腫瘤分子生物學(xué)3課件

覃文新癌基因及相關(guān)基因國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞信號傳導(dǎo)細(xì)胞信號傳導(dǎo)系統(tǒng)Cellsignalling

英國詩人JohnDonne:“Nomanisanisland”

Cell:NocellisanislandReferencesandrecommendedreadingsYoshikawaH,MatsubaraK,QianGS,JacksonP,GroopmanJD,ManningJE,HarrisCC,HermanJG.SOCS-1,anegativeregulatoroftheJAK/STATpathway,issilencedbymethylationinhumanhepatocellularcarcinomaandshowsgrowth-suppressionactivity.NatGenet.2001;28(1):29-35.

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2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosis大多數(shù)細(xì)胞信號傳導(dǎo)系統(tǒng)包括：通過質(zhì)膜上的特異受體識別來自細(xì)胞外部的各種刺激。將信號跨膜傳遞至胞質(zhì)表面。再將信號傳遞至位于質(zhì)膜內(nèi)表面或胞漿內(nèi)的特殊效應(yīng)器分子，從而觸發(fā)細(xì)胞的各種反應(yīng)?？赡馨ɑ虮磉_(dá)的改變，酶活性的轉(zhuǎn)換，細(xì)胞骨架的重組裝，膜通透性的改變，DNA合成的激活，甚至細(xì)胞的死亡等。外界刺激水平下降后，信號分子失活或解體，導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)停止。一、甾醇類激素作用于靶細(xì)胞是以融合擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜，然后再與細(xì)胞內(nèi)部的受體蛋白作用，轉(zhuǎn)變成一個(gè)有活性的轉(zhuǎn)錄因子。一氧化氮(NO)這種細(xì)胞信使也是以擴(kuò)散的方式通過細(xì)胞膜的。還有一種情況，信使分子與細(xì)胞表面受體結(jié)合直接激發(fā)細(xì)胞起反應(yīng)，而不是在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)刺激信號后再通過一系列的傳導(dǎo)過程觸發(fā)細(xì)胞起反應(yīng)，如神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿就是這種機(jī)制，當(dāng)它與骨骼肌細(xì)胞上的相應(yīng)受體結(jié)合后，即開啟受體自身的離子通道直接促發(fā)細(xì)胞反應(yīng)。在信號傳導(dǎo)過程中，通過加上或移去磷酸基團(tuán)從而改變下游一系列蛋白質(zhì)的活性是信號傳導(dǎo)過程中一個(gè)最顯著的特征。細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程的另外一個(gè)顯著特征是以GTP結(jié)合蛋白(GTP-bindingproteinsorGproteins)作為“開關(guān)”的某種細(xì)胞活動與另外一些同樣需要GTP結(jié)合蛋白參與調(diào)控的細(xì)胞活動過程相偶聯(lián)。ATPADPATPADPProteinkinase2Proteinphosphatase1Proteinphosphatase3ATPADPProteinphosphatase2PhosphateActiveproteinkinase3PhosphateRESPONSEInactiveproteinkinase1Activeproteinkinase1Inactiveproteinsubstrate(e.g.,transcriptionfactor)Activeproteinsubstrate(e.g.,capableofbindingtopromotersequenceInDNA)P1P1Inactiveproteinkinase3phosphateP1本節(jié)將重點(diǎn)討論下面兩種顯著不同的信號傳導(dǎo)過程一種是配體與細(xì)胞膜表面上的受體結(jié)合后，通過激活GTP結(jié)合蛋白而傳導(dǎo)細(xì)胞信號另一種則是配體與受體結(jié)合后直接激活與受體相關(guān)的酶活性而傳導(dǎo)細(xì)胞信號除此之外，還將扼要介紹另外幾種信號傳導(dǎo)途徑。第二信使cAMP的發(fā)現(xiàn)

50年代中期

CaseWesternReserveUniversityEarlSutherland,etal.UniversityofWashingtonEdwinKrebsandEdmondFischer,etal.二、HormonecAMPPKALevelofproteinphosphorylationincreasedLevelofproteinphosphorylationdecreasedActivePhosphatase-1InactivatedPhosphatase-1PActiveformofinhibitor-1Inactiveformofinhibitor-1P磷酸酶I(PhosphataseI)能夠移去多種磷酸化了的酶分子上的磷酸基因。如磷酸化了的磷酸化酶激酶、糖原合成酶和磷酸化酶等。

除了放大功能外，級聯(lián)式反應(yīng)的另外一個(gè)特點(diǎn)是該反應(yīng)鏈中的每一種酶，無論是激酶或是磷酸酶，都是潛在的控制細(xì)胞反應(yīng)的調(diào)節(jié)點(diǎn)?！?/p>

在不同的組織細(xì)胞中，由不同種類的激素(配體)刺激靶細(xì)胞產(chǎn)生的cAMP將產(chǎn)生不同的生理反應(yīng)。1.在肝臟中，腎上腺素刺激肝細(xì)胞產(chǎn)生cAMP并激活PKA后，將導(dǎo)致糖原分解；2.在腎臟中，加壓素刺激腎小管細(xì)胞產(chǎn)生cAMP并激活PKA后，將造成腎小管細(xì)胞膜對水的滲透性下降；3.在甲狀腺中，促甲狀腺激素刺激甲狀腺細(xì)胞產(chǎn)生cAMP并激活PKA后，將導(dǎo)致甲狀腺激素的分泌?！?/p>

即使是同一激素，在不同的組織細(xì)胞中，盡管結(jié)合的是同一受體，也能產(chǎn)生不同的生理反應(yīng)。如腎上腺素，在肝細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中，都是與類似的-腎上腺素能受體結(jié)合，同樣產(chǎn)生的也是cAMP，然而反應(yīng)卻是不同的：肝細(xì)胞中糖原分解，脂肪細(xì)胞中甘油三酯分解，平滑肌細(xì)胞則產(chǎn)生松馳。只有當(dāng)細(xì)胞外第一信使保持較高水平的情況下，cAMP才會連續(xù)不斷的產(chǎn)生；當(dāng)細(xì)胞外第一信使的濃度下降和這些第一信使分子從靶細(xì)胞膜上解離下來后，腺苷酸環(huán)化酶失活，cAMP的濃度迅速下降，胞漿中已經(jīng)存在的那些cAMP分子迅即被腺核苷磷酸二酯酶降解，使反應(yīng)終止。在真核細(xì)胞中，通過胞外刺激，受體與G蛋白之間發(fā)生功能聯(lián)系并從而激發(fā)第二信使的產(chǎn)生看來是一種普遍的機(jī)制。從酵母到高等動植物，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一百多種不同的G蛋白偶聯(lián)受體系統(tǒng)，這些受體系統(tǒng)分別接受各種不同的配體刺激，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、外激素(pheromones)、氣味分子(odorants)和光子(photons)等。到目前為止，各種G蛋白偶聯(lián)受體系統(tǒng)的激活都有著相似的時(shí)間秩序，可以用下面的描述來加以說明。1．通過受體激活G蛋白2．G蛋白與效應(yīng)器分子之間的信號傳輸3．跨膜產(chǎn)生的信號反饋4．反應(yīng)中止有證據(jù)表明：大量不同配體包括激素、神經(jīng)遞質(zhì)和感覺刺激等在內(nèi)，都能夠通過類似的機(jī)制跨膜傳送信息，觸發(fā)各種各樣的細(xì)胞反應(yīng)。在不同類型的細(xì)胞中，cAMP通過激活蛋白激酶后使不同的蛋白底物磷酸化而引發(fā)各種各樣的反應(yīng)。其特異性可能主要由位于信號傳導(dǎo)途徑“前端”(Frontend)的不同受體和G蛋白所決定。對于一個(gè)給定的配體，其受體會有幾種不同的異構(gòu)體(Isoform)，這些異構(gòu)體對相應(yīng)配體有著不同的親和力，同時(shí)對與其相關(guān)的特定G蛋白也有著不同的親和力。研究人員已經(jīng)分離到了9種不同的腎上腺素能受體的異構(gòu)體和15種不同的5－羥色胺受體的異構(gòu)體。這些受體的不同異構(gòu)體可能共存在同一細(xì)胞質(zhì)膜中，也可能存在于不同類型的靶細(xì)胞膜中。將信號從受體傳送至效應(yīng)器分子的異源三聚體G蛋白也存在多種形式，至少有20種不同的G亞基、5種不同的G亞基和7種不同的G亞基已經(jīng)被分離鑒定。cAMP是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的第二信使，由它觸發(fā)的反應(yīng)至今仍在發(fā)現(xiàn)當(dāng)中。除此之外，由G蛋白偶聯(lián)受體激活的其它信號傳導(dǎo)途徑還有許多，我們將在下面的章節(jié)中討論幾個(gè)例子。神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿結(jié)合到血管平滑肌細(xì)胞表面時(shí)，引起血管收縮，使血管變狹窄；當(dāng)外來抗原結(jié)合到肥大細(xì)胞表面時(shí)，會引起細(xì)胞分泌組胺，從而引起變態(tài)反應(yīng)的發(fā)生。這兩個(gè)反應(yīng)，一個(gè)導(dǎo)致收縮，另一個(gè)導(dǎo)致分泌，卻都是由同樣的細(xì)胞信使引起的。這種細(xì)胞信使是磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)的衍生物，PI是細(xì)胞膜組份中一種較小的分子，它不僅是脂質(zhì)雙分子層的結(jié)構(gòu)成份，而且也是一系列重要調(diào)節(jié)分子的前體。當(dāng)乙酰膽堿結(jié)合到平滑肌細(xì)胞表面或抗原與肥大細(xì)胞結(jié)合時(shí)，結(jié)合了配體的受體可激活異源三聚體G蛋白，該G蛋白接下來可激活效應(yīng)器分子磷脂酶C(PhospholipaseC,PLC)。磷脂酶C與腺苷酸環(huán)化酶相似，也位于細(xì)胞膜內(nèi)表面。磷脂酶C可水解PIP2成為肌醇1,4,5,－三磷酸(Inositol1,4,5-trisphosphate,IP3)和甘油二酯(diacylglycerol,DAG)，二者都在細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程中起著重要作用。經(jīng)鑒定，由G蛋白激活的磷脂酶C(PLC)是PLC，以區(qū)別于PLC異構(gòu)體，PLC是由受體型酪氨酸激酶所激活(見本節(jié)下文)。這兩種異構(gòu)體催化同一反應(yīng)，但有著不同的性質(zhì)。肌醇1,4,5-三磷酸(IP3)是一種小的水溶性分子，能夠迅速擴(kuò)散。在細(xì)胞膜中形成的IP3分子擴(kuò)散進(jìn)胞漿，與光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面IP3特異受體結(jié)合。光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是各種細(xì)胞鈣離子貯藏場所，其上面的IP3受體不僅僅是受體，而且也是四聚體的Ca2+通道。IP3與受體結(jié)合后通道打開，Ca2+擴(kuò)散至胞漿，與各種靶分子結(jié)合，觸發(fā)特異性反應(yīng)的發(fā)生。IP3的作用是瞬間的，因?yàn)樗芸炀捅幻附馐Щ睢１M管鈣離子在結(jié)構(gòu)上與環(huán)核苷酸、肌醇磷酸等完全不同，而且也不是一種酶促反應(yīng)合成的物質(zhì)分子，但卻和其它胞漿信使一樣也具有同樣重要的作用。在正常情況下，胞漿內(nèi)的鈣離子濃度是很低的，大約10-7M。與此相對應(yīng)，在胞外空間或某些細(xì)胞器如光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體內(nèi)，鈣離子濃度將比正常胞漿的鈣離子濃度高一萬倍。鈣離子在許多重要的細(xì)胞生命活動中起著重要作用，包括細(xì)胞分裂、分泌、內(nèi)吞、受精、突觸傳遞、新陳代謝和細(xì)胞運(yùn)動。計(jì)算機(jī)成像技術(shù)鈣離子與熒光染料結(jié)合能顯示單細(xì)胞中游離鈣離子濃度時(shí)間上的變化。

吞噬細(xì)胞，向環(huán)境中的吞噬目標(biāo)靠近、移動并最終將它吞噬的全過程中，鈣離子濃度在吞噬細(xì)胞的某些區(qū)域內(nèi)將會有顯著性的瞬間增加。鈣離子濃度在吞噬細(xì)胞中的增加是為了調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架的變化，以滿足吞噬活動的需要。不像環(huán)核苷酸，通過激活蛋白激酶所介導(dǎo)的作用變化不大，鈣離子卻能影響細(xì)胞中許多效應(yīng)器分子，其中包括多種鈣離子依賴的蛋白激酶。鈣離子濃度的升高能夠激活或抑制傳輸系統(tǒng)和各種各樣的酶活性，導(dǎo)致膜的離子通透性發(fā)生改變、膜融合、細(xì)胞骨架的重組和肌肉收縮。鈣離子通常不是以自由離子的形式與各種靶蛋白分子發(fā)生作用，而是與某些鈣離子結(jié)合蛋白(Calcium-bindingprotein)結(jié)合后激發(fā)細(xì)胞反應(yīng)。如鈣調(diào)素(Calmodulin)就是鈣離子結(jié)合蛋白之一，是60年代末期在腦組織中發(fā)現(xiàn)的一種小分子多肽，在體內(nèi)廣泛分布。一個(gè)鈣調(diào)素分子有四個(gè)鈣離子結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)它結(jié)合一個(gè)或一個(gè)以上的鈣離子后，該蛋白構(gòu)象發(fā)生改變，使得其與許多蛋白質(zhì)分子的親和力增加。在不同的細(xì)胞中，鈣離子結(jié)合的鈣調(diào)素復(fù)合物可能與蛋白激酶結(jié)合，也可能與環(huán)核苷磷酸二酯酶結(jié)合，或者與質(zhì)膜中鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)發(fā)生結(jié)合。鈣調(diào)素廣泛存在于植物、動物和真核微生物中，且有同樣的氨基酸順序。在前文中，我們從高血糖素和腎上腺素的作用機(jī)制著手開始了信號傳導(dǎo)的討論，這兩種激素作用的結(jié)果使葡萄糖濃度得以升高，供各組織所需。胰島素作用于肝細(xì)胞和肌細(xì)胞，起動一系列與高血糖素／腎上腺素作用相反的反應(yīng)，降低血流中的葡萄糖并合成糖原。三、胰島素受體不僅僅是一種結(jié)合配體的蛋白，它也是一種酶－一種蛋白酪氨酸激酶(Proteintyrosinekinase)，能特異性的在靶蛋白分子中的酪氨酸殘基上加上一個(gè)磷酸基團(tuán)。酪氨酸激酶參與的是細(xì)胞生長和分化的早期調(diào)控，而不是細(xì)胞中間代謝的調(diào)控。胰島素受體具有這種酪氨酸激酶活性，它也被稱之為受體型的酪氨酸激酶(Receptortyrosinekinase,RTK)。已經(jīng)有50多種不同的RTK得到分離鑒定。與具有7個(gè)跨膜單位的G蛋白偶聯(lián)受體不同，每個(gè)RTK單聚體僅橫跨細(xì)胞膜一次。胰島素受體是一個(gè)四聚體蛋白，由兩個(gè)多肽鏈和兩個(gè)多肽鏈組成。鏈位于細(xì)胞膜的外表面，含有胰島素結(jié)合位點(diǎn)，而鏈則橫跨過膜，將信號跨膜傳送至膜內(nèi)表面。沒有結(jié)合胰島素時(shí)，受體的酪氨酸激酶活性是失活的；結(jié)合胰島素后，受體的構(gòu)象發(fā)生變化，其酪氨酸激酶的活性被激活，可將磷酸基團(tuán)特異性地加到a)其它亞基的特異性酪氨酸殘基上，該反應(yīng)稱之為“自動磷酸化”(Autophosphorylation)；b)至少兩種底物蛋白分子的多個(gè)特定酪氨酸殘基上。這兩種特定的底物蛋白質(zhì)分子稱之為胰島素受體底物(Insulinreceptorsubstrates,IRSs)。磷酸化的IRSs的唯一功能就是結(jié)合并激活“下游”的許多效應(yīng)器分子。RTKs并不是將底物蛋白的每一個(gè)酪氨酸殘基都磷酸化，它們僅將某些特殊氨基酸序列內(nèi)的酪氨酸殘基磷酸化，這些序列稱之為“磷酸酪氨酸基序”(Phosphotyrosinemotifs)。參與受體型酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑的許多蛋白都含有SH2功能域(Src-homologydomain)。該功能域?qū)τ诹姿崂野彼峄蚓哂懈哂H和力，而對于酪氨酸殘基沒有磷酸化的相應(yīng)蛋白質(zhì)分子幾乎沒有親和力。當(dāng)IRS上的磷酸酪氨酸基序被胰島素受體磷酸化后，IRS就會象磁鐵一樣結(jié)合到具有SH2功能域這種合適結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)效應(yīng)分子上。胰島素受體一旦被激活，磷酸化的IRS蛋白對于大量不同的含有SH2功能域的蛋白質(zhì)效應(yīng)分子起著“錨定位點(diǎn)”(Dockingsites)的作用。每一個(gè)被激活的蛋白質(zhì)效應(yīng)分子都引發(fā)一條獨(dú)立的信號傳導(dǎo)途徑。結(jié)果是：胰島素與細(xì)胞表面結(jié)合后的這種信息能夠沿著幾個(gè)不同的獨(dú)立傳導(dǎo)途徑在細(xì)胞內(nèi)部傳遞開來。其中之一可能是刺激DNA合成和細(xì)胞分裂；另一種途徑可能是刺激葡萄糖轉(zhuǎn)導(dǎo)體向細(xì)胞膜運(yùn)動，以便向細(xì)胞內(nèi)輸入更多的葡萄糖分子；還有一種途徑可能是導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子的激活，開放一系列胰島素特異的基因；還有可能的一種途徑是導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成的激活。

一個(gè)研究得較為深入的具有SH2功能域的效應(yīng)分子是與IRS結(jié)合的3－羥基磷脂酰肌醇激酶(Phosphatidylinositol3-hydroxykinase,PI(3)K)。PI(3)K催化的反應(yīng)是：催化一個(gè)磷酸基團(tuán)加到磷脂酰肌醇(PI)糖環(huán)上的3'－碳原子位置，該酶催化所得到的產(chǎn)物包括PI－3，4－二磷酸和PI－3,4,5－三磷酸，它們是大量肌醇類細(xì)胞信使的前體，在許多細(xì)胞中，具有各種各樣的功能；更為重要的是磷酸化的PIs的水平與靶細(xì)胞生長狀態(tài)的改變密切相關(guān)，在胰島素誘導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑中已經(jīng)顯示出某些途徑能夠刺激細(xì)胞的生長和增殖,有關(guān)刺激生長的途徑下文將進(jìn)一步詳細(xì)討論。許多細(xì)胞外因子都能與特異靶細(xì)胞表面的RTKs相互作用，調(diào)節(jié)細(xì)胞的各種功能。包括細(xì)胞生長和增殖、細(xì)胞分化、巨噬細(xì)胞活動中外源顆粒的吞噬等。這些因子中研究得最為詳盡是激素如胰島素、生長激素和血液來源的生長因子，后者中包括表皮生長因子(Epidermalgrowthfactor,EGF)、血小板衍生生長因子(Platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)、纖維細(xì)胞生長因子(Fibroblastgrowthfactor,FGF)和細(xì)胞因子(Cytokins)。細(xì)胞因子是一類由免疫細(xì)胞分泌后誘導(dǎo)其它免疫細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)的一類因子，如干擾素(Interferons,INFs)和白細(xì)胞介素(Interleukins,ILs)。所有這些因子都是通過激活RTK后經(jīng)信號傳導(dǎo)途徑發(fā)揮其作用的。不同于胰島素受體，大多數(shù)的RTKs在非活化的細(xì)胞中是以單體的形式存在的，只有當(dāng)配體與RTK單體結(jié)合后，這種與配體結(jié)合的單體才與另一個(gè)RTK單體相互作用形成二聚體。

這種RTK多肽的二聚體化激活了它們的酪氨酸激酶活性，導(dǎo)致其中的一個(gè)亞基將另外一個(gè)亞基位于胞漿區(qū)域內(nèi)的大量酪氨酸殘基磷酸化。盡管G蛋白和RTK信號傳導(dǎo)途徑通過不同的機(jī)制起作用，它們之間存在著大量類似的共同點(diǎn)。在G蛋白途徑中，G蛋白構(gòu)象的改變是將信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)部的分子開關(guān)，同樣在RTK途徑中，酪氨酸磷酸化也起著相似的作用。就象腺苷酸環(huán)化酶或磷脂酶C是G蛋白偶聯(lián)受體的效應(yīng)分子一樣，具有SH2功能域的蛋白質(zhì)也可以看作是RTKs的效應(yīng)分子。既然不同的細(xì)胞可能含有具有相似SH2功能域的不同效應(yīng)器分子，同一配體就能夠在不同的靶細(xì)胞中觸發(fā)不同的反應(yīng)。

Ras最初是作為一個(gè)病毒性癌基因而被發(fā)現(xiàn)。攜帶有該Ras基因的某些腫瘤病毒能使轉(zhuǎn)化細(xì)胞從正常狀態(tài)向惡性狀態(tài)轉(zhuǎn)變。隨后的研究顯示，象其它癌基因一樣，Ras也存在于包括人體在內(nèi)的動物的正?；蚪M中。八十年代早期，從幾種人類腫瘤抽提出來的DNA中發(fā)現(xiàn)了一種突變型的Ras，將其導(dǎo)入某些培養(yǎng)中的細(xì)胞，這種突變型的Ras基因可使細(xì)胞向惡性腫瘤方向發(fā)生轉(zhuǎn)化，提示該Ras基因的突變可使細(xì)胞失去正常生長的控制。后來研究發(fā)現(xiàn)，在所有人類腫瘤中，約有30－40%的腫瘤存在著Ras基因的突變。由于該基因在人類腫瘤發(fā)生中的重要性，許多科學(xué)家都把注意力集中到揭示Ras基因產(chǎn)物的作用機(jī)制上。直到最近幾年才逐步揭示出Ras基因產(chǎn)物的作用機(jī)制。Ras是一個(gè)小分子的單聚體G蛋白，位于質(zhì)膜的內(nèi)表面，它在多種細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)途徑中起著非常重要的作用。象其它G蛋白一樣，Ras循環(huán)也在GDP結(jié)合的非活性形式和GTP結(jié)合的活性形式之間進(jìn)行。Ras的活性形式，能夠激活信號傳導(dǎo)途徑中位于其下游的效應(yīng)分子。也和其它G蛋白一樣，Ras也具有內(nèi)在的GTPase活性，將結(jié)合在其上的GTP水解成為GDP，其作用就象一個(gè)開頭，關(guān)閉了Ras蛋白的活性。導(dǎo)致腫瘤形成的Ras基因的突變可使Ras蛋白失去GTase活性。其結(jié)果是：Ras突變產(chǎn)物在細(xì)胞中始終處于活性狀態(tài)，沿著信號傳導(dǎo)途徑持續(xù)將信號傳遞至下游，使細(xì)胞一直處于增殖狀態(tài)。另外，也發(fā)現(xiàn)一種Ras基因的突變產(chǎn)物不能結(jié)合GTP，導(dǎo)致細(xì)胞不能分裂。Ras被認(rèn)為參與了細(xì)胞內(nèi)多種不同的信號傳導(dǎo)途徑，是這些信號傳導(dǎo)途徑的聚焦點(diǎn)。在將信號從細(xì)胞膜外傳遞至細(xì)胞核的過程中，Ras蛋白起著非常重要的作用。整個(gè)過程開始于生長因子（如EGF或PDFG）等與各自受體的細(xì)胞外功能域結(jié)合。一種情況下，Ras代表一種特殊蛋白－指Ras基因的產(chǎn)物。另一種情況下，Ras代表一個(gè)小分子GTP結(jié)合蛋白的同源性超家族，該家族至少有50個(gè)以上由不同基因編碼的成員。這些基因中的一部份所編碼的蛋白(如最初的Rho亞家系)是信號從質(zhì)膜受體向細(xì)胞骨架傳遞過程中的重要成員，最終可使肌動纖維的排列發(fā)生改變，從而影響細(xì)胞的形態(tài)、運(yùn)動和粘附特性。如將Rho蛋白注射入培養(yǎng)中的纖維母細(xì)胞，可影響其細(xì)胞骨架的重排。生長因子與RTK結(jié)合后，RTK胞漿部分由自動磷酸化反應(yīng)生成的磷酸酪氨酸就成為了一個(gè)被稱之為Grb2(Growthfactorreceptorbindingprotein)的SH2底物蛋白分子結(jié)合點(diǎn)，然后Grb2在另一個(gè)叫做Sos(Sonofsevenless)的蛋白幫助下結(jié)合到細(xì)胞膜內(nèi)表面，從這里開始Ras蛋白就參與進(jìn)來了。在一個(gè)未激活的細(xì)胞內(nèi)，Ras與GDP保持結(jié)合狀態(tài)；當(dāng)配體與RTK結(jié)合后，吸引Grb2-Sos到細(xì)胞膜內(nèi)表面，Sos蛋白與Ras蛋白結(jié)合，使GDP從Ras蛋白上脫離，由GTP取代，造成Ras蛋白被激活。Ras－GTP是最基本也可能是唯一的功能就是吸引另外一個(gè)叫做Raf的蛋白與之一同結(jié)合到質(zhì)膜上。Raf蛋白一旦定位在質(zhì)膜上，就變成了一個(gè)有活性的蛋白激酶，激發(fā)一個(gè)稱之為MAP(Mitogen-activatedprotein)激酶的級聯(lián)式反應(yīng)。MAP激酶級聯(lián)式反應(yīng)與葡萄糖總動員中由cAMP觸發(fā)的級聯(lián)式反應(yīng)相似，但是它更復(fù)雜。級聯(lián)式反應(yīng)中的最后一個(gè)蛋白激酶MAPK(MAPkinase)進(jìn)入到細(xì)胞核，將特異的轉(zhuǎn)錄因子磷酸化。這些被激活的轉(zhuǎn)錄因子可與被稱之為血清反應(yīng)元件(Serumresponseelement,SRE)的特異DNA序列結(jié)合。之所以稱之為血清反應(yīng)元件是因?yàn)樗鼈兛捎蓙碜匝逯猩L因子所傳導(dǎo)的信號所激活。這幾個(gè)基因所編碼的蛋白被認(rèn)為在細(xì)胞周期的激活中起著重要作用，最終可起動DNA合成，導(dǎo)致細(xì)胞分裂。細(xì)胞核并不是MAP激酶級聯(lián)式反應(yīng)的唯一靶向地，最近的研究表明另一個(gè)靶向物是胞漿蛋白PHAS-1。PHAS-1的非磷酸化狀態(tài)，可與關(guān)鍵性起動因子之一的eIF4E結(jié)合。在真核細(xì)胞中，eIF4E可使核糖體錨定到mRNA分子上，開始蛋白質(zhì)合成。當(dāng)PHAS-1與該起動因子結(jié)合后，該因子就不能在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮它的作用。在激活狀態(tài)下，MAP激酶使PHAS-1磷酸化，其構(gòu)象會發(fā)生改變，使其失去結(jié)合eIF4E的能力；換言之，也就是使得該起動因子在翻譯過程中能夠發(fā)揮它的作用。由此可以看出，在靶細(xì)胞中，MAP激酶級聯(lián)式反應(yīng)在轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)控上都起著重要作用。

上文描述的有關(guān)致有絲分裂因子信號傳導(dǎo)途徑是一個(gè)直接從細(xì)胞表面受體到細(xì)胞核中DNA的“直線”途徑，盡管對于一條特定的信號傳導(dǎo)途徑，這是僅有的通路，但它不是該傳導(dǎo)途徑激活RTK后從細(xì)胞表面開始傳遞信號可能選擇的唯一途徑。研究表明信號在細(xì)胞內(nèi)部的傳遞是相當(dāng)復(fù)雜的，如：許多不相關(guān)的生長因子，通過與各自的受體結(jié)合，最終都能激活同一個(gè)效應(yīng)器分子，如Ras或MAP激酶。同一個(gè)配體如EGF或胰島素能夠激活多種不同的效應(yīng)器分子，使細(xì)胞產(chǎn)生多種不同的反應(yīng)。信號能夠在不同的傳導(dǎo)途徑間交互傳遞(Crosstalk)。四、(一)趨同信號傳導(dǎo)(Convergentsignaling)最近一個(gè)最有趣的信號傳導(dǎo)途徑的趨同例子在胰島素反應(yīng)的研究中被發(fā)現(xiàn)。胰島素與其受體結(jié)合，觸發(fā)胰島素受體底物磷酸化，激活PI(3)K；同時(shí)胰島素也激發(fā)細(xì)胞的其它反應(yīng)，包括蛋白質(zhì)合成的激活和刺激生長。胰島素受體底物磷酸化產(chǎn)生一個(gè)Grb2“錨點(diǎn)”(Dockingsite)，具有同樣SH2功能域的蛋白質(zhì)也可以與磷酸化的EGF或PDGF受體結(jié)合。由此可以看出，三種不同配體(胰島素、表皮生長因子和血小板衍生生長因子)與其受體結(jié)合后起動的信號傳導(dǎo)途徑可共同沿著激活Ras和MAP激酶級聯(lián)式反應(yīng)的途徑傳導(dǎo)下去，在靶細(xì)胞中，導(dǎo)致相似的有關(guān)促進(jìn)生長的基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。(二)趨異信號傳導(dǎo)(divergentsignaling)在上文中曾講過EGF或PDGF與其受體結(jié)合后可導(dǎo)致受體自身磷酸化，吸引具有SH2功能域的Grb2蛋白與質(zhì)膜上受體的胞漿部分結(jié)合。Grb2不是唯一的具有可與磷酸酪氨酸基序結(jié)合的SH2功能域蛋白；另外，至少還存在著二種其它的SH2蛋白，即PI(3)K和PLC，也能與這些受體結(jié)合，經(jīng)相互作用而被激活。這兩種酶與有關(guān)刺激間的相互關(guān)系前面已有所討論。PI(3)K是一種對磷脂酰肌醇(PI)磷酸化的酶，而PLC是一種將磷酸化的磷脂酰肌醇水解成IP3和DAG兩種第二信使的酶。這兩種酶位于各自信號傳導(dǎo)途徑的上游。EGF或PDGF與各自的受體結(jié)合后不僅可以沿著Ras-MAP激酶途徑傳遞信號，而且也能沿著由磷酸化肌醇觸發(fā)的途徑傳導(dǎo)信號。(三)信號傳導(dǎo)途徑間的交互作用審視一下前面描述過的那些信號傳導(dǎo)途徑，似乎每一條途徑都是直線型傳遞鏈。實(shí)事上，信息流在細(xì)胞內(nèi)的流動更象一個(gè)相互作用的網(wǎng)絡(luò)。這條信息傳遞鏈生成的產(chǎn)物也能參與到另一條信息傳遞鏈中。對細(xì)胞內(nèi)信息傳遞鏈了解得越多，就會發(fā)現(xiàn)信息傳導(dǎo)途徑間的交互作用(Crosstalk)現(xiàn)象就越多。這里不打算將細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)途徑中交互作用的所有方式都?xì)w類出來，只列舉cAMP參與作用的幾個(gè)例子來說明交互作用的重要性。人們對于細(xì)胞外配體與G蛋白偶聯(lián)受體或受體型酪氨酸激酶相互作用后所起動的兩種細(xì)胞信號傳導(dǎo)途徑已經(jīng)進(jìn)行了較為詳盡的研究。除此之外，還發(fā)現(xiàn)了大量的將細(xì)胞外信號傳至細(xì)胞內(nèi)部的其它通路，其中少數(shù)比較重要的傳導(dǎo)途徑將在下面略加討論。五、發(fā)現(xiàn)背景1985年，人們發(fā)現(xiàn)了一種缺乏巨噬細(xì)胞的突變小鼠，這種小鼠對異常細(xì)胞或細(xì)菌沒有吞噬能力，在氮代謝上也出現(xiàn)異常。正常小鼠隨著細(xì)菌感染和炎癥的發(fā)生會伴隨著尿中氮的排泄增加，但是這種現(xiàn)象在突變小鼠是不存在。后來發(fā)現(xiàn)正常巨噬細(xì)胞在培養(yǎng)過程中，其吞噬活動依賴于培養(yǎng)基中的精氨酸，缺乏這種氨基酸，巨噬細(xì)胞就不能吞噬外來物；很快就發(fā)現(xiàn)精氨酸是一氧化氮合成酶的底物，在精氨酸氧化代謝過程中產(chǎn)生一氧化氮。該一氧化氮起著細(xì)胞內(nèi)信使的作用，刺激細(xì)胞的吞噬活動。炎癥期間，由于巨噬細(xì)胞積極參與廣泛的吞噬活動，有大量的一氧化氮生成，一氧化氮的降解代謝產(chǎn)生大量的氮源，這就很好地解釋了為什么會有大量的氮出現(xiàn)在該動物的尿中。血管內(nèi)皮細(xì)胞生成的NO就是其對支配血管的自主性神經(jīng)所釋放的乙酰膽堿的反應(yīng)。乙酰膽堿與內(nèi)皮細(xì)胞表面結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)使胞漿內(nèi)Ca2＋濃度升高的信號，激活NO合成酶，在內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)生成的NO跨細(xì)胞膜擴(kuò)散至相鄰的平滑肌細(xì)胞，在這里NO激活鳥苷酸環(huán)化酶(Guanylylcyclase)，催化合成cGMP，cGMP觸發(fā)的反應(yīng)是導(dǎo)致肌肉松馳，緊接著血管膨脹。NO介導(dǎo)的血管膨脹機(jī)制的發(fā)現(xiàn)很好地解釋了硝酸甘油的作用機(jī)制。硝酸甘油用于治療心臟血供不足導(dǎo)致的心絞痛已有若干年，硝酸甘油在體內(nèi)降解產(chǎn)生NO，可刺激心臟周圍血管平滑肌松馳，促使血液回流心臟。大多數(shù)研究者認(rèn)為身體內(nèi)生成的NO是決定人血壓高低的重要因素。在腦和支配各種周圍器官的脊神經(jīng)的某些區(qū)域內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其中的神經(jīng)細(xì)胞含有高濃度的NO合成酶，在這些神經(jīng)細(xì)胞中生成的NO被認(rèn)為起著神經(jīng)遞質(zhì)的作用，可在靶細(xì)胞內(nèi)引發(fā)特異性反應(yīng)，包括腸平滑肌的蠕動、收縮、陰莖勃起時(shí)的充血反應(yīng)等。對NO合成酶的研究成果啟發(fā)了研究人員著手開展對血紅素氧合酶的研究。血紅素氧合酶催化血紅蛋白中血紅素的降解，血紅蛋白是由衰老死亡的血細(xì)胞產(chǎn)生的。人們發(fā)現(xiàn)血紅素氧合酶在某些神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)也有很高的水平，它們并不是起著對血紅素進(jìn)行降解的作用。神經(jīng)系統(tǒng)中血紅素氧合酶催化生成的產(chǎn)物之一是一氧化碳(CO)，與NO一樣，CO也是空氣中有毒的污染物。有越來越多的證據(jù)表明CO起著化學(xué)信使的作用，在靶細(xì)胞中刺激產(chǎn)生cGMP。CO在神經(jīng)功能中起作用的證據(jù)來源于對嗅覺神經(jīng)元的研究，嗅覺神經(jīng)元在氣味分子的刺激下，生成CO，cGMP水平也顯著升高。當(dāng)用抑制血紅素氧合酶藥物處理動物時(shí)，嗅覺神經(jīng)元中cGMP的升高將被阻斷。非溶性物質(zhì)非細(xì)胞物質(zhì)如基底膜(Basementmembrane)其它細(xì)胞的表面。整合素(Integrin)是細(xì)胞和外界物質(zhì)、細(xì)胞和細(xì)胞之間接觸點(diǎn)上的二聚體膜蛋白受體。在一個(gè)生長的個(gè)體中，有證據(jù)顯示整合素的細(xì)胞外功能域與細(xì)胞外配體如細(xì)胞外基質(zhì)中的纖維結(jié)合素(Fibronectin)之間存在著相互作用，在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)致Ca2＋釋放進(jìn)胞質(zhì)的信號，增加肌醇類第二信使的合成和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸化的水平，最終導(dǎo)致基因表達(dá)發(fā)生改變。局部粘附性激酶(Focaladhesionkinase,FAK)是在這些變化中起作用的效應(yīng)器分子之一，它是一種酪氨酸蛋白激酶。之所以叫這個(gè)名字，是因?yàn)樗诰植空掣絽^(qū)域內(nèi)濃度集中，特別是在細(xì)胞接觸位點(diǎn)的質(zhì)膜內(nèi)表面。在由整合素介導(dǎo)的細(xì)胞骨架重組反應(yīng)中，F(xiàn)AK起著效應(yīng)分子的作用，細(xì)胞骨架的重組影響到細(xì)胞的生長和行為表現(xiàn)。如大鼠成纖維細(xì)胞與培養(yǎng)皿接觸時(shí)其細(xì)胞膜表面下就呈現(xiàn)出局部粘附反應(yīng)。FAK也已經(jīng)被認(rèn)為是觸發(fā)血小板聚集反應(yīng)的效應(yīng)分子。血小板是血中存在的一種無核細(xì)胞，負(fù)責(zé)血管受傷部分的止血。血小板通過其表面與某些血液中的蛋白如纖維蛋白原(Fibrinogen)接觸而刺激血小板的聚集。有證據(jù)表明纖維蛋白原與血小板質(zhì)膜上整合素的細(xì)胞外功能域結(jié)合，通過跨膜信號傳遞激活胞漿內(nèi)的FAK分子，使得參與血小板聚集反應(yīng)的一系列胞漿蛋白磷酸化。這也解釋了Glanzmann's血小板機(jī)能不全患者其血小板上由于缺乏整合素而不能被纖維蛋白原激活，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。蛋白磷酸化是一個(gè)重復(fù)可逆的修飾過程，由蛋白激酶加上去的磷酸基因能夠由蛋白磷酸酶除去，所以，激酶和磷酸酶在它們的底物上具有相反的作用效果。當(dāng)磷酸化激活該底物時(shí)，去磷酸化則使它失活；反過來也一樣。與蛋白激酶一樣，某些磷酸酶也是多功能的，能夠從許多不同的蛋白質(zhì)上移去磷酸基團(tuán)。然而有一些磷酸酶卻是相當(dāng)特異的，僅能夠從一、兩種底物分子上移走磷酸基團(tuán)。與激酶一樣，大多數(shù)磷酸酶要么從絲氨酸／蘇氨酸殘基上移走磷酸基團(tuán)，要么從酪氨酸殘基上移走磷酸基團(tuán)，但不會同時(shí)具有從絲氨酸／蘇氨酸和酪氨酸殘基上移走磷酸基團(tuán)的功能。然而，少數(shù)已知的雙重特異性磷酸酶卻能夠從這三種氨基酸殘基上移走磷酸基團(tuán)。以上所有這些蛋白磷酸酶都是可溶性的胞漿酶。另外一類新發(fā)現(xiàn)的磷酸酶，它們橫跨質(zhì)膜，行使著細(xì)胞表面受體的作用，參與細(xì)胞信號傳導(dǎo)和細(xì)胞粘附，這些分子稱作為受體樣蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸酶(Receptorlikeproteintyrosinephosphatases,RPTPs)。RPTPs作為細(xì)胞粘附分子的作用，可以用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。RPTP是RPTPs分子中的一種，將其基因?qū)胪ǔＧ闆r下相互間沒有粘附特性的昆蟲細(xì)胞，由于該基因?qū)牒?，其表面產(chǎn)物出現(xiàn)在細(xì)胞膜上，通過細(xì)胞膜上的RPTPs分子與鄰近細(xì)胞發(fā)生特異的相互作用而聚集在一起，導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)化了的細(xì)胞聚集成簇。該實(shí)驗(yàn)提示RPTPs起著細(xì)胞粘附分子的作用。RPTPs的細(xì)胞外部份含有與其它細(xì)胞粘附分子(如Fibronectin)相似的功能域，在細(xì)胞粘附和跨膜信號傳導(dǎo)過程中，RPTPs分子起著直接的聯(lián)系作用。下列事件發(fā)生在所有胚胎發(fā)育過程中：

1.

中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外朝向靶器官發(fā)育的神經(jīng)元的生長超過了支配該器官的需要；2.

T淋巴細(xì)胞(負(fù)責(zé)殺傷異常和感染細(xì)胞的免疫細(xì)胞)的產(chǎn)生過程中出現(xiàn)了那些有能力攻擊自身正常細(xì)胞的T淋巴細(xì)胞；3.

人類手的早期形狀類似魚鰭，在以后將要成為手指的組織之間沒有任何空間。上面的任何一種情況，細(xì)胞已不再為生物體所需(如過多的神經(jīng)元細(xì)胞和手指縫之間的細(xì)胞)或細(xì)胞具有傷害自身個(gè)體的能力(如T淋巴細(xì)胞)時(shí)，這些細(xì)胞將經(jīng)歷稱之為細(xì)胞凋亡的過程而發(fā)生死亡。不象組織意外受傷時(shí)出現(xiàn)的細(xì)胞死亡(這種死亡稱之為壞死)，凋亡是一種有序的程序性細(xì)胞死亡。其過程大致為細(xì)胞接收到某種信號，從而起動一個(gè)導(dǎo)致細(xì)胞死亡的正常反應(yīng)。凋亡過程中需要激活一系列特異的基因，這些基因通過影響細(xì)胞周圍的環(huán)境而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。細(xì)胞凋亡的特征是細(xì)胞和細(xì)胞核濃縮，在特定的DNA內(nèi)切酶作用下，染色質(zhì)被有序的切成小片段，并迅速地被巨噬細(xì)胞將正在凋亡的細(xì)胞吞噬。象上面例子中提到的那樣，凋亡通常發(fā)生在胚胎發(fā)育過程中，但也發(fā)生在成年組織中。對于摧毀身體中那些將要發(fā)展成惡性腫瘤的細(xì)胞，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡具有特別重要的意義。在沒有雄激素睪酮存在的情況下，前列腺內(nèi)皮細(xì)胞將發(fā)生凋亡，這就是為什么已經(jīng)廣泛擴(kuò)散到其它組織的前列腺癌能夠用干擾睪酮產(chǎn)生的藥物來治療的機(jī)理。

Bcl-2/adenovirusE1B19kDInteractingProteinLikeBNIPLBNIP-2:(BoydJM,etal.Cell,1994):Pro-apoptoticgeneBNIPL:68%positive(43%identity)withBNIP-2Aschematicdiagramshowingtheapproximatelocationsoftheexonsandthesplicingarrangementofthe5’endsofBNIPL_v1andBNIPL_v2.

TwoyeasthybridassayofBNIPLinteractingproteins

BNIPLcdc42GAP、Bcl2anditselfinteractionPull-downAssayInterferingeffectsofBNIPLtoGAPactivityofCdc42GAPtowardCdc42-----0.522----0.521----0.52-2---0.52-1---0.52--11-0.52--0.50.5-0.52--2--0.52--1--0.52----BNIPL_v2DBCH----BNIPL_v1DBCH----BNIPL_v221--BNIPL_v1--1-BSA-Cdc42GAP2222Cdc42-----0.522----0.521----0.52-2---0.52-1---0.52--11-0.52--0.50.5-0.52--2--0.52--1--0.52----BNIPL_v2DBCH----BNIPL_v1DBCH----BNIPL_v221--BNIPL_v1--1-BSA-Cdc42GAP2222Cdc42(mg)100806040200Cdc42GTPaseactivity(%)BasiccontrolGAPcontrolBSABNIPL_v1BNIPL_v2BNIPL_v1+BNIPL_v2BNIPL_v1DBCHBNIPL_v2DBCH1μg2μg1g2gBcl-2Cdc42GAPBNIPLBNIPLModeofBNIPproteininteractionBNIPLinduceshumanhepatoma7402cellapoptosisQinWX,etal.IdentificationofageneencodingBNIPL,alinkerproteininteractswithBcl-2andCdc42GAP(Submitted).NormalcoloncellIncreasedcellgrowthEarlystageadenomaIntrmediatestageadenomaLatestageadenomaCarcinomaMetastasisAPCgenelossDNAlosesmethylgroupsrasgenemutationDCCgenelossp53genelossOthergenelossesOneofavarietyofpossiblesequencesofgeneticchangesinacelllineagethatcanleadtothedevelopmentofColoncancer.癌基因最初被發(fā)現(xiàn)時(shí)，已經(jīng)預(yù)見到其所編碼的正常蛋白參與了細(xì)胞生長的調(diào)控。后來該預(yù)見已經(jīng)反復(fù)被證實(shí)。如Ras信號傳導(dǎo)途徑中的許多蛋白組份即是由最初所發(fā)現(xiàn)的這些癌基因所編碼的，其中包括Ras、Raf和信號傳導(dǎo)途徑末端被激活的一些轉(zhuǎn)錄因子c-fos等。還有一些位于信號傳導(dǎo)途徑起始端編碼RTKs的基因，如EGF受體和PDGF受體基因等。所有這些癌基因中，Ras似乎在人類腫瘤形成的過程中起著非常重要的作用。從那些存在于信號傳導(dǎo)途徑中的基因發(fā)生突變后可使腫瘤發(fā)生的許多蛋白組份可以看出，在控制細(xì)胞生長和增殖的活動中信號傳導(dǎo)途徑的重要性。人們期望近年來對Ras在正常細(xì)胞活動中作用的研究，能更好地理解Ras基因變化了的癌細(xì)胞是如何