第八章细胞信号转导

1、第一节、概述 第二节、细胞内受体介导的信号转导第三节、G蛋白耦联受体介导的信号转导第四节、酶连受体介导的信号转导第五节、信号的整合与控制 一、细胞通讯 二、信号转导系统及其特性信号转导系统的基本组成与信号蛋白细胞内信号蛋白的相互作用信号转导系统的主要特性细胞通过特异性受体识别胞外信号分子；胞外信号通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转导，产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白；通过胞内级联反应（主要是通过酶的逐级激活）实现信号的放大作用，并最终细胞活性改变（改变细胞代谢活性、改变基因表达和改变细胞形状或运动）；细胞反应由于受体的脱敏或受体的下行调节，启动反馈机制而终止或降低细胞反应 转承蛋白（re

2、lay proteins)：负责简单地将信息传给信号链的下一个组分； 信使蛋白(messenger protein)：携带信号从一部分传递到另一部分； 接头蛋白(adaptor protein)：起连接信号蛋白的作用； 放大和转导蛋白：通常由酶或离子通道蛋白组成，介导产生信号级联反应 传感蛋白：负责信号不同形式的转换 分歧蛋白(bifurcation protein）：将信号从一条途径传播到另外途径； 整合蛋白（integrator protein)：从2条或多条信号途径接受信号，并在向下传递之前进行整合； 潜在基因调控蛋白：这类蛋白在细胞表面被活化受体激活，然后迁移到细胞核刺激基因转录。 细

3、胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的，靠信号蛋白具有的不同模式结合域与另一个相匹配的基序(motif)识别与结合，在细胞内组装成不同的信号转导复合物，构成细胞内信号传递通路的结构基础。 细胞必须整合不同的信息，对细胞外信号分子的特异性组合作出程序性反应，才能维持生命活动的有序性，即表现不同的行为，或者存活、分裂、分化和死亡。传递速度不同(神经轴突100m/s）信号浓度不同：内分泌信号浓度约在10-8以下；而化学突触的信号浓度约在10-5以上。作用方式不同：对于内分泌来说，不同的信号具有不同的受体，细胞对于信号的反应与否取决于细胞表面是否具有相应的受体；化学突触的信号主在为乙

4、酰胆碱和r-氨基丁酸，反应与否在于细胞间是否存在突触结构。化学突触传递在时间和空间上比内分泌更精确。 一个细胞发出的信息通过介质(配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。 细胞通讯的方式 信号分子与受体分泌化学信号进行细胞间通讯 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触传递神经信号 内分泌和化学突触的区别细胞间接触依赖性的通讯：细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白。通过间隙连接或胞间连丝实现代谢耦联或电耦联产生信号的细胞合成并释

5、放信号分子；运送信号分子至靶细胞；信号分子与靶细胞受体特异性结合并导致受体激活；活化受体启动胞内一种或多种信号转导途径；引发细胞功能、代谢或发育的改变；信号的解除并导致细胞反应终止。信号分子受体第二信使分子开关信号转导（signal transduction）表面受体通过一定的机制将外部信号转为内部信号的过程，称为信号转导。细胞有两种信号转导途径：一种是通过G蛋白偶联方式；一种是结合的配体激活受体的酶活性，然后由激活的酶去激活产生细胞内信号的效应物。信号转导途径有两个层次，第一是将外部信号转换成内部信号途径；第二层次的含义是外部信号转换成内部信号后从哪个途径引起应答。细胞应答与信号级联放大 大

6、多数外界化学信号分子不具有生物学功能，它们不能代谢成为有用的产物，本身不直接诱导任何细胞活性，也不具有酶的活性。它们唯一的功能是与受体结合，改变受体的性质，通知细胞在环境中存在一种特殊的信号或刺激因素。 信号分子本身并不直接作为信息，它的基本功能只是提供一个正确的构型及与受体结合的能力。亲脂性信号分子亲脂性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素，分子小，疏水性强，可以穿过细胞质膜进入细胞，与细胞内受体结合形成激素受体复合物，进而调节基因表达。亲水性信号分子：包括神经递质、局部介质和大多数肽类激素，它们不能透过靶细胞质膜，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转导机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激

7、酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。气体性信号分子(NO) ：是迄今为止发现的第一个气体信号分子，它能进入细胞直接激活效应酶，参与体内众多的生理或病理过程。 受体是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子。受体多为糖蛋白，少数受体为糖脂。受体的类型至少有两个功能域：结合配体的功能域及产生效应的功能域,分别具有结合特异性和效应特异性。受体的功能受体与配体相互作用特性信号分子与受体相互作用的复杂性细胞对外界信号分子的反应能力取决于细胞是否具有相应的受体。不同细胞对同一化学信号分子可能具有不同的受体，因此不同的靶细胞以不同的方式应答于相同的化学信号。不同的细胞具有相同的受体，但在不

8、同的靶细胞中产生不同的效应。同一细胞上不同的受体应答于不同的胞外信号产生相同的效应。一种细胞具有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动细胞不同的生物学效应，因此细胞必须对多种信号进行协调综合。特异性（specificity）高亲和力（high affinity）饱和性（saturation）可逆性（reversibility）特定的组织定位生理效应（physiological response）介导物质跨膜运输(受体介导的胞吞作用)信号转导：受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，引发两种主要的细胞反应： 细胞内预存蛋白活性或功能的改变，进而

9、影响细胞功能和代谢。 影响特殊蛋白的表达量，最常见的方式是通过转录因子的修饰激活或抑制基因表达。 一般将细胞外信号分子称为“第一信使”，第一信使与受体作用后在胞内产生的小分子，其浓度变化（增加或减少）应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，并在细胞信号转导中行使功能，这种物质称为“第二信使”。 在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必需有正负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制，因此分子开关的作用十分重要。对每一步反应既要求有激活机制又要求有相应的失活机制。细胞内作为分子开关的蛋白分为两类：GTPase开关蛋白，开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活，包括三聚体G蛋白和单体G

10、蛋白。开关蛋白的活性由蛋白激酶（protein kinase)使靶蛋白磷酸化而开启，由蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化而关闭；鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide-exchange factor，GEF）促进GDP从G蛋白上解离的蛋白因子。GTPase促进蛋白（GTPase-accelerating protein，GAP）加速GTP的水解。G 蛋白信号调节子（regulator of G protein-signaling , RGS)鸟苷酸解离抑制物（guanine nucleotide-dissociation inhibitor）蛋白激酶包括serine/threonine

11、kinases和tyrosine kinases细胞内受体: 位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性信号分子，属于激素激活的基因调控蛋白。细胞表面受体: 主要识别和结合亲水性信号分子或膜结合型信号分子。 细胞表面受体分属三大家族： 离子通道耦联受体（ion-channel-coupled receptor） G-蛋白耦联受体（G-protein-coupled receptor） 酶连受体（enzyme-linked receptor） 第一类受体有组织分布特异性，主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞；后两类存在于不同组织的几乎所有类型的细胞。一、细胞内核受体及其对基因表达的调节细胞内

12、受体的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白类固醇激素诱导的基因活化通常分为两个阶段二、二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合 受体一般具有三个结构域：位于C端的的激素结合位点;位于中部的DNA或Hsp90结合位点和位于N端的转录激活结构域。一、G蛋白耦联受体的结构与激活二、G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路以cAMP为第二信使的信号通路 磷脂酰肌醇双信使信号通路G蛋白耦联受体介导离子通道的调控由、和三个亚基组成, 、两亚基通常紧密结合在一起, 只有在蛋白变性时才分开。亚基具有三个功能位点：GTP/GDP结合位、GTPase活性和ADP-核糖化位点。人基因组中能编码27种 、5种和13种 。

13、受体丝氨酸/苏氨酸激酶TGF-受体受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals）酪氨酸蛋白激酶联系的受体整联蛋白与粘着斑通过粘着斑由整联蛋白介导的信号传递通路： 由细胞表面到细胞核的信号通路 由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路本身不具有酶活力，但它的胞内段具有酪氨酸蛋白激酶的结合位点。细胞因子（分泌性小分子蛋白质如干扰素、白细胞介素等，能与特定细胞表面的受体结合，并引起这些细胞的分化或增殖）的受体属于此类。信号转导子和转录激活子（signal transducer and actvator of transcription，STAT）与JAK-STAT途径腺苷酸环化酶cAMP

14、信号通路的组成 cAMP信号通路：激素G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A激活靶酶(基因调控蛋白)基因转录 细菌毒素对G蛋白的修饰作用受体的失敏（desensitization）与减量调节霍乱毒素(cholera toxin)具有ADP-核糖转移酶活性，催化细胞内的NAD+上的ADP-核糖共价结合到Gs蛋白的亚基上，使其丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在亚基上，处于持续活化状态并不断的激活腺苷酸环化酶。百日咳毒素(pertussis toxin)催化Gi蛋白亚基进行ADP核糖化,结果防止亚基结合的GDP的释放，使亚基被“锁定”在非活化状态，其结果也是使cAMP

15、的浓度增加。受体活性快速丧失失敏 机制：受体磷酸化， 受体与Gs解耦联，cAMP反应停止并被PDE降解。 胞内协作因子扑获蛋白（ arrestin）结合磷酸化的受体，抑制其功能活性。 反应减弱减量调节（down-regulation） 受体-配体复合物通过胞吞作用，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与clathrin结合，在胞吞中起adaptin作用。 “双信使系统”信号通路：胞外信号分子G蛋白耦联受体G蛋白 IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白细胞反应 磷脂酶C (PLC)分解磷脂酰肌醇 DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交换使胞内pH信号的终止PIP2水解释放出

16、的DAG是亲脂性分子，一直结合在质膜上。PKC以非活性形式分布于细胞质中，当细胞质基质中Ca2+浓度升高, 导致PKC转位到质膜内表面，被DAG活化。PKC是Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖性激酶。PKC是多功能性的Ser/Thr激酶，在细胞生长、分化、细胞代谢和转录激活等方面具有重要的作用。IP3作用的终止 IP3的水解：在5磷酸酶的作用下, 水解为I(1,4)P2, 并进一步水解成肌醇。5磷酸酶是一种膜结合的酶。 在胞质中PI-3激酶的作用下将IP3磷酸化成I(1,3,4,5)P4。DAG信号的解除 DAG只是PIP2水解形成的暂时性产物, 靠两种方式进行降解: 被DAG磷酸激酶磷酸化,生成磷脂

17、酸(PA),PA被转化为CMP-磷脂酸,再与肌醇作用合成磷脂酰肌醇(PI)。 DAG 被DAG 酯酶水解生成单脂酰甘油。 由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生DAG，用来维持PKC的长期效应。Ca2+信号解除 IP4参与打开细胞质膜上的Ca2+通道, 使细胞质中的Ca2+较为持久地增高。 胞内Ca2+浓度持久地升高, 可激活Ca2+-ATP酶（质膜、内质网膜的钙泵），从而降低胞质中的 Ca2+，使胞质中的Ca2+迅速恢复到基态水平(10-7 M),并使活性CaM-酶复合物解离,从而酶失去活性,细胞反应终止。离子通道耦联受体及其信号转导G蛋白耦联受体介导的离子通道及其调控Gt蛋白耦联的光受体的

18、活化诱发cGMP-门控阳离子通道的关闭特点： 受体/离子通道复合体，其跨膜信号转导无需中间步骤 主要存在于神经细胞或可兴奋细胞间的突触信号传递 四次/六次跨膜蛋白 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性信号途径 M型乙酰胆碱受体与Gi蛋白耦联，受体的活化导致G的释放，结合并使K+通道开放， K+流出引起质膜超极化，降低心肌收缩频率。 人类视网膜含有两类光受体，视锥细胞光受体与色彩感受相关，视杆细胞光受体接受弱光刺激。视紫红质（rhodopsin）是视杆细胞Gt蛋白耦联的光受体，定位在视杆细胞外段上千个扁平磨盘上。 光光受体G蛋白PEDcGMP下降cGMP从质膜cGMP门控阳离子通道上解离

19、下来，使阳离子通道关闭。一、一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路二、细胞表面其他酶连受体三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导 一、一、受体酪氨酸激酶及受体酪氨酸激酶及RTK-RasRTK-Ras蛋白信号通路蛋白信号通路二、细胞表面其他与酶偶联的受体二、细胞表面其他与酶偶联的受体 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals） 酪氨酸蛋白激酶联系的受体 两大家族：一是与Src蛋白家族相联系的受体；二是与Janus激酶家族联系的受体。 信号转导子和转录激活子（signal transducer and actvator of transcripti

20、on，STAT）与JAK-STAT途径三、细胞表面整连蛋白介导的信号转导受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）：包括16个亚族配体结合诱导受体的二聚化与自磷酸化RTKs与Ras蛋白的活化R T K - R a s 信 号 通 路 ： 配 体 R T K 接 头 蛋 白 GEFRasRaf (MAPKKK)MAPKKMAPK进入细胞核其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰，对基因表达产生多种效应。 活化的PTKs通过磷酸酪氨酸残基可以结合多种带有SH2（ Src homology domain 的缩写）结构域的结合蛋白或信号蛋白，进行信号转导。SH2选

21、择性结合不同位点的磷酸酪氨酸残基，SH3选择性结合不同的富含脯氨酸的基序。 接头蛋白生长因子受体结合蛋白-2（GRB-2） 信号通路中有关的酶，如：GTP酶活化蛋白（GAP）、磷脂酰肌醇代谢有关的酶（-磷脂酶C，3-磷脂酰肌醇激酶）以及蛋白磷酸酯酶（SyP）等。 GRB-2的作用是耦联活化受体与其它信号分子，参与构成信号转导复合物，但它本身不具有酶活性，也没有传递信号的性质。 整联蛋白是细胞表面的跨膜蛋白，由和两个亚基组成的异二聚体，其胞外段具有多种细胞外基质组分的结合位点，包括纤连蛋白、胶原和蛋白聚糖。细胞通过肌动蛋白纤维和整联蛋白与细胞外基质之间的连接方式。粘着斑的功能：一是机械结构功能；

22、二是信号传递功能 一、一、细胞对信号的整合细胞对信号反应表现发散性或收敛性特征 信号的强度或持续的时间不同从而控制反应的性质； 在不同细胞中，因为有不同的转录因子组分，所以即使同样受体而其下游通路也是不同的； 整合信号会聚其他信号通路的输入从而修正细胞对信号的反应蛋白激酶的网络整合信息二、二、细胞对信号的控制 信号的解除与终止和信号的启动对于确保细胞对信号的适度反应来说同等重要。细胞以不同的方式产生对信号的适应 逐渐降低表面受体的数目，游离受体的减少降低细胞对外界信号的敏感性。 快速使受体本身脱敏，从而降低受体和配体的亲和力，降低受体对胞外微量配体的敏感性。 在受体已被激活的情况下，其下游信号

23、蛋白发生改变，使通路受阻，或者形成的受体配体复合物不能诱导正常的细胞反应。初级反应：直接激活少数特殊基因的转录，快速发生；NO是自由基性质的气体，具有脂溶性， NO可快速扩散透过细胞质膜进入到邻近的细胞。 NO能够进入细胞直接作用于酶的信号分子，能够引起血管平滑肌舒张。由于NO的半寿期很短(2-30s)，所以它只能作用于邻近细胞。NO的形成：NO合酶是一种Ca2+/钙调蛋白敏感性的酶，以精氨酸为底物，NADPH作为电子供体，生成NO和L-瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放机制，作用于靶细胞的NO多少直接与NO的合成有关。NO作用的靶酶是鸟苷酸环化酶，使GTP转变成cGMP。cGMP通过cGMP依

24、赖的蛋白激酶G的活化进而抑制肌动肌球蛋白复合物的信号通路，导致血管平滑肌舒张。N-乙酰胆碱受体（2）调节主要为亚基变化通道开启：Na+ 内流，K+外流，膜去极化。 所有真核生物从单细胞酵母到人类的G蛋白耦联受体都具有相似的7次跨膜结构G类型 结合的效应器 第二信使 受体举例 Gs 腺苷酸环化酶 cAMP（升高） -肾上腺素受体，高血糖素受体 血中复合胺受体，后叶加压素受体 Gi 腺苷酸环化酶 cAMP（降低） 1-肾上腺素受体 K+通道（G激活） 膜电位改变 M-乙酰胆碱受体Golf 腺苷酸环化酶 cAMP（升高） 嗅觉受体（鼻腔） Gq 磷脂酶C IP3，DAG（升高） 2-肾上腺素受体 Go 磷脂酶C IP3，DAG（升高） 乙酰胆碱受体(内皮细胞） Gt cGMP磷酸二酯酶 cGMP（降低） 视杆细胞中视紫红质（光受体）受体为单跨蛋白，通过受体自身的酪氨酸蛋白激酶的活性来完成信号跨膜转换，不需要信号耦联蛋白(G-蛋白)；该通路对信号的反应比较慢(通常要几小时)，并且需要许多细胞内的转换步骤；