《病理生理學(xué)》課件：細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病-張常娥

1、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病,廣州醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室,張常娥,2011，12,Cell Signal Transduction and Disease,主要內(nèi)容,1、概述 2、細(xì)胞信號及其轉(zhuǎn)導(dǎo)的定義 3、細(xì)胞信號的接收與轉(zhuǎn)導(dǎo) 4、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與疾病,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與生命過程問題的提出和理論的產(chǎn)生 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)理論概述 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中的重大理論問題及熱點(diǎn)領(lǐng)域 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究方法與工具 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)理論研究及應(yīng)用舉例：在疾病發(fā)生發(fā)展中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的意義,引言,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與生命過程 問題的提出和理論的產(chǎn)生,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)理論建立以前的細(xì)胞生物學(xué),細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)（胞膜、胞漿、胞核） 細(xì)胞的生理功能（生存、“活性

2、”：分裂增殖、胞間連接、吞飲、分泌、遷移、死亡) 細(xì)胞組分的生物化學(xué)（脂、糖、核酸、蛋白） 細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)（脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)、細(xì)胞器),第一節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)概述,一、細(xì)胞通訊（cell communication）：指一個(gè)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)胞通訊主要有三種方式： 細(xì)胞間隙連接 膜表面分子接觸通訊 化學(xué)通訊,細(xì)胞間隙連接,膜表面分子接觸通訊,化學(xué)通訊,化學(xué)通訊可分為4類：,二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction）： 指受體或能接受信號的其他成分（離子通道和細(xì)胞粘附分子）與信號作用，影響細(xì)胞內(nèi)信使的變化，進(jìn)而引起細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)的

3、一系列過程。 不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間存在交互通話(cross talk),細(xì)胞間的通訊與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用： 調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，使DNA復(fù)制相關(guān)的基因表達(dá)，細(xì)胞進(jìn)入分裂和增殖階段； 控制細(xì)胞分化，使基因有選擇性地表達(dá)，細(xì)胞不可逆地分化為有特定功能的成熟細(xì)胞； 調(diào)節(jié)代謝，通過對代謝相關(guān)酶活性的調(diào)節(jié)，控制細(xì)胞的物質(zhì)和能量代謝； 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能，如肌肉的收縮和舒張，腺體分泌物的釋放； 影響細(xì)胞的存活。,幾個(gè)基本概念：,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 指細(xì)胞通過胞膜或胞內(nèi)受體感受胞外信息的刺激，通過胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)影響其生物學(xué)功能的過程。 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng) 由受體或能接受信號的其他成分（如離子通道和細(xì)胞粘附分子）以及細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)

4、導(dǎo)通路組成。 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程 由受體接受信號，并啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的過程。,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的典型過程：,配體與細(xì)胞膜受體的識別與結(jié)合；,跨膜信號傳遞；,細(xì)胞內(nèi)蛋白級聯(lián)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；,細(xì)胞反應(yīng)；,信號終止。,一、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本過程和機(jī)制,1、細(xì)胞信號： 1）物理信號（光、溫度、電流、紫外線、射線、機(jī)械力等），但其機(jī)制上不清楚。 2）化學(xué)信號：又稱為配體。 可溶性的化學(xué)分子：激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、細(xì)胞代謝產(chǎn)物、藥物毒物 氣味分子 細(xì)胞外的基質(zhì)成分和與膜結(jié)合的分子（如細(xì)胞粘附分子等）,信號的接受和轉(zhuǎn)導(dǎo),特點(diǎn)： 1）多為糖蛋白，一般至少包括兩個(gè)功能區(qū)域，與配體結(jié)合的區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)的區(qū)域; 2

5、）當(dāng)受體與配體結(jié)合后，構(gòu)象改變而產(chǎn)生活性，啟動(dòng)一系列過程，最終表現(xiàn)為生物學(xué)效應(yīng); 3）受體與配體間的作用具有三個(gè)主要特征：特異性；飽和性；高親和力。,2、受體（receptor）,概念：一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）并產(chǎn)生特定生物學(xué)效應(yīng)的大分子物質(zhì)。,細(xì)胞受體分類,1、膜受體,離子通道型受體,G蛋白偶聯(lián)型受體,具有酶活性的受體,2、核受體：,甾體激素受體,G蛋白偶聯(lián)受體,G蛋白是一種GTP酶。GPCR具有7跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)特征。 調(diào)節(jié)AC活性的GPCR：第二信息cAMP 興奮性：-腎上腺素能受體、胰高血糖素受體及味覺分子受體 抑制性：-腎上腺素能受體 激活PLC- 的GPCR：第二信使

6、DAG和IP3 血管緊張素受體、緩激肽受體、血管加壓素受體 光子受體：第二信使cGMP G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)素,核受體,1）這類受體在細(xì)胞內(nèi)與配基結(jié)合后移入細(xì)胞核，配基受體復(fù)合物在核內(nèi)直接影響基因表達(dá)。 2）包括糖皮質(zhì)激素受體、維生素D受體、視黃酸受體、甲狀腺素受體等。,1）基因表達(dá) 2）DNA合成激活 3）蛋白質(zhì)合成改變 4）細(xì)胞骨架重排 5）離子通透性變化 6）細(xì)胞代謝酶變化,3、細(xì)胞反應(yīng),（一）通過可逆的磷酸化快速調(diào)節(jié)效應(yīng)蛋白的活性 代謝酶、離子通道、離子泵、受體、運(yùn)輸?shù)鞍住⑹湛s蛋白、核內(nèi)蛋白的活性和功能，導(dǎo)致快速的生物效應(yīng)，包括神經(jīng)的興奮和抑制、肌肉的收縮、腺體的分泌、離子的轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝等。 （二

7、）通過調(diào)控基因表達(dá)產(chǎn)生較為緩慢的生物效應(yīng) 一是胞外信號啟動(dòng)細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在信號通路中激活的蛋白激酶首先磷酸化細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致它們激活、核轉(zhuǎn)位、與DNA的結(jié)合力增強(qiáng)，后者調(diào)節(jié)立早基因(immediate early gene)，如c-fos，c-jun的表達(dá)。 二是某些信號如甾體激素可直接進(jìn)入細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)或核內(nèi)作為轉(zhuǎn)錄因子的核受體結(jié)合，后者激活后通過調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)產(chǎn)生生物效應(yīng)。,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對效應(yīng)器的調(diào)節(jié),4、細(xì)胞信號的功能：,1）細(xì)胞生長 2）細(xì)胞分裂 3）細(xì)胞分化 4）細(xì)胞凋亡 5）細(xì)胞應(yīng)激適應(yīng) 6）細(xì)胞功能協(xié)同,刺激,反應(yīng)B,反應(yīng)A,反應(yīng)C,刺激B,反應(yīng),刺激A,刺激C,5、細(xì)胞

8、信號網(wǎng)絡(luò),6、細(xì)胞信號的反饋調(diào)節(jié),+,-,刺激,反應(yīng),刺激,反應(yīng),A,B,C,C,B,A,7、控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白活性的方式： 1.通過配體調(diào)節(jié) 2.通過G蛋白調(diào)節(jié),3.通過可逆磷酸化調(diào)節(jié),MAPK家族酶的激活 機(jī)制都通過磷酸化的 三級酶促級聯(lián)反應(yīng),信號對靶蛋白的調(diào)節(jié),可逆性的磷酸化調(diào)節(jié),膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路舉例,1、GPCR介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,調(diào)節(jié)靶蛋白的基因表達(dá),1) G蛋白活性的調(diào)節(jié)：Gs和Gi,靶蛋白 磷酸化,磷酸化 CREB,靶基因 轉(zhuǎn)錄,CRE,腺苷酸環(huán)化酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,+,-,腎上腺素能受體 胰高血糖素受體,激活Gs增加AC活性,cAMP,蛋白激酶A（PKA）,L型Ca2+通道磷

9、酸化 促進(jìn)心肌鈣轉(zhuǎn)運(yùn) 心肌收縮性增強(qiáng),磷酸化酶激酶磷酸化 增加肝臟糖原分解,cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）磷酸化 激活靶基因轉(zhuǎn)錄,使許多Pr特定Ser/Thr殘基磷酸化從而調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝和基因表達(dá),通過Gs,激活腺苷酸環(huán)化酶(AC),引發(fā)cAMP-PKA途徑,核內(nèi),通過Gi，抑制AC活性，導(dǎo)致cAMP水平降低，導(dǎo)致 與Gs相反的效應(yīng),3) 通過Gq蛋白，激活PLC,靶基因 轉(zhuǎn)錄,靶蛋白磷酸化,Ca2內(nèi)流,細(xì)胞內(nèi)Ca2,4)G蛋白-其他磷脂酶途徑 磷脂酶A2：產(chǎn)生花生四烯酸、前列腺素、白三烯酸和TXA2 磷脂酶D：產(chǎn)生磷脂酸和膽堿 5)激活MAPK家族成員的信號通路 激活后轉(zhuǎn)入核內(nèi)，使轉(zhuǎn)錄因

10、子磷酸化，調(diào)節(jié)其活性，影響基因表達(dá) 6)PI-3K-PKB通路 調(diào)節(jié)胰島素介導(dǎo)的糖代謝、促進(jìn)細(xì)胞存活、抗凋亡、細(xì)胞變形運(yùn)動(dòng),7)離子通道途徑,2、酪氨酸蛋白激酶型受體PTK 3、與PTK連接的受體 4、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶型受體 5、腫瘤壞死因子型受體 6、離子通道型受體,（三）核受體介導(dǎo)的信號通路,二、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)節(jié),主要介紹受體調(diào)節(jié) 1.受體數(shù)量的調(diào)節(jié) 向下調(diào)節(jié)：受體數(shù)量減少 向上調(diào)節(jié)：受體數(shù)量增多 機(jī)制： 受體合成速度和/或分解速度變化 膜受體介導(dǎo)的內(nèi)吞與受體的再循環(huán) 受體的位移或活性部位的暴露 配體與受體之間還存在異源性調(diào)節(jié),2.受體親和力調(diào)節(jié), 脫敏：受體接觸激素/配體一定

11、時(shí)間后其功能減退， 對特定配體的反應(yīng)性減弱。 高敏：受體接觸激素/配體一定時(shí)間后其功能增強(qiáng)， 對特定配體的反應(yīng)性增強(qiáng)。,當(dāng)體內(nèi)某種激素/配體劇烈變化時(shí)，受體的改變可緩 沖激素/配體的變動(dòng)，以減少有可能導(dǎo)致的代謝紊亂和對細(xì)胞的損害。但過度或長時(shí)間刺激，使靶細(xì)胞對配體反應(yīng)性改變，可導(dǎo)致疾病的發(fā)生或促進(jìn)疾病的發(fā)展；亦可造成長期應(yīng)用某一藥物時(shí)出現(xiàn)藥效減退。,受體磷酸化與脫磷酸化,Gs,P,低pH,受體去磷酸化,PKA,GRK,內(nèi)吞,再循環(huán),溶酶體,降解,第二節(jié) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的原因和機(jī)制,一、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的原因 生物學(xué)因素 通過Toll樣受體介導(dǎo) 在病原體感染和炎癥反應(yīng)中起重要作用 干擾細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通

12、路 如霍亂弧菌引起的烈性腸道傳染病,果蠅中與胚胎發(fā)育有關(guān)的編碼蛋白 TLR4(1998)，哺乳動(dòng)物與宿主免疫有關(guān)的同源蛋白,跨膜受體 胞外部分：富含亮氨酸重復(fù)序列 胞內(nèi)部分：與IL-1受體相似,TLR (Toll-like Receptor),C pG-DNA,真菌、酵母、細(xì)菌、螺旋體、支原體脂蛋白,LPS,病毒 dsRNA,TLR-7,9,TLR-1,6,10?,TLR-2,TLR-4,TLR-3,MyD88,MyD88 TIRAP,(TRIF?) MyD88 TIRAP,TRIF,IRAK TRAF6,MAPKK,MAPK (ERK, P38, JNK),IKK,IRF-3,IB/NFB,

13、MyD88依賴性炎癥基因轉(zhuǎn)錄,MyD88非依賴性誘導(dǎo)干擾素基因轉(zhuǎn)錄,IFN ,IFN,TNF,IL-1,IL-6,Cell 1,IFN /,TNF,IL-1,IL-6,TNFR1 (P55),TNFR2 (P75),IL-1R,IL-6R,IFNR,TRADD,FADD,RIP TRAF2,TRAF2 TRAF1,Caspase,細(xì)胞 凋亡,TAK1 TAB1,NFB,IRAK TRAF6,IKK,NFB,MAPKK,MAPK,AP-1 JUN,JAK1,2 TyK2,STAT 1,3,APRF,JAK1 TyK2,STAT 1,2,4,ISGE STAT AAF,INF,炎癥和 細(xì)胞激活,型

14、急性期蛋白,型急性期蛋白,Cell 2,圖4 TLR及其下游通路假設(shè),?,霍亂弧菌產(chǎn)生分泌的外毒素（霍亂毒素），有選擇性 的催化Gs亞基上的精氨酸201核糖化，使GTP酶活性喪 失，不能將GTP水解成GDP，從而使Gs處于不可逆激活 狀態(tài),不斷刺激AC生成cAMP,胞漿中的cAMP含量可增加至 正常的100倍以上，導(dǎo)致小腸上皮細(xì)胞膜蛋白構(gòu)型改變， 大量氯離子和水分子持續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)入腸腔 ，引起嚴(yán)重腹瀉 和脫水。,Gs 201Arg核糖化,霍亂 (Cholera),生物因素干擾細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路舉例, 理化因素,體內(nèi)某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)成分是致癌物的作用靶點(diǎn) 機(jī)械刺激 電離輻射, 遺傳因素,染色體異常 信號轉(zhuǎn)

15、導(dǎo)蛋白基因突變,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白數(shù)量改變 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白功能改變 失活性突變 如TSHR的失活性突變 TSH抵抗征 功能獲得性突變 如TSHR的失活性突變 甲亢,顯性負(fù)性作用（dominant negative effect）：某些 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白突變后不僅自身無功能， 還能抑制或阻斷野生型信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的 作用。這種作用被稱為顯性負(fù)性作用。 具有顯性負(fù)性作用的突變體被稱為顯性 負(fù)性突變體（dominant negative mutant)。,組成型激活突變（constitutively activated mutation） 某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白在突變后獲得了自 發(fā)激活和持續(xù)性激活的能力。,免疫學(xué)因素,受

16、體抗體產(chǎn)生的原因和機(jī)制 自身免疫性疾?。阂蝮w內(nèi)產(chǎn)生抗受體的自身抗體而引起的疾病。 重癥肌無力 自身免疫性甲狀腺病 抗受體抗體的產(chǎn)生機(jī)制尚不清楚,刺激型抗體：可模擬信號分子或配體的作用，激活特定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，使靶細(xì)胞功能亢進(jìn)。 如Graves病。 阻斷型抗體：該抗體與受體結(jié)合后，可阻斷受體與配體的結(jié)合，從而阻斷受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的效應(yīng)，導(dǎo)致靶細(xì)胞功能低下。 如橋本病、重癥肌無力。,抗受體抗體的類型：,重癥肌無力,發(fā)病機(jī)制,表現(xiàn)(manifestations),受累橫紋肌稍行活動(dòng)后即疲乏無力，休息后恢復(fù)。,TSH,Effect site of anti-TSH antibody on TSH

17、 receptor,彌漫性甲狀腺腫 (Gravesdisease),刺激性抗體模擬TSH 的作用 促進(jìn)甲狀腺素分泌和甲狀腺腺體生長 女性男性 甲亢、甲狀腺彌漫性腫大、突眼,表現(xiàn) (manifestations),橋本病 (Hashimotos thyroditis),阻斷性抗體與TSH受體結(jié)合 減弱或消除了TSH的作用 抑制甲狀腺素分泌 甲狀腺功能減退、黏液性水腫,黏液性水腫(myxedema),二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的發(fā)生環(huán)節(jié),配體、受體或受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)障礙都可能會(huì)影響到最終效應(yīng)，使細(xì)胞增殖、分化、凋亡、代謝或功能失常，并導(dǎo)致疾病。,以家族性腎性尿崩癥為例：,中樞性尿崩癥：A

18、DH分泌減少,腎性尿崩癥：腎小管對ADH反應(yīng)性降低,因遺傳性ADH 受體 (V2型)及受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常引起的多尿。,ADH 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),ADHV2受體激活GsAC活性 cAMP PKA激活 水通道蛋白移向胞膜水重吸收,AQP2,編碼V2受體的基因突變使合成的ADH受體異常,(2)發(fā)病機(jī)制,(3)表現(xiàn),性連鎖隱性遺傳 男性兒童發(fā)病 多尿，煩渴，多飲 血漿ADH水平無降低,第三節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病,一、受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與疾病 受體數(shù)量減少 受體親和力降低 受體阻斷型抗體的作用 受體功能所需的協(xié)同因子或輔助因子缺陷 受體功能缺陷 受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的缺陷,特定信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程減弱或中斷,激素抵

19、抗征, 雄激素受體缺陷與雄激素抵抗征,原因和機(jī)制： AR減少和失活性突變,AIS可分為：,男性假兩性畸形 特發(fā)性無精癥和少精癥 延髓脊髓性肌萎縮,胰島素受體與胰島素抵抗性糖尿病,1.遺傳性胰島素受體異常，包括 受體合成減少 受體與配體的親和力降低，如受體精氨酸735突變?yōu)榻z氨酸 受體TPK活性降低，如甘氨酸1008 突變?yōu)槔i氨酸，胞內(nèi)區(qū) TPK結(jié)構(gòu)異常 2.自身免疫性胰島素受體異常 血液中存在抗胰島素受體的抗體,I型糖尿病由于胰島B細(xì)胞破壞，胰島素絕對不足。,II型糖尿病由于胰島素受體和受體后異常造成靶細(xì)胞對胰島素反應(yīng)性降低。,胰島素作用信號轉(zhuǎn)導(dǎo),胰島素受體TPK磷酸化在IRS-1及IRS-2

20、參與下與Grb2和PI3K 結(jié)合啟動(dòng)下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo),Insulin pathway,(1)胰島素受體異常,受體數(shù)量減少 受體與胰島素的親和力降 受體TPK活性降低,機(jī)制,(insulin receptor disorder),(disorders of postreceptor signaltransduction),IRS-1/2下調(diào) 編碼PI3K的基因突變,(2)受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常,二、受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過度激活與疾病,某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白過度表達(dá) 某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白組成型激活突變 刺激型抗受體抗體,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通 路過度激活,如肢端肥大癥和巨人癥,生長激素(GH)分泌的調(diào)節(jié),GH釋放激素,(regula

21、tion of growth hormone secretion),編碼Gs 的基因(GNAS1)突變,機(jī)制,3040垂體腺瘤,肢端肥大 身材高大,表現(xiàn),三、多個(gè)環(huán)節(jié)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病,表達(dá)生長因子樣物質(zhì) 表達(dá)生長因子受體類 表達(dá)蛋白激酶類 表達(dá)信息傳遞分子類 表達(dá)核內(nèi)蛋白類,腫瘤,抑制細(xì)胞增殖的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過弱,生長抑制因子受體減少、喪失 受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常,細(xì)胞的生長負(fù)調(diào)控機(jī)制減弱或喪失,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究中的重大理論問題及熱點(diǎn)領(lǐng)域,第四節(jié),1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控,磷酸化去磷酸化調(diào)控 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子消長的調(diào)控（分子半衰期） 不同通路之間的效應(yīng)調(diào)控 胞內(nèi)內(nèi)源性抑制物的調(diào)控功能,2、Cross-Ta

22、lk,3、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)效應(yīng)的特異性When and Where?,Cooperation with other signaling pathways? Pre-existing transcription co-factors differentially expressed and activated in different cell types? Pre-existing co-activators of target proteins? Subcellular localization of transducers? Optimal level (or a threshold) of phosphor