第七章-细胞通讯与信号转导的分子机制课件

第七章细胞通讯(cellcommunication)与信号转导(signaltransduction)概念细胞通讯(cellcommunication)：细胞间识别、联络和相互作用的过程。信号转导(signaltransduction)：针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程。意义对认识细胞在生命活动各方面的表现和调控方式，理解生命活动的本质，在分子水平认识各种疾病的发病机制等都有重大意义。1第七章细胞通讯(cellcommunication)与信细胞信号转导大事记1955年，Sutherland，cAMP第二信使学说，获1971年诺贝尔生理和医学奖1963年，cGMP作为胞内信使的发现1978年，Rasmussen，Ca2+第二信使学说1983年，IP3和DG作为胞内信使的发现80年代，Gilman和Rodbell，G蛋白的研究，获1994年诺贝尔生理和医学奖80-90年代，酪氨酸蛋白激酶与信号转导的研究2细胞信号转导大事记1955年，Sutherland，cAMP细胞通讯的分子基础细胞间通讯的方式细胞间隙连接(gapjunction)：连接蛋白，直接通讯，可共享小分子物质（1500D）膜表面分子接触通讯(Contact-dependentsignaling)

：蛋白、糖蛋白、糖脂，直接通讯化学信号通讯(chemicalsignaling)：以化学信号为介质，间接通讯3细胞通讯的分子基础细胞间通讯的方式3445566化学信号分子的种类及特性脂溶性(lipophilic)与水溶性(water-soluble)根据其作用距离范围，分三大类：内分泌(endocrine)系统的化学信号：激素(hormone)，作用距离最远（m），膜受体或胞内受体神经系统的化学信号：神经递质(neuraltransmitter)，如乙酰胆碱(acetyl-choline)，作用距离最短（nm），膜受体旁分泌(paracrine)系统的化学信号：细胞因子，作用于周围细胞（μm），膜受体自分泌(autocrine)：作用于自身，仅限于病理条件，如肿瘤7化学信号分子的种类及特性脂溶性(lipophilic)与水溶88

CellSignaling一、GeneralPrinciplesofCellSignaling9CellSignalingHumanGenomeProjecthasrevealedthatupto~20%ofthe~32,000humancodinggenesencodeproteinsinvolvedinsignaltransduction,includingtransmembranereceptors,G-proteinsubunitsandsignal-generatingenzymes

10HumanGenomeProjecthasreveaFormsofcellsignaling11Formsofcellsignaling11

Formsofcellsignaling(A)Hormonesproducedinendocrineglandsaresecretedintothebloodstreamandcanbedistributedwidelythroughoutthebody.(B)Paracrinesignalsarereleasedbycellsintotheextracellularmediumintheirneighborhoodandactlocally.

(C)Neuronalsignalsaretransmittedalongaxonstoremotetargetcells.(D)Contact-dependentsignalingrequirescellstobeindirectmembrane-to-membranecontactwitheachother.(especiallyduringdevelopmentandimmuneresponses)12Formso信号分子的接收与灭活接收：受体(receptor)灭活：信号分子须在靶细胞膜上或在靶细胞内起作用后被灭活而将信号消除。内分泌激素还可在肝脏、血液中被降解，通过氧化还原、脱氨基、脱羧基方式被清除。13信号分子的接收与灭活接收：受体(receptor)13受体(receptor)概念信息分子的接收分子，位于细胞表面或细胞内，化学本质是蛋白质。受体的作用识别外源信息分子（配体ligand）;信号转换。特点高度特异性；高亲和力，Kd：10-8mol/L；可饱和性；可逆性。分类：细胞表面受体（膜受体）：分离子通道受体、G蛋白偶联受体、单次跨膜受体细胞内受体14受体(receptor)概念1415151616Extracellularsignalingmoleculesbindtoeithercell-surfacereceptororintracellularreceptors17ExtracellularsignalingmolecuThreeclassesofcell-surfacereceptors18Threeclassesofcell-18Differentcellscanresponddifferentlytothesamechemicalsignal19Differentcellscanresponddi细胞信号转导的基本方式细胞信号转导网络的构成多条信号转导途径(pathway)，交互调控(crosstalking)，形成网络(network)信号在细胞内转换和传递的基本方式小分子信使：浓度、细胞内定位的改变大分子信使：构象变化化学修饰（磷酸化-phosphorylation与去磷酸化-dephosphorylation）；变构效应；蛋白质—蛋白质相互作用20细胞信号转导的基本方式细胞信号转导网络的构成20细胞内的关键信号转导分子(signaltransducer)蛋白激酶(proteinkinase)与蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)：磷酸化与去磷酸化蛋白激酶：分类：蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶；蛋白酪氨酸激酶；蛋白组赖/精氨酸激酶；蛋白半胱氨酸激酶；蛋白天冬/谷氨酸激酶重要：蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)；蛋白激酶G(PKG)；蛋白激酶C(PKC)；钙调素依赖的蛋白激酶；蛋白酪氨酸激酶(proteintyrosinekinase)；有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)21细胞内的关键信号转导分子(signaltransducer磷酸化酶b(无活性)(+)(+)(+)磷酸化酶a(活性)P磷酸化酶激酶

(活性)PA激酶(活性)ATP(+)cAMP腺苷酸环化酶胰岛素(+)(-)糖原合成酶a(活性)糖原合成酶b(无活性)P(+)A激酶(无活性)磷酸化酶激酶(无活性)升血糖降血糖肾上腺素胰高血糖素磷酸二酯酶5‘-AMP(+)22磷酸化酶b(+)(+)(+)磷酸化酶aP磷酸化酶激酶PA激酶有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)

三级级联激活：逐级磷酸化有丝分裂原活化蛋白（mitogen-activatedprotein,MAPK）属蛋白丝/苏氨酸激酶，关键性作用

MAPK激活后，转至核内，使转录因子磷酸化，改变基因的表达状态。23有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivated2424MAPkinasesignalingpathwayStimulus↓MAPKKK↓MAPKK↓MAPK↓Response25MAPkinasesignaling25蛋白酪氨酸激酶

(protein-tyrosinekinase,PTK)

蛋白质酪氨酸残基的磷酸化分类跨膜的蛋白酪氨酸激酶受体：有胞外区、跨膜区、胞内区；位于胞浆的蛋白酪氨酸激酶：为受体和最终效应分子之间的中间介导分子；核内的蛋白酪氨酸激酶26蛋白酪氨酸激酶

(protein-tyrosinekin2727RPTKactivation

Nature411:355(2001)28RPTKactivation2829293030蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)使磷酸化的蛋白质去磷酸化蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应，构成蛋白质活性的开关系统。31蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)使磷酸化GTP结合蛋白(G蛋白)

(GTPbingdingprotein,Gprotein)GTP结合蛋白三聚体(heterotrimericGTPbindingprotein)是一类和GDP或GTP结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白由三个亚基组成：α、β、γ两种构象

活化型(GDP)、非活化型(GTP)效应酶腺苷酸环化酶（AC）；磷脂酶C（PLC）等低分子量G蛋白(smallGprotein)：小G蛋白： Ras蛋白32GTP结合蛋白(G蛋白)

(GTPbingdingpr3333343435353636Intheheartmuscleplasmamembrane

（毒蕈碱）37Intheheart（毒蕈碱）37小G蛋白Ras蛋白(Ratsarcoma)Harrey和Kirfen鼠肉瘤病毒上发现，称H-ras、K-ras，人神经母细胞瘤上发现N-ras。与G蛋白相同：GTP/GDP转换；GTPase不同：受酪氨酸蛋白激酶调节，需蛋白中介：接头蛋白(GRB2)和Sos、GTP酶激活蛋白(GAPs)，类似G蛋白中的α亚基。38小G蛋白Ras蛋白(Ratsarcoma)38ActivationofRasfollowingbindingofahormone(e.g.,EFG)toareceptortyrosinekinase(RTK)Sos:SonofsevenlessGRB2:Growthfactorreceptor-boundprotein39ActivationofRasfollowingbi蛋白质相互作用的调控结合元件(modularbindingdomain)概念：是蛋白质分子中的特殊结构域，是信号分子相互识别的部位。种类：SH2结构域(srchomology2domain)：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白质分子的结合SH3结构域(srchomology3domain)：介导信号分子与富含脯氨酸蛋白质分子的结合PH结构域(pleckstrinhomologydomain)PTB结构域(proteintyrosinebindingdomein)，识别含磷酸酪氨酸的基序40蛋白质相互作用的调控结合元件(modularbinding41414242BindingofSH2-containingintracellularsignalingproteinstoanactivatedPDGFreceptorPDGF:platelet-derivedgrowthfactorSH2domain43BindingofSH2-containingintrSH2domainboundtoshorttargetpeptide44SH2domainboundtoshorttargSH2domain(globularstructure)andasegmentofareceptor(stickmodel)fittogetherinpartbecausea

positivechargedpocket

inSH2isattractedtoanegativelychargedphosphate.Also,thenearbyaminoacidsinthereceptorfitsnuglyintoa

hydrophobicgroove

onSH2.Thethree-dimensionalstructuresofSH2domainsindifferentproteinsareverysimilar.Eachbindstoa

distinctsequenceofaminoacid

surroundingaphosphotyrosineresidue.45SH2domain(globularstructure5-6anti-parallel-strandsGenerallybindtoPro-richpeptideswiththeminimalconsensusPro-X-X-Pro.SH3domain465-6anti-parallel-strandsSH3主要细胞信号转导途径细胞内受体介导信号转导离子通道型受体及其信号转导G蛋白偶联受体及其信号转导单次跨膜受体介导的信号转导47主要细胞信号转导途径细胞内受体介导信号转导47细胞信号转导的基本路线48细胞信号转导的基本路线484949细胞内受体介导的信号转导过程

(SignalingMediatedbyIntracellular

Receptors)受体属转录因子没有激素时：受体—热休克蛋白(heatshockproteins,Hsps)复合物，阻止受体向细胞核移动及与DNA的结合。激素与受体结合后：Hsps解离，激素—受体复合物，结合于DNA上的激素反应元件(hormoneresponseelement,HRE)50细胞内受体介导的信号转导过程

(SignalingMed5151

CellSignaling一、GeneralPrinciplesofCellSignaling二、SignalingMediatedbyIntracellularReceptorsSteroidhormones,thyroidhormones,retinoids,vitaminD52CellSignalingHRE:hormoneresponseelementBoundhormone-receptorcomplexcaneitherenhanceorsuppresstheexpressionofspecificgenesadjacenttoHREs.53HRE:hormone53TheabilityofagivenhormonetoaltertheexpressionofaspecificgenedependsupontheHREexactsequence

itspositionrelativetothegenethenumberofHREsassociatedwiththegene54TheabilityofagivenhormoneAmodelofanintracellularreceptorprotein55Amodelofanintracellular55TheDNA-bindingdomaincommontoanumberofsteroidhormonereceptors“zincfinger”structure56TheDNA-bindingdomaincommonEarlyprimaryresponse:within30minutesDelayedsecondaryresponse

57Earlyprimaryresponse:within第七章细胞通讯(cellcommunication)与信号转导(signaltransduction)概念细胞通讯(cellcommunication)：细胞间识别、联络和相互作用的过程。信号转导(signaltransduction)：针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程。意义对认识细胞在生命活动各方面的表现和调控方式，理解生命活动的本质，在分子水平认识各种疾病的发病机制等都有重大意义。58第七章细胞通讯(cellcommunication)与信细胞信号转导大事记1955年，Sutherland，cAMP第二信使学说，获1971年诺贝尔生理和医学奖1963年，cGMP作为胞内信使的发现1978年，Rasmussen，Ca2+第二信使学说1983年，IP3和DG作为胞内信使的发现80年代，Gilman和Rodbell，G蛋白的研究，获1994年诺贝尔生理和医学奖80-90年代，酪氨酸蛋白激酶与信号转导的研究59细胞信号转导大事记1955年，Sutherland，cAMP细胞通讯的分子基础细胞间通讯的方式细胞间隙连接(gapjunction)：连接蛋白，直接通讯，可共享小分子物质（1500D）膜表面分子接触通讯(Contact-dependentsignaling)

：蛋白、糖蛋白、糖脂，直接通讯化学信号通讯(chemicalsignaling)：以化学信号为介质，间接通讯60细胞通讯的分子基础细胞间通讯的方式3614625636化学信号分子的种类及特性脂溶性(lipophilic)与水溶性(water-soluble)根据其作用距离范围，分三大类：内分泌(endocrine)系统的化学信号：激素(hormone)，作用距离最远（m），膜受体或胞内受体神经系统的化学信号：神经递质(neuraltransmitter)，如乙酰胆碱(acetyl-choline)，作用距离最短（nm），膜受体旁分泌(paracrine)系统的化学信号：细胞因子，作用于周围细胞（μm），膜受体自分泌(autocrine)：作用于自身，仅限于病理条件，如肿瘤64化学信号分子的种类及特性脂溶性(lipophilic)与水溶658

CellSignaling一、GeneralPrinciplesofCellSignaling66CellSignalingHumanGenomeProjecthasrevealedthatupto~20%ofthe~32,000humancodinggenesencodeproteinsinvolvedinsignaltransduction,includingtransmembranereceptors,G-proteinsubunitsandsignal-generatingenzymes

67HumanGenomeProjecthasreveaFormsofcellsignaling68Formsofcellsignaling11

Formsofcellsignaling(A)Hormonesproducedinendocrineglandsaresecretedintothebloodstreamandcanbedistributedwidelythroughoutthebody.(B)Paracrinesignalsarereleasedbycellsintotheextracellularmediumintheirneighborhoodandactlocally.

(C)Neuronalsignalsaretransmittedalongaxonstoremotetargetcells.(D)Contact-dependentsignalingrequirescellstobeindirectmembrane-to-membranecontactwitheachother.(especiallyduringdevelopmentandimmuneresponses)69Formso信号分子的接收与灭活接收：受体(receptor)灭活：信号分子须在靶细胞膜上或在靶细胞内起作用后被灭活而将信号消除。内分泌激素还可在肝脏、血液中被降解，通过氧化还原、脱氨基、脱羧基方式被清除。70信号分子的接收与灭活接收：受体(receptor)13受体(receptor)概念信息分子的接收分子，位于细胞表面或细胞内，化学本质是蛋白质。受体的作用识别外源信息分子（配体ligand）;信号转换。特点高度特异性；高亲和力，Kd：10-8mol/L；可饱和性；可逆性。分类：细胞表面受体（膜受体）：分离子通道受体、G蛋白偶联受体、单次跨膜受体细胞内受体71受体(receptor)概念1472157316Extracellularsignalingmoleculesbindtoeithercell-surfacereceptororintracellularreceptors74ExtracellularsignalingmolecuThreeclassesofcell-surfacereceptors75Threeclassesofcell-18Differentcellscanresponddifferentlytothesamechemicalsignal76Differentcellscanresponddi细胞信号转导的基本方式细胞信号转导网络的构成多条信号转导途径(pathway)，交互调控(crosstalking)，形成网络(network)信号在细胞内转换和传递的基本方式小分子信使：浓度、细胞内定位的改变大分子信使：构象变化化学修饰（磷酸化-phosphorylation与去磷酸化-dephosphorylation）；变构效应；蛋白质—蛋白质相互作用77细胞信号转导的基本方式细胞信号转导网络的构成20细胞内的关键信号转导分子(signaltransducer)蛋白激酶(proteinkinase)与蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)：磷酸化与去磷酸化蛋白激酶：分类：蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶；蛋白酪氨酸激酶；蛋白组赖/精氨酸激酶；蛋白半胱氨酸激酶；蛋白天冬/谷氨酸激酶重要：蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)；蛋白激酶G(PKG)；蛋白激酶C(PKC)；钙调素依赖的蛋白激酶；蛋白酪氨酸激酶(proteintyrosinekinase)；有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)78细胞内的关键信号转导分子(signaltransducer磷酸化酶b(无活性)(+)(+)(+)磷酸化酶a(活性)P磷酸化酶激酶

(活性)PA激酶(活性)ATP(+)cAMP腺苷酸环化酶胰岛素(+)(-)糖原合成酶a(活性)糖原合成酶b(无活性)P(+)A激酶(无活性)磷酸化酶激酶(无活性)升血糖降血糖肾上腺素胰高血糖素磷酸二酯酶5‘-AMP(+)79磷酸化酶b(+)(+)(+)磷酸化酶aP磷酸化酶激酶PA激酶有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)

三级级联激活：逐级磷酸化有丝分裂原活化蛋白（mitogen-activatedprotein,MAPK）属蛋白丝/苏氨酸激酶，关键性作用

MAPK激活后，转至核内，使转录因子磷酸化，改变基因的表达状态。80有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogenactivated8124MAPkinasesignalingpathwayStimulus↓MAPKKK↓MAPKK↓MAPK↓Response82MAPkinasesignaling25蛋白酪氨酸激酶

(protein-tyrosinekinase,PTK)

蛋白质酪氨酸残基的磷酸化分类跨膜的蛋白酪氨酸激酶受体：有胞外区、跨膜区、胞内区；位于胞浆的蛋白酪氨酸激酶：为受体和最终效应分子之间的中间介导分子；核内的蛋白酪氨酸激酶83蛋白酪氨酸激酶

(protein-tyrosinekin8427RPTKactivation

Nature411:355(2001)85RPTKactivation2886298730蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)使磷酸化的蛋白质去磷酸化蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应，构成蛋白质活性的开关系统。88蛋白磷酸酶(proteinphosphatase)使磷酸化GTP结合蛋白(G蛋白)

(GTPbingdingprotein,Gprotein)GTP结合蛋白三聚体(heterotrimericGTPbindingprotein)是一类和GDP或GTP结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白由三个亚基组成：α、β、γ两种构象

活化型(GDP)、非活化型(GTP)效应酶腺苷酸环化酶（AC）；磷脂酶C（PLC）等低分子量G蛋白(smallGprotein)：小G蛋白： Ras蛋白89GTP结合蛋白(G蛋白)

(GTPbingdingpr9033913492359336Intheheartmuscleplasmamembrane

（毒蕈碱）94Intheheart（毒蕈碱）37小G蛋白Ras蛋白(Ratsarcoma)Harrey和Kirfen鼠肉瘤病毒上发现，称H-ras、K-ras，人神经母细胞瘤上发现N-ras。与G蛋白相同：GTP/GDP转换；GTPase不同：受酪氨酸蛋白激酶调节，需蛋白中介：接头蛋白(GRB2)和Sos、GTP酶激活蛋白(GAPs)，类似G蛋白中的α亚基。95小G蛋白Ras蛋白(Ratsarcoma)38ActivationofRasfollowingbindingofahormone(e.g.,EFG)toareceptortyrosinekinase(RTK)Sos:SonofsevenlessGRB2:Growthfactorreceptor-boundprotein96ActivationofRasfollowingbi蛋白质相互作用的调控结合元件(modularbindingdomain)概念：是蛋白质分子中的特殊结构域，是信号分子相互识别的部位。种类：SH2结构域(srchomology2domain)：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白质分子的结合SH3结构域(srchomology3domain)：介导信号分子与富含脯氨酸蛋白质分子的结合PH结构域(pleckstrinhomologydomain)PTB结构域(proteintyrosinebindingdomein)，识别含磷酸酪氨酸的基序97蛋白质相互作用的调控结合元件(modularbinding98419942BindingofSH2-containingintracellularsignalingproteinstoanactivatedPDGFreceptorPDGF:platelet-derivedgrowthfactorSH2domain100BindingofSH2-containingintrSH2domainboundtoshorttargetpeptide101SH2domainboundtoshorttargSH2domain(globularstructure)andasegmentofareceptor(stickmodel)fittogetherinpartbecausea

positivechargedpocket

inSH2isattractedtoanegativelychargedphosphate.Also,thenearbyaminoacidsinthereceptorfitsnuglyintoa

hydrophobicgroove

onSH2.Thethree-dimensionalstructuresofSH2domainsindifferentproteinsareverysimilar.Eachbindstoa

distinctsequenceofaminoacid

surroundingaphosphotyrosineresidue.102SH2domain(globularstruc