第十一章-細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病-cellular-signal-transduction-and

1、cellular signal transduction and dissease,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病,1、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 2、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的組成、功能調(diào)節(jié) 3、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病,內(nèi)容提要：,一、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念：（concept）,第一節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo),cellular signal transduction,細(xì)胞對外界刺激做出應(yīng)答反應(yīng)的基本生物學(xué)方式。,細(xì)胞通過位于胞膜或胞內(nèi)的受體感受胞外信息分子的刺激，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而影響其生物學(xué)功能的過程。,二、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的組成 ： （composing）,1、配體（信號） 2、接收信號的受體或離子通道、黏附分子 3、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

2、通路 4、靶蛋白,1、配體：（ligand） 能與受體特異性結(jié)合的物質(zhì)被稱為配體，如激素、神 經(jīng)遞質(zhì)、生長因子、細(xì)胞因子、代謝物、藥物、毒素等，一 種配體?？梢杂袃煞N以上的受體。 2、受體：（receptor） 靶細(xì)胞中能識別配體，并與其特異結(jié)合后, 引起一定生 物效應(yīng)的蛋白質(zhì)。絕大多數(shù)受體具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)功能。,三、有關(guān)概念,四、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本過程和機(jī)制,（一）、信號的接收和轉(zhuǎn)導(dǎo),信號 ,化學(xué),物理,受體,核受體,膜受體,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 （級聯(lián)反應(yīng)）,誘發(fā)特定的應(yīng)答反應(yīng),cascade,G-protien-coupled receptor,GPC Receotor tyrosinekina

3、se,RTK 細(xì)胞因子受體超家族 絲/蘇氨酸蛋白激酶型受體家族 死亡受體家族（TNFR,Fas） 離子通道型受體以及黏附分子等,膜受體：,類固醇激素受體家族 甲狀腺素受體家族 孤兒受體,核受體：,（二）膜受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路舉例,G蛋白的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上的共同特征是由單一肽鏈7次穿越膜，構(gòu)成7次跨膜受體。,G蛋白耦聯(lián)受體,、在膜受體與效應(yīng)器之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起中介作用，由、和亞單位組成的異三聚體,介導(dǎo)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。,G蛋白的分類 (Classification),兩類, 約 150余種：,其中G亞基有21種，是決定G 蛋白功能的 主要亞基, 亞基有5種，亞基有11種。,、小分子G蛋白小肽，介導(dǎo)胞內(nèi)

4、信號轉(zhuǎn)導(dǎo),如；Ras， Ras是通過與其共價相連的異戊二?；^定在膜上的一種分子較小、單體鳥氨酸結(jié)合蛋白。當(dāng)RasG與GDP解離而與GTP結(jié)合并被激活時，Ras蛋白被活化，介導(dǎo)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。并最終激活促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen activated protein kinase, MAPK）后者磷酸化細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子,調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖所需基因的打開與關(guān)閉。, G蛋白激活：GTP與G相結(jié)合 G蛋白失活：GTP酶水解GTP,G蛋白活性的調(diào)節(jié),L型鈣通道磷酸化心肌收縮力,（腺苷酸環(huán)化酶）,1、Gs ACcAMP-PKA,磷酸化酶激酶磷酸化糖原,（核外）,PKA,（核內(nèi)）,cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白

5、磷酸化促進(jìn)與靶基因中的,cAMP反應(yīng)元件結(jié)合激活靶基因轉(zhuǎn)錄,2、Gi ACcAMP,PKA 蛋白磷酸化,Adenylyl cyclase signal transduction pathway,4、GqPLC,PLC,DAGPKC,基因表達(dá)與細(xì)胞增殖,平滑肌鈣通道磷酸化激活電壓依賴性鈣通道胞外鈣內(nèi)流,IP3平滑肌和心肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/肌漿網(wǎng)上 IP鈣通 道開放，Ca2+鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶,3、G蛋白-其他磷脂酶途徑,磷脂酶A2花生四稀酸,GPCR,磷脂酶D磷脂酸和膽堿,（二酰基甘油 ）,靶蛋白 磷酸化,Phospholipase C signal transduction pathway,5、激活

6、MAPK家族成員的信號通路,刺激,生長因子， 絲裂原，GPCR,應(yīng)激，促炎細(xì)胞因子， 生長因子，GPCR,MAPKKK,Raf,Mos,Tp12,MLK3,TAK DLK,MEKK1,4, MLK3,ASK1,MAPKK,MEK1/2,MKK3/6,MKK4/7,MAPK,ERK1/2,p38MAPK,JNK1,2,3/SAPK,生物效應(yīng),生長、分化、發(fā)育,炎癥反應(yīng)、凋亡、生長、分化,G protein coupled receptor(GPCR)can activate MAPK,6、PI-3K-PKB通路,磷脂酰肌醇-3激酶 （phosphatidylinositol 3-kinase）活

7、化后PDK蛋白激酶PKB（蛋白激酶B），參與糖代謝的調(diào)節(jié)和細(xì)胞的變形和運(yùn)動、促進(jìn)細(xì)胞存活、抗凋亡。,7、離子通道途徑,GPCR配體可直接或間接調(diào)節(jié)離子通道的活性，參與對神經(jīng)和心血管組織功能的調(diào)節(jié)。,雖然其它膜受體均具有各自的傳導(dǎo)通路。由于細(xì)胞的受體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，導(dǎo)致有不同受體共用信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的現(xiàn)象。,（二）、核受體及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,核受體（nuclear receptor）：位于胞漿或核內(nèi)，與 配體結(jié)合后啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并影響基因轉(zhuǎn)錄的細(xì)胞內(nèi)受體。 屬配體依賴的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。按結(jié)構(gòu)與功能可將其分為：,.類固醇激素受體家族：糖、鹽皮質(zhì)激素、性激素受體等。 除雌激素受體位于核內(nèi)，其

8、余均位于核外與熱休克蛋白 （heat shock protein, HSP）結(jié)合存在，處于非活化狀態(tài)。,.甲狀腺素受體家族： 甲狀腺素、維生素D和維甲酸受體 等。此類受體位于核內(nèi)，不與HSP結(jié)合，配體入核與受體 結(jié)合后，激活受體調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。,第二節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)節(jié),1、通過配體調(diào)節(jié)：細(xì)胞外信號與受體結(jié)合可導(dǎo)致受體激活，細(xì)胞內(nèi)信使分子能激活細(xì)胞內(nèi)受體和蛋白激酶。,2、通過G蛋白調(diào)節(jié)：G 蛋白是一類能與GTP或GDP結(jié)合，具有GTP酶的活性蛋白。由、三個亞基組成，激活的G 蛋白能介導(dǎo)多種受體引發(fā)的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。是跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的“分子開關(guān)”。,一、控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白活性的方式,3、通過

9、可逆磷酸化調(diào)節(jié)：,一些信號在細(xì)胞內(nèi)傳遞是通過磷酸化的級聯(lián)反應(yīng)來進(jìn)行的。例如；絲裂原激活的蛋白激酶家族。,二、受體,Up - regulation,Down - regulation,同特異性調(diào)節(jié):,特異性調(diào)節(jié)：由于甲狀腺素可使心肌2受體明顯甲亢 患者心悸。,、同特異性調(diào)節(jié)與異特異性調(diào)節(jié)：,1、受體數(shù)量的調(diào)節(jié),當(dāng)配體濃度發(fā)生明顯而持續(xù)變化時，可已改變自身受體或其他受體的數(shù)量,、膜受體介導(dǎo)的內(nèi)吞與受體的再循環(huán),、受體合成或/和分解速度,在高濃度激動劑長時間作用下膜受體的內(nèi)化降解受體數(shù)量受體對配體的敏感性,配體,Gs,Gs,抑制蛋白,P,P,抑制蛋白,P,PKA,GRK,內(nèi)吞,受體磷酸化,低pH,溶

10、酶體,降解,2腎上腺素受體的磷酸化、內(nèi)吞和再循環(huán),受體磷酸化-脫磷酸化是調(diào)節(jié)受體親和力的最普遍和最重要的方式。,2、受體親和力調(diào)節(jié),、受體的磷酸化：,在受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中激活的蛋白激酶可反過來使同種或異種受體磷酸化，導(dǎo)致受體與配體的親和力降低。能使受體磷酸化的蛋白激酶分為受體特異性的蛋白激酶G-蛋白耦聯(lián)受體激酶(G-protein-coupled receptor kinases GRKs)，該酶只能使GPCR磷酸化.和非受體特異性的蛋白激酶PKA和PKC，它們可無選擇性的磷酸化含有PKA和PKC作用位點的受體，如PKC可使表皮生長因子（EGF）受體第654位的蘇氨酸殘基磷酸化該受體的親

11、和力等。,、受體的寡聚體化,當(dāng)由單體形成相同或不同寡聚體時與配體結(jié)合的親和力增高。如；生長因子受體或細(xì)胞因子受體。,、受體的變構(gòu),受體發(fā)生變構(gòu)可使受體的親和力降低或升高。如GABAA受體是GABA門控的離子通道，由、5個亞單位構(gòu)成。它不僅該能與GABA結(jié)合，還能與巴比妥類、苯二氮卓類和乙醇結(jié)合。苯二氮卓類與GABAA受體結(jié)合后與GABA結(jié)合部位變構(gòu)受體與GABA結(jié)合的親和力增高。,信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對靶蛋白調(diào)節(jié)的最重要的方式也是可逆性的磷酸化調(diào)節(jié)。 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中激活的蛋白激酶(如PKA、PKC、MAPK家族成員等)或磷酸酶能通過對各種效應(yīng)蛋白(如代謝酶、離子通道、離子泵、運(yùn)輸?shù)鞍住⒐羌艿鞍椎?進(jìn)行

12、可逆的磷酸化修飾，快速調(diào)節(jié)它們的活性和功能，導(dǎo)致神經(jīng)的興奮和抑制、肌肉的收縮、離子的轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝變化等效應(yīng)。 跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路還可通過對轉(zhuǎn)錄因子的可逆磷酸化修飾調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性。,三、信號對靶蛋白的調(diào)節(jié),第二節(jié) 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的原因和發(fā)生環(huán)節(jié),一、原因,（一）、生物學(xué)因素,1、通過膜受體激活細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)通路,屬型膜蛋白受體的Toll樣受體（Toll like receptor ,TLR） 是一類病原體識別相關(guān)的受體,其胞內(nèi)部分與IL-1受體同源,當(dāng)病原體感染機(jī)體后可通過該家族成員激活細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。,2、直接干擾細(xì)胞內(nèi)的信號通路,霍亂毒素選擇性的催化Gs亞基的精氨酸201核糖Gs的GTP酶活性

13、不能使結(jié)合的GTP水解成GDPGs處于不可逆性激活狀態(tài) AC cAMP（達(dá)100倍）小腸上皮細(xì)胞膜蛋白構(gòu)型改變 水分子與氯離子轉(zhuǎn)運(yùn)到腸腔增多 腹瀉與脫水，重者發(fā)生循環(huán)衰竭。,（二）、理化因素,1、化學(xué)性因素：如；多環(huán)芳烴類化合物-鳥氨酸加合物小鼠小G蛋白K-Ras基因12和13密碼子突變，Ras的GTP酶活性Ras處于與GTP結(jié)合的持續(xù)激活狀態(tài)， Ras Raf（又稱MAPK kinase kinase ,MAPKKK）- MEK(又稱MAPK kinase,MAPKK) - ERK (extracellular-signal regulated kinase細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶。)通路 細(xì)胞異

14、常增殖。,2、物理性因素：,機(jī)械刺激、電離輻射也可激活細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械刺激可促進(jìn)細(xì)胞的生長、分化和功能。但刺激強(qiáng)度過大或作用時間過長，可對細(xì)胞造成損傷。如；心肌的牽張刺激和血流切應(yīng)力對血管的刺激可激活PKC、ERK（extracellular-signal regulated kinase ）等。,（三）、遺傳因素：,染色體異常和編碼信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因突變，其表現(xiàn)形式呈現(xiàn)異質(zhì)性，或缺失、或插入突變或點突變。突變可發(fā)生在結(jié)構(gòu)基因也可發(fā)生在基因的調(diào)節(jié)序列，突變的結(jié)果為：,1、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的數(shù)量改變 基因高表達(dá)或 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的降介減少增多反之減少,2、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白功能改變,、失

15、活性突變 可出現(xiàn)受體與配體結(jié)合障礙、酶活性喪失（酪氨酸蛋白激酶型受體（RTK）、核受體的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能喪失等；結(jié)果導(dǎo)致靶細(xì)胞對特定信號不敏感。如促甲狀腺激素受體(TSHR)的失活性突變可使甲狀腺細(xì)胞對TSH不敏感TSH抵抗怔甲狀腺功能減退。,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，又稱為組成型激活突變（constitutively activated mutation）。如；常染色體顯形遺傳的甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)患者中發(fā)現(xiàn)有TSHR的激活性突變，使甲狀腺素甲亢。,、功能獲得性突變,（四）、免疫學(xué)因素,1、 受體抗體的產(chǎn)生原因和機(jī)制,由于患者體內(nèi)產(chǎn)生了抗某種自身抗體而導(dǎo)致的疾病被稱為自身免疫

16、性受體病，屬自身免疫性疾病。如重癥肌無力和自身免疫性甲狀腺病后者可分為毒性甲狀腺腫（Graves病，表現(xiàn)為甲亢）及慢性淋巴細(xì)胞性甲狀腺炎（甲減）橋本病，其機(jī)制目前尚未清楚。,2、抗受體抗體的類型,、刺激性抗體： 、阻斷性抗體：,機(jī)體在缺血、缺氧、炎癥創(chuàng)傷等持續(xù)應(yīng)急狀態(tài)下，自穩(wěn)調(diào)節(jié)紊亂并導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)、激素、細(xì)胞因子、炎癥介質(zhì)等大量釋放，可引起某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的過度激活和某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙。,（五）、內(nèi)環(huán)境因素,二、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的發(fā)生環(huán)節(jié),在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中任何一個環(huán)節(jié)從無論是在信號的發(fā)放、接收、還是信號在細(xì)胞內(nèi)的傳遞直至作用靶蛋白出現(xiàn)效應(yīng)出現(xiàn)障礙時，都會影響最終的效應(yīng)。,第三節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾

17、病,一、受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與疾病,受體數(shù)量減少或親和力降低可導(dǎo)致靶細(xì)胞對配體的敏 感性降低，而受體缺失或失活可使靶細(xì)胞對特定配體完全 喪失反映能力，這是導(dǎo)致某種激素的抵抗癥的主要原因。 而受體后信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的缺陷可使特定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過 程減弱或中斷，又不能啟動其它轉(zhuǎn)導(dǎo)通路代償，將會造成 靶細(xì)胞對該信號的敏感性降低或喪失，導(dǎo)致相關(guān)的代謝和 功能障礙，引起疾病。,胰島素受體（insulin receptor, IR）為酪氨酸蛋白激酶型受體。該受體是由50多種跨膜受體組成的超家族。胰島素insulin與IR受體結(jié)合后導(dǎo)致受體的酪氨酸蛋白激酶（protein tyrosine kinase，TPK）激活

18、，該酶通過胰島素受體底物(IRS)激活PI-3K及Ras-Raf-MEK-EGK等多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)揮作用：,例 胰島素抵抗性糖尿病,Leprechaunism 綜合癥 Rabson-Mendenhall 綜合癥 A型胰島素抵抗癥,目前發(fā)現(xiàn)胰島素受體基因突變導(dǎo)致該病的發(fā)生，基因突變的類型有五十余種，以點突變?yōu)橹?，具有明顯的異質(zhì)性，突變后受體合成，受體往細(xì)胞膜運(yùn)輸受阻，受體與胰島素親和力、PTK活性，受體降解，靶細(xì)胞對胰島素的反應(yīng)嚴(yán)重高血糖和高胰島素血癥外，多伴有黑色棘皮和多毛癥，面容丑陋，一般具有家族史。,3、使基因表達(dá)，蛋白質(zhì)合成，促進(jìn)細(xì)胞的增殖。,2、激活糖原合成酶糖原合成,1、促進(jìn)葡萄糖

19、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4轉(zhuǎn)位到膜上外周組織攝 取葡萄糖的能力,二、受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過度激活與疾病,某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的過度表達(dá) 基因突變使某信號蛋白成為異常的不受控制的激活狀態(tài) 某種抗受體抗體能夠持續(xù)性刺激受體,該類疾病在成人表現(xiàn)為肢端肥大癥，兒童表現(xiàn)為巨人癥。,30%-40%的患者是由于編碼Gs的基因發(fā)生點突變所致。其特征是Gs的精氨酸201為半胱氨酸或組氨酸所取代，或谷氨酸227為精氨酸或亮氨酸所取代，這些突變抑制了GTP酶活性，使Gs處于持續(xù)激活狀態(tài)，AC活性升高，cAMP含量增加，垂體細(xì)胞生長腺瘤同時GH分泌過多。,其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是Gs過度激活導(dǎo)致的GHRH和生長抑素對GH分泌的調(diào)節(jié)失衡。,三

20、、多個環(huán)節(jié)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病,以高血壓導(dǎo)致心肌肥厚為例，說明多個環(huán)節(jié)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常在疾病發(fā)展中的作用。,高血壓血管的改變主要為血管收縮、血管平滑肌細(xì)胞的增殖、肥大以及結(jié)締組織含量增加所致的血管阻力增加。長期的血管阻力增加可使左心壓力負(fù)荷過重，導(dǎo)致左心心肌肌細(xì)胞基因表達(dá)增強(qiáng)，RNA和蛋白質(zhì)合成增加，使心肌細(xì)胞肥大。在心肌細(xì)胞肥大的同時還可有細(xì)胞外基質(zhì)成分以及血管的結(jié)構(gòu)改變，稱為心肌的重建或重塑(remodeling)，它們的發(fā)生都與高血壓時促細(xì)胞增殖的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常有關(guān)。,高血壓時心肌肥厚的發(fā)生和發(fā)展涉及多種促心肌肥厚的信號:,牽拉刺激 機(jī)械性的牽拉刺激不僅可直接導(dǎo)致信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)的改變，造

21、成心肌細(xì)胞增殖，還能促進(jìn)全身或局部分泌血管活性物質(zhì)，生長因子和細(xì)胞因子等。 激素信號 縮血管物質(zhì)分泌增多，通過GPCR，發(fā)揮很強(qiáng)的促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖的作用。 局部體液因子 牽拉刺激和一些激素信號可導(dǎo)致心肌組織中生長因子和細(xì)胞因子如TGF、FGF等合成分泌增多。 上述這些信號可激活以下信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:,牽拉刺激,激素信號,局部體液因子,激活PLC-PKC,激活MAPK家族,胞內(nèi)Na+、Ca2+增高,PLC,DAG,IP3,PKC,基因表達(dá)與 細(xì)胞增殖,ERK、JNK和p38,生長 分化 發(fā)育,炎凋生 癥亡長 反分 應(yīng)化,平滑肌和心肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng) /肌漿網(wǎng)鈣通道開放,激活Ca-鈣調(diào)蛋白 依賴性蛋白激酶,Na+/H+交換蛋白, ERK cascade is one of the important pathway.,Recep