细胞生物学第八章-细胞通信.ppt

第八章 细胞通信,CELL COMMUNICATION,北京时间2009年10月5日下午17时30分，2009年度诺贝尔生理学或医学奖在瑞典卡罗林斯卡医学院揭晓，三位美国科学家伊丽莎白布兰克波恩(Elizabeth H.Blackburn)、卡罗尔格雷德(Carol W.Greider)以及杰克绍斯塔克(Jack W.Szostak)共同获得该奖项。他们发现了由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)，这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症。,伊丽莎白布莱克本,卡罗尔格雷德,杰克绍斯塔克,这三位科学家解决了生物学的重大问题：在细胞分裂过程中，染色体是如何完整复制、又是如何避免自身退化的？这几位获奖者已经证明，染色体解决上述问题的奥妙就在于染色体末端的端粒（telomer）以及形成端粒的酶端粒酶。承载着各种基因的DNA分子就象一根长长的细线，并依一定规则扭曲成染色体，而端粒就象一顶帽子那样覆盖在染色体末端。伊丽莎白布莱克本和杰克 卓斯塔克发现，由于端粒上有独特的DNA序列，从而能防止染色体的退化。卡罗尔葛莱德尔和布莱克本还分离出端粒酶，即合成端粒DNA所需要的一种酶。他们的发现解释了染色体末端是怎样得到端粒的保护，而端粒是在端粒酶的作用下形成的。,当端粒变短的时候，细胞就开始老化。相反，如果端粒酶一直保持较高的活力，则端粒的长度就能保持下去，而细胞衰老的进程就会被推迟，这种情形可见于癌细胞：一类属于永生的细胞。相比之下，某些遗传病的机制正是因为端粒酶有缺陷、从而导致细胞受损的缘故。本届诺贝尔生理学及医学奖对此予以奖励，等于宣布人类发现了细胞生长的基本机理，这一科学发现，将加快人类研究全新的疾病治疗方案的步伐。用一句话说，布莱克本、葛莱德尔和卓斯塔克三位科学家所取得的科学发现，让我们得以从新的角度去了解细胞，进一步阐明了产生疾病的机理，加快了人类研发新的疾病治疗方案的进程。,第一节 基本概念,生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。,Gene transcriptionCell proliferationCell survivalCell deathCell differentiationCell functionCell motilityImmune responses,FUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION,一、几个容易混淆的概念,细胞信号发放（cell signaling）：细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。细胞通讯（cell communication）：细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。细胞识别（cell recognition）：细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，引起细胞反应的现象。信号转导（signal transduction）：指外界信号（如光、电、化学分子）作用于细胞表面受体，引起胞内信使的浓度变化，进而导致细胞应答反应的一系列过程。,二、细胞信号分子,种类：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。特点：特异性；高效性；可被灭活。脂溶性信号分子（如甾类激素和甲状腺素）可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。,水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger）。第二信使（secondary messenger）主要有：cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。第二信使的作用：信号转换、信号放大。,三、受体（receptor）,能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，至少包括两个功能区域：配体结合区域和产生效应的区域。受体的特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。分为：细胞内受体（intracellular receptor）、细胞表面受体（cell surface receptor）。,细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。,四、蛋白激酶,是一类磷酸转移酶，能将 ATP 的 磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性；通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,Protein kinases,五、胞间通信的主要类型,三种主要方式：细胞间隙连接、膜表面分子接触通讯、化学通讯。（一）细胞间隙连接两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象（电紧张突触）。,connexon,（二）膜表面分子接触通讯,即细胞识别（cell recognition）。如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。,Communication by direct contact between cells,e.g.macrophages talking to killer T-cells,（三）化学通讯,细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。,内分泌（endocrine）：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：低浓度10-8-10-12M，全身性，长时效。旁分泌（paracrine）：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：各类细胞因子（如表皮生长因子）；气体信号分子（如：NO）。突触信号发放：神经递质经突触作用于特定的靶细胞。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。,A word about the vocabulary,Exo-Endo-Para-crine(from Greek krinein,to separate)Blood,sweat and tears?,Local cell communication by diffusion,Paracrines e.g.prostaglandins,Neurotransmitters secreted at synapses,Long-distance cell communication via the circulatory system,Endocrines e.g.epinephrine from adrenal glands,Overview of cell signaling(Layer 1),Overview of cell signaling(Layer 2),Overview of cell signaling(Layer 3),Control of glycogenolysis by a signal transduction cascade amplifies the response,The specificity of cell signaling,The specificity of cell signaling,continued,第二节 膜表面受体介导的信号转导,膜表面受体主要有三类：离子通道型受体（ion-channel-linked receptor）；G蛋白耦联型受体（G-protein-linked receptor）；酶耦联的受体（enzyme-linked receptor）。第一类存在于可兴奋细胞。后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinase cascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。,Cell surface receptors,受体本身为离子通道，即配体门通道（ligand-gated channel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；阴离子通道，如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,一、离子通道型受体,Chemical synapse,Acetylcholine receptor,Three conformation of the acetylcholine receptor,Ion-channel linked receptors in neurotransmission,G蛋白：即：trimeric GTP-binding regulatory protein。组成：三个亚基，和亚基属于脂锚定蛋白。作用：分子开关，亚基结合GDP处于关闭状态，结合GTP处于开启状态。亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被GAP增强。,二、G蛋白耦联型受体,G蛋白耦联型受体：7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使。类型：多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。,The structure of a G-protein-linked receptor,GTP-binding regulatory protein,（一）cAMP信号途径,通过调节cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。主要组分：激活型受体（Rs）或抑制型受体（Ri）；活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；,G-protein linked receptor,腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。,Adenylate cyclase,蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。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，激活蛋白激酶A的活性。,环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase,PDE）：降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用。,Degredation of cAMP,Gs调节模型:激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出和。亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。亚基复合物也可直接激活某些胞内靶分子。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，使亚基丧失GTP酶的活性，处于持续活化状态。导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。,cAMP信号途径可表示为：激素 G蛋白耦联受体G蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖cAMP的蛋白激酶A基因调控蛋白磷酸化基因转录。不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA 进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE（cAMP response element）是DNA上的调节区域。,Glycogen breakdown in skeletal muscle,cAMP activate protein kinase A,which phosphorylate CREB（CRE binding protein）protein and initiate gene transcription.CRE is cAMP response element in DNA.,Gi调节模型通过亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；通过亚基复合物与游离Gs的亚基结合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。,胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（diacylglycerol,DAG）。DAG激活蛋白激酶C（PKC）：IP3开启胞内IP3门控钙通道，Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白。,（二）磷脂酰肌醇途径,Inositol phospholipid signaling,Mimicked byionomycin,磷脂酶C,二酰基甘油DAG,伊屋诺霉素,PLC-,佛波酯,PIP2 Hydrolysis,钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。蛋白激酶C位于细胞质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DAG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。DAG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。,Controls on Cytosolic Calcium,（三）其它G蛋白偶联型受体,1化学感受器中的G蛋白存在于嗅觉和味觉化学感受器中，类型繁多，不同细胞具有不同的受体，感受不同的气味。气味分子与G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gated cation channel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。,2视觉感受器中的G蛋白,黑暗条件下视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时cGMP浓度下降的负效应起传递光刺激的作用。光信号Rh激活Gt活化cGMP磷酸二酯酶激活胞内cGMP减少Na+离子通道关闭离子浓度下降膜超极化神经递质释放减少视觉反应。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。,Role of cGMP in Photoreception,视紫红质,G蛋白偶联型受体的钝化,细胞通过受体钝化适应持续刺激：受体失活（receptor inactivation）；受体隐蔽（receptor sequestration）；受体下行调节（receptor down-regulation）。,小G蛋白（Small G Protein）因分子量只有2030KD而得名，同样具有GTP酶活性，起分子开关作用。类型：Ras、Rho、SEC4、YPT1、微管蛋白亚基。特点：结合GTP活化、GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。其功能与G类似。调节因子：鸟苷酸交换因子（GEF）、鸟苷酸解离抑制因子（GDI）、GTP酶活化蛋白（GAP）等。,（四）小G蛋白,分为两种情况：本身具有激酶活性，如EGF，PDGF，CSF等的受体；本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。已知六类：受体酪氨酸激酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶、受体酪氨酸磷脂酶、酪氨酸激酶连接的受体、受体鸟苷酸环化酶、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,三、酶耦联型受体enzyme linked receptor,酶偶联型受体的共同点：单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化，起动下游信号转导。,（一）受体酪氨酸激酶,1、酪氨酸激酶胞质酪氨酸激酶：如Src、Tec、ZAP70、JAK；核内酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；受体酪氨酸激酶（RPTKs）：为单次跨膜蛋白，配体（如EGF）与受体结合。导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。,Receptor tyrosine kinases,Receptor tyrosine kinases,2、信号分子间的识别结构域SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合。SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。PH结构域（Pleckstrin Homology 结构域）：与磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合。受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。,RPTK(受体蛋白酪氨酸激酶)结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RPTK激活RAS，RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应，最终激活有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），活化的MAPK进入细胞核，可使许多底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。,3、RAS信号途径,RPTK-Ras信号途径可概括如下：配体RPTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。Ras释放GDP需要鸟苷酸交换因子（GEF，如Sos）参与；Sos有SH3结构域，但没有SH2结构域，不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接。Ras的GTP酶活性不强，需要GAP的参与。,Ras-GEF,Raf is a PK that triggers MAP-K pathway,c-fos,c-junCell proliferation,RPTK-Ras Pathway,MEK Homo sapiens MAP kinase kinase Mitogen-activated protein kinases（MAPK）include three subgroups,extracellular-signal-regulated kinase（ERK）,c-Jun aminoterminal kinase（JNK）and p38 MAPK.,RPTK-Ras Pathway,磷酸酶(PTP),磷酸酪氨酸,比咯氨酸,PI3K PATHWAY,PDK is phosphoinositol dependent kinaseAkt is PKB,influence cellsurvival,磷酸肌醇,配体是转化生长因子-s。（transforming growth factor-s，TGF-s。）家族成员。包括TGF-1-5。依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。,（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶,可以使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体尚不了解。和酪氨酸激酶一样存在胞质酪氨酸磷酯酶。,（三）受体酪氨酸磷酯酶,分布在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）或BNP。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。信号途径为：配体受体鸟苷酸环化酶cGMP依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,（四）受体鸟苷酸环化酶,包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信号途径为JAKSTAT或RAS途径。JAK（janus kinase）属非受体酪氨酸激酶家族。JAK的底物为STAT，即信号转导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT）。,（五）细胞因子受体超家族,JAK/STAT Pathway,配体与受体结合导致受体二聚化；二聚化受体激活JAK；JAK将STAT磷酸化；STAT形成二聚体，暴露出入核信号；STAT进入核内，调节基因表达。,第三节 胞内受体介导的信号传导,细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。细胞内受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而受体通过暴露它的DNA结合位点而被激活。受体结合的DNA序列是受体依赖的转录增强子。,一、甾类激素,甾类激素分子相对质量为300Da左右，这类激素通常表现为影响细胞分化等长期的生物学效应。甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：直接活化少数基因转录的初级反应阶段，发生迅速。初级反应的基因产物再活化其他基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。,Intracellular receptors（Steroid hormone receptors）,NO可快速扩散透过细胞膜，作用于邻近细胞。血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞，NO的生成由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化，以L精氨酸为底物，以NADPH作为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。,二、NO,NO的作用机理：乙酰胆碱血管内皮Ca2+浓度升高一氧化氮合酶NO平滑肌细胞鸟苷酸环化酶cGMP血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降平滑肌舒张血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO，可舒张血管，减轻心脏负荷和心肌的需氧量。,Guanylate cyclase,Regulation of contractility of arterial smooth muscle by NO and cGMP,1998年RFurchgott等三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。,Robert F.Furchgott,Louis J.Ignarro,Ferid Murad,THE END,