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1、基因表达与细胞 信号转导的偶联机制 Coupling of Gene Expression and Cell Signaling,signal,Coupling of Gene Expression and Cell Signaling,Cell signal,第一节,细胞信号转导机制概述 General Mechanism of Cell Signal Transduction,多细胞生物适应环境、调节代谢离不开内外环境与细胞、细胞与细胞之间的细胞通讯（cell communication），这是生物体存活、生长、分化，以及多细胞、多组织系统执行正常功能的需要。 这种针对内外源信息所发生的细
2、胞应答过程称为信号转导（signal transduction）。,Signaling,信息转导过程,信号分子在细胞内的合成,信号分子从发出信号的细胞释放,信号分子转运至靶细胞,靶细胞上的特异性受体识别信号分子,靶细胞内信号转导通路的启动,靶细胞的代谢、功能或分化改变,信号分子的清除及靶细胞应答反应的终止,细胞信号转导的基本路线,一、细胞外化学信号,生物体可感受任何物理、化学和生物学刺激信号，但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的化学信号（chemical signaling）。,(一）可溶性分子信号,化学信号可以是可溶性的，也可以是膜结合形式,多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的
3、细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质（蛋白质或小分子有机化合物）完成的。它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞（靶细胞），调节其功能。这种通讯方式称为化学通讯。,根据体内化学信号分子作用距离，可以将其分为三类：,作用距离最远的内分泌（endocrine）系统化学信号，称为激素； 属于旁分泌（paracrine）系统的细胞因子，主要作用于周围细胞；有些作用于自身，称为自分泌（autocrine）。 作用距离最短的是神经元突触内的神经递质 （neurotransmitter）。,化学信号的分类,（二）细胞表面分子也是重要的细胞外信号,细胞通过细胞膜表面的蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖与
4、相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用，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，也是一种细胞间直接通讯。,细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号。,属于这一类通讯的有：相邻细胞间粘附因子的相互作用、T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等。,二、细胞经由特异性受体接收细胞外信号,受体(receptor)是信息分子的接收分子，化学本质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子。 受体的作用： 识别外源信号分子，即配体（ligand）； 转换配体信号，使之成为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。,受体与信号分子结合的特性,很强的特异性 亲和力极大 可饱和性 可逆性
5、,配体-受体结合曲线,受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内,受体按照其在细胞内的位置分为：,细胞表面受体 细胞内受体,接收的是不能进入细胞的水溶性化学信号分子和其他细胞表面的信号分子，如生长因子、细胞因子、水溶性激素分子、黏附分子等。,受体在膜表面的分布可以是区域性的，也可以是散在的。,接收的信号是可以直接通过脂双层胞膜进入细胞的脂溶性化学信号分子，如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。,细胞膜表面受体主要有三大类,离子通道型膜受体 （ligand-gated receptor channel） G-蛋白偶联的七跨膜受体 （G protein-coupled receptor，GPCR） 酶依赖的
6、单跨膜受体 （enzyme-linked receptor）,三、信号分子结构、含量和分布变化是信号转导网络工作的基础,膜受体介导的信号向细胞内，尤其是细胞核的转导过程需要多种分子参与，形成复杂的信号转导网络系统。 构成这一网络系统的是一些蛋白质分子（信号转导分子，signal transducer）和小分子活性物质（第二信使，second messenger）。,在细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递，构成信号转导通路（signal transduction pathway）。 不同的信号转导通路之间发生交叉调控（crosstalking），形成复杂的信号转导网络（
7、signal transduction network）系统 。,细胞间信息物质(第一信使),细胞内信息物质,膜受体,信号转导分子,改变细胞内各种信号分子的构象 改变信号分子的细胞定位 促进信号分子复合物的形成或解聚 改变小分子信使的浓度或分布,细胞转导信号的基本方式：,第二节,细胞内信号转导相关分子 Intracellular Signal Molecules,一、第二信使浓度和分布变化是 重要的信号转导方式,细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。,(一）环核苷酸是重要的细胞内第二信使,目前
8、已知的细胞内环核苷酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。,1核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成,（adenylate cyclase，AC）,（guanylate cyclase，GC）,2细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶,细胞内有水解cAMP和cGMP的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）,cAMP,ATP,AMP,磷酸二酯酶 (phosphodiesterase, PDE),腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase,AC),蛋白激酶A是cAMP的靶分子,cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinas
9、e，cAPK），即蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）。,PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖、脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子 。,3环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性,cAMP-dependent protein kinase，PKA,蛋白激酶A,R,R,R： 调节亚基 C： 催化亚基,cAMP,PKA底物举例,蛋白激酶G是cGMP的靶分子,cGMP作用于cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP-dependent protein kinase，cGPK），即蛋白激酶G（protein kinase G，PKG）
10、。,4蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子,一些离子通道也可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。,视杆细胞膜上富含cGMP-门控阳离子通道,嗅觉细胞核苷酸-门控钙通道,磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使生成,（二）脂类也可作为胞内第二信使,磷脂酶C催化DAG和IP3的生成,PIP2,甘油二酯（DAG）+ 肌醇三磷酸（IP3）,PLC,磷脂酶（phospholipase，PL），催化磷脂水解，最重要的是磷脂酶C（phospholipase C，PLC）,磷脂酰肌醇-3激酶催化生成各种磷酸化磷脂酰肌醇,磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIK
11、s），催化磷脂酰肌醇磷酸化。,（phosphatidylinositol，PI）,2脂类第二信使作用于相应的靶蛋白分子,IP3的靶分子是钙离子通道,IP3为水溶性，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，与内质网或肌质网膜上的IP3受体结合。,DAG和钙离子的靶分子是蛋白激酶C,蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），属于丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与细胞的各项生理活动。,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
12、基因v-akt编码的蛋白Akt同源，又被称为Akt。,PKB/Akt在体内参与许多重要生理过程：,参与胰岛素促进糖类由血液转入细胞、糖原合成及蛋白质合成过程。 PKB还参与多种生长因子如PDGF、EGF、NGF等信号的转导。 在细胞外基质与细胞相互作用的信号转导过程中，PKB亦是关键信号分子。,（三）钙离子可以激活信号转导有关的酶类,1钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征,细胞外液游离钙浓度高（1.121.23mmol/L）； 细胞内液的钙离子含量很低，且90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内）；胞液中游离Ca2+的含量极少（基础浓度只有0.010.1mol/L）。,导致胞液游离Ca2
13、+浓度升高的反应有两种：,一是细胞质膜钙通道开放，引起钙内流； 二是细胞内钙库膜上的钙通道开放，引起钙释放。,胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵（Ca2+-ATP酶）返回细胞外或胞内钙库，以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。,2钙离子的信号功能主要是通过钙调蛋白实现,钙调蛋白（calmodulin，CaM）可看作是细胞内Ca2+的受体。,乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等,胞液Ca2+浓度升高,CaM,CaM,Ca2+,Ca2+,Ca2+,Ca2+,CaM发生构象变化后，作用于Ca 2+/CaM-依赖性激酶（CaM-K） 。,（四）NO的信使功能与cGMP相关
14、,NO合酶介导NO生成,NO合酶,胍氨酸,精氨酸,NO,三种形式的 NO合酶（nitric oxide synthase，NOS）,组成型NOS (cNOS) 可诱导型NOS（iNOS）,NOS,NOS,NOS,NO的生理调节作用主要通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。,除了NO以外，一氧化碳（carbon monoxide，CO）、硫化氢（sulfureted hydrogen，H2S）的第二信使作用近年来也得到证实。,小分子细胞内信使的特点,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在外源信号的作用下发生迅速改变； 可作为别位效应剂作用于靶分子； 不应位于能量代谢途径的中心。,二
15、、蛋白质作为细胞内信号转导分子,蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化。,引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：,化学修饰改变蛋白质构象，如磷酸化与去磷酸化、乙酰化、甲基化等；,小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构象变化，如cAMP激活PKA；,蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化。,增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性； 许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位（translocation）至细胞膜或细胞核； 募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。,构象变化主要引起3种效应：,（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信号通路开关分子,蛋白激酶（p
16、rotein kinase）与蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化蛋白质的可逆性磷酸化修饰。 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是控制信号转导分子活性的最主要方式。 磷酸化修饰可能提高酶分子的活性，也可能降低其活性，取决于酶的构象变化是否有利于酶的作用。,1. 蛋白质的可逆磷酸化修饰是最重要的信号通路开关,酶的磷酸化与脱磷酸化,H2O,Pi,磷蛋白磷酸酶,ATP,ADP,蛋白激酶,-O-PO32-,磷酸化的酶蛋白,蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶,蛋白激酶是催化ATP -磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶。,蛋白激酶的分类,细胞内许多重要的蛋白丝/苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子。这些蛋白激酶被活化后可以直接或间接地作用于细胞内的转录调节因子，是连接细胞信号转导与基因表达调控的重要开关,蛋白丝/苏氨酸激酶是细胞内小分子第二信使的靶蛋白分子,MAPK级联激活是多种信号通路的中心,
