細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基礎(chǔ)課件

1、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院生物制藥教研室第五章 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基礎(chǔ)所經(jīng)歷三個階段第一階段：50、60年代，從研究物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)過程起步，重點在于酶的作用機制及調(diào)節(jié)機制。第二階段：70、80年代早期，全面探索細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制，初步繪制了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本框架。第三階段：80年代后期、90年代至今，對不同信號通路的綜合，形成全面的信號通路網(wǎng)絡(luò)。1、1971年美國的薩瑟蘭因發(fā)現(xiàn)了環(huán)腺苷酸（cAMP），提出第二信使假說而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。2、1991年德國的內(nèi)爾和塞克曼因發(fā)現(xiàn)了細胞膜單離子通道的功能（當膜電位迅速改變時，如對動作電位的反應(yīng)，離子通道每次只釋放一個離子）而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。3、1992年美

2、國的費希爾和克雷布斯因發(fā)現(xiàn)可逆磷酸化是一種重要的物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)機制（如糖原合成過程中）而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。4、1994年美國的吉爾曼和羅德貝爾因發(fā)現(xiàn)G蛋白及其在細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。5、1998年美國的弗吉戈特、伊格納羅、穆拉德三人因發(fā)現(xiàn)了NO信號分子，并研究它的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。6、1999年美國的布洛貝爾因提出了信號肽假說而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。7、2000年瑞典的卡爾森、美國的格林加德和坎德爾三人因發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)系統(tǒng)中的信號傳遞而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。8、2001年美國的哈特韋爾、英國的亨特和納斯三人因發(fā)現(xiàn)了控制細胞周期的關(guān)鍵物質(zhì)而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎

3、。（哈特韋爾發(fā)現(xiàn)了一種名為“start”的基因?qū)τ诳刂泼總€細胞循環(huán)的開始具有重要作用，納斯確認、克隆并了解了控制細胞循環(huán)的基因及分子方法，亨特發(fā)現(xiàn)了控制細胞周期蛋白依賴性激酶功能的細胞周期蛋白和其他蛋白質(zhì)）9、2002年英國的布雷內(nèi)和蘇爾斯頓、美國的霍維茨三人因發(fā)現(xiàn)了器官發(fā)育和細胞程序性死亡的遺傳調(diào)節(jié)機制（即細胞凋亡）而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。10、2004年美國的阿克塞爾和巴克因發(fā)現(xiàn)了氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。Nobel prizes awarded for research in signal transduction什么是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)呢？細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（cellul

4、ar signal transduction, cell signaling）:針對外源性信號所發(fā)生的細胞內(nèi)各種分子活性的變化，以及將這種變化依次傳遞至效應(yīng)分子，以改變細胞功能的過程。General process for transmembrane signal transductionCellular effectGene transcriptionCell proliferationCell survivalCell deathCell differentiationCell functionCell motility細胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用方式：（根據(jù)分子作用的距離）內(nèi)分泌(endocri

5、ne)型：以激素為主，它們是由內(nèi)分泌器官分泌的化學(xué)信號，并隨血流作用于全身靶器官。旁分泌(endocrine)型：以細胞因子為主，它們主要作用于局部的細胞，作用距離以毫米計算。自分泌(endocrine)型：神經(jīng)介質(zhì)為主，其作用局限于突觸內(nèi)，作用距離在100nm以內(nèi)。 第一節(jié) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述（The General of Signal Transduction ）一、信號分子與受體（一）信號分子具有調(diào)節(jié)細胞生命活動的化學(xué)物質(zhì)定義特點特異性、高效性、可被滅活、可與靶細胞的受體結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)信號分類按化學(xué)本質(zhì)分類蛋白質(zhì)和肽類氨基酸及其衍生物類固醇激素脂肪酸衍生物維生素類氣體分子按細胞分泌信號分子

6、的方式神經(jīng)遞質(zhì)內(nèi)分泌激素局部化學(xué)介質(zhì)自分泌信號（二）受體一類存在于靶細胞膜或細胞內(nèi)的可特異識別并結(jié)合外界信號分子（配體），進而引起靶細胞內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的生物效應(yīng)的分子。定義分類膜受體（細胞表面受體）胞內(nèi)受體（核受體）受體在細胞的位置膜受體（membrane receptor）存在于細胞膜上的受體，絕大部分是鑲嵌蛋白。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換信號的方式分為三大類：離子通道型受體G蛋白偶聯(lián)受體酶偶聯(lián)受體離子通道型受體（ion channel-linked receptor）指具有離子通道作用的細胞膜受體G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled/linked receptor,GPCR）1、此型受體通

7、常由單一的多肽鏈或均一的亞基組成，其肽鏈可分為細胞外區(qū)、跨膜區(qū)、細胞內(nèi)區(qū)三部分；2、受體的跨膜區(qū)由7個螺旋結(jié)構(gòu)組成；多肽鏈的N-端位于細胞外區(qū)，而C-端位于細胞內(nèi)區(qū)；在第五及第六跨膜螺旋結(jié)構(gòu)之間的細胞內(nèi)環(huán)部分（第三內(nèi)環(huán)區(qū)），是與G蛋白偶聯(lián)的區(qū)域；3、大多數(shù)常見的激素受體和慢反應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)受體是屬于G蛋白偶聯(lián)型受體；酶偶聯(lián)受體（enzyme-linked receptor）1、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(jié)合存在的受體；2、這些受體大多為只有1個跨膜區(qū)段的糖蛋白，也稱為單次跨膜糖蛋白；3、可分為酪氨酸蛋白激酶受體（TPKR）和非酪氨酸蛋白激酶受體；酪氨酸蛋白激酶受

8、體（TPKR）受體本身具有酪氨酸蛋白激酶(TPK)活性，如胰島素樣生長因子受體(IGF-R)，表皮生長因子受體(EGF-R)。表皮生長因子受體(EGF-R)非酪氨酸蛋白激酶受體與配體結(jié)合后，可與酪氨酸蛋白激酶等偶聯(lián)而表現(xiàn)出酶活性，如生長激素受體、干擾素受體。酪氨酸激酶偶聯(lián)受體受體絲氨酸/蘇氨酸激酶組氨酸激酶偶聯(lián)受體受體鳥甘酸環(huán)化酶類受體酪氨酸去磷酸酶胞內(nèi)受體（核受體）主要包括類固醇激素受體，如腎上腺皮質(zhì)激素；性激素；維生素D3受體(VDR)以及甲狀腺激素受體(TR)。此類受體位于細胞質(zhì)或細胞核內(nèi)，通常為單純蛋白質(zhì)；信號分子進入細胞以后，能與特異性受體結(jié)合形成活性復(fù)合物，作用于染色體DNA，調(diào)節(jié)

9、基因表達，從而影響細胞的物質(zhì)代謝和生理活動；胞內(nèi)受體通常為單體蛋白，含400-1000個氨基酸殘基，分為四個功能區(qū)域：1.高度可變區(qū)：位于受體N-端，不同受體間無同源性，具有轉(zhuǎn)錄激活作用。4. 配體結(jié)合區(qū)：位于C-端，不同受體有3060%的同源性，其結(jié)構(gòu)與功能最復(fù)雜，包括：與配體結(jié)合；與HSP結(jié)合。2. DNA結(jié)合區(qū)：含66-68個氨基酸，富含Cys，不同受體此域有較高同源性，含有兩個鋅指結(jié)構(gòu)，為DNA結(jié)合所必需。 3. 絞鏈區(qū)：為DNA結(jié)合區(qū)與配體結(jié)合區(qū)之間 的段序列，可能含有與轉(zhuǎn)錄因子相互作用和受體向核內(nèi)移動的信號。 （三）受體與信號分子的結(jié)合特點2、高度的親和力(high affinit

10、y)；1、高度專一性；指一種激素或細胞因子只能選擇性與相應(yīng)的受體結(jié)合的性質(zhì)。其原因在于配體通過具有特定結(jié)構(gòu)的部位與受體上的特定結(jié)合部位相結(jié)合。 通常用其解離常數(shù)（Kd）來表示其親和力的大小，多數(shù)配體與受體的解離常數(shù)為10-1110-9 mol/L。3、可飽和性；配體濃度受體飽和度（）4、可逆性；配體與受體通常通過非共價鍵而結(jié)合，因此可以采用簡單的方法將二者分離開。5、特定的作用模式；在不同細胞中，受體的種類和含量分布均不同，表現(xiàn)為特定的作用模式，即具有組織特異性。二、轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本過程（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本過程特定的細胞釋放信息物質(zhì)信息物質(zhì)經(jīng)擴散或血循環(huán)到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結(jié)合受體對信號進

11、行轉(zhuǎn)換并啟動細胞內(nèi)信使系統(tǒng)靶細胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)（二）細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)分子在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，能夠在細胞內(nèi)傳遞特定調(diào)控信號的化學(xué)物質(zhì)稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子（signal transducer ）或細胞內(nèi)信號分子。定義分類第二信使酶分子調(diào)節(jié)蛋白第二信使（second messenger）特點：在細胞中的濃度或分布可迅速改變；不位于能量代謝途徑的中心；阻斷該分子的變化可以阻斷細胞對外源信號的反應(yīng)；作為變構(gòu)效應(yīng)劑作用于細胞內(nèi)相應(yīng)的靶分子；分類：環(huán)核苷酸，如cAMP；cGMP；脂類衍生物，如甘油二酯（DAG）；神經(jīng)酰胺；花生四烯酸；無機物，如Ca2+、NO ；酶分子分類：催化小分子信使生成和轉(zhuǎn)化的酶：AC

12、、GC、PLC等？蛋白激酶和蛋白磷酸酶蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶（PTK）蛋白組氨酸/賴氨酸/精氨酸激酶蛋白色氨酸激酶蛋白天冬氨?；?谷氨酰基激酶調(diào)節(jié)蛋白分類G蛋白銜接蛋白：如Grb2、SOS等三聚體G蛋白小G蛋白Ras蛋白Rho蛋白Rab蛋白三聚體G蛋白與7次跨膜受體結(jié)合，以亞基（G ）和、亞基（G ）三聚體的形式存在于細胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)小G蛋白低分子量G蛋白（20-30kDa）,在多種細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中具有開關(guān)作用。Ras Protein銜接蛋白SH2結(jié)構(gòu)域約由100個氨基酸組成，可識別和結(jié)合SH2結(jié)合位點能與酪氨酸殘基磷酸化的多肽鏈結(jié)合SH3結(jié)構(gòu)域約由50個氨基酸組成；能識別和結(jié)合蛋

13、白分子中富含脯氨酸的序列PTB結(jié)構(gòu)域約由120個氨基酸組成；能與酪氨酸殘基磷酸化的多肽鏈結(jié)合PH結(jié)構(gòu)域約由120個氨基酸組成；識別具有磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸的短肽，并能與G蛋白的復(fù)合物結(jié)合，還能與帶電的磷脂結(jié)合思考題第二信使的靶分子都有哪些？THANK YOU！哈爾濱醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院生物制藥教研室第五章 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基礎(chǔ)第二節(jié) 主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（下）二、酶偶聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑酶偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本模式：1、結(jié)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，即激活受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的蛋白激酶活性；對于沒有蛋白激酶活性的受體來說，即受體通過蛋白質(zhì)-

14、蛋白質(zhì)相互作用激活與它緊密偶聯(lián)的蛋白激酶；3、通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用或蛋白激酶的磷酸化修飾激活下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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經(jīng)中的關(guān)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。（一）受體酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)1、RTK的結(jié)構(gòu)與RTK的活化（1）RTK的結(jié)構(gòu)大多為單次跨膜糖蛋白；胞外區(qū)N端一般由500-850個氨基酸殘基組成，為配體結(jié)合部位；胞內(nèi)區(qū)具有酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，位于C端，包括ATP結(jié)合區(qū)和底物結(jié)合區(qū)。受體酪氨酸蛋白激酶的分子結(jié)構(gòu)（2）RTK的活化1、結(jié)合配體后，受體形成二聚體或寡聚體；2、受體膜內(nèi)部分

15、發(fā)生構(gòu)象變化；3、酪氨酸殘基發(fā)生自體磷酸化；4、形成SH2結(jié)合位點的空間結(jié)構(gòu)，與具有SH2結(jié)構(gòu)域的下一級信號分子結(jié)合；5、信號逐級傳遞；2、RTK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑（1）Ras-MAPK級聯(lián)反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑組成內(nèi)容：信號分子：生長因子、細胞因子、淋巴細胞抗原受體和整合素等。RTK：催化型受體Grb-2：銜接蛋白，與RTK的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合SOS：富含脯氨酸，可與Grb-2SH3結(jié)合Ras：刺激絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族MAPK激酶系統(tǒng)MAPK激酶系統(tǒng)MAPK激酶激酶(MAPKKK)，如Raf-1激酶；MAPK激酶(MAPKK)，如MEK1/2；MAPK，如ERK1/2，活化部位基序為蘇-X-酪。一組

16、酶兼底物的蛋白，通常由三種蛋白激酶的級聯(lián)反應(yīng)過程，種類較多，包括：EGFR介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程MAPK家族ERK家族：調(diào)控細胞增殖與分化JNK/SAPK家族：應(yīng)積極激活的蛋白激酶，參與細胞對輻射、滲透壓和溫度變化的應(yīng)急反應(yīng)，促進細胞修復(fù)p38MAPK家族：介導(dǎo)炎癥和細胞凋亡等應(yīng)激反應(yīng)MAPK通路失活機制1、相應(yīng)蛋白磷酸酶去磷酸化與分化2、Raf-1是PKA的直接底物，PKA可磷酸化c-Raf第43位Ser磷酸化，可抑制RasGTP與Raf的結(jié)合，從而阻斷ERK的激活；3、磷酸酶PP2A可對MEK和ERK脫磷酸使其失活；4、 ERK 被激活后可磷酸化SOS、Raf及MEK，產(chǎn)生負反饋調(diào)節(jié)；（2）其

17、他RTK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑PI3K/PKB途徑:（Akt途徑）TPKGrb2SOSRasRafMEKERKPI3KAktPLC-PIP2DGIP3Ca2+PKC靶蛋白磷酸化，轉(zhuǎn)錄因子磷酸化PIP3細胞分化，增殖，凋亡，基因轉(zhuǎn)錄等（二）酪氨酸激酶偶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)組成內(nèi)容：信號分子：多為細胞因子，如干擾素-非受體酪氨酸激酶JAKs（janus kinase）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子/轉(zhuǎn)錄活化子（signal transductors and activators of transcription ，STAT）JAK/STAT PathwayJAK/STAT通路失活機制1、細胞因子信號抑制物（SOCSs）;2、含

18、SH2的磷酸酶（SHPs）；3、STATs蛋白抑制子（PIASs）；（三）受體絲氨酸/蘇氨酸激酶介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)TGF-家族： TGF-、激活素、骨形態(tài)蛋白等組成內(nèi)容：受體：為具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性受體Smad家族功能：在發(fā)育過程中起重要作用，還可以調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、粘附、移行及細胞凋亡Smad家族近幾年發(fā)現(xiàn)的一類細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，是把TGF-與受體結(jié)合后產(chǎn)生的信號從胞質(zhì)傳到胞核的中介分子。Smads蛋白可分為3類：受體激活型 smads(R-smads)：smad 1、2、3、5、8共同介質(zhì)型smads(Co-smads)： smad 4抑制型smads(i-smads)：smad 6、7TGF-Smad信號通路TGF-同時結(jié)合2個I型受體和2個II型受體，首先II型受體被激活，進而將I型受體激活；此異源四聯(lián)復(fù)合物結(jié)合并激活Smad2/3；結(jié)合Smad4，并在細胞核內(nèi)不斷積累；Smad復(fù)合物與其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，共同調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。三、依賴于受調(diào)蛋白水解信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑特點：在外來信號分子作用下，會引起某個潛在基因調(diào)控蛋白的受調(diào)蛋白水解，受調(diào)蛋白水解過程能夠調(diào)節(jié)相應(yīng)靶基因的表達主要包括：Wnt 、NF-B、Notch、Hedgehog等NF-B信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑NF-B為一個轉(zhuǎn)錄因子家族，是一種