制抑制GSK3的活性。的活性。 -catenin不能再被降解而在细胞质内积累，并进入细胞核内，与不能再被降解而在细胞质内积累，并进入细胞核内，与T-细细胞因子胞因子(T cell factor，TCF)家族的转录因子一起激活靶基因家族的转录因子一起

12、激活靶基因(如如xnr3、，、，siamois)的转录。的转录。Wnt信号途径可概括为：信号途径可概括为：WntFrzDsh-catenin的降的降解复合体解散解复合体解散-catenin积累，进入细胞核积累，进入细胞核TCF/LEF基基因转录（因转录（如如xnr3、，、，siamois ）。）。With WntFzLRPDshAxinGSK3APC-cateninPTCFTLETarget genesproteasomeWnt-catenin-catenin-cateninWntJNK途径又称为途径又称为平面细胞平面细胞极性途径极性途径或或非经典非经典Wnt信号途径信号途径，最初发现于果蝇。

13、最初发现于果蝇。fz和和Dsh参与了这一过程。参与了这一过程。Dsh的下游因子包括的下游因子包括Rho家族的家族的小分子小分子GTPGTP酶酶(small GTPase)RhoA和和Rac。Rho家族的小分子家族的小分子GTP酶对酶对细胞细胞骨架的调节骨架的调节起着关键作用。已知许多起着关键作用。已知许多对细胞骨架调节蛋白都是对细胞骨架调节蛋白都是RhoGTP酶的酶的下游效应分子。下游效应分子。2. wnt/JNK 途径途径三、三、HedgehogHedgehog信号途径信号途径 Hedgehog是一种是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白共价结合胆固醇的分泌性蛋白，在动物，在动物发育中起重要作用。

14、发育中起重要作用。 果蝇的该基因突变导致果蝇的该基因突变导致幼虫体表幼虫体表出现许多刺突，形似刺出现许多刺突，形似刺猬，故名猬，故名Hedgehog。 脊椎动物中至少有脊椎动物中至少有3个基因个基因编码编码Hedgehog蛋白，即：蛋白，即：Shh（Sonic hedgehog）、）、Ihh（Indian hedgehog）和和Dhh（desert hedgehog），其中），其中Shh是根据电子游是根据电子游戏中的角色命名的，后两者是用刺猬的两个种命名的。戏中的角色命名的，后两者是用刺猬的两个种命名的。两个跨膜蛋白两个跨膜蛋白Patched（Ptc）和和Smoothened（Smo）介导介导

15、Hedgehog信号向胞内传递。信号向胞内传递。Ptc是是12次跨膜蛋白，能与次跨膜蛋白，能与Hedgehog结合；结合；Smo为为7次跨膜蛋白，与次跨膜蛋白，与G G蛋白偶蛋白偶联型受体同源联型受体同源。在无在无Hedgehog的情况下，的情况下，Ptc抑抑制制Smo。当。当Hedgehog与与Ptc结合结合时，则解除了时，则解除了Ptc对对Smo的抑制作的抑制作用，引发下游事件。用，引发下游事件。Hedgehog信号途径的是具有信号途径的是具有锌指结锌指结构构，分子量，分子量155KD的的转录因子是转录因子是Ci（Cubitus interruptus，在脊椎动物，在脊椎动物中为中为Gli

16、）。）。在没有在没有Hedgehog信号时，在胞质中信号时，在胞质中Ci与其它蛋白形成复合体与其它蛋白形成复合体(Fu（Fused，一种丝氨酸一种丝氨酸/苏氨酸激酶）、苏氨酸激酶）、Cos（Costal，一种能将复合体锚定在微，一种能将复合体锚定在微管上的蛋白）和管上的蛋白）和Su（suppressor of Fused，适配蛋白），适配蛋白）。 Ci被水解为被水解为75KD的片段，进入细胞核，抑制的片段，进入细胞核，抑制Hedgehog信号效应基因。信号效应基因。当当HedgehogHedgehog与与PtcPtc结合时，结合时，CiCi的降解被抑制，从复合体中释的降解被抑制，从复合体中释放

17、出来，全长的放出来，全长的CiCi进入细胞核进入细胞核中，启动相关基因表达。中，启动相关基因表达。靶基因包括靶基因包括WntWnt和和PtcPtc。PtcPtc的表达，又会抑制的表达，又会抑制SmoSmo，从而抑，从而抑制制HedgehogHedgehog信号，是一种反信号，是一种反馈调节。馈调节。notchnotch四、四、Notch信号途径信号途径 Notch基因最早发现于果蝇，部分功能缺失导致基因最早发现于果蝇，部分功能缺失导致翅缘缺刻翅缘缺刻。 Notch信号途径由信号途径由Notch、Notch配体（配体（DSL蛋白）蛋白）和和CSL（一类（一类DNA结合蛋白）结合蛋白）等组成。等组

18、成。 Notch及其配体均为及其配体均为单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白，当配体和相，当配体和相邻细胞的邻细胞的Notch结合后，结合后，Notch被蛋白酶体切割，被蛋白酶体切割，释放出具有释放出具有核定位信号核定位信号的胞质区的胞质区NICD（ Notch intracellular domain ），进入细胞核与），进入细胞核与CLS结合，结合，调节基因表达。调节基因表达。Notch : 跨膜受体跨膜受体胞外区具有不同数量的胞外区具有不同数量的EGF样重复序列（样重复序列（EGF-R），），3个个LNR（Lin/Notch repeats）。胞内区由）。胞内区由RAM（RBP-J kappa as

19、sociated molecular）结构域、）结构域、6个锚蛋白（个锚蛋白（cdc10/ankyrin，ANK）重复序列、）重复序列、2个核定位信号（个核定位信号（NLS）、TAD结构域和结构域和PEST结构域。结构域。NotchNotch蛋白经三次切割：蛋白经三次切割：第一次在高尔基体内被第一次在高尔基体内被furinfurin类转化酶类转化酶切割为切割为2 2个个片断，转运到细胞膜形成片断，转运到细胞膜形成异异二聚体二聚体。当配体结合，当配体结合，肿瘤坏死肿瘤坏死因子因子-转化酶转化酶（TACETACE）切割，然后被切割，然后被-促分泌酶促分泌酶（-secretase-secretase

20、）切割。）切割。酶切以后释放酶切以后释放NotchNotch胞内胞内区区NICDNICD，进入细胞核发挥生，进入细胞核发挥生物学作用。物学作用。Notch 配体：配体：DSL 果蝇中果蝇中NotchNotch的配体为的配体为DeltaDelta和和SerrateSerrate，线虫，线虫为为Lag-2Lag-2，取首写字母，取首写字母，NotchNotch的配体又被称为的配体又被称为DSLDSL蛋白蛋白，在哺乳动物中，在哺乳动物中叫做叫做JaggedJagged； NotchNotch的配体都是单次跨的配体都是单次跨膜糖蛋白，其胞外区含膜糖蛋白，其胞外区含有数量不等的有数量不等的EGFEGF样

21、重复样重复区，区，N N端有一个结合端有一个结合NotchNotch必需的必需的DSLDSL基序。基序。Ligand(Delta)(Serrate)CSL：转录因子：转录因子 在哺乳动物中叫做在哺乳动物中叫做CBF1，在果蝇中叫做，在果蝇中叫做Suppressor of Hairless，在线虫中叫做，在线虫中叫做Lag-1，故名，故名CSL NICD不存在时，不存在时，CSL为转录抑制因子。当结合为转录抑制因子。当结合ICN时，时，CSL能诱能诱导相关基因的表达。导相关基因的表达。 Notch信号的靶基因多为信号的靶基因多为碱碱性螺旋性螺旋- -环环- -螺旋类转录因螺旋类转录因子子（bas

22、ic helix-loop-helix，bHLH），它们又调），它们又调节其它与细胞分化直接相节其它与细胞分化直接相关的基因的转录。如哺乳关的基因的转录。如哺乳动物中的动物中的HES（hairy/ enhancer of split）等。）等。五、酪氨酸激酶受体途径五、酪氨酸激酶受体途径1.RTKs 1.RTKs ：为单次跨膜蛋白，配体（如：为单次跨膜蛋白，配体（如EGFEGF） 与受体结合与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸酪氨酸残基残基。2.2.配体（如配体（如EGFEGF）：）：与受体结合。导致二聚化，二聚体内与受体结合。导

23、致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基酪氨酸残基，为多种，为多种信号传递蛋白信号传递蛋白提供提供结合部位。结合部位。3.3.信号分子间的识别结构域信号分子间的识别结构域4.RAS信号途径信号途径5.激活激活肌醇磷脂肌醇磷脂信号途径信号途径 包括各类包括各类细胞因子（如干扰素）的受体细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞，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，和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶胞内酪氨酸蛋白激酶（如（如JAK），信号途径为），信号途径为JAKSTAT或或RAS途径。途径。 JAK（jan

24、us kinase）属）属非受体酪氨酸激酶非受体酪氨酸激酶家族。家族。 JAK的底物为的底物为STAT，即，即信号转导子和转录激活子信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT） 。六、六、JAKSTAT信号途径信号途径JAK/STAT Pathway配体与受体结合导致受体二聚配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活化；二聚化受体激活JAK；JAK将将STAT磷酸化；磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核形成二聚体，暴露出入核信号；信号；STAT进入核内，调节基进入核内，调节基因表达。因表达。七、视黄酸途

25、径七、视黄酸途径RARA在脊椎动物神经系统前后轴的图式形成及肢的再生过程中具有作用在脊椎动物神经系统前后轴的图式形成及肢的再生过程中具有作用。第二节 信号活性的调控与相互关联一、信号活性的调控一、信号活性的调控1.1.对对配体配体活性的调节；活性的调节；2.2.对对受体受体活性的调节；活性的调节；3.3.对信号途径中对信号途径中转转录效应因子录效应因子活性的调控；活性的调控；4.4.信号活性的信号活性的负反馈负反馈调节调节二、信号途径的关联与整合二、信号途径的关联与整合1.1.不同信号传递途径的相互关联不同信号传递途径的相互关联同一信号分子可同时激活多种同一信号分子可同时激活多种下游传递链下游

26、传递链; ;很多很多信号效应因子信号效应因子都是多功都是多功能的能的( (如蛋白激酶如蛋白激酶) )，可能会调节其他途径信号因子的活性，可能会调节其他途径信号因子的活性. .2.2.信号途径的特异性调控信号途径的特异性调控同一信号途径在不同组织中激活同一信号途径在不同组织中激活不同的靶基因不同的靶基因；上述信号途径的靶基因往往同时受到组织特异性转录上述信号途径的靶基因往往同时受到组织特异性转录因子的协同调控；组织特异性转录因子决定着其靶基因子的协同调控；组织特异性转录因子决定着其靶基因的特异性。因的特异性。只有当信号途径只有当信号途径转录效应因子转录效应因子与与组织特异转录因子组织特异转录因子同时同时结合到靶基因的增强子元件时，其靶基因的转录才会被激活结合到靶基因的增强子元件时，其靶基因的转录才会被激活。 组织特异性转录因子决定靶基因表达的组织特异性转录因子决定靶基因表达的组组织特异性织特异性，而信号途径的活性决定靶基因，而信号途径的活性决定靶基因表达的区域特异性。表达的区域特异性。 这些组织特异性转录