果蝇信号通路总结

1、信号通路 Signal Pathway 报告人:张逸凡2011年8月18日报告内容信号通路概述昆虫中重要的信号通路1.信号通路（signal pathway）概述高度精确和高效的接受信息的机制完成细胞间的信号传递（signal transduction）的过程成为细胞通讯（cell communication）生物体的信号分子（signaling molecule）和受体（receptor）种类繁多，细胞内的信息传递是由一个复杂的蛋白质网络系统信号通路（signal pathway）组成的。信号通路指能将细胞外的分子信号经细胞膜传入细胞内发挥效应的一系列酶促反应通路。这些细胞外的分子信号（称为

2、配体，ligand）包括激素、生长因子、细胞因子、神经递质以及其它小分子化合物等。 细胞间的信息传递是跨膜的信号转导，通常包括包括以下步骤：特定的细胞释放信号分子 信号分子经扩散或血循环到达靶细胞 与靶细胞受体特异性结合 受体对信号进行转换并启动靶细胞内信号系统 靶细胞产生生物学效应细胞信号分子 生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。 从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等 。受体 受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种

3、配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白。一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体与配体间的作用具有三个主要特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。 根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellular receptor）和细胞表面受体（cell surface receptor）。 蛋白激酶 蛋白激酶是一类磷酸转移酶。在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，

4、有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。 胞间通信的主要类型 细胞间隙连接（gap junction） 膜表面分子接触通讯 化学通讯 一是当信号分子是胆固醇等脂质时，它们可以轻易穿过细胞膜，在细胞质内与目的受体相结合；一是当信号分子是多肽时，它们只能与细胞膜上的蛋白质等受体结合，这些受体大都是跨膜蛋白，通过构象变化，将信号从膜外domain传到膜内的domain，然后再与下一级别受体作用，通过磷酸化等修饰化激活下一级别通路。 1.2信号通路分类 当配体特异性地结合到细胞膜或细胞内的受体后，在细胞内的信号又是如何传递的呢？ 细胞内各种不同的生化反应

5、途径都是由一系列不同的蛋白组成的，执行着不同的生理生化功能。各个信号通路中上游蛋白对下游蛋白活性的调节（包括激活或抑制作用）主要是通过添加或去除磷酸基团，从而改变下游蛋白的立体构象完成的。所以，构成信号通路的主要成员是蛋白激酶和磷酸酶，它们能够快速改变和恢复下游蛋白的构象。 从细胞受体接收外界信号到最后做出综合性应答，不仅是一个信号转导过程，更重要的是将外界信号进行逐步放大的过程。受体蛋白将细胞外信号转变为细胞内信号，经信号级联放大、分散和调节，最终产生一系列综合性的细胞应答，包括下游基因表达的调节、细胞内酶活性的变化、细胞骨架构型和DNA合成的改变等。 这些变化并非都是由一种信号引起的，也可

6、以通过几种信号的不同组合产生不同的反应。1.3 膜表面受体介导的信号传导离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。 1.3.1 离子通道型受体 离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。离子通道型受体 乙酰胆碱受体结构模型 1.3.2 G蛋白耦联型受体 三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding r

7、egulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用。 G蛋白分子开关 由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。 1.3.2.1 cAMP信号途径在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。Gs（活化型调节蛋白）调节模型 反应链可表示为： 激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录Gi（抑制型调节蛋白）调节模型Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径： 通过亚基与腺

8、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 1.3.2.2 磷脂酰肌醇途径 在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。 1.3.3 酶耦联型受体 酶偶联型受体（enzyme linked receptor）分为两类，其一是本身具有激酶活性，如

9、肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：受体酪氨酸激酶；酪氨酸激酶连接的受体；受体酪氨酸磷脂酶；受体丝氨酸/苏氨酸激酶；受体鸟苷酸环化酶；组氨酸激酶连接的受体。1.4 胞内受体介导的信号传导 细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。胞内受体 在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。

10、这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。 甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内 NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。RFurchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。2.昆虫（果蝇）中重要的信号通路Notch 信号通路JAK-STAT 信号通路Hedgehog信号 PI3-AKT信号通路Wnt信号通路2.1 Notch 信号通路 20世纪初期

11、，Morgan及其同事在果蝇中发现了Notch基因，部分功能缺失导致翅缘缺刻（notches）。Notch缺陷引起果蝇翅缘缺刻 在胚胎发育中，当上皮组织的前体细胞中分化出神经元细胞后，其细胞表面Notch配体Delta与相邻细胞膜上的Notch结合，启动信号途径，防止其它细胞发生同样的分化，这种现象叫作侧向抑制（lateral inhibition）。Notch突变的半合子或纯合子在胚胎期死亡，其胚胎中神经组织取代了上皮组织从而使神经组织异常丰富。 Notch 信号通路的重要分子Notch受体 Notch基因编码一种膜蛋白受体，Notch受体是一个相对分子量约为 30000的I型膜蛋白，由胞外

12、亚基和跨膜亚基组成，亚基之间通过 Ca2+ 依赖的非共价键结合形成异源二聚体。Notch配体 为I型跨膜蛋白，果蝇 Notch配体有2个同源物Delta和Serrate，线虫的 Notch配体为Lag 2，故又称 Notch配体为DSL蛋白。Notch通路的下游分子主要包括转录因子CBF/RBp-Jk和调节的靶基因E(spl) /HES以及BLBp等。TACE（肿瘤坏死因子-a-转化酶）NICD/ICNNotch信号传递Notch相对于其他信号通路结构较简单，没有第二信使的参与。Notch及其配体均为单次跨膜蛋白，当配体和相邻细胞的Notch结合后，Notch被蛋白酶体切割，释放出具有核定位信

13、号的胞质区ICN（intracellular domain of Notch），进入细胞核与CLS结合，调节基因表达。可概括为：DeltaNotch酶切ICN进入细胞核CLS-ICN复合体基因转录。 Notch信号通路 Notch信号通路的功能Notch信号通路的功能最初是在果蝇神经系统发育的研究中发现。发育早期细胞 Notch及其配体表达的细微差别在发育过程中被逐渐放大，从而决定了细胞的不同分化方向。果蝇中胚层、生殖细胞、感觉器官等的正常发育与形成都有赖于 Notch介导的分化抑制。2.2 JAK-STAT 信号通路JAK-STAT通路是近年来发现的一条由细胞因子刺激的信号转导通路。最早在果

14、蝇中被鉴定是由于其在胚胎卵裂中的作用，参与细胞 的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。JAK-STAT 信号通路的重要分子酪氨酸激酶相关受体（tyrosine kinase associated receptor） 特点是受体本身不具有激酶活性，但胞内段具 有酪氨酸激酶JAK的结合位点。受体与配体结合后，通过与之相结合的JAK的活化，来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的转递。酪氨酸激酶JAK（Janus kinase） JAK既能磷酸化与其相结合的细胞因子受体，又能磷酸化多个含特定SH2结构域的信号分子。 JAK蛋白家族共包括4个成员：JAK1、JAK2、JA

15、K3以及Tyk2，它们在结构上有7个JAK同源结构域 （JAK homology domain，JH），其中JH1结构域为激酶区、JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域。转录因子STAT（signal transducer and activator of transcription） 在信号转导和转录激活 上发挥了关键性的作用。JAK-STAT信号通路信号传递过程细胞因子与其相应配体结合；受体和 JAKs 发生聚集，邻近的JAKs相互磷酸化而被活化；JAKs 的 JH1 结构域催化STATs上相应部位的酪氨酸残基磷酸化，同时 STATs的SH2功能区与受体中磷酸化的酪氨酸残

16、基作用而使TATs活化；STATs进入核内同其他一些转录因子相互作用从而调控基因转录。2.3 Hedgehog信号通路Hedgehog是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白，在动物发育中起重要作用。果蝇的该基因突变导致幼虫体表出现许多刺突，形似刺猬，故名Hedgehog。 Hedgehog信号通路中的重要分子两个跨膜蛋白Patched（Ptc）和Smoothened（Smo）：介导Hedgehog信号向胞内传递。Ci（Cubitus interruptus，在脊椎动物中为Gli）：转录因子 ，具有锌指结构Fu（Fused）、Cos（Costal）和Su（suppressor of Fused）：与C

17、i形成复合体， 在胞质中Ci与其它蛋白形成复合体，。在没有Hedgehog信号时，Ci被水解为75KD的片段，进入细胞核，抑制Hedgehog信号响应基因。当Hedgehog与Ptc结合时，Ci的降解被抑制，从复合体中释放出来，全长的Ci进入细胞核中，启动相关基因表达，这些基因包括Wnt和Ptc。Ptc的表达，又会抑制Smo，从而抑制Hedgehog信号，是一种反馈调节。Hedgehog信号途径 Fig.1 The key components of the Hh signaling pathway Chemical matters under clinical investigation a

18、re indicated in bold. Five key components are required for Hh signaling:vthe ligands，the receptors，the effector，the regulators，and the transcriptional effectors. Small molecule Hh antagonists and agonist are shown in this scheme. Purmorphamine is the agonist of Hh signaling pathway which acts on Smo

19、 directly to suppress this signaling pathway，while cyclopamine is the antagonist of Hh signaling pathway which can interplay with Ptc and Smo to activate this signaling pathway在人类中,该通路的传递过程可以简单总结为Hedgeho-Ptch1-Smo-Gli过程。通路起始于细胞自分泌或旁分泌的多肽(即配体),包括Sonic(Shh), Desert (Dhh)和Indian(Ihh)三种。这三种配体都有相同的受体Ptch

20、1。Ptch1是一种具有12跨膜结构的膜蛋白,在没有配体激活的情况下,这种膜蛋白可能通过VitD3抑制它下游的Smo的活性。Sm是一种具有7跨膜结构的膜蛋白,同时也是G蛋白偶联受体样蛋白。当Hedgehog配体与Ptch1受体结合之后, Ptch1对Smo的抑制作用解除, Smo激活。活化的Smo将信号传递到通路最后的一环,核转录因子Gli。Gli分为Gli1, Gli2和Gli3。在Smo未活化的情况下,Gli2和Gli3依次被蛋白激酶A,糖原合成酶激酶-3 (GSK-3)和酪蛋白激酶1 (CK1)磷酸化,然后被切割成N末端抑制物,失去转录活性。激活的Smo可以保持Gli2和Gli3的全长型

21、,使其发挥转录活性,进入核内促进Ptch1, hip1, Gli1和Gli2的表达。与Gli2和Gli3不同,Gli1没有N端抑制区,可能持续处于活化状态。最新的研究发现,Gli的功能还受乙酰化调控。由于Gli1基因本身受通路激活,Gli1的表达可以直接反映通路的活性状态,所以该通路似乎是最容易判断活性的通路之一。多数情况下,Gli1起激活作用, Gli3起抑制作用。Gli2在不同细胞,不同时期可能分别起激活或抑制的作用。通路的其他成分还包括处在Smo和Gli之间Fused抑制物(Sufu), Rab23,Ren以及对该通路起抑制作用的其他蛋白,如IFT蛋白, Tectonic和MIM /BE

22、G4等。其中Sufu的作用研究较多。Gli的活化需要Sufu处于抑制状态, Smo的活化可以抑制Sufu的功能6。Hh配体本身可以促进Sufu的降解(通过泛素系统)7。在整个信号传递的过程中,还伴随着信号分子在细胞内的亚细胞器的位置变化,特别是其在原代纤毛中的转运。在没有hedgehog配体刺激的状态下, Ptch1定位于原代纤毛,而Smo则处于胞浆内的囊泡中。Hh配体可以使Ptch1离开纤毛,并使Smo进入纤毛8。在纤毛处发现了Su( fu), Gli1,Gli2和Gli3。纤毛的缺失还会影响Gli2和Gli3的功能92.4 PI3K-AKT信号通路磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)蛋白家族参

23、与细胞增殖、分化、凋亡和葡萄糖转运等多种细胞功能的调节。PI3K-AKT信号通路和Notch通路彼此之间存在一定的调控关系。PI3K-AKT信号通路中重要的分子PI3Ks 脂激酶活性，添加磷酸基团至PIP产生 PIP2、PIP3PIP3 第二信使AKT 磷酸化多种酶、激酶和转录因子等下游因子 PTEN PIP3-磷酸酶，与PI3K的功能相反mTOR 启动蛋白翻译，促进蛋白质合成 细胞外生长因子、细胞因子、丝裂原等可通过受体酪氨酸激酶激活PI3K，导致信号分子PIP3生成。Akt和PDKI从胞浆重新分布至细胞内膜结合于PIP3。Akt变构后磷酸化，被完全激活。完全激活Akt至胞浆和胞核磷酸化其底

24、物。Akt还通过磷酸化TSC2使TSC失活进而导致mTOR激活。2.5 Wnt信号通路Wnt是一类分泌型糖蛋白，通过自分泌或旁分泌发挥作用。在小鼠中，肿瘤病毒整合在Wnt之后而导致乳腺癌，命名为Int1，它与果蝇的无翅基因（Wingless，wg）有高度同源性。Wnt信号途径能引起胞内-连锁蛋白（-catenin）积累。-catenin（在果蝇中叫做犰狳蛋白Armadillo）是一种多功能的蛋白质，在细胞连接处它与钙粘素相互作用，参与形成粘合带，而游离的-catenin可进入细胞核，调节基因表达。Wnt信号在动物发育中起重要作用，其异常表达或激活能引起肿瘤。 Wnt信号通路中的重要分子Wnt受

25、体是卷曲蛋白（frizzled，Frz），为7次跨膜蛋白，结构类似于G蛋白偶联型受体。蓬乱蛋白（Dishevelled，Dsh或Dvl），Dsh能切断-catenin的降解途径 。LRP5/6，属于低密度脂蛋白受体相关蛋白 -catenin的降解复合体主要由APC、Axin、GSK-3、CK1等构成。 Wnt信号通路传递过程Wnt信号通路可概括为：WntFrzDsh-catenin的降解复合体解散-catenin积累，进入细胞核TCF/LEF基因转录 Wnt信号通路的重要作用在动物的生长发育过程中，对细胞的增殖、分化和迁移起巨大的调节作用，决定细胞的极性、命运、前体细胞的增殖、体轴的建立，以及

26、细胞的不对称分裂等。 Wnt信号通路的缺陷会导致干/祖细胞池的萎缩，组织的再生、修复受阻。 2.6Toll信号通路这是目前了解最多的果蝇抗菌肽产生的一条信号通路。由于微生物中存在一些与其生命活动有关的保守结构，称之为病原相关分子模式(pathogenassociated molecular patterns，PAMPs)，PAMPs是特异性激活先天免疫系统的配体，通常，免疫信号通路中的跨膜蛋白受体不能直接识别这些分子，因此必须有中介分子参与。果蝇中识别PAMPs配体的模式识别受体(PRR)主要包括肽聚糖识别蛋白(PGRP)和革兰氏阴性菌结合蛋白(GNBP)等，PGRP和GNBP都参与了Toll

27、和Imd信号通路中的信号传递。PGRP又可分为长型肽聚糖识别蛋白(PGRPLA，LB，LC，LD，LE)和短型肽聚糖识别蛋白(PGRP-SA，SB，SC，SD) 。当果蝇受到外界病原微生物革兰氏阳性菌入侵时，Toll通路上游的PGRP-SA、PGRP-SD和GNBP-1作为识别受体识别其细胞壁中的赖氨酸型肽聚糖(Lysine-type PG)；果蝇应对真菌的感染仍然是通过激活Toll信号通路这一条途径，但与革兰氏阳性菌不同的是，真菌采取了2条经路共同激活Toll信号通路，其一是-1，3-葡聚糖-GNBP3-SPE途径，即GNBP家族的GNBP-3识别真菌细胞壁上的-1，3-葡聚糖，再通过一系列

28、的生化反应将信号传给神经生长因子同源物(cytokinelike NGF-homologue Spatzle，Spz)激活酶(SPE)，其二是PRlPSH途径，即真菌分泌的真菌毒性因子直接激活PSH(persephone)成其活性形式。最近研究证明，PGRPSCla也参与对革兰氏阳性葡萄球菌的吞噬作用和Toll通路的信号传导，由此可见Toll通路上游识别病原菌的机理十分复杂。 果蝇受革兰氏阳性菌和真菌感染后，通过一系列蛋白酶级联反应最终分解宿主蛋白Spz，Spz在果蝇血细胞内是无活性的，在SPE的用下水解为其活性形式C-106 Spz引，同时果蝇血淋巴里的PSH也间接参与了Spz活化，活化的S

29、pz与膜受体Toll结合使得Toll受体二聚化，二聚化的受体再将信号传给下游。Toll是跨膜受体，膜外是亮氨酸富集重复域，膜内的结构与白介素1受体(interleukin 1receptor 1L-1R)对应部分具有很高的相似性，称之为TIR域(TollIL-1 receptor)。Toll的T1R域与胞质内3个含有死亡结构域(death domain DD)的蛋白(dMyD88、Tube和Peue)相互作用形成受体配体复合体，其中dMyD88与Tube是衔接蛋白，dMyD88是哺乳动物MyD88的同源物，它除了1个死亡结构域外还有1个与Toll相似并与Toll连接的TIR域，而Tube在哺乳

30、动物中未发现同源物；另一蛋白Pelle结构中含有丝氨酸一苏氨酸激酶域，与哺乳动物IRAKs(interleukin-1 receptor-associated kinases)同源。这3种蛋白相互作用最终激活2种NF-kB样蛋白Dif(dorsal-related immunity factor)和Dorsal制，使结合其上的Cactus蛋白磷酸化，随之Cactus蛋白被蛋白酶体降解，导致Dif和Dorsal释放进入核内，从而启动下游靶基因转录心1。Cactus蛋白是哺乳动物IkBs的同源物，在休眠状态下，Dif和Dorsal与Cactus结合形成无活性的复合物。在果蝇的发育过程中，免疫应答T

31、oll通路能够激活2种NFkB样蛋白：成虫的Dif、幼虫的Doom和Dif，在幼虫阶段两者均能参与Toll调控的免疫应答，但Dif主要是成虫受真菌而非革兰氏阳性菌感染时Toll信号传递的介质。Toll通路除了能抗细菌感染，也是果蝇抗病毒感染的重要途径，能有效的抑制Drosophila X virus(DXV)的复制。Imd信号通路Imd信号通路是果蝇天然免疫的另一条通路。果蝇7种抗菌肽中的Diptericin，Drosocin，Cecropins，Attacins都是由此途径调控表达。果蝇的imd基因(immunodefici-encygene)编码的25 kDa的蛋白质，含有1个致死结构域，

32、与哺乳动物的RIP蛋白(TNF-receptor-interacting protein)有很高的同源性。果蝇受到革兰氏阴性菌入侵时，Imd通路上游的模式识别受体PGRP-LC识别革兰氏阴性菌细胞壁的二氨基庚二酸型(DAP-type)肽聚糖，从而激活该通路旧。经过pgrp-lc mRNA不同的拼接方式，果蝇PGRP-LC存在3种异构体LCa，LCx和LCy，均为胞质内区域相同胞外区不同的膜结合蛋白，这种在PGRP-LC区域的多样性大大加强了PGRP-LC结合PAMPs的能力。跨膜受体PGRP-LCa和PGRP-LCx都能识别革兰氏阴性菌的DAP型肽聚糖从而激活Imd通路，但在识别DAP-type肽聚糖单体和多体时涉及的机理有差别：PGRP-LCx和PGRP-Lca形成异源二聚体识别单体型的肽聚糖；而聚合体的肽聚糖只需PGRP-LCx的二聚体PGRP-LE为Imd上游的另一个PRR，PGRP-LE与PGRP-LC具有相似的功能，也可以结合革兰氏阴性菌细胞壁的