细胞信号转导的分子机制

细胞信号转导CellularSignalTransduction第一章细胞间信号1.细胞间通讯的类型细胞是机体结构和功能的根本单位。机体行使的每一项功能都是多个细胞之间甚至多种细胞之间协同作用的结果。细胞间通讯的形式直接接触型间接联系型直接联系型一种细胞外表的膜蛋白可以被另一种细胞膜上的受体识别；信号细胞靶细胞A信号细胞靶细胞B小分子可能通过间隙连接直接转运信号细胞靶细胞C一种细胞释放的分子可以被另一种细胞上的受体识别1.1.1特点：信号转导的细胞相互接触，通过质膜外表分子直接相互识别、结合进行胞间联系。可发生于同种同类(如低等生物细胞聚集)、同种异类〔如动植物性细胞授粉受精〕、异种同类〔如输血与器官移植〕、异种异类〔如病原微生物对寄主细胞的侵染〕。1.1直接接触型：识别与黏合1.1.2分子根底本世纪初，wilson在利用海绵细胞作混合、别离实验时，发现细胞有选择识别适当邻居的现象。之后证实这种细胞间的识别和粘附受控于细胞外表的糖蛋白，即细胞粘附分子〔celladhensionmolecule，CAM〕细胞粘附分子是一大类膜蛋白，介导细胞之间以及细胞与细胞外基质以及某些血浆蛋白间的识别与结合，并在细胞的增殖、分化、移行；细胞的信号转导；免疫调节；炎症反响；血栓形成；损伤修复；病毒和原虫感染；肿瘤转移等生理和病理生理过程中发挥重要作用。粘附分子的结构、分类绝大多数粘附分子是存在于膜上的整合糖蛋白，由较长的细胞外区、跨膜区和较短的细胞内区组成。配体－〔胞外区〕粘附分子〔胞内区〕—ABP—细胞骨架根据编码基因及产物的结构功能特点通常分为5大家族:钙粘素〔cadherin〕家族；整合素(integrin)家族；选择素(selectin)家族；免疫球蛋白超家族；CD44家族。另外还有一些尚未归类的粘附分子。细胞粘附分子家族结构示意图细胞中主要的粘附分子家族

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粘附分子家族主要成员Ca2+/Mg2+依赖性相关细胞连接粘附方式

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钙粘素家族E,N,P钙粘素+粘合带嗜同性桥粒钙粘素+桥粒选择素家族P,L,E选择素+嗜异性免疫球蛋白NCAM­嗜同性家族ICAM­嗜异性整合素家族α5β1等多种+粘合斑、半桥粒嗜异性

_____________________________________________________________sCAM粘附分子还能以溶解或循环形式存在于血清和其他体液中，被称为可溶性粘附分子〔sCAM〕。他们是粘附分子细胞外区脱落形成，与炎症、肿瘤转移等有关，由于他们易于检测，故有较大临床价值。能与膜型相应的粘附分子竞争结合配体，抑制由膜型黏附分子介导的相应反响〔如内皮细胞与白细胞的粘附〕细胞粘附分子的配体1〕细胞外基质：ECM成分是一些粘附分子的重要配体，如透明质酸是CD44家族的配体；胶原，纤维结合素，纤连蛋白、层粘连蛋白等是整合素家族的配体。ECM分子中含有典型的三肽序列Arg〔精〕-Gly〔谷〕-Asp〔门冬〕，简称RGD序列。含有RGD序列的合成肽可抑制整合素与细胞外基质的结合，从而阻断由整合素介导的血小板聚集、感染、炎症、肿瘤转移等过程。2〕同种或者异种粘附分子的胞外区3〕细胞外表的寡糖4〕血浆中的可溶性蛋白：纤维蛋白原外表有多个RGD序列，可作为连接分子介导血小板之间的粘附反响。另外细胞外表的CAM通过与一个可溶性的多价分子结合介导细胞之间的粘附，是细胞间粘附的又一方式。5〕细菌、病毒等：HIV〔RGD〕；鼻病毒，疟原虫〔通过气道上皮和红细胞外表ICAM-1〕。细胞粘附分子与细胞骨架的联系及信号转导已证明多种粘附分子的胞内区通过肌动蛋白结合蛋白〔actinbindingprotein，ABP〕与肌动蛋白组成的细肌丝相连。这种结合不仅加强了粘附的力度，还参与细胞的信号转导。多种信号转导蛋白，如酪氨酸蛋白激酶〔PTK〕、酪氨酸蛋白磷酸酶〔PTP〕等通过对粘附分子胞内区和与其结合的ABP可逆磷酸化反响，调节肌动蛋白依赖的多种细胞功能〔粘附、变形和运动〕细胞粘附分子的调节粘附分子在胚胎发育期、免疫炎症反响以及肿瘤转移过程中有严格的时相性表达，受到胞外信号，包括激素、生长因子、细胞因子和炎症介质等因素的调节。这些胞外信号与细胞外表的受体结合后能激活多条信号转导通路，在这些通路中激活的PTK等可使粘附分子胞内区磷酸化进而激活多条胞内信号转导途径，导致细胞骨架重组，造成细胞形态的变化以及细胞的增殖、分化、凋亡等改变。〔1〕钙粘素家族〔cadherin〕：钙依赖的细胞粘附分子家族一类依赖Ca2+的跨膜单链糖蛋白，在Ca2+存在条件下，通过同种亲和性结合介导同源细胞间的粘附，参与构建细胞间的粘合连接〔adherencejunction〕。〔桥粒、粘着带，配体为它本身〕对胚胎发育中的细胞识别、迁移和组织分化以及成体组织器官构成具有重要作用。不同细胞及其发育的不同阶段，其外表的cadherin的种类与数量均有所不同。

重要粘附分子的结构与功能

A.结构、分类不同cadherin体内分布和抗原性不同，但分子结构相似，胞外区有5个钙粘素重复序列〔CAD〕，其4个Ca2+结合部位均含有His〔组〕-Ala〔丙〕-Val〔缬〕三肽序列〔HAV〕，胞内区通过连环蛋白与细胞骨架中的肌动蛋白丝相连。目前已发现四十多种cadherin，多以所在组织的第一个字母命名：上皮-钙粘素〔E-cadherin〕；胎盘-钙粘素(P-cadherin)；神经-钙粘素〔N-cadherin〕等。

AdhesionNIH3T3Strong,stableE-cadherinbasedLoose,transientN-cadherinbasedMDCKMotilityTcf/LefPE-Cadherinb-cateninp120PWntDshFrzIIExtracellularSpaceactinfilamentsa-cateninCa2+Gsk3bAPCAxinB.功能i〕表达同种钙粘素的细胞之间的特异性识别对胚胎发育和维持组织结构的完整性和极性具有重要意义。将小鼠E-、N-、P-cadherin的cDNA分别转染到不表达cadherin的细胞中去，然后混合培养，那么表达同种cadherin的细胞彼此粘附，而表达不同种cadherin的细胞那么不能形成集落。ii〕胞外区为CAD重复序列，胞内高度保守，通过连接蛋白与细胞骨架成分相连，稳固细胞间的粘附。iii〕钙粘素表达异常与肿瘤转移关系密切，钙粘素为肿瘤抑制因子。〔多种具有侵袭转移性的上皮细胞癌中E-cadherin表达减少或者有结构异常，基因转染实验也证实钙粘素可限制或者逆转肿瘤的转移行为〕StepsinMalignantProgression原位癌发育异常/腺瘤正常上皮细胞EMT：上皮间叶转化4.Increasesinextracellularproteolyticactivity5.Proliferative1.CompleteEMT〔Epithelium-to-mesenchymetransitions〕 Aprocesswhereinstaticepithelialcells: 1.Loosecell-cellcontacts 2.Acquiremesenchymalmorphology 3.ManifestamigratoryphenotypeFunctionalDefinitionofEMTE-cadherinLoss/DownregulationMutation-Seeningastriccarcinoma(胃癌)andlobularbreastcancer〔小叶乳腺癌〕Post-transcriptionaldown-regulationHakai,p120-dependencyPromotermethylationTranscriptionalRepressionWntBMPNotchE-cadherinTranscriptionalRepressionBindE-box〔2〕整合素〔integrins〕Integrin是由α和β亚基以非共价键结合形成的异二聚体，与配基结合依赖二价阳离子，它们介导细胞与细胞及细胞与ECM之间的粘附反响。一种Integrin可以结合多种配体，而一种配体也可以结合多种Integrin。16种α亚基和8种β亚基，相互结合组成20多种Integrins。分三个主要的亚族，其中每个亚族为一共同的β亚基和一组特定的α亚基组成。β1subgroupStructureNameLigandDistributionα1β1VLA-1(CD49a/CD29)LM,COLActivatedLymphocyteLeukocyteEpitheliumFibroblastPlateletα2β1VLA-2(GPⅠa/Ⅱa)(CD49b/CD29)COL,LMα3β1VLA-3(CD49c/CD29)FN,LM,COLα4β1VLA-4(CD49d/CD29)FN,VCAM-1α5β1VLA-5(GPⅠc/Ⅱa)(CD49e/CD29)FNα6β1VLA-6(CD49f/CD29)LMα7β1LMα8β1αVβ1FNAdhsionofcellswithmatrixHomingoflymphocyteAdhesionofleukocytewithEC

β2subgroupStructureNameLigandsDistributionαLβ2LFA-1(CD11a/CD18)ICAM-1,2,3AllLeukocytesαMβ2Mac-1(CD11b/CD18)IC3b,FBLPS,ICAM-1MonocytesNeutrophilαxβ2GP150/95(CD11c/CD18)iC3b,FBMonocytesNeutrophilβ2genemutation:Leukocyteadhesiondeficiencysyndromeβ3subgroupStructureNameLigandsDistributionαⅡbβ3GPⅡb/Ⅲa(CD41/CD61)FB,FN,VNvWF,TSPPlateletαvβ3VNR(CD51/CD61)VN,FBvWF,TSPA.整合素的活化

生长因子、细胞因子等胞外信号启动的细胞信号转导通路，能激活细胞内酪氨酸蛋白激酶，使整合素胞内区的酪氨酸残基磷酸化，促进其与细胞内骨架蛋白的连接，导致整合素的聚集，从而提高整合素与配体结合的亲和力，增强其粘附力，该过程被称之为整合素的活化。B.整合素的各亚族的功能

i〕β1亚族：VLA〔verylateantigen)亚族：是淋巴细胞受到丝裂原刺激2～4W后表达的新抗原。主要介导细胞与细胞外基质成分的结合〔细胞外基质的受体〕；参与细胞间的粘附，介导淋巴细胞的归巢以及白细胞与活化内皮细胞的粘附反响。ii〕β2亚族也称白细胞粘附分子(LEU-CAM)由3种白细胞外表的粘附分子组成：淋巴细胞功能相关抗原-1(LFA-1)：参与白细胞之间及白细胞与内皮细胞之间的粘附巨噬细胞分化抗原-1(Mac-1)：主要存在于中性粒细胞和单核细胞，有多种配体。现已发现它除介导白细胞与内皮细胞、上皮细胞粘附外，还与巨噬细胞与大肠杆菌等病原菌的结合有关糖蛋白150/95(GP150/95)：主要存在于组织中的巨噬细胞膜上，血中的单核细胞和某些激活的淋巴细胞也可表达少GP150/95，GPl50/95可能还参与细胞毒T细胞与靶细胞的粘附。iii〕β3亚族又称细胞粘附素，可与纤维蛋白原、纤连蛋白、血小板反响蛋白和vonWillebrandFactor等结合，介导血小板的聚集和血小板与基底膜的粘附，参与血栓形成。血小板GPIIb/IIIa的表达量减少和结构异常可致血小板功能不全症，又称Granzamann血小板无力症。这是一种少见的具有出血倾向的常染色体隐性遗传病。在动脉粥样硬化的根底上，由GPIIb/IIIa介导的血小板的聚集可导致血栓形成，造成心脑血管的梗死。C.Integrin的配体及介导的信号转导Integrin的配体可分为两大类：一类是ECM成分，integrin一般通过特定序列识别〔如RGD〕;另一类是免疫球蛋白家族如ICAM、VCAM。integrin与配体的结合是一个依赖二价阳离子的过程，一些intergrin只是在特定的时间、部位、条件下被激活，活化的integrin才能与配体结合并转导不同的信号。粘附斑：ECM与整合素结合后，在整合素细胞内区有序聚积的多种蛋白，如ABP，骨架蛋白以及多种信号转导蛋白组成的复合物，通过integrin把ECM和细胞骨架蛋白偶联起来。粘附斑在细胞与ECM的粘附和细胞的运动游走中发挥作用。整合素与基质的结合→粘附斑〔focaladhesion,FA〕的组装→FAK〔focaladhesionkinase〕活化→启动多条信号转导通路。细胞外基质－整合素－细胞骨架组成的关键调节轴。纤维连接蛋白Coalignmentofactinstressfibersandfocaladhesions整合素介导的信号转导途径有两种：由内向外的信号转导途径〔inside-outsignaling〕主要调控整合素与配体结合，首先是某种胞内信号引起整合素活化，使其胞内结构域发生构型改变，然后诱导整合素胞外结构域产生构型变化，使其与相应配体特异性结合。这种作用在血小板和白细胞中尤为重要，这些细胞中的整合素平时处于非活化状态，使血小板和白细胞在血液中畅通地循环而不发生粘附，一旦有信号剌激即可活化整合素，使其与配体结合而发生反响性粘附作用。又如T淋巴细胞与抗原提呈细胞外表特异性抗原分子作用后，促使T细胞内信号转导途径激活β2整合素，进而介导T细胞与抗原提呈细胞的粘附，使细胞得到充分的抗原剌激，随后整合素可回复到非活化状态，使T细胞与抗原提呈细胞别离。由外向内的信号转导途径〔outside-insignaling〕整合素与细胞外基质中相应配体结合后，其胞内结构域可通过细胞内锚定蛋白与细胞骨架成分相连，这种连接作用可导致整合素成簇分布，在细胞与细胞外基质间形成局部粘附。整合素在细胞与细胞外基质或细胞与细胞接触部位的成簇反响，能激活由外向内的信号转导途径。与其他细胞外表受体一样，整合素启动的细胞内信号转导途径能引起整个细胞的反响，包括基因表达的变化，但有时它还有诱导细胞与基质接触部位局部反响的特点。由整合素介导的信号转导常与细胞外表其他受体介导的信号转导协同作用，影响细胞的形态变化以及迁移、增殖、分化、凋亡等一系列生物学功能。〔3〕免疫球蛋白超家族的粘附分子一类存在于细胞外表，与免疫球蛋白结构相似的跨膜蛋白质，多数介导非钙依赖性同种和异种细胞之间的粘附反响。分子结构含有免疫球蛋白样区域，即沿着肽链每60～80个氨基残基出现一个链内二硫环，每个环内大约110个氨基酸残基，呈反平行β片层折叠，中心通过半胱氨酸形成二硫键加以稳定，成为一种钢性结构，使得肽链多处糖基化后也不致引起分子结构的变形。分类:细胞间粘附分子〔ICAM-1,2,3〕；血管细胞粘附分子-1(VCAM-1)；神经细胞粘附分子〔NCAM〕；血小板内皮细胞粘附分子-1〔PECAM〕等。癌胚抗原(CEA)亦为该家族的粘附分子，它是结肠粘膜细胞外表的糖蛋白，介导非钙依赖性结肠癌细胞之间或细胞与细胞外基质胶原间的粘附反响。血清CEA升高往往预示肿瘤的复发和转移。功能:表达于血管内皮细胞、免疫细胞和神经系统，在组织发生，免疫调节和炎症反响中具有重要作用。ICAM-1：正常表达于内皮细胞，但在内皮细胞活化〔细胞因子，内毒素〕时可以显著上调。ICAM-2：组成型表达，不受内皮活化的影响；结合力低。ICAM-3:只表达在血细胞VCAM-1：血管细胞粘附分子，又称诱导性细胞粘附分子(induciblecelladhesionmolecule,INCAM)，在IL-1、TNF-α等细胞因子活化的血管内皮细胞上表达，最近命名为CD106，VCAM-1的配体是分布在白细胞外表的VLA-4分子PECAM-1：组成型表达于血小板、白细胞和内皮细胞上，介导血小板、白细胞和内皮的粘附〔同型分子结合〕，介导穿内皮间隙和基底膜。细胞因子不会使其表达明显增高，可以重分布于内皮－内皮接触处。〔4〕选择素家族：又称凝集素样细胞粘附分子，胞外区结构相似，为凝集素样区、表皮生长因子样区和数个补体结合区。〔凝集素样区结合和识别配体；EGF区协同；配体为细胞膜上的寡糖Lex和Les〕主要参与白细胞与血管内皮细胞的识别和粘着。迄今为止发现的selectin分子的配体都是具有唾液酸化的路易斯寡糖(Sialyl-Lewis)或类似结构的分子。与蛋白质分子抗原不同，直接决定细胞外表某种寡糖表达的因素是与某些特定的糖基转移酶或碳水化合物修饰酶的作用有关，这些酶的作用可能与细胞的生长与代谢状态有着密切的关联。一种寡糖基团可以存在于多种糖蛋白或糖脂分子上,并分布于多种细胞外表,因此selectin分子的配体在体内的分布较为广泛。白细胞、血管内皮细胞、某些肿瘤细胞外表及血清中某些糖蛋白分子上都存在有selectin分子识别的碳水化合物基团。LectinL-选择素：在所有各型白细胞外表表达，能与内皮细胞外表的配体呈快速、低亲和力的结合。〔白细胞活化后，其细胞外区即脱落，使白细胞失去和内皮细胞粘附的能力；但这种作用为下一阶段的稳定粘附创造了条件〕。所以白细胞与血管内皮的粘附表现为滚动而不是稳定的粘附，LAD-2：II型白细胞粘附缺陷综合征〔唾液酸化路易斯寡糖X缺乏，导致白细胞粘附和游出障碍，对感染的抵抗力降低〕。E-选择素

主要位于毛细血管、后微静脉的内皮细胞膜，它们在未激活的内皮细胞不表达，当内皮细胞受到内毒素及炎性细胞因子作用后1小时内表达即开始增加，4-6小时到达顶峰，24小时后下降，因此它在炎症部位的血管内皮细胞与中性粒细胞粘附中发挥重要作用，此外，在肿瘤的血路转移中，它还介导肿瘤细胞与内皮细胞的粘附。P-选择素

集中在血小板的α颗粒和小静脉、微静脉内皮细胞weible-palade小体的膜内面。诱导表达后，介导血小板或者内皮细胞与中性粒细胞和单核细胞的粘附，参与凝血、血栓形成和炎症反响。〔5〕CD44家族高度异质性的跨膜单链糖蛋白，在血细胞、内皮细胞、上皮细胞、软骨细胞、纤维母细胞以及多种肿瘤细胞上表达。标准型CD44主要表达于血细胞。功能：CD44是多种细胞外基质成分的受体，能介导细胞与基质〔透明质酸，硫酸软骨素，纤维连接蛋白〕的粘附，调节细胞增殖和移动，参与淋巴细胞的分化发育、活化和成熟；与肿瘤的增殖、转移关系密切。参与淋巴细胞归位到淋巴组织〔淋巴细胞归巢受体〕实验证明CD44能在转移性肿瘤细胞上表达。如在人结直肠肿瘤的浸润癌及转移灶中发现了一种CD44突变型，而针对这种CD44分子的单抗可以抑制癌细胞株向淋巴结转移和在肺转移灶中生长。还有实验说明，CD44的表达量与肿瘤的转移能力也有关。如英国一实验室从黑色瘤细胞中克隆到几株CD44表达水平不同的细胞，其中有两种细胞的表达水平相差近10倍。将这两种细胞静脉接种后发现，高表CD44细胞的肺转移能力明显高于低表达者，并且前者具有更快的细胞迁移力。已发现多种肿瘤细胞CD44的表达量明显增加。1.2直接联系型特点：信号转导的细胞之间虽也直接接触，但不是通过细胞间各种质膜外表分子直接相互结合、识别进行胞间联系，而是通过一些特殊通道进行联系。类型：间隙连接胞间连丝纳米管道植物细胞1.间隙连接〔gapjunction〕1〕结构：连接蛋白：四次跨膜糖蛋白，已发现13种。连接子：6个连接蛋白组成。间隙连接：相邻细胞的连接子对接成通道1、间隙连接〔gapjunction〕分布：除骨骼肌细胞及循环血细胞外的细胞之间。间隙连接的电镜图

结构特点及形成：在连接处相邻细胞间有2～4nm的缝隙，在间隙与两层质膜中有大量蛋白质颗粒，是构成间隙连接的根本单位，称连接子〔connexon〕，由6个相同或相似的跨膜蛋白亚单位环绕而成，直径8nm，中心形成一个直径约1.5nm的孔道。间隙连接的模式图

功能：

1.电偶联传导：无须依赖神经递质或信息物质即可将一些细胞的电兴奋活动传递到相邻的细胞。如神经细胞电突触的动作电位传递，肌细胞和小肠平滑肌细胞的同步收缩；

2.代谢的协调：小分子代谢物和信号分子可通过连接子的通道，由一个细胞进入相邻的另一个细胞。

3.发育与分化：胚胎发育的早期，细胞间通过间隙连接相互协调发育和分化。

4.细胞增殖的调控：传播与增殖有关的信号，使细胞群中细胞增殖保持同步和平衡。也有证据说明与细胞凋亡相关；5.炎症、免疫反响与组织修复：炎性介质可影响通道的通透性以及连接蛋白的表达和降解；在创伤修复的不同时期需要不同的胞间通讯；阻断间隙连接胞间通讯可减少免疫球蛋白和白介素10的分泌。1.3间接联系型：分泌化学信号特点：相隔一定距离的细胞之间，靠分泌发放化学信号分子，并通过血液或体液进行相互联系与通讯。种类：激素神经递质和神经肽旁分泌和自分泌因子气体和小分子信号分子化学信号的特性：与靶细胞受体结合的特异性；2.胞间信号作用的复杂性；不同靶细胞的受体蛋白不同，效应不同；受体蛋白相同，同一化学信号在不同细胞效应不同；不同的信号分子在相同的细胞里可以产生相同的反响；3.不同分泌化学信号的时效性；4.胞间信号分子的溶解性；激素是由组织细胞产生、释放到细胞外，并被运送到其他组织中的作用位点产生特定反响的一种物质。分类：内分泌激素

神经内分泌激素蛋白质和肽类甾类或类固醇酪氨酸衍生的胺类激素信号分子的合成与释放在分泌细胞的粗面内质网合成，经高尔基体包装到分泌囊泡，经胞吐释放到血液；类固醇激素为脂溶性，以简单扩散通过细胞膜进入组织间液，然后进入血液；不同激素有其特定的分泌过程和持续时间；信号分子的血液传输、接收和灭活信号分子的分级传递与控制神经递质、神经肽和趋化因子神经递质和神经肽都是神经受到刺激后，由突触前神经元合成并释放的内源化合物；其中分子小、作用快速的物质，被