细胞生物学翟中和编第9章细胞信号转导.ppt
第9章 细胞信号转导Cell Signal Transduction,翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）,本章主要内容,细胞信号转导概述细胞内受体介导的信号传递细胞表面受体介导的信号传递G蛋白偶联受体介导的信号转导酶联受体介导的信号转导其它细胞表面受体介导的信号通路细胞信号转导的整合与控制,细胞通讯（cell communication）：一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长和分裂是必需的。细胞识别（cell recognition）：细胞通过表面的受体与胞外信号物质分子（配体）选择性的相互作用，导致细胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程细胞信号通路（signaling pathway）：指细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应。,第一节 细胞信号转导概述,一、细胞通讯,1.方式化学信号通讯(chemical signaling)接触依赖性通讯（contact-dependent signaling）间隙连接（gap junction）胞间连丝（plasmodesma）,化学信号通讯作用方式,内分泌旁分泌化学突触自分泌,细胞分泌化学信号的作用方式,内分泌（endocrine）：低浓度；全身性；长时效。旁分泌（paracrine）：细胞分泌的信号分子通过扩散作用 于邻近的细胞。包括各类细胞因子和气体信号分子。自分泌（autocrine）：信号发放细胞和靶细胞为同类或同 一细胞，常见于癌变细胞。化学突触（chemical synapse）：神经递质由突触前膜释 放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。,一、细胞通讯,2.步骤与功能,存活,生长+分裂,分化,死亡,信号转导影响细胞结构和功能的各方面,信号转导,发育,生长,凋亡,免疫,代谢,酶活性；细胞骨架；离子通透性；DNA合成的起始；基因表达激活或抑制,二、几个基本概念,信号分子受体第二信使分子开关,10,（一）信号分子（配体）,Signal molecule(Ligand):细胞的信息载体，能与靶细胞受体结合并传递信息。物理信号：声、光、电、温度 化学信号：激素、局部介质、神经递质,化学信号分子,气体性信号分子：NO、CO 特点：可自由扩散进入细胞激活效应酶。疏水性信号分子：主要是甾类激素和甲状腺素 特点：分子小、疏水性强，可穿过细胞膜与细胞质或细胞核中受体结合形成激素受体复合物，调节基因表达。亲水性信号分子：神经递质、局部介质和多数蛋白类激素 特点：不能穿过脂双层，只能与靶细胞表面受体结合，再经信号转导，在细胞内产生第二信使引起细胞的应答反应。,受体（receptor）：是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，多为糖蛋白。受体结合特异性配体后被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内化学或物理信号，以启动一系列过程，最终表现为细胞生物学效应。,（二）受体,一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，分别具有结合特异性和效应特异性。,细胞内受体,细胞表面受体,受体的类型,亲水性信号分子,小的亲脂性信号分子,细胞内受体的特点,位于细胞质基质或核基质中；识别并结合小的脂溶性分子；通常是基因调控蛋白或酶，与信号分子结合后被激活。,细胞表面受体的类型,A.离子通道偶联受体（ion channel-coupled receptor）B.G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor,GPCR）C.酶联受体（enzyme-linked receptor）,同一信号分子作用于不同靶细胞的受体后，产生不同的生物学效应。如：乙酰胆碱同一靶细胞上不同的受体应答不同的胞外信号，产生相同的效应。每种细胞都有一套多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动细胞不同生物学效应，如：生长、分裂、分化或调亡。,（二）受体,受体转导胞外信号引发快反应和慢反应,（三）第二信使,第一信使-细胞外信号分子第二信使（second messenger）：指在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化应答于胞外信号与细胞表面受体的结合，在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。,（三）第二信使,目前公认的第二信使：cAMP（环腺苷酸）、cGMP（环鸟甘酸）、Ca2+、DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）、PIP3（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）等。,cAMP是第一个被发现的第二信使。1971年获诺贝尔生理学或医学奖,萨瑟兰（Earl W.Sutherland,Jr）1915 1974,（三）第二信使,分子开关（molecular switch）：通过活化（开启）和失活（关闭）2种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性的调控蛋白。,（四）分子开关,GTPase超家族蛋白质磷酸化和去磷酸化Ca2+的结合或解离,GTPase超家族,GTPase 超家族：三聚体GTP 结合蛋白单体 GTP 结合蛋白,GTPase 超家族,通过蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性。,蛋白质磷酸化和去磷酸化,Ca2+的结合或解离,钙调蛋白（calmodulin，CaM）,细胞表面受体介导的信号通路5个步骤：受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成受体配体复合物，导致受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞内信号放大的级联反应细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应,三、信号转导系统及其特性,（一）信号转导系统基本组成及信号蛋白相互作用,蛋白质模式结合域（modular binding domain）,SH2 结构域（Src homology 2 domain）,蛋白质模式结合域及其结合基序特异性,Robert J.Lefkowitz,Brian K.Kobilka,美国科学家罗伯特莱夫科维茨（Robert J.Lefkowitz）和布莱恩克比尔卡（Brian K.Kobilka）因“G蛋白偶联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖,（二）细胞内信号蛋白复合物的装配,三、信号转导系统及其特性,基于支架蛋白,基于受体活化域,基于肌醇磷脂,（三）信号系统的主要特性,三、信号转导系统及其特性,特异性,放大效应,脱敏,整合作用,第二节 细胞内受体介导的信号传递,亲脂性小分子-类固醇激素、视黄酸、维生素D和甲状腺素受体在细胞核内脂溶性气体分子NO-受体具有鸟苷酸环化酶活性个别亲脂性小分子-如前列腺素受体在细 胞质膜上,NO气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合,NO在导致血管平滑肌舒张中的作用,乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高NO合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMPPKG平滑肌舒张血管扩张、血流通畅,“明星分子”NO,NO为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞；血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞；NO的生成以精氨酸为底物由NO合成酶（NOS）催化，以NADPH为电子供体，生成NO和瓜氨酸；NO的效应酶是鸟苷酸环化酶。,硝酸甘油治疗心绞痛：其作用机理是硝酸甘油代谢生成NO，后者刺激心脏血管平滑肌细胞舒张，从而增加心脏供血。,NO与药物,Viagra(伟哥)inhibits the enzyme PDE,枸橼酸西地那非(sildenafil citrate)：一种对环磷酸鸟苷（cGMP）特异的5型磷酸二酯酶（PDE5）选择性抑制剂NO激活鸟苷酸环化酶导致环磷酸鸟苷（cGMP）水平增高，使阴茎海绵体内平滑肌松弛，血液充盈,第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,G 蛋白偶联受体（GPCR）是细胞表面受体中最大的多样性家族,含有7 个疏水肽段形成的跨膜 螺旋区和相似的三维结构，N 端在细胞外侧，C 端在胞质侧,2.G蛋白G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称，位于质膜胞浆一侧。由G、G、G三个亚基组成，G和G亚基以异二聚体存在；G和G亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上；G亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白。,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,41,3.效应物（effector）：指直接产生效应的物质，它们是信号转导途径中的催化单位。,A:离子通道,B:腺苷酸环化酶,C:磷脂酶C,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,哺乳类三聚体G 蛋白的主要种类及其效应器,4.G蛋白偶联受体的激活,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,一、G 蛋白偶联受体的结构与激活,二、G 蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路,G蛋白偶联受体主要有3类：激活离子通道激活或抑制腺苷酸环化酶(AC)，以cAMP为第二信使激活磷脂酶C(PLC)，以IP3和DAG作为双信使,（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路,心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道,AchM型Ach受体Gi蛋白（GiG）G K+通道 K+外流超极化减缓心肌细胞的收缩频率。,（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体,受体：刺激性激素的受体(Rs)；抑制性激素的受体(Ri)G蛋白：刺激性G蛋白(Gs)；抑制性G蛋白(Gi)效应酶：腺苷酸环化酶（AC）,第二信使,腺苷酸环化酶（AC）和环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE),腺苷酸环化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降 解cAMP生成5-AMP，导致细胞内cAMP水平下降,蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）,无活性的PKA是含有2个调节亚基(R)和2个催化亚基(C)的四聚体，每个R亚基上有2个cAMP结合位点cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活PKA,1.cAMP-PKA信号与糖原代谢,2.cAMP-PKA 信号通路与基因表达调控,（三）激活磷脂酶C、以IP3 和DAG 作为双信使 G 蛋白偶联受体介导的信号通路,胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上的磷脂酰肌醇(PI)最终水解为三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。,IP3-Ca2+和DAG-PKC双信使信号通路,1.IP3-Ca2+信号通路与钙火花,IP3打开内质网膜上的IP3-门控Ca2+通道，细胞质基质中Ca2+浓度迅速升高。,钙火花（Ca2+spark）：在短短的10ms内，细胞内某一微区Ca2+探针Fluo-3的荧光强度骤升1倍，随后又在20ms内消失，故称钙火花。钙火花在时空上的叠加形成了细胞水平的钙振荡。,Ca2+-CaM,Ca2+通过钙调蛋白发挥作用。钙调蛋白（calmodulin,CaM）：每个CaM分子由148氨基酸残基组成，含四个结构域，每个结构域可结合1个Ca2+。CaM是一种广泛分布的高度保守的小分子Ca2+结合（应答）蛋白，参与许多Ca2+依赖性的生理反应与信号转导。Ca2+通过形成Ca2+-CaM复合物将靶酶激活或抑制，这是一种受Ca2+浓度控制的可逆反应。,Ca2+-CaM-CaM kinase,2.DAG-PKC 信号通路,细胞质基质中Ca2+浓度的升高，导致蛋白激酶C（PKC）转位到质膜内表面，被DAG活化；PKC通过使底物蛋白磷酸化使细胞产生应答反应（细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖及分化）。,受体酪氨酸激酶（RTK）包括7个亚族绝大多数RTK是单体跨膜蛋白N端位于细胞外，是配体结合域，C端位于胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有自磷酸化位点RTK的主要功能控制细胞的生长、分化,第四节 酶联受体介导的信号转导,第四节 酶联受体介导的信号转导,受体酪氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶受体鸟苷酸环化酶酪氨酸蛋白激酶联受体,受体酪氨酸激酶的激活,在静息状态RTK活性很低，信号分子与受体结合导致受体二聚化，受体的二聚化激活酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化受体胞内段的酪氨酸残基（自磷酸化autophosphorylation）激活的RTK内的磷酸酪氨酸残基可被含SH2结构域的胞内信号蛋白所识别，启动信号传导,Ras 蛋白,Ras蛋白：由190个氨基酸残基组成的单体GTP结合蛋白，是一种GTPase开关蛋白,Ras蛋白GTP-GDP转换机制：鸟苷酸交换因子（GEF）使Ras蛋白活化（开启）；GTP酶促进蛋白（GAP）使Ras蛋白失活（关闭）,活化的RTK激活Ras蛋白,生长因子受体结合蛋白GRB2，具有SH2结构域，可直接与活化受体特异性磷酸酪氨酸残基结合，GRB2还具有两个SH3结构域，能结合并激活另一种胞质蛋白Ras-GEF（son of sevenless，Sos）Sos蛋白具有鸟苷酸交换因子活性，它与Ras结合导致构象改变，使非活性的Ras-GDP转换成有活性的Ras-GTP,Ras-MAPK 磷酸化级联反应,配体 RTK GRB2 Sos Ras Raf（MAPKKK）Mek（MAPKK）Erk（MAPK）进入细胞核 其它激酶或转录因子改变靶蛋白活性或改变基因表达,第五节 其他细胞表面受体介导的信号通路,第六节 细胞信号转导的整合与控制,一、细胞的应答反应特征,细胞对信号的应答反应具有发散性或收敛性特征,二、蛋白激酶的网络整合信息,“交叉对话”（cross talk）,三、信号的控制：受体的脱敏与下调,受体没收（receptor sequestration）受体下调（receptor down-regulation）受体失活（receptor inactivation）信号蛋白失活（inactivation of signaling protein）抑制性蛋白产生（production of inhibitory protein）,
