细胞生物学八细胞信号转导

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1、第八章 细胞信号转导细胞通讯与信号传递一、细胞通讯与细胞识别（一）细胞通讯（cell communication)1、定义：指一个细胞发出的信息通过介质传递到另 一个细胞产生相应的反应。细胞通讯三种方式： 通过分泌化学信号进行 细胞间接触性依赖的通讯（contact-dependent signaling) 通过间隙连接使细胞质相互沟通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

2、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。 细胞间直接接触，不需 要分泌化学信号的释放（二）细胞识别与信号通路l细胞识别(cell recognition) 指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子 选择性相互作用，引起生理生化变化，最终表现为 细胞整体生物效应的过程。l信号通路(signaling pathway)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的过程称为细胞信号通路 。（三）信号分子与受体l1 、信号分子(signal molec

3、ule)的类型根据其溶解性分类：l亲水性信号分子神经递质、生长因子、细胞因子 、局部化学递质、大多数肽类激素，介导短暂的反应 ，与细胞表面受体结合，产生第二信使以引起细胞的 应答。l*前列腺素为脂溶性，但不能穿过质膜，与表面受体 结合。 亲脂性信号分子甾类激素(皮质醇、雌二 醇和睾酮）和甲状腺素，分子小，疏水性强， 可穿过细胞膜进入细胞，介导长时间的持续反 应，与细胞内受体结合，调节基因表达。 气体信号分子NO、CO、H2S等 信号分子特点：特异性；高效性；被灭活性。2.受体(receptor)概念：受体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，多为糖蛋白，一般至少包括两个

4、功 能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域 。 类型：细胞内受体（intracellular receptor）： 受胞外亲脂性信号分子激活细胞表面受体（cell surface receptor）受胞外亲水性信号分子激活l同一细胞具有不同受体，受多信号的调控，如心肌 细胞上有乙酰胆碱受体和肾上腺素受体l不同细胞具有相同受体，但反应各异如心肌和分泌细胞上的乙酰胆碱受体相同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。受体与配体（信号分子）间作用的主要特征 特异性；饱和性；高度的亲和力。3、第二信使与分子开关(molecular switches)第二信使学说（second

5、 messenger theory）：由Sutherland于70年代提出，并因此而获得诺贝尔奖。第 二 信使有cAMP、 cGMP、三磷酸肌醇（IP3)、二酰基甘油(DG)等。分子开关：磷酸化和去磷酸化GTP和GDP的交替结合二、通过细胞内受体介导的信号传递 甾类激素介导的信号通路 一氧化氮介导的信号通路细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白 。在细胞内，受体与抑制性蛋白结合形成复合物， 导致基因处于非活化状态，配体与受体结合后，导 致抑制性蛋白从复合物上解离下来，受体的DNA结 合位点被激活。受体结构域为： 位于C端激素结合位点位于中部的DNA结合位点 转录激活结构域（A）细胞内受体蛋白

6、作用模型; （B）几种胞内受体蛋白超家族成员 甾类激素介导的信号通路激素与膜内受体 一氧化氮介导的信号通路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，导致酶活性的增强和cGMP合成增多。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，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 。三、通过细胞表面受体介导的信号跨膜传递亲水性分子只能与细胞表面受体相结合，细胞表面受

7、体分为：l离子通道偶联的受体(ion-channel-linked receptor)lG蛋白偶联受体(G protein-linked receptor)l酶偶联受体(enzyme-linked receptor)(一）离子通道偶联受体离子通道偶联受体是由多亚基组成的受体离子通道受体，既有信号结合位点，又有离子通道。 因此，又是称为配体门离子通道或递质门离子通道 。具有组织分布特异性，主要存在于神经细胞或其 他可兴奋细胞间的突触信号传递。N型乙酰胆碱受体、GABA受体、甘氨酸受体等。乙酰胆碱N受体（260KD）外周型：5个亚基组成（2 ）调节主要为亚基变化通道开启：Na+ 内流，K+外流，膜

8、去极化。(二) G蛋白偶联受体G蛋白偶联受体是指配体-受体复合物与靶蛋白 要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从 而将胞外信号转变成胞内信号。三聚体GTP结合调 节蛋白（trimeric GTP-binding regulatory protein）简称 G蛋白。由、三个亚基组成，亚其具有GTP 酶活性。和亚基通过共价结合于膜上。G蛋白在信 号转导过程中起着分子开关的作用，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 。 G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白，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

9、信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。1 1、cAMPcAMP信号通路信号通路概念：细胞外信号和相应的受体结合，导致胞内第二信使cAMP的水平变化而引起细胞反应的信号通路。组分及分析：激活型激素受体（Rs）；抑制型激素受体（Ri）；与GDP结合的活化型调节蛋白（Gs）；与GDP结合的抑制性调节蛋白（Gi）；腺苷酸环化酶C （Adenylyl cyclase反应链：激素G-蛋白偶联受体G-蛋白腺苷酸环化酶cAMPcAMP依赖的蛋白激酶A基因调控蛋白基因转录 （1）Rs和Ri、 Gs和GiRs是与Gs的相互作用是激活型激素受体； Ri与Gi相互作用的抑制型受体。两者都具七次 跨膜运输，但与之相应的胞

10、外信号不同。Gs调节作用：见下图Gi调节作用： Gi对腺苷酸环化酶的抑制作 用有两个途径（1）当Gi与GTP结合，Gi的亚 基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； （2）通过r 亚基复合物与游离的Gs亚基结 合，阻断Gs的亚基对腺苷酸环化酶的活化。某些激素通过cAMP诱导细胞反应信号分子靶细胞主要反应肾上腺素心脏增加心率，促进收缩肾上腺素肌肉糖原分解肾上腺素，胰 高血糖素， ACTH脂肪脂肪分解ACTH肾上腺皮质醇分泌腺腺 苷苷 酸酸 环环 化化 酶酶（2 2）l在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生 成cAMP。l环腺苷酸磷酸二酯酶可降解cAMP生成5-AMP。l lcAM

11、PcAMP信号途径为：激素信号途径为：激素G G蛋白偶联受体蛋白偶联受体G G蛋白蛋白 腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶 cAMPcAMP 依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶AA基因调基因调控蛋白控蛋白基因转录基因转录蛋白激酶Al磷脂酰肌醇双信使信号通路l IP3-Ca2+和DG-PKC途径概念：反应链：胞外信号分子G-蛋白偶联受体G-蛋白IP3胞内Ca2+浓度升高Ca2+结合蛋白(CaM)细胞反应磷脂酶C(PLC)DG激活PKC蛋白磷酸化或促Na+/H+交 换使胞内pH2、磷脂酰肌醇信号通路l钙调蛋白（calmodulin，CaM）可结合钙离子将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。l蛋白激酶C位于细胞

12、质，Ca2+浓度升高时，PKC转位到质膜内表面，被DG活化，PKC属蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。 lIP3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。lDG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。l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 receptorl酶偶联型受

13、体的共同点：l单次跨膜蛋白；l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l1、酪氨酸激酶l胞质酪氨酸激酶：l核内酪氨酸激酶 l受体酪氨酸激酶（ receptor tyrosine kinases RTKs） ：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 kinasesReceptor tyrosine kinasesl2、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

14、）：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。l受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RAS途径、PI3途径、磷脂酰肌醇途径等。 lRTK结合信号分子，形成二聚体，并发生自磷酸化，活化的RTK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l

15、RTK-Ras信号途径可概括如下：l配体RTKadaptorGEFlRasRaf（MAPKKK）MAPKKlMAPK进入细胞核转录因子基因表达。lRas释放GDP需要鸟苷酸释放因子（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（adaptor ）（如Grb2）的连接。lRas的GTP酶活性不强，需要GTP酶活化蛋白GAP的参与。（四）由细胞表面整联蛋白介导 的信号传递整合蛋白与粘着斑粘着斑的功能：一是机械结构功能；二是信号传递功能 通过粘着斑由整合蛋白介导的信号传递通路：由细胞表面到细胞核的信号通路由细胞表面到细胞质核糖体的信号通路五、细胞信号传递的基本特征与蛋 白激酶的网络整合信息细胞信号传递的基本特征：具有收敛（convergence）或发散（divergence）的特点细胞的信号传导既具有专一性又有作用机制的相似性信号的放大作用和信号所启动的作用的终止并存细胞以不同的方式产生对信号的适应(失敏与减量调节)蛋白激酶的网络整合信息与信号网络系统中的cross talkingConverge on Ras收敛Signals transmitted from the EGF receptor can diverge a