生物化學(xué)：細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第十九章

CellSignalTransduction

細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)衰老機體結(jié)構(gòu)細胞增殖細胞分化細胞凋亡細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)染色體生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能物質(zhì)代謝能量代謝章講課要點了解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本概念掌握構(gòu)成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本要素及其特點掌握信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機理了解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的最新進展及發(fā)展趨勢第一節(jié)引言圖1近30年來公開發(fā)表的與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的論文變化趨勢2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&Pkeyregulatorsofthecellcycle2002S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosisTable1NobelprizesawardedforresearchinsignaltransductionPart1.訪問《科學(xué)》周刊

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和“衰老科學(xué)”(ScienceofAgingKnowledgeEnvironment，簡稱SAGEKE)Part4.訪問STKE

及SAGEKE訪問SKTE和SAGEKE在此選擇訪問SKTE和SAGEKEScienceOnline讀者幫助ScienceOnline為讀者提供了在線幫助，如果您在訪問過程中遇到什么問題，可隨時點擊此處訪問幫助頁面信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點之一NIH在2004年確定的今后十年研究重點領(lǐng)域是

Discoveryofnewcellularsignalingpathway一、信號與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)egg

caterpillarchrysalis

butterfly

生物體的新陳代謝和生長發(fā)育主要受遺傳信息及環(huán)境變化信息的調(diào)節(jié)控制

如何控制基因的表達及增殖、分化、發(fā)育等是分子生物學(xué)最大挑戰(zhàn)。環(huán)境刺激在此過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用—“細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”研究的主要內(nèi)容。它研究的中心問題史細胞感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境刺激及調(diào)節(jié)生理反應(yīng)和基因表達的分子途徑。一、信號與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信號（signal）:是指在生物體生長發(fā)育過程中所受到的各種刺激，又稱為初級信使（primarymessenger）信號的分類來源胞外信號胞內(nèi)信號分子性質(zhì)

化學(xué)信號物理信號1、信號及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本概念一、信號與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：當(dāng)受體細胞通過存在于細胞表面或細胞內(nèi)的某些分子(受體)感受胞外信號或胞內(nèi)信號后，胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信號并通過一系列胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的組分，最終引起相應(yīng)基因表達的改變和特定的生理生化響應(yīng)（responses）。2、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分為三個階段（時期）：感受（Perception）:

即靶細胞（targetcell）對來自于胞外的信號分子應(yīng)答（檢測）。通常是通過位于細胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)分子（稱為受體）所感知。當(dāng)信號分子與受體蛋白特異性相互作用（結(jié)合）后，引起后者發(fā)生某種變化（活性或構(gòu)象等），進而下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transductionstage）:信號的轉(zhuǎn)換：即將信號分子轉(zhuǎn)化為一種能產(chǎn)生特異性細胞應(yīng)答的形式。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通常需要一系列不同分子的參與，呈現(xiàn)級聯(lián)放大形式2、細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分為三個階段（時期）：應(yīng)答（Response）:被轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號引發(fā)(triggers)特異的生理生化過程的改變

因此，細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程可有助于一些關(guān)鍵性細胞活性在恰當(dāng)?shù)臅r間、適合的細胞以及與其它細胞協(xié)調(diào)地發(fā)生。一、信號與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)3、信號的歸宿：（1）細胞代謝信號—它們使細胞攝入并代謝營養(yǎng)物質(zhì)，提供細胞生命活動所需要的能量；（2）細胞分裂信號—它們使與DNA復(fù)制相關(guān)的基因表達，調(diào)節(jié)細胞周期，使細胞進入分裂和增殖階段；（3）細胞分化信號—它們使細胞內(nèi)的遺傳程序有選擇地表達，從而使細胞最終不可逆地分化成為有特定功能的成熟細胞；（4）細胞功能信號—如激素、蛋白、核苷酸等，使細胞能夠進行正常的代謝活動等；（5）細胞死亡信號—這是細胞一生中發(fā)出的最悲壯、最慘烈的信號。這類信號一旦發(fā)出，為了維護多細胞生物的整體利益和生物種系的最高利益，就在局部范圍內(nèi)和一定數(shù)量上發(fā)生細胞的利他性自殺死亡！

二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的特征

1、為什么信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑比代謝途徑等途徑要復(fù)雜得多？(1)人們可以通過示蹤技術(shù)檢測出代謝底物化學(xué)轉(zhuǎn)化的連續(xù)步驟，但是不能夠直接用這種方法來研究信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因為在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中輸入信號的化學(xué)結(jié)構(gòu)與信號的靶分子的結(jié)構(gòu)一般是沒有關(guān)系的。(2)與代謝反應(yīng)等不同，信號的化學(xué)結(jié)構(gòu)并不對其下游的過程產(chǎn)生影響。而代謝底物或者基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的構(gòu)象會影響各自相關(guān)途徑的進行；(3)與依賴模板的反應(yīng)，如基因轉(zhuǎn)錄和DNA復(fù)制不同，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中不存在對全過程的進行和結(jié)局起操縱作用的模板；(4)其他途徑常常是由線性排列的過程組成，一個反應(yīng)接著另一個反應(yīng)地、沿著既定的方向依次進行，直到終止。可以說，它們是直通式的，縱向交流的。而信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是非線性排列的。實際上，許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可以通過一系列的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用形成一個網(wǎng)絡(luò)（network），它們是全方位地交流的。二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的特征

2、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的特性：（1）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子存在的暫時性（2）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子活性變化的可逆性（3）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子激活機制的類同性（4）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的連貫性（5）作用的瞬時性與效果的永久性（6）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)化（7）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的專一性ReceptorSignal第二節(jié)

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本組成成分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的各種要素

（1）接受細胞外信號刺激并將它們轉(zhuǎn)換成細胞內(nèi)信號的成分；（2）有序地激活一個或者有限幾個“唱主調(diào)”的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，以詮釋細胞內(nèi)的信號；（3）使細胞能夠?qū)π盘柈a(chǎn)生特定響應(yīng)，并作出功能上或發(fā)育上決定（如基因轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制和能量代謝等）的有效方法；（4）將細胞一生所作出的所有決定加以聯(lián)網(wǎng)的方法，這樣，細胞才能對在任何特定時刻作用于它的且種類繁多的信號作出協(xié)同響應(yīng)。

1、受體(Receptor)受體的概念

受體是指存在于細胞內(nèi)或細胞表面，能與信號分子或稱配基（ligand）特異結(jié)合并能引起特定生理生化效應(yīng)的一類特殊的蛋白質(zhì)。受體的基本特征（1）能識別和結(jié)合信號分子，具有專一性；（2）能轉(zhuǎn)導(dǎo)信號為細胞反應(yīng)，產(chǎn)生特定的生理生化效應(yīng)；（3）具有組織特異性；（4）對配基具有高親和性；（5）與配基結(jié)合具有飽和性和可逆性。1、受體(Receptor)受體的分類

（1）膜受體：這類受體存在于細胞質(zhì)膜上，通常由與配體相互作用的細胞外結(jié)構(gòu)域、將受體固定在細胞膜上的跨膜結(jié)構(gòu)域和起傳遞信號作用的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域三部分構(gòu)成。這些受體通常是跨膜蛋白質(zhì)。然而，也有一些受體可以通過聚糖磷脂酰肌醇(GPI)鍵掛在細胞膜上。

1、受體(Receptor)受體的分類

（2）細胞內(nèi)受體：與上述幾種膜受體不同，一些信號分子（配基）（如多肽激素、生長因子等）的受體是細胞內(nèi)受體，它或者在細胞質(zhì)中，或者在細胞核中。脂溶性的信號分子可以通過擴散方式穿過細胞膜，直接進入細胞內(nèi)；信號分子也可以借助于某些載體蛋白進入細胞內(nèi)。在細胞內(nèi)，它們與相關(guān)受體結(jié)合，并直接作用于靶分子。1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類①類受體蛋白激酶（receptor-likeproteinkinases,RLKs）1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類②G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）1、受體(Receptor)植物細胞膜受體的種類③離子通道型受體2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)

第二信使（secondmessenger）：當(dāng)細胞感知胞外信號刺激后，在受體細胞內(nèi)常產(chǎn)生一些次級信號分子，從而將細胞外信息轉(zhuǎn)換為細胞內(nèi)信息

2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)信號的級聯(lián)放大2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（1）鈣與鈣調(diào)素

其主要實驗證據(jù)來自于三個方面：（1）許多胞外信號刺激導(dǎo)致細胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度（[Ca2+]cyt）瞬時的時空變化；（2）鈣離子通道的抑制劑（如La3+等）可抑制由信號刺激引起的[Ca2+]cyt的時空變化，也抑制了相應(yīng)的生理生化應(yīng)答；（3）[Ca2+]cyt的時空變化參與了生長素和ABA的作用。

鈣離子參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑CalmodulinInsomecasesCa2+activatesasignaltransductionproteindirectlybutmostlytheyfunctionbymeansofcalmodulinACa2+bindingproteinthat’spresentathighlevelsineukaryoticcells.MediatesmanycalciumregulatedprocessesRegulates:ProteinkinasesPhosphatases2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（2）肌醇磷脂信使系統(tǒng)2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（2）肌醇磷脂信使系統(tǒng)2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（3）環(huán)核苷酸信號系統(tǒng)（cAMP）當(dāng)信號分子與特異性受體蛋白結(jié)合后，活化了腺苷酰環(huán)化酶（膜蛋白）cAMP作為第二信使活化proteinkinaseA,aserine/threoninekinase.類似：cGMP2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（4）蛋白質(zhì)的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（4）蛋白質(zhì)的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)2、胞內(nèi)信使系統(tǒng)（4）蛋白質(zhì)的磷酸化/去磷酸化系統(tǒng)Proteinkinasesandphosphatasesarethemselvesregulatedbycomplexsignalcascades.Forexample:SomeproteinkinasesareactivatedbyCa++-calmodulin.ProteinKinaseAisactivatedbycyclic-AMP(cAMP).第三節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機理

（以植物為例）一、異三聚體G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)RolesofG-proteinmediatedsignalinginplantgrowthanddevelopmentandintheresponsestoenvironmentalstressProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling1、構(gòu)成G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的組分G-蛋白偶聯(lián)受體，GPCRG-蛋白效應(yīng)蛋白（effectors）G-蛋白偶聯(lián)受體，GPCRSevenTransmembraneProteins,7MMainlylocalizedinPM>1000GPCRsidentifiedinmammalianGeneralstructureofGPCRsanditsinteractionswithligands

GProteinHeterotrimericProtein:Gα,GβandGγGα:27,Gβ:6,Gγ:14

Gproteinno:27×6×14=2268GαhasGTPaseactivity,GβandGγFormsheterodimerGβγ

EffectorsGβγGαAdenylylcyclaseIonchannelsAdenylylcyclasePLCIonchannelsProposedmodelofG-proteinmediatedsignaling

RegulatorsofG-ProteinSignalingproteins(RGS)Discovery:Geneticstudiesofyeast,wormsandAspergillusRolesofRGSproteinsinG-proteinsignaling:(1)Gαactivatingprotein(GAP)(2)RGSproteinsinteractwithothereffectorsRoleofG-proteininCellularSignalingGSGiGqG12/13aNa+

channelsCa2+

channelscAMPK+

channelscAMPPLC,cGMPPLC-b1-3BiologicalFunction-Smell&Taste(~1000receptors)-light-Neurotransmitters-Chemotoxin-Exocytosis-Bloodpressure-Embryogenesis-cellgrowth&differentiation-HIVinfection-OncogenesisNa+/K+exchangeregulation2.G-protein-mediatedSignalinginArabidopsisG-proteinsinArabidopsis

PrototypicalsinglecopyGαandGβarepresent

TwogenesforGγsubunitarereported

GenessimilartoGPCRisreported

NovelheptahelicalMlofamily(~15members)Extra-largeGαgenepresent(N-terminalBacterialTon-BBox)SimilarGαandGβgenesfromotherplantsarereportedMonomericG-proteinsarepresent,noRastype

ArabidopsisisasimplersystemArabidopsis: 1Galpha,Gisubfamily,mostsimilartoGzmember 1Gbeta 2Ggammas 2possibletrimersAnimals: 27Galphas,4subfamilies,Gs,Gi,Gq,G12/13 6Gbetas 14Ggammas 2268possibletrimers3.RegulatorofG-ProteinSignalingProtein(RGS):AnewproteininArabidopsisCDS:135—1514Protein:459aa,noname7transmembranedomains

AY091142

Arabidopsisthalianaunknownprotein

(At3g26090)mRNA,completecds

gi|20268775|gb|AY091142.1|[20268775]RGSPROTEIN成功分離到異三聚體G蛋白

亞基和

亞基的突變體，為進一步深入開展植物異三聚體G蛋白功能和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制研究奠定了基礎(chǔ)。這一突破性進展亦使植物異三聚體G蛋白成為國際性的研究熱點。G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物生長發(fā)育中的作用Science(2001):Gproteinsmodulatecellproliferation證明擬南芥異三聚體G蛋白

亞基是細胞分裂的正調(diào)節(jié)子，而

亞基則是細胞分裂的負調(diào)節(jié)子。PlantPhysiol(2002):GproteinsmodulatemultiplesignalsPlantCell(2003):Gproteinsnegativelyregulateauxin-inducedcelldivisionPlantPhysiol

(2003):Gproteinsinlightsignaling

異三聚體G蛋白參與多種植物激素信號、糖信號、光信號和逆境信號的調(diào)節(jié)G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物生長發(fā)育中的作用PlantPhysiol

(2004):GproteinscanactindependentlyofGCR1PlantCell

(2005):Gproteinsmediatesozonestressresponse

從遺傳學(xué)的角度證明，在擬南芥中，和異三聚體G蛋白偶聯(lián)的受體（G-protein-coupledreceptor,GPCR）GCR1也可以通過另一條與異三聚體G蛋白非直接相關(guān)的途徑調(diào)節(jié)種子的萌發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)為植物中與異三聚體G蛋白偶聯(lián)的受體在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)中的作用提供了又一個嶄新的闡述。

G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物生長發(fā)育中的作用Science

(2003):

AseventransmembraneRGSproteinmodulatescellproliferation

MethodsEnzymol

(2004):RGS1mediatessugarsignaling在模式植物擬南芥中，發(fā)現(xiàn)一種非常獨特的RGS蛋白。這種天然雜合體先前從沒有在任何生物體上發(fā)現(xiàn)過，因而這一發(fā)現(xiàn)無論在異三聚體G蛋白所介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機制研究上，還是在進化上都有著極其重大的意義。研究進一步確證RGS蛋白可以和異三聚體G蛋白的

亞基存在直接的相互作用，并為其功能提供了直接的分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的證據(jù)。RGS蛋白很可能充當(dāng)葡萄糖的受體。這一突破性的發(fā)現(xiàn)被認為是異三聚體G蛋白研究史上的一個里程碑。G蛋白介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物生長發(fā)育中的作用二、藍光對氣孔運動的調(diào)節(jié)藍光促進氣孔開放？氣孔是是控制植物細胞與大氣進行水氣交換的重要機構(gòu)，也研究植物細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理的良好的系統(tǒng)之一。保衛(wèi)細胞響應(yīng)藍光引起氣孔張開。氣孔是由一對保衛(wèi)細胞構(gòu)成，其張開和關(guān)閉運動是由保衛(wèi)細胞內(nèi)膨壓變化驅(qū)動的膨脹與收縮所控制。當(dāng)保衛(wèi)細胞從周圍環(huán)境中被動吸收水分，引起保衛(wèi)細胞膨脹，膨脹的保衛(wèi)細胞通過纖維微絲的特異定向作用和保衛(wèi)細胞細胞壁的不均勻加厚而導(dǎo)致氣孔張開。保衛(wèi)細胞的被動吸水主要是由K+離子通過保衛(wèi)細胞膜上的電壓門K+離子通道調(diào)節(jié)和質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的負電勢驅(qū)動進入保衛(wèi)細胞內(nèi)引起水勢降低引起的。藍光引起的氣孔張開主要是藍光激活保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的H+離子泵（H+-ATPase），后者使膜內(nèi)側(cè)形成負電勢。1、藍光激活質(zhì)膜H+-ATPase的機理藍光照射后H+離子從保衛(wèi)細胞向外“泵”出藍光依賴的H+離子向外“泵”出是受保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的H+-ATPase所調(diào)節(jié)藍光對H+-ATPase酶的活化與其磷酸化有關(guān)藍光對H+-ATPase酶的活化作用是通過14-3-3蛋白與H+-ATPase磷酸化羧基末端結(jié)合實現(xiàn)的，H+-ATPase酶磷酸化本身不足于導(dǎo)致酶的活化。2、藍光受體藍光對H+-ATPase酶的活化作用是通過與存在于保衛(wèi)細胞內(nèi)的相應(yīng)光受體特異結(jié)合實現(xiàn)的。保衛(wèi)細胞內(nèi)存在植物向光性有關(guān)的藍光受體，稱為Phot1(Phototropin1)和Phot2(Phototropin2)。該藍光受體調(diào)節(jié)應(yīng)答藍光引起氣孔張開的實驗證據(jù)主要是：

（1）LOV結(jié)構(gòu)域的吸收光譜與氣孔張開的作用光譜一致；（2）對擬南芥Phot1和Phot2的單突變體，phot1和phot2及雙突變體phot1phot2植株的氣孔分析表明，在藍光處理下，與野生型一樣，兩單突變體氣孔照常開放，而雙突變體的氣孔則不開放，說明藍光受體Phot1和Phot2在藍光調(diào)節(jié)氣孔開放中的作用具有冗余（redundance)；（3）當(dāng)用真菌毒素fusicoccin直接活化H+-ATPase酶后，該雙突變體的氣孔正常開放。說明編碼兩受體基因表達同時受阻后，由于保衛(wèi)細胞不能感知藍光而導(dǎo)致藍光不能促進氣孔的開放；（4）用PHOTO1cDNA轉(zhuǎn)化擬南芥phot1phot2雙突變體，轉(zhuǎn)基因植株葉片氣孔恢復(fù)了對藍光的應(yīng)答；（5）蛋白質(zhì)定位實驗表明，藍光受體Phot1均勻地定位于保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上；（6）生物化學(xué)分析證明，蠶豆保衛(wèi)細胞原生質(zhì)體的藍光受體應(yīng)答藍光后可發(fā)生磷酸化，并且達到最大磷酸化水平所需時間比質(zhì)膜H+-ATPase酶應(yīng)答藍光發(fā)生磷酸化所需時間要短。當(dāng)應(yīng)用蛋白激酶抑制劑處理抑制Phototropins磷酸化時，同時也同樣程度地抑制了H+-ATPase酶的磷酸化。

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