常见信号通路

1、重要的几种信号通路介绍,MAPK信号通路 JAK-STAT信号通路 Wnt信号通路 TGF- 信号通路 NF- B信号通路 PI3K-AKT信号通路,MAPK信号通路丝裂原活化蛋白激酶,MAPK信号级联反应,Stimulus,Growth factors, Mitogen, GPCR,p38 MAPK,Stress, GPCR, Inflammatory cytokines, Growth factors,Stress, Growth factors, Mitogen, GPCR,MEKK1, 4, MLK3, ASK1,MEKK2, 3, Tpl2,MLK3, TAK, DLK,Raf, M

2、os, Tpl2,MKK3/6,MEK1/2,MKK4/7,MEK5,ERK1/2,MAPKKK,Growth, Differentiation, Development,Inflammation, Apoptosis, Growth, Differentiation,Growth, Differentiation, Development,ERK5/BMK1,JNK1,2,3,MAPKK,MAPK,Biological responses,丝裂原活化蛋白激酶（MAPK)信号转导通路,Ser/Thr蛋白激酶 受细胞外刺激而激活 通路组成 三级激酶模式 在所有真核细胞中高度保守 调节多种重要的细

3、胞生理/病理过程,MAPK是信号从细胞表面核内的重要传递者。 哺乳动物细胞中: MAPK激酶激酶 (MKKK, MAP3K) 20 种 MAPK激酶 (MKK, MAP2K) 7 种 MAPK 12 种,一、MAPK 信号通路的成员,哺乳动物MAPK,哺乳动物MAPK,MKK(MAP2K):MEK (MAPK/ERK kinase),MKKK（MAP3K):,Raf亚家族: A-Raf, B-Raf, Raf1 MEKK亚家族：MEKK1-4 ASK1, Tpl2亚家族 MST， SPRK， MUK， TAK1，MOS等,MAPK信号通路作用模式,ERK：Extracellular signa

4、l regulated protein kinase ERK的MAPK有5种 (15)，它们分属于不同的亚族； ERK1和ERK2(ERK1/2)研究得最为透彻，为细胞内主要的MAPK；,（一）ERK通路,Raf: 是该通路中的重要的MKKK 亚型: 有3种 A-Raf、B-Raf、Raf1 组成: C-末端的激酶域 富含Cys的调节域 含Ras结合位点的调节域,1、ERK1/2通路中MKKK,表达: Raf1在体内广泛表达 而A-Raf 和B-Raf表达方式严格 如B-Raf 主要在神经组织中表达,ERK1/ERK2通路的上游的MKKK还包括 Mos、Tpl2、MEKK1、MEKK2和MEK

5、K3,MEK1和MEK2是该通路主要的MKK 为双特异性蛋白激酶； 通过两个残基的磷酸化而被激活( Ser或Thr)； 突变可引起其活性增加 (不同于MAPK)； 特异性较高，仅磷酸化少数底物。,2、ERK1/2通路中MKK (MEK),MEK1和MEK2含3个非酶活性结构域 ERK1/2结合位点 ( D域 ) 富含Pro结构域 核输出序列 ( NES ),MEK1和MEK2的上游调节因子 Raf、RTK、非RTK、GPCR 在具有致瘤性的Ras转化细胞： Ras Raf1 MEK1 ERK1/2 在心肌细胞： A-Raf MEK1 ERK1/2 在PC12细胞： B-Raf MEK1 ERK

6、1/2,底物的保守性磷酸化位点模体为 Pro-Leu-Ser/Thr-Pro 底物蛋白 超过150种 转录因子: Elk-1, Ets-1, Sap1a, c-Myc等 胞质蛋白: p90S6K 、cPLA2 、EGF 受体 细胞骨架: MAP1、2 、4 、Tau,3、ERK1/2蛋白激酶的作用底物,刺激细胞增殖 抑制细胞生长、分化 细胞周期调控 调控微管组织中心（MTOC） 纺锤体的组装 促进细胞存活,4、ERK1/2通路的生物学功能,1991年鉴定出的新的MAPK JNK: c-Jun N-terminal kinase 鼠的同源物则被命名为Stress activated protei

7、n kinase (SAPK)。 多种应激刺激，包括: 细胞因子与生长因子撤离、干扰DNA和蛋白合成的试剂、UV辐射、热休克、反应活性氧 (ROS)、高渗透压等都可以促进其活性增加。,（二）JNK信号转导通路,是已知的应答最多样刺激的细胞信号转导途径之一 JNK通过Thr-Pro-Tyr模体的磷酸化被激活,（二）JNK信号转导通路,人的JNK由3个基因 ( jnk1, jnk 2和 jnk3)编码； JNK1和JNK2广泛地在多种组织表达，而JNK3 主要在脑、心脏与睾丸组织中表达 JNK家族成员间的同源性超过80%； 3个基因转录产物的选择性剪接产生10个JNK亚型 (46kDa, 55kD

8、a)； 同一基因编码的46kDa和55kDa亚型无明显的功能差异 。,JNK:,MKK (MAP2Ks) MKK4 ( SEK1/MEK4/JNKK1/SKK1 ) 主要激活JNK，但对p38也有活化作用 可能是个抑癌基因 胚胎发育所必需 使细胞免于凋亡,JNK信号通路MKK和MKKK,MKK7 (MEK7/JNKK2/SKK4 ) 主要激活JNK，但对p38也有活化作用 与MKK4相关，属于哺乳动物细胞MAPKK超家族 MKK7基因编码6个蛋白亚型 不同亚型应答不同的细胞外刺激和上游激酶,MKK4与MKK7在人和鼠组织中广泛表达，但在不同的组织中表达的丰度不同 MKK4与MKK7介导来自同一

9、细胞外刺激的信号转导，但它们被不同MAP3Ks所激活。 与MEK1/2相似，采用酸性氨基酸置换磷酸化位点的氨基酸，可增加其激酶活性。,包括：MEKK14、 ASK1/MAPKKK5 MAPKKK6、TAK1 Tpl-2 、MLK2/MSK MLK3/SPRK/PTK1 MUK/DLK/ZPK LZK,MEKK (MAP3Ks),JNK底物包括： 转录因子 c-Jun, Jun-D, ATF-2, ATF, Elk-1 Sap-1a, GABP, GABP 肿瘤抑制蛋白p53 线粒体蛋白: Bcl-2, Bcl-xl, Bad, Bim, Bax 细胞骨架蛋白: Tau, Paxillin, M

10、AP-2, -1B 促进蛋白质的降解:c-Jun, JunB, cFLIPL,参与细胞凋亡的调控 细胞存活 肿瘤的形成 机体的发育与分化,JNK生理功能,（三）p38信号转导通路,p38：白细胞、肝、脾、骨髓中等高表达 p38：脑和心脏中高表达 p38：主要在骨骼肌中表达 p38：肺、肾、肠及内分泌器官中高表达 注： p38 和 p38 具有不同的剪接体,MEKs: MEK3和MEK6是细胞中p38激活的主要激酶。 不同的MEK选择性地激活不同的亚型 MEK6 共同的激活剂 MEK3 激活 p38 , , ,p38 信号转导通路的MKK和MKKK,MEKKs: MEKK13参与p38激活 ME

11、KK1MEK4 p38 (3T3细胞) MEKK3MEK3 p38 (转化细胞) 其他激酶：Tp12、ASK 、TAK,氧化应激 (巨噬细胞 ) 低渗压 (HEK293细胞 ) 紫外线辐射 (PC12细胞 ) 低氧 (牛肺动脉成纤维细胞 ) 循环扩张 (肾小球膜细胞 ),激活p38途径的物理、化学应激：,作用底物: 细胞骨架 细胞应激 微管相关蛋白(tau) stathmin ( 癌蛋白18） 细胞质蛋白 刺激血小板 cPLA2 血管紧张素 Na+/H+交换体,2、p38蛋白激酶的作用底物,转录因子 ATF1/2 (activation transcription factor 1/2) CH

12、OP10 (C/EBP-homologus protein 10 ) MEF2C (myocyte enhancer factor 2C) Max (myc associated factor X ) 下游的蛋白激酶 (MAPKAPK) MAPKAPK 2/3 MNK1/2 (MAPK-interacting kinase 1/2 ) PRAK (p38-regulated/activated kinase),主要参与应激反应 血细胞细胞因子的生成 (单核细胞：IL-1，TNF-) 细胞凋亡 免疫反应调控,3、p38 信号转导通路的功能,ERK5 (BMK, big mitogen-activ

13、ated kinase)： MAPK家族中分子量最大的成员 故有BMK之称 与ERK2有52%的同源性 MEK： MEK5 (, 两种亚型),（四）MKK5/ERK5通路,生长因子 应激 (如氧化应激、高渗透压 ) 血清 MKKK MEKK3、Tpl-2 Src和Ras是ERK5信号转导途径的调节因子 GPCR (Gq和G12/13)也调节ERK5活性,活化和上游调节因子,MEF2家族 (A, C, D) Ets样转录因子Sap1a ( serum response factor acessory protein 1a),ERK5的作用底物：,MAPK信号级联反应,Stimulus,Growt

14、h factors, Mitogen, GPCR,p38 MAPK,Stress, GPCR, Inflammatory cytokines, Growth factors,Stress, Growth factors, Mitogen, GPCR,MEKK1, 4, MLK3, ASK1,MEKK2, 3, Tpl2,MLK3, TAK, DLK,Raf, Mos, Tpl2,MKK3/6,MEK1/2,MKK4/7,MEK5,ERK1/2,MAPKKK,Growth, Differentiation, Development,Inflammation, Apoptosis, Growth,

15、 Differentiation,Growth, Differentiation, Development,ERK5/BMK1,JNK1,2,3,MAPKK,MAPK,Biological responses,MAPK激酶的灭活,Ser/Thr磷酸酶: PP2A, PP2C Tyr磷酸酶: PTP-SL 双特异性的磷酸酶DUSP(dual spefificity phosphatase)或称为MKP(MAPK phosphatase) ERK1/2特异性的磷酸酶: DUSP6/ MKP3, DUSP7/MKP-X, DUSP9/MKP4 JNK的磷酸酶: MKP1, MKP5 p38与p38:

16、 MKP1, MKP4, MKP5 p38与p38: 抵抗所有的MKP磷酸酶,JAK-STAT信号通路,1. JAK-STAT信号通路中的组分,JAK-STAT信号通路是近年发现的一条由细胞因子刺激的信号转导通路，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。 此信号通路的传递过程相对简单，它主要由三个成分组成，即酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶JAK和转录因子STAT。,酪氨酸激酶相关受体（tyrosine kinase associated receptor）,许多细胞因子和生长因子通过JAK-STAT信号通路来传导信号，这包括白介素2 7（IL-2 7）、生长激素（GH）、

17、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生因子(PDGF)以及干扰素(IFN)等等。这些细胞因子和生长因子在细胞膜上有相应的受体。 这些受体从属于细胞因子受体超家族，该家族可以分为两类：型 胞外部分含有4个保守的半胱氨酸和一个位于C 端的WSXWS单元。 型 胞外部分N端、C端各有数对半胱氨酸。,这些受体的共同特点是受体本身不具有激酶活性，但胞内段具有酪氨酸激酶JAK的结合位点，受体与配体结合后，通过与之结合的JAK的活化，来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的传递。 细胞因子受体的结构和功能研究结果表明受体之间无明显的同源性，只在胞浆近膜区有一段同源区，该区域是其与JAK激酶结合的功

18、能区段。,受体的二聚化可以是同源的也可以是异源的。在发生同源受体二聚化时，只有JAK2被激活；相反，由不同亚基组成的异源受体二聚化，却可以激活多种JAK。一旦被激活，JAK便磷酸化受体的亚基以及其他底物。,酪氨酸激酶JAK(Janus kinase）,JAK蛋白家族共包括4个成员：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2,它们在结构上有7个同源结构域（JAK homology domain, JH），其中JH1结构域为激酶区、JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域 。,转录因子STAT (signal transducer and activator of transcrip

19、tion),STAT被称为“信号转导子和转录激活子”，它在信号转导和转录激活上发挥了关键性的作用 。,STAT: Stat1, Stat2,Stat3,Stat4,Stat5a,Stat5b和Stat6,2、 JAK-STAT信号通路,二聚化受体激活JAK；,JAK将STAT磷酸化；,STAT形成二聚体，暴露出入核信号；,STAT进入核内，调节基因表达。,配体与受体结合导致受体二聚化；,3、JAK-STAT信号通路与疾病,到目前为止，只在人类肿瘤中发现了STAT信号的异常活化，还没有发现人类的其他疾病和STAT有直接联系。但是通过对基因敲除小鼠表型的研究，可以判断出STAT在某些疾病的发生过程

20、中可能存在关键的调控作用。,NF-B 信号转导通路,NF-B是一种几乎存在于所有细胞的转录因子，与免疫球蛋白重链和轻链基因增强子序列特异结合，调节基因转录与表达，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。,肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclear factor-B，NF-B）通路。,NF-B 信号转导通路,NF-B家族,NF-B家族由P50、P52、P65、c-Rel和RelB五个成员组成。它们分别由NFKB1, NFKB2, RELA, REL和RELB基因进行编码。 它们

21、都具有一个N端Rel同源结构域（RHD），负责其与DNA结合以及二聚化。 另外,在P65、c-Rel和RelB中，存在着转录激活区域TAD，对基因表达起正向调节的作用。 P50和P52不存在转录激活区域，它们的同型二聚体可以抑制转录。,NF-B二聚体的存在方式,NF-B二聚体与IB蛋白结合 NF-B二聚体与DNA结合,一般， NF-B是以二聚体的形式存在的，而它的二聚体又有两种存在方式。,IB蛋白家族,IB蛋白家族包括七个成员：IB、IB、 IB 、IB、Bcl-3、p100和p105 。 作用：在细胞质中与NF-B二聚体结合，并对信号应答具有重要作用。 IB蛋白的结构特点：存在锚蛋白重复区域

22、（即多个紧密相连的钩状重复序列，每个重复序列含有33个氨基酸 ）。,IB激酶复合物,IKK/IKK1 (CHUK) IKK/IKK2(IKBKB) 调节亚基 NEMO,很多胞外刺激信号都可以引起NF-B 信号通路的激活,如：促炎症细胞因子TNF-、白介素IL-1 ,细菌脂多糖(LPS) ,T 细胞及B 细胞有丝分裂原,病毒双链RNA 以及各种物理和化学压力等。虽然这些胞外刺激所产生的胞内早期信号途径各不相同，但一般认为,大多数此类胞外刺激起始的信号传递反应将最终激活IKK复合物。,NF-B经典和非经典通路,NF-B的 经典信号通路和非经典信号通路的主要区别就在于： 在NF-B的 经典信号通路中

23、， IB蛋白的降解使NF-B二聚体得到释放。 而在NF-B非经典信号通路中，则是通过P100到P52的加工处理，使信号通路激活。,PI3KAkt/PKB信号转导通路 （磷脂酰肌醇3激酶）,一、PI3K家族 PI-3K作用：三种同工酶，其中PI-3K-1结构：P110催化亚基和 P85调节亚基： 催化磷脂酰肌醇的D3羟基的磷酸化 产物： PtdIns-3，4-P2（磷脂酰肌醇3，4二磷酸） PtdIns-3，5-P2（磷脂酰肌醇3，5二磷酸） PtdIns-3，4，5-P3（磷脂酰肌醇3，4，5三磷酸）PIP3,二、激活过程：,胰岛素 磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）途径,insulinR IRS

24、1（-P） PI3-K PDK Akt/PKB 胰岛素与其受体结合，PI3K与磷酸化IRS1结合，刺激催化亚基活性，当P85亚基2个SH2结构域被磷酸化模体YMXM占领，PI3K活性达到最大。 PKB靶蛋白： 磷酸果糖激酶2、糖原合成激酶3、Bad(细胞凋亡有关）、核糖体S6激酶，与葡萄糖转运、细胞增殖分化、细胞周期调节有关,TGF 受体介导的信号转导通路,TGF-超家族,TGF-家族 抑制素（inhibit）/活化素（activin）家族 骨形态发生蛋白（bone morphoenetic protein ,BMPs）家族 苗勒管抑制物（MIS）/AMH（antimullerian horm

25、one） 胶质细胞系来源的神经营养因子（glialcelline-derived neurotrophic factor,GDNF)等。,TGF-受体,二、受体的分类 依据电泳迁移率分别命名为 型、 型、 型。 1、 型和 型受体都属于丝氨酸/苏氨酸 激酶受体。 2、 型受体有两个亚型：betaglycan 和 endoglin。 型受体无信号转导机构，其作用为与TGF-结合并呈递到其他受体,TGF-信号转导通路,Smad蛋白信号转导的特性 依据其结构和功能的不同分为三类： 受体激活型Smad（receptor-activated SMADs）。其中smad-1、smad-5和smad-8结构

26、相似，是BMP受体的底物，转导脊椎动物BMP信号； Smad-2和Smad-3是脊椎动物TGF-和活化素受体的底物。,TGF-信号转导通路,辅助型Smad 蛋白（Co-SMADs），其成员有smad-4，它不是受体的直接底物，而是辅助第一类smad蛋白转导信号。 抑制型Smad 蛋白（anti-SMADs）,抑制其他Smad蛋白的活性，其成员在脊椎动物中由smad-6、smad-7。,TGF 受体介导的信号转导通路,Wnt/-catenin信号转导途径,Wg (Wingless),Int-1,Wnt,Wnt信号通路,人类Wnt基因家族由19个成员组成，编码具有22或24个半胱氨酸残基的保守糖蛋

27、白。 Wnt信号转导途径可以分为决定细胞命运的经典途径和控制细胞运动及组织极性的非经典途径。,Wnt信号通路,经典Wnt信号通路,通过-Catenin激活基因转录,Wnt/PCP通路,通过小G蛋白激活JNK来调控细胞骨架重排,Wnt/Ca2+通路,通过释放胞内Ca2+来影响细胞粘连和相关基因表达,Wnt蛋白 Frizzled（Fzd或Frz）/LRP-56 Dishevelled（Dsh或Dvl） GSK3 CK1 Axin APC -Catenin TCF/ LEF,Wnt经典信号通路中的重要蛋白,胞内信号传递,Wnt信号进入胞内后，将信号传递给Dishevelled(Dsh)，活化的Dsh

28、抑制由Axin、APC (adenomatous polyposis coli)和GSK-3(serin/threonine glycogen synthasekinase 3)组成的复合物的活性,使-catenin不能被GSK-3磷酸化。磷酸化的-catenin才可通过遍在蛋白化(ubiquitination)而被胞浆内的蛋白酶体所降解，由于非磷酸化的-catenin不能被蛋白酶体降解，从而导致-catenin在胞浆内积聚，并移向核内。当游离的-catenin进入细胞核内，即可与转录因子TCF/LEF(T-cellfactor/Lymphoid enhancer factor)结合，激活TC

29、F转录活性，调节靶基因的表达。因此,-catenin是否磷酸化是该信号传递的关键因素。,机理,WntFzdDsh -Catenin降解复合体解聚 -Catenin入核 TCF/LEF下游基因转录,Wnt信号通路概括,Wnt信号通路,-连环蛋白（-catenin )是Wnt信号通路中有调控转录活性的关键成员，能在细胞核内与Wnt通路另一成员TCF结合从而激活靶基因的转录。糖原合成激酶3 (GSK3)是一种丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，起到破坏APC复合体的关键作用。在无Wnt信号时有活性，将磷酸根加到-catenin的四个N端位点使这些磷酸氨基酸作为-catenin上的一种标志。在wnt信号存在时，磷酸

30、化-catenin促使-catenin降解。APC是一种与结直肠癌发生有关的抑癌基因，能结合wnt途径中的多种成分，如AxinGSK3、-catenin。APC能刺激-catenin被GSK3磷酸化。,Wnt 信号通路功能,1、参与胚胎发育,促进体节形成,促进体轴形成,胚胎形成,组织器官发生 脑、心脏、肺,生殖系统发生 Wnt-4抑制雄激素合成,抑制头形成,功能,2、参与干细胞的更新和分化,08 May 2008,. 变异的神经上皮干细胞的自我更新在FGF存在的情况下将得到增强，并且这一增强需要Wnt信号。 . Wnt信号通过调控神经干细胞增殖和分化影响神经系统的生长发育，神经干细胞的更新和扩

31、张受到TGF-和Wnt的共同调控。,Brain Area-Specific Effect of TGF- Signaling on Wnt-Dependent Neural Stem Cell Expansion,Sven Falk, Lukas Sommer,功能,2、参与干细胞的更新和分化,CoordinatedActivationofWntinEpithelialandMelanocyteStemCellsInitiates Piul Rabbani, Mayumi Ito,10 June 2011,. Wnt信号通路在毛囊干细胞和黑素干细胞系协调和头发色素的产生过程中发挥了关键作用。 . 黑素干细胞Wnt信号通路的失活可导致脱色素，头发即呈现出灰色。 . 头发毛囊干细胞中的异常Wnt信号会阻止头发的再生。,Wnt信号通路与人类疾病,1.癌症,-catenin降解障碍,胞浆内