1、第七章,細胞信號轉導的分子機制,The Molecular Mechanism of Cellular Signal Transduction,主要內容,第一節(jié) 細胞信號轉導概述第二節(jié) 細胞內信號轉導分子第三節(jié) 細胞受體介導的細胞內信號轉導第四節(jié) 信號轉導的基本規(guī)律和復雜性第五節(jié) 細胞信號轉導異常與疾病,生物體內各種細胞在功能上的協(xié)調統(tǒng)一是通過細胞間相互識別和相互作用來實現(xiàn)的。一些細胞發(fā)出信號，而另一些細胞則接收信號并

2、將其轉變?yōu)樽陨砉δ茏兓?，這一過程稱為細胞通訊（cell communication）。細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內生物化學變化及效應的全過程稱為信號轉導（signal transduction）。,第一節(jié)細胞信號轉導概述The General Information of Signal Transduction,改變細胞內的某些代謝過程，或改變生長速度，或改變細胞遷移或進入細胞凋亡等生物學行為,細胞外信號,受體,細胞內各種分子數(shù)

3、量、分布或活性變化,細胞信號轉導的基本路線,,,,一、細胞外化學信號有可溶型和膜結合型兩種形式,生物體可感受任何物理、化學和生物學刺激信號，但最終通過換能途徑將各類信號轉換為細胞可直接感受的化學信號（chemical signaling）?；瘜W信號可以是可溶性的，也可以是膜結合形式的。,化學信號通訊是生物適應環(huán)境不斷變異、進化的結果。,單細胞生物與外環(huán)境直接交換信息。多細胞生物中的單個細胞不僅需要適應環(huán)境變化，而且還需要細胞與細胞之

4、間在功能上的協(xié)調統(tǒng)一。,,多細胞生物細胞間的聯(lián)系,細胞與細胞的直接聯(lián)系：物質直接交換，或者是通過細胞表面分子相互作用實現(xiàn)信息交流。,激素調節(jié)：適應遠距離細胞之間的功能協(xié)調的信號系統(tǒng)。,（一）可溶型信號分子作為游離分子在細胞間傳遞,多細胞生物中，細胞可通過分泌化學物質（如蛋白質或小分子有機化合物）而發(fā)出信號，這些分子作用于靶細胞表面或細胞內的受體，調節(jié)靶細胞的功能，從而實現(xiàn)細胞之間的信息交流。,可溶型信號分子可根據其溶解特性分為脂溶性化學

5、信號和水溶性化學信號兩大類,根據體內化學信號分子作用距離，可以將其分為三類：,①作用距離最遠的內分泌（endocrine）系統(tǒng)化學信號，稱為激素；②屬于旁分泌（paracrine）系統(tǒng)的細胞因子，主要作用于周圍細胞；有些作用于自身，稱為自分泌（autocrine）。③作用距離最短的是神經元突觸內的神經遞質 （neurotransmitter）。,可溶型信號分子的分類,（二）膜結合型信號分子需要細胞間接觸才能傳遞信號,每個細胞的質膜外

6、表面都有眾多的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖分子。相鄰細胞可通過膜表面分子的特異性識別和相互作用而傳遞信號。當細胞通過膜表面分子發(fā)出信號時，相應的分子即為膜結合型信號分子，亦稱為配體，而在靶細胞表面與之特異性結合的分子（受體），則通過這種分子間的相互作用而接收信號，并將信號傳入靶細胞內。這種細胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊。,屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間黏附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等。,二、細胞經由特異

7、性受體接收細胞外信號,受體（receptor）是細胞膜上或細胞內能識別外源化學信號并與之結合的蛋白質分子，個別糖脂也具有受體作用 。能夠與受體特異性結合的分子稱為配體（ligand）。可溶性和膜結合型信號分子都是常見的配體。,（一）受體有細胞內受體和細胞膜受體,受體按照其在細胞內的位置分為：,細胞內受體包括位于細胞質或胞核內的受體，其相應配體是脂溶性信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸等。 細胞表面受體水溶性信號分子和膜結合

8、型信號分子（如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等）不能進入靶細胞，其受體位于靶細胞的細胞質膜表面。,圖19-1 水溶性和脂溶性化學信號的轉導,（二）受體結合配體并轉換信號,受體識別并與配體結合，是細胞接收外源信號的第一步反應。受體有兩個方面的作用：一是識別外源信號分子并與之結合；二是轉換配體信號，使之成為細胞內分子可識別的信號，并傳遞至其他分子引起細胞應答。,細胞內受體能夠直接傳遞信號或通過特定的通路傳遞信號,有許多細胞

9、內受體是基因表達的調控蛋白，與進入細胞的信號分子結合后，可以直接傳遞信號，即直接調控基因表達。另有一些細胞內受體可以結合細胞內產生的信號分子（如細胞應激反應中產生的細胞內信號分子），直接激活效應分子或通過一定的信號轉導通路激活效應分子。,膜受體識別細胞外信號分子并轉換信號,膜受體識別并結合細胞外信號分子，將細胞外信號轉換成為能夠被細胞內分子識別的信號，通過信號轉導通路將信號傳遞至效應分子，引起細胞的應答。,（三）受體與配體的相互作用具

10、有共同的特點,配體-受體結合曲線,三、細胞內信號轉導具有多條信號通路并形成網絡調控,細胞內存在多種信號轉導分子，這些分子依次相互識別、相互作用，有序地轉換和傳遞信號。由一組分子形成的有序分子變化被稱為信號轉導通路或信號轉導途徑（signal transduction pathway）。每一條信號轉導通路都是由多種信號轉導分子組成，不同分子間有序地依次進行相互作用，上游分子引起下游分子的數(shù)量、分布或活性狀態(tài)變化，從而使信號向下游傳遞。信

11、號轉導分子相互作用的機制構成了信號轉導的基本機制。,由一種受體分子轉換的信號，可通過一條或多條信號轉導通路進行傳遞。而不同類型受體分子轉換的信號，也可通過相同的信號通路進行傳遞。不同的信號轉導通路之間亦可發(fā)生交叉調控（cross-talking），形成復雜的信號轉導網絡（signal transduction network）。信號轉導通路和網絡的形成是動態(tài)過程，隨著信號的種類和強度而不斷變化。,,,,,NH2,,AAAAA,m7G

12、,Translation,,,信號轉導網絡,細胞信號轉導的基本方式示意圖,第二節(jié)細胞內信號轉導分子Intracellular Signal Molecules,細胞外的信號經過受體轉換進入細胞內，通過細胞內一些蛋白質分子和小分子活性物質進行傳遞，這些能夠傳遞信號的分子稱為信號轉導分子（signal transducer）。依據作用特點，信號轉導分子主要有三大類：小分子第二信使、酶、調節(jié)蛋白。 信號轉導分子依次相互作用，從而形成上

13、游分子和下游分子的關系。,受體及信號轉導分子傳遞信號的基本方式包括 ：,①改變下游信號轉導分子的構象②改變下游信號轉導分子的細胞內定位③信號轉導分子復合物的形成或解聚④改變小分子信使的細胞內濃度或分布,一、第二信使結合并激活下游信號轉導分子,環(huán)腺苷酸（cAMP）、環(huán)鳥苷酸（cGMP）、甘油二酯（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）、磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）、Ca2+等可以作為外源信息在細胞內的信號轉導分子，稱為細胞內小

14、分子信使，或稱為第二信使（second messenger）。,（一）小分子信使傳遞信號具有相似的特點,① 在完整細胞中，其濃度或分布可在細胞外信號的作用下發(fā)生迅速改變② 該分子類似物可模擬細胞外信號的作用③ 阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反應④ 作為別構效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子,多數(shù)小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。這些酶被其自身的上游信號轉導分子激活，從而催化小分子信使的生成，使其濃度在細胞內迅速升高。,上游

15、信號轉導分子使第二信使的濃度升高或分布變化,第二信使的濃度變化是傳遞信號的重要機制，其濃度在細胞接收信號后變化非常迅速，可以在數(shù)分鐘內被檢測出來。而細胞內存在相應的水解酶，可迅速將它們清除，使信號迅速終止，細胞回到初始狀態(tài)，再接受新的信號。只有當其上游分子（酶）持續(xù)被激活，才能使小分子信使持續(xù)維持在一定的濃度。,小分子信使?jié)舛瓤裳杆俳档?小分子信使都是蛋白質的別構激活劑，當其結合于下游蛋白分子后，通過改變蛋白質的構象而將其激活，從而使

16、信號進一步傳遞。,小分子信使激活下游信號轉導分子,（二）環(huán)核苷酸是重要的細胞內第二信使,目前已知的細胞內環(huán)核苷酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。,cAMP和cGMP的結構及其代謝,1. cAMP和cGMP的上游信號轉導分子是相應的核苷酸環(huán)化酶,（adenylate cyclase，AC）,（guanylate cyclase，GC）,2. 磷酸二酯酶催化環(huán)核苷酸水解,細胞中存在多種催化環(huán)核苷酸水解的磷酸二酯酶（phosphodie

17、sterase，PDE）。在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高cAMP水平的同時會增加PDE活性，促進cAMP的水解，這是調節(jié)cAMP濃度的重要機制。PDE對cAMP和cGMP的水解具有相對特異性。,3．環(huán)核苷酸在細胞內調節(jié)蛋白激酶活性,環(huán)核苷酸作為第二信使的作用機制：cAMP和cGMP在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者發(fā)生構象變化，從而改變活性。蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許多小分子第二信使直接作用的靶分子。,蛋白激酶A是c

18、AMP的靶分子,cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，cAPK），即蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）。,PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子 。,cAMP激活 PKA影響糖代謝示意圖,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶（c

19、GMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）。PKG是由相同亞基構成的二聚體。與PKA不同，PKG的調節(jié)結構域和催化結構域存在于同一個亞基內。PKG在心肌及平滑肌收縮調節(jié)方面具有重要作用。,,cGMP激活PKG示意圖,4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,環(huán)核苷酸作為別構效應劑還可以作用于細胞內其他非蛋白激酶類分子。一些離子通道也可以直接受c

20、AMP或cGMP的別構調節(jié)。,視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道,嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道,（三）脂類也可衍生出胞內第二信使,具有第二信使特征的脂類衍生物:,二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG）花生四烯酸（arachidonic acid，AA）磷脂酸（phosphatidic acid， PA）溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid，LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate

21、，PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate，PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）,這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。,磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使,磷脂酰肌醇激酶類，催化磷脂酰肌醇磷酸化。根據肌醇環(huán)的磷酸化羥基位置不同，這類激酶有PI-3K、PI-4K和PI-5K等。磷脂酰肌醇特異性

22、磷脂酶C（ PLC）可將磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分解成為DAG和IP3。,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化第二信使的生成,2．脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子,DAG是脂溶性分子，生成后仍留在質膜上。IP3是水溶性分子，可在細胞內擴散至內質網或肌質網膜上，并與其受體結合。,,IP3的靶分子是鈣離子通道,IP3為水溶性，生成后從細胞質膜擴散至細胞質中，與內質網或肌質網膜上的IP3受體結合。,DAG和鈣離子的靶分子是蛋白激酶C,

23、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛參與細胞的各項生理活動。,PKC作用的底物包括質膜受體、膜蛋白、多種酶和轉錄因子等，參與多種生理功能的調節(jié)。,目前發(fā)現(xiàn)的PKC同工酶有12種以上，不同的同工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細胞定位，對輔助激活劑的依賴性亦不同。,,,,催化結構域,,,,,Ca2+,DAG,磷脂酰絲氨酸,,,調,節(jié),結,構,域,,催化結構域,,,,底物,,Ca2+,D

24、AG,,磷脂酰絲氨酸,調節(jié)結構域,假底物結合區(qū),,DAG活化PKC的作用機制示意圖,（四）鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類,1．鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區(qū)域特征,細胞外液游離鈣濃度高（1.12~1.23mmol/L）；細胞內液的鈣離子含量很低，且90%以上儲存于細胞內鈣庫（內質網和線粒體內）；胞液中游離Ca2+的含量極少（基礎濃度只有0.01~0.1mol/L）。,導致胞液游離Ca2+濃度升高的反應有兩種：,一是細胞質膜鈣通道開

25、放，引起鈣內流；二是細胞內鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。,胞液Ca2+可以再經由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵（Ca2+-ATP酶）返回細胞外或胞內鈣庫，以消耗能量的方式維持細胞質內的低鈣狀態(tài)。,2．鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調蛋白,鈣調蛋白（calmodulin，CaM）可看作是細胞內Ca2+的受體。,乙酰膽堿、兒茶酚胺、加壓素、血管緊張素和胰高血糖素等,,胞液Ca2+濃度升高,,CaM,,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca

26、2+,CaM發(fā)生構象變化后，作用于Ca 2+/CaM-依賴性激酶（CaM-K） 。,專一功能CaM-K,多功能CaM-K,,肌球蛋白輕鏈激酶:調節(jié)肌肉收縮磷酸化酶激酶:調節(jié)糖原分解延長因子2激酶:調節(jié)蛋白合成,Ca2+/CaM-依賴性激酶 I,Ca2+/CaM-依賴性激酶 II,,3．鈣調蛋白不是鈣離子的唯一靶分子,Ca2+還結合PKC、AC和cAMP-PDE等多種信號轉導分子，通過別構效應激活這些分子。,（五）NO等小分子也具有信

27、使功能,NO合酶介導NO生成,NO合酶,,胍氨酸,精氨酸,NO,＋,NO的生理調節(jié)作用主要通過激活鳥苷酸環(huán)化酶、ADP-核糖轉移酶和環(huán)氧化酶完成。,除了NO以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氫（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年來也得到證實。,二、許多酶可通過其催化的反應而傳遞信號,細胞內的許多信號轉導分子都是酶。作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。一是催化小分子信使生成和轉化

28、的酶，如腺苷酸環(huán)化酶、鳥苷酸環(huán)化酶、磷脂酶C、磷脂酶D（PLD）等；二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主要是蛋白酪氨酸激酶和蛋白絲/蘇氨酸激酶。,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子,蛋白激酶（protein kinase）與蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾，對下游分子的活性進行調節(jié)。蛋白質的磷酸化修飾可能提高其活性，也可能降低其活性，取決于構象變化是否有利于反應的進行。

29、各種蛋白激酶和蛋白磷酸酶在細胞內僅僅選擇性作用于有限的底物，它們的催化作用特異性及其在細胞內的分布特異性決定了信號轉導通路的精確性。,蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關,,酶的磷酸化與脫磷酸化,,H2O,,Pi,磷蛋白磷酸酶,,ATP,,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,1. 蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP γ-磷酸基轉移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。已

30、超800種。,蛋白激酶的分類,2. 蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應,蛋白質磷酸酶(phosphatidase)使磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的調控系統(tǒng)。無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調節(jié)還是負調節(jié)，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產生衰減或終止效應。,蛋白磷酸酶衰減或終止蛋白激酶誘導的效應,根據蛋白磷酸酶所作用的氨基酸殘基而分類：,蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶個別的蛋白

31、磷酸酶具有雙重作用，即可同時作用于酪氨酸和絲/蘇氨酸殘基。,（二）許多信號通路涉及蛋白絲/蘇氨酸激酶的作用,細胞內重要的蛋白絲/蘇氨酸激酶包括受環(huán)核苷酸調控的PKA和PKG受DAG/Ca2+調控的PKC受Ca2+/CaM調控的Ca2+/CaM-PK受PIP3調控的PKB受絲裂原激活的蛋白激酶（mitogen activated protein kinase, MAPK）。,1. MAPK調控細胞的多種重要的生理功能,哺乳動物細

32、胞重要的MAPK亞家族：,細胞外調節(jié)激酶（extracellular regulated kinase，ERK）c-Jun N -末端激酶/應激激活的蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK）p-38-MAPK,,ERK參與細胞增殖與分化的調控，多種生長因子受體、營養(yǎng)相關因子受體等都需要ERK的活化來完成信號轉導過程。JNK家族是細胞

33、對各種應激原誘導的信號進行轉導的關鍵分子，參與細胞對輻射、滲透壓、溫度變化等的應激反應。p38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激反應。,2. MAPK級聯(lián)激活是多種信號通路的中心環(huán)節(jié),MAPK上游的兩級信號轉導分子也是蛋白激酶，稱為MAPKK（MAP kinase kinase）和MAPKKK（MAP kinase kinase kinase）。MAPKK和MAPK本身也是通過磷酸化修飾而被激活。 細胞受到生長因子或其他因素刺激

34、時，其上游信號轉導分子被依次活化，進而將MAPKKK激活，MAPKKK通過磷酸化修飾而激活MAPKK，后者再修飾激活MAPK，從而形成逐級磷酸化的級聯(lián)激活反應。,MAPK的級聯(lián)激活,MAPKKK,MAPKK,MAPK,?,Thr,Tyr,,Thr,Tyr,,P,P,,,phosphatase,off,on,MAPK,MAPK被激活后轉移至細胞核內，使一些轉錄因子發(fā)生磷酸化，改變細胞內基因表達的狀態(tài)。另外，它也可以使一些其它的酶發(fā)生磷酸化

35、使之活性發(fā)生改變。MAPK家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋白激酶等。 MAPK調控的生物學效應：參與多種細胞功能的調控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。,ERK途徑包括Raf-MEK-MAPK級聯(lián)反應,ERK亞家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。 ERK的級聯(lián)激活過程：,JNK/SAPK途徑參與應激(反應),JNK/SAPK的級聯(lián)激活過程：,P38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激（反

36、應）,P38-MAPK的級聯(lián)激活過程：,（三）蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號,蛋白質酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase，PTK）催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向調節(jié)作用，無論是生長因子作用后正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖，還是T細胞、B細胞或肥大細胞的活化都伴隨著瞬間發(fā)生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸化。,,1. 部分膜受體具有PTK功能,這些受體被稱

37、為受體型PTK。它們在結構上均為單次跨膜蛋白質，其胞外部分為配體結合區(qū)，中間有跨膜區(qū)，細胞內部分含有PTK的催化結構域。受體型PTK與配體結合后形成二聚體，同時激活其酶活性，使受體胞內部分的酪氨酸殘基磷酸化（自身磷酸化）。磷酸化的受體募集含有SH2結構域的信號分子，從而將信號傳遞至下游分子。,生長因子類受體屬于PTK,部分受體型PTK結構示意圖,2. 細胞內有多種非受體型的PTK,這些PTK本身并不是受體。有些PTK是直接與受體結

38、合，由受體激活而向下游傳遞信號。有些則是存在于胞質或胞核中，由其上游信號轉導分子激活，再向下游傳遞信號。,非受體型PTK的主要作用,三、信號轉導蛋白可通過蛋白質相互作用傳遞信號,信號轉導通路中有許多信號轉導分子是沒有酶活性的蛋白質，它們通過分子間的相互作用被激活、或激活下游分子。這些信號轉導分子主要包括G蛋白、銜接蛋白和支架蛋白。,（一）G蛋白的GTP/GDP結合狀態(tài)決定信號的傳遞,鳥苷酸結合蛋白（guanine nucleotid

39、e binding protein，G protein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白。分別結合GTP和GDP時，G蛋白處于不同的構象。結合GTP時處于活化形式，能夠與下游分子結合，并通過別構效應而激活下游分子。G蛋白自身均具有GTP酶活性，可將結合的GTP水解為GDP，回到非活化狀態(tài)，停止激活下游分子。,G蛋白主要有兩大類：,三聚體G蛋白：與7次跨膜受體結合，以α亞基（Gα）和β、γ亞基(Gβγ)三聚體的形式存在于細胞質膜內側。

40、 低分子量G蛋白（21kD）,三聚體G蛋白介導G蛋白偶聯(lián)受體傳遞的信號,α亞基（Gα）β、γ亞基(Gβγ),具有多個功能位點α亞基具有GTP酶活性,與受體結合并受其活化調節(jié)的部位βγ亞基結合部位GDP/GTP結合部位與下游效應分子相互作用部位,,,主要作用是與α亞基形成復合體并定位于質膜內側；在哺乳細胞，βγ亞基也可直接調節(jié)某些效應蛋白。,,G蛋白通過G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled

41、 receptors，GPCRs）與各種下游效應分子，如離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、PLC聯(lián)系，調節(jié)各種細胞功能。,2. 低分子量G蛋白是信號轉導通路中的轉導分子,低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉導通路中的轉導分子。 Ras是第一個被發(fā)現(xiàn)的小G蛋白，因此這類蛋白質被稱為Ras超家族。目前已知的Ras家族成員已超過50種，在細胞內分別參與不同的信號轉導通路。,在細胞中還存在一些調節(jié)因子，專門控制小G蛋白活性：,增強其活性的

42、因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF）和鳥苷酸釋放蛋白（guanine nucleotide release protein，GNRP）；降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。,（二）銜接蛋白和支架蛋白連接信號通路與網絡,信號轉導通路中

43、的一些環(huán)節(jié)是由多種分子聚集形成的信號轉導復合物（signaling complex）來完成信號傳遞的。信號轉導復合物的形成是一個動態(tài)過程，針對不同外源信號，可聚集形成不同成分的復合物。信號轉導復合物形成的基礎是蛋白質相互作用。蛋白質相互作用的結構基礎則是各種蛋白質分子中的蛋白質相互作用結構域（protein interaction domain）。,1. 蛋白質相互作用結構域介導信號通路中蛋白質的相互作用,蛋白相互作用結構域有如下

44、特點 ：,① 一個信號分子中可含有兩種以上的蛋白質相互作用結構域，因此可同時結合兩種以上的其他信號分子；② 同一類蛋白質相互作用結構域可存在于不同的分子中。這些結構域的一級結構不同，因此選擇性結合下游信號分子；③ 這些結構域沒有催化活性。,信號轉導分子中蛋白相互作用結構域的分布和作用,蛋白相互作用結構域及其識別模體,銜接蛋白（adaptor protein）是信號轉導通路中不同信號轉導分子的接頭，通過連接上游信號轉導分子與下游信號

45、轉導分子而形成轉導復合物。大部分銜接蛋白含有2個或2個以上的蛋白相互作用結構域。,2. 銜接蛋白連接信號轉導分子,,2024年4月3日12時41分,3. 支架蛋白保證特異和高效的信號轉導,支架蛋白（scaffolding proteins）一般是分子量較大的蛋白質，可同時結合同一信號轉導通路中的多個轉導分子。 信號轉導分子組織在支架蛋白上的意義：,① 保證相關信號轉導分子容于一個隔離而穩(wěn)定的信號轉導通路內，避免與其他不需要的信號轉導

46、通路發(fā)生交叉反應，以維持信號轉導通路的特異性；② 增加調控復雜性和多樣性。,第三節(jié)細胞受體介導的細胞內信號轉導 Signal Pathways Mediated by Different Receptors,離子通道受體G-蛋白偶聯(lián)受體單跨膜受體,細胞內受體,細胞膜受體,,,受體,三類膜受體的結構和功能特點,一、 細胞內受體多通過分子遷移傳遞信號,位于細胞內的受體多為轉錄因子，與相應配體結合后，能與DNA的順式作用元件結合，在

47、轉錄水平調節(jié)基因表達。 能與該型受體結合的信號分子有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸和維生素D等。,當激素進入細胞后，如果其受體是位于細胞核內，激素被運輸?shù)胶藘?，與受體形成激素-受體復合物。如果受體是位于胞質中，激素則在胞質中結合受體，導致受體的構象變化，與熱激蛋白分離，并暴露出受體的核內轉移部位及DNA結合部位，激素-受體復合物向核內轉移，穿過核孔，遷移進入細胞核內，并結合于其靶基因鄰近的激素反應元件上。結合于激素反應元件的激素

48、-受體復合物再與位于啟動子區(qū)域的基本轉錄因子及其他的特異轉錄調節(jié)分子作用，從而開放或關閉其靶基因，進而改變細胞的基因表達譜。不同的激素-受體復合物結合于不同的激素反應元件。,核受體結構及作用機制示意圖,激素反應元件舉例,二、離子通道受體將化學信號轉變?yōu)殡娦盘?離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，它們的開放或關閉直接受化學配體的控制，被稱為配體-門控受體通道（ligand-gated receptor channel）。配體主要

49、為神經遞質。,乙酰膽堿受體的結構與其功能,乙酰膽堿受體結構,乙酰膽堿結合部位,離子通道,,,,頂部觀,側面觀,乙酰膽堿受體功能模式圖,離子通道受體信號轉導的最終作用是導致了細胞膜電位改變，即通過將化學信號轉變成為電信號而影響細胞功能的。離子通道型受體可以是陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；也可以是陰離子通道，如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受體。,三、G蛋白偶聯(lián)受體通過G蛋白和小分子信使介導信號轉導,G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）得

50、名于這類受體的細胞內部分總是與三聚體G蛋白結合，受體信號轉導的第一步反應都是活化G蛋白。G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）在結構上為單體蛋白，氨基端位于細胞膜外表面，羧基端在胞膜內側，其肽鏈反復跨膜七次，因此又稱為七次跨膜受體。,GPCR是七跨膜受體（serpentine receptor）,（一）G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉導通路具有相同的基本模式,信號轉導途徑的基本模式 ：,配體+受體,,＋,G蛋白,,效應分子,,第二信使,,靶分子,生物學

51、效應,,G蛋白循環(huán),活化的G蛋白的α亞基主要作用于生成或水解細胞內第二信使的酶，如AC、PLC等效應分子（effector），改變它們的活性，從而改變細胞內第二信使的濃度。 可以激活AC的G蛋白的?亞基稱為??s（s 代表stimulate）；反之，稱為?i（i代表inhibit）。,,哺乳動物細胞中的G?亞基種類及效應,（二）不同G蛋白偶聯(lián)受體可通過不同通路傳遞信號,1. cAMP-PKA通路,該通路以靶細胞內cAMP濃度改變和PK

52、A激活為主要特征。胰高血糖素、腎上腺素、促腎上腺皮質激素等可激活此通路。PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲/蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖代謝和脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子。,1. cAMP-PKA通路,（1）調節(jié)代謝,,（2）調節(jié)基因表達,（3）調節(jié)細胞極性,PKA亦可通過磷酸化作用激活離子通道，調節(jié)細胞膜電位。,2. IP3/DAG-PKC通路,促甲狀腺素釋放激素、去甲腎上腺素、抗利尿素與

53、受體結合后所激活的G蛋白可激活PLC。PLC水解膜組分PIP2，生成DAG和IP3。IP3促進細胞鈣庫內的Ca2+迅速釋放，使細胞質內的Ca2+濃度升高。Ca2+與細胞質內的PKC結合并聚集至質膜。質膜上的DAG、磷脂酰絲氨酸與Ca2+共同作用于PKC的調節(jié)結構域，使PKC變構而暴露出活性中心。,激素,PKC 對基因的早期活化和晚期活化,3. Ca2+/鈣調蛋白依賴的蛋白激酶通路,G蛋白偶聯(lián)受體至少可通過三種方式引起細胞內Ca2+

54、濃度升高：某些G蛋白可以直接激活細胞質膜上的鈣通道，通過PKA激活細胞質膜的鈣通道，促進Ca2+流入細胞質；通過IP3促使細胞質鈣庫釋放Ca2+。,,胞質中的Ca2+濃度升高后，通過結合鈣調蛋白傳遞信號。Ca2+/CaM復合物的下游信號轉導分子是一些蛋白激酶，它們的共同特點是可被Ca2+/CaM復合物激活，因而統(tǒng)稱為鈣調蛋白依賴性蛋白激酶。鈣調蛋白依賴性激酶屬于蛋白絲/蘇氨酸激酶，如肌球蛋白輕鏈激酶 （MLCK）、磷酸化酶激酶

55、（PhK）、鈣調蛋白依賴性激酶（Cal-PK）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等。這些激酶可激活各種效應蛋白，可在收縮和運動、物質代謝、神經遞質的合成、細胞分泌和分裂等多種生理過程中起作用。,激素,四、酶偶聯(lián)受體主要通過蛋白質修飾或相互作用傳遞信號,酶偶聯(lián)受體指那些自身具有酶活性，或者自身沒有酶活性，但與酶分子結合存在的一類受體。 這些受體大多為只有1個跨膜區(qū)段的糖蛋白，亦稱為單跨膜受體。酶偶聯(lián)受體主要是生長因子和細胞因子的受體。此類受體介導的信號轉導

56、主要是調節(jié)蛋白質的功能和表達水平、調節(jié)細胞增殖和分化。,具有各種催化活性的受體,① 胞外信號分子與受體結合，導致第一個蛋白激酶被激活。這一步反應是“蛋白激酶偶聯(lián)受體”名稱的由來?！芭悸?lián)”有兩種形式。有的受體自身具有蛋白激酶活性，此步驟是激活受體胞內結構域的蛋白激酶活性。有些受體自身沒有蛋白激酶活性，此步驟是受體通過蛋白質-蛋白質相互作用激活某種蛋白激酶；② 通過蛋白質-蛋白質相互作用或蛋白激酶的磷酸化修飾作用激活下游信號轉導分子，從而

57、傳遞信號，最終仍是激活一些特定的蛋白激酶；③ 蛋白激酶通過磷酸化修飾激活代謝途徑中的關鍵酶、轉錄調控因子等，影響代謝通路、基因表達、細胞運動、細胞增殖等。,（一）蛋白激酶偶聯(lián)受體介導的信號轉導通路也具有相同的基本模式,MAPK通路JAK-STAT通路Smad通路PI3K通路NF-κB通路,（二）幾種常見的蛋白激酶偶聯(lián)受體介導的信號轉導通路,1. MAPK通路,以絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）為代表的信號轉導通路稱為MAPK通

58、路，其主要特點是具有MAPK級聯(lián)反應。MAPK至少有12種，分屬于ERK家族、p38 MAPK家族、JNK家族。,Ras/MAPK通路,表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor, EGFR）是一個典型的受體型PTK。Ras/MAPK通路是EGFR的主要信號通路之一。,表皮生長因子受體作用機制：,EGFR介導的信號轉導過程,,2. JAK-STAT通路,許多細胞因子受體自身沒有激酶結構域，與細

59、胞因子結合后，受體通過蛋白酪氨酸激酶JAK（Janus kinase）的作用使受體自身和胞內底物磷酸化。JAK的底物是信號轉導子和轉錄活化子（signal transducer and activator of transcription，STAT），二者所構成的JAK-STAT通路是細胞因子信息內傳最重要的信號轉導通路。,JAK為非受體型蛋白酪氨酸激酶，與細胞因子受體結合存在。細胞因子通過受體將JAK激活，活化后的JAK使STAT

60、磷酸化。STAT既是信號轉導分子，又是轉錄因子。磷酸化的STAT分子形成二聚體，遷移進入胞核，調控相關基因的表達，改變靶細胞的增殖與分化。細胞內有數(shù)種JAK和數(shù)種STAT的亞型存在，不同的受體可與不同的JAK和STAT組成信號通路，分別轉導不同細胞因子的信號。,γ干擾素（IFN-γ）是通過JAK1/JAK2-STAT1通路傳遞信號：① IFN-γ結合受體并誘導受體聚合和激活；② 受體將JAK1/JAK2激活，JAK1和JAK2為

61、相鄰蛋白，從而相互磷酸化，并將受體磷酸化；③ JAK將STAT1磷酸化，使其產生SH2結合位點，磷酸化的STAT分子彼此間通過SH2結合位點和SH2結構域結合而二聚化，并從受體復合物中解離；④ 磷酸化的STAT同源二聚體轉移到核內，調控基因的轉錄。,JAK-STAT信號轉導通路,3. Smad通路,轉化生長因子β（TGF-β）受體可激活多條信號通路，其中以Smad為信號轉導分子的通路稱為Smad通路。與STAT分子一樣，Smad分

62、子既是信號轉導分子，又是轉錄因子。TGF-β受體主要有Ⅰ型和Ⅱ型，激活后都具有絲/蘇氨酸蛋白激酶活性。TGF-β同時結合2個Ⅰ型受體和2個Ⅱ型受體，形成異四聚體，Ⅱ型受體被激活，其激酶活性將Ⅰ型受體磷酸化并活化；Ⅰ型受體將Smad2和Smad3磷酸化；磷酸化的Smad2和Smad3與Smad4形成三聚體轉移至細胞核內，結合于Smad結合元件，調節(jié)基因表達。,TGF? 受體介導的信號轉導通路,4. PI3K通路,磷脂酰肌醇-3-激酶（

63、PI3K或PI-3K）是一種重要的信號轉導分子。配體與受體結合后，PI3K通過其p85亞單位與活化的受體結合，使其p110亞單位被受體磷酸化而活化。PI3K可催化PIP3的產生。PIP3產生后，通過結合蛋白激酶B（PKB）的PH結構域，將其錨定于質膜而活化。PKB是原癌基因c-akt的產物，故又稱為Akt。PKB可磷酸化多種蛋白，介導代謝調節(jié)、細胞存活等效應。PI3K介導的許多效應都與PKB/Akt有關，因此，這條信號轉導通路又

64、常稱為PI3K-Akt通路或PI3K-PKB通路。,5. NF-?B通路,NF-?B是一種幾乎存在于所有細胞的轉錄因子，廣泛參與機體防御反應、組織損傷和應激、細胞分化和凋亡以及腫瘤生長抑制等過程。,腫瘤壞死因子受體（TNF-R）、白介素1受體等重要的促炎細胞因子受體家族所介導的主要信號轉導通路之一是NF-?B（nuclear factor-?B，NF-?B）通路。,NF-?B 信號轉導通路,第四節(jié)信號轉導的基本規(guī)律和復雜性The b

65、asic rule and complexity of signal transduction,信號轉導通路比代謝通路等要復雜得多,表現(xiàn)在: (1)可通過示蹤技術檢測代謝底物化學轉化的連續(xù)步驟,但不能夠直接用這種方法來研究信號轉導.因為在信號轉導通路中輸入信號的化學結構與信號的靶結構一般沒有關系. 在信號轉導通路中,信號最終控制的是一種反應,或者說是一種響應; (2)與代謝反應等不同,信號的化學結構并不對其下游的過程產生影響.而代謝

66、底物或者基因轉錄調節(jié)因子的構象會影響各自相關通路的進行；,一、各種信號轉導機制具有共同的基本規(guī)律,(3)與依賴模板的反應,如基因復制和轉錄不同,信號轉導通路不存在對全過程進行起操縱作用的模板; (4)其他通路常常是由線性排列的過程組成,一個反應接著另一個反應地,沿著既定方向依次進行,直到終止.可以說,它們是直通式、縱向交流.而信號轉導通路是非線性排列. 許多信號轉導通路可通過一系列蛋白質與蛋白質相互作用形成一個網絡.因而,它們是

67、全方位地交流.,1.信號轉導分子存在的暫時性 信號只要一下就夠，對細胞的刺激也不能持續(xù)不斷地進行,否則細胞沒有時間去思考該如何響應.因此,許多信號蛋白質的半率期都很短,如c-fos基因表達在刺激后2小時就停止;junB,erg-1的表達在刺激后14小時停止;c-jun則在6小時.盡管如此,這些基因產物的作用時間卻是很長 .如,c-fos誘導的與AP-1結合活性可持續(xù)增達6小時以上;,信號轉導通路具有以下基本規(guī)律 ：,2.信號轉

68、導分子活性的可逆性變化 被激活的各種信號轉導分子在完成任務后又回復鈍化狀態(tài),準備接受下一波的刺激.它們不會總處在興奮狀態(tài).比如,激酶的磷酸化與去磷酸化,就有磷酸酪氨酸磷酸酯酶在調節(jié)著;,3.信號轉導分子激活機制的類同性 比如,Fos的激活要其絲氨酸和蘇氨酸的磷酸化;JAK激活要其酪氨酸磷酸化.在傳遞信息后又都要去磷酸化.可見,磷酸化和去磷酸化是絕大多數(shù)信號分子可逆地激活的共同機制;,4.信號轉導分子的連貫性