細(xì)胞生物學(xué)第九章細(xì)胞通信和信號(hào)課件

1、CELL COMMUNICATION第9章 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)目 錄第一節(jié) 基本概念第二節(jié) 膜表面受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)離子通道型受體介導(dǎo)G蛋白耦聯(lián)型受體介導(dǎo)酶耦聯(lián)的受體介導(dǎo)第三節(jié) 胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo) 甾類，NO第一節(jié) 基本概念生命與非生命物質(zhì)最顯著的區(qū)別在于生命是一個(gè)完整的自然的信息處理系統(tǒng)。一方面生物信息系統(tǒng)的存在使有機(jī)體得以適應(yīng)其內(nèi)外部環(huán)境的變化，維持個(gè)體的生存；另一方面核酸和蛋白質(zhì)信息在不同世代間傳遞維持了種族的延續(xù)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時(shí)空傳遞的現(xiàn)象，生命的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上就是信息系統(tǒng)的進(jìn)化。 Gene transcriptionCell proliferationCell surviva

2、lCell deathCell differentiationCell functionCell motilityImmune responsesFUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION一、幾個(gè)容易混淆的概念 細(xì)胞信號(hào)發(fā)放（cell signaling）：細(xì)胞釋放信號(hào)分子，將信息傳遞給其它細(xì)胞。細(xì)胞通訊（cell communication）：細(xì)胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)傳遞到另一個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)反應(yīng)的過程。細(xì)胞識(shí)別（cell recognition）：細(xì)胞之間通過細(xì)胞表面的信息分子相互作用，引起細(xì)胞反應(yīng)的現(xiàn)象。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）： 指外界信號(hào)（如

3、光、電、化學(xué)分子）作用于細(xì)胞表面受體，引起胞內(nèi)信使的濃度變化，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)的一系列過程。水溶性信號(hào)分子 （如神經(jīng)遞質(zhì)）不能穿過靶細(xì)胞膜，只能經(jīng)膜上的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞，又稱第一信使（primary messenger）。脂溶性信號(hào)分子（如甾類激素和甲狀腺素）可直接穿膜進(jìn)入靶細(xì)胞，與胞內(nèi)受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。第二信使（secondary messenger）主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。作用：信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大。三、受體（receptor）能夠識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體（信號(hào)分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白，至少包括兩個(gè)功能區(qū)域：配體結(jié)合區(qū)域

4、和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域。受體的特征：特異性；飽和性；高度的親和力。分為：細(xì)胞內(nèi)受體（intracellular receptor）、細(xì)胞表面受體（cell surface receptor）。四、蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，能將 ATP 的 磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸化。分為5類，其中了解較多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。作用：通過磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性；通過蛋白質(zhì)的逐級(jí)磷酸化，使信號(hào)逐級(jí)放大，引起細(xì)胞反應(yīng)。Protein kinases connexon（二）膜表面分子接觸通訊即細(xì)胞識(shí)別（cell recognition）。如：精子和卵子之間的識(shí)別，T與B淋巴細(xì)胞

5、間的識(shí)別。1.內(nèi)分泌（endocrine）：內(nèi)分泌激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細(xì)胞。特點(diǎn)：低濃度10-8-10-12M ，全身性，長(zhǎng)時(shí)效。2.旁分泌（paracrine）：信號(hào)分子通過擴(kuò)散作用于鄰近的細(xì)胞。包括：各類細(xì)胞因子（如表皮生長(zhǎng)因子）；氣體信號(hào)分子（如：NO）。3.突觸信號(hào)發(fā)放：神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)突觸作用于特定的靶細(xì)胞。4.自分泌（autocrine）：信號(hào)發(fā)放細(xì)胞和靶細(xì)胞為同類或同一細(xì)胞，常見于癌變細(xì)胞。第二節(jié) 膜表面受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)膜表面受體主要有三類：離子通道型受體（ion-channel-linked receptor）；G蛋白耦聯(lián)型受體（G-protein-linked rec

6、eptor）；酶耦聯(lián)的受體（enzyme-linked receptor）。第一類存在于可興奮細(xì)胞。后兩類存在于大多數(shù)細(xì)胞，在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期表現(xiàn)為激酶級(jí)聯(lián)（kinase cascade）事件，即為一系列蛋白質(zhì)的逐級(jí)磷酸化，籍此使信號(hào)逐級(jí)傳送和放大。Cell surface receptors受體本身為離子通道，即配體門通道（ligand-gated channel）。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細(xì)胞，其信號(hào)分子為神經(jīng)遞質(zhì)。分為： 陽(yáng)離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體； 陰離子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受體。 一、離子通道型受體Chemical synapseThree conform

7、ation of the acetylcholine receptorIon-channel linked receptors in neurotransmissionG蛋白耦聯(lián)型受體：7次跨膜蛋白，胞外結(jié)構(gòu)域識(shí)別信號(hào)分子，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白耦聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使。類型：多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，味覺、視覺和嗅覺感受器。相關(guān)信號(hào)途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑。GTP-binding regulatory protein通過調(diào)節(jié)cAMP的濃度，將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)。主要組分：激活型受體（Rs）或抑制型受體（Ri）；活化型調(diào)節(jié)蛋白（Gs）或抑制型調(diào)節(jié)蛋

8、白（Gi）；G-protein linked receptor 腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由兩個(gè)催化亞基和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基組成。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活蛋白激酶A的活性。環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase, PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起終止信號(hào)的作用。Degredation of cAMPGs調(diào)節(jié)模型:激素與Rs結(jié)合，Rs構(gòu)象改變，與Gs結(jié)合，Gs的亞基排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，Gs解離出和。亞基活

9、化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。亞基復(fù)合物也可直接激活某些胞內(nèi)靶分子。例：霍亂毒素能催化ADP核糖基共價(jià)結(jié)合到Gs的亞基上，使亞基喪失GTP酶的活性，處于持續(xù)活化狀態(tài)。導(dǎo)致霍亂病患者細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。cAMP信號(hào)途徑可表示為：激素 G蛋白耦聯(lián)受體G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP 依賴cAMP的蛋白激酶A基因調(diào)控蛋白磷酸化基因轉(zhuǎn)錄。 不同細(xì)胞對(duì)cAMP信號(hào)途徑的反應(yīng)速度不同：在肌肉細(xì)胞，1秒鐘內(nèi)可啟動(dòng)糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個(gè)小時(shí)， 激活的PKA 進(jìn)入細(xì)胞核，將CRE結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)。CRE（cAMP resp

10、onse element ）是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。 Glycogen breakdown in skeletal musclecAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription.CRE is cAMP response element in DNA.Gi調(diào)節(jié)模型通過亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；通過亞基復(fù)合物與游離Gs的亞基結(jié)合，阻斷Gs的亞基對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。胞外信號(hào)分

11、子與細(xì)胞表面G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-），使質(zhì)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）和二酰基甘油（diacylglycerol, DG）。DG激活蛋白激酶C（PKC），繼而激活不同底物蛋白絲氨酸或蘇氨酸磷酸化。IP3開啟胞內(nèi)IP3門控鈣通道，Ca2+濃度升高，激活鈣調(diào)蛋白。(鈣火花)（二）磷脂酰肌醇途徑Inositol phospholipid signalingMimicked byionomycin PIP2 Hydrolysis鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）：結(jié)合鈣離子將靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。蛋白

12、激酶C位于細(xì)胞質(zhì)，Ca2+濃度升高時(shí)，PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DG活化，PKC屬蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶。 IP3信號(hào)的終止：通過去磷酸化形成IP2、或磷酸化為IP4 。Ca2+被質(zhì)膜上的鈣泵和Na+- Ca2+交換器抽出細(xì)胞，或被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵抽回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DG終止信使作用途徑：一被DG激酶磷酸化成為磷脂酸，進(jìn)入磷脂酰肌醇循環(huán)；二是被DG酯酶水解成單酯酰甘油。Controls on Cytosolic Calcium（三）其它G蛋白偶聯(lián)型受體1化學(xué)感受器中的G蛋白存在于嗅覺和味覺化學(xué)感受器中，類型繁多，不同細(xì)胞具有不同的受體，感受不同的氣味。氣味分子與G蛋白偶聯(lián)型受體結(jié)合，可激活腺苷酸環(huán)化酶

13、，產(chǎn)生cAMP，開啟cAMP門控陽(yáng)離子通道（cAMP-gated cation channel），引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，最終形成嗅覺或味覺。2視覺感受器中的G蛋白黑暗條件下視桿細(xì)胞中cGMP濃度較高，cGMP門控鈉離子通道開放，鈉離子內(nèi)流，膜去極化，突觸持續(xù)向次級(jí)神經(jīng)元釋放遞質(zhì)。有光時(shí)cGMP濃度下降的負(fù)效應(yīng)起傳遞光刺激的作用。光信號(hào)Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞內(nèi)cGMP減少Na+離子通道關(guān)閉離子濃度下降膜超極化神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少視覺反應(yīng)。視紫紅質(zhì)（rhodopsin, Rh）為7次跨膜蛋白，由視蛋白和視黃醛組成。Role of cGMP in Photorecep

14、tionG蛋白偶聯(lián)型受體的鈍化細(xì)胞通過受體鈍化適應(yīng)持續(xù)刺激：受體失活（receptor inactivation）；受體隱蔽（receptor sequestration）；受體下行調(diào)節(jié)（receptor down-regulation）。小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD而得名，同樣具有GTP酶活性，起分子開關(guān)作用。類型：Ras、Rho、SEC4、YPT1、微管蛋白亞基。特點(diǎn)：結(jié)合GTP活化、GTP水解成為GDP時(shí)（自身為GTP酶）則回復(fù)到非活化狀態(tài)。其功能與G類似。調(diào)節(jié)因子：鳥苷酸交換因子（GEF）、鳥苷酸解離抑制因子（GDI）、GTP酶活化蛋白（GAP）等

15、。（四）小G蛋白分為兩種情況：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受體；本身沒有酶活性，但可以連接非受體酪氨酸激酶，如細(xì)胞因子受體超家族。已知六類：受體酪氨酸激酶、受體絲氨酸/蘇氨酸激酶、受體酪氨酸磷脂酶、 酪氨酸蛋白激酶連接的受體、 受體鳥苷酸環(huán)化酶、 組氨酸激酶連接的受體（與細(xì)菌的趨化性有關(guān)）。三、酶耦聯(lián)型受體enzyme linked receptor酶偶聯(lián)型受體的共同點(diǎn)：?jiǎn)未慰缒さ鞍祝唤邮芘潴w后發(fā)生二聚化，起動(dòng)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。（一）受體酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶胞質(zhì)酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；核內(nèi)酪氨酸激酶 ：如：Abl、Wee；受體酪氨酸激酶（RPTKs

16、） ：為單次跨膜蛋白，配體（如EGF） 與受體結(jié)合。導(dǎo)致二聚化，二聚體內(nèi)彼此相互磷酸化胞內(nèi)段酪氨酸殘基。Receptor tyrosine kinasesReceptor tyrosine kinases2、信號(hào)分子間的識(shí)別結(jié)構(gòu)域SH2結(jié)構(gòu)域（Src Homology 2 結(jié)構(gòu)域）：介導(dǎo)信號(hào)分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子的結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域（Src Homology 3 結(jié)構(gòu)域）：介導(dǎo)信號(hào)分子與富含脯氨酸的蛋白分子的結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域（Pleckstrin Homology 結(jié)構(gòu)域）：與磷脂類分子PIP2、PIP3、IP3等結(jié)合。受體酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號(hào)途徑主要有RAS途徑、PI3K途徑、磷脂酰肌醇

17、途徑等。 RPTK結(jié)合信號(hào)分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化，活化的RPTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終激活有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），活化的MAPK進(jìn)入細(xì)胞核，可使許多底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，如將Elk-1激活，促進(jìn)c-fos，c-jun的表達(dá)。 3、RAS信號(hào)途徑RPTK-Ras信號(hào)途徑可概括如下：配體RPTKadaptorGEF RasRaf（MAPKKK）MAPKK MAPK進(jìn)入細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)。Ras釋放GDP需要鳥苷酸交換因子（GEF，如Sos）參與； Sos有SH3結(jié)

18、構(gòu)域，但沒有SH2結(jié)構(gòu)域，不能直接和受體結(jié)合，需要接頭蛋白（如Grb2）的連接。Ras的GTP酶活性不強(qiáng)，需要GAP的參與。Ras-GEFRaf is a PK that triggers MAP-K pathwayc-fos, c-junCell proliferationRPTK-Ras Pathway MEK Homo sapiens MAP kinase kinase Mitogen-activated protein kinases （MAPK） include three subgroups, extracellular-signal-regulated kinase （ERK）,

19、 c-Jun aminoterminal kinase （JNK） and p38 MAPK. RPTK-Ras PathwayPI3K PATHWAYPDK is phosphoinositol dependent kinaseAkt is PKB, influence cellsurvival配體是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-s。（transforming growth factor-s，TGF-s。）家族成員。包括TGF-1-5。依細(xì)胞類型不同，可抑制細(xì)胞增殖、刺激胞外基質(zhì)合成、刺激骨骼的形成、通過趨化性吸引細(xì)胞、作為胚胎發(fā)育過程中的誘導(dǎo)信號(hào)等。 （二）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶作用：使特異的胞內(nèi)信號(hào)蛋白

20、的磷酸酪氨酸殘基去磷酸化，控制磷酸酪氨酸殘基的壽命，使靜止細(xì)胞具有較低的磷酸酪氨酸殘基的水平。與酪氨酸激酶一起協(xié)同工作，如參與細(xì)胞周期調(diào)控。白細(xì)胞表面的CD45屬這類受體，對(duì)具體配體尚不了解。和酪氨酸激酶一樣存在胞質(zhì)酪氨酸磷酯酶。 （三）受體酪氨酸磷酯酶分布在腎和血管平滑肌細(xì)胞表面，配體為心房排鈉肽（atrial natriuretic peptide，ANP）或BNP。當(dāng)血壓升高時(shí)，心房肌細(xì)胞分泌ANP，促進(jìn)腎細(xì)胞排水、排鈉，同時(shí)導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞松弛，結(jié)果使血壓下降。信號(hào)途徑為：配體受體鳥苷酸環(huán)化酶cGMP依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。（四）受體

21、鳥苷酸環(huán)化酶包括各類細(xì)胞因子（如干擾素）的受體，在造血細(xì)胞和免疫細(xì)胞通訊上起作用。受體本身不具有酶活性，但可連接胞內(nèi)酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信號(hào)途徑為JAKSTAT或RAS途徑。JAK（janus kinase）屬非受體酪氨酸激酶家族。JAK的底物為STAT，即信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT） 。（五）細(xì)胞因子受體超家族JAK/STAT Pathway1. 配體與受體結(jié)合導(dǎo)致受體二聚化；2. 二聚化受體激活JAK；3. JAK將STAT磷酸化；4. STAT形成二聚體，暴露出入核信號(hào)；5. STAT進(jìn)入核內(nèi)，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。第三節(jié) 胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)受體的本質(zhì)是激素激活的基因調(diào)控蛋白。細(xì)胞內(nèi)受體與抑制性蛋白（如Hsp90）結(jié)合形成復(fù)合物，處于非活化狀態(tài)。配體（如皮質(zhì)醇）與受體結(jié)合，導(dǎo)致抑制性蛋白從復(fù)合物上解離下來(lái)，從而受體通過暴露