《病理生理学》课件：细胞信号转导异常与疾病-张常娥

1、细胞信号转导异常与疾病,广州医学院病理生理学教研室,张常娥,2011，12,Cell Signal Transduction and Disease,主要内容,1、概述 2、细胞信号及其转导的定义 3、细胞信号的接收与转导 4、细胞信号转导障碍与疾病,细胞信号转导与生命过程问题的提出和理论的产生 细胞信号转导理论概述 信号转导研究中的重大理论问题及热点领域 信号转导的研究方法与工具 信号转导理论研究及应用举例：在疾病发生发展中的信号转导的意义,引言,信号转导与生命过程 问题的提出和理论的产生,细胞信号转导理论建立以前的细胞生物学,细胞的显微结构（胞膜、胞浆、胞核） 细胞的生理功能（生存、“活性

2、”：分裂增殖、胞间连接、吞饮、分泌、迁移、死亡) 细胞组分的生物化学（脂、糖、核酸、蛋白） 细胞的超微结构和亚细胞结构（脂质双层膜结构、细胞器),第一节 细胞信号转导系统概述,一、细胞通讯（cell communication）：指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。 细胞通讯主要有三种方式： 细胞间隙连接 膜表面分子接触通讯 化学通讯,细胞间隙连接,膜表面分子接触通讯,化学通讯,化学通讯可分为4类：,二、信号转导（signal transduction）： 指受体或能接受信号的其他成分（离子通道和细胞粘附分子）与信号作用，影响细胞内信使的变化，进而引起细胞应答反应的

3、一系列过程。 不同信号转导通路之间存在交互通话(cross talk),细胞间的通讯与信号转导的作用： 调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段； 控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞； 调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢； 实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放； 影响细胞的存活。,几个基本概念：,细胞信号转导 指细胞通过胞膜或胞内受体感受胞外信息的刺激，通过胞内信号转导系统影响其生物学功能的过程。 细胞信号转导系统 由受体或能接受信号的其他成分（如离子通道和细胞粘附分子）以及细胞内的信号转

4、导通路组成。 细胞信号转导过程 由受体接受信号，并启动细胞内信号转导通路的过程。,细胞信号转导的典型过程：,配体与细胞膜受体的识别与结合；,跨膜信号传递；,细胞内蛋白级联的信号转导；,细胞反应；,信号终止。,一、细胞信号转导的基本过程和机制,1、细胞信号： 1）物理信号（光、温度、电流、紫外线、射线、机械力等），但其机制上不清楚。 2）化学信号：又称为配体。 可溶性的化学分子：激素、神经递质、生长因子、细胞代谢产物、药物毒物 气味分子 细胞外的基质成分和与膜结合的分子（如细胞粘附分子等）,信号的接受和转导,特点： 1）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; 2

5、）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; 3）受体与配体间的作用具有三个主要特征：特异性；饱和性；高亲和力。,2、受体（receptor）,概念：一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）并产生特定生物学效应的大分子物质。,细胞受体分类,1、膜受体,离子通道型受体,G蛋白偶联型受体,具有酶活性的受体,2、核受体：,甾体激素受体,G蛋白偶联受体,G蛋白是一种GTP酶。GPCR具有7跨膜区结构特征。 调节AC活性的GPCR：第二信息cAMP 兴奋性：-肾上腺素能受体、胰高血糖素受体及味觉分子受体 抑制性：-肾上腺素能受体 激活PLC- 的GPCR：第二信使

6、DAG和IP3 血管紧张素受体、缓激肽受体、血管加压素受体 光子受体：第二信使cGMP G蛋白转导素,核受体,1）这类受体在细胞内与配基结合后移入细胞核，配基受体复合物在核内直接影响基因表达。 2）包括糖皮质激素受体、维生素D受体、视黄酸受体、甲状腺素受体等。,1）基因表达 2）DNA合成激活 3）蛋白质合成改变 4）细胞骨架重排 5）离子通透性变化 6）细胞代谢酶变化,3、细胞反应,（一）通过可逆的磷酸化快速调节效应蛋白的活性 代谢酶、离子通道、离子泵、受体、运输蛋白、收缩蛋白、核内蛋白的活性和功能，导致快速的生物效应，包括神经的兴奋和抑制、肌肉的收缩、腺体的分泌、离子的转运、代谢等。 （二

7、）通过调控基因表达产生较为缓慢的生物效应 一是胞外信号启动细胞的信号转导，在信号通路中激活的蛋白激酶首先磷酸化细胞中的转录因子，导致它们激活、核转位、与DNA的结合力增强，后者调节立早基因(immediate early gene)，如c-fos，c-jun的表达。 二是某些信号如甾体激素可直接进入细胞与细胞内或核内作为转录因子的核受体结合，后者激活后通过调节靶基因的表达产生生物效应。,信号转导通路对效应器的调节,4、细胞信号的功能：,1）细胞生长 2）细胞分裂 3）细胞分化 4）细胞凋亡 5）细胞应激适应 6）细胞功能协同,刺激,反应B,反应A,反应C,刺激B,反应,刺激A,刺激C,5、细胞

8、信号网络,6、细胞信号的反馈调节,+,-,刺激,反应,刺激,反应,A,B,C,C,B,A,7、控制信号转导蛋白活性的方式： 1.通过配体调节 2.通过G蛋白调节,3.通过可逆磷酸化调节,MAPK家族酶的激活 机制都通过磷酸化的 三级酶促级联反应,信号对靶蛋白的调节,可逆性的磷酸化调节,膜受体介导的信号转导通路举例,1、GPCR介导的信号转导通路,调节靶蛋白的基因表达,1) G蛋白活性的调节：Gs和Gi,靶蛋白 磷酸化,磷酸化 CREB,靶基因 转录,CRE,腺苷酸环化酶信号转导通路,+,-,肾上腺素能受体 胰高血糖素受体,激活Gs增加AC活性,cAMP,蛋白激酶A（PKA）,L型Ca2+通道磷

9、酸化 促进心肌钙转运 心肌收缩性增强,磷酸化酶激酶磷酸化 增加肝脏糖原分解,cAMP反应元件结合蛋白（CREB）磷酸化 激活靶基因转录,使许多Pr特定Ser/Thr残基磷酸化从而调节物质代谢和基因表达,通过Gs,激活腺苷酸环化酶(AC),引发cAMP-PKA途径,核内,通过Gi，抑制AC活性，导致cAMP水平降低，导致 与Gs相反的效应,3) 通过Gq蛋白，激活PLC,靶基因 转录,靶蛋白磷酸化,Ca2内流,细胞内Ca2,4)G蛋白-其他磷脂酶途径 磷脂酶A2：产生花生四烯酸、前列腺素、白三烯酸和TXA2 磷脂酶D：产生磷脂酸和胆碱 5)激活MAPK家族成员的信号通路 激活后转入核内，使转录因

10、子磷酸化，调节其活性，影响基因表达 6)PI-3K-PKB通路 调节胰岛素介导的糖代谢、促进细胞存活、抗凋亡、细胞变形运动,7)离子通道途径,2、酪氨酸蛋白激酶型受体PTK 3、与PTK连接的受体 4、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶型受体 5、肿瘤坏死因子型受体 6、离子通道型受体,（三）核受体介导的信号通路,二、细胞信号转导系统的调节,主要介绍受体调节 1.受体数量的调节 向下调节：受体数量减少 向上调节：受体数量增多 机制： 受体合成速度和/或分解速度变化 膜受体介导的内吞与受体的再循环 受体的位移或活性部位的暴露 配体与受体之间还存在异源性调节,2.受体亲和力调节, 脱敏：受体接触激素/配体一定

11、时间后其功能减退， 对特定配体的反应性减弱。 高敏：受体接触激素/配体一定时间后其功能增强， 对特定配体的反应性增强。,当体内某种激素/配体剧烈变化时，受体的改变可缓 冲激素/配体的变动，以减少有可能导致的代谢紊乱和对细胞的损害。但过度或长时间刺激，使靶细胞对配体反应性改变，可导致疾病的发生或促进疾病的发展；亦可造成长期应用某一药物时出现药效减退。,受体磷酸化与脱磷酸化,Gs,P,低pH,受体去磷酸化,PKA,GRK,内吞,再循环,溶酶体,降解,第二节 信号转导异常的原因和机制,一、信号转导异常的原因 生物学因素 通过Toll样受体介导 在病原体感染和炎症反应中起重要作用 干扰细胞内信号转导通

12、路 如霍乱弧菌引起的烈性肠道传染病,果蝇中与胚胎发育有关的编码蛋白 TLR4(1998)，哺乳动物与宿主免疫有关的同源蛋白,跨膜受体 胞外部分：富含亮氨酸重复序列 胞内部分：与IL-1受体相似,TLR (Toll-like Receptor),C pG-DNA,真菌、酵母、细菌、螺旋体、支原体脂蛋白,LPS,病毒 dsRNA,TLR-7,9,TLR-1,6,10?,TLR-2,TLR-4,TLR-3,MyD88,MyD88 TIRAP,(TRIF?) MyD88 TIRAP,TRIF,IRAK TRAF6,MAPKK,MAPK (ERK, P38, JNK),IKK,IRF-3,IB/NFB,

13、MyD88依赖性炎症基因转录,MyD88非依赖性诱导干扰素基因转录,IFN ,IFN,TNF,IL-1,IL-6,Cell 1,IFN /,TNF,IL-1,IL-6,TNFR1 (P55),TNFR2 (P75),IL-1R,IL-6R,IFNR,TRADD,FADD,RIP TRAF2,TRAF2 TRAF1,Caspase,细胞 凋亡,TAK1 TAB1,NFB,IRAK TRAF6,IKK,NFB,MAPKK,MAPK,AP-1 JUN,JAK1,2 TyK2,STAT 1,3,APRF,JAK1 TyK2,STAT 1,2,4,ISGE STAT AAF,INF,炎症和 细胞激活,型

14、急性期蛋白,型急性期蛋白,Cell 2,图4 TLR及其下游通路假设,?,霍乱弧菌产生分泌的外毒素（霍乱毒素），有选择性 的催化Gs亚基上的精氨酸201核糖化，使GTP酶活性丧 失，不能将GTP水解成GDP，从而使Gs处于不可逆激活 状态,不断刺激AC生成cAMP,胞浆中的cAMP含量可增加至 正常的100倍以上，导致小肠上皮细胞膜蛋白构型改变， 大量氯离子和水分子持续转运入肠腔 ，引起严重腹泻 和脱水。,Gs 201Arg核糖化,霍乱 (Cholera),生物因素干扰细胞内信号转导通路举例, 理化因素,体内某些信号转导成分是致癌物的作用靶点 机械刺激 电离辐射, 遗传因素,染色体异常 信号转

15、导蛋白基因突变,信号转导蛋白数量改变 信号转导蛋白功能改变 失活性突变 如TSHR的失活性突变 TSH抵抗征 功能获得性突变 如TSHR的失活性突变 甲亢,显性负性作用（dominant negative effect）：某些 信号转导蛋白突变后不仅自身无功能， 还能抑制或阻断野生型信号转导蛋白的 作用。这种作用被称为显性负性作用。 具有显性负性作用的突变体被称为显性 负性突变体（dominant negative mutant)。,组成型激活突变（constitutively activated mutation） 某些信号转导蛋白在突变后获得了自 发激活和持续性激活的能力。,免疫学因素,受

16、体抗体产生的原因和机制 自身免疫性疾病：因体内产生抗受体的自身抗体而引起的疾病。 重症肌无力 自身免疫性甲状腺病 抗受体抗体的产生机制尚不清楚,刺激型抗体：可模拟信号分子或配体的作用，激活特定的信号转导通路，使靶细胞功能亢进。 如Graves病。 阻断型抗体：该抗体与受体结合后，可阻断受体与配体的结合，从而阻断受体介导的信号转导通路的效应，导致靶细胞功能低下。 如桥本病、重症肌无力。,抗受体抗体的类型：,重症肌无力,发病机制,表现(manifestations),受累横纹肌稍行活动后即疲乏无力，休息后恢复。,TSH,Effect site of anti-TSH antibody on TSH

17、 receptor,弥漫性甲状腺肿 (Gravesdisease),刺激性抗体模拟TSH 的作用 促进甲状腺素分泌和甲状腺腺体生长 女性男性 甲亢、甲状腺弥漫性肿大、突眼,表现 (manifestations),桥本病 (Hashimotos thyroditis),阻断性抗体与TSH受体结合 减弱或消除了TSH的作用 抑制甲状腺素分泌 甲状腺功能减退、黏液性水肿,黏液性水肿(myxedema),二、信号转导异常的发生环节,配体、受体或受体后信号转导通路的任何一个环节出现障碍都可能会影响到最终效应，使细胞增殖、分化、凋亡、代谢或功能失常，并导致疾病。,以家族性肾性尿崩症为例：,中枢性尿崩症：A

18、DH分泌减少,肾性尿崩症：肾小管对ADH反应性降低,因遗传性ADH 受体 (V2型)及受体后信号转导异常引起的多尿。,ADH 的信号转导,ADHV2受体激活GsAC活性 cAMP PKA激活 水通道蛋白移向胞膜水重吸收,AQP2,编码V2受体的基因突变使合成的ADH受体异常,(2)发病机制,(3)表现,性连锁隐性遗传 男性儿童发病 多尿，烦渴，多饮 血浆ADH水平无降低,第三节 细胞信号转导异常与疾病,一、受体、信号转导障碍与疾病 受体数量减少 受体亲和力降低 受体阻断型抗体的作用 受体功能所需的协同因子或辅助因子缺陷 受体功能缺陷 受体后信号转导蛋白的缺陷,特定信号转导过程减弱或中断,激素抵

19、抗征, 雄激素受体缺陷与雄激素抵抗征,原因和机制： AR减少和失活性突变,AIS可分为：,男性假两性畸形 特发性无精症和少精症 延髓脊髓性肌萎缩,胰岛素受体与胰岛素抵抗性糖尿病,1.遗传性胰岛素受体异常，包括 受体合成减少 受体与配体的亲和力降低，如受体精氨酸735突变为丝氨酸 受体TPK活性降低，如甘氨酸1008 突变为缬氨酸，胞内区 TPK结构异常 2.自身免疫性胰岛素受体异常 血液中存在抗胰岛素受体的抗体,I型糖尿病由于胰岛B细胞破坏，胰岛素绝对不足。,II型糖尿病由于胰岛素受体和受体后异常造成靶细胞对胰岛素反应性降低。,胰岛素作用信号转导,胰岛素受体TPK磷酸化在IRS-1及IRS-2

20、参与下与Grb2和PI3K 结合启动下游信号转导,Insulin pathway,(1)胰岛素受体异常,受体数量减少 受体与胰岛素的亲和力降 受体TPK活性降低,机制,(insulin receptor disorder),(disorders of postreceptor signaltransduction),IRS-1/2下调 编码PI3K的基因突变,(2)受体后信号转导异常,二、受体、信号转导过度激活与疾病,某些信号转导蛋白过度表达 某些信号转导蛋白组成型激活突变 刺激型抗受体抗体,信号转导通 路过度激活,如肢端肥大症和巨人症,生长激素(GH)分泌的调节,GH释放激素,(regula

21、tion of growth hormone secretion),编码Gs 的基因(GNAS1)突变,机制,3040垂体腺瘤,肢端肥大 身材高大,表现,三、多个环节的信号转导异常与疾病,表达生长因子样物质 表达生长因子受体类 表达蛋白激酶类 表达信息传递分子类 表达核内蛋白类,肿瘤,抑制细胞增殖的信号转导过弱,生长抑制因子受体减少、丧失 受体后信号转导通路异常,细胞的生长负调控机制减弱或丧失,信号转导研究中的重大理论问题及热点领域,第四节,1、信号转导通路的调控,磷酸化去磷酸化调控 信号转导分子消长的调控（分子半衰期） 不同通路之间的效应调控 胞内内源性抑制物的调控功能,2、Cross-Ta

22、lk,3、信号转导效应的特异性When and Where?,Cooperation with other signaling pathways? Pre-existing transcription co-factors differentially expressed and activated in different cell types? Pre-existing co-activators of target proteins? Subcellular localization of transducers? Optimal level (or a threshold) of phosphor