4细胞信号转导ppt.ppt

细胞信号转导,英国诗人 John Donne:“No man is an island”,Cell:No cell is an island,引言,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；另一方面信息物质如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。,单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号转导，以协调不同细胞的行为，如：,调节代谢；实现细胞功能；调节细胞周期；控制细胞分化；影响细胞的存活。,Nobel prizes awarded for research in signal transduction,2001 L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.Nurse M&P key regulators of the cell cycleS.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.Sulston M&P Apoptosis2004 Linda Buck,Richard Axel M&P smell,目录,一、细胞信号转导的基本概念和特征二、G蛋白偶联受体和第二信使三、受体型酪氨酸激酶四、胞内受体介导的信号传导五、细胞信号转导途径之间的关系六、其它细胞信号转导途径,一、细胞信号转导的基本概念和特征,典型的信号系统概念相关概念特征,1.1典型的细胞信号转导系统,1、通过质膜上的特异受体识别来自细胞外部的各种刺激。2、将信号跨膜传递至胞质表面。3、再将信号传递至位于质膜内表面或胞浆内的特殊效应器分子，从而触发细胞的各种反应。4、外界刺激水平下降后，信号分子失活或解体，导致细胞反应停止。,细胞信号转导的几种特殊情况,甾醇类激素作用于靶细胞是以融合扩散的方式通过细胞膜，然后再与细胞内部的受体蛋白作用，转变成一个有活性的转录因子。一氧化氮(NO)这种细胞信使也是以扩散的方式通过细胞膜的。还有一种情况，信使分子与细胞表面受体结合直接激发细胞起反应，而不是在细胞内产生一个刺激信号后再通过一系列的转导过程触发细胞起反应，如神经递质乙酰胆碱就是这种机制，当它与骨骼肌细胞上的相应受体结合后，即开启受体自身的离子通道直接促发细胞反应。,1.2细胞信号转导的概念,“细胞信号转导”：细胞通过将信号传递至细胞内部来完成细胞对外界环境刺激所产生的相应反应。Cell signaling Signal transduction,1.3几个概念,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）指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反应的过程。细胞识别（cell recognition）指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，从而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）与细胞细胞受体作用，通过影响细胞内信使的水平变化，进而引起细胞应答反应的一系列过程。,细胞信号转导的类型1.通过细胞内受体介导的信号传递亲脂性小分子通过与细胞内受体结合传递信号 NO2.通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递离子通道偶联的受体 G蛋白偶联的受体与酶连接的受体,信号分子,生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号。从化学结构来看细胞信号分子包括：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：特异性；高效性；可被灭活。,从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。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，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primary messenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondary messenger）。目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。,受体,受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，从而激活或启动一系列生物化学反应，最后导致该信号物质特定的生物学效应。多为糖蛋白，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。受体与配体间的作用具有三个主要特征：特异性；饱和性；高度的亲和力。,根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellular receptor）和细胞表面受体（cell surface receptor）。细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：离子通道型受体、G蛋白耦联型受体和酶耦联型受体。,分子开关,分子开关是指在细胞内一系列信号传递的级联反应中，控制正、负两种相辅相成的反馈机制。即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制，而且两者对系统的功能同等重要。细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分为两类：一类开关蛋白的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭；另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。,蛋白激酶,蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 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，可分为5类。,蛋白激酶在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。,1.4细胞信号转导的特征,在信号转导过程中，通过加上或移去磷酸基团从而改变下游一系列蛋白质的活性是信号转导过程中一个最显著的特征。细胞信号转导过程的另外一个显著特征是以GTP结合蛋白(GTP-binding proteins or G proteins)作为“开关”的某种细胞活动与另外一些同样需要GTP结合蛋白参与调控的细胞活动过程相偶联。,二、G蛋白偶联受体和第二信使,第二信使cAMP的发现G蛋白cAMP信号通路、特征DAG和IP3信号通路及其他第二信使,2.1cAMP的发现,世纪年代，世界生命科学领域建立了“传递生命信息两个信使”的学说。生命科学家探索信息传递的真谛，已花费了至少年的光阴，的发现，使人类找到了传递生命信息的第二信使。早在年，美国学者Earl Sutherland在研究肾上腺素和胰高血糖素使血糖升高作用的原理时发现，二者均可激活磷酸化酶，从而促进肝细胞内糖原的分解，使血糖升高。他当即悟出，细胞质内必定存在一类能激活磷酸化酶，但尚未探明的物质，这是两种激素物质升高血糖作用的中介。,年，Earl Sutherland在肝细胞匀浆中加入三磷酸腺苷（）和镁离子（），尔后发现它们能生成一种耐热因子，具有激活磷酸化酶的作用，至此，他终于找到了这种神秘的物质。沿着Earl Sutherland指明的方向，ilman和odbell等在不到年的时间里，创立了完整的第二信使理论，使生命信息传递的机理得到阐明。第二信使实际上是指生命信息跨膜传递体系，不同组织的不同细胞虽有很大差异，但对绝大多数组织细胞来说，可分为大类：,第一类第二信使为和信使体系；第二类第二信使G和信使体系；第三类第二信使为cM信使体系。,细胞生理学家们在破译第二信使系统的进程中悟出并发现：真核细胞核膜的演化形成，导致了细胞核和细胞质的分隔，因而也产生了信息物质的核运输过程；处于信息传递链终端的蛋白质磷酸化，除了对酶蛋白及生理代谢起直接调节作用外，还往往通过使转录因子磷酸化来调节基因活性，然后由基因表达产物（蛋白或酶），间接产生更深刻、更重要的影响。,2.2G蛋白,三聚体GTP结合调节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由、三个亚基组成，和亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用（图），当亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，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RGS（regulator of G protein signaling）增强。RGS也属于GAP（GTPase activating protein）。,G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白（图），受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。,通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。,2.3cAMP信号通路,在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。,1.cAMP信号通路组成,.激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；.活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；.腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase）：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP（图）。,.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（图），在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。,.环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMP phosphodiesterase）：可降解cAMP生成5-AMP，起终止信号的作用（图）。,2.Gs调节模型,当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出亚基和基复合物，并暴露出亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。随着GTP的水解亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。亚基与亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。,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基因调控蛋白基因转录,活化的亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。此外亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的亚基起协同或拮抗作用。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的亚基上，致使亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的亚基上，使亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。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。,不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图），而抑制糖原的合成。,CREB(cAMP response element binding protein)转录因子的磷酸化,磷酸化的CREB结合到含有特殊核苷酸序列TGACGTCA的DNA位点上，这段特殊的核苷酸序列被称之为CRE(cAMP-regulated enhancer)序列,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（图）。,3.Gi调节模型,Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：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（图）。,百日咳毒素催化Gi的亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的亚基结合的水平，使Gi的亚基不能，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。,4.cAMP信号通路特点,1可以放大信息 以肾上腺素促进肝细胞和肌细胞的糖原分解和释放葡萄糖为例，已知引起糖原分解的肾上腺素的必须浓度是10-10M，这种刺激可使细胞内cAMP浓度达到10-6M,意味信息放大了104M,随后，cAMP先激活依赖cAMP的蛋白激酶(PKA)，后者激活糖原磷酸化激酶，此激酶再激活糖原磷酸化酶，从而催化糖原磷酸化形成磷酸葡萄糖。经测定横纹肌细胞内上述三种酶浓度之比为1：10：240，表明信息得到进一步放大。,2cAMP信使体系可同时接受几种信息分子的作用，即几种信息分子各自结合自己的受体，然后作用于同一个腺苷酸环化酶。3当信息分子浓度下降时，这套体系可使细胞很快终止对信息分子的反应,2.4DAG和IP3信号通路,神经递质乙酰胆碱结合到血管平滑肌细胞表面时，引起血管收缩，使血管变狭窄；当外来抗原结合到肥大细胞表面时，会引起细胞分泌组胺，从而引起变态反应的发生。这两个反应，都是由同样的细胞信使引起的。这种细胞信使是磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)的衍生物，PI是细胞膜组份中一种较小的分子，它不仅是脂质双分子层的结构成份，而且也是一系列重要调节分子的前体。,在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，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（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。,IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。激活各类依赖钙离子的蛋白。DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，PKC）。PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。,Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。如：在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶十分丰富，与记忆形成有关。该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。,IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网。,DG通过两种途径终止其信使作用：一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。,其他G蛋白偶联受体信号通路,1化学感受器中的G蛋白气味分子与化学感受器中的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(或视锥细胞)中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin,Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用。,视觉感受器的换能反映可表述为：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。,酶偶联受体,酶偶联型受体（enzyme linked receptor）分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：通常为单次跨膜蛋白；接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。已知六类：受体酪氨酸激酶、酪氨酸激酶连接的受体、受体酪氨酸磷脂酶、受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体鸟苷酸环化酶、组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。,受体酪氨酸激酶,酪氨酸激酶可分为三类：受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种；胞质酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等；核内酪氨酸激酶如Abl和Wee。,受体酪氨酸激酶（receptor protein tyrosine kinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。,配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等,信号分子间的识别结构域,信号转导分子中存在着一些大约由50100个氨基酸构成的结构域，它们在不同的信号转导分子中具有很高的同源性。这些结构域的作用是在细胞中介导信号介导分子的相互识别和连接，共同形成不同的信号转导途径（Signal transduction pathway）。,SH2结构域（Src Homology 2 结构域）：约100个氨基酸组成，介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白分子结合。SH3结构域（Src Homology 3 结构域）：约50100个氨基酸组成，介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子结合。PH结构域（Pleckstrin Homology 结构域）：约100120个氨基酸组成，可以与膜上磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合，使含PH结构域蛋白由细胞质中转位到细胞膜上。,RAS信号途径,受体酪氨酸激酶（RPTK）结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化而活化，活化的RPTK激活RAS，由活化的RAS引起蛋白激酶的磷酸化级联反应（图）。,Ras蛋白要释放GDP，结合GTP的才能激活，GDP的释放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，因此不能直接和受体结合，需要接头蛋白（如Grb2）的连接，接头蛋白通过SH2与受体的磷酸酪氨酸残基结合，再通过SH3与Sos结合，Sos与膜上的Ras接触，从而活化Ras。Ras本身的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白（GAP）的参与，使Ras结合的GTP水解而失活，GAP具有SH2结构域可直接与活化的受体结合。,Ras蛋白与Raf的N端结构域结合并使其激活，Raf是丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶（又称MAPKKK）活化的Raf结合并磷酸化另一种蛋白激酶MAPKK，使其活化。MAPKK又使MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活。MAPK为有丝分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK），属丝氨酸/苏氨酸残激酶。活化的MAPK进入细胞核，可使许多转录因子活化，如将Elk-1激活，促进c-fos，c-jun的表达。RPTK-Ras信号通路可概括如下：配体RPTKadaptorGEFRasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞核转录因子基因表达。,G蛋白信号转导途径和PTK信号转导途径比较,尽管G蛋白和RTK信号转导途径通过不同的机制起作用，它们之间存在着大量类似的共同点。在G蛋白途径中，G蛋白构象的改变是将信号转导至细胞内部的分子开关，同样在RTK途径中，酪氨酸磷酸化也起着相似的作用。就象腺苷酸环化酶或磷脂酶C是G蛋白偶联受体的效应分子一样，具有SH2功能域的蛋白质也可以看作是RTKs的效应分子。既然不同的细胞可能含有具有相似SH2功能域的不同效应器分子，同一配体就能够在不同的靶细胞中触发不同的反应。,信号转导与药物开发,阿斯利康公司苯胺喹啉化合物（anilinoquinazoline）强效EGFR（表皮生长因子受体）酪氨酸激酶抑制剂。对癌细胞的增殖、生长、存活的信号转导通路起阻断作用。增加PPD、Taxel、Doxtaxel、ADM治疗NSCLC有效率920不良反应：皮疹、恶心、呕吐、腹泻。,增生,X,凋亡,血管生成,转移,细胞膜,癌细胞,ZD1839,EGF,TGFa,X,X,X,细胞核,激酶,X,ZD1839:作用机制,格列卫(Gleevec)、它西卫(Tarceva）：在治疗某些肺癌、脑癌和颈癌上很有希望。这两种药都是自己进到细胞里，阻断来自表面的生长信息。总部在伦敦的阿斯特拉捷利康公司正在测试一个相似的化合物艾若萨(Iressa)，用于治疗某种肺癌、胃癌和前列腺癌。格列卫、它西卫和艾若萨虽然都通过锁定酪氨酸致活酶来截断癌细胞最常用的信号传递通路，但促使癌细胞生长的信息是由千百种生化信号通过千百种途径传递的。每一种途径都意味着一个目标，意味着一段要由不同药物打断的联系。,细胞内受体介导的信号转导,细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白（图）。在细胞内，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，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。,甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内。每种类型的甾类激素与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内，激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，提高了受体与DNA的结合能力，激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。受体与DNA序列的结合已得到实验证实，结合序列是受体依赖的转录增强子，这种结合可增加某些相邻基因的转录水平。,甾类激素诱导的基因活化分为两个阶段：直接活化少数特殊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。如果蝇注射蜕皮激素后仅510min便可诱导唾腺染色体上6个部位的RNA转录，再过一段时间至少有100个部位合成RNA，致使大量合成次级反应所特有的蛋白质产物。这类激素作用通常表现为如影响细胞分化等长期的生物学效应。,甲状腺素和雌激素也是亲脂性小分子，其受体位于细胞核内，作用机理与甾类激素相同。也有个别的亲脂性小分子，如前列腺素，其受体在细胞膜上。,NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。RFurchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。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，以还原型辅酶（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。,血管内皮细胞接受乙酰胆碱，引起胞内Ca2+浓度升高，激活一氧化氮合酶，细胞释放NO，NO扩散进入平滑肌细胞，与胞质鸟苷酸环化酶（GTP-cyclase，GC）活性中心的Fe2结合，改变酶的构象（图），导致酶活性的增强和cGMP合成增多（图）。cGMP可降低血管平滑肌中的Ca2+离子浓度。引起血管平滑肌的舒张，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。,研究表明信号在细胞内部的传递是相当复杂的，如：,许多不相关的生长因子，通过与各自的受体结合，最终都能激活同一个效应器分子，如Ras或MAP激酶。同一个配体如EGF或胰岛素能够激活多种不同的效应器分子，使细胞产生多种不同的反应。信号能够在不同的转导途径间交互传递(Crosstalk)。,(一)趋同信号转导(Convergent signaling),最近一个最有趣的信号转导途径的趋同例子在胰岛素反应的研究中被发现。胰岛素与其受体结合，触发胰岛素受体底物磷酸化，激活PI(3)K；同时胰岛素也激发细胞的其它反应，包括蛋白质合成的激活和刺激生长。胰岛素受体底物磷酸化产生一个Grb2“锚点”(Docking site)，具有同样SH2功能域的蛋白质也可以与磷酸化的EGF或PDGF受体结合。由此可以看出，三种不同配体(胰岛素、表皮生长因子和血小板衍生生长因子)与其受体结合后起动的信号转导途径可共同沿着激活Ras和MAP激酶级联式反应的途径转导下去，在靶细胞中，导致相似的有关促进生长的基因的转录和翻译。,(二)趋异信号转导(divergent signaling),在上文中曾讲过EGF或PDGF与其受体结合后可导致受体自身磷酸化，吸引具有SH2功能域的Grb2蛋白与质膜上受体的胞浆部分结合。Grb2不是唯一的具有可与磷酸酪氨酸基序结合的SH2功能域蛋白；另外，至少还存在着二种其它的SH2蛋白，即PI(3)K和PLC，也能与这些受体结合，经相互作用而被激活。这两种酶与有关刺激间的相互关系前面已有所讨论。PI(3)K是一种对磷脂酰肌醇(PI)磷酸化的酶，而PLC是一种将磷酸化的磷脂酰肌醇水解成IP3和DAG两种第二信使的酶。这两种酶位于各自信号转导途径的上游。EGF或PDGF与各自的受体结合后不仅可以沿着Ras-MAP激酶途径传递信号，而且也能沿着由磷酸化肌醇触发的途径转导信号。,(三)信号转导途径间的交互作用,审视一下前面描述过的那些信号转导途径，似乎每一条途径都是直线型传递链。实事上，信息流在细胞内的流动更象一个相互作用的网络。这条信息传递链生成的产物也能参与到另一条信息传递链中。对细胞内信息传递链了解得越多，就会发现信息转导途径间的交互作用(Crosstalk)现象就越多。这里不打算将细胞内信号转导途径中交互作用的所有方式都归类出来，只列举cAMP参与作用的几个例子来说明交互作用的重要性。,人们对于细胞外配体与G蛋白偶联受体或受体型酪氨酸激酶相互作用后所起动的两种细胞信号转导途径已经进行了较为详尽的研究。除此之外，还发现了大量的将细胞外信号传至细胞内部的其它通路，其中少数比较重要的转导途径将在下面略加讨论。,发现背景1985年，人们发现了一种缺乏巨噬细胞的突变小鼠，这种小鼠对异常细胞或细菌没有吞噬能力，在氮代谢上也出现异常。正常小鼠随着细菌感染和炎症的发生会伴随着尿中氮的排泄增加，但是这种现象在突变小鼠是不存在。后来发现正常巨噬细胞在培养过程中，其吞噬活动依赖于培养基中的精氨酸，缺乏这种氨基酸，巨噬细胞就不能吞噬外来物；很快就发现精氨酸是一氧化氮合成酶的底物，在精氨酸氧化代谢过程中产生一氧化氮。该一氧化氮起着细胞内信使的作用，刺激细胞的吞噬活动。炎症期间，由于巨噬细胞积极参与广泛的吞噬活动，有大量的一氧化氮生成，一氧化氮的降解代谢产生大量的氮源，这就很好地解释了为什么会有大量的氮出现在该动物的尿中。,血管内皮细胞生成的NO就是其对支配血管的自主性神经所释放的乙酰胆碱的反应。乙酰胆碱与内皮细胞表面结合，产生一个使胞浆内Ca2浓度升高的信号，激活NO合成酶，在内皮细胞内生成的NO跨细胞膜扩散至相邻的平滑肌细胞，在这里NO激活鸟苷酸环化酶(Guanylyl cyclase)，催化合成cGMP，cGMP触发的反应是导致肌肉松驰，紧接着血管膨胀。NO介导的血管膨胀机制的发现很好地解释了硝酸甘油的作用机制。硝酸甘油用于治疗心脏血供不足导致的心绞痛已有若干年，硝酸甘油在体内降解产生NO，可刺激心脏周围血管平滑肌松驰，促使血液回流心脏。大多数研究者认为身体内生成的NO是决定人血压高低的重要因素。在脑和支配各种周围器官的脊神经的某些区域内，发现其中的神经细胞含有高浓度的NO合成酶，在这些神经细胞中生成的NO被认为起着神经递质的作用，可在靶细胞内引发特异性反应，包括肠平滑肌的蠕动、收缩、阴茎勃起时的充血反应等。,对NO合成酶的研究成果启发了研究人员着手开展对血红素氧合酶的研究。血红素氧合酶催化血红蛋白中血红素的降解，血红蛋白是由衰老死亡的血细胞产生的。人们发现血红素氧合酶在某些神经细胞内也有很高的水平，它们并不是起着对血红素进行降解的作用。神经系统中血红素氧合酶催化生成的产物之一是一氧化碳(CO)，与NO一样，CO也是空气中有毒的污染物。有越来越多的证据表明CO起着化学信使的作用，在靶细胞中刺激产生cGMP。CO在神经功能中起作用的证据来源于对嗅觉神经元的研究，嗅觉神经元在气味分子的刺激下，生成CO，cGMP水平也显著升高。当用抑制血红素氧合酶药物处理动物时，嗅觉神经元中cGMP的升高将被阻断。,非溶性物质 非细胞物质如基底膜(Basement membrane)其它细胞的表面。,整合素(Integrin)是细胞和外界物质、细胞和细胞之间接触点上的二聚体膜蛋白受体。在一个生长的个体中，有证据显示整合素的细胞外功能域与细胞外配体如细胞外基质中的纤维结合素(Fibronectin)之间存在着相互作用，在细胞内产生一个导致Ca2释放进胞质的信号，增加肌醇类第二信使的合成和细胞内蛋白质酪氨酸磷酸化的水平，最终导致基因表达发生改变。局部粘附性激酶(Focal adhesion kinase,FAK)是在这些变化中起作用的效应器分子之一，它是一种酪氨酸蛋白激酶。之所以叫这个名字，是因为它在局部粘附区域内浓度集中，特别是在细胞接触位点的质膜内表面。在由整合素介导的细胞骨架重组反应中，FAK起着效应分子的作用，细胞骨架的重组影响到细胞的生长和行为表现。如大鼠成纤维细胞与培养皿接触时其细胞膜表面下就呈现出局部粘附反应。,FAK也已经被认为是触发血小板聚集反应的效应分子。血小板是血中存在的一种无核细胞，负责血管受伤部分的止血。血小板通过其表面与某些血液中的蛋白如纤维蛋白原(Fibrinogen)接触而刺激血小板的聚集。有证据表明纤维蛋白原与血小板质膜上整合素的细胞外功能域结合，通过跨膜信号传递激活胞浆内的FAK分子，使得参与血小板聚集反应的一系列胞浆蛋白磷酸化。这也解释了Glanzmanns血小板机能不全患者其血小板上由于缺乏整合素而不能被纤维蛋白原激活，从而导致疾病的发生。,蛋白磷酸化是一个重复可逆的修饰过程，由蛋白激酶加上去的磷酸基因能够由蛋白磷酸酶除去，所以，激酶和磷酸酶在它们的底物上具有相反的作用效果。当磷酸化激活该底物时，去磷酸化则使它失活；反过来也一样。与蛋白激酶一样，某些磷酸酶也是多功能的，能够从许多不同的蛋白质上移去磷酸基团。然而有一些磷酸酶却是相当特异的，仅能够从一、两种底物分子上移走磷酸基团。与激酶一样，大多数磷酸酶要么从丝氨酸苏氨酸残基上移走磷酸基团，要么从酪氨酸残基上移走磷酸基团，但不会同时具有从丝氨酸苏氨酸和酪氨酸残基上移走磷酸基团的功能。然而，少数已知的双重特异性磷酸酶却能够从这三种氨基酸残基上移走磷酸基团。,以上所有这些蛋白磷酸酶都是可溶性的胞浆酶。另外一类新发现的磷酸酶，它们横跨质膜，行使着细胞表面受体的作用，参与细胞信号转导和细胞粘附，这些分子称作为受体样蛋白质酪氨酸磷酸酶(Receptor like protein tyrosine phosphatases,RPTPs)。RPTPs作为细胞粘附分子的作用，可以用实验来证实。RPTP是RPTPs分子中的一种，将其基因导入通常情况下相互间没有粘附特性的昆虫细胞，由于该基因导入后，其表面产物出现在细胞膜上，通过细胞膜上的RPTPs分子与邻近细胞发生特异的相互作用而聚集在一起，导致这些转化了的细胞聚集成簇。该实验提示RPTPs起着细胞粘附分子的作用。RPTPs的细胞外部份含有与其它细胞粘附分子(如Fibronectin)相似的功能域，在细胞粘附和跨膜信号转导过程中，RPTPs分子起着直接的联系作用。,下列事件发生在所有胚胎发育过程中：1.中枢神经系统之外朝向靶器官发育的神经元的生长超过了支配该器官的需要；2.T淋巴细胞(负责杀伤异常和感染细胞的免疫细胞)的产生过程中出现了那些有能力攻击自身正常细胞的T淋巴细胞；3.人类手的早期形状类似鱼鳍，在以后将要成为手指的组织之间没有任何空间。上面的任何一种情况，细胞已不再为生物体所需(如过多的神经元细胞和手指缝之间的细胞)或细胞具有伤害自身个体的能力(如T淋巴细胞)时，这些细胞将经历称之为细胞凋亡的过程而发生死亡。不象组织意外受伤时出现的细胞死亡(这种死亡称之为坏死)，凋亡是一种有序的程序性细胞死亡。其过程大致为细胞接收到某种信号，从而起动一个导致细胞死亡的正常反应。凋亡过程中需要激活一系列特异的基因，这些基因通过影响细胞周围的环境而导致细胞的死亡。细胞凋亡的特征是细胞和细胞核浓缩，在特定的DNA内切酶作用下，染色质被有序的切成小片段，并迅速地被巨噬细胞将正在凋亡的细胞吞噬。象上面例子中提到的那样，凋亡通常发生在胚胎发育过程中，但也发生在成年组织中。对于摧毁身体中那些将要发展成恶性肿瘤的细胞，诱导细胞发生凋亡具有特别重要的意义。在没有雄激素睾酮存在的情况下，前列腺内皮细胞将发生凋亡，这就是为什么已经广泛扩散到其它组织的前列腺癌能够用干扰睾酮产生的药物来治疗的机理。,为什么原癌基因突变或异常激活可使细胞向癌方向发展？癌基因最初被发现时，已经预见到其所编码的正常蛋白参与了细胞生长的调控。后来该预见已经反复被证实。如Ras信号转导途径中的许多蛋白组份即是由最初所发现的这些癌基因所编码的，其中包括Ras、Raf和信号转导途径末端被激活的一些转录因子c-fos等。还有一些位于信号转导途径起始端编码RTKs的基因，如EGF受体和PDGF受体基因等。所有这些癌基因中，Ras似乎在人类肿瘤形成的过程中起着非常重要的作用。从那些存在于信号转导途径中的基因发生突变后可使肿瘤发生的许多蛋白组份可以看出，在控制细胞生长和增殖的活动中信号转导途径的重要性。人们期望近年来对Ras在正常细胞活动中作用的研究，能更好地理解Ras基因变化了的癌细胞是如何失去生长控制机制的，并期望能够找到更好的对付癌细胞的办法。,思考练习题,1.试述细胞以哪些方式进行通讯？各种方式之间有何不同？2.细胞有哪几种方式通过分泌化学信号进行细胞间相互通讯？3.何谓信号传递中的分子开关蛋白？举例说明其作用机制。4.简要比较G-蛋白偶联受体介导的信号