第9章細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

第9章細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)主講：張東旭副教授電話mail:154007630@英國(guó)玄學(xué)派詩(shī)人JohnDonne:“Nomanisanisland”

Cell:NocellisanislandNobelprizesawardedforresearchinsignaltransduction

2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.NurseM&PkeyregulatorsofthecellcycleS.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&PApoptosis2004LindaBuck,RichardAxelM&PsmellGenetranscriptionCellproliferationCellsurvivalCelldeathCelldifferentiationCellfunctionCellmotilityImmuneresponsesFUNCTIONSOFCELLSIGNALTRANSDUCTION第一節(jié)細(xì)胞通訊概述一、細(xì)胞通訊二、信號(hào)分子與受體一、細(xì)胞通訊細(xì)胞通訊（cellcommunication）是體內(nèi)一部分細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，另一部分細(xì)胞（targetcell）接收信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞功能變化的過(guò)程。細(xì)胞針對(duì)外源信息所發(fā)生的細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)變化及效應(yīng)的全過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）。

（一）細(xì)胞通訊的方式1.化學(xué)通訊細(xì)胞分泌一些化學(xué)物質(zhì)（如激素）至細(xì)胞外，作為信號(hào)分子作用于靶細(xì)胞，調(diào)節(jié)其功能，可分為4類(lèi)。內(nèi)分泌：內(nèi)分泌激素隨血液循環(huán)輸至全身，作用于靶細(xì)胞。特點(diǎn)：①低濃度（10-8-10-12M

），②全身性，③長(zhǎng)時(shí)效。旁分泌：信號(hào)分子通過(guò)擴(kuò)散作用于鄰近的細(xì)胞。包括：①各類(lèi)細(xì)胞因子；②氣體信號(hào)分子。自分泌：信號(hào)發(fā)放細(xì)胞和靶細(xì)胞為同類(lèi)或同一細(xì)胞，常見(jiàn)于癌變細(xì)胞。突觸信號(hào)發(fā)放：神經(jīng)遞質(zhì)經(jīng)突觸作用于靶細(xì)胞。2.細(xì)胞間接觸依賴(lài)性的通訊即細(xì)胞識(shí)別，如：精子和卵子之間的識(shí)別，T與B淋巴細(xì)胞間的識(shí)別，胚胎上皮細(xì)胞發(fā)育成神經(jīng)系統(tǒng)。3.細(xì)胞間隙連接連接子中央為直徑1.5nm的親水性孔道，允許小分子如Ca2+、cAMP通過(guò)。作用：協(xié)同相鄰細(xì)胞對(duì)外界信號(hào)的反應(yīng)，如可興奮細(xì)胞的電耦聯(lián)現(xiàn)象(電緊張突觸)。connexon胞間連絲plasmodesmaplasmodesma二、信號(hào)分子與受體（一）信號(hào)分子定義：信號(hào)分子是指生物體內(nèi)的某些化學(xué)分子,既非營(yíng)養(yǎng)物,又非能源物質(zhì)和結(jié)構(gòu)物質(zhì),而且也不是酶,它們主要是用來(lái)在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)傳遞信息,如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長(zhǎng)因子等統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)分子,它們的惟一功能是同細(xì)胞受體結(jié)合,傳遞細(xì)胞信息。類(lèi)別：親脂性、親水性。成分：短肽、蛋白質(zhì)、氣體分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂類(lèi)、膽固醇衍生物。特點(diǎn)：①特異；②高效；③可被滅活。（二）受體（receptor）定義：受體是一種能夠識(shí)別和選擇性結(jié)合某種配體（信號(hào)分子）的大分子，多為糖蛋白，少數(shù)為糖脂，或糖蛋白與糖脂組成的復(fù)合物，其分子上具有配體結(jié)合區(qū)域和產(chǎn)生效應(yīng)區(qū)域。特點(diǎn)：①特異性；②飽和性；③高度的親和力。類(lèi)別：細(xì)胞內(nèi)受體和細(xì)胞表面受體。細(xì)胞對(duì)信號(hào)的反應(yīng)不僅取決于其受體的特異性，而且與細(xì)胞的固有特征有關(guān)。相同信號(hào)可產(chǎn)生不同效應(yīng)：如Ach可引起骨骼肌收縮、心肌收縮頻率降低，唾腺細(xì)胞分泌。不同信號(hào)可產(chǎn)生相同效應(yīng)：如腎上腺素、胰高血糖素，促進(jìn)肝糖原降解而升高血糖。（三）第二信使與分子開(kāi)關(guān)第二信使為第一信使作用于靶細(xì)胞后在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的信息分子，第二信使將獲得的信息增強(qiáng)，分化，整合并傳遞給效應(yīng)器才能發(fā)揮特定的生理功能或藥理效應(yīng)。主要包括：cAMP，cGMP，Ca2+，二酰甘油（DAG），1,4,5-肌醇三磷酸（IP3），NO等。1971年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主EarlW.Sutherland美國(guó)

Vanderbilt大學(xué)

1915年--1974年激素作用的第二信使學(xué)說(shuō)。1994年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

AlfredG.Gilman吉爾曼（美國(guó)）

MartinRodbell羅德貝爾（美國(guó)）發(fā)現(xiàn)G-蛋白和它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)中所起的作用，以及疾病的發(fā)生原理。1992年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)1992年，費(fèi)希爾（EdmondH.Fischer，美國(guó)），克雷布斯（EdwinG.Krebs，美國(guó)）關(guān)于蛋白質(zhì)可逆磷酸化作為一種生物調(diào)節(jié)機(jī)制的研究。EdmondH.Fischer費(fèi)希爾（美國(guó)）EdwinG.Krebs克雷布斯（美國(guó)）三、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特征（一）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號(hào)蛋白（二）細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白的相互作用（三）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特征（一）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號(hào)蛋白（二）細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白的相互作用（三）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特征特異性放大作用信號(hào)終止與下調(diào)整合作用第二節(jié)胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)一、細(xì)胞內(nèi)受體及其對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的調(diào)節(jié)受體是胞內(nèi)激素激活的基因調(diào)控蛋白。受體與配體（如皮質(zhì)醇）結(jié)合，使抑制性蛋白與受體分離，暴露與DNA的結(jié)合位點(diǎn)。受體結(jié)合的序列是受體依賴(lài)的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子。Steroidhormonereceptors受體具有3個(gè)結(jié)構(gòu)域：C端的激素結(jié)合位點(diǎn)；中部富含Cys、具有鋅指結(jié)構(gòu)的DNA或Hsp90結(jié)合位點(diǎn)；N端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域。激素直接激活的基因產(chǎn)物屬于轉(zhuǎn)錄因子，而后引起更多的基因表達(dá)。二、NO作為氣體分子進(jìn)入靶細(xì)胞直接與酶結(jié)合NO作用于鄰近細(xì)胞。NO在血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸為底物，NADPH為電子供體，生成NO和L瓜氨酸。NO的作用機(jī)理：乙酰膽堿→血管內(nèi)皮→Ca2+濃度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌細(xì)胞→鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶→cGMP→血管平滑肌細(xì)胞的Ca2+離子濃度下降→平滑肌舒張→血管擴(kuò)張、血流通暢。硝酸甘油治療心絞痛具有百年的歷史，其作用機(jī)理是在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為NO。GuanylatecyclaseRegulationofcontractilityofarterialsmoothmusclebyNOandcGMP1998年三位美國(guó)科學(xué)家因?qū)O信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的研究而獲得諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。RobertF.Furchgott

LouisJ.Ignarro

FeridMurad

第三節(jié)G蛋白耦聯(lián)型受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)①離子通道型受體；②G蛋白耦聯(lián)型受體；③酶耦聯(lián)的受體。第一類(lèi)存在于可興奮細(xì)胞，后兩類(lèi)存在于大多數(shù)細(xì)胞。Cellsurfacereceptors一、G蛋白耦聯(lián)型受體的結(jié)構(gòu)與激活結(jié)構(gòu)：7次跨膜蛋白，胞外結(jié)構(gòu)域識(shí)別信號(hào)分子，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白耦聯(lián)，調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性，在胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使。類(lèi)型：①多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類(lèi)激素和趨化因子受體，②味覺(jué)、視覺(jué)和嗅覺(jué)感受器。相關(guān)信號(hào)途徑：cAMP途徑、磷脂酰肌醇途徑。G-proteinlinkedreceptor激活：三聚體GTP結(jié)合蛋白，G蛋白。組成：αβγ，α和γ屬脂錨定蛋白。作用：分子開(kāi)關(guān)。α亞基結(jié)合GDP失活，結(jié)合GTP活化。α也是GTP酶，催化結(jié)合的ATP水解，恢復(fù)無(wú)活性狀態(tài)，其GTP酶活性可被GAP增強(qiáng)。二、cAMP信號(hào)途徑（一）cAMP信號(hào)途徑通過(guò)調(diào)節(jié)胞內(nèi)cAMP的濃度，將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)。主要組分：①受體：Rs、Ri②G蛋白：Gs、Gi③腺苷酸環(huán)化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylatecyclase④蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由兩個(gè)催化亞基和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基組成。cAMP與調(diào)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A的活性。⑤環(huán)腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：降解cAMP生成5’-AMP，終止信號(hào)。DegredationofcAMPGs調(diào)節(jié)模型:激素與Rs結(jié)合，Rs構(gòu)象改變，與Gs結(jié)合，Gs的α亞基排斥GDP，結(jié)合GTP而活化，Gs解離出α和βγ。α亞基活化腺苷酸環(huán)化酶，將ATP轉(zhuǎn)化為cAMP。βγ亞基復(fù)合物可直接激活某些胞內(nèi)靶分子。GTP-bindingregulatoryproteincAMP信號(hào)途徑可表示為：激素→受體→G蛋白→腺苷酸環(huán)化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因調(diào)控蛋白→基因轉(zhuǎn)錄?；魜y毒素能催化ADP核糖基共價(jià)結(jié)合到Gs的α亞基上，使α亞基持續(xù)活化，導(dǎo)致患者細(xì)胞內(nèi)Na+和水持續(xù)外流，產(chǎn)生嚴(yán)重腹瀉而脫水。不同細(xì)胞對(duì)cAMP信號(hào)途徑的反應(yīng)：在肌肉細(xì)胞，1秒鐘內(nèi)可啟動(dòng)糖原降解為葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌細(xì)胞，需要幾個(gè)小時(shí)，激活的PKA進(jìn)入細(xì)胞核，將CRE（cAMPresponseelement）結(jié)合蛋白磷酸化，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)。CRE是DNA上的調(diào)節(jié)區(qū)域。GlycogenbreakdowninskeletalmusclecAMPactivateproteinkinaseA,whichphosphorylateCREB（CREbindingprotein）proteinandinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNAwithamotif5'TGACGTCA3'Gi調(diào)節(jié)模型①通過(guò)α亞基與腺苷酸環(huán)化酶結(jié)合，直接抑制酶的活性；②通過(guò)βγ亞基復(fù)合物與游離Gs的α亞基結(jié)合，阻斷Gs的α亞基對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。（二）磷脂酰肌醇cAMP信號(hào)途徑信號(hào)分子與G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，激活質(zhì)膜上的磷脂酶C（PLC-β），使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成IP3和DAG。InositolphospholipidsignalingMimickedbyionomycinPIP2HydrolysisIP3開(kāi)啟胞內(nèi)IP3門(mén)控鈣通道：Ca2+濃度升高，激活鈣調(diào)蛋白，CaM將靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。DAG激活蛋白激酶C：PKC位于細(xì)胞質(zhì)，Ca2+濃度升高時(shí)PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，被DAG活化。信號(hào)的終止：IP3信號(hào)：去磷酸化為IP2；磷酸化為IP4

。Ca2+信號(hào)：被鈣泵和Na+-Ca2+交換器抽出細(xì)胞，或被泵回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。DAG信號(hào)：被DAG激酶磷酸化為磷脂酸；或被DAG酯酶水解成單酯酰甘油。ControlsonCytosolicCalcium(三)G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)離子通道的調(diào)控1.離子通道耦聯(lián)受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)2.G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的離子通道及其調(diào)控3.Gt蛋白耦聯(lián)的光受體的活化誘發(fā)cGMP-門(mén)控陽(yáng)離子通道的關(guān)閉1.離子通道耦聯(lián)受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體本身為離子通道，即配體門(mén)通道。主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮細(xì)胞，信號(hào)分子為神經(jīng)遞質(zhì)。分為：陽(yáng)離子通道，如乙酰膽堿受體；陰離子通道，如γ－氨基丁酸受體。Acetylcholinereceptor2.G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的離子通道及其調(diào)控Gi3．Gt蛋白耦聯(lián)的光受體的活化誘發(fā)cGMP-門(mén)控陽(yáng)離子通道的關(guān)閉黑暗時(shí)視桿細(xì)胞中cGMP濃度較高，cGMP門(mén)控鈉通道開(kāi)放，鈉內(nèi)流，膜去極化，突觸持續(xù)向次級(jí)神經(jīng)元釋放遞質(zhì)。有光時(shí)視紫紅質(zhì)作用于G蛋白，激活磷酸二酯酶，cGMP濃度下降，形成光感受。cGMPinPhotoreception視紫紅質(zhì)Rh為7次跨膜蛋白，由視蛋白Gt和視黃醛組成。其信號(hào)途徑為：光信號(hào)→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→膜超極化→神經(jīng)遞質(zhì)釋放減少→視覺(jué)反應(yīng)。4.其它G蛋白偶聯(lián)型受體化學(xué)感受器中的G蛋白：氣味分子與受體結(jié)合，激活腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生cAMP，開(kāi)啟cAMP門(mén)控陽(yáng)離子通道，引起鈉離子內(nèi)流，膜去極化，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，形成嗅覺(jué)或味覺(jué)。2004年Axel和Buck因發(fā)現(xiàn)氣味受體和化學(xué)感受器系統(tǒng)的組成而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。RichardAxelLindaB.BuckG蛋白偶聯(lián)型受體的鈍化細(xì)胞通過(guò)受體鈍化適應(yīng)持續(xù)刺激：①受體失活（receptorinactivation）；②受體隱蔽（receptorsequestration）；③受體下行調(diào)節(jié)（receptordown-regulation）。小G蛋白（SmallGProtein）特點(diǎn)：分子量小，為單體。功能：與Gα類(lèi)似，起分子開(kāi)關(guān)的作用。類(lèi)型：Ras、Rho、微管蛋白β亞基。調(diào)節(jié)因子：GEF、GDI、GAP等。第四節(jié)酶連受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)定義：enzymelinkedreceptor，本身具有激酶活性，或者與非受體酶連接，又稱(chēng)catalyticrecepter。類(lèi)別：①受體酪氨酸激酶、②受體絲氨酸/蘇氨酸激酶、③受體酪氨酸磷脂酶、④酪氨酸激酶連接的受體、⑤受體鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶、⑥組氨酸激酶連接的受體（與細(xì)菌的趨化性有關(guān)）。特點(diǎn)：①單次跨膜蛋白；②接受配體后發(fā)生二聚化和自磷酸化，起動(dòng)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號(hào)通路1、受體酪氨酸激酶RTK①胞質(zhì)酪氨酸激酶：如Src、JAK；②核內(nèi)酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；③受體酪氨酸激酶：如EGF受體。相關(guān)信號(hào)途徑：RAS途徑、PI3K途徑、磷脂酰肌醇途徑。ReceptortyrosinekinasesReceptortyrosinekinases2、信號(hào)分子間的識(shí)別結(jié)構(gòu)域SH2結(jié)構(gòu)域：介導(dǎo)信號(hào)分子與含磷酸酪氨酸的蛋白結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域：介導(dǎo)信號(hào)分子與富含脯氨酸的蛋白結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域：與PIP2、PIP3、IP3等結(jié)合。3、RAS信號(hào)途徑RPTK結(jié)合信號(hào)分子活化，激活RAS；RAS的調(diào)節(jié)因子具有GEF、GAP；GEF需要通過(guò)接頭蛋白與RPTK連接。活化的RAS啟動(dòng)蛋白激酶的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，激活轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因表達(dá)；一類(lèi)能與鳥(niǎo)苷三磷酸結(jié)合的蛋白質(zhì)，參與細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最初發(fā)現(xiàn)于大鼠肉瘤病毒(ratsarcoma)，以字頭縮寫(xiě)而得名。Ras是大鼠肉瘤(ratsarcoma,Ras)的英文縮寫(xiě)。Ras蛋白是原癌基因c—ras的表達(dá)產(chǎn)物，相對(duì)分子質(zhì)量為21kDa，屬單體GTP結(jié)合蛋白，具有弱的GTP酶活性。Ras蛋白的活性狀態(tài)對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、細(xì)胞骨架、蛋白質(zhì)運(yùn)輸和分泌等都具有影響，其活性則是通過(guò)與GTP或GDP的結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。

MEKHomosapiensMAPkinase

kinase

RPTK-RasPathway配體→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAP