生物細胞學課件：第9章 細胞信號轉(zhuǎn)導

1、第9章 細胞信號轉(zhuǎn)導細胞信號轉(zhuǎn)導（Signal Transduction Pathways）參與并調(diào)控了細胞的大多數(shù)生命活動，是生命科學研究近二十年來研究最活躍的領(lǐng)域。本章主要內(nèi)容細胞信號轉(zhuǎn)導概述細胞內(nèi)受體介導的信號傳遞細胞表面受體介導的信號傳遞G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號傳遞酶聯(lián)受體介導的信號傳遞其它細胞表面受體介導的信號傳遞A signaling molecule activates a specific receptor on the cell membrane or in the cell.A second messenger transmits the signal, eliciting

2、 a physiological response.Conversion of information from one form into another第一節(jié) 細胞信號轉(zhuǎn)導概述細胞通訊 cell communication 步驟與功能Figure 15-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、細胞通訊細胞通訊的方式化學信號通訊接觸依賴性通訊（contact-dependent signaling）間隙連接（gap junction）胞間連絲（plasmodesma）細胞分泌化學信號通訊方式內(nèi)分泌旁分泌化學突觸自分泌二

3、、幾個基本概念信號分子（配體, Ligand）受體（Receptor）第二信使（Second messanger）分子開關(guān)（Molecular switch）1. 化學信號分子氣體性信 號分子：NO、CO疏水性信號分子：主要是甾類激素和甲狀腺素親水性信號分子：神經(jīng)遞質(zhì)、局部介質(zhì)和多數(shù)蛋白類激素2. 受體細胞內(nèi)受體（intracellular recepor）細胞表面受體（cell-surface receptor）離子通道偶聯(lián)受體（ion channel-coupled receptor） G 蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptor， GPCR） 酶聯(lián)受體（enzy

4、me-linked receptors）細胞表面受體轉(zhuǎn)導胞外信號引發(fā)快反應(yīng)和慢反應(yīng)Figure 15-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)不同靶細胞以不同方式應(yīng)答于相同化學信號Figure 15-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)假受體對信號轉(zhuǎn)導通路的調(diào)控假受體DcR1和DcR2通過結(jié)合TRAIL配體，抑制細胞凋亡信號通路的激活3. 第二信使 (Second Messager)第二信使 學說（second messenger theory）目前公

5、認的第二信使：cAMP、cGMP、Ca2+、DAG、IP3、PIP34. 分子開關(guān)（Molecular switch）GTPase 超家族：三聚體GTP 結(jié)合蛋白單體 GTP 結(jié)合蛋白4. 分子開關(guān)（Molecular switch）通過蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化，通過蛋白磷酸水解酶（protein phosphatase）使靶蛋白去磷酸化，從而調(diào)節(jié)靶蛋白的活性KinasePhosphatase蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化4. 分子開關(guān)鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）Ca2+ 的結(jié)合或解離三、信號系統(tǒng)及其特性Figure 15-1 Molecular Biolog

6、y of the Cell ( Garland Science 2008)（一）信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)基本組成及信號蛋白相互作用細胞表面受體介導的信號通路5 個步驟組成：受體特異性識別并結(jié)合胞外信號分子， 形成受體配體復合物，導致受體激活受體構(gòu)象改變，導致信號初級跨膜轉(zhuǎn)導，靶細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使或活化的信號蛋白胞內(nèi)第二信使或胞內(nèi)信號蛋白復合物裝配，起始胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應(yīng)細胞應(yīng)答反應(yīng)受體脫敏或受體下調(diào)，終止或降低細胞反應(yīng)（二）細胞內(nèi)信號蛋白復合物的裝配（三）從信號通路到信號網(wǎng)絡(luò)細胞信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)的整合與控制1、細胞的應(yīng)答反應(yīng)特征細胞對信號的應(yīng)答反應(yīng)具有發(fā)散性或收斂性特征2、蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息“交叉對話

7、”（cross talk）3、信號的控制：受體的脫敏與下調(diào)受體沒收（receptor sequestration）受體下調(diào)（receptor down-regulation）受體失活（receptor inactivation）信號蛋白失活（inactivation of signaling protein）抑制性蛋白產(chǎn)生（production of inhibitory protein）（四）信號系統(tǒng)的主要特性1）特異性2）放大效應(yīng)3）網(wǎng)絡(luò)化與反饋調(diào)節(jié)機制4）整合作用1. 檢測信號通路的激活和抑制（1）luciferase報告基因系統(tǒng)（2）目標基因的表達（3）信號通路關(guān)鍵蛋白的激活（磷酸化，

8、泛素化）2. 尋找相互作用的蛋白（1）酵母雙雜交篩選（2）蛋白純化與質(zhì)譜分析（3）免疫共沉淀技術(shù)五、細胞信號轉(zhuǎn)導的主要研究方法第二節(jié) 細胞內(nèi)受體介導的信號傳遞親脂性小分子類固醇激素、視黃酸、 維生素D 和甲狀腺素受體在細胞核內(nèi)脂溶性氣體分子NO受體具有鳥苷酸環(huán)化 酶活性個別親脂性小分子（如前列腺素）受體在細胞質(zhì)膜上Figure 15-3b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、細胞內(nèi)核受體及其對基因表達的調(diào)節(jié)3 個功能域C 端激素結(jié)合結(jié)構(gòu)域中部DNA 或Hsp90 結(jié)合結(jié)構(gòu)域N 端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域激素核受體復合物與激素反應(yīng)元

9、件（HRE）結(jié) 合，誘導基因活化 快速的初級反應(yīng)階段 延遲的次級反應(yīng)階段二、NO 氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合NO 在導致血管平滑肌舒張中的作用硝酸甘油 Nitroglycerin炸藥？抗心絞痛藥 ？舌下含化？為啥不是口服？/warning_filled_with_dynamite_nitroglycerin_postcard-239083027157867236/science/article/pii/S0301008298000719Viagra (偉哥) inhibits the enzyme PDE枸櫞酸西地那非(sildenafil citrate)：一種對環(huán)磷酸鳥苷（cGMP

10、）特異的5型磷酸二酯酶（PDE5）選擇性抑制劑NO激活鳥苷酸環(huán)化酶導致環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）水平增高，使陰莖海綿體內(nèi)平滑肌松弛，血液充盈/phr150/Viagra/howitworks.htmlhttp:/www.topnews.in/health/viagra-may-cause-hearing-loss-27477第三節(jié) G蛋白偶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptors， GPCR）是細胞表面受體中最大的多樣性家族哺乳類三聚 體G 蛋白的主要種類及其效應(yīng)器G 類型結(jié)合的效應(yīng)器第二信使受體舉例Gs腺苷酸環(huán)化酶cAMP（升高） 腎上腺素受體

11、，胰高血糖素受體，血中復合胺受體，后葉加壓素受體Gi 腺苷酸環(huán)化酶 K+ 通道（G 激活效應(yīng)器）cAMP（降低） 膜電位改變1 腎上腺素受體 M 乙酰膽堿受體Golf腺苷酸環(huán)化酶cAMP（升高）嗅覺受體（鼻腔）Gq磷脂酶CIP3，DAG（升高） 2 腎上腺素受體Go磷脂酶CIP3，DAG（升高） 乙酰膽堿受體（內(nèi)皮細胞）GtcGMP 磷酸二酯酶cGMP（降低）視桿細胞中視紫紅質(zhì)（光受體）一、G 蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)與激活含有7 個疏水肽段形成的跨膜 螺旋區(qū)和相似的三維結(jié)構(gòu)，N 端在細胞外側(cè)，C 端在胞質(zhì)側(cè)G蛋白結(jié)構(gòu)三聚體GTP 結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白由G、G、Gr 三個亞基組成現(xiàn)已知人類 基因組至少編碼2

12、7 種G 亞基，5 種G 亞 基和13 種G 亞基二、G 蛋白偶聯(lián)受體所介導的細胞信號通路G 蛋白偶聯(lián)受體分為3類激活離子通道激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶，以cAMP 為第二信使激活磷脂酶C ，以IP3 和DAG 作為雙信使/life-science/cell-biology/learning-center/pathway-slides-and/diversity-of-g-protein-coupled-receptor-signal-tdp.html（一）激活離子通道的G 蛋白偶聯(lián)受體所介導的信 號通路心肌細胞上M 乙酰膽堿受體激活G 蛋白開啟 K+ 通道（一）激活離子通道的G 蛋白偶聯(lián)受體所介

13、導的信 號通路Gt 蛋白偶聯(lián)的光敏感受體的活化誘發(fā)cGMP 門控陽離子通道的關(guān)閉（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G 蛋白偶聯(lián)受體受體：刺激性激素的受體；抑制性激素的受體G蛋白：刺激性G 蛋白；抑制性G 蛋白腺苷酸環(huán)化酶（AC）腺苷酸環(huán)化酶（AC）和環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶腺苷酸環(huán)化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降 解cAMP 生成5-AMP，導致細胞內(nèi)cAMP 水平下降蛋白激酶A（protein kinase A， PKA）PKA 是含有2 個調(diào)節(jié)亞基和2 個催化亞基四聚體，每個R 亞基上有2 個cAMP 結(jié)合位點cAMP與調(diào)

14、節(jié)亞基結(jié)合，使調(diào)節(jié)亞基和催化亞基解離，釋放出催化亞基，激活蛋白激酶A1. cAMP-PKA 信號對與糖原代謝2. cAMP-PKA 信號通路與基因表達調(diào)控Question為什么不同的信號(配體)通過類似的機制會引發(fā)多種不同的細胞反應(yīng)?（三）激活磷脂酶C、以IP3 和DAG 作為雙信使 G 蛋白偶聯(lián)受體介導的信號通路磷脂酰肌醇代謝途徑磷脂酰肌醇4-磷酸-磷脂酰肌醇4,5-二磷酸-磷脂酰肌醇三磷酸肌醇二酰甘油IP3-Ca2+ 和DAG-PKC 雙信使信號通路 1. IP3-Ca2+ 信號通路與鈣火花Ca2+-CaM-CaM kinaseFigure 15-44 Molecular Biology

15、of the Cell ( Garland Science 2008)2. DAG-PKC 信號通路PKC 是Ca2+ 和磷脂 酰絲氨酸依賴性的絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶“短期生理效應(yīng)”“長期生理效應(yīng)”第四節(jié) 酶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導受體酪氨酸 激酶受體絲氨酸/ 蘇氨酸激酶受體酪氨酸磷 酸酯酶受體鳥苷酸環(huán)化酶酪氨酸蛋白激酶聯(lián)受體一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras 蛋白信號通路RTK包括7 個亞族絕大多數(shù)RTK 是單體跨膜蛋白N 端位于細胞外，是配體結(jié)合域，C 端位于胞內(nèi)，具有酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，并具有自磷酸化 位點受體酪氨酸激酶激活在靜息狀態(tài) RTK 活性很低，當受體二聚化后，激活受體的蛋白酪氨酸激

16、酶活性，進而在二聚體內(nèi)彼此交叉磷酸化激活的RTK 內(nèi)的磷酸酪氨酸殘基可被含SH2 結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)信號蛋白所識別， 啟動信號傳導Ras 蛋白的活化活化的RTK激活Ras蛋白生長因子受體結(jié)合蛋白GRB2，具有SH2 結(jié)構(gòu)域，可直接與活化受體特 異性磷酸酪氨酸殘基結(jié)合，GRB2 還具有兩個SH3 結(jié) 構(gòu)域，能結(jié)合并激活另一種胞質(zhì)蛋白Ras-GEF（son of sevenless，Sos）Sos 蛋白具有鳥苷酸交換因子活性，它與Ras 結(jié)合導致構(gòu)象改變，使非活性的 Ras-GDP 轉(zhuǎn)換成有活性的Ras-GTPRas-MAPK 通路配體 RTK Ras Raf（MAPKKK） MAPKK MAPK 進入

17、細胞核其他激酶或基因調(diào)控蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）的磷酸化修飾，對基因表達產(chǎn)生多種效應(yīng)Ras-MAPK 通路信號通路及其功能信號通路信號分子生物學功能核受體信號通路各種激素功能多樣NO信號通路NO舒張血管，促進記憶GPCR信號通路蛋白或多肽，神經(jīng)遞質(zhì)，嗅覺、味覺、視覺信號等感知外界信號、代謝、神經(jīng)信號傳遞肌肉收縮等等酪氨酸激酶受體通路胰島素，細胞生長因子等等能量代謝，細胞的生長和分化PI3K-PKB信號通路細胞因子能量代謝，細胞的生長和分化TGF-信號通路TGF細胞增殖、分化、創(chuàng)傷愈合、骨重建、免疫調(diào)節(jié)等等JAK-STAT信號通路細胞因子細胞增殖、分化、遷移、凋亡、免疫反應(yīng)等等WNT信號通路WNT糖蛋白

18、胚胎發(fā)育、腫瘤和神經(jīng)退行性疾病等Hedgehog信號通路Hedgehog胚胎發(fā)育、細胞增殖和分化、腫瘤NF-B信號通路TNF家族和各種病原物炎癥反應(yīng)、免疫系統(tǒng)發(fā)育、抗凋亡等等TOLL樣受體信號通路細菌和病毒抗菌抗病毒反應(yīng)Integrin信號通路細胞外基質(zhì)細胞生長、運動、分化和存活等DNA損失修復信號通路DNA損傷細胞周期阻滯、凋亡、DNA修復本章小結(jié)一、細胞信號轉(zhuǎn)導概述細胞內(nèi)各種生物活性分子互相協(xié)作互相調(diào)節(jié)以實現(xiàn)特定的生物學功能，從而形成了細胞信號轉(zhuǎn)導的網(wǎng)絡(luò)。細胞通訊基本概念：信號分子、受體、第二信使、分子開關(guān)。信號傳遞系統(tǒng)的特性（1）信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)的基本組成（2）細胞內(nèi)蛋白復合物的裝配（3）細

19、胞信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)的整合與控制（4）信號轉(zhuǎn)導通路的特性：特異性、放大效應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)化與反饋調(diào)節(jié)、整合作用二、細胞內(nèi)受體介導的信號轉(zhuǎn)導通路：核受體、NO介導的信號通路三、細胞表面受體介導的信號轉(zhuǎn)導通路G蛋白歐聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導通路酶聯(lián)受體介導的信號轉(zhuǎn)導通路：RTK-Ras蛋白信號轉(zhuǎn)導通路其它受體介導的信號通路Thank you!二、PI3K-PKB 信號通路三、TGF- -Smad 信號通路四、細胞因子受體與JAK-STAT 信號通路促紅細胞生成素（Epo）信號通路第五節(jié) 其他細胞表面受體介導的信號通路一、Wnt- -catenin 信號通路二、Hedgehog 信號通路三、整聯(lián)蛋白介導的信號通路四、

20、Notch-Delta 信號通路Antiviral Immune ResponseVirus InfectionInnate ImmunityAdaptive Immunity干擾素細胞因子炎癥反應(yīng)細胞免疫體液免疫Nobel Prize 2011北京時間10月3日下午5點30分，2011年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉，美國、法國、加拿大三位科學家因在免疫學方面的發(fā)現(xiàn)獲獎。其中一半的獎金歸于Bruce A. Beutler和Jules A. Hoffmann，獲獎理由是“先天免疫激活方面的發(fā)現(xiàn)”；另一半獎金歸于Ralph M. Steinman，獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)樹突狀細胞及其在獲得性免疫中的作用”。

21、 今年的諾獎得主發(fā)現(xiàn)了免疫系統(tǒng)激活的關(guān)鍵原理，從而徹底革新了我們對免疫系統(tǒng)的認識。Innate Immune ResponseRichard J. Ulevitch. Nature Reviews Immunology 4, 512-520. Adaptive Immune ResponseCopyright 2002-2008 Guangzhou Institutes of Biomedicine and Health,Chinese Academy of SciencesNF-B Signaling PathwayTOLL Like Receptor Signaling PathwayRu

22、slan Medzhitov. Nature Reviews Immunology 1, 135-145.TOLL Like Receptor Signaling PathwayVariety of TLR-recognized PathogensRuslan Medzhitov. Nature Reviews Immunology 1, 135-145.肽聚糖脂蛋白脂阿拉伯甘露聚糖脂多糖GPI酵母聚糖脂多糖（G-）脂磷壁酸（G+）RSV雙鏈RNA鞭毛蛋白未甲基化的CpG DNARIG-I Signaling PathwaySignaling Pathways in Innate Immuni

23、tyNF-kB TLR Signaling PathwayRIG-I Signaling PathwayCytokinesIRFs InterferonsInterleukinsChemokinsCytokinesAntigen presentationAnti-microbeInflammation（一）激活離子通道的G 蛋白偶聯(lián)受體所介導的信 號通路心肌細胞上M 乙酰膽堿受體激活G 蛋白開啟 K+ 通道（一）激活離子通道的G 蛋白偶聯(lián)受體所介導的信 號通路視紫紅質(zhì)為7次跨膜蛋白，由視蛋白和視黃醛組成光信號Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞內(nèi)cGMP減少Na+離子通道關(guān)閉離子濃度下降膜

24、超極化神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少視覺反應(yīng)（二）激活或抑制腺苷酸環(huán)化酶的G 蛋白偶聯(lián)受體An overview of Ca2+ regulatory in cellsHuman Immune systemExamples of Src homology 2 (SH2)-domain-containing proteins/fulltext_content/ERM/ERM6_03/S1462399404007331sup002.htm蛋白質(zhì)模式結(jié)合 域（modular binding domain）SH2 結(jié)構(gòu)域（Src homology 2 domain）快速的初級反應(yīng)和延遲的次級反應(yīng)Figure 15-

25、15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Nitric Oxide Crosses the Plasma Membrane andActivates Intracellular Enzymes DirectlySignaling pathways in the cell are much more complexSignaling pathways in the cell are much more complexSignaling pathways in the cell are much more complexTren

26、ds in Biochemical Sciences (TiBS) Signaling pathways in the cell are much more complex霍亂毒素霍亂毒素致病機制Clemens, J. et al. (2011) New-generation vaccines against choleraNat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. doi:10.1038/nrgastro.2011.174Nature Reviews Microbiology 7, 110-119 (February 2009)doi:10.1038/nrmicro2053The mechanism of action of pertussis toxin (Rappuoli et al, 1991).The pertussis exotoxin (PT)T