【生物】第五篇-细胞信号转导分子生物学课件.ppt
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1、第七章 细胞通讯与细胞信号转导的分子机理,第四篇 细胞信号转导的分子生物学,一、细胞通讯的方式二、细胞内受体的信号转导机理三、膜受体介导的信号转导,细胞通讯(Cell Communication):为适应环境的不断变化,保证生物机体功能上的协调统一,高等生物需要有一个完善的细胞间相互识别、相互反应和相互作用的机制,这一机制可以称作细胞通讯。,信号转导(Signal Transduction):在细胞通讯体系中,细胞在识别与之相接触的细胞,或者识别周围环境中存在的各种信号,并将其转变为细胞内各种分子功能上的变化,从而改变细胞内的某些代谢过程,影响细胞的生长速度,甚至诱导细胞的死亡。这种针对外源信
2、号所发生的各种分子活性的变化,以及将这种变化依次传递至效应分子,以改变细胞功能的过程称为信号转导(Signal Transduction),其最终目的是使机体在整体上对外界环境的变化发生最为适宜的反应。,阐明细胞信号转导的机理就意味着认清细胞在整个生命过程中的增殖、分化、代谢及死亡等诸方面的表现和调控方式,进而理解机体生长、发育和代谢的调控机理。近年来,随着分子生物学技术手段的改进,人们对细胞内信号转导机理的认识也日益深入。现已知道,细胞内存在着多种信号转导方式和途径,各种方式和途径间又有多个层次的交叉调控,是一个十分复杂的网络系统。人类将会绘制出一个类似于代谢网络图的细胞信号传递的网络图,不
3、过这个网络图可能较代谢图更为复杂。,一、细胞通讯的方式,单细胞生物仅与环境交换信息,高等生物则根据自然需求进化出一套精细的调控通讯系统,以保持所有细胞行为的协调统一。细胞间主要有三种方式进行联络。,1.细胞间隙连接,细胞间隙连接(Gap Junction)是一种细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞间存在着一种特殊的由蛋白质构成的结构连接子(Connexon)。连接子两端分别嵌入两个相邻的细胞,形成一个亲水性孔道。这种孔道允许两个细胞间自由交换分子量为1500D以下的水溶性分子。,直接交换的意义在于,相邻的细胞可以共享小分子物质,因此可以快速和可逆地促进相邻细胞对外界信号的协同反应。连接子为一个
4、多基因家庭,现已发现12个成员。在肿瘤生长和创伤愈合等过程中都观察到某些类型连接子表达的变化。因此,连接子可能对细胞的生长、分化、定位及细胞形态的维持具有重要意义。,荧光标记的不同大小的分子注入细胞后,依靠间隙连接进入另外一个细胞,图中数字表示分子量。,2.膜表面分子接触通讯,每个细胞膜的外表面都分布有众多的蛋白质分子(或糖蛋白分子)。这些表面分子作为细胞的触角,可以与相邻细胞的膜表面分子特异性地相互识别和相互作用,以达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯(Contact signaling by plasma-membrane-bound molecules)。膜表面分
5、子接触通讯也属于细胞间的直接通讯,最为典型的例子是T淋巴细胞与B淋巴细胞的相互作用。,3.化学通讯,细胞可以分泌一些化学物质蛋白质或小分子有机化合物至细胞外,这些化学物质作为化学信号(chemical signaling)作用于其它的细胞(靶细胞),调节其功能,这种通讯方式称为化学通讯。,化学通讯是间接的细胞通讯,即细胞间的相互联系不再需要它们之间的直接接触,而是以化学信号为介质来介导的。在动物中,根据化学信号分子可以作用的距离范围,将其分为三类:,1.内分泌(endocrine)系统以激素为主,它们是由内分泌器官分泌的化学信号,并随血流作用于全身靶器官。,2.旁分泌(paracrine)系统
6、以细胞因子为主,它们主要作用于局部的细胞,作用距离以毫米计算。,3.自分泌(autocrine)系统以神经介质为主,其作用局限于突触内,作用距离在100nm以内。,化学信号还可以根据其溶解性分为脂溶性化学信号和水溶性化学信号两大类。所有的化学信号都必须通过与受体结合方可发挥作用,水溶性化学信号不能进入细胞,其受体位于细胞外表面。脂溶性化学信号可以通过膜脂双层结构进入胞内,其受体位于胞浆或胞核内。下面分别介绍这两种受体转导生物信号的特点。,水溶性和脂溶性化学信号的转导,二、细胞内受体的信号转导机理,脂溶性化学信号(如类固醇激素、甲状腺素、前列腺素、维生素A及其衍生物和维生素D及其衍生物等)的受体
7、位于细胞浆或细胞核内。激素进入细胞后,有些可与其胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物,有些则先与其在胞浆内的受体结合,然后以激素-受体复合物的形式进入核内。,这些受体均属于转录因子,并具有锌指结构作为其DNA结合区。在没有激素作用时,受体与热休克蛋白(Heat shock proteins)形成复合物,因此阻止了受体向细胞核的移动及其与DNA的结合。当激素与受体结合后,受体构象发生变化,导致热休克蛋白与其解聚,暴露出受体核内转移部位及DNA结合部位,从而激素受体复合物向内转移,并结合于DNA上特异基因邻近的激素反应元件(hormone response element)上。,类固醇激素及其受
8、体的作用机理示意图,不同的激素受体复合物结合于不同的激素反应元件(表1)。结合于激素反应元件的激素受体复合物再与位于启动子区域的基本录因子及其它的转录调节分子作用,从而开放或关闭其下游基因。,表1激素反应元件(HRE),三、膜受体介导的信号转导,亲水性信号分子(所有的肽类激素、神经递质和各种细胞因子等)均不能进入细胞。它们的受体位于细胞表面。这些受体与信号分子结合后,可以诱导细胞内发生一系列生物化学变化,从而使细胞的功能如生长、分化及细胞内化学物质的分布等发生改变,以适应微环境的变化和机体整体需要。这一过程可以称之为跨膜信号转导。,在这一信号转导过程中,信号分子不进入细胞。虽然有些信号分子与受
9、体结合后可以发生内化(internalization),但这不是主要的作用方式。这种位于膜表面的受体所介导的信号传递主要表现为,各种参与信号传递的信号分子的构象、浓度或分布发生变化,各种信号分子之间发生相互识别和相互作用。,随着越来越多的膜表面受体被纯化,其结构及转导信号的方式逐步得以阐明。目前,按照受体的结构及其作用方式可将其分为三大类。这三大类受体在配体种类、受体的一般结构和功能及细胞与之发生反应的方式上有所不同,见表2。,膜受体的分类,Ion Channel Receptors,G-Protein-Linked receptors,Recetpors with a Single Tran
10、smembrane Domain,1)离子通道型受体及其信号转导 离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体。这种离子通道与受电位控制的离子通道及受化学修饰调控的离子通道不同,它们的开放或关闭直接受配体的控制,其配体主要为神经递质。,2.膜受体信号转导的分子机理,下图显示了作为离子通道受体的典型代表乙酰胆碱受体的结构模式。乙酰胆碱受体是由5个同源性很高的亚基构成,包括2个亚基,1个亚基,1个亚基的和1个亚基。每一个亚基都是一个四次跨膜蛋白,分子量约60kd,约由500个氨基酸残基构成。推测跨膜部分为四条螺旋结构,其中一条螺旋含较多的极性氨基酸,就是由于这个亲水区的存在,使五个亚基共同在膜中形成一
11、个亲水性的通道。乙酰胆碱的结合部位位于亚基上。,乙酰胆碱受体的结构模式图,乙酰胆碱受体可以以三种构象存在。两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象,但即使有乙酰胆碱的结合,该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂,在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离,受体则恢复到初始状态,做好重新接受配体的准备。,乙酰胆碱受体的三种构象示意图,离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位的改变,可以认为,离子通道受体是通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞的功能的。离子通道型受体可以是阳离子通道,如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体,也可以是阴离子通道,如甘氨酸和氨基丁酸的受体。,G蛋白
12、(GTP结合蛋白)偶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蛋白偶联型受体。这类受体在结构上均为单体蛋白,氨基末端位于细胞外表面,羧基末端在胞膜内侧。完整的肽链要反复跨膜七次,因此亦有人将此类受体称为七次跨膜受体。,2)G蛋白偶联型受体及其信号转导,由于肽链反复跨膜,在膜外侧和膜内侧形成了几个环状结构,它们分别负责与配体(信号)的结合和细胞内的信号传递。其胞浆部分可以与一种G蛋白相互作用,这种G蛋白是该信号传递途径中的第一个信号传递分子,这类受体被称为G蛋白偶联型受体的原因。,七次跨膜受体G蛋白偶联型受体跨膜结构示意图,G蛋白偶联受体
13、的信号传递过程包括:(1)配体与受体结合(2)受体活化G蛋白(3)G蛋白激活或抑制细胞中的效应分子(腺苷酸环化酶、磷酸二酯酶和磷脂酶C等)(4)效应分子改变细胞内信使的含量与分布(5)细胞内信使作用于相应的靶分子,从而改变细胞的代谢过程及基因表达等功能。,G蛋白循环示意图,细胞内信使(第二信使),cAMP:,cGMP:,DAG(甘油二酯)和IP3(三磷酸肌醇):,细胞内信使一般具有以下三个特点:(1)多为小分子,且不位于能量代谢途径的中心;(2)在细胞中的浓度或分布可以迅速地改变;(3)作为变构效应剂可作用于相应的靶分子,已知的靶分子主要为各种蛋白激酶。,蛋白激酶A(Protein Kinas
14、e A、PKA):cAMP依赖性蛋白激酶(cAMP-dependent Protein Kinase,cAPK),活化了的蛋白激酶A可作用于多种与糖脂代谢相关的酶类、一些离子通道和某些转导因子,使它们发生磷酸化并改变其活性状态。蛋白激酶G(Protein Kinase G、PKG):cGMP依赖性蛋白激酶(cGMP-dependent Protein Kinase,cGPK),蛋白激酶G以cGMP作为变构效应剂,在脑和平滑肌中含量较丰富。1997年发现,PKG的基因突变与果蝇的觅食行为有关。可以推测,PKG很有可能在神经系统的信号传递过程中具有重要作用。蛋白激酶C(Protein Kinase
15、 C、PKC):DAG、PIP3、磷脂酰胆碱的衍生物、鞘磷脂的衍生物以及Ca2等小分子信使的一个重要靶分子是蛋白激酶C。,靶分子,PKC有多种同工酶形式,不同的同功酶在结构和组织分布上各有不同,其对辅助因子(包括上述细胞内小分子信使)的需求亦有差别,并且对底物有选择性。PKC在细胞的生长分化的调控中及其它多种细胞功能上具有关键性的调节作用,是一类非常重要的信号转导分子。细胞信号转导过程中的多条途径都可以导致PKC的活化。PKC的抑制剂可以使细胞失去对生长分化刺激信号的反应,表明这些功能都依赖于PKC的调控。其它很多类似的实验亦表明,细胞的很多其它功能也受到PKC的调控。,G蛋白偶联型受体-G蛋
16、白-腺苷酸环化酶信号转导途径示意图,G蛋白偶联型受体-G蛋白-磷脂酶C信号转导途径示意图,多种生长因子和细胞因子的受体为一类结构上为单次跨膜的糖蛋白。与七次跨膜受体(G蛋白偶联型受体)相对应,将其称为单次跨膜受体,即它们的跨膜区仅为单向一次性的,而不像七次跨膜受体那样有反复的跨膜区段。单次跨膜受体依照其结构特点可进一步分成多个家族和亚家族,见下图。,(3)单次跨膜受体及其信号转导,各类单次跨膜受体的代表性举例,单次跨膜受体所介导的信号传递与转换过程与G蛋白偶联型受体介导的信号转导有很大差别。G蛋白偶联型受体所介导的主要是经由G蛋白的激活,然后作用于相应的效应分子,接下来最主要的是导致细胞内信使
17、含量及分布的迅速改变从而调节靶分子的活性并改变细胞的功能状态。单次跨膜受体介导的信号转导过程则主要是蛋白分子的相互作用,并且有蛋白酪氨酸激酶的广泛参与。对这些信号转导途径的了解在九十年代中取得了许多重要的进展。,I 介导单次跨膜受体信号转导的蛋白质,a.蛋白激酶 蛋白激酶是指能够将磷酸基因从磷酸供体分子上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。磷酸供体可以是ATP,也可以是其它类三磷酸核苷酸。由于蛋白激酶常常是多底物的,因此蛋白激酶是根据底物中氨基酸残基的特异性而不是根据底物蛋白的特异性来分类的。国际生化学会命名委员会建议将蛋白激酶分为五大类:,b.蛋白磷酸酶(Protein Phosphot
18、ase)蛋白磷酸酶是指具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子。它们与蛋白激酶相对应存在,共同构成了磷酸化与去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。正如蛋白激酶催化的磷酸化由于底物不同,有的表现为活性增高,有的表现为活性降低一样,蛋白磷酸酶所催化的去磷酸化反应也对于不同的底物有不同的反应。,图蛋白酪氨酸磷酸酶对蛋白酪氨酸激酶的调控作用PTK:Protein Tyrosine KinasePTP:Protein Tyrosine Phosphotase S:Substrate,蛋白磷酸酶的分类也与蛋白激酶类似,是根据它所作用的氨基酸残基决定的。目前已知的蛋白磷酸酶包括蛋白丝氨酸/
19、苏氨酸磷酸酶和蛋白酪氨酸磷酸酶两大类,另外还有个别的蛋白磷酸酶具有双重作用,即可同时作用于酪氨酸和丝氨酸残基。蛋白激酶和蛋白磷酸酶均作用于有限的底物,它们的催化作用的特异性及其在细胞内的分布特异性决定了信号转导途径的精确性。,c.低分子量G蛋白(Small G Protein)低分子量GTP结合蛋白在多种细胞反应中具有开关作用,它们位于MAPK(mitogen activated protein kinase)系统的上游,是一类重要的信号转导分子。第一个被发现的低分子量G蛋白是Ras,因此这一类蛋白质被称为Ras超家族成员。由于它们均由一个GTP酶结构域构成,亦将之称为Ras样GTP酶。低分子
20、量G蛋白的共同特点是,当结合了GTP时即成为活化形式,这时可作用于下游分子使之活化,而当GTP水解成为GDP时(自身为GTP酶)则回复到非活化状态。这一点与G类似,但是Ras家族的分子量明显低于G。,在细胞中存在着一些专门控制低分子量G蛋白活性的低分子量G蛋白调节因子,这些调节因子受膜受体信号的影响,调节低分子量G蛋白活性,低分子量G蛋白再作用于MAPK系统。在这些调节因子中,有的可以增强低分子量G蛋白的活性,如鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)和鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子(GDI),有的可以降低低分子量G蛋白活性,如GTP酶活化蛋白(GAP)等。目前已知的Ras超家族成员已超过50种,它们又可以分
21、为数个亚家族,在细胞内分别控制不同的信号转导途径,每一个成员都有其各自的特点。,图Ras的活化及其调控因子,d.介导信号转导分子相互作用的结构元件 细胞中的信号转导分子是如何相互识别、相互作用而构成不同的细胞转导途径的呢?90年代以来,逐步发现在信号转导分子中存在着一些特殊的结构域:大约由50100个氨基酸构成,在不同的信号转导分子中具有很高的同源性。其作用是在细胞中介导信号转导分子的相互识别,共同形成不同的信号传递链或信号转导途径(Signal Transduction Pathway),并进而形成信号转导的网络(Signal Transduction Network)。这些结构域像电路中的
22、接头元件一样把不同的信号分子连接起来,故称为调控结合元件(Modular Binding Domain)。,作为调控结合元件,它们在结构和功能上有如下特点:一个信号分子可以含有两种以上的调控结合元件,因此可以同时与两种以上的其它信号分子相结合,例如,在蛋白酪氨酸激酶Btk中即有PH结构域、SH3结构域和SH2结构域等3个调控结合元件。同一类调控结合元件可存在于多种不同的信号转导分子中,例如,PH结构域存在于某些蛋白激酶、低分子量G蛋白调节分子及细胞骨架蛋白等多种信号转导分子中。这些调控结合元件的一级结构仍然是不同的,因此对所结合的信号分子具有选择性,这是保证信号分子相互作用具有特异性的基础。这
23、些结构域本身均为非催化结构域。,a.表皮生长因子受体介导的信号转导途径 表皮生长因子与其受体结合后可引发一系列细胞内变化,最终使细胞发生分化或增殖。表皮生长因子受体是一种受体酪氨酸蛋白激酶,而受体酪氨酸蛋白激酶RasMAPK级联途径是表皮生长因子刺激信号传递到细胞核内的最主要途径。它由以下成员组成:表皮生长因子受体含有SH2结构域的接头蛋白(如Grb2)鸟嘌呤核苷酸释放因子(如SOS)Ras蛋白MAPKKK(如Raf1)MAPKKMAPK转录因子等。,II 两条典型的信号转导途径,表皮生长因子与受体结合后,可以使受体发生二聚体化,从而改变了受体的构象,使其中的蛋白酪氨酸激酶活性增强,受体自身的
24、酪氨酸残基发生磷酸化,磷酸化的受体便形成了与含SH2结构域的蛋白分子Grb2结合的位点,导致Grb2与受体的结合。Grb2中有两个SH3结构域,该部位与一种称为SOS的鸟苷酸交换因子结合,使之活性改变,SOS则进一步活化Ras,激活的Ras作用于MAPK激活系统,导致ERK的激活。最后ERK转移到细胞核内,导致某些转录因子的活性改变从而改变基因的表达状态及细胞的增殖与分化过程。,图EGF受体介导的信号转导过程,b.-干扰素受体介导的信号转导-干扰素是由活化T细胞产生的,它具有促进特异性免疫识别的作用,并可促进B细胞分泌抗体。-干扰素与受体结合以后,也可以导致受体二聚体化,二聚体化的受体可以激活
25、JAKSTAT系统,后者将干扰素刺激信号传入核内。JAK(Janus Kinase)为一种存在于胞浆中的蛋白酪氨酸激酶,它活化后可使干扰素受体磷酸化。STAT(Signal Transducerand Activator of Transcription)可以通过其SH2结构域识别磷酸化的受体并与之结合。然后STAT分子亦发生酪氨酸的磷酸化,酪氨酸磷酸化的STAT进入胞核形成有活性的转录因子,影响基因的表达。,图-干扰素受体介导的信号转导过程JAK:Janus kinase;STAT:Signal Transducer and Activator of Transcription;GAS:-i
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- 生物 第五 细胞 信号 转导 分子生物学 课件
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