细胞信号转导进展-G蛋白

细胞信号转导进展2010.11.12E-mail:jiangxn88@内容绪论第一章细胞信号分子第二章蛋白质的可逆磷酸化第三章离子通道第四章胞内受体的作用机制第五章G蛋白介导的信号转导第六章第二信使——cAMP与cGMP

第七章第二信使——IP3,DAG与Ca2+

第八章酪氨酸蛋白激酶途径Ras-Raf-MAPK

信号途径PI3K/Akt信号途径JAK/Stat信号途径第九章TGF-β/SMAD信号途径第十章细胞凋亡信号途径第十一章Wnt信号途径第十二章Hedgehog/Notch途径G蛋白介导的信号转导GPCRG蛋白介导的跨膜信号转导小G蛋白GPCR的分子结构又称蛇型受体(serpentinereceptor),只存在与真核生物中。通常由单一的多肽链或均一的亚基组成：跨膜区由7个

螺旋结构组成；每个疏水跨膜区段由20-25个氨基酸组成，多肽链的N-端位于细胞外区，而C-端位于细胞内区；在第五及第六跨膜

螺旋结构之间的细胞内环部分（第三内环区），是与G蛋白偶联的区域。GPCRArtmAchR—A类GPCRsBelongstosubfamilyA18M1(CHRM1,ACM1)M2(CHRM2,ACM2)M3(CHRM3,ACM3)M4(CHRM4,ACM4)M5(CHRM5,ACM5)代谢型离子通道

mAchRs的组织分布和功能mAchRPrimaryLocalizationExamplesofSomeMediatedEventsM1CNS&PNSMemory,modulatesresponsetoamphetaminesM2Brain,heart,stomach,etc.bradycardia(heart)心动过缓M3Salivaryglands,eye,bladderamylasesecretion,pupilconstriction,bladdercontractionM4CNSregulatedopaminergicresponses(e.g.,locomotoractivity)M5CNS,arteries/arteriolesregulatedopaminerelease(modulatemorphinereward/withdrawal,dilationofbloodvessels5-HT受体—A类GPCRs

SubfamilyA175-HT2A(HTR2A,5H2A)5-HT2B(HTR2B,5H2B)5-HT2C(HTR2C,5H2C)5-HT6(HTR6,5H6)SubfamilyA195-HT1A(HTR1A,5H1A)5-HT1B(HTR1B,5H1B)5-HT1D(HTR1D,5H1D)5-HT1E(HTR1E,5H1E)5-HT1F(HTR1F,5H1F)5-HT4(HTR4)5-HT5A(HTR5A,5H5A)5-HT7(HTR7,5H7)5-HT3为离子通道型受体B类GPCRsC类GPCRsCalcium-sensingreceptor-related(CaS)GABABreceptorsMetabotropicglutamatereceptors(mGluR),代谢型谷氨酸受体RAIG(Retinoicacid-inducibleorphanGprotein-coupledreceptors)TastereceptorsOrphanreceptors:孤儿受体，配体未知

C类GPCRsCys-richDomainHeptahelicalDomainAgonistsAntagonistsG-proteinC类GPCRs

的一般结构HDVFTCRDVenusFlytrapDomainAllostericModulator,AMmGlu1VFT区的晶体结构Kunishimaetal.,Nature,2000OPENwithoutGluCLOSEDwithGluGABAB

受体—异二聚体代谢型GABA受体，由B1,B2两个亚单位组成。B1与配体GABA结合，B2介导G蛋白的激活。B2可单独转运至细胞膜，B1需与B2形成异二聚体才能转运至细胞膜。B1亚单位的VFT与GABA结合后，VFT关闭，引起跨膜部分的构象改变，激活G蛋白功能：神经递质释放的突触前抑制。B1B2离子型GABA受体mGluR

与离子通道型GluR(iGluR)不同，mGluR不是离子通道。位于突触前膜及突触后膜，与学习、记忆、焦虑及痛觉有关。功能：修饰离子通道的活性改变突触的兴奋性，如神经递质传递的突触前抑制或诱导突触后应答mGluR—同源二聚体G蛋白介导的信号转导GPCRG蛋白介导的跨膜信号转导小G蛋白参与G蛋白跨膜信号转导的信号分子GPCRG蛋白（鸟苷酸结合蛋白）G蛋白效应分子第二信使蛋白激酶等一系列的信号分子G蛋白鸟苷酸结合蛋白（guanylatebindingprotein）的简称包括异源三聚体G蛋白和单体G蛋白/小G蛋白AlfredG.Gilman

MartinRodbell

1994年10月9日，在诺贝尔颁奖大会上，诺贝尔生理学奖授予给了AlfredG.Gilman

和MartinRodbell，以表彰他们的重大发现：G-蛋白及其在细胞内信号传导中所起的作用。G蛋白的活性调节现已发现，在哺乳动物中，G蛋白的

亚基有21种，

亚基有5种，

亚基有12种。不同的G蛋白能特异地将受体与相应的效应酶偶联起来，将特异的信息传递到细胞内。异源三聚体G蛋白的种类Ｇ蛋白a亚基Gproteina-subunitsubfamilyEffectofactivationGsGsa,GolfaStimulationofadenylyl

cyclaseGiGia1-3,Goa,GzaInhibitionofadenylyl

cyclaseGatActivationofcGMP

phosphodiesterase(specificforretinalphototransduction)GqGqa,G11a,G14a,G16aActivationofphospholipase

Cb(PLCb)G12G12a,G13aActivationofRhoA

signalling;activationofPLCeGas与Gai

的抑制剂霍乱毒素(choleratoxin)能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，抑制α亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使α亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。百日咳毒素(pertussistoxin)使Gi蛋白α亚基ADP核糖化，阻止α亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对AC的抑制作用，使cAMP的浓度增加,促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。G蛋白的效应分子某些离子通道,接受G蛋白的直接或间接调控。

酶类:主要有腺苷酸环化酶(AC)、磷脂酶C(PLC)、磷脂酶A2(PLA2)、鸟苷酸环化酶(GC)和依赖于cGMP的磷酸二酯酶(PDE)。它们都能通过生成(或分解)第二信使，实现细胞外信号向细胞内的转导。G蛋白调节的离子通道（a）神经递质乙酰胆碱与心肌细胞的膜受体结合，使得G蛋白的α亚基与β、γ亚基分开；（b）激活的β、γ亚基复合物同K+离子通道结合并将K+离子通道打开；（c）α亚基中的GTP水解，导致α亚基与β、γ亚基重新结合，使G蛋白处于非活性状态，使K离子通道关闭。GPCR能够激活心肌质膜的K+离子通道打开,通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩

GPCR介导的跨膜信号传递磷脂酰肌醇信号通路cAMP

信号通路1．化学感受器中的G蛋白

气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cNMP，开启cNMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。

2004年Axel和Buck因发现气味受体和化学感受器系统的组成而获诺贝尔生理或医学奖。其他G-蛋白RichardAxelLindaB.Buck其他G-蛋白2．视觉感受器中的G蛋白视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为：光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。G蛋白介导的信号转导GPCRG蛋白介导的跨膜信号转导小G蛋白小G蛋白家族特点：分子量小，21～28kD的小肽，为单体功能：与Gα类似，起分子开关的作用与大G蛋白相同点：当结合GTP时成为活化形式当GTP水解成为GDP时(自身为GTP酶),则回复到非活化状态与大G蛋白不同点：主要受酪氨酸蛋白激酶的调节 需要中介蛋白RasRas:大鼠肉瘤(ratsarcoma,Ras)的英文缩写原癌基因c-ras的表达产物通过脂肪酸链(异戊烯基)嵌入细胞膜中。Ras.GDP:无活性形式Ras.GTP:活性形式Ras的分类哺乳动物：H-Ras,K-Ras(Ras4A,Ras4B),N-Ras1960s,JenniferHarvey与WernerKirsten发现大鼠肉瘤中存在病毒，分别命名为HRAS、KRAS病毒。NIH的EdwardM.Scolnick

及其同事在HRAS,KRAS病毒中发现具转化、致癌活性的癌基因。1982年,哈佛的GeoffreyM.Cooper，NIH的MarianoBarbacid、StuartA.Aaronson及MIT的RobertWeinberg

在人癌细胞中发现具转化活性的ras

基因。N-Ras:首先在人成神经细胞瘤(neuroblastoma)中发现。RobertA.WeinbergFoundingmemberofMITWhiteheadInstituteforbiomedicalresearch.Apioneerincancerresearchmostlyknownforitsdiscoveriesofthefirsthumanoncogene–theras

oncogenethatcausesnormalcellstoformtumors,andtheisolationofthefirstknowntumorsuppressorgene-theRbgene.1."TheBiologyofCancer"

,byRobertA.Weinberg,June2006,(GarlandScienceTextbooks),864pp.2."OneRenegadeCell"(ScienceMasters)byRobertA.Weinberg,October01,1999,170pp.3."RacingtotheBeginningoftheRoad:TheSearchfortheOriginofCancer",by:RobertA.Weinberg,May01,1996(HarmonyBooks)270pp.4."GenesandtheBiologyofCancer"(ScientificAmericanLibrary)by:HaroldVarmus,RobertA.Weinberg,October01,1992,215pp.5."OncogenesandtheMolecularOriginsofCancer"(MonographSerNo.18),March01,1990,ColdSpringHarbor(R.A.Weinberg,Editor)270pp.Ras的一级序列G-domain:166aa,前164aa

高度同源绿色：相同残基淡紫色：保守替代残基黄色：高度可变残基红色：突变致癌残基C端：除Cys186外，其他残基高度可变异戊烯化修饰位点166G-domainC端G1G2G3G4G5鸟苷酸交换因子Ras的翻译后修饰C端CAAXbox中的Cys在胞质中发生异戊烯化修饰，插入ER膜在ER膜上，-AAX被蛋白内切酶切除新的C末端残基Cys发生甲基化修饰甲基化的Ras转运至质膜,进一步发生棕榈酰化修饰

未经异戊烯化修饰的Ras位于胞质中，无活性Ras的活性调节Ras与GTP、GDP的结合受RasGEF(鸟苷酸交换因子，guaninenucleotideexchangefactors)与RasGAP(GTPaseactivatingprotein，GTP酶激活蛋白)的调节。GEF分两类：活化型GEF(Guanosinenucleotidedissociationstimulators,GDS)抑制型GEF(Guanosinenucleotidedissociationinhibitors,GDI）Ras的激活与失活Ras基因突变在人类肿瘤中，原癌基因ras的突变较为常见，占肿瘤基因突变的20-30%。它们的产物能抑制细胞凋亡，加快癌细胞转移。H-Ras变异蛋白可见于膀胱癌和肾癌。而在几乎所有的乳腺癌中都可看到变异的K-Ras。另外在肺癌，大肠癌和直肠癌中都可见其身影。K-Ras的作用很可能是通过Ras-Raf-MEK-ERK途径实现的,这条途径不但能促进血管生成，还会诱发癌细胞的浸润和转移。Constitutiveactivemutations:P-loop中的G12V突变使Ras对GAP不敏感，从而处于持续性激活状态。参与催化的残基Q61K突变，降低Ras水解GTP的速度。Dominantnegativemutations:S17ND119NRas

超家族亚家族名称功能Ras细胞增殖(MAPK信号通路)Rho细胞骨架的动态调节、细胞形态Rab囊泡运输Rap囊泡运输Arf囊泡运输Ran核转运RhebmTOR信号通路RadRitMiro线粒体运输Ras超家族成员>100种，根据氨基酸序列、结构及功能分为10个亚家族：Rho-GTPases分类：Rho:RhoA,RhoC,RhoG,RhoHRac:Rac1,Rac2,Rac3Cdc42:Cdc42,TC10,TLC(TC10-like),Chp,Wrch-1RhoD:RhoD,RifRhoH/TTFRhoBTB:RhoBTB1,RhoBTB2;Miro:Miro-1,Miro-2Rnd:Rnd1,Rnd2,Rnd3(RhoE),不能水解GTP,通常抑制Rho-GTPase信号途径功能：肌动蛋白细胞骨架的动态调节，包括细胞形态、极性、运动、囊泡运输、伪足形成等细胞生长、增殖、分化、ROS(reactiveoxygenspecies)的产生及存活由来自GPCR,integrins及growthfactor受体的信号所激活细胞骨架(Cytoskeleton)ActinMicrotubuleIntermediateFilamentCellMotility肌动蛋白细胞骨架的动态调节Rho:形成张力丝(stressfibers)Rac:membranceruffling,lamellipodium(层状伪足)CDC42:filopodia(丝状伪足)FocalAdhesionRed:stressfibersGreen:focaladhesionsFocalAdhesionComplexIntegrin:整合素介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间(fibronectin,vitronectin,collagen,laminin中的RGD三肽序列)的相互作用由α(120~185kD)和β(90~110kD)两个亚单位形成异二聚体迄今已发现18种α亚单位和9种β亚单位,它们按不同的组合构成25余种整合素Talin,Paxillin,Vinculin:focaladhesionmarkersSrc:non-recpetortyrosinekinaseFAK:focaladhesionkinase张力丝的形成—RhoFilopodiaMacrophageFibroblastsLamellipodiaFibroblastsEarlySpreadingHuveneers,S.etal.JCellSci2009;122:1059-1069RhoGAPsandRhoGEFsRhoE在1996年被发现的RhoE饰演着抑制癌症的角色。与其他游移于激活/失活状态的G蛋白不同，RhoE持续与GTP结合，一直处于激活状态，所以其功能的上下调节靠的是其表达水平。根据另一项研究，RhoE不仅在细胞增殖方面起到调节作用，则在细胞迁移方面发挥着其功能，甚至将某些癌细胞引向细胞凋亡。LudwigInstituteforCancerResearch的研究人员发现,RhoE会在生长因子的刺激和DNA损坏的情况下表达增高，因此有可能成为癌症的生物标记。RhoE能阻止肌动蛋白的聚合和应力纤维的形成，因此细胞迁移的能力减弱。RhoE成为癌症治疗的又一新目标。Ras

超家族亚家族名称功能Ras细胞增殖(MAPK信号通路)Rho细胞骨架的动态调节、细胞形态Rab囊泡转运Rap囊泡转运Arf囊泡转运Ran核转运RhebmTOR信号通路RadRitMiro线粒体运输Ras超家族成员>100种，根据氨基酸序列、结构及功能分为10个亚家族：

Rab-GTPases

与囊泡转运Rab-GTPasesRas-associatedbinding(Rab)proteins从酵母到人高度保守人：

>60种酵母(S.cerevisiae)：11线虫(C.elegans)：29果蝇(D.melanogaster)：26功能：蛋白质与磷脂分子在不同膜结构之间的转运—囊泡转运(vesicletrafficking)，包括囊泡的形成、肌动蛋白/微管依赖性的囊泡转运、与受体膜的融合以及囊泡之间的信号传递。NameYeasthomologLocalizationExpressionFunctionRab1aYpt1pER/cis-GolgiUER-GolgitransportRab2aER/cis-GolgiUGolgi-ERretrogradetransportRab3aSVNeuronsRegulationofneurotransmitterreleaseRab4aEEUEndocyticrecyclingRab5aYpt51pEE,CCV,PMUBudding,motilityandfusioninendocytosisRab6aYpt6pGolgiURetrogradeGolgitrafficRab7Ypt7pLEULateendocytictrafficRab8aSec4pTGN,PMUTGN-PMtrafficRab9aLEULE-TGNtrafficRab11aYpt31pRE,TGNUEndocyticrecyclingviaREandTGNRab27aMelanosomesGranulesMelanocytesPlateletsLymphocytesMovementoflyticgranulesandmelanosomestowardsPM

Rab-GTPases

的亚细胞分布和功能CCV,clathrin-coatedvesicles;EE,earlyendosomes;ER,endoplasmicreticulum;LE,lateendosome;PM,plasmamembrane;RE,recyclingendosome;SV,synapticvesicle;TGN,trans-Golginetwork;U,ubiquitousRab-GTPases6个b片层，5个a螺旋，10个loops(l)红色：Rab

特异性残基(RabF1-5)；深紫色：Rab亚家族特异性motif(RabSF1-4)；蓝色：高度保守的核苷酸结合motif(G1-3);PM:phosphate/Mg2+结合motifC端同源性小，参与Rab-GTPases的亚细胞定位，而鸟苷酸结合位点高度保守Rab-GTPaseCyclesRab

在内质网合成后，首先与Rabescortprotein(REP)结合形成稳定的复合体。RabC末端的Cysmotif在Rab

香叶酰香叶基转移酶(Rab

geranylgeranyl

transferase,RabGGT)的作用发生异戊烯化，RabGGT

由a,b亚单位组成。REP将Rab转运至供体膜(donormembrane)后，与Rab解离，参与下一轮循环(蓝色箭头)。Rab-GTPaseCycles(Cont’d)在供体膜上，无活性的Rab.GDP在RabGEF作用下与GDP解离，同时与GTP结合，成为有活性的Rab.GTP,后者在RabGAP的作用下回复到无活性的Rab.GDP形式。被激活的Rab可与结构和功能各异的效应分子相结合，包括供体膜上的cargosortingcomplexes、参与囊泡转运的动力蛋白(motorprotein)以及调节囊泡与受体膜融合的tetheringcomplexes。囊泡与受体膜融合，释放所转运货物；Rab.GDP在GDP解离抑制蛋白(GDPdissociationinhibitor,GDI)的作用下，从受体膜回到供体膜上，参与下一轮循环。囊泡转运在供体膜出芽部位，Rab与效应分子形成复合物；出芽部位与供体膜分离，形成转运囊泡。转运囊泡脱去包被蛋白，通过动力蛋白中介分子(motoradapter)与动力蛋白结合。动力蛋白水解ATP提供能量，使转运囊泡沿微管向受体膜方向运动。供体膜上的v-SNARE与受体膜上的t-SNARE相互识别，形成tetheringcomplex。v-SNARE插入受体膜中，供体膜与受体膜融合，释放所转运物质。GDF:GDIdisplacementfactorSNARE:solubleN-ethylmaleimide-sensitivefactorattachmentproteinreceptorSNAREs介导的膜融合v-SNAREiscomprisedoftwoproteins:synaptobrevin&VAMP(VesicleAssociatedMembraneProtei