ch9細胞信號轉導

1、第九章 細胞信號轉導信號轉導的概念：指外界信號（如光、電、化學分子）與細胞內或表面受體作用，轉換并開啟細胞信號通路，進而引起細胞應答反應的一系列過程。第一節(jié) 細胞信號轉導概述一、細胞通訊（cell communication）指一個細胞發(fā)出的信息通過介質（配體）傳遞到另一個靶細胞，并與靶細胞相應的受體相互作用，然后通過細胞信號轉導，產生靶胞內一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為靶細胞整體生物學效應的過程。（一）細胞通訊的方式主要有3種方式。1細胞間隙連接（gap junction，動物）和胞間連絲通訊（植物）2細胞間接觸依賴性通訊3化學通訊根據化學信號分子可以作用的距離范圍，可分為以下4類：1. 內

2、分泌（endocrine）：內分泌細胞分泌信號分子（如激素）隨血液循環(huán)運輸至全身，作用于靶細胞。2. 旁分泌（paracrine）：細胞分泌局部化學介質到細胞外液中，經過局部擴散作用于鄰近的靶細胞。包括：各類細胞生長因子；氣體信號分子（如：NO）3. 化學突觸通訊：神經遞質或神經肽由突觸前膜釋放，經突觸間隙擴散到突觸后膜，作用于特定的靶細胞。4. 自分泌（autocrine）：細胞對自身分泌的信號分子產生反應，信號發(fā)放細胞和靶細胞為同類或同一細胞。常見于病理條件下，如腫瘤細胞合成并釋放生長因子刺激自身，導致腫瘤細胞持續(xù)增殖。二、信號分子與受體（一）信號分子生物細胞所接受的信號既可以是物理信號（

3、聲、光、熱、電流），也可以是化學信號。1. 分類從溶解性來看又可分為脂溶性和水溶性2類：脂溶性信號分子、水溶性信號分子2. 細胞信號分子的共同特點特異性，只能與特定的受體結合；高效性，幾個分子即可發(fā)生明顯的生物學效應，這一特性有賴于細胞的信號逐級放大系統(tǒng)；可被滅活，完成信息傳遞后可被降解或修飾而失去活性，保證信息傳遞的完整性和細胞免于疲勞。（二）受體受體（receptor）是一種能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）的大分子物質，多為糖蛋白，少數(shù)為糖脂，也有受體為糖蛋白糖脂復合物（如促甲狀腺素受體）。當受體與配體結合后，構象改變而產生活性，啟動信號轉導途徑，引發(fā)2種主要的細胞反應，最終表現(xiàn)為

4、改變細胞行為。 快反應：細胞內預存蛋白活性或功能改變，進而影響細胞代謝功能的短期反應。 慢反應：影響細胞內特殊蛋白的表達量的長期反應（最常見方式是通過轉錄因子的修飾來激活或抑制基因表達）。1. 分類根據靶細胞上受體存在的部位，可將受體分為：細胞內受體（intracellular receptor）和細胞表面受體（cell surface receptor）。2. 每一種細胞都有其獨特的受體和信號轉導系統(tǒng)，細胞對信號的反應不僅取決于其受體的特異性，而且與細胞的固有特征有關。有時相同的信號可產生不同的效應，如Ach可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細胞分泌。有時不同信號產生相同的效應，如

5、腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。3. 受體的脫敏和下調信號強度過強或細胞持續(xù)處于信號分子刺激下的時候，細胞將通過多種途徑使受體脫敏，產生適應。受體脫敏機制有5種：（1） 受體沒收（receptor sequestration）通過受體介導內吞作用，將受體移到細胞內部，暫時隱蔽起來；在早胞內體的中（pH 5.0）受體和配體解離，受體返回質膜再利用，配體進入溶酶體被消化。（2）受體下調（receptor down-regulation）通過內吞作用，將受體轉移到溶酶體中降解。（3）受體失活(receptor inactivation)修飾或改變受體，如磷酸化，使受體與下游蛋白隔

6、離，即受體失活。（4）信號蛋白失活信號級聯(lián)傳遞反應受阻，受體不能發(fā)揮作用。（5）產生抑制性蛋白受體結合配體被激活后，在下游反應中產生抑制性蛋白，形成負反饋機制而降低或阻斷信號轉導途徑。（三）第二信使與分子開關1信使分子（1）第一信使細胞外化學信號分子，稱為第一信使（primary messenger）；（2）第二信使 在細胞內產生的非蛋白類小分子，通過其濃度變化應答胞外信號與細胞表面受體的結合，調節(jié)細胞內酶和非酶蛋白的活性從而在細胞信號轉導途徑中行使攜帶和放大信號的功能。目前公認的第二信使有cAMP、cGMP、Ca2+、二?；视停―AG）、肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和3，4，5-三磷

7、酸磷脂酰肌醇（PIP3）等。2. 分子開關（1）分子開關的概念在細胞內信號級聯(lián)傳遞途徑中，有的信號蛋白可通過活化的“開啟”和失活的“關閉”2種狀態(tài)來控制下游靶蛋白的活性，稱之為分子開關（蛋白）。（2）分子開關蛋白的類型 有3類分子開關蛋白。 GTPase開關 包括三聚體G蛋白和單體G蛋白,如Ras蛋白。結合GTP時呈活化的“開啟”狀態(tài)，結合GDP時呈失活的“關閉”狀態(tài)，通過這2種狀態(tài)的轉換控制下游靶蛋白的活性。GTPase開關蛋白由活化狀態(tài)轉換為失活狀態(tài)，該過程受GTPase促進蛋白（GTPase-acceleration protein, GAP）和G蛋白信號調節(jié)在（regulator of

8、 G protein-signaling, RGS）所促進，受鳥苷酸解離抑制蛋白（guanine nucleotide dissociation inhabitor,GDI）的抑制；GTPase開關蛋白的再活化被鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide-exchage factor,GEF)所促進。 蛋白激酶/蛋白磷酸酶控制的磷酸化/去磷酸化分子開關蛋白激酶是一類磷酸轉移酶，其作用是將 ATP 的 磷酸基轉移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質磷酸。蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化。通過蛋白激酶/磷酸酶使靶蛋白磷酸化/去磷酸化，為細胞提供一種“開關”機制，使各種靶蛋白處于活化或失活狀態(tài)。（

9、有的蛋白磷酸化時有活性，有的去磷酸化時有活性） Ca2+依賴的鈣調蛋白 結合Ca2+活化，未結合Ca2+失活。三、信號轉導系統(tǒng)及其特性（一）細胞內信號蛋白的相互作用 信號蛋白的相互作用是依靠蛋白質的不同模式結合域（modular binding domain）與匹配的基序（motif）或蛋白質上特定修飾位點識別與結合，從而在細胞內組裝成不同的信號轉導復合物，構成細胞內信號傳遞通路的結構基礎。SH2結構域：介導信號分子與含磷酸酪氨酸的蛋白分子結合。SH3結構域：介導信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子結合。PH結構域：可以與膜上磷脂類分子PIP2、PIP3等結合，使含PH結構域蛋白由細胞質中轉位到細胞

10、膜上。（二）細胞內信號蛋白復合物的裝配信號蛋白復合物的形成有重要生物學意義：在時空上增強細胞應答反應的速度、效率和反應的特異性。細胞內信號蛋白復合物裝配有3種策略：（1）基于支架蛋白的信號蛋白復合物的裝配（2）在活化受體上裝配信號蛋白復合物（3）肌醇磷脂錨定位點結合信號蛋白復合物（三）信號轉導系統(tǒng)的主要特性1特異性：受體-配體“結合”特異性，“效應器”特異性2放大效應：通過細胞內信號放大的級聯(lián)反應實現(xiàn)3網絡化與反饋調節(jié)機制：信號轉導系統(tǒng)的網絡化特性由一系列正反饋和負反饋環(huán)路組成，有利于克服分子間相互作用的隨機性對細胞生命活動的負面干擾。4信號整合作用：通過整合不同的信息，細胞對胞外信號分子的特

11、異性組合作出程序性反應，從而維持生命活動的有序性。第二節(jié) 細胞內受體介導的信號傳遞一、細胞內核受體及其對基因表達的調節(jié)細胞內核受體的本質是依賴激素激活的基因調控蛋白（轉錄因子）。甾類激素與細胞質內各自的受體蛋白結合，形成激素-受體復合物，并能穿過核孔進入細胞核內，激素和受體的結合導致受體蛋白構象的改變，提高了受體與DNA的結合能力，激活的受體通過結合于特異的DNA序列調節(jié)基因表達。甲狀腺素和雌激素也是親脂性小分子，其受體位于細胞核內，作用機理與甾類激素相同。也有個別的親脂性小分子，如前列腺素，其受體在細胞膜上。二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與胞質鳥苷酸環(huán)化酶結合，改變酶的構象，導致酶活

12、性的增強和cGMP合成增多。cGMP激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），PKG磷酸化Ca2+泵使之活化，從而降低血管平滑肌中的Ca2+離子濃度。引起血管平滑肌的舒張，血管擴張、血流通暢。血管內皮細胞和神經細胞是NO的生成細胞；硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內轉化為NO，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量 。第三節(jié) G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉導一、G蛋白耦聯(lián)受體的結構與激活（一）G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein coupled receptor,GPCR）是指配體受體復合物與靶蛋白（效應酶或通道蛋白）的作用要通過與G蛋白的偶聯(lián)，調節(jié)相關酶的活性，在細胞內產生第二信使

13、，從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內,影響細胞的行為。G蛋白偶聯(lián)受體種類很多，在味覺、視覺和嗅覺中接受外源理化因素的受體亦屬G蛋白偶聯(lián)型受體。（二）G蛋白三聚體GTP結合調節(jié)蛋白的簡稱,位于質膜胞質側，由、三個亞基組成，和亞基以異二聚體形式存在， 和亞基分別通過共價結合的脂分子錨定在質膜上，G蛋白在信號轉導過程中起著分子開關的作用，亞基本身具有GTPase 活性。當亞基與GDP結合時處于失活的關閉狀態(tài)，與GTP結合時處于活化的開啟狀態(tài)。二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路(一) 激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導的信號通路以心肌細胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道為例心肌細胞中M乙酰膽堿受體

14、與Gi 蛋白偶聯(lián)，受體結合乙酰膽堿而活化；活化的受體與三聚體Gi蛋白的Gi亞基結合，使其結合的GDP被GTP置換，引發(fā)三聚體Gi蛋白解離；釋放的G亞基復合物結合并開啟質膜上的K+通道，使K+外流，導致心肌細胞膜超極化，降低心肌細胞的收縮頻率。與Gi結合的GTP水解形成GDP時，Gi-GDP重新與G結合形成三聚體Gi蛋白。（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體所介導的信號通路（cAMP信號通路）1. cAMP-PKA信號通路的反應鏈刺激性(抑制性)激素刺激性（抑制性）G蛋白耦聯(lián)受體刺激性（抑制性）G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP依賴cAMP的蛋白激酶A酶或基因調控蛋白代謝反應或基因轉錄。2cAM

15、P-PKA信號通路的組分 刺激性激素受體（Rs）或抑制性激素受體（Ri） 刺激性G蛋白（Gs）或抑制性G蛋白（Gi）刺激性（激活性）激素與刺激性受體結合，激活刺激性G蛋白的Gsa, Gsa激活腺苷酸環(huán)化酶活性，提高靶細胞cAMP水平。抑制性激素與抑制性性受體結合，激活抑制性G蛋白的Gia, Gia抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，降低靶細胞cAMP水平。 腺苷酸環(huán)化酶（Adenylyl cyclase，AC）在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP。 環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）可降解cAMP生成5-AMP，起終止信號的作用。 蛋白激酶A（Pr

16、otein Kinase A，PKA）由2個催化亞基（C）和2個調節(jié)亞基（R）組成，每個R亞基有2個cAMP結合位點。在沒有cAMP時，以鈍化復合體形式存在。cAMP與調節(jié)亞基結合，改變調節(jié)亞基構象，使調節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基?；罨牡鞍准っ窤催化亞基可使細胞內某些蛋白的X-Arg-Arg/Lys-X-Ser/Thr-基序（X代表任意氨基酸，代表疏水氨基酸）中的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性。在不同的組織細胞中，活化的PKA異構體及其效應酶（底物）不同，從而產生不同的效應。如：肝細胞和肌細胞：促進糖原分解，抑制糖原合成。脂肪細胞：活化PKA使磷脂酶磷酸化而激活，

17、促進甘油三酯水解成脂肪酸和甘油。卵巢細胞：促進類固醇激素（雌激素和孕酮）合成。某些分泌細胞：激活相關靶基因的轉錄表達。3. 在肝細胞和肌細胞中，活化的PKA有3方面的因素來調節(jié)糖原代謝（促進糖原分解和抑制糖原合成）A活化PKA使糖原磷酸化酶激酶（GPK）磷酸化而活化，從而促進糖原降解；B另一方面，活化的PKA使糖原合酶（GS）磷酸化而失活，從而抑制糖原合成；C此外，活化的PKA使磷蛋白磷酸酶抑制蛋白（IP）磷酸化而活化，導致磷蛋白磷酸酶（PP）失活，從而使磷酸化的GPK和磷酸化的GS不能去磷酸化，也表現(xiàn)為促進糖原分解和抑制糖原合成。（三）激活磷脂酶C、以 IP3和DAG作為雙信使G蛋白偶聯(lián)受體

18、介導的信號通路（磷脂酰肌醇信號通路）在磷脂酰肌醇信號通路中，胞外信號分子與細胞表面G蛋白耦聯(lián)型受體結合，激活質膜上的磷脂酶C（PLC-），使質膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―AG）兩個第二信使（IP3在細胞質中擴散，DAG是親脂性分子，聯(lián)系在膜上），胞外信號轉換為胞內信號，分別激活2個不同的信號通路，即IP3-Ca2+和DAG-PKC途徑。因此，這一信號系統(tǒng)又稱為“雙信使系統(tǒng)”（double messenger system）。1. IP3-Ca 2+信號通路IP3與內質網上的IP3配體門鈣通道結合，開啟鈣通道，使胞內Ca2+濃度升

19、高，激活各類依賴鈣離子的蛋白。Ca2+活化各種Ca2+結合蛋白引起細胞反應。鈣調蛋白（calmodulin，CaM）是真核細胞中普遍存在的Ca 2+應答蛋白，由單一肽鏈構成，具有4個鈣離子結合部位。結合鈣離子，發(fā)生構象改變而活化，可調節(jié)鈣調蛋白依賴性酶的活性。細胞對Ca 2+的反應取決于細胞內鈣結合蛋白和鈣調素依賴性酶的種類。NOTE 1: ryanodine Ca 2+通道（ryanodine受體）除IP3配體門Ca 2+通道外，肌肉細胞內質網（肌質網）膜上還存在ryanodine Ca 2+通道，也稱ryanodine受體，因與一種植物堿ryanodine(雷諾丁)具有很高的親和力與特異性

20、。Ryanodine Ca 2+通道為電壓門Ca 2+通道。NOTE 2： 鈣火花（calcium sparks）用與Ca2+特異結合的熒光探針（如Fluo-3）和激光共焦顯微鏡檢測細胞中的Ca2+，可發(fā)現(xiàn)細胞中某微區(qū)熒光強度驟升而后很快消失的現(xiàn)象，稱為鈣火花。鈣火花為ryanodine通道釋放Ca2+使細胞內某微區(qū)Ca2+濃度瞬時增高引起的。2. DAG-PKC信號通路DAG結合于質膜上，可活化與質膜結合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于細胞溶質中，當細胞接受刺激，產生IP3，使Ca2+濃度升高，PKC與Ca2+結合，暴露出疏水的膜結合區(qū)而轉位

21、到質膜內表面，被DAG活化，活化的PKC可以使底物蛋白質的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，使不同的細胞產生不同的反應，如細胞分泌、肌肉收縮、細胞增殖和分化等。第四節(jié) 酶聯(lián)受體介導的信號轉導酶偶聯(lián)型受體（enzyme linked receptor，也稱催化性受體）分為2大類：其一是本身具有酶活性；其二是本身沒有酶活性，但胞內段可以連接非受體酶。這類受體的共同點是：通常為跨膜蛋白；接受配體后發(fā)生二聚化而激活，起動其下游信號轉導。一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），也稱酪氨酸蛋白激酶受體，配體是可溶性或膜結合的多肽或蛋

22、白類激素，包括神經生長因子（NGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）等多種生長因子和胰島素。其主要功能是控制細胞增殖、生長、分化，而不是調控細胞中間代謝。1受體酪氨酸激酶的結構和激活 胞外結構域：N端，含配體結合位點受體酪氨酸激酶 跨膜螺旋 胞質結構域：C端，包括自磷酸化位點和具酪氨酸激酶活性的催化位點配體（如EGF）在胞外與受體結合并引起構象變化，導致受體二聚化（dimerization）形成同源或異源二聚體，激活受體本身的酪氨酸蛋白激酶活性，在二聚體內彼此相互磷酸化胞內段酪氨酸殘基（即受體自磷酸化）。磷酸酪氨酸殘基可被含SH2結構域的胞內信號蛋白識別，作為下游

23、信號蛋白的錨定位點， 啟動信號轉導。2. Ras及其活化ras (rat sarcoma, 大鼠肉瘤) 基因的表達產物。190 aa的小G蛋白，位于胞質側，結合GTP激活，結合GDP失活。Ras-GTP和Ras-GDP的轉換需要鳥苷酸交換因子(GEF)和GTP酶活化蛋白（GAP）。3. RTK-RAS-MAPK信號途徑（1）受體酪氨酸激酶（RTK）結合信號分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化而活化，活化的RTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化級聯(lián)反應。（2）活化的Ras蛋白與Raf（又稱MAPKKK）的N端結構域結合并使其激活，Raf是絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶。（3）

24、活化的Raf結合并磷酸化另一種蛋白激酶MAPKK，使其絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。（4）MAPKK又使MAPK的蘇氨酸和酪氨酸殘基磷酸化使之激活。（5）MAPK為有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），屬絲氨酸/蘇氨酸殘激酶?；罨腗APK進入細胞核，磷酸化修飾許多底物蛋白和基因調控蛋白（轉錄因子），改變基因表達。第五節(jié) 其他細胞表面受體介導的信號通路Notch 信號通路 Notch信號通路是一種細胞間接觸依賴性通訊方式。Notch信號是細胞與細胞間相互作用的主要信號通路之一，對多細胞生物中細胞分化命運的決定起關鍵作用。Notch受體由Notch基因編碼，為膜