華東理工大學(xué)過程分子生物學(xué)

華東理工大學(xué)過程分子生物學(xué)第1頁/共107頁細(xì)胞通訊的分子機(jī)制E

B

C

D

A

F

G

細(xì)胞通訊的基本概念水溶性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸-物理傳送

信號分子的跨膜傳遞-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

H

PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

I

細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑J

信使系統(tǒng)的偶聯(lián)與啟動第2頁/共107頁2A

細(xì)胞通訊的基本概念外界信號如何進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞又如何應(yīng)答，這是分子生物學(xué)的一個基本命題，正在受到越來越多的重視。1992年的諾貝爾生理學(xué)獎授予了蛋白質(zhì)可逆磷酸化的奠基人；1994年則授予了GTP結(jié)合蛋白的發(fā)現(xiàn)者。響應(yīng)環(huán)境并控制分子跨細(xì)胞質(zhì)膜進(jìn)出，是所有細(xì)胞的重要特征這一過程依靠定位于細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)。細(xì)胞質(zhì)膜對水溶性的物質(zhì)是不容滲透的，這些物質(zhì)包括離子、無機(jī)物、多肽等。為了進(jìn)入和影響細(xì)胞，親水性的物質(zhì)或者通過胞飲的方式進(jìn)入細(xì)胞，或者與定位在細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用。第3頁/共107頁2A

細(xì)胞通訊的基本概念配體與受體、抗原與抗體，酶與底物是蛋白質(zhì)之間特異性結(jié)合的三大系統(tǒng)。a配體與受體

配體（Ligand）通常是指細(xì)胞外物質(zhì)，不管是無機(jī)分子還是多肽，它們的共同特征是通過細(xì)胞質(zhì)膜上的蛋白組分傳遞信號，故亦稱為信號分子。受體（Receptor）是指細(xì)胞質(zhì)膜上與配體特異性結(jié)合的靶蛋白分子，有些受體本身還具有酶的催化功能。第4頁/共107頁2A

細(xì)胞通訊的基本概念

物理擴(kuò)散：脂溶性信號分子（脂溶性激素如甾體激素），可通過簡單的物理擴(kuò)散作用穿透質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，并在細(xì)胞內(nèi)或核內(nèi)與其靶蛋白結(jié)合，發(fā)揮功能，無需細(xì)胞膜專一性受體。b信號分子傳遞的基本形式

物理傳送：水溶性信號分子，通過與細(xì)胞膜上的特異性受體系統(tǒng)結(jié)合，將之物理傳送至細(xì)胞內(nèi)。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：大部分的水溶性信號分子，與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合，并觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的一系列響應(yīng)過程。信號分子本身不進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，但在其與受體結(jié)合過程中產(chǎn)生的信號已進(jìn)入胞內(nèi)，并得以倍增，同時產(chǎn)生出新的信號分子，后者稱為第二信使和第三信使。

第5頁/共107頁2B

水溶性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸-物理傳送

小分子糖類物質(zhì)與細(xì)胞質(zhì)膜上的特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致受體蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變，變構(gòu)的受體蛋白將糖翻入細(xì)胞內(nèi)。然后，配體脫離后的受體又轉(zhuǎn)換成原來的構(gòu)象。這一過程屬于主動運(yùn)輸，需要消耗能量。

a翻轉(zhuǎn)作用（糖）第6頁/共107頁水溶性分子的主動運(yùn)輸糖分子糖分子翻轉(zhuǎn)作用細(xì)胞膜細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外細(xì)胞膜細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外第7頁/共107頁2B

水溶性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸-物理傳送

當(dāng)配體與受體結(jié)合后，胞內(nèi)的包含素蛋白分子便結(jié)合在受體附近的胞膜內(nèi)側(cè)，胞膜在包含素的作用下形成微囊泡結(jié)構(gòu)，將配體受體復(fù)合物包裹起來并運(yùn)至靶部位膜（如核膜等）。b胞飲作用（受體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)胞飲）第8頁/共107頁蛋白質(zhì)分子的胞飲過程蛋白分子胞飲作用微囊泡包含素細(xì)胞膜細(xì)胞膜細(xì)胞膜第9頁/共107頁受體配體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞后的命運(yùn)受體循環(huán)配體降解配體從微囊泡中被釋放到核內(nèi)體，發(fā)揮功能后，在溶酶體中被降解；受體則由微囊泡帶到胞膜上循環(huán)使用。一個受體循環(huán)大約需1-20分鐘，在細(xì)胞20小時的生命周期中可重復(fù)循環(huán)上百次。這一途徑的經(jīng)典例子是LDL受體，其配體為血漿低密度脂蛋白（LDL），它攜帶膽固醇或膽固醇酯。膽固醇從LDL上釋放出來供細(xì)胞使用，LDL則被送到溶酶體中降解，而LDL受體則隨微囊泡重新回到細(xì)胞膜上。第10頁/共107頁受體配體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞后的命運(yùn)受體配體雙循環(huán)鐵傳遞蛋白受體是這一途徑的一個經(jīng)典案例。配體受體復(fù)合物進(jìn)入核內(nèi)體，酸性環(huán)境使鐵傳遞蛋白釋放出鐵離子，這時配體仍與受體結(jié)合在一起，并雙雙隨微囊泡傳至胞膜上重復(fù)使用。配體一旦回到膜上，遇到胞外的中性環(huán)境，便從受體上釋放下來，重新進(jìn)入循環(huán)，周期為15-20分鐘，而受體的半衰期則大于30小時。第11頁/共107頁受體配體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞后的命運(yùn)受體配體雙降解這一途徑的案例是表皮生長因子受體系統(tǒng)（EGF）。表皮生長因子系一小分子多肽，它與受體復(fù)合物被運(yùn)至核內(nèi)體中，EGF發(fā)揮功能后，與其受體雙雙進(jìn)入溶酶體中被降解。第12頁/共107頁受體配體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞后的命運(yùn)受體配體被轉(zhuǎn)移受體與配體復(fù)合物被送至核內(nèi)體中，配體釋放，發(fā)揮功能后，又與其受體重新形成復(fù)合物（此時兩者的空間結(jié)構(gòu)已發(fā)生改變），該復(fù)合物再被轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜的另一處。免疫球蛋白由受體橫跨上皮胞細(xì)胞膜的傳遞即屬此例。上述受體迅速循環(huán)機(jī)制一般只用于配體運(yùn)輸，而不發(fā)生信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。用于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體一般被降解。第13頁/共107頁2B

水溶性物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸-物理傳送

受體直接構(gòu)成離子通道c通道作用（離子通道）受體直接構(gòu)成離子通道，而配體則控制離子通道的孔徑及選擇性。第14頁/共107頁受體直接構(gòu)成離子通道鈉離子通道乙酰膽堿是一種神經(jīng)信號分子，它參與肌肉延伸收縮的調(diào)節(jié)作用。乙酰膽堿受體由五個亞基組成，形成配體控制的Na+通道。乙酰膽堿與受體結(jié)合后，受體a亞基構(gòu)象改變，Na+迅速流入細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外電壓降減小在數(shù)微秒的時間內(nèi)，肌肉細(xì)胞便會響應(yīng)神經(jīng)細(xì)胞的電壓降脈沖，發(fā)生收縮運(yùn)動。乙酰膽堿不存在時，通道關(guān)閉。每個亞基跨膜四次跨膜區(qū)內(nèi)氨基酸的性質(zhì)決定了通道的孔徑及離子選擇性。

第15頁/共107頁受體直接構(gòu)成離子通道冷熱離子通道冷熱離子通道能在低溫或薄荷醇等外界物理或化學(xué)因素的刺激下打開。該離子通道響應(yīng)15℃-25℃的溫度范圍，允許Na+和Ca2+離子進(jìn)入傳感神經(jīng)元細(xì)胞并使之去極性化。口腔內(nèi)的這種傳感神經(jīng)元將信號傳遞至大腦的三叉神經(jīng)中樞（TG）；皮膚上的這種傳感神經(jīng)元則將信號傳遞至脊錐索的脊根神經(jīng)中樞（DRG）。此外，最近還鑒定出三種熱傳感器：第一種稱為TRPV1型胡椒粉（辣椒素）熱傳感器，其敏感溫度為43℃以上；第二種稱為TRPV2型熱傳感器，其敏感溫度為52℃以上；第三種稱為TRPV3型溫?zé)醾鞲衅?，其敏感溫度范圍?5℃-43℃之間。第16頁/共107頁受體直接構(gòu)成離子通道冷熱離子通道上述的冷熱離子通道屬于瞬時受體潛在型TRP超家族，該家族的第一個成員是在果蠅光子受體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的。哺乳動物TRP離子通道家族各成員之間的序列同源性甚低。它們可分成三大類：1短通道TRPC；2

osm9樣通道TRPV；3

長通道TRPM。所有TRPC和滲透壓變化；在人類等高等哺乳動物中，TRPM通道負(fù)責(zé)感應(yīng)味道，如甜苦等。NCTRP結(jié)構(gòu)域TRP盒錨蛋白重復(fù)序列TRPCNCTRPVNCTRPM成員的C端均含有一個TRP盒（Glu-Trp-Lys-Phe-Ala-Arg）和一個由25個氨基酸組成的功能未知的TRP結(jié)構(gòu)域，但其它TRP通道成員一般沒有類似結(jié)構(gòu)。TRPC通道和TRPV通道的N端胞質(zhì)功能域中含有錨蛋白重復(fù)序列，而TRPC通道和TRPM通道的C端含有Pro豐富區(qū)。在果蠅中，TRPC型通道負(fù)責(zé)視覺，TRPV通道負(fù)責(zé)感應(yīng)溫度Pro豐富區(qū)第17頁/共107頁受體通過信號傳遞控制離子通道受體通過與GTP結(jié)合蛋白偶聯(lián)，驅(qū)動離子通道開關(guān)。此類受體具有典型的七跨膜結(jié)構(gòu)7TM，不論其配體性質(zhì)如何。當(dāng)配體（如激素）與受體結(jié)合后，由于其構(gòu)象改變，激活GTP結(jié)合蛋白的核苷酸交換反應(yīng)，GDP→GTP。結(jié)合GTP的a亞基便與核苷酸環(huán)化酶結(jié)合，后者直接啟動離子通道的開關(guān)。第18頁/共107頁受體通過信號傳遞控制離子通道視覺系統(tǒng)的信號傳遞機(jī)制

視網(wǎng)膜桿細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)和視錐細(xì)胞中的視蛋白（顏色敏感）都是光量子的受體，實(shí)質(zhì)上真正吸收光量子的分子是11-順-視網(wǎng)膜素，它與受體第七跨膜區(qū)的Lys共價結(jié)合。GTP結(jié)合蛋白將受體和磷酸二酯酶（PDE）偶聯(lián)在一起，PDE負(fù)責(zé)水解cGMP，cGMP濃度下降導(dǎo)致離子通道關(guān)閉。離子濃度的改變信號由視覺神經(jīng)傳至大腦。光子促使受體構(gòu)象發(fā)生變化，激活GTP結(jié)合型蛋白，后者又激活PDE。一個光子可激活數(shù)百個G蛋白分子，一個G蛋白分子又可激活PDE降解許多cGMP分子，從而完成信號的放大。第19頁/共107頁受體通過信號傳遞控制離子通道視覺系統(tǒng)的信號傳遞機(jī)制

在視蛋白中，吸收光量子的分子也是11-順-視網(wǎng)膜素，但其共價結(jié)合區(qū)域內(nèi)的氨基酸序列不同，導(dǎo)致每種視蛋白分子只有唯一的最大光吸收值。一個視錐細(xì)胞只表達(dá)單一的視蛋白，因此一個視錐細(xì)胞只能對一種波長的光敏感，這便是顏色敏感的分子機(jī)制。第20頁/共107頁受體通過信號傳遞控制離子通道嗅覺系統(tǒng)的信號傳遞機(jī)制

氣味分子與相應(yīng)的受體結(jié)合，導(dǎo)致其構(gòu)象發(fā)生改變，激活GTP結(jié)合蛋白，后者激活腺苷酸環(huán)化酶AC，由ATP合成cAMP。后者與離子通道結(jié)合并開啟之，Na＋進(jìn)入細(xì)胞，K＋流出細(xì)胞。電位差傳至大腦。第21頁/共107頁受體通過信號傳遞控制離子通道嗅覺系統(tǒng)的信號傳遞機(jī)制

2004年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授于了美國科學(xué)家阿克塞爾和巴克。諾貝爾基金會為此發(fā)表的聲明說：“嗅覺一直是人類感覺中最神秘的一種。我們過去無法理解人類辨認(rèn)和記憶大約一萬種不同氣味的基本原理。而阿克塞爾和巴克卻幫我們解答了這個問題，他們通過一系列具有開拓性的研究詳細(xì)闡明了我們嗅覺系統(tǒng)的工作機(jī)制?！?000個氣味受體蛋白的編碼基因。研究表明，每個嗅覺神經(jīng)細(xì)胞只表截止到目前為止，阿克塞爾和巴克領(lǐng)導(dǎo)的研究小組共發(fā)現(xiàn)了大約達(dá)一種氣味受體蛋白，那么如何感應(yīng)上萬種不同的氣味呢？第22頁/共107頁2C

信號分子的跨膜傳遞-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)許多水溶性信號分子本身不能直接進(jìn)入細(xì)胞，但它們能與相應(yīng)的膜蛋白受體特異性結(jié)合，進(jìn)而在細(xì)胞質(zhì)中引起一系列以磷酸化反應(yīng)為主的級聯(lián)響應(yīng)，最終將信號傳遞到細(xì)胞核內(nèi)。這一過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；信號傳遞的路線稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第23頁/共107頁2C

信號分子的跨膜傳遞-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的第一站是細(xì)胞外的信號分子（即配體）特異性地識別細(xì)胞膜上的受體蛋白，并與之結(jié)合；一旦結(jié)合了信號分子，受體空間構(gòu)象就會發(fā)生變化。這個過程稱為第一次應(yīng)答，共有三種表現(xiàn)形式。a信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第一次應(yīng)答反應(yīng)

第24頁/共107頁激活受體自身含有的蛋白激酶活性這類受體的特征是：跨膜一次，由胞外區(qū)、跨膜區(qū)、胞內(nèi)區(qū)三部分組成。胞外區(qū)是配體的結(jié)合位點(diǎn)；胞內(nèi)區(qū)是受體自身的酪氨酸蛋白激酶活性區(qū)，也稱為受體的順式酶活性，通常這個活性部位由250個氨基酸組成。除此之外，這類受體的胞內(nèi)區(qū)還可能含有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，或者與鳥苷酸環(huán)化酶相連。根據(jù)胞內(nèi)區(qū)的酶活性質(zhì)不同，可將這類受體分為四大家族。第25頁/共107頁激活受體自身含有的蛋白激酶活性當(dāng)配體與受體結(jié)合后，受體空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這是蛋白激酶發(fā)揮催化功能的前提條件，共有三種形式的構(gòu)象變化。配體結(jié)合導(dǎo)致單體二聚化配體連接兩個單體配體連接導(dǎo)致構(gòu)像改變第26頁/共107頁激活細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蛋白激酶活性這類受體的特征是：跨膜一次，胞外區(qū)與配體結(jié)合，關(guān)鍵序列為WSXWS；膜內(nèi)區(qū)不含蛋白激酶的功能域，但在近膜處存在著細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶家族的結(jié)合區(qū)域。當(dāng)配體與受體結(jié)合后，構(gòu)象發(fā)生改變，受體與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)蛋白激酶特異性結(jié)合，并激活這些蛋白激酶的磷酸化活性。如T-淋巴細(xì)胞的CD4受體在與配體結(jié)合后，便能特異性地與細(xì)胞內(nèi)的Lck蛋白激酶結(jié)合，并激活之。第27頁/共107頁激活結(jié)合在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)上的G蛋白這些受體的特征是：跨膜七次（7MT）。G蛋白是一種GTP/GDP結(jié)合型蛋白，位于受體附近的膜內(nèi)側(cè)上。其無活性狀態(tài)是一個結(jié)合GDP的三聚體（a、b、g），一旦受體與配體結(jié)合，受體構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致GDP為GTP所取代，這時G蛋白解離成一個攜帶GTP的亞基（a）和一個二聚體（bg）。單聚體或/和二聚體再去激活其它的靶蛋白，引起一連串級聯(lián)反應(yīng)，通常情況下，最終刺激產(chǎn)生第二信使分子cAMP，離子通道的調(diào)節(jié)便是一例。第28頁/共107頁2C

信號分子的跨膜傳遞-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞外的信號分子（配體）特異性識別和結(jié)合細(xì)胞膜上的受體蛋白之后，受體產(chǎn)生第一次應(yīng)答反應(yīng)，繼而便將信號通過三種方式在胞質(zhì)中傳遞。b細(xì)胞質(zhì)中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本形式第29頁/共107頁轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子直接穿過胞質(zhì)到達(dá)細(xì)胞核有些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子能直接被配體-受體復(fù)合物激活，并穿過胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核。受體被配體激活后做出的第一次應(yīng)答反應(yīng)就是將潛伏在胞質(zhì)內(nèi)受體附近的無活轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子召集到自己的身邊，然后將之激活。具有這種性質(zhì)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子包括SMAD家族和STAT家族的各成員，其中SMAD家族在其Ser殘基上被受體磷酸化激活而STAT家族則在其Tyr殘基上被受體磷酸化激活。第30頁/共107頁信號通過腳手架蛋白逐次傳遞至細(xì)胞核在相當(dāng)多的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，被配體激活的受體將信號逐次傳遞給下游腳手架蛋白（驛站蛋白）構(gòu)成一系列的級聯(lián)反應(yīng)。此時，信號的載體是磷酸基團(tuán)，信號傳遞的形式是磷酸化反應(yīng)或/和蛋白質(zhì)降解反應(yīng)，但許多蛋白質(zhì)降解步驟也是受磷酸化反應(yīng)控制的。以此機(jī)制進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的包括：NF-kB/Rel、Wnt、CI/GLI、Notch、Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

第31頁/共107頁信號通過第二信使分子傳遞至細(xì)胞核

在有些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中被配體激活的受體可導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)第二信使分子濃度的波動，并依賴這些小分子或離子在胞質(zhì)中的擴(kuò)散作用將信號傳遞至細(xì)胞核。具有上述功能的第二信使分子包括Ca2+和磷酸肌醇酯（PIP）等。以此機(jī)制進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的有：NFAT和PLC等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等。第32頁/共107頁2C

信號分子的跨膜傳遞-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在某些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，由配體-受體相互作用所產(chǎn)生的信號被傳遞到細(xì)胞核外側(cè)后，還需要通過下列三種方式進(jìn)入核內(nèi)，進(jìn)而作用于相關(guān)基因的調(diào)控區(qū)，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄。c細(xì)胞核中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本形式第33頁/共107頁激酶轉(zhuǎn)位作用運(yùn)載信號的蛋白激酶直接進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，并在核內(nèi)使相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子磷酸化激活，調(diào)控靶基因的表達(dá)。因子轉(zhuǎn)位作用運(yùn)載信號的蛋白激酶在細(xì)胞核外側(cè)使相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子磷酸化激活，后者再進(jìn)入核內(nèi)調(diào)控靶基因的表達(dá)。抑制劑釋放作用運(yùn)載信號的蛋白激酶在細(xì)胞核外側(cè)使轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子-抑制劑復(fù)合物磷酸化，促使其釋放轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，后者再進(jìn)入核內(nèi)調(diào)控靶基因的表達(dá)。第34頁/共107頁2D

G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑異源三聚體GTP/GDP結(jié)合蛋白（G蛋白）是一類固定在細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)表面上的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子，它聯(lián)結(jié)受體和腳手架因子，構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。與G蛋白相偶聯(lián)的受體能響應(yīng)大量的激素、神經(jīng)遞質(zhì)、趨化因子、自分泌和旁分泌因子。G蛋白由三個不同的亞基a、b、g構(gòu)成，但當(dāng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)時，它們是以單亞基或二聚體的形式工作的，即信號傳遞或者通過Ga亞基或者通過Gbg復(fù)合物進(jìn)行目前已知的G蛋白亞基分別為Ga20種、Gb6種、Gg11種。第35頁/共107頁2D

G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑根據(jù)序列相似性，G蛋白可分為四個家族：Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。這四大G蛋白家族能轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)量眾多的胞外信號分子。同一種信號分子結(jié)合不同的受體，可將信號傳遞給不同的G蛋白家族。例如，腎上腺素信號分子通過b-腎上腺素受體將信號傳遞到與受體偶聯(lián)在一起的Gs上；通過a2-腎上腺素受體被傳遞到Gi上；通過a1-腎上腺素受體則被傳遞到Gq和G11上。然后，各類G蛋白再通過不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控重要的細(xì)胞組分，包括代謝酶類、離子通道以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄機(jī)器，這些細(xì)胞組分的運(yùn)行和反應(yīng)決定了細(xì)胞的行為和功能，如胚胎發(fā)育、學(xué)習(xí)記憶、穩(wěn)態(tài)建立等。aG蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本特征

第36頁/共107頁G蛋白四大家族的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)第37頁/共107頁2D

G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑bG蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的構(gòu)成與功能

所有的G蛋白都參與多重信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的構(gòu)成和運(yùn)行，最終將信號傳遞至不同的細(xì)胞機(jī)器上，形成響應(yīng)速率和作用強(qiáng)度各不相同的生理效應(yīng)。例如，在神經(jīng)元細(xì)胞中，cAMP可通過PKA對離子通道實(shí)施短期效應(yīng)；同時通過Rap和MAPK對轉(zhuǎn)錄機(jī)器實(shí)施長期影響。所有的G蛋白都調(diào)控GTP酶（如Rap和Rho等）的活性。所有的G蛋白途徑或刺激或抑制一條或多條由MAPK介導(dǎo)的分支途徑。第38頁/共107頁Gs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Gs途徑是最早被鑒定的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，許多關(guān)鍵的概念，如第二信使、蛋白磷酸化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等就是來自于該途徑的研究。即便經(jīng)歷了近二十年的研究，Gs途徑的新知識仍在不斷地增加。Gs途徑的關(guān)鍵效應(yīng)分子是cAMP。信號分子（如腎上腺素和糖原等）與相應(yīng)的受體結(jié)合后，激活Gs的a亞基，后者激活腺嘌呤核苷酸環(huán)化酶AC合成cAMP。cAMP有三大功能：（1）直接開啟CNGC離子通道；（2）激活蛋白激酶PKA，后者即可開啟L-型Ca2+離子通道,又可依次激活磷酸化酶激酶PhosK和糖原磷酸化酶GlyPhos，導(dǎo)致糖原降解為葡萄糖；（3）依次激活GTP/GDP交換因子EPAC、GTP酶Rap1有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶B-Raf、有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶MEK、有絲分裂原激活的蛋白激酶MAPK，后者進(jìn)入核內(nèi)激活cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白CREB，活化的CREB再與相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件CRE結(jié)合，促進(jìn)這些基因的轉(zhuǎn)錄。第39頁/共107頁Gs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑配體-受體GsaACcAMPPKAEPACCNGCCREBCRE質(zhì)膜核膜PDE降解第40頁/共107頁Gi信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Gi信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的主要特征是其Ga能抑制AC的活性。許多重要的激素和神經(jīng)遞質(zhì)，如腎上腺素、乙酰膽堿、多巴胺、5-羥色胺等，都能利用Gi和Go途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)信號。該途徑為百日咳毒素所抑制，其機(jī)制是百日咳毒素在G蛋白a亞基C端的區(qū)域內(nèi)使其ADP核苷?；?，從而阻止a亞基與相應(yīng)的受體相互作用。在Gi途徑中，Ga亞基和Gbg復(fù)合物均能單獨(dú)傳遞信號。例如，Gbg復(fù)合物至少能與四種效應(yīng)因子直接偶聯(lián)，間接偶聯(lián)Ras蛋白中的GTP酶活性，進(jìn)而激活MAPK。一些重要的生理功能（心臟起博活性）的毒覃堿性膽堿調(diào)控過程，就是通過M2-毒覃堿性受體與Gi蛋白偶聯(lián)，釋放出Gbg復(fù)合物，再由后者激活K+離子通道而實(shí)現(xiàn)的。Ga則能調(diào)控信號從c-Src到STAT3途徑和Rap途徑的傳遞，也能抑制AC的活性。第41頁/共107頁Gq信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Gq信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的主要特征是被鈣質(zhì)動用激素激活，并刺激細(xì)胞合成第二信使分子三磷酸肌醇（IP3）和二?；视停―AG）。IP3觸發(fā)鈣質(zhì)從胞內(nèi)鈣庫中的釋放，而DAG則負(fù)責(zé)召集PKC到膜上并激活之。在很多類型的細(xì)胞中，胞內(nèi)鈣質(zhì)的釋放能激活細(xì)胞表面上鈣庫操縱的Ca2+通道，導(dǎo)致胞外的Ca2+流入胞內(nèi)。Gq的a亞基則能通過蛋白酪氨酸激酶PYK2激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子NF-kB。第42頁/共107頁2D

G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑cRas信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑很多生長因子激活相應(yīng)的受體后，通過效應(yīng)分子活化由原癌基因ras編碼的Ras蛋白，后者又依次激活其下游腳手架因子，最終作用于靶基因的表達(dá)。Ras蛋白為多種生長因子信號傳遞過程所共有，而且本身也是G蛋白家族的一個成員，構(gòu)成一條獨(dú)立的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的腳手架蛋白包括：Ras蛋白、SH蛋白、Raf蛋白等。第43頁/共107頁Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的腳手架蛋白Ras蛋白Ras蛋白是原癌基因ras的表達(dá)產(chǎn)物目前已發(fā)現(xiàn)有幾十種不同的Ras樣蛋白，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為三個主要家族：（1）Ras蛋白：哺乳細(xì)胞可表達(dá)四種真正的Ras蛋白，分別由基因H-ras、N-ras、K-rasA、K-rasB編碼，這類蛋白主要參與受體酪氨酸激酶的信號傳遞過程；（2）Rho/Rac蛋白：由基因rho和rac編碼，與Ras蛋白同源，并介導(dǎo)細(xì)胞骨架的構(gòu)建；（3）Rab蛋白：由基因rab編碼，主要與物質(zhì)Ras-GTPRas-GDPGTP-GDP交換因子GEFGTP酶激活蛋白GAP無活狀態(tài)激活狀態(tài)的跨膜運(yùn)輸有關(guān)。Ras蛋白是一類GTP結(jié)合蛋白，具有與GTP和GDP的結(jié)合特性。GTP酶激活蛋白（GAP）激活Ras蛋白內(nèi)在的GTP酶活性；鳥苷酸解離抑制因子GDI則抑制Ras-GDP與Ras-GTP兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化。

第44頁/共107頁Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的腳手架蛋白SH蛋白SH蛋白家族因與原癌基因src編碼的Src蛋白具有較高的同源序列及結(jié)構(gòu)相似性，因此而得名。其成員之一的生長因子受體結(jié)合蛋白Grb由自磷酸化的受體蛋白激酶活性，催化其磷酸化而被激活，激活了的Grb蛋白又去激活GEF（SOS），后者使Ras-GDP轉(zhuǎn)化為Ras-GTP因此SH蛋白是連結(jié)受體與Ras蛋白之間信號傳遞的重要分子。第45頁/共107頁Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的腳手架蛋白Raf蛋白Raf

蛋白是一種蛋白激酶，它能最終導(dǎo)致細(xì)胞有絲分裂原激活的蛋白激酶MAPK激活，其激活的方式也是磷酸化，而且Raf蛋白本身又是Ras-GTP復(fù)合物的底物。Ras-GTP使Raf蛋白磷酸化同時自己轉(zhuǎn)成Ras-GDP形態(tài)?，F(xiàn)已知，Raf蛋白有三個同型物（同一轉(zhuǎn)錄前體不同剪切方式的形成物）：74kD的Raf1（廣泛存在于體內(nèi)）、68kD的RafA（主要在生殖細(xì)胞內(nèi)表達(dá)）、95kD的RafB（主要在腦細(xì)胞中表達(dá)）。第46頁/共107頁Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的級聯(lián)反應(yīng)絕大多數(shù)生長因子的受體及部分細(xì)胞因子受體本身具有酪氨酸激酶活性構(gòu)成酪氨酸激酶受體家族。這類受體被生長因子激活后，其胞內(nèi)區(qū)的酪氨酸激酶活性將自身的酪氨酸磷酸化，同時具備了催化其它蛋白質(zhì)磷酸化的功能，由此引發(fā)有序的級聯(lián)反應(yīng)。這些反應(yīng)大多是各種蛋白質(zhì)的磷酸化，包括Tyr、Ser、Thr等具有羥基側(cè)鏈的氨基酸殘基。

第47頁/共107頁Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的級聯(lián)反應(yīng)

Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的最后一站是原癌基因編碼的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子Myc、Jun、Fos，它們被上游腳手架分子MAPK激活后，直接作用于相關(guān)基因的順式轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。例如，Myc與Max形成二聚體，與基因的DNA順式元件CACGTG結(jié)合，并激活相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄啟動；Jun與Fos形成二聚體AP1，與基因的佛波醇應(yīng)答元件TGACTCA結(jié)合，并激活相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄啟動。第48頁/共107頁2E

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑大部分的細(xì)胞因子受體屬于造血因子受體超家族的成員，與生長因子受體不同，細(xì)胞因子受體的胞內(nèi)區(qū)域不具有酪氨酸激酶活性，但其細(xì)胞內(nèi)的近膜保守區(qū)能結(jié)合一些非受體型的酪氨酸激酶。在配體的介導(dǎo)下，受體亞基二聚化或寡聚化，使受體胞內(nèi)區(qū)域靠近，并結(jié)合于胞內(nèi)近膜區(qū)的酪氨酸激酶，同時被活化，進(jìn)而啟動一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，其中最具有代表性的就是JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第49頁/共107頁2E

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由特異性受體、非受體型的酪氨酸激酶（JAK）、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子（STAT）三部分構(gòu)成。aJAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本構(gòu)成第50頁/共107頁JAK酪氨酸激酶家族絕大多數(shù)激活STAT型的細(xì)胞因子受體不含內(nèi)源性激酶活性這種活性，它們所需的酪氨酸激酶活性由受體接合型的胞質(zhì)蛋白質(zhì)--JAK家族成員提供，因此JAK是不同于受體酪氨酸激酶的另一類激酶（JustAnotherKinase，JAK）。也有人認(rèn)為該名來源于古希臘門神Janus，它具有方向相反的兩張面孔，與此類蛋白激酶C端的兩個催化亞基相似，因此又稱JanusKinase（JAK）。JAK家族最明顯的結(jié)構(gòu)特征是其C端用有兩個催化功能域，靠近N端是三個保守的結(jié)構(gòu)域，中部有兩個功能域。JAK在進(jìn)化上相當(dāng)保守，哺乳動物細(xì)胞內(nèi)有四個JAK成員：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。有種遺傳性免疫缺陷癥就是因?yàn)橥蛔兪沟檬荏w與JAK相互作用能力喪失或者JAK激酶活性喪失。JAK能特異性地結(jié)合在細(xì)胞因子受體的胞內(nèi)功能域上。當(dāng)細(xì)胞因子配體與相應(yīng)的受體結(jié)合后，受體二聚化，使得結(jié)合在受體亞基上的兩個JAK相互靠近，并相互磷酸化而被激活，然后JAK再催化其底物蛋白（如STAT）磷酸化，由此將受體信號繼續(xù)傳遞下去。第51頁/共107頁STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子蛋白家族哺乳動物細(xì)胞含有七個STAT（SignalTransducersandActivatorsof

Transcription）編碼基因，分別為STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B、STAT6，其編碼產(chǎn)物之間的氨基酸序列具有較大的離散性，這種離散性使得它們能響應(yīng)較大范圍的胞外信號分子，同時具有較廣的組織特異性分布。STAT蛋白在其C端含有SH2和SH3兩個功能域，而且還有一個保守的酪氨酸殘基位點(diǎn)，該位點(diǎn)的磷酸化是STAT活化的基礎(chǔ)。在配體信號分子不存在時，作為轉(zhuǎn)錄因子的STAT蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)中，并呈無活狀態(tài)；當(dāng)配體與受體偶聯(lián)后，STAT迅速被激活，其分子上的SH2（Src-homology）功能域與受體磷酸化了的酪氨酸殘基特異性結(jié)合，從而靠近受體的胞內(nèi)功能域。此時，STAT上保守的酪氨酸殘基被磷酸化。磷酸化了的STAT可從JAK-受體復(fù)合物上離解下來，并形成二聚體，繼而轉(zhuǎn)移至核內(nèi)，依靠其SH3功能域（能特異性地結(jié)合Pro富集區(qū)）直接作用于基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的順式元件。第52頁/共107頁2E

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在真核生物的霉菌、線蟲、果蠅、脊椎動物乃至人類中高度保守，而且受到各種內(nèi)源和環(huán)境刺激因素的調(diào)控，從而使得細(xì)胞和組織具有更大的可塑性。但是，該信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在真菌和植物中至今沒有發(fā)現(xiàn)。在很多情況下，細(xì)胞中的早期應(yīng)答基因以及那些依賴于細(xì)胞因子的功能基因是由JAK-STAT控制表達(dá)的，當(dāng)細(xì)胞中沒有新的蛋白質(zhì)合成時，這些早期應(yīng)答基因通常增加轉(zhuǎn)錄。bJAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基本特征第53頁/共107頁JAK-STAT介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)程序當(dāng)信號分子與相應(yīng)的受體結(jié)合后，受體在膜上二聚化，這使得聯(lián)結(jié)在受體胞質(zhì)區(qū)的兩個JAK也相互靠近并相互催化對方磷酸化，同時又使受體胞質(zhì)區(qū)中的酪氨酸殘基磷酸化，制造出吸引錨定STAT的位點(diǎn)；游離于細(xì)胞質(zhì)中的STAT蛋白通過其結(jié)構(gòu)，然后迅速被運(yùn)輸?shù)胶藘?nèi)。SH2功能域與受體胞質(zhì)區(qū)中磷酸化了的酪氨酸殘基結(jié)合，然后在自己的酪氨酸殘基上接受磷酸基團(tuán)；磷酸化了的STAT蛋白從受體上解離下來，或同源或異源形成二聚體第54頁/共107頁JAK-STAT介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)程序大多數(shù)的STAT二聚體能識別DNA鏈上8-10對堿基的反向重復(fù)序列5’-TTN4-6AA-3’這個相對保守的DNA序列稱為GAS（gamma-interferon

activation

sequence）元件，因?yàn)樗紫仁窃谘芯縎TAT同源二聚體與g-干擾素基因調(diào)控序列之間的相互作用時被發(fā)現(xiàn)并命名的。該元件的相對保守性也反映出不同序列的GAS對特定的STAT二聚體具有不同的親合力。第55頁/共107頁JAK-STAT介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)程序一旦被激活的STAT二聚體識別并結(jié)合靶基因的GAS元件上，該基因的轉(zhuǎn)錄速度就會大幅度加快，其機(jī)制是STAT分子內(nèi)的轉(zhuǎn)錄激活功能域能召集一些核內(nèi)共激活因子，以促進(jìn)對染色質(zhì)的修飾反應(yīng)以及與核心啟動子之間的通訊聯(lián)絡(luò)。第56頁/共107頁2E

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑細(xì)胞因子干擾素和白介素是通過JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控靶細(xì)胞廣泛的生理功能的。三類干擾素（a、b、g）和白介素6分別使用了三條特異性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。c干擾素和白介素介導(dǎo)的JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑第57頁/共107頁I-型干擾素介導(dǎo)的途徑該途徑的信號分子為a干擾素和b干擾素，轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子為STAT1-STAT2異源二聚體。該途徑的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制不同于大多數(shù)其它的JAK-STAT途徑，其最終的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子不是簡單的STAT二聚體，而是由STAT1-STAT2和一個必需的DNA結(jié)合亞基（IRF9）構(gòu)成的異源三聚體。IRF9是干擾素調(diào)控因子家族的一個成員，STAT與IRF9的結(jié)合使得這個復(fù)合物能識別干擾素刺激應(yīng)答元件（ISRE）。第58頁/共107頁II-型干擾素介導(dǎo)的途徑該途徑的信號分子為g干擾素，轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子為STAT1-STAT1同源二聚體這種二聚體識別靶基因上游的g干擾素激活序列GAS。第59頁/共107頁白介素介導(dǎo)的途徑該途徑的信號分子為白介素6，轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子為STAT3-STAT3同源二聚體，又稱STAT3途徑。該途徑廣泛存在于各種類型的細(xì)胞中，對生長調(diào)控、炎癥發(fā)生、胚胎發(fā)育具有重要作用。此外，這條途徑的激活還常見于多種實(shí)體腫瘤和血癌細(xì)胞中，具有刺激生長和抗凋亡的功效。很多原本使用酪氨酸激酶受體的生長因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也直接通向STAT3途徑，如表皮生長因子EGF、血小板樣生長因子PDGF等第60頁/共107頁2E

JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑并不能自發(fā)地工作，胞內(nèi)和環(huán)境的許多刺激因素均能控制其運(yùn)行。所有正負(fù)調(diào)控因子的穩(wěn)態(tài)濃度和信號誘導(dǎo)濃度的維持，決定了JAK-STAT途徑的信號應(yīng)答反應(yīng)在一個特定細(xì)胞中的作用強(qiáng)度和持續(xù)時間。JAK-STAT途徑的正負(fù)調(diào)控有四種機(jī)制。

dJAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)控第61頁/共107頁途徑融合多種不同類型的蛋白激酶，包括幾種MAPK，能使STAT的絲氨酸殘基磷酸化，從而將其它轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的信號融入到JAK-STAT途徑中。進(jìn)入內(nèi)吞囊泡并遭降解。受體降解JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的負(fù)調(diào)控過程常使用普通的機(jī)制，如受體反饋抑制JAK擁有自己專一性抑制劑SOCS（細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)阻遏因子）它能直接結(jié)合并鈍化JAK。那些能促進(jìn)STAT激活的細(xì)胞因子同時也能刺激SOCS編碼基因的表達(dá)，因此SOCS構(gòu)成了一個反饋抑制回路。第62頁/共107頁修飾滅活細(xì)胞內(nèi)某些絲氨酸磷酸化反應(yīng)以及蛋白質(zhì)的翻譯后修飾作用會削弱STAT的活性。更為特異性的抑制信號來自蛋白酪氨酸磷酸酶，它們能在膜結(jié)合型的受體激酶復(fù)合物水平上或者在核內(nèi)，除去被激活的STAT二聚體上的磷酸基團(tuán)，剩下的STAT單體則重新回到細(xì)胞質(zhì)中。此外，還有一種名叫激活型STAT蛋白抑制劑（PIAS）的因子能直接與磷酸化的STAT二聚體結(jié)合，從而阻止其對DNA元件的識別。第63頁/共107頁2F

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑腫瘤壞死因子（TNF）是細(xì)胞凋亡、炎癥發(fā)生、免疫調(diào)節(jié)過程中一類重要的樞紐分子，它涉及到人類多種疾病的發(fā)病機(jī)制，如敗血癥、糖尿病、癌癥、骨質(zhì)疏松癥、多重硬化癥、腸炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。TNF與TNF受體-1（TNF-R1）相互作用，能激活若干信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第64頁/共107頁2F

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑早在一百年前就有人指出了TNF的抗癌活性，然而直到1984年純化了人的TNF并克隆表達(dá)了其cDNA編碼區(qū)，人們才對TNF的多重生物活性有了一個全景式的了解。aTNF的結(jié)構(gòu)與功能TNF是一種由激活的巨噬細(xì)胞合成的同源三聚體，每個亞基有157個氨基酸。它能作用于兩種不同的細(xì)胞表面受體TNF-R1和TNF-R2，其中TNF-R1介導(dǎo)TNF的大部分生理活性。TNF與TNF-R1的結(jié)合能觸發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)的級聯(lián)反應(yīng)，最終激活兩大核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子kB（NF-kB）和c-Jun。這兩大轉(zhuǎn)錄因子可誘導(dǎo)表達(dá)一組具有重要生理功能的基因，涉及細(xì)胞的生長凋亡、組織發(fā)育、腫瘤發(fā)生、免疫識別、炎癥反應(yīng)、環(huán)境壓力應(yīng)答等過程。TNF與其受體TNF-R1所介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的一個共同特征是，TNF能在細(xì)膜上誘導(dǎo)形成多蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物。第65頁/共107頁2F

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑bTNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的工作原理TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的第一步是TNF三聚體與TNF-R1的胞外功能域特異性結(jié)合，并從TNF-R1的胞內(nèi)功能域上釋放出致死功能域（SODD）的抑制蛋白因子；由此集聚起來的TNF-R1胞內(nèi)功能域又為TNF受體結(jié)合型致死功能域（TRADD）所識別；TRADD再吸引另外三種腳手架因子：受體相互作用型蛋白RIP、TNF-R結(jié)合因子2（TRAF2）、Fas結(jié)合型致死功能域FADD；然后，上述三種腳手架蛋白再將一些關(guān)鍵的酶分子分別召集起來，進(jìn)而啟動三條分支途徑的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。第66頁/共107頁由FADD介導(dǎo)的分支途徑

Fas結(jié)合型致死功能域FADD將caspase-8蛋白酶召集到TNF-R1復(fù)合物上，同時激活caspase-8（通過該蛋白酶的自降解效應(yīng)），并由此引發(fā)一系列蛋白降解反（Fas途徑）應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。第67頁/共107頁由TRAF2介導(dǎo)的分支途徑TRAF2召集細(xì)胞凋亡蛋白-1的兩個抑制劑cIAP-1和cIAP-2，對細(xì)胞實(shí)施抗凋亡作用；此外，TRAF2還能激活有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶（MAPKKK），如胞外信號調(diào)節(jié)型的激酶的激酶的激酶1（MEKK1）或凋亡刺激型激酶1（ASK1），它們通常以復(fù)合物的形式存在于受體的周圍，進(jìn)而激活一個激酶級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致c-Jun

N端激酶（JNK）的激活，后者再使c-Jun磷酸化，并增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄刺激功能第68頁/共107頁由RIP介導(dǎo)的分支途徑RIP是一種蛋白激酶，起著最終激活轉(zhuǎn)錄因子NF-kB的功能，但RIP不是TNF誘導(dǎo)的NF-kB激活所必需的。NF-kB的激活過程依賴于磷酸化控制的泛激素化反應(yīng)以及kB抑制劑（IkB）的降解作用，后者在未受刺激的細(xì)胞胞質(zhì)中與NF-kB結(jié)合在一起。IkB激酶（IKK）是一種多蛋白復(fù)合物，以TNF誘導(dǎo)的方式使IkB磷酸化。IKK復(fù)合物的核心由兩個催化亞基IKKa、IKKb和一個調(diào)節(jié)亞基NEMO（NF-kB必需的調(diào)節(jié)因子，又稱IKKg）構(gòu)成。此外，IKK復(fù)合物中還含有一個激酶特異性的分子伴侶，由Cdc37和Hsp90兩種蛋白組成，其功能是幫助IKK復(fù)合物在胞質(zhì)與質(zhì)膜之間穿梭移動。RIP將上述IKK復(fù)合物吸引到的自己身邊，并激活之，該過程通常在TNF配信號處理受體后數(shù)分鐘內(nèi)便可完成。第69頁/共107頁2F

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑cTNF介導(dǎo)的Fas信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分支途徑

細(xì)胞程序性死亡（細(xì)胞凋亡）以及細(xì)胞死亡的其它相關(guān)形式在機(jī)體發(fā)育、穩(wěn)態(tài)維持、腫瘤監(jiān)視、免疫識別等過程中具有重要作用。細(xì)胞凋亡由兩條主要途徑啟動：內(nèi)源性途徑從線粒體開始；外源性途徑通過致死受體與相應(yīng)配體的結(jié)合而被激活。作為TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的一條分支途徑，F(xiàn)as在細(xì)胞凋亡過程中起著重要的作用。Fas分支途徑的生理功效

Fas又稱為Apo-1或CD95，是腫瘤壞死因子受體（TNFR）超家族中的一個含有致死功能域的成員。Fas不僅在細(xì)胞凋亡的生理調(diào)節(jié)中起著重要作用，而且還與各種惡性腫瘤和免疫疾病密切相關(guān)。第70頁/共107頁Fas分支途徑的工作原理在配體不存在時，F(xiàn)as依靠其分子上的配體前體裝配功能域形成無活的復(fù)合物。這種復(fù)合物與配體（FasL或?qū)剐钥贵w）相互作用后便重新組裝，進(jìn)而形成致死誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物DISC。這種Fas-DISC復(fù)合物中含有腳手架蛋白因子-Fas接合型的致死功能域蛋白（FADD）、蛋白酶caspase-8或caspase-10，能啟動細(xì)胞的程序性死亡過程。在DISC內(nèi)，由FasL誘導(dǎo)的Fas、FADD、caspase-8或caspases-10級聯(lián)作用，導(dǎo)致這些caspase發(fā)生自發(fā)性蛋白水解加工反應(yīng)，進(jìn)而釋放出有活性的蛋白酶。第71頁/共107頁Fas分支途徑的工作原理在I-型細(xì)胞中，加工好的caspase-8足以直接激活caspase家族的其它成員，它們分別作用于特定的底物，進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞程序性死亡的各個階段。在II-型細(xì)胞中，caspase的激活還依賴于一輪信號擴(kuò)增，即caspase-8介導(dǎo)裂解凋亡因子原Bcl-2的家族成員Bid繼而釋放線粒體型的凋亡因子原；后者激活caspase-9；活化的caspase-9激活劊子手caspase-3，caspase-3再依次激活Fas-DISC復(fù)合物外圍的caspase-8，從而形成一個正反饋循環(huán)第72頁/共107頁Fas分支途徑的調(diào)控位點(diǎn)上述由Fas介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡過程中的每一步都是調(diào)控的靶位點(diǎn)，這使得細(xì)胞對Fas配體的刺激具有較大的彈性效應(yīng)。Fas配體FasL的編碼基因在大多數(shù)細(xì)胞中是不轉(zhuǎn)錄的，在少數(shù)細(xì)胞中由轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子NF-kB、AP1、或T細(xì)胞激活的核內(nèi)因子（NF-AT）控制其表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控FasL/Fas介導(dǎo)的生物學(xué)效應(yīng)（如激活誘導(dǎo)型CD4+T細(xì)胞死亡）。在某些情況下，細(xì)胞也可通過對Fas編碼基因表達(dá)的調(diào)控來左右Fas途徑的響應(yīng)程度，例如由p53誘導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡就是采用這種機(jī)制。第73頁/共107頁2F

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑dTNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的生理意義

TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)一個有趣的特征是它同時連接了細(xì)胞凋亡（Fas分支途徑）、NF-kB（RIP分支途徑）、JNK（TRAF2分支途徑）三條通路，使得三者共同起源于TNF-R1。當(dāng)NF-kB通路不運(yùn)行時，細(xì)胞對TNF誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡易感性增加，而NF-kB的強(qiáng)化激活則能防止細(xì)胞凋亡的發(fā)生。類似地，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺少NF-kB時，TNF誘導(dǎo)的JNK通路激活強(qiáng)度增大，作用時間延長，而幾個由NF-kB激活的基因表達(dá)產(chǎn)物又通過TNF抑制JNK的激活。另一方面，NF-kB的激活能促進(jìn)IkB和其它一些抑制因子（如cIAP）的重新合成，從而使得TNF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的持續(xù)時間和作用強(qiáng)度維持在一個穩(wěn)定的水平上。第74頁/共107頁2G

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

轉(zhuǎn)化型生長因子-b（TGF-b）超家族的成員控制著多種發(fā)育和穩(wěn)態(tài)維持過程，其活性受損會導(dǎo)致各種人類疾病，包括癌癥、軟骨發(fā)育障礙、肺源性高血壓等。TGF-b家族成員這些重要生物功能的實(shí)現(xiàn)，依賴于TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，也稱SMAD信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。第75頁/共107頁2G

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

轉(zhuǎn)化型生長因子-b（TGF-b）超家族的第一個成員，分泌型多肽因子TGF-b1，是在二十多年前發(fā)現(xiàn)的。迄今為止，在脊椎動物體內(nèi)已經(jīng)鑒定了三十多個新成員，并在無脊椎動物線蟲和果蠅中也發(fā)現(xiàn)了十幾個結(jié)構(gòu)和功能相似的蛋白質(zhì)。TGF-b1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的很多組分是腫瘤抑制劑，在癌細(xì)胞中，它們的功能往往發(fā)生障礙。aTGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的配體與受體第76頁/共107頁TGF的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程脊椎動物、線蟲、果蠅的TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相當(dāng)保守簡單。與TGF-b家族信號相互作用的細(xì)胞表面受體是一種單跨膜的蛋白復(fù)合物，含有一個胞內(nèi)激酶功能域，能使Thr/Ser殘基磷酸化。該受體復(fù)合物包括兩個不同的轉(zhuǎn)膜蛋白，即I-型受體和II-型受體。配體結(jié)合后兩者相互結(jié)合，并發(fā)生單一方向的磷酸化反應(yīng)，即II-型受體使I-型受體磷酸化，激活I(lǐng)-型受體上的激酶功能域，接著I-型受體再將信號傳遞給胞內(nèi)腳手架因子SMAD家族成員。第77頁/共107頁2G

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑SMAD腳手架蛋白家族是TGF途徑中胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的核心組成部分，它從細(xì)胞表面受體處接受信號，并直接傳遞至核內(nèi)。SMAD可分為三個不同的類別。bTGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的腳手架復(fù)合物第78頁/共107頁受體調(diào)控型SMAD受體調(diào)控型SMAD（R-Smad）包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8。I-型受體直接在它們C端兩個保守的Ser殘基上磷酸化。磷酸化了的R-Smad在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中擁有多種功能，它們誘導(dǎo)自身從受體復(fù)合物以及受體激活型SMAD錨定因子SARA（其功能就是將SMAD吸引至近膜處）上釋放出來，然后進(jìn)入核內(nèi)并得以積累。第79頁/共107頁輔助型SMAD輔助型SMAD（Co-Smad）只有Smad4一個成員。游離型的R-Smad進(jìn)入核內(nèi)之后，與Smad4構(gòu)成異源復(fù)合物，這種復(fù)合物再與各種DNA結(jié)合蛋白、轉(zhuǎn)錄共激活因子、或轉(zhuǎn)錄共阻遏因子結(jié)合，進(jìn)而正負(fù)調(diào)控相關(guān)靶基因的表達(dá)。第80頁/共107頁抑制型SMAD抑制型SMAD包括Smad6和Smad7，其功能是抑制R-Smad的功能，從而阻斷TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。泛素依賴性的蛋白降解途徑控制著SMAD蛋白的豐度，進(jìn)而使TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。第81頁/共107頁2G

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑脊椎動物擁有七種不同的I-型受體和五種不同的II-型受體，各型中的任何一種受體都能與另一型中的受體混合配對，并響應(yīng)TGF-b配體家族的信號。盡管受體與配體復(fù)合物的形式并不完全一致，但其生物信號輸出的性質(zhì)僅僅取決于I-型受體。七種I-型受體中的三種受體使R-Smad中的Smad2、Smad3磷酸化，進(jìn)而轉(zhuǎn)導(dǎo)TGF-b類的信號；另外四種I-型受體則激活R-Smad中的Smad1、Smad5、Smad8，進(jìn)而轉(zhuǎn)導(dǎo)由成骨蛋白（BMP）信號分子介導(dǎo)的途徑。cTGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的復(fù)合形式第82頁/共107頁2G

TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由于細(xì)胞總是暴露在多重信號分子的作用之下，因此TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑也能與其它途徑交叉工作。例如，由受體酪氨酸激酶激活的MAPK能直接磷酸化SMAD，從而修飾TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。此外SMAD也能與其它信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子協(xié)同工作。ERK、p38、JNK）、蛋白激酶B（PKB/Akt）。cTGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的復(fù)合形式雖然大量的證據(jù)表明，SMAD在TGF信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起著極為重要的作用，但由TGF-b介導(dǎo)的不依賴SMAD的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑同樣存在。例如。TGF-b能迅速激活Rho家族成員GTP酶、MAPK（如第83頁/共107頁2H

PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）催化合成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯（PIP3），后者在細(xì)胞生存、基因表達(dá)調(diào)控、細(xì)胞代謝、細(xì)胞構(gòu)架重組過程中起著重要作用。由PI3K介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑則與糖尿病和癌癥密切相關(guān)第84頁/共107頁2H

PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

磷酸肌醇-3-激酶有多種分子形式，其中Ia

型的PI3K負(fù)責(zé)響應(yīng)生長因子的刺激，產(chǎn)生D-3磷酸肌醇。各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，包括蛋白質(zhì)Ser/Thr激酶、蛋白質(zhì)Tyr激酶、G蛋白交換因子，均擁有與D-3磷酸肌醇特異性結(jié)合的功能域。在細(xì)胞沒有受到信號分子刺激時，這些蛋白質(zhì)定位在胞質(zhì)內(nèi)；但當(dāng)響應(yīng)脂磷酸化作用時，它們便與新形成的磷酸肌醇結(jié)合，并在近質(zhì)膜內(nèi)側(cè)積累。在膜上，它們被激活，并啟動各種應(yīng)答反應(yīng)，包括肌動蛋白的多聚化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物的裝配、蛋白激酶級聯(lián)反應(yīng)的引發(fā)等。aPI3K的結(jié)構(gòu)與功能第85頁/共107頁P(yáng)I3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的引發(fā)PI3K呈異源二聚體結(jié)構(gòu)，由一個調(diào)節(jié)亞基（p85）和一個催化亞基（p110）組成。在未被配體刺激的細(xì)胞中，調(diào)節(jié)亞基將催化亞基維持在一個低活性狀態(tài)；當(dāng)生長因子受體或其它腳手架蛋白被激活，調(diào)節(jié)亞基便與它們磷酸化的Tyr殘基直接作用，進(jìn)而介導(dǎo)催化Pp85PPPp110RasGTP信號分子PIP2PIP3亞基的激活。p110直接與被激活了的Ras蛋白（也能被信號分子的直接刺激所誘導(dǎo)）作用，更進(jìn)一步地刺激PI3K的活性，從而實(shí)現(xiàn)信號的放大?；罨说腜I3K將質(zhì)膜脂雙層上的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸酯PIP2轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯PIP3

。

受體第86頁/共107頁2H

PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑含有血小板/白細(xì)胞C激酶底物同源（PH）功能域的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，可通過與PIP3的直接結(jié)合而在PI3K處積累。例如，蛋白質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt（蛋白激酶B，PKB）和磷酸肌醇依賴型的激酶1（PDK1），與膜上的PIP3結(jié)合后，兩者相互靠近，便于Akt被PDK1磷酸化。這一磷酸化作用刺激了Akt的催化活性，導(dǎo)致其下游其它蛋白質(zhì)的級聯(lián)磷酸化反應(yīng)，進(jìn)而影響細(xì)胞生長、循環(huán)、生存。bPIP3廣泛的生理功能第87頁/共107頁由Akt介導(dǎo)的生理效應(yīng)磷酸化抑制叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子FKHR-L1大多數(shù)已知的Akt的靶蛋白都能在磷酸化后被抑制：叉頭樣的轉(zhuǎn)錄因子1（FKHR-L1）被Akt磷酸化之后，便形成了一個與14-3-3蛋白家族結(jié)合的位點(diǎn)，兩者的復(fù)合物留在細(xì)胞質(zhì)中，阻斷在正常情況下由FKHR-L1激活的基因轉(zhuǎn)錄。第88頁/共107頁由Akt介導(dǎo)的生理效應(yīng)磷酸化抑制凋亡誘導(dǎo)蛋白Bad凋亡誘導(dǎo)蛋白Bad被Akt磷酸化后，同樣形成一個與14-3-3蛋白家族結(jié)合的位點(diǎn)，從而阻止Bad與Bcl-2家族的成員Bcl-2和Bcl-XL結(jié)合，這就將兩者釋放進(jìn)入細(xì)胞生存的響應(yīng)過程中。

第89頁/共107頁由Akt介導(dǎo)的生理效應(yīng)磷酸化抑制糖原合成酶GSK3GSK3在非轉(zhuǎn)導(dǎo)性細(xì)胞中具有組成型活性，能磷酸化很多蛋白質(zhì)（包括糖原合成酶、c-Myc、周期素D），以保持它們的無活狀態(tài)或者促進(jìn)它們的降解。GSK3被Akt磷酸化后，酶活性受到抑制，導(dǎo)致那些在正常情況下被GSK3阻遏的途徑重新打開。第90頁/共107頁由PDK1介導(dǎo)的生理效應(yīng)PDK1除了能激活A(yù)kt外，還能平行磷酸化和激活其它的蛋白激酶，包括p70S6K激酶、細(xì)胞因子非依賴型生存激酶（CISK）、蛋白激酶PKCx等。p70S6K通過激活多種特殊蛋白質(zhì)的翻譯而對細(xì)胞生長起作用；CISK與其同類伙伴Akt相似介導(dǎo)細(xì)胞的生存途徑；PKCx則參與許多細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)。第91頁/共107頁被PIP3激活的其它蛋白其它含有PH功能域且能被PIP3激活的蛋白質(zhì)還包括：Rac和ADP-核苷化因子（ARF6）中的GDP/

GTP交換因子、布魯頓酪氨酸激酶（Btk）、Tec家族中的蛋白酪氨酸激酶。其中，Rac和ARF6均與肌動蛋白的多聚化的關(guān)系密切。第92頁/共107頁2H

PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑降解PIP3可以終止PI3K介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這一過程至少由兩種不同類型的磷酸酶負(fù)責(zé)：cPI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的負(fù)控制含有SH2功能域的磷酸酶SHIP1和SHIP2能脫去肌醇環(huán)5位上的磷酸基團(tuán)，形成磷脂酰肌醇-3,4-二磷酸酯PIP2。雖然這一脫磷酸化反應(yīng)削弱了一些PI3K下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，但PIP2也能介導(dǎo)PI3K依賴型的應(yīng)答反應(yīng)。SHIP2缺失會導(dǎo)致細(xì)胞對胰島素敏感性的大幅度上升，說明該酶對調(diào)控胰島素的下游PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑非常重要。磷酸酶PTEN能脫去肌醇環(huán)3位上的磷酸基團(tuán)，形成磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸酯PIP2。PTEN功能的缺失會使PI3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑脫離控制地持續(xù)進(jìn)行，因而能促進(jìn)癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。第93頁/共107頁2I

細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

細(xì)胞分裂素是一種必需的植物激素，控制著細(xì)胞分裂、發(fā)芽啟動、根葉分化、壓力耐受、組織衰老、葉綠體生物合成等眾多生理過程。細(xì)胞分裂素又是植物發(fā)育的主要調(diào)控因子，具有顯著的可塑性和靈活性，因此使得植物對其周圍環(huán)境的響應(yīng)更加敏感和迅速。近年來，植物中細(xì)胞分裂素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究引起了人們的重視。第94頁/共107頁2I

細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在擬南芥菜（Arabidopsis）的細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，雜合型的組氨酸蛋白激酶AHK作為細(xì)胞分裂素的受體，組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白APH則負(fù)責(zé)將信號從AHK傳遞到核內(nèi)應(yīng)答調(diào)控因子ARR上，進(jìn)而激活或者阻遏相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。玉米中也發(fā)現(xiàn)了相似的組份，因此細(xì)胞分裂素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在植物中具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦?。a細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的工作原理細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有四個主要的步驟：（1）AHK感應(yīng)信號分子；（2）APH轉(zhuǎn)位核內(nèi)；（3）ARR激活轉(zhuǎn)錄；（4）細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)ARR基因表達(dá)產(chǎn)物的反饋抑制。第95頁/共107頁細(xì)胞分裂素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程細(xì)胞膜上多重組氨酸蛋白激酶AHK型受體感應(yīng)細(xì)胞分裂素信號。與信號分子結(jié)合后，AHK便使APH磷酸化；激活了的APH從胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到核內(nèi)，與隱藏在核內(nèi)的ARR或其復(fù)合物相互作用，并將磷酸基團(tuán)移交給B型ARR的接受功能域，使得B型A