ch9細胞信號轉(zhuǎn)導

1、第九章 細胞信號轉(zhuǎn)導信號轉(zhuǎn)導的概念：指外界信號（如光、電、化學分子）與細胞內(nèi)或表面受體作用，轉(zhuǎn)換并開啟細胞信號通路，進而引起細胞應答反應的一系列過程。第一節(jié) 細胞信號轉(zhuǎn)導概述一、細胞通訊（cell communication）指一個細胞發(fā)出的信息通過介質(zhì)（配體）傳遞到另一個靶細胞，并與靶細胞相應的受體相互作用，然后通過細胞信號轉(zhuǎn)導，產(chǎn)生靶胞內(nèi)一系列生理生化變化，最終表現(xiàn)為靶細胞整體生物學效應的過程。（一）細胞通訊的方式主要有3種方式。1細胞間隙連接（gap junction，動物）和胞間連絲通訊（植物）2細胞間接觸依賴性通訊3化學通訊根據(jù)化學信號分子可以作用的距離范圍，可分為以下4類：1. 內(nèi)

2、分泌（endocrine）：內(nèi)分泌細胞分泌信號分子（如激素）隨血液循環(huán)運輸至全身，作用于靶細胞。2. 旁分泌（paracrine）：細胞分泌局部化學介質(zhì)到細胞外液中，經(jīng)過局部擴散作用于鄰近的靶細胞。包括：各類細胞生長因子；氣體信號分子（如：NO）3. 化學突觸通訊：神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)肽由突觸前膜釋放，經(jīng)突觸間隙擴散到突觸后膜，作用于特定的靶細胞。4. 自分泌（autocrine）：細胞對自身分泌的信號分子產(chǎn)生反應，信號發(fā)放細胞和靶細胞為同類或同一細胞。常見于病理條件下，如腫瘤細胞合成并釋放生長因子刺激自身，導致腫瘤細胞持續(xù)增殖。二、信號分子與受體（一）信號分子生物細胞所接受的信號既可以是物理信號（

3、聲、光、熱、電流），也可以是化學信號。1. 分類從溶解性來看又可分為脂溶性和水溶性2類：脂溶性信號分子、水溶性信號分子2. 細胞信號分子的共同特點特異性，只能與特定的受體結(jié)合；高效性，幾個分子即可發(fā)生明顯的生物學效應，這一特性有賴于細胞的信號逐級放大系統(tǒng)；可被滅活，完成信息傳遞后可被降解或修飾而失去活性，保證信息傳遞的完整性和細胞免于疲勞。（二）受體受體（receptor）是一種能夠識別和選擇性結(jié)合某種配體（信號分子）的大分子物質(zhì)，多為糖蛋白，少數(shù)為糖脂，也有受體為糖蛋白糖脂復合物（如促甲狀腺素受體）。當受體與配體結(jié)合后，構(gòu)象改變而產(chǎn)生活性，啟動信號轉(zhuǎn)導途徑，引發(fā)2種主要的細胞反應，最終表現(xiàn)為

4、改變細胞行為。 快反應：細胞內(nèi)預存蛋白活性或功能改變，進而影響細胞代謝功能的短期反應。 慢反應：影響細胞內(nèi)特殊蛋白的表達量的長期反應（最常見方式是通過轉(zhuǎn)錄因子的修飾來激活或抑制基因表達）。1. 分類根據(jù)靶細胞上受體存在的部位，可將受體分為：細胞內(nèi)受體（intracellular receptor）和細胞表面受體（cell surface receptor）。2. 每一種細胞都有其獨特的受體和信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)，細胞對信號的反應不僅取決于其受體的特異性，而且與細胞的固有特征有關(guān)。有時相同的信號可產(chǎn)生不同的效應，如Ach可引起骨骼肌收縮、降低心肌收縮頻率，引起唾腺細胞分泌。有時不同信號產(chǎn)生相同的效應，如

5、腎上腺素、胰高血糖素，都能促進肝糖原降解而升高血糖。3. 受體的脫敏和下調(diào)信號強度過強或細胞持續(xù)處于信號分子刺激下的時候，細胞將通過多種途徑使受體脫敏，產(chǎn)生適應。受體脫敏機制有5種：（1） 受體沒收（receptor sequestration）通過受體介導內(nèi)吞作用，將受體移到細胞內(nèi)部，暫時隱蔽起來；在早胞內(nèi)體的中（pH 5.0）受體和配體解離，受體返回質(zhì)膜再利用，配體進入溶酶體被消化。（2）受體下調(diào)（receptor down-regulation）通過內(nèi)吞作用，將受體轉(zhuǎn)移到溶酶體中降解。（3）受體失活(receptor inactivation)修飾或改變受體，如磷酸化，使受體與下游蛋白隔

6、離，即受體失活。（4）信號蛋白失活信號級聯(lián)傳遞反應受阻，受體不能發(fā)揮作用。（5）產(chǎn)生抑制性蛋白受體結(jié)合配體被激活后，在下游反應中產(chǎn)生抑制性蛋白，形成負反饋機制而降低或阻斷信號轉(zhuǎn)導途徑。（三）第二信使與分子開關(guān)1信使分子（1）第一信使細胞外化學信號分子，稱為第一信使（primary messenger）；（2）第二信使 在細胞內(nèi)產(chǎn)生的非蛋白類小分子，通過其濃度變化應答胞外信號與細胞表面受體的結(jié)合，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)酶和非酶蛋白的活性從而在細胞信號轉(zhuǎn)導途徑中行使攜帶和放大信號的功能。目前公認的第二信使有cAMP、cGMP、Ca2+、二?；视停―AG）、肌醇-1，4，5-三磷酸（IP3）和3，4，5-三磷

7、酸磷脂酰肌醇（PIP3）等。2. 分子開關(guān)（1）分子開關(guān)的概念在細胞內(nèi)信號級聯(lián)傳遞途徑中，有的信號蛋白可通過活化的“開啟”和失活的“關(guān)閉”2種狀態(tài)來控制下游靶蛋白的活性，稱之為分子開關(guān)（蛋白）。（2）分子開關(guān)蛋白的類型 有3類分子開關(guān)蛋白。 GTPase開關(guān) 包括三聚體G蛋白和單體G蛋白,如Ras蛋白。結(jié)合GTP時呈活化的“開啟”狀態(tài)，結(jié)合GDP時呈失活的“關(guān)閉”狀態(tài)，通過這2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換控制下游靶蛋白的活性。GTPase開關(guān)蛋白由活化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為失活狀態(tài)，該過程受GTPase促進蛋白（GTPase-acceleration protein, GAP）和G蛋白信號調(diào)節(jié)在（regulator of

8、 G protein-signaling, RGS）所促進，受鳥苷酸解離抑制蛋白（guanine nucleotide dissociation inhabitor,GDI）的抑制；GTPase開關(guān)蛋白的再活化被鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide-exchage factor,GEF)所促進。 蛋白激酶/蛋白磷酸酶控制的磷酸化/去磷酸化分子開關(guān)蛋白激酶是一類磷酸轉(zhuǎn)移酶，其作用是將 ATP 的 磷酸基轉(zhuǎn)移到底物特定的氨基酸殘基上，使蛋白質(zhì)磷酸。蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化。通過蛋白激酶/磷酸酶使靶蛋白磷酸化/去磷酸化，為細胞提供一種“開關(guān)”機制，使各種靶蛋白處于活化或失活狀態(tài)。（

9、有的蛋白磷酸化時有活性，有的去磷酸化時有活性） Ca2+依賴的鈣調(diào)蛋白 結(jié)合Ca2+活化，未結(jié)合Ca2+失活。三、信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)及其特性（一）細胞內(nèi)信號蛋白的相互作用 信號蛋白的相互作用是依靠蛋白質(zhì)的不同模式結(jié)合域（modular binding domain）與匹配的基序（motif）或蛋白質(zhì)上特定修飾位點識別與結(jié)合，從而在細胞內(nèi)組裝成不同的信號轉(zhuǎn)導復合物，構(gòu)成細胞內(nèi)信號傳遞通路的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。SH2結(jié)構(gòu)域：介導信號分子與含磷酸酪氨酸的蛋白分子結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域：介導信號分子與富含脯氨酸的蛋白分子結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域：可以與膜上磷脂類分子PIP2、PIP3等結(jié)合，使含PH結(jié)構(gòu)域蛋白由細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)位到細胞

10、膜上。（二）細胞內(nèi)信號蛋白復合物的裝配信號蛋白復合物的形成有重要生物學意義：在時空上增強細胞應答反應的速度、效率和反應的特異性。細胞內(nèi)信號蛋白復合物裝配有3種策略：（1）基于支架蛋白的信號蛋白復合物的裝配（2）在活化受體上裝配信號蛋白復合物（3）肌醇磷脂錨定位點結(jié)合信號蛋白復合物（三）信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的主要特性1特異性：受體-配體“結(jié)合”特異性，“效應器”特異性2放大效應：通過細胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應實現(xiàn)3網(wǎng)絡化與反饋調(diào)節(jié)機制：信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的網(wǎng)絡化特性由一系列正反饋和負反饋環(huán)路組成，有利于克服分子間相互作用的隨機性對細胞生命活動的負面干擾。4信號整合作用：通過整合不同的信息，細胞對胞外信號分子的特

11、異性組合作出程序性反應，從而維持生命活動的有序性。第二節(jié) 細胞內(nèi)受體介導的信號傳遞一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié)細胞內(nèi)核受體的本質(zhì)是依賴激素激活的基因調(diào)控蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）。甾類激素與細胞質(zhì)內(nèi)各自的受體蛋白結(jié)合，形成激素-受體復合物，并能穿過核孔進入細胞核內(nèi)，激素和受體的結(jié)合導致受體蛋白構(gòu)象的改變，提高了受體與DNA的結(jié)合能力，激活的受體通過結(jié)合于特異的DNA序列調(diào)節(jié)基因表達。甲狀腺素和雌激素也是親脂性小分子，其受體位于細胞核內(nèi)，作用機理與甾類激素相同。也有個別的親脂性小分子，如前列腺素，其受體在細胞膜上。二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與胞質(zhì)鳥苷酸環(huán)化酶結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，導致酶活

12、性的增強和cGMP合成增多。cGMP激活依賴cGMP的蛋白激酶G（PKG），PKG磷酸化Ca2+泵使之活化，從而降低血管平滑肌中的Ca2+離子濃度。引起血管平滑肌的舒張，血管擴張、血流通暢。血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)細胞是NO的生成細胞；硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機理是在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO，可舒張血管，減輕心臟負荷和心肌的需氧量 。第三節(jié) G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導一、G蛋白耦聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活（一）G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein coupled receptor,GPCR）是指配體受體復合物與靶蛋白（效應酶或通道蛋白）的作用要通過與G蛋白的偶聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶的活性，在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使

13、，從而將胞外信號跨膜傳遞到胞內(nèi),影響細胞的行為。G蛋白偶聯(lián)受體種類很多，在味覺、視覺和嗅覺中接受外源理化因素的受體亦屬G蛋白偶聯(lián)型受體。（二）G蛋白三聚體GTP結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白的簡稱,位于質(zhì)膜胞質(zhì)側(cè)，由、三個亞基組成，和亞基以異二聚體形式存在， 和亞基分別通過共價結(jié)合的脂分子錨定在質(zhì)膜上，G蛋白在信號轉(zhuǎn)導過程中起著分子開關(guān)的作用，亞基本身具有GTPase 活性。當亞基與GDP結(jié)合時處于失活的關(guān)閉狀態(tài)，與GTP結(jié)合時處于活化的開啟狀態(tài)。二、G蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路(一) 激活離子通道的G蛋白偶聯(lián)受體所介導的信號通路以心肌細胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道為例心肌細胞中M乙酰膽堿受體

14、與Gi 蛋白偶聯(lián)，受體結(jié)合乙酰膽堿而活化；活化的受體與三聚體Gi蛋白的Gi亞基結(jié)合，使其結(jié)合的GDP被GTP置換，引發(fā)三聚體Gi蛋白解離；釋放的G亞基復合物結(jié)合并開啟質(zhì)膜上的K+通道，使K+外流，導致心肌細胞膜超極化，降低心肌細胞的收縮頻率。與Gi結(jié)合的GTP水解形成GDP時，Gi-GDP重新與G結(jié)合形成三聚體Gi蛋白。（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G蛋白偶聯(lián)受體所介導的信號通路（cAMP信號通路）1. cAMP-PKA信號通路的反應鏈刺激性(抑制性)激素刺激性（抑制性）G蛋白耦聯(lián)受體刺激性（抑制性）G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMP依賴cAMP的蛋白激酶A酶或基因調(diào)控蛋白代謝反應或基因轉(zhuǎn)錄。2cAM

15、P-PKA信號通路的組分 刺激性激素受體（Rs）或抑制性激素受體（Ri） 刺激性G蛋白（Gs）或抑制性G蛋白（Gi）刺激性（激活性）激素與刺激性受體結(jié)合，激活刺激性G蛋白的Gsa, Gsa激活腺苷酸環(huán)化酶活性，提高靶細胞cAMP水平。抑制性激素與抑制性性受體結(jié)合，激活抑制性G蛋白的Gia, Gia抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，降低靶細胞cAMP水平。 腺苷酸環(huán)化酶（Adenylyl cyclase，AC）在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP。 環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）可降解cAMP生成5-AMP，起終止信號的作用。 蛋白激酶A（Pr

16、otein Kinase A，PKA）由2個催化亞基（C）和2個調(diào)節(jié)亞基（R）組成，每個R亞基有2個cAMP結(jié)合位點。在沒有cAMP時，以鈍化復合體形式存在。cAMP與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合，改變調(diào)節(jié)亞基構(gòu)象，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基?；罨牡鞍准っ窤催化亞基可使細胞內(nèi)某些蛋白的X-Arg-Arg/Lys-X-Ser/Thr-基序（X代表任意氨基酸，代表疏水氨基酸）中的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，于是改變這些蛋白的活性。在不同的組織細胞中，活化的PKA異構(gòu)體及其效應酶（底物）不同，從而產(chǎn)生不同的效應。如：肝細胞和肌細胞：促進糖原分解，抑制糖原合成。脂肪細胞：活化PKA使磷脂酶磷酸化而激活，

17、促進甘油三酯水解成脂肪酸和甘油。卵巢細胞：促進類固醇激素（雌激素和孕酮）合成。某些分泌細胞：激活相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄表達。3. 在肝細胞和肌細胞中，活化的PKA有3方面的因素來調(diào)節(jié)糖原代謝（促進糖原分解和抑制糖原合成）A活化PKA使糖原磷酸化酶激酶（GPK）磷酸化而活化，從而促進糖原降解；B另一方面，活化的PKA使糖原合酶（GS）磷酸化而失活，從而抑制糖原合成；C此外，活化的PKA使磷蛋白磷酸酶抑制蛋白（IP）磷酸化而活化，導致磷蛋白磷酸酶（PP）失活，從而使磷酸化的GPK和磷酸化的GS不能去磷酸化，也表現(xiàn)為促進糖原分解和抑制糖原合成。（三）激活磷脂酶C、以 IP3和DAG作為雙信使G蛋白偶聯(lián)受體

18、介導的信號通路（磷脂酰肌醇信號通路）在磷脂酰肌醇信號通路中，胞外信號分子與細胞表面G蛋白耦聯(lián)型受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-），使質(zhì)膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―AG）兩個第二信使（IP3在細胞質(zhì)中擴散，DAG是親脂性分子，聯(lián)系在膜上），胞外信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號，分別激活2個不同的信號通路，即IP3-Ca2+和DAG-PKC途徑。因此，這一信號系統(tǒng)又稱為“雙信使系統(tǒng)”（double messenger system）。1. IP3-Ca 2+信號通路IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3配體門鈣通道結(jié)合，開啟鈣通道，使胞內(nèi)Ca2+濃度升

19、高，激活各類依賴鈣離子的蛋白。Ca2+活化各種Ca2+結(jié)合蛋白引起細胞反應。鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）是真核細胞中普遍存在的Ca 2+應答蛋白，由單一肽鏈構(gòu)成，具有4個鈣離子結(jié)合部位。結(jié)合鈣離子，發(fā)生構(gòu)象改變而活化，可調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白依賴性酶的活性。細胞對Ca 2+的反應取決于細胞內(nèi)鈣結(jié)合蛋白和鈣調(diào)素依賴性酶的種類。NOTE 1: ryanodine Ca 2+通道（ryanodine受體）除IP3配體門Ca 2+通道外，肌肉細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（肌質(zhì)網(wǎng)）膜上還存在ryanodine Ca 2+通道，也稱ryanodine受體，因與一種植物堿ryanodine(雷諾丁)具有很高的親和力與特異性

20、。Ryanodine Ca 2+通道為電壓門Ca 2+通道。NOTE 2： 鈣火花（calcium sparks）用與Ca2+特異結(jié)合的熒光探針（如Fluo-3）和激光共焦顯微鏡檢測細胞中的Ca2+，可發(fā)現(xiàn)細胞中某微區(qū)熒光強度驟升而后很快消失的現(xiàn)象，稱為鈣火花。鈣火花為ryanodine通道釋放Ca2+使細胞內(nèi)某微區(qū)Ca2+濃度瞬時增高引起的。2. DAG-PKC信號通路DAG結(jié)合于質(zhì)膜上，可活化與質(zhì)膜結(jié)合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于細胞溶質(zhì)中，當細胞接受刺激，產(chǎn)生IP3，使Ca2+濃度升高，PKC與Ca2+結(jié)合，暴露出疏水的膜結(jié)合區(qū)而轉(zhuǎn)位

21、到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DAG活化，活化的PKC可以使底物蛋白質(zhì)的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，使不同的細胞產(chǎn)生不同的反應，如細胞分泌、肌肉收縮、細胞增殖和分化等。第四節(jié) 酶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導酶偶聯(lián)型受體（enzyme linked receptor，也稱催化性受體）分為2大類：其一是本身具有酶活性；其二是本身沒有酶活性，但胞內(nèi)段可以連接非受體酶。這類受體的共同點是：通常為跨膜蛋白；接受配體后發(fā)生二聚化而激活，起動其下游信號轉(zhuǎn)導。一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），也稱酪氨酸蛋白激酶受體，配體是可溶性或膜結(jié)合的多肽或蛋

22、白類激素，包括神經(jīng)生長因子（NGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）等多種生長因子和胰島素。其主要功能是控制細胞增殖、生長、分化，而不是調(diào)控細胞中間代謝。1受體酪氨酸激酶的結(jié)構(gòu)和激活 胞外結(jié)構(gòu)域：N端，含配體結(jié)合位點受體酪氨酸激酶 跨膜螺旋 胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域：C端，包括自磷酸化位點和具酪氨酸激酶活性的催化位點配體（如EGF）在胞外與受體結(jié)合并引起構(gòu)象變化，導致受體二聚化（dimerization）形成同源或異源二聚體，激活受體本身的酪氨酸蛋白激酶活性，在二聚體內(nèi)彼此相互磷酸化胞內(nèi)段酪氨酸殘基（即受體自磷酸化）。磷酸酪氨酸殘基可被含SH2結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)信號蛋白識別，作為下游

23、信號蛋白的錨定位點， 啟動信號轉(zhuǎn)導。2. Ras及其活化ras (rat sarcoma, 大鼠肉瘤) 基因的表達產(chǎn)物。190 aa的小G蛋白，位于胞質(zhì)側(cè)，結(jié)合GTP激活，結(jié)合GDP失活。Ras-GTP和Ras-GDP的轉(zhuǎn)換需要鳥苷酸交換因子(GEF)和GTP酶活化蛋白（GAP）。3. RTK-RAS-MAPK信號途徑（1）受體酪氨酸激酶（RTK）結(jié)合信號分子，形成二聚體，并發(fā)生自磷酸化而活化，活化的RTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化級聯(lián)反應。（2）活化的Ras蛋白與Raf（又稱MAPKKK）的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合并使其激活，Raf是絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶。（3）

24、活化的Raf結(jié)合并磷酸化另一種蛋白激酶MAPKK，使其絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化而活化。（4）MAPKK又使MAPK的蘇氨酸和酪氨酸殘基磷酸化使之激活。（5）MAPK為有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），屬絲氨酸/蘇氨酸殘激酶?；罨腗APK進入細胞核，磷酸化修飾許多底物蛋白和基因調(diào)控蛋白（轉(zhuǎn)錄因子），改變基因表達。第五節(jié) 其他細胞表面受體介導的信號通路Notch 信號通路 Notch信號通路是一種細胞間接觸依賴性通訊方式。Notch信號是細胞與細胞間相互作用的主要信號通路之一，對多細胞生物中細胞分化命運的決定起關(guān)鍵作用。Notch受體由Notch基因編碼，為膜