第15章-細胞信號轉導

第15章細胞信息轉導CellularSignalTransduction細胞通訊（cellcommunication）是體內一部分細胞發(fā)出信號，另一部分細胞（targetcell）接收信號并將其轉變?yōu)榧毎δ茏兓倪^程。細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內生物化學變化及效應的全過程稱為信號轉導（signaltransduction）。

年度

重要發(fā)現(xiàn)

諾貝爾獎獲得者1923年胰島素FrederickGrantBantingJohnJamesRichardMacleod1936年神經沖動的化學傳遞HenryHallettDaleOttoLoewi1950年腎上腺皮質激素EdwardCalvinKendallPhilipShowalterHenchTadeusReichstein1970年神經末梢的神經遞質的合成、釋放及滅活SirBernardKatzUlfvonEulerJuliusAxelrod1971年激素作用的第二信使機制EarlWilberSutherland1982年前列腺素及相關的生物活性物質SuneK.Bergstr?mBengtI.SamuelssonJohnR.Vane1986年生長因子StanleyCohenRitaLevi-Montalcini年度重要發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎獲得者1992年蛋白質可逆磷酸化調節(jié)機制EdmondH.FischerEdwinG.Krebs1994年G蛋白及其在信號轉導中的作用AlfredGilman，MartinRodbell1998年一氧化氮是心血管系統(tǒng)的信號分子RobertF.Furchgott，LouisJ.Ignarro，F(xiàn)eridMurad2000年神經系統(tǒng)有關信號轉導ArvidCarlsson，PaulGreengard，EricR.Kandel2001年細胞周期的關鍵調節(jié)分子LelandH.HartwellR.TimothyHuntPaulM.Nurse2003細胞膜離子通道作用機制PeterAgreRoderickMacKinnon2004嗅受體及其作用機制RichardAxel，LindaB.Buck2004泛素介導的蛋白質降解AaronCiechanover，AvramHershko，IrwinRose第一節(jié)細胞信號轉導概述TheGeneralInformationofSignalTransduction細胞應答反應細胞外信號受體細胞內多種分子的濃度、活性、位置變化細胞信號轉導的基本路線一、細胞外化學信號有可溶性和膜結合型兩種形式生物體可感受任何物理、化學和生物學刺激信號，但最終通過換能途徑將各類信號轉換為細胞可直接感受的化學信號（chemicalsignaling）?；瘜W信號可以是可溶性的，也可以是膜結合形式的。ComponentsofSignallingWhatcanbetheSignal?ExternalmessagetothecellPeptides/Proteins-GrowthFactorsAminoacidderivatives-epinephrine,histamineOthersmallbiomolecules-ATPSteroids,prostaglandinsGases-NitricOxide(NO)PhotonsDamagedDNAOdorants,tastantsSignal=LIGANDLigand-Amoleculethatbindstoaspecificsiteonanothermolecule,usuallyaprotein,iereceptor（一）化學信號通訊存在從簡單到復雜的進化過程化學信號通訊是生物適應環(huán)境不斷變異、進化的結果。單細胞生物與外環(huán)境直接交換信息。多細胞生物中的單個細胞不僅需要適應環(huán)境變化，而且還需要細胞與細胞之間在功能上的協(xié)調統(tǒng)一。多細胞生物細胞間的聯(lián)系細胞與細胞的直接聯(lián)系：物質直接交換，或者是通過細胞表面分子相互作用實現(xiàn)信息交流。激素調節(jié)：適應遠距離細胞之間的功能協(xié)調的信號系統(tǒng)。（二）可溶性分子信號作用距離不等多細胞生物與鄰近細胞或相對較遠距離的細胞之間的信息交流主要是由細胞分泌的可溶性化學物質（蛋白質或小分子有機化合物）完成的。它們作用于周圍的或相距較遠的同類或他類細胞（靶細胞），調節(jié)其功能。這種通訊方式稱為化學通訊。根據(jù)體內化學信號分子作用距離，可以將其分為三類：①作用距離最遠的內分泌（endocrine）系統(tǒng)化學信號，稱為激素；②屬于旁分泌（paracrine）系統(tǒng)的細胞因子，主要作用于周圍細胞；有些作用于自身，稱為自分泌（autocrine）。③作用距離最短的是神經元突觸內的神經遞質（neurotransmitter）。神經分泌內分泌自分泌及旁分泌化學信號的名稱神經遞質激素細胞因子作用距離nmmm受體位置膜受體膜或胞內受體膜受體舉例乙酰膽堿谷氨酸胰島素生長激素表皮生長因子神經生長因子化學信號的分類無論是激素還是細胞因子，在高等動物體內的作用方式都具有網絡調節(jié)特點。一種細胞因子或激素的作用始終會受到其他細胞因子或激素的影響，或抑制，或促進。發(fā)出信號的細胞隨時又受到其他細胞信號的調節(jié)。網絡調節(jié)使得機體內的細胞因子或激素的作用都具有一定程度的冗余和代償性，單一缺陷不會導致對機體的嚴重損害。（三）細胞表面分子也是重要的細胞外信號細胞通過細胞膜表面的蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖與相鄰細胞的膜表面分子特異性地識別和相互作用，達到功能上的相互協(xié)調。這種細胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊，也是一種細胞間直接通訊。細胞與細胞直接相互作用也屬于細胞外信號。屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間粘附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等。二、細胞經由特異性受體接收細胞外信號受體（receptor）是細胞膜上或細胞內能識別外源化學信號并與之結合的成分，其化學本質是蛋白質，個別糖脂。受體的作用：一是識別外源信號分子，即配體（ligand）；二是轉換配體信號，使之成為細胞內分子可識別的信號，并傳遞至其他分子引起細胞應答。（一）化學信號通過受體在細胞內轉換和傳遞受體與信號分子結合的特性：配體-受體結合曲線高度專一性高度親和力可飽和性特定的作用模式可逆性（二）受體既可以位于細胞膜也可以位于細胞內受體按照其在細胞內的位置分為：細胞表面受體細胞內受體

接收的是不能進入細胞的水溶性化學信號分子和其它細胞表面的信號分子，如生長因子、細胞因子、水溶性激素分子、粘附分子等。受體在膜表面的分布可以是區(qū)域性的，也可以是散在的。接收的信號是可以直接通過脂雙層胞膜進入細胞的脂溶性化學信號分子，如類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸等。三、信號分子結構、含量和分布變化是信號轉導網絡工作的基礎膜受體介導的信號向細胞內，尤其是細胞核的轉導過程需要多種分子參與，形成復雜的信號轉導網絡系統(tǒng)。構成這一網絡系統(tǒng)的是一些蛋白質分子（信號轉導分子，signaltransducer）和小分子活性物質（第二信使，secondmessenger）。在細胞中，各種信號轉導分子相互識別、相互作用將信號進行轉換和傳遞，構成信號轉導通路（signaltransductionpathway）。不同的信號轉導通路之間發(fā)生交叉調控（crosstalking），形成復雜的信號轉導網絡（signaltransductionnetwork）系統(tǒng)。轉錄因子染色質相關蛋白RNA加工蛋白RNA轉運蛋白細胞周期蛋白細胞骨架NH2AAAAAm7GTranslation信號轉導網絡信號接收信號轉導

應答反應

細胞信號轉導的基本方式示意圖細胞在轉導信號過程中所采用的基本方式包括：①改變細胞內各種信號轉導分子的構象②改變信號轉導分子的細胞內定位③促進各種信號轉導分子復合物的形成或解聚④改變小分子信使的細胞內濃度或分布第二節(jié)細胞內信號轉導相關分子IntracellularSignalMolecules一、第二信使的濃度和分布變化是重要的信號轉導方式1957年，E.Sutherland在研究腎上腺素促進肝糖原分解的機制時發(fā)現(xiàn)，這些激素的作用依賴于細胞產生一種小分子化合物環(huán)腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），從而提出了cAMP是激素在細胞內的第二信使這一著名的激素信號跨膜傳遞學說。小分子細胞內信使的特點：①在完整細胞中，該分子的濃度或分布在細胞外信號的作用下發(fā)生迅速改變；②該分子類似物可模擬細胞外信號的作用；③阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反應。④作為別位效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子。細胞內的第二信使在信號轉導過程中的主要變化是濃度的變化，催化它們生成的酶和催化它們水解的酶都會受到膜受體信號轉導通路中的信號轉導分子的調節(jié)。(一）環(huán)核苷酸是重要的細胞內第二信使目前已知的細胞內環(huán)核苷酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。cAMP和cGMP的結構及其代謝1．核苷酸環(huán)化酶催化cAMP和cGMP生成

（adenylatecyclase，AC）（guanylatecyclase，GC）2．細胞中存在多種催化環(huán)核苷酸水解的磷酸二酯酶細胞內有水解cAMP和cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）；PDE對cAMP和cGMP的水解具有相對特異性；如，PDE2可水解cGMP和cAMP，cAMP特異性PDE有PDE3和PDE4。3．環(huán)核苷酸在細胞內調節(jié)蛋白激酶活性環(huán)核苷酸作為第二信使的作用機制：cAMP和cGMP在細胞可以作用于蛋白質分子，使后者發(fā)生構象變化，從而改變活性。蛋白激酶是一類重要的信號轉導分子，也是許多小分子第二信使直接作用的靶分子。蛋白激酶A是cAMP的靶分子cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶（cAMP-dependentproteinkinase，cAPK），即蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）。PKA活化后，可使多種蛋白質底物的絲氨酸或蘇氨酸殘基發(fā)生磷酸化，改變其活性狀態(tài)，底物分子包括一些糖、脂代謝相關的酶類、離子通道和某些轉錄因子。cAMP激活PKA影響糖代謝示意圖底物(酶或蛋白質)名稱受調節(jié)的通路糖原合酶糖原合成磷酸化酶b

激酶糖原分解丙酮酸脫氫酶丙酮酸→乙酰輔酶A激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羥化酶多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素合成組蛋白H1

、組蛋白H2BDNA聚集蛋白磷酸酶1抑制因子1蛋白去磷酸化轉錄因子CREB轉錄調控PKA底物舉例蛋白激酶G是cGMP的靶分子cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶（cGMP-dependentproteinkinase，cGPK），即蛋白激酶G（proteinkinaseG，PKG）。cGMP激活PKG示意圖4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子一些離子通道也可以直接受cAMP或cGMP的別構調節(jié)。視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道（二）脂類也可作為胞內第二信使具有第二信使特征的脂類衍生物:二脂酰甘油（diacylglycerol，DAG）花生四烯酸（arachidonicacid，AA）磷脂酸（phosphatidicacid，PA）溶血磷脂酸（lysophosphatidicacid，LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PI-4-phosphate，PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate，PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（Inositol-1,4,5-triphosphate，IP3）這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂類第二信使生成催化這些信使生成的酶有兩類：一類是磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（phospholipaseC，PLC）；另一類是各種特異性激酶，即磷脂酰肌醇激酶類（phosphatidylinositolkinases,PIKs），催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂類第二信使的生成磷脂酶C催化DAG和IP3的生成磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C（PI-PLC，簡稱PLC）可將PIP2分解成為甘油二酯（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）。PIP2甘油二酯（DAG）+肌醇三磷酸（IP3）PLCPI-PLC廣泛分布于哺乳動物組織細胞內，主要有PLC

、PLC

、PLC

、PLC

和PLC

等5種亞型。PLC

通過受體偶聯(lián)的G蛋白而活化；PLCγ則通過受體型酪氨酸激酶活化。磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各種磷酸化磷脂酰肌醇PIPIPPIP2

PI-3-PPI-3,4-P2PI-3,4,5-P3

磷脂酰肌醇-3激酶（PI-3K）

催化亞基（P110）調節(jié)亞基（P85）PI-3K細胞中其他種類的PLC和PIK同樣具有重要的信號轉導作用，催化許多重要的小分子信使生成。近年來，一些鞘磷脂衍生物的第二信使作用也受到關注。例如，由神經節(jié)苷酯衍生的神經酰胺（ceramide）對細胞凋亡信號轉導具有調節(jié)作用。2．脂類第二信使作用于相應的靶蛋白分子脂類第二信使作用于靶分子，引起靶分子的構象變化。第二信使種類、靶分子不同，構象改變后的效應也不同。IP3的靶分子是鈣離子通道IP3為水溶性，生成后從細胞質膜擴散至細胞質中，與內質網或肌質網膜上的IP3受體結合。IP3＋IP3受體鈣離子通道開放，細胞內鈣釋放細胞內鈣離子濃度迅速增加淋巴細胞和嗅覺細胞IP3＋IP3受體（細胞膜上）鈣離子通道開放，細胞外鈣內流細胞內鈣離子濃度迅速增加DAG和鈣離子的靶分子是蛋白激酶C蛋白激酶C（proteinkinaseC，PKC），屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛參與細胞的各項生理活動。PKC作用的底物包括質膜受體、膜蛋白、多種酶和轉錄因子等，參與多種生理功能的調節(jié)。目前發(fā)現(xiàn)的PKC同工酶有12種以上，不同的同工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細胞定位，對輔助激活劑的依賴性亦不同。催化結構域Ca2+DAG磷脂酰絲氨酸調節(jié)結構域催化結構域底物Ca2+DAG磷脂酰絲氨酸調節(jié)結構域假底物結合區(qū)DAG活化PKC的作用機制示意圖PIP3的靶分子是蛋白激酶B蛋白激酶B（proteinkinaseB，PKB）也是一類絲/蘇氨酸蛋白激酶，其激酶活性區(qū)序列與PKA（68％）和PKC（73％）高度同源。由于PKB分子又與T細胞淋巴瘤中的逆轉錄病毒癌基因v-akt編碼的蛋白Akt同源，又被稱為Akt。PKB的底物有糖原合酶激酶-3、核糖體蛋白S6激酶、某些轉錄因子、翻譯因子抑制劑4E-BPI以及細胞凋亡相關蛋白BAD等。——PKB被認為是重要的細胞存活信號分子。PKB在體內參與許多重要生理過程：參與胰島素促進糖類由血液轉入細胞、糖原合成及蛋白質合成過程。PKB還參與多種生長因子如PDGF、EGF、NGF等信號的轉導。在細胞外基質與細胞相互作用的信號轉導過程中，PKB亦是關鍵信號分子。（三）鈣離子可以激活信號轉導有關的酶類1．鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區(qū)域特征細胞外液游離鈣濃度高（1.12~1.23mmol/L）；細胞內液的鈣離子含量很低，且90%以上儲存于細胞內鈣庫（內質網和線粒體內）；胞液中游離Ca2+的含量極少（基礎濃度只有0.01~0.1mol/L）。導致胞液游離Ca2+濃度升高的反應有兩種：一是細胞質膜鈣通道開放，引起鈣內流；二是細胞內鈣庫膜上的鈣通道開放，引起鈣釋放。胞液Ca2+可以再經由細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵（Ca2+-ATP酶）返回細胞外或胞內鈣庫，以消耗能量的方式維持細胞質內的低鈣狀態(tài)。2．鈣離子的信號功能主要是通過鈣調蛋白實現(xiàn)鈣調蛋白（calmodulin，CaM）可看作是細胞內Ca2+的受體。乙酰膽堿、兒茶酚胺、加壓素、血管緊張素和胰高血糖素等胞液Ca2+濃度升高CaMCaMCa2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

CaM發(fā)生構象變化后，作用于Ca2+/CaM-依賴性激酶（CaM-K）。專一功能CaM-K多功能CaM-K肌球蛋白輕鏈激酶:調節(jié)肌肉收縮磷酸化酶激酶:調節(jié)糖原分解延長因子2激酶:調節(jié)蛋白合成Ca2+/CaM-依賴性激酶ICa2+/CaM-依賴性激酶II（四）NO的信使功能與cGMP相關NO合酶介導NO生成

NO合酶

胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋三種形式的NO合酶（nitricoxidesynthase，NOS）組成型NOS(cNOS)可誘導型NOS（iNOS）神經型NOS（nNOS）內皮型NOS（eNOS）NOSⅠNOSⅡ

NOSⅢ

NOSⅠ主要分布于外周神經、中樞神經系統(tǒng)和腎（致密斑和髓質內集合管），其中外周神經主要為非腎上腺能/非膽堿能神經和腎上腺能神經末梢。NOSⅡ分布最廣泛，包括肝細胞、心肌細胞、血管平滑肌細胞、免疫細胞、成纖維細胞等。NOSⅢ的分布于內皮細胞、心肌細胞和腦。鈣調蛋白是NOS的主要調節(jié)分子，3種NOS均含有鈣調節(jié)蛋白結合位點。凡是引起細胞內Ca2+升高的信號均有可能作用于NOS。NO在細胞內外可產生多種生理、病理效應NO在很多組織、系統(tǒng)發(fā)揮生理或病理作用。NO作用酶和蛋白質激活抑制激活或抑制ADP-核糖轉移酶，可溶性鳥苷酸環(huán)化酶,環(huán)氧化酶細胞色素，順烏頭酸酶，質子ATP酶，運鐵蛋白，核糖核苷酸還原酶，脂加氧酶氨基的亞硝基化，巰基的亞硝基化受NO激活和抑制的酶和蛋白質NO的生理調節(jié)作用主要通過激活鳥苷酸環(huán)化酶、ADP-核糖轉移酶和環(huán)氧化酶完成。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶分子中的血紅素鐵結合生成的cGMP引起鳥苷酸環(huán)化酶構象改變.酶活性增高cGMP作為第二信使，產生生理效應GTP除了NO以外，一氧化碳（carbonmonoxide，CO）、硫化氫（sulfuretedhydrogen，H2S）的第二信使作用近年來也得到證實。二、蛋白質作為細胞內信號轉導分子蛋白質分子作為信號轉導分子轉換和傳遞信號的原理是發(fā)生構象變化。①增強或抑制酶類信號轉導分子的催化活性；②許多分子在構象變化后暴露出潛在的亞細胞定位區(qū)域，轉位（translocation）至細胞膜或細胞核；③募集新的相互作用的蛋白質分子，原有的相互作用分子解離。

構象變化主要引起3種效應：引起信號轉導分子發(fā)生構象變化的因素有3種：①化學修飾改變蛋白質構象，如磷酸化與去磷酸化、乙?；?、甲基化等；②小分子信使作為別位效應劑引起靶分子構象變化，如cAMP激活PKA；③蛋白質相互作用可導致信號轉導分子構象變化。信號轉導分子濃度的改變將影響信號傳遞和細胞應答。信號轉導分子的細胞內定位改變也是信號轉導調節(jié)的重要方式。定位變化既可以是位于細胞質的分子轉位至細胞膜，也可以是向細胞核或其它細胞器的轉位，從而將信號傳遞至相應的應答部位。（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子蛋白激酶（proteinkinase）與蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）催化蛋白質的可逆性磷酸化修飾。蛋白質的磷酸化與去磷酸化是控制信號轉導分子活性的最主要方式。磷酸化修飾可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取決于酶的構象變化是否有利于酶的作用。蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶蛋白激酶是催化ATPγ-磷酸基轉移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一大類酶。激酶磷酸基團的受體蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶蛋白組/賴/精氨酸激酶蛋白半胱氨酸激酶蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶絲氨酸/蘇氨酸羥基酪氨酸的酚羥基咪唑環(huán)，胍基，ε-氨基巰基酰基蛋白激酶的分類MAPK級聯(lián)激活是多種信號通路的中心絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）屬于蛋白絲/蘇氨酸激酶類，是接收膜受體轉換與傳遞的信號并將其帶入細胞核內的一類重要分子，在多種受體信號傳遞途徑中均具有關鍵性作用。OverviewofMAPKSignalingPathwaysMAPK的磷酸化與活化示意圖MAPKKKMAPKKMAPK

ThrTyrThrTyrPPphosphataseoffonMAPKMAPK作用機制：被激活后轉移至細胞核內，使一些轉錄因子發(fā)生磷酸化，改變細胞內基因表達的狀態(tài)。另外，它也可以使一些其它的酶發(fā)生磷酸化使之活性發(fā)生改變。MAPK家族成員的底物大部分是轉錄因子、蛋白激酶等。MAPK調控的生物學效應：參與多種細胞功能的調控，尤其是在細胞增殖、分化及凋亡過程中，是多種信號轉導途徑的共同作用部位。哺乳動物細胞重要的MAPK亞家族：細胞外調節(jié)激酶（extracellularregulatedkinase，ERK）c-JunN-末端激酶/應激激活的蛋白激酶（c-JunN-terminalkinase/stress-activatedproteinkinase，JNK/SAPK）p-38-MAPKMAP種類轉錄因子蛋白激酶ERKElk-1、c-Fos、c-JunRsk2、P70S6KJNKc-Jun、SP-1、ATF-2P38c-Myc、CREB、SP-1、ATF-2PRAK、MSK部分MAPK底物舉例：ERK途徑包括Raf-MEK-MAPK級聯(lián)反應ERK亞家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。

ERK的級聯(lián)激活過程：Raf（MAPKKK）MEK（MAPKK）ERK（MAPK）ERK廣泛存在于各種組織細胞，參與細胞增殖與分化的調控。多種生長因子受體、營養(yǎng)相關因子受體等都需要ERK的活化來完成信號轉導過程。JNK/SAPK途徑參與應激(反應)JNK/SAPK的級聯(lián)激活過程：MEKK（MAPKKK）JNKK（MAPKK）JNK/SAPK（MAPK）JNK至少又由JNK1、JNK2和JNK3三個亞類組成。JNK家族是細胞對各種應激原誘導的信號轉導的關鍵分子，參與細胞對射線輻射、滲透壓、溫度變化等的應激反應。一些細胞因子，如TGF-β也可通過JNK發(fā)揮作用。P38-MAPK亞家族介導炎癥、凋亡等應激（反應）P38-MAPK的級聯(lián)激活過程：凋亡信號調節(jié)激酶（apoptosissignalregulatingkinase1，ASK1）（MAPKKK）MKK3/MKK6（MAPKK）P38-MAPKP38-MAPK家族也是轉導細胞應激反應的重要分子，主要參與紫外輻射、炎癥細胞因子、凋亡相關受體（Fas）等信號轉導。蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號蛋白質酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。受體型PTK：胞內部分含有PTK的催化結構域；非受體型PTK：主要作用是作為受體和效應分子之間的信號轉導分子；核內PTK：細胞核內存在的PTK。生長因子類受體屬于PTK部分受體型PTK結構示意圖Src家族/ZAP70家族/Tec家族/JAK家族屬于非受體型PTK非受體型PTK的結構Src家族SH3SH1SH2MyrPSH3SH1SH2SH3SH1SH2PHSH1likeSH1ZAP70家族Tec家族JAK家族基因家族名稱舉例細胞內定位主要功能Src家族Src、Fyn、Lck、Lyn等常與受體結合存在于質膜內側接受受體傳遞的信號發(fā)生磷酸化而激活，通過催化底物的酪氨酸磷酸化向下游傳遞信號ZAP70家族ZAP70、Syk與受體結合存在于質膜內側接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號Tec家族Btk、Itk、Tec等存在于細胞質位于ZAP70和Src家族下游接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號JAK家族JAK1、JAK2、JAK3等與一些白細胞介素受體結合存在于質膜內側介導白細胞介素受體活化信號核內PTKAbl、Wee細胞核參與轉錄過程和細胞周期的調節(jié)非受體型PTK的主要作用蛋白磷酸酶衰減蛋白激酶信號蛋白質磷酸（酯）酶(phosphatidase)催化磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的開關系統(tǒng)。無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調節(jié)還是負調節(jié)，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產生衰減信號。蛋白磷酸酶衰減蛋白激酶信號PTKPTK無活性活化P自我磷酸化PTPPTPSSP無活性活化SrcfamilyPTK無活性SrcfamilyPTKPTPPPTK活化活化信號抑制信號蛋白磷酸酶的特性：底物特異性（催化作用的特異性）細胞內的分布特異性——決定了信號轉導途徑的精確性根據(jù)蛋白磷酸酶所作用的氨基酸殘基而分類：蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶蛋白酪氨酸磷酸酶個別的蛋白磷酸酶具有雙重作用，即可同時作用于酪氨酸和絲/蘇氨酸殘基。（二）G蛋白的GTP/GDP結合狀態(tài)決定信號通路的開關鳥苷酸結合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein，Gprotein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白，是一類信號轉導分子，在各種細胞信號轉導途徑中轉導信號給不同的效應蛋白。G蛋白結合的核苷酸為GTP時為活化形式，作用于下游分子使相應信號途徑開放；當結合的GTP水解為GDP時則回到非活化狀態(tài)，使信號途徑關閉。G蛋白主要有兩大類：異源三聚體G蛋白：與7次跨膜受體結合，以α亞基（Gα）和β、γ亞基(Gβγ)三聚體的形式存在于細胞質膜內側。低分子量G蛋白（21kD）介導七跨膜受體信號轉導的異源三聚體G蛋白α亞基（Gα）β、γ亞基(Gβγ)具有多個功能位點α亞基具有GTP酶活性與受體結合并受其活化調節(jié)的部位βγ亞基結合部位GDP/GTP結合部位與下游效應分子相互作用部位主要作用是與α亞基形成復合體并定位于質膜內側；在哺乳細胞，βγ亞基也可直接調節(jié)某些效應蛋白。G蛋白通過G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupledreceptors，GPCRs）與各種下游效應分子，如離子通道、腺苷酸環(huán)化酶、PLC聯(lián)系，調節(jié)各種細胞功能。重要的信號轉導分子低分子質量G蛋白低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉導途徑中亦具有開關作用。Ras是第一個被發(fā)現(xiàn)的小G蛋白，因此這類蛋白質被稱為Ras家族，因為它們均由一個GTP酶結構域構成，故又稱Ras樣GTP酶。在細胞中還存在一些調節(jié)因子，專門控制小G蛋白活性：增強其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸交換因子（guaninenucleotideexchangefactor，GEF）和鳥苷酸釋放蛋白（guaninenucleotidereleaseprotein，GNRP）；降低其活性的因子：如鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子（guaninenucleotidedissociationinhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。GTPGDPRasRasSOSGAPonoffRas的活化及其調控因子（三）蛋白相互作用結構域介導信號通路中蛋白質的相互作用信號轉導分子在活細胞內接收和轉導信號的過程是由多種分子聚集形成的信號轉導復合物（signalingcomplex）完成的。信號轉導復合物作用：①保證了信號轉導的特異性和精確性，②增加了調控的層次，從而增加了維持機體穩(wěn)態(tài)平衡的機會。蛋白質相互作用結構域是形成復合物的基礎信號轉導通路形成要求信號轉導分子之間可特異性地相互識別和結合，即蛋白質-蛋白質相互作用，這是由信號轉導分子中存在的一些特殊結構域介導的。這些結構域被稱為蛋白相互作用結構域（proteininteractiondomain）。蛋白相互作用結構域有如下特點：①一個信號分子可以含有兩種以上的蛋白質相互作用結構域，因此可以同時與兩種以上的其他信號分子結合；②同一類蛋白質相互作用結構域可存在于多種不同的分子中。這些結合結構域的一級結構不同，因此對所結合的信號分子具有選擇性，這是信號分子相互作用特異性的基礎；③這些結構域本身均為非催化結構域。信號轉導分子中的蛋白相互作用結構域的分布和作用蛋白激酶BtkPHTHSH3SH2催化區(qū)銜接蛋白Grb2SH3SH2SH3轉錄因子statDNA結合區(qū)SH2TA細胞骨架蛋白tensin//SH2PTB蛋白相互作用結構域縮寫識別模體Srchomology2SH2含磷酸化酪氨酸模體Srchomology3SH3富含脯氨酸模體pleckstrinhomologyPH磷脂衍生物ProteintyrosinebindingPTB含磷酸化酪氨酸模體WWWW富含脯氨酸模體蛋白相互作用結構域及其識別模體SH2結構域與蛋白激酶Src的一個結構域同源Src同源序列2結構域（Srchomology2domain）簡稱為SH2結構域。功能：識別其他蛋白質分子中的磷酸化酪氨酸及其周圍氨基酸殘基組成的特殊模體，并與磷酸化酪氨酸的磷酸基團結合。不同的蛋白質分子含有結構相似但并不相同的SH2結構域，因此對于含有磷酸化酪氨酸的不同模體具有選擇性。SH3結構域可識別富含脯氨酸的特異模體Src同源序列3結構域的簡稱為SH3結構域。SH3結構域可識別另一個信號轉導分子中的富含脯氨酸的9~10個氨基酸殘基構成的模體，親合力與脯氨酸周圍的氨基酸殘基序列相關。PH結構域結合膜磷脂衍生物PH結構域在血小板蛋白pleckstrin中重復出現(xiàn)，故命名為pleckstrin同源序列（pleckstrinhomology）。信號轉導分子中的PH結構域主要與膜磷脂衍生物結合，使分子定位于細胞膜，有利酶活性的發(fā)揮。PH結構域是信號轉導過程中的蛋白質-蛋白質、蛋白質-脂類相互作用的結構基礎。（四）銜接蛋白和支架蛋白連接信號通路與網絡銜接蛋白（adaptorprotein）是信號轉導通路中不同信號轉導分子的接頭，連接上游信號轉導分子與下游信號轉導分子。發(fā)揮作用的結構基礎：蛋白相互作用結構域。功能：募集和組織信號轉導復合物，即引導信號轉導分子到達并形成相應的信號轉導復合物。大部分銜接蛋白的結構中只有2個或2個以上的蛋白相互作用結構域，除此以外幾乎不含有其他的序列。銜接蛋白連接信號轉導分子銜接蛋白Nck結構與相互作用分子示意圖SH2CNSH3SH3SH3HGFR,VEGFR,BCR-AblPDGFR,EphB1SLP-76,HPK1,p130casIRS-1,p62doc

CKIg2,WASP,IRS-1,DOCK180,NIKIRS-1,DOCK180,Sos,NIK,Pak1,Pak3,NAP4,WIP,dynamin,synaptojanin、Abl,c-CblAbl,c-Cbl,NAP1,Sam68支架蛋白保證特異和高效的信號轉導支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子質量較大的蛋白質，可同時結合很多位于同一信號轉導通路中的轉導分子。信號轉導分子組織在支架蛋白上的意義：①保證相關信號轉導分子容于一個隔離而穩(wěn)定的信號轉導通路內，避免與其他不需要的信號轉導通路發(fā)生交叉反應，以維持信號轉導通路的特異性；②支架蛋白可以增強或抑制結合的信號轉導分子的活性；③增加調控復雜性和多樣性。第三節(jié)各種受體介導的基本信號轉導通路

SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors

離子通道受體G-蛋白偶聯(lián)受體單次跨膜受體細胞內受體細胞膜受體受體特性離子通道受體

G-蛋白偶聯(lián)受體單次跨膜受體內源性配體神經遞質神經遞質、激素、趨化因子、外源刺激（味，光）生長因子細胞因子結構寡聚體形成的孔道單體具有或不具有催化活性的單體跨膜區(qū)段數(shù)目4個7個1個功能離子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶細胞應答去極化與超極化去極化與超極化調節(jié)蛋白質功能和表達水平調節(jié)蛋白質的功能和表達水平，調節(jié)細胞分化和增殖三種膜受體的特點一、細胞內受體多屬于轉錄因子位于細胞內的受體多為轉錄因子，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。該型受體結合的信息物質有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸、維生素D等，它們進入細胞后，有些可與其位于細胞核內的受體相結合形成激素-受體復合物，有些則先與其在細胞質內的受體相結合，然后以激素-受體復合物的形式穿過核孔進入核內。核受體結構及作用機制示意圖激素反應元件舉例激素舉例受體所識別的DNA特征序列腎上腺皮質激素5’AGAACAXXXTGTTCT3’3’TCTTGTXXXACAAGA5’雌激素5’AGGTCAXXXTGACCT3’3’TCCAGTXXXACTGGA5’甲狀腺素5’AGGTCATGACCT3’3’TCCAGTACTGGA5’二、離子通道型膜受體是化學信號與電信號轉換器離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，它們的開放或關閉直接受化學配體的控制，被稱為配體-門控受體通道（ligand-gatedreceptorchannel）。配體主要為神經遞質。乙酰膽堿受體的結構與其功能乙酰膽堿受體結構乙酰膽堿結合部位離子通道頂部觀側面觀乙酰膽堿受體功能模式圖離子通道受體信號轉導的最終作用是導致了細胞膜電位改變，即通過將化學信號轉變成為電信號而影響細胞功能的。離子通道型受體可以是陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體；也可以是陰離子通道，如甘氨酸和γ-氨基丁酸的受體。三、G蛋白偶聯(lián)受體通過G蛋白-第二信使-靶分子發(fā)揮作用G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）得名于這類受體的細胞內部分總是與異源三聚體G蛋白結合，受體信號轉導的第一步反應都是活化G蛋白。GPCR是七跨膜受體（serpentinereceptor）（一）G蛋白的活化啟動信號轉導信號轉導途徑的基本模式：配體+受體＋G蛋白效應分子第二信使靶分子生物學效應G蛋白循環(huán)（二）G蛋白偶聯(lián)受體通過G蛋白-第二信使-靶分子發(fā)揮作用活化的G蛋白的α亞基主要作用于生成或水解細胞內第二信使的酶，如AC、PLC等效應分子（effector），改變它們的活性，從而改變細胞內第二信使的濃度?？梢约せ預C的G蛋白的

亞基稱為

s（s代表stimulate）；反之，稱為

i（i代表inhibit）。G

種類效應分子細胞內信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道關閉哺乳動物細胞中的G

亞基種類及效應（三）胰高血糖素受體通過AC-cAMP-PKA通路轉導信號促腎上腺皮質激素促黑素(MSH)促腎上腺皮質激素釋放激素嗅覺分子多巴胺甲狀旁腺素腎上腺素前列腺素E1,E2胰高血糖素5-HT（1a）、5-HT（2）組織胺（H2受體）生長激素抑制素促黃體激素味覺分子利用AC-cAMP-PKA轉導信號的部分化學信號（四）血管緊張素II受體通過PLC-IP3/DAG-PKC通路介導信號轉導血管緊張素II（AngiotensinII）受體亦屬于G蛋白偶聯(lián)受體，但是偶聯(lián)的G蛋白的亞基

為

q，通過PLC-IP3/DAG-PKC通路發(fā)揮效應。乙酰膽堿[M1]光(果蠅)5-HT（1c）ATP促胃泌激素釋放肽促甲狀腺激素釋放激素(TRH)腎上腺能激動劑谷氨酸后葉加壓素-抗利尿激素血管緊張素II促性腺激素釋放激素(GRH)組織胺[H1受體]

利用PLC-IP3/DG-PKC轉導信號的部分化學信號此外，由于G蛋白亞型的不同，形成多種其他通路和效應，如PDE-cGMP-Na+通道信號轉導通路、PLC-IP3-Ca2+/CaM-PK信號轉導通路等。四、單跨膜受體依賴酶的催化作用傳遞信號酶偶聯(lián)受體指那些自身具有酶活性，或者自身沒有酶活性，但與酶分子結合存在的一類受體。這些受體大多為只有1個跨膜區(qū)段的糖蛋白，亦稱為單跨膜受體。酶偶聯(lián)受體種類繁多，但是以具有PTK活性和與PTK偶聯(lián)的受體居多。英文名中文名舉例receptorstyrosinekinase(RTKs)受體型蛋白酪氨酸激酶表皮生長因子受體、胰島素受體等tyrosinekinase-coupledreceptors(TKCRs)蛋白酪氨酸激酶偶聯(lián)受體干擾素受體、白細胞介素受體、T細胞抗原受體等receptorstyrosinephosphatase(RTPs)受體型蛋白酪氨酸磷酸酶CD45receptorsserine/threoninekinase(RSTK)受體型蛋白絲/蘇氨酸激酶轉化生長因子

受體、骨形成蛋白受體等receptorsguanylatecyclase(RGCs)受體型鳥苷酸環(huán)化酶心鈉素受體等具有各種催化活性的受體酶偶聯(lián)受體大部分是生長因子和細胞因子的受體，它們所介導的信號轉導通路主要是那些調節(jié)蛋白質的功能和表達水平、調節(jié)細胞增殖和分化。不同蛋白激酶組成的PTK偶聯(lián)受體信號途徑基本模式相同PTK偶聯(lián)受體主要通過蛋白質相互作用激活自身或細胞內其他的PTK或絲/蘇氨酸激酶來轉導信號。PTK偶聯(lián)受體介導的信號轉導途徑的基本模式：①結合配體后受體形成二聚體或寡聚體；②第一個蛋白激酶被激活。對于具有蛋白激酶活性的受體來說，此步驟是激活受體胞內結構域的蛋白激酶活性；對于沒有蛋白激酶活性的受體來說，此步驟是受體通過蛋白質-蛋白質相互作用激活與它緊密偶聯(lián)的蛋白激酶；③通過蛋白質-蛋白質相互作用或蛋白激酶的磷酸化修飾激活下游信號轉導分子，通常是繼續(xù)活化下游的一些蛋白激酶；④蛋白激酶通過磷酸化修飾激活代謝途徑中的關鍵酶、反式作用因子等，影響代謝途徑、基因表達、細胞運動、細胞增殖等。PTK偶聯(lián)受體介導的信號轉導途徑的基本模式：（一）Ras→MAPK途徑是EGFR的主要信號通路表皮生長因子受體（epidermalgrowthfactorreceptor,EGFR）是一個典型的受體型PTK。Ras→MAPK途徑是EGFR的主要信號通路之一。表皮生長因子受體作用機制：EGFR介導的信號轉導過程（二）JAK-STAT通路轉導白細胞介素受體信號T細胞抗原受體、B細胞抗原受體、肥大細胞表面的IgE受體。屬于酶偶聯(lián)受體，它們自身不具備蛋白酪氨酸激酶活性；非受體型的Src家族蛋白酪氨酸激酶和ZAP70家族蛋白酪氨酸激酶是這一類受體的直接信號轉導分子。下游分子包括PLCγ、MAPK家族的活化，并有多種銜接蛋白參與。大部分白細胞介素（interlukin,IL）受體屬于酶偶聯(lián)受體。通過JAK（JanusKinase）-STAT（signaltransducerandactivatoroftranscription）通路轉導信號。細胞內有數(shù)種JAK和數(shù)種STAT的亞型存在，分別轉導不同的白細胞介素的信號。白介素介導的信號轉導通路（三）NF-

B是重要的炎癥和應激反應信號分子NF-

B是一種幾乎存在于所有細胞的轉錄因子，廣泛參與機體防御反應、組織損傷和應激、細胞分化和凋亡以及腫瘤生長抑制等過程。腫瘤壞死因子受體（TNF-R）、白介素1受體等重要的促炎細胞因子受體家族所介導的主要信號轉導通路之一是NF-

B（nuclearfactor-B，NF-B）通路。NF-

B信號轉導通路轉化生長因子β（transformgrowthfactorβ,TGFβ）受體。屬于單次跨膜受體，自身具有蛋白絲氨酸激酶催化結構域。受體活化后通過信號分子Smad介導的途徑調節(jié)靶基因轉錄，影響細胞的分化。細胞內有數(shù)種Smad存在，參與TGFβ家族不同成員（如骨形成蛋白等）的信號轉導。（四）TGF

受體是蛋白絲氨酸激酶TGF

受體介導的信號轉導通路五、細胞信號轉導過程的特點和規(guī)律①對于外源信息的反應信號的發(fā)生和終止十分迅速；②信號轉導過程是多級酶反應，具有級聯(lián)放大效應；③細胞信號轉導系統(tǒng)具有一定的通用性；④不同信號轉導通路之間存在廣泛的信息交流。信號轉導途徑和網絡共同的規(guī)律和特點：影響細胞可以對外源信息做出特異性反應的因素包括：細胞間信息分子的濃度、相應受體的分布與含量、細胞內信號轉導分子的種類和含量等。不同組織可以以不同的方式使用同一信號轉導分子，但是相互作用的分子可以不同，蛋白激酶的底物也可能不一樣，從而導致輸出信號的差別。信號通路實例-Wnt信號轉導通路Wnt信號通路Wnt信號轉導途徑

?

由Wnt基因調控的信號轉導系統(tǒng)

?

進化保守

?

主要來自果蠅、爪蟾、線蟲和哺乳動物的研究

?

在胚胎發(fā)育、器官形成中起作用

?

參與腫瘤的形成Sharmadescribesawinglessmutationin1973√Sharma,1973Wingless-anewmutantinD.melanogaster.D.I.S.50:134√SharmaandChopra,1976,Effectofthewingless(wg1)mutationonwingandhalteredevelopmentinDrosophilamelanogaster.Dev.Biol.48:461-465Lateritwasclonedpositionally(一)Wnt信號通路組成及信號轉導途徑

Wnt：1982年發(fā)現(xiàn)，MMTV插入(insertion)

該基因時，誘發(fā)小鼠乳腺癌。

(int-1癌基因)

相當于果蠅的Wingless

(Wg)基因Wingless+int-1=WntFlywgandMouseInt-1arehomologsGenesarecloned.Sequenceissimilar

102030405060708090100HWnt-1MGLWALLPSWVSTTLLLALTALPAALAANS----SGR-----WWGIVNIASSTNLLTDSKSLQLVLEPSLQLLSR-KQRRLIRQNPGILHSVSGGLQSAVFlyWgMDISYIFVICLMALCSGGSSLSQVEGKQKSGRGRGSMWWGIAKVGEPNNITP-----IMYMDPAIHSTLRRKQRRLVRDNPGVLGALVKGANLAI110120130140150160170180190200HWnt-1RECKWQFRNRRWNCPT---APGPHLFGKIVNRGCRETAFIFAITSAGVTHSVARSCSEGSIESCTCDYRR--RGP----------GGPDWHWGGCSDNIDFlyWgSECQHQFRNRRWNCSTRNFSRGKNLFGKIVDRGCRETSFIYAITSAAVTHSIARACSEGTIESCTCDYSHQSRSPQ