信號轉導通路

1、第六章第六章cAMP、cGMP信號轉導通路1掌握掌握cAMP的產生及滅活機制；的產生及滅活機制；PKA的結構、活化機制及其作用；的結構、活化機制及其作用；cAMP-PKA信號轉導通路；信號轉導通路；cAMP對糖原代謝對糖原代謝過程的調節(jié)。過程的調節(jié)。2熟悉熟悉cAMP作用的靶分子；作用的靶分子；cAMP對基對基因表達的調節(jié)；因表達的調節(jié)；cGMP的產生與滅活；的產生與滅活；cGMP作用的靶分子；作用的靶分子；cGMP調節(jié)的生調節(jié)的生理功能。理功能。 【目的要求目的要求】 第一信使第一信使第二信使第二信使一、一、cAMP的發(fā)現及第二信使學說的發(fā)現及第二信使學說cAMP是第一個被發(fā)現的第二信使。是

2、第一個被發(fā)現的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOH薩瑟蘭（薩瑟蘭（Earl W. Sutherland, Jr） 1915.11.9 1974.3.9 Earl Wilbur Sutherland Jr （1915 - 1974）1971年獲諾貝爾生理學和醫(yī)學獎年獲諾貝爾生理學和醫(yī)學獎激素作用的第二信使學說：激素作用的第二信使學說：胞外化學物質（第一信使）不能進入胞外化學物質（第一信使）不能進入細胞內部，它作用于細胞表面專一受體，細胞內部，它作用于細胞表面專一受體，而導致產生胞內第二信使，從而激發(fā)一系而導致產生胞內第二信使，從而激發(fā)一系列的生化反應，產生一定的細胞生理效應，列的生化

3、反應，產生一定的細胞生理效應，最后第二信使降解，其信號作用終止。最后第二信使降解，其信號作用終止。二、二、cAMP信號轉導通路信號轉導通路（一）（一）cAMP的產生的產生腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)：腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)：受體受體G蛋白蛋白AC催化亞基催化亞基活化活化AC的協(xié)同因子的協(xié)同因子1.ACAC有有 9 9種亞型，都是膜結合型種亞型，都是膜結合型的。且都可被異三聚體的。且都可被異三聚體GsGs蛋白的蛋白的 亞基所亞基所活化，但被活化，但被CaCa2+2+、磷酸化、磷酸化、GsGs蛋白蛋白 亞基亞基及及GiGi蛋白蛋白亞基調節(jié)的情況卻各不相同。亞基調節(jié)的情況卻各不相同。A

4、C亞型及調節(jié)因素亞型及調節(jié)因素AC亞型亞型抑制因素抑制因素激活因素激活因素Gs 亞基亞基亞基亞基Ca2+亞基、亞基、PKCGs+Ca2+和和CaM亞基、亞基、RTKCa2+、Gi 亞基亞基Ca2+、PKCPKCCa2+CnAC結構結構2.活化活化AC的協(xié)同因子的協(xié)同因子GTP：是維持：是維持G蛋白活化所必需的成蛋白活化所必需的成分。分。Mg2：在：在G蛋白亞基的解離、蛋白亞基的解離、G蛋白蛋白上上GTP與與GDP的置換以及的置換以及AC的催化活性的催化活性中都起重要的作用。中都起重要的作用。（二）（二）cAMP作用的靶分子作用的靶分子1.PKA是是cAMP最主要的效應分子。最主要的效應分子。c

5、AMPPKA靶蛋白磷酸化靶蛋白磷酸化PKA結構結構 PKA全酶：全酶：R2C2，型和型和型型 C亞基：亞基：C 、C 、C 、PKX含含ATP結合位點、催化位點、底物結結合位點、催化位點、底物結合部位及自主磷酸化位點。合部位及自主磷酸化位點。 R亞基：亞基：R 、R 、R 、R 含二聚化結合域、假底物功能域和含二聚化結合域、假底物功能域和cAMP結合位點。結合位點。dimerisation / docking domain - R monomers - A-kinase anchoring proteins (AKAPs) (pseudo-) substrate binding site- C

6、 subunit cAMP binding domains A and B - second messenger cAMP PKA的的R亞基亞基PKA活化機制活化機制PKA的的作用：作用：PKA為絲氨酸為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。其底蘇氨酸蛋白激酶。其底物包括多種酶、離子通道、結構與調節(jié)蛋物包括多種酶、離子通道、結構與調節(jié)蛋白、轉錄因子等。白、轉錄因子等。PKA底物的磷酸化共有序列是底物的磷酸化共有序列是RRXSY。cAMP引起細胞效應的特異性：引起細胞效應的特異性：（1）cAMP底物底物PKA可組合成多種不同的可組合成多種不同的亞型，不同亞型亞型，不同亞型PKA對對cAMP的親和力不的親和力不

7、同，作用的底物時序先后也不同；不同類同，作用的底物時序先后也不同；不同類型的型的PKA底物不同，因此產生的效應不同。底物不同，因此產生的效應不同。（2）cAMP信號的區(qū)域化：信號的區(qū)域化：1）AC及及G蛋白都位于細胞膜，形成細胞蛋白都位于細胞膜，形成細胞內梯度內梯度cAMP的起始點；的起始點；2）使）使cAMP滅活的滅活的型型PDE在細胞內特在細胞內特定區(qū)域，使彌散的定區(qū)域，使彌散的cAMP濃度梯度具可調濃度梯度具可調控性；控性；3）PKA錨定蛋白可使錨定蛋白可使PKA定位于特定的定位于特定的亞細胞結構。亞細胞結構。2.環(huán)化核苷酸門控陽離子通道環(huán)化核苷酸門控陽離子通道嗅覺信號傳遞過程的離子通道

8、以及心臟嗅覺信號傳遞過程的離子通道以及心臟竇房結起搏細胞的離子通道有環(huán)核苷酸結竇房結起搏細胞的離子通道有環(huán)核苷酸結合位點，能直接與合位點，能直接與cAMP結合并受其調控，結合并受其調控，稱為環(huán)化核苷酸門控陽離子通道（稱為環(huán)化核苷酸門控陽離子通道（cyclic nucleotide-gated cation channel，CNG）。 3.鳥苷酸交換因子鳥苷酸交換因子鳥苷酸交換因子（鳥苷酸交換因子（guanine nucleo-tide exchange factors，GEF）也是）也是cAMP結合蛋白，它們含結合蛋白，它們含cAMP結合位點，結合位點，受受cAMP調控，稱為調控，稱為cAMP

9、直接激活的交換直接激活的交換蛋白（蛋白（exchange protein directly activated by cAMP，Epac）或）或cAMP-GEF。 （三）（三）cAMP信號的滅活信號的滅活cAMP特異性特異性PDE cAMP信號的滅活機制：信號的滅活機制：受體下調受體下調AC失活失活被被型型PDE 水解水解PDE超家族超家族PDE亞型亞型底物底物調控模式調控模式結合結構域結合結構域PDE1cAMP/cGMPCa2+/CaM、PKA/PKGCaMPDE2cAMP/cGMP被被cGMP激活激活GAFPDE3cAMP被被cGMP抑制；被抑制；被PKB磷酸化磷酸化PDE4cAMP被被E

10、RK及及PKA磷酸化磷酸化UCRPDE5cGMP被被PKA及及PKG磷酸化磷酸化GAFPDE6cGMP被轉導素激活被轉導素激活GAFPDE7cAMPPDE8cAMPPDE9cGMPPDE10cAMP/cGMPGAFPDE11cAMP/cGMPGAFPDE12cAMP/cGMPPDE各亞型結構模式圖各亞型結構模式圖 PDE2A subunit contains a GAF A and a GAF B domain. The GAF A domain form a dimer interface. The two GAF B domains are far apart and contain th

11、e cGMP-binding sites. （四）（四）cAMP-PKA信號轉導通路信號轉導通路1. 細胞膜上存在受體、細胞膜上存在受體、G蛋白、蛋白、AC；2. 胞外的信號被受體接受，通過胞外的信號被受體接受，通過Gs或或Gi傳傳遞給遞給AC，使其活化或抑制；，使其活化或抑制；3. AC被激活后，產生被激活后，產生cAMP，cAMP激活激活PKA，使蛋白質磷酸化，產生細胞反應；，使蛋白質磷酸化，產生細胞反應；4. cAMP被被PDE水解而信號終止。水解而信號終止。 胞外信號胞外信號受體受體G蛋白蛋白ACcAMPPKA5-AMPPDE蛋白質磷酸化蛋白質磷酸化生物學效應生物學效應影響影響cAMP

12、水平的胞外信號分子水平的胞外信號分子cAMP變化變化激素激素神經遞質神經遞質cAMP升高升高胰高血糖素、血管緊張素、甲狀胰高血糖素、血管緊張素、甲狀旁腺素、前列腺素、下丘腦多種旁腺素、前列腺素、下丘腦多種釋放因子、降鈣素、黑色素細胞釋放因子、降鈣素、黑色素細胞促激素、血管升壓素、腎上腺素、促激素、血管升壓素、腎上腺素、促甲狀腺激素、促腎上腺皮質激促甲狀腺激素、促腎上腺皮質激素、促黃體激素、促卵泡激素素、促黃體激素、促卵泡激素M2、M4膽堿受膽堿受體激動劑、多體激動劑、多巴胺巴胺D1受體激受體激動劑、動劑、5-HT、組胺、神經肽組胺、神經肽Y、血管活性腸肽血管活性腸肽cAMP降低降低胰島素、生長

13、抑素胰島素、生長抑素阿片肽、阿片肽、GABAB、多巴、多巴胺胺D2受體激動受體激動劑、劑、cAMP的其他作用：的其他作用： cAMP與其受體蛋白結合，調節(jié)基因表達；與其受體蛋白結合，調節(jié)基因表達； cAMP到細胞外，轉變成腺苷酸，再通過到細胞外，轉變成腺苷酸，再通過激活腺苷酸受體起作用；激活腺苷酸受體起作用； cAMP作為胞外第一信使起作用。作為胞外第一信使起作用。三、三、cAMP信號調節(jié)的生理過程信號調節(jié)的生理過程 cAMP 的絕大多數生理功能是通過的絕大多數生理功能是通過PKA實現的，調節(jié)方式：實現的，調節(jié)方式：直接調節(jié)代謝反應直接調節(jié)代謝反應通過基因表達間接調節(jié)代謝反應通過基因表達間接調

14、節(jié)代謝反應（一）（一） cAMP對糖原對糖原代謝過程的調節(jié)代謝過程的調節(jié)磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶- -P PP PP P- -1 1磷磷酸酸化化酶酶- -P P糖糖原原合合成成酶酶- -P P糖糖原原合合成成酶酶糖糖原原G Gc cA AMMP P腎腎上上腺腺素素、胰胰高高血血糖糖素素P PK KA A磷磷酸酸化化酶酶抑抑制制劑劑- -1 1- -P PP PK KA AP PP P- -1 1A AC CGG蛋蛋白白P PP P- -1 1受受體體促進脂肪動員促進脂肪動員 Triacylglycerols FFAs and glycerol （二）（二）cAMP對膜蛋

15、白活性的調節(jié)對膜蛋白活性的調節(jié) cAMP 通過激活通過激活PKA使細胞膜上某些使細胞膜上某些蛋白質磷酸化，使膜蛋白構象發(fā)生改變，蛋白質磷酸化，使膜蛋白構象發(fā)生改變，從而調節(jié)細胞膜對某些物質的通透性。從而調節(jié)細胞膜對某些物質的通透性。如腎上腺素通過如腎上腺素通過cAMP-PKA途徑，抑途徑，抑制脂肪細胞膜上的制脂肪細胞膜上的GLUT4，阻止糖的轉運、，阻止糖的轉運、降低糖的氧化利用。降低糖的氧化利用。cAMPPKA心肌細胞膜鈣通道磷酸化心肌細胞膜鈣通道磷酸化鈣通透性增加鈣通透性增加鈣內流鈣內流心肌收縮力增加、心率加快心肌收縮力增加、心率加快（三）（三） cAMP對神經突觸傳遞的調節(jié)對神經突觸傳遞

16、的調節(jié)當某些神經細胞興奮時，突觸前神經當某些神經細胞興奮時，突觸前神經末梢釋放遞質，作用于突觸后膜上相應受末梢釋放遞質，作用于突觸后膜上相應受體，通過體，通過cAMPPKA途徑使膜蛋白磷酸途徑使膜蛋白磷酸化，改變膜對離子的通透性，從而影響神化，改變膜對離子的通透性，從而影響神經細胞的興奮性。經細胞的興奮性。 cAMP調調節(jié)突觸前節(jié)突觸前末梢的遞末梢的遞質釋放質釋放cAMP在嗅覺信號轉導中的作用在嗅覺信號轉導中的作用 CNG通道開啟通道開啟細胞除極細胞除極傳導性傳導性AP的產生的產生（四）（四） cAMP對激素合成與分泌的調節(jié)對激素合成與分泌的調節(jié) 促腎上腺皮質激素促進糖皮質激素的合成；促腎上腺

17、皮質激素促進糖皮質激素的合成； 促甲狀腺素促進甲狀腺素分泌；促甲狀腺素促進甲狀腺素分泌； 促黃體生成激素促進性激素的合成。促黃體生成激素促進性激素的合成。（五）（五） cAMP對基因表達的調節(jié)對基因表達的調節(jié)在原核生物，通過在原核生物，通過 因子的磷酸化，因子的磷酸化，促進轉錄。促進轉錄。在真核生物：在真核生物： PKA進入核內，磷酸化組蛋白，使基進入核內，磷酸化組蛋白，使基因開放。因開放。 PKA磷酸化轉錄因子，調節(jié)基因表達。磷酸化轉錄因子，調節(jié)基因表達。如如CREB、CREM、ATF等。等。轉錄調節(jié)轉錄調節(jié)（六）（六） cAMP對細胞增殖與分化的調節(jié)對細胞增殖與分化的調節(jié) cAMP通過通過

18、PKA可調節(jié)細胞生長與增可調節(jié)細胞生長與增殖，但其作用因細胞類型而異。殖，但其作用因細胞類型而異。對增殖調節(jié)的細胞特異性與對增殖調節(jié)的細胞特異性與cAMP和和MAPK信號通路之間的相互作用有關。信號通路之間的相互作用有關。四、四、cGMP信號轉導通路信號轉導通路（一）（一） cGMP信號通路研究的歷史回顧信號通路研究的歷史回顧1963年年Goldberg在大鼠尿中發(fā)現在大鼠尿中發(fā)現cGMP，幾，幾年后發(fā)現年后發(fā)現GC；1970年發(fā)現年發(fā)現PKG。1977年發(fā)現年發(fā)現NO可激活可激活GC而使而使cGMP 升高。升高。近年發(fā)現尿鈉肽可激活近年發(fā)現尿鈉肽可激活cGMP信號通路。信號通路。（二）（二）

19、cGMP的產生與滅活的產生與滅活 1. cGMP的產生的產生GCGC有兩類：有兩類：可溶性可溶性GC（soluble GC，sGC）膜結合膜結合GC（membrane GC，mGC 或或Particulate GC，pGC） mGC種類及功能種類及功能受體受體組織分布組織分布配體配體 功能功能GC-A血管平滑肌血管平滑肌, 內皮細胞內皮細胞, 神經系統(tǒng)神經系統(tǒng), 腎上腺腎上腺, 腎腎, 脾脾, 心臟心臟ANP, BNP降低動脈壓，降低動脈壓， 降低降低血容量，血容量， 抑制心肌抑制心肌細胞生長細胞生長GC-B成纖維細胞成纖維細胞, 其他組織其他組織CNP軟骨骨化，血管再軟骨骨化，血管再生生GC

20、-C小腸上皮細胞小腸上皮細胞, 再生肝再生肝腸毒素腸毒素, 鳥苷鳥苷素素,uroguanylin增加小腸和腎對水增加小腸和腎對水和離子的運輸，上和離子的運輸，上皮細胞生長和分化皮細胞生長和分化GC-D嗅覺神經上皮嗅覺神經上皮Orphan氣味識別氣味識別?GC-E視網膜視網膜, 松果體松果體Orphan視覺視覺, 椎細胞生存椎細胞生存GC-F視網膜視網膜Orphan視覺視覺?GC-G骨髓肌骨髓肌, 肺肺, 小腸小腸Orphan?mGCsGC2. cGMP的滅活的滅活PDE分解分解cGMP 的的PDE有有1、2、5、6亞亞型，特別是型，特別是PDE-6。 （三）（三） cGMP作用的靶分子作用的靶

21、分子 1. PDE cGMP 可通過激活可通過激活PDE-2或抑制或抑制PDE-3來調節(jié)來調節(jié)cAMP 的濃度及的濃度及cAMP /PKA信號通路。信號通路。2. 環(huán)化核苷酸門控陽離子通道環(huán)化核苷酸門控陽離子通道在視網膜及嗅覺系統(tǒng)中，在視網膜及嗅覺系統(tǒng)中，cGMP可通可通過變構作用，開放環(huán)化核苷酸陽離子門控過變構作用，開放環(huán)化核苷酸陽離子門控通道（通道（CNG），后者對于上述感覺信號的），后者對于上述感覺信號的產生是至關重要的。產生是至關重要的。心臟及腎臟也存在心臟及腎臟也存在CNG，并與，并與cGMP 介導的尿鈉增多有關。介導的尿鈉增多有關。3. PKG在多數細胞中，在多數細胞中， cGMP 作用的主要作用的主要靶分子是靶分子是PKG。哺乳動物中有三種哺乳動物中有三種PKG：PKG 、PKG 為可溶性蛋白；為可溶性蛋白；PKG為膜結合蛋白。為膜結合蛋白。PKG屬絲氨酸屬絲氨酸/蘇氨酸激酶家族，有蘇氨酸激酶家族，有三個結構域：三個結構域：N端結構域，含二聚化的亮氨酸拉鏈、端結構域，含二聚化的亮氨酸拉鏈、自身抑制區(qū)和靶向結合域。自身抑制區(qū)和靶向結合域。調節(jié)結構域，含兩個調節(jié)結構域，含兩個cGMP結合位點；結合位點；催化結構域。催化結構域。PKG作用的底物作用的底物底物磷酸化位點的共有序列為底物磷酸化位點的共有序列為RKXS/