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1、细胞信号转导途径,Signal Transduction Pathway,G蛋白,异三聚体G蛋白 小G蛋白超家族,一、G蛋白介导的信号转导,G蛋白：所有能与GTP/GDP结合的具有可调节的GTPase活性的一类蛋白质。 100多个成员 包括异三聚体G蛋白、小G蛋白及其它GTP结合蛋白（真核翻译因子、原核延长因子） 一般指异三聚体G蛋白,G蛋白的提出,1960-1970年，M.Rodbell脂肪细胞质膜激素AC ATP纯度影响,分子量20-30Kd 100多种 与G间序列有一定的同源性,小G蛋白超家族,小G蛋白活性调节：,增强其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleoti
2、de exchange factor，GEF）和鸟苷酸释放蛋白（guanine nucleotide release protein，GNRP）； 降低其活性的因子：如鸟嘌呤核苷酸解离抑制因子（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI）和GTP酶活化蛋白（GAP）等。,低分子质量G蛋白（21kD）,Ras是第一个被发现的小G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras家族 均由一个GTP酶结构域构成,GTP,GDP,Ras,Ras,SOS,GAP,on,off,Ras的活化及其调控因子,G蛋白与小G蛋白,相同：GTP结合活性形式； GDP结合非活性形式内源
3、性GTPase活性,不同：（1）异三聚体G蛋白通过和亚基的修饰锚定于质膜内表面，受各种膜上受体激活；小G蛋白为近质膜内侧的蛋白，受质膜上的酪氨酸激酶受体调节;（2）小G蛋白转导还需两种蛋白介导，接头蛋白（Grb）和鸟苷酸释放因子GEF，如SOS;（3）小G蛋白结合GTP后，GTPase活性低，必须在GTPase激活蛋白GAP的催化下水解GTP。,cAMP- 蛋白激酶途径, Ca2+- 依赖性蛋白激酶途径,一、G蛋白介导的信号转导,环核苷酸第二信使系统,磷脂信号系统 钙信号系统,（一）cAMP - 蛋白激酶途径,组成,胞外信息分子 受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 (AC)cAMP 蛋白激酶 A(PK
4、A),1. cAMP 的合成与分解,（adenylate cyclase，AC）,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),2cAMP的作用机理,R 调节亚基C 催化亚基,PKA的激活,3PKA的作用, 对代谢的调节作用,通过对效应蛋白的磷酸化作用，实现其调节功能。,PKA底物举例,磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,糖原合成,血糖升高,糖原分解,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP应答元件( CRE)
5、。 可与cAMP应答元件结合蛋白 (CREB)相互作用而调节此基因的转录。,(2) 对基因表达的调节作用,ATP,cAMP,蛋 白 磷 酸 化,（二）Ca 2+依赖性蛋白激酶途径,1. Ca 2+ 磷脂依赖性蛋白激酶途径,组成,胞外信息分子，受体, G蛋白,蛋白激酶C( PKC),磷脂酶C( PLC),甘油二脂( DAG),三磷酸肌醇( IP3 ),DAG，IP3的生物合成和功能,PIP2,PLC,DAG + IP,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成,两类酶：,一类是磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（PLC）；,另一类是各种特异性激酶，
6、即磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs ）,磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇,PIP3的靶分子是蛋白激酶B,蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）也是一类丝/苏氨酸蛋白激酶，其激酶活性区序列与PKA（68）和PKC（73）高度同源。 由于PKB分子又与T细胞淋巴瘤中的逆转录病毒癌基因v-akt编码的蛋白Akt同源，又被称为Akt。,重要的细胞存活信号分子,DAG，IP3的 功 能,DAG：在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下激活PKC,IP3 ：与内质网和肌浆网上的受体结合，促使细胞内 Ca2+释放,催化结构域,Ca2+
7、,DAG,磷脂酰丝氨酸,调,节,结,构,域,催化结构域,底物,Ca2+,DAG,磷脂酰丝氨酸,调节结构域,假底物结合区,DAC活化PKC的作用机制示意图, 调节基因表达 PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。,(2) PKC 的生理功能, 调节代谢 活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝 、苏氨酸残基磷酸化。 靶蛋白包括： 质膜受体、膜蛋白和多种酶。,2. Ca2+钙调蛋白依赖性蛋白激酶途径,受体、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、钙调蛋白、CaM激酶,( Ca2+ CaM激酶途径 ),钙调蛋白( CaM) 有四个Ca2+结合位点。 与Ca2+一起激活CaM激酶（CaM-K）,磷酸化多种功能蛋
8、白质（丝、苏氨基酸残基）。,组成,钙信号,1883年，Ringer研究离体蛙心肌收缩实验，认为自来水中微量Ca2+等二价阳离子有拮抗Na+的损害作用 1911年，Mines蛙腓肠肌浸泡液中Ca2+对坐骨神经的收缩恢复效果最佳 1937-1952，Heibrunn，著作认为Ca是所有活细胞的基本特征，提出“细胞刺激理论” 1967年，美籍华人张槐耀发现钙调素,钙信号产生及调控因子,细胞钙分布细胞外和细胞质（mmol/L-0.1umol/L)和胞内Ca2+库与细胞质间(内质网含量最高，1mmol/L)存在浓度梯度Ca2+移动,细胞外钙内流调控因子：质膜钙离子通道电压门控Ca2+通道受体门控Ca2+
9、通道机械操纵性Ca2+通道瞬时受体电位Ca2+通道,胞内钙释放调节因子IP3受体（IP3R） Ca2+通道ryanodine受体（RyR） Ca2+通道,利用PLC-IP3/DG-PKC转导信号的部分化学信号,抑制 cAMP产生抑制 Ca2+ 通道 激活 K+通道,G蛋白亚型,促进 cAMP合成 激活 Ca2+ 通道,激活 PLC 引起 PKC (DAG)激活 胞内 Ca2+ 释放(IP3),介导 GPCRs 和 RhoA (GTPase)间信号其他,Ras信号途径,受体：酪氨酸蛋白激酶( TPK),二 酪氨酸蛋白激酶( TPK)信号途径,受体型TPK（位于细胞质膜上）如胰岛素受体、生长因子受
10、体及原癌基因（erb-B、 kit、fins等）编码的受体,非受体型TPK（位于胞浆）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）编码的TPK,具有酶活性的受体,特点：受体本身是一种具有跨膜结构的酶蛋白，其胞外域与配体结合而被激活，通过胞内侧激酶反应将胞外信号传至胞内。 动物细胞生长因子，如PDGF,EGF,胰岛素等的受体，它们本身具有酪氨酸蛋白激酶活性 3个结构区，即细胞外与配体的结合区，细胞内部具有激酶活性的结构区和连接此两个部分的跨膜结构区,结合配体后受体形成二聚体或寡聚体； 第一个蛋白激酶被激活激活受体胞内结构域的蛋白激酶活性 通过蛋白质-蛋白质相互作用或蛋白激酶的磷酸
11、化修饰激活下游信号转导分子，通常是继续活化下游的一些蛋白激酶； 蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途径中的关键酶、反式作用因子等，影响代谢途径、基因表达、细胞运动、细胞增殖等。,PTK偶联受体介导的信号转导途径的基本模式：,生长因子类受体属于PTK,部分受体型PTK结构示意图,表皮生长因子受体作用机制：,Ras，小G蛋白，Ras家族 GTP酶结构域,RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路,蛋白质相互作用的调控结合元件,SH2结构域 能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合 SH3结构域 能与富含脯氨酸的肽段结合 PH结构域(pleckstrin homology domain) 识别具有磷酸化的丝氨酸
12、和苏氨酸的短肽，并能与G蛋白的复合物结合 ,还能与带电的磷脂结合,MAPK亚家族：,细胞外调节激酶（extracellular regulated kinase，ERK） c-Jun N -末端激酶/应激激活的蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase/stress-activated protein kinase，JNK/SAPK） p-38-MAPK,丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）蛋白丝/苏氨酸激酶类,MAPK的磷酸化与活化示意图,MAPKKK,MAPKK,MAPK,Thr,Tyr,Thr,Tyr,P,P,phosphatase,off,on,MAPK,部分MAPK底物举例
13、：,ERK途径包括Raf-MEK-MAPK级联反应,ERK亚家族包括ERK1、ERK2和ERK3等。ERK的级联激活过程：,活化受体TPK,结合生长因子后，受体TPK 二聚化 导致自身磷酸化,Grb2,含有SH2区的生长因子连接蛋白,SH3,SOS吸引到细胞膜,RasGDP,活化Raf(MAPK、K、K),激活MEK(MAPKK),胞浆蛋白磷酸化,进入核促进靶基因转录,EGF、PDGF等生长因子,RasGTP(有活性),经Ras蛋白活化丝裂原蛋白激酶,EGFR介导的信号转导过程,ERK广泛存在于各种组织细胞，参与细胞增殖与分化的调控。 多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需要ERK的活化来完
14、成信号转导过程。,非受体酪氨酸蛋白激酶信号转导途径,常见的配体为一些细胞因子，如白介素（IL)、干扰素（INF）、红细胞生成素等。,非受体型TPK（以干扰素为例）,INF +受体,胞浆内的酪氨酸蛋白激酶 （JAK激酶）,结合并磷酸化JAK激酶,结合并磷酸化STAT(信号转导和转录激活因子),入核,诱导靶基因表达促进多种蛋白合成，进而增强细胞抵御病毒感染能力。,IFN Signal Passway,三 鸟苷酸环化酶信号转导途径 具有酶活性的受体 (此途径多存在于心血管系统与脑组织内),鸟苷酸环化酶（GC）,膜结合型GC 胞浆可溶型GC,可溶性GC,鸟苷酸环化酶信号转导途径,激活胞浆可溶性,心钠素
15、 脑钠素,激活膜结合性,GTP cGMP,激活PKG,磷酸化靶蛋白,引起血管舒张等生物学效应,TGFR介导途径,转化生长因子-丝/苏氨酸蛋白激酶受体,核因子-B途径(NFB),核因子-B（nuclear factor-B, NF-B ）途径体系主要涉及机体防御、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡及肿瘤生长抑制过程的信息传递。,蛋白激酶和蛋白磷酸酯酶,蛋白激酶(Protein kinase，PK)催化蛋白质的含羟基氨基酸(丝苏和酪)的侧链羟基形成磷酸酯 蛋白质磷酸酯酶(Protein phosphatase，PPase)催化磷酸蛋白的磷酸酯键水解而去磷酸化。 细胞内任何一种蛋白质的磷酸化状态是由蛋白
16、激酶和蛋白磷酸酯酶的两种相反酶活性之间的平衡决定的。,信号转导过程中的蛋白激酶,（一）丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(SerThr PK) 是一大类特异地催化蛋白质的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化的激酶家族，参与多种信号转导过程。(二)酪氨酸蛋白激酶（TPK) 特异地催化蛋白质的酪氨酸残基磷酸化 蛋白质酪氨酸磷酸化在细胞生长，分化和转化的调节中起重要作用,SerThr PK,PKA cAMP依赖性蛋白激酶 PKC Ca2+激活的磷脂依赖性蛋白激酶 CaM-PK 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 PKG cGMP依赖的蛋白激酶 DNA-PK DNA依赖的蛋白激酶 MAPK 丝裂原激活的蛋白激酶,TPK,1、经典的src激酶家族 三个基本结构域：从C-端至N-端依次为SH1、SH2，SH3(SH=src homolog) Src家族：包括原癌基因src，yes，lyn，fyn，lck，blk，fgr，bcd和yrk编码蛋白，它们都有TPK活性共同参与细胞转化的信号转导过程 2、JAK激酶家族 JAK(Janus kinase)激酶家族包括Jakl，Jak2，Jak3，Tyk2等， Jak激酶主要参与细胞因子的信号转导,
