細胞的信號轉導-學習筆記

目錄細胞的信號轉導 1膜受體 3一、離子通道偶聯(lián)受體 3二、G蛋白偶聯(lián)受體 4三、酶聯(lián)型受體介導的信號轉導 13四、招募型受體介導的信號轉導 15核受體 15細胞的信號轉導在信號轉導通路中，受體（receptor）是指細胞中具有接受和轉導信息功能的蛋白質。在細胞膜中的受體稱為膜受體，在胞質內和核內的受體分別稱為胞質受體和核受體。能與受體發(fā)生特異性結合的活性物質稱為配體（ligand）。位于細胞內的受體多為轉錄因子。當與相應配體結合后，能與DNA的順式作用元件結合，在轉錄水平調節(jié)基因表達。在沒有信號分子存在時，受體往往與具有抑制作用的蛋白質分子（如熱激蛋白）形成復合物，阻止受體與DNA的結合。沒有結合信號分子的胞內受體主要位于細胞質中，有一些則在細胞核內。激素進入細胞后，如果其受體是位于細胞核內，激素被運輸到核內，與受體形成激素-受體復合物。如果受體是位于細胞質中，激素則在細胞質中結合受體，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-受體復合物向細胞核內轉移，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-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。依據參與介導的配體和受體特性的不同，信號轉導有兩類方式：1、脂溶性配體通過單純擴散進入細胞內，直接與胞質受體或核受體結合而發(fā)揮作用，通常都通過影響基因表達而產生效應，稱為核受體介導的信號轉導。2、水溶性的配體或物理信號，先作用于膜受體，再經跨膜和細胞內信號轉導機制產生效應，包括：離子通道型受體、G蛋白耦聯(lián)受體、酶聯(lián)型受體和招募型受體介導的信號轉導：膜受體一、離子通道偶聯(lián)受體離子通道型受體（ionchannelreceptor，ICR）通常是由多個亞基組成的多聚體，每個亞基具有2、4、5或6個跨膜域，亞基在細胞膜上組裝成環(huán)狀的、中間可通過離子的孔道。離子通道型受體因在結構上既可與細胞外信號分子結合，同時又是離子通道，因此具有受體與離子通道耦聯(lián)的特點，所以當離子通道型受體與配體結合后，其離子通道可在極短的時間（數毫秒）內迅速打開，離子可通過胞膜流入或流出細胞，在胞內產生離子流和電效應，導致膜電位的變化。離子通道型受體介導的信號轉導反應是一種快速的反應，為神經系統(tǒng)和其他電激發(fā)細胞如肌細胞所特有，主要在神經系統(tǒng)的突觸反應中起控制作用。根據受體的氨基酸組成及跨膜區(qū)的特點，可將離子通道型受體分為三類受體超家族：I型受體超家族：以煙堿型乙酰膽堿受體（nicotinicacetylcholinereceptor，nAChR）為代表，常存在于神經元和神經肌肉接頭處，有α2、β、γ、δ五個蛋白亞單位（四個亞基）：每一亞基的分子量為40~58kD，各含4個長度不同的穿膜區(qū)域，每個亞基的第二個跨膜區(qū)共同構成Na離子通道的內壁。乙酰膽堿（ACh）的結合位點位于α亞基的N末端區(qū)域，因此nAChR有兩個ACh結合位點：除了煙堿型乙酰膽堿受體外，γ氨基丁酸受體（y-aminobutyricacidreceptor，GABAR）、甘氨酸受體也是常見的I型受體超家族成員。Ⅱ型受體超家族：包括光受體、嗅神經受體Ⅲ型受體超家族：包括肌漿網膜上的鈣離子通道此兩類受體與I型受體的不同之處在于，組成受體的亞基均有6個穿膜區(qū)域，其中有兩個穿膜區(qū)的氨基酸組成具有高度同源性；受體與配體的結合部位在細胞膜（穿膜部位），而不是在胞外。二、G蛋白偶聯(lián)受體一、G蛋白耦聯(lián)受體的基本結構G蛋白耦聯(lián)受體（Gproteincoupledreceptor，GPCR）是膜受體中最大的家族，M-乙酰膽堿受體、視紫紅質（rhodopsin）受體、α和β腎上腺素受體等均屬此類。激活這類受體的配體也種類繁多，如兒茶酚胺、5-羥色胺、乙酰膽堿、氨基酸類神經遞質以及幾乎所有的多肽和蛋白質類神經遞質和（或）激素（鈉尿肽家族除外），還有光子、嗅質和味質等。其成員均為一條多肽鏈構成的糖蛋白，由400~500個氨基酸殘基組成，分為胞外、胞膜及胞內三個區(qū)。N末端位于胞外區(qū)，帶有多個糖基化位點；胞膜結構區(qū)由7個穿膜的疏水的α-螺旋結構組成，其氨基酸組成高度保守，各穿膜螺旋結構之間有環(huán)狀結構形成，共有6個（胞外、胞內各三個）；C末端位于胞內區(qū)。穿膜區(qū)的α-螺旋結構片段是受體與配體結合的部位，位于胞質內的、跨膜第五及第六區(qū)間的細胞內環(huán)則是能被G蛋白識別的區(qū)域；當受體被激活時，這一區(qū)域將與G蛋白結合，進而使G蛋白激活。如這一部位的氨基酸組成改變或數目減少，受體將不能與G蛋白耦聯(lián)。C末端的絲氨酸、蘇氨酸為磷酸化部位，在蛋白激酶的作用下，可結合磷酸基團。G蛋白耦聯(lián)受體所觸發(fā)的信號蛋白之間的相互作用主要是一系列的生物化學反應過程，故也稱為促代謝型受體（metabotropicreceptor）：從圖中可以看出，G蛋白耦聯(lián)受體所激活的通路，主要由四個部分組成：G蛋白（Gprotein）、G蛋白效應器（Gproteineffector）、第二信使（secondmessenger）、蛋白激酶（proteinkinase）1、G蛋白（Gprotein）G蛋白是鳥苷酸結合蛋白（guaninenucleotide-bindingprotein）的簡稱，是G蛋白耦聯(lián)受體聯(lián)系胞內信號通路的關鍵膜蛋白，由α、B和y三個亞單位構成。G蛋白的分子構象依其結合的鳥苷酸不同而異：與GDP結合為G蛋白三聚體-GDP復合物呈失活態(tài)（圖A）；與GTP結合則為激活態(tài)（圖B,C）；G蛋白在失活態(tài)和激活態(tài)兩種構象之間進行相互變換，便發(fā)揮了信號轉導的分子開關（molecularswitch）作用，即激活態(tài)G蛋白導通、失活態(tài)G蛋白中斷信號的轉導：在此過程中GDP的釋放和GTP/GDP的轉換是該循環(huán)的限速步驟，α亞單位的GTP酶活性是其關鍵。（圖D）另外，激活態(tài)G蛋白解離成a亞單位-GTP復合物（α-GTP）和By復合體兩部分，各自激活相應的下游效應器（酶或離子通道），把信號轉導到細胞內部。2、G蛋白效應器（Gproteineffector）G蛋白效應器是指G蛋白直接作用的靶標，包括效應器酶、膜離子通道以及膜轉運蛋白等。效應器酶的作用是催化生成（或分解）第二信使物質，主要有：腺苷酸環(huán)化酶（adenylylcyclase，AC）磷脂酶C（phospholipaseC，PLC）磷脂酶A2（phospholipaseA2，PLA2）磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）膜離子通道：激活態(tài)G蛋白的α亞單位或βγ復合體不僅能直接門控離子通道（如M型ACh受體激活的內向整流鉀通道即由By復合體直接激活），也可調節(jié)離子通道的活性（如By復合體可直接上調甘氨酸受體的活性），說明離子通道也可直接成為G蛋白效應器，并表明G蛋白耦聯(lián)受體與離子通道型受體各自介導的信號轉導通路之間具有交互性。3、第二信使（secondmessenger）第二信使是指激素、神經遞質、細胞因子等細胞外信使分子（第一信使）作用于膜受體后產生的細胞內信使分子。通常指由G蛋白激活的效應器酶再分解細胞內底物所產生的小分子物質。（Sutherland因發(fā)現(xiàn)環(huán)-磷酸腺苷（cyclicadenosinemonophosphate，cAMP）的第二信使作用而榮獲1971年生理學或醫(yī)學諾貝爾獎。）目前已知的第二信使有cAMP三磷酸肌醇（inositoltriphosphate，IP）二酰甘油（diacylglycerol，DG/DAG）環(huán)-磷酸鳥苷（cyclicguanosinemonophosphate，cGMP）鈣離子花生四烯酸（arachidonicacid，AA）及其代謝產物第二信使可進一步通過激活蛋白激酶，產生以靶蛋白磷酸化和構象變化為特征的級聯(lián)反應或調控基因表達，導致細胞功能改變。膜離子通道不僅可作為蛋白激酶的靶蛋白受到調控，胞內側化學門控通道也可直接受控于第二信使，如視桿細胞外段膜中鈉通道的開放程度受胞質內cGMP濃度的調控。4、蛋白激酶（proteinkinase）蛋白激酶是一類將ATP分子上的磷酸基團轉移到底物蛋白而產生蛋白磷酸化（proteinphosphorylation）的酶類。被磷酸化的蛋白質底物一方面可發(fā)生帶電特性改變，另一方面可發(fā)生構象改變，導致其生物學特性發(fā)生變化。若底物蛋白也是一種蛋白激酶，便可觸發(fā)瀑布樣依次磷酸化反應，稱為磷酸化級聯(lián)反應（phosphorylationcascade）。蛋白激酶引起的磷酸化作用，可通過胞內存在的蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）使底物蛋白去磷酸化而終止。由第二信使激活的蛋白激酶常稱為第二信使依賴性蛋白激酶，如cAMP依賴性蛋白激酶即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）、鈣離子依賴性蛋白激酶即蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC）等。二、常見的信號轉導通路1、受體-G蛋白-AC-cAMP-PKA通路（cAMP第二信使系統(tǒng)）（Gs和Gi）參與該通路的G蛋白有Gs和Gi兩類激活態(tài)的Gs能激活AC（腺苷酸環(huán)化酶），提高胞質中cAMP的濃度。（具有12次穿膜的AC被激活后，其位于胞內側的催化活性部位可催化胞質中ATP分解生成cAMP）激活態(tài)的Gi則抑制AC的活性，降低胞質中cAMP的濃度。所以，該通路中的受體依據其所耦聯(lián)的G蛋白類型不同，可發(fā)揮相互拮抗的作用：β-腎上腺素受體、多巴胺D1受體、前列腺素受體、血管升壓素V2受體等通過Gs激活AC，加速cAMP的產生；α2腎上腺素受體、多巴胺D2受體、5-HT1受體等則激活Gi并抑制AC，減少胞內cAMP產生。（另外，與AC作用相反的PDE（cAMP磷酸二酯酶），可催化cAMP生成5-AMP，進而減弱或終止cAMP的信使分子作用。）cAMP作為第二信使分子，其大多數信號轉導功能都是通過激活cAMP依賴的PKA而完成的，PKA以絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶方式，將ATP分子的磷酸根轉移到底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基上（磷酸化反應），而磷酸根所帶的高密度電荷能引起底物蛋白構象改變，進而使酶的活性、通道的活動狀態(tài)、受體的反應性和轉錄因子的活性發(fā)生改變。被PKA磷酸化的底物蛋白不同，由該蛋白在細胞中的功能不同而顯示的效應也不同：在肝細胞激活磷酸化酶激酶而促進肝糖原分解在心肌細胞使鈣通道磷酸化而增強心肌收縮在腦內海馬的錐體神經元抑制鈣離子激活的鉀通道而產生去極化在細胞核內可通過cAMP反應元件結合蛋白（cAMPresponseelement-bindingprotein，CREB）、cAMP反應元件調節(jié)子（cAMPresponseelementmodulator，CREM）和活化轉錄因子-1（activatingtranscriptionfactor-1，ATF1）等介導和調節(jié)靶基因的表達，生成新的蛋白質，進而改變細胞的功能。另外，cAMP還可直接作用于膜離子通道而產生信號轉導作用，如直接門控超極化激活的環(huán)核苷酸門控陽離子通道（hyperpolarization-activatedcyclicnucleotide-gatedcationchannel，HCN）；cAMP還可通過cAMP直接激活的交換蛋白（exchangeproteinactivatedbycAMP，EPAC）激活Ras相關蛋白（Rap）介導的非cAMP-PKA通路，調節(jié)細胞的功能。2、受體-G蛋白-PLC-IP3-Ca2+和DG-PKC通路（Gq或Gi）主要受體：5-HT2受體、α腎上腺素能受體。參與該通路的G蛋白有Gq或Gi家族中的Gi1、Gi2和Gi3亞型。經由該通路進行信號轉導的受體（如5-HT2受體、α腎上腺素能受體等）通常與Gq或Gi家族中的Gi1、Gi2和Gi3亞型耦聯(lián)而激活PLC，其中Gq的α亞基和βγ復合體都可激活PLC。PLC再分解膜脂質中PIP2為IP3和DG。IP3其中IP3是小分子水溶性物質，即擴散入細胞質后激活內質網或肌質網等非線粒體Ca2+庫膜中的IP3受體（IP3receptor，IP3R），后者作為化學門控的鈣釋放通道（calciumreleasechannel）引起胞內Ca2+庫釋放Ca+，升高胞質中Ca2+濃度，進而啟動Ca2+信號系統(tǒng)。IP3可被IP3磷酸單脂酶降解而消除。Ca2+信號系統(tǒng)是由上述IP3觸發(fā)從胞內鈣庫釋放進胞質的Ca2+，以及經細胞膜中電壓或化學門控通道由胞外進入胞質的Ca2+，一方面作為帶電離子可影響膜電位而直接改變細胞的功能，但更重要的是作為第二信使，通過與胞內多種底物蛋白相結合而發(fā)揮作用，參與多種胞內信號轉導過程：在細胞內能與Ca+結合的蛋白統(tǒng)稱為鈣結合蛋白（calcium-bindingprotein，CaBP或calbindin），其中最重要的是鈣調蛋白（calmodulin，CaM），Ca2+與CaM形成Ca2+-CaM復合物，不僅本身具有多種調節(jié)功能，還可激活Ca2+-CaM依賴性蛋白激酶（Ca2+/CaM-dependentproteinkinase，CaMK）、蛋白磷酸酶如鈣調磷酸酶（calcineurin）等，進而產生廣泛的生物效應。另外，近年來應用Ca+成像技術能觀察到細胞內微區(qū)域Ca2+信號，稱為Ca2+信號的基本單元（elementaryunit），如鈣火花（calciumspark）等，這些Ca+信號呈現(xiàn)時空多樣性，顯示了細胞內Ca+信號轉導的數字-模擬二元特征，可能為Ca+信號實現(xiàn)各種復雜信息的準確有效傳遞提供了解釋。DG另一信使分子DG屬于脂溶性物質，生成后與Ca2+和膜中的磷脂酰絲氨酸一起，在膜的內側面結合并特異地激活胞質中的PKC，PKC再進一步磷酸化下游功能蛋白而改變生理功能。DG在PLA2等作用下降解而終止其第二信使作用。但經PLA2降解的產物，如花生四烯酸又可激活PKC，而花生四烯酸的代謝產物如前列腺素、白三烯等又能進一步發(fā)揮信使分子的作用。PKC屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，其結構中含疏水性調節(jié)區(qū)和親水性催化區(qū)，調節(jié)區(qū)有DG、磷脂和Ca2+的結合部位。由于PKC有多種亞型，且各自的激活條件、組織分布以及底物特性均有所不同，PKC激活后使底物蛋白磷酸化可產生多種生物效應。同時，由于PKC激活后常與膜脂質、DG和Ca2+形成復合物，故被PKC催化的底物多為膜蛋白：Na+-H+交換體被磷酸化可增強Na+-H+交換，升高胞質內pH；心室肌細胞膜中的鈉泵、鈣泵和Na+-Ca2+交換體被磷酸化可促進胞質中Ca2+的排出。這一通路的關鍵信使分子是IP3和DG，因而該通路也稱為IP3和DG第二信使系統(tǒng)，屬于非核苷酸類的Ca2+動員-肌醇脂質代謝通路。三、酶聯(lián)型受體介導的信號轉導酶聯(lián)型受體（enzyme-linkedreceptor）是指其本身就具有酶的活性或與酶相結合的膜受體。這類受體的結構特征是每個受體分子只有單跨膜區(qū)段，其胞外結構域含有可結合配體的部位，而胞內結構域則具有酶的活性或能與酶結合的位點。這類受體的主要類型有：酪氨酸激酶受體酪氨酸激酶結合型受體鳥苷酸環(huán)化酶受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體涉及神經營養(yǎng)因子、生長因子和細胞因子等配體的信號轉導。酪氨酸激酶受體和酪氨酸激酶結合型受體酪氨酸激酶受體（tyrosinekinasereceptor，TKR）也稱為受體酪氨酸激酶（receptortyrosinekinase，RTK），其特征是胞內結構域具有酪氨酸激酶活性。激活這類受體的配體主要是：各種生長因子，包括表皮生長因子、血小板源生長因子、成纖維細胞生長因子、肝細胞生長因子胰島素在其細胞外部分與配體結合后，其胞內側的酪氨酸激酶即被激活，繼而磷酸化下游蛋白的酪氨酸殘基，若被磷酸化的是結構或功能蛋白則直接改變細胞功能，若被磷酸化的是信號蛋白則觸發(fā)其下游信號轉導過程。酪氨酸激酶結合型受體（tyrosinekinaseassociatedreceptor，TKAR）與TKR不同，其本身沒有酶的活性，而是在激活后才在胞內側與胞質中的酪氨酸激酶結合，并使之激活，進而磷酸化下游信號蛋白的酪氨酸殘基，產生生物效應。通常激活該類受體的配體是各種生長因子和肽類激素，如促紅細胞生成素、干擾素、白細胞介素、生長激素、催乳素和瘦素等。與G蛋白耦聯(lián)受體相比，TKR和TKAR介導的信號轉導通路相對簡捷，但產生效應緩慢，因為這類通路要通過胞內多種信號蛋白的級聯(lián)反應，甚至需要通過對基因表達的調控才能產生生物效應，這些慢效應主要涉及細胞的代謝、生長、增殖、分化和存活等過程。鳥苷酸環(huán)化酶受體鳥苷酸環(huán)化酶（guanylylcyclase，GC）受體是一種胞外N末端為配體結合域而胞內C末端為GC活性結構域的單跨膜α螺旋分子。激活該受體的配體主要是：心房鈉尿肽（atrialnatriureticpeptide，ANP）腦鈉尿肽（brainnatriureticpeptide，BNP）當受體被配體激活后，即可通過其GC活性催化胞質中GTP生成cGMP，后者作為第二信使可進一步激活cGMP依賴性蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG），而PKG則作為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，再將底物蛋白磷酸化而實現(xiàn)信號轉導。另外，作為氣體信使分子的一氧化氮（nitricoxide，NO），其作用的受體也是一種游離于胞質中的可溶性GC，其被激活后，則通過cGMP-PKG通路產生生物效應，如引起血管平滑肌的舒張反應等。絲氨酸/蘇氨酸激酶受體絲氨酸/蘇氨酸激酶受體的胞內結構域具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，如：轉化生長因子-β（transforminggrowthfactor-β，TGF-β）受體該受體被激活后再使Smad蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而激活，并轉位到細胞核中，調控特定蛋白質基因的表達。四、招募型受體介導的信號轉導招募型受體（recruitmentreceptor）也是單跨膜受體，受體分子的胞內域并沒有任何酶的活性，故不能進行生物信號的放大。但招募型受體的胞外域一旦與配體結合，其胞內域即可在胞質側招募激酶或轉接蛋白（adaptorprotein），激活下游不涉及經典第二信使的信號轉導通路，如：細胞因子受體介導的JAK-STAT信號通路此通路主要調控造血細胞及免疫細胞的功能。TKAR也可看作是一種招募型受體。招募型受體對信號轉導的特異性通常需要共受體或受體寡聚化來實現(xiàn)。招募型受體的主要配體是細胞因子等，受體涉及細胞因子受體、整聯(lián)蛋白受體、Toll及Toll-like受體、腫瘤壞死因子受體、T細胞受體等眾多種類。核受體由于胞質受體與配體結合后，一般也要轉入核內發(fā)揮作用，通常把細胞內的受體統(tǒng)稱為核受體（nuclearreceptor）。能與核受體結合的配體主要是直接進入胞內的胞外信使分子，通常為小分子脂溶性物質，如類固醇激素等。核受體實質上是激素調控特定蛋白質轉錄的一大類轉錄調節(jié)因子：I型核受體，即類固醇激素受體：在胞質中的糖皮質激素受體、鹽皮質激素受體在胞質、胞核中均有的性激素受體在胞核中的維生素D受體等Ⅱ型核受體，有存在于胞核中的甲狀腺激素受體Ⅲ型核受體，有維甲酸受體核受體常為單鏈多肽，含有激素結合域、DNA結合域、轉錄激活結合域和鉸鏈區(qū)等功能區(qū)段：AF-1：配體非依賴性的轉錄激活域（轉錄激活結合域