第六章细胞信号转导

第六章细胞信号转导 ●细胞信号转导概述 ●细胞内受体介导的信号转导 ●G蛋白偶联受体介导的信号转导 ●酶连受体介导的信号转导 ●信号的整合与控制

第一节细胞信号转导的概述 ●细胞通讯 ●信号转导系统及其特性

一、细胞通讯cell communication ● 细胞通讯的概念 ● 细胞通讯的方式 ● 信号分子 ● 受体 ● 第二信使 ● 分子开关

（一）细胞通讯的概念 一个细胞发出的信息通过介质（配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生细胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程。

（二）细胞通讯的方式 细胞通过分泌化学信号进行通讯 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） 化学突触（chemical synapse）传递神经信号 细胞间接触依赖性的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白 间隙连接或胞间连丝实现代谢偶联或电偶联

（三）细胞的信号分子signal molecule ● 信号分子的概念 ● 信号分子的类型 亲脂性信号分子 亲水性信号分子 气体性信号分子(NO)

（四）受体（receptor） ●受体的概念 ●受体的类型 ●受体的结构域 ●受体的功能 ●受体与配体的关系

（五）第二信使（second messenger） ●第二信使cAMP的发现 ●第二信使学说（second messenger theory） ●第二信使的类型

（六）分子开关（molecular switches） 在细胞信号传导过程中,信息沿着一系列不同的蛋白质所组成的信号传导途径(signaling pathway)进行传递。在此途径中每一种蛋白质的典型作用是改变系列中下一个蛋白质的构象，由此激活或抑制下游蛋白质。细胞信号传导蛋白构象的改变是由分子开关完成的。

1.靶蛋白磷酸化和蛋白去磷酸化 蛋白激酶和蛋白磷酸酶使靶蛋白磷酸化和蛋白去磷酸化,从而调节蛋白质的活性。蛋白质蛋白质-P ADP ATP 蛋白激酶蛋白磷酸酶 ADP ATP

2.GTPase开关蛋白 两种类性:异三聚体G蛋白、单体G蛋白 两种状态:与GTP结合时活化的“开启”状态; 与GDP结合时失活的“关闭”状态。 辅助蛋白:与G蛋白结合并调节其活性 鸟苷酸交换因子（GEF)：促使与G蛋白结合的GDP解离, 同时G蛋白与GTP结合而活化。 GTP酶促进蛋白（GAP）：促进GTP水解，G蛋白失活 G蛋白信号调节子（RGS）：促进GTP水解，G蛋白失活 鸟苷酸解离抑制子(GDI)：抑制GTP水解，维持活性

细胞内受体:为胞外亲脂性信号分子所激活，细胞内受体:为胞外亲脂性信号分子所激活，激素激活的基因调控蛋白（胞内受体超家族）。 细胞表面受体:为胞外亲水性信号分子所激活，细胞表面受体分属三大家族： 离子通道偶联受体（ion-channel-coupled receptor） G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor） 酶连受体（enzyme-coupled receptor）

受体的功能域 结合配体的功能域：结合特异性 产生效应的功能域：效应特异性

受体的功能 介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用) 信号转导：受体的激活（activation）：级联反应受体失敏（desensitization）：关闭反应减量调节（down-regulation）：降低反应 受体激活引起的细胞反应 细胞内预存蛋白活性或功能的改变，进而影响细胞功能和代谢。 影响细胞内特殊蛋白的表达量，通过转录因子的修饰激活或抑制基因的表达。

二、信号转导系统及其特性 ●信号转导系统的基本组成与信号蛋白 ●细胞内信号蛋白的相互作用 ●信号转导系统的特性

信号转导系统的基本组成 胞外信号被特异性受体所识别 胞外信号通过适当的分子开关机制实现信号的跨膜转导，产生细胞内第二信使或活化的信号蛋白。 信号放大 受体脱敏或受体下调，启动反馈机制从而终止或降低细胞反应。

 信号蛋白 转承蛋白 信使蛋白 接头蛋白 放大和转导蛋白 传导蛋白 分歧蛋白 整合蛋白 潜在基因调控蛋白

细胞内信号蛋白的相互作用

信号转导系统的特性

第二节细胞内受体介导的信号转导 ●细胞内核受体及其对基因表达的调节 ●NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合

一、细胞内核受体及其对基因表达的调节 细胞内受体蛋白的3个功能域及其作用模式 类固醇激素的受体位于细胞核内 类固醇激素诱导基因活化的两步反应阶段： 初级反应阶段：直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，快速发生。 次级反应阶段：初级反应的基因产物再活化其它基因，产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。 个别亲脂性小分子的受体位于细胞质膜上。 前列腺素

二、NO作为气体信号分子进入靶细胞 直接与酶结合 机体内一氧化氮产生的部位:血管内皮细胞和神经细胞 一氧化氮释放调节作用机制:导致酶活性的增强和cGMP合成增多，cGMP作为新的信使分子介导蛋白质的磷酸化等过程，发挥多种生物学作用。 一氧化氮产生的生物学作用（1）硝酸甘油治疗心绞痛，一氧化氮介导的信号通路，舒张血管。（2）在参与大脑的学习记忆生理过程中具有重要的作用。（3）在生理状态下，对脑血流的调节具有十分重要的作用。

第三节 G蛋白偶联受体介导的信号转导 ●G蛋白偶联受体 ●G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路

G蛋白偶联受体介导离子通道的调控 离子通道偶联受体及其信号转导 G蛋白偶联受体介导的离子通道及其调控 Gt蛋白偶联的光受体的活化诱导 cGMP-门控阳离子通道的关闭

离子通道偶联的受体介导的信号跨膜传递 信号途径 特点： 受体/离子通道复合体，四次/六次跨膜蛋白。 跨膜信号转导无需中间步骤。 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。 有选择性：配体的特异性选择和运输离子的选择性。

一、G蛋白偶联受体 ● G蛋白偶联受体的概念 ● G蛋白偶联受体的结构 ● 异三聚体G蛋白 ● G蛋白偶联受体的激活以及G蛋白的活化调节 ● G蛋白偶联受体的特异性

G蛋白偶联受体的概念 是指配体—受体复合物与靶蛋白（效应酶或通道蛋白）的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。 “配体-受体”复合物 “受体-G蛋白”复合物 “G蛋白-靶蛋白”复合物

异三聚体G蛋白 结构 Gα: 具有GTPase活性，是分子开关蛋白 Gβ、Gγ：形成异二聚体 种类激活性:具有激活性的GSα,激活效应器蛋白活性抑制性:具有抑制性的Giα,抑制效应器蛋白活性

G蛋白偶联受体的结构 7个α螺旋区。 α螺旋区由22-24个氨基酸残基组成。 环状结构域C3对受体与G蛋白相互作用具有重要作用。 N末端在细胞外。 C末端胞质侧。

二、G蛋白偶联受体介导的信号通路 G蛋白偶联受体所介导的信号通路尊从相似的顺序:  G蛋白偶联受体的激活: 配体-受体复合物  G蛋白的活化: 受体-G蛋白复合物  效应器蛋白的激活: Gα -效应器蛋白复合物  第二信使系统运行  反应终止

二、G蛋白偶联受体介导的信号通路 根据效应器蛋白的不同和效应器蛋白所产生的第二信使的类型,G蛋白偶联受体所介导的信号通路的类型有以下三种:

二、G蛋白偶联受体介导的信号通路 ●cAMP信号通路 ●磷脂酰肌醇双信使信号通路 ●G蛋白偶联受体介导离子通道的调控

第四节酶连受体介导的信号转导 ●受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 ●细胞表面其他与酶连受体 ●细胞表面整联蛋白介导的信号转导

二、细胞表面其它与酶连受体 受体丝氨酸/苏氨酸激酶（TGF-β受体） 受体酪氨酸磷酸酯酶 受体鸟苷酸环化酶（ANPs-signals） 酪氨酸蛋白激酶联系的受体两大家族： 一是与Src蛋白家族相联系的受体； 二是与Janus激酶家族联系的受体。信号转导子和转录激活子（signal transducer and actvator of transcription，STAT）与Jak-STAT途径。

cAMP信号通路 元件 G蛋白偶联受体;异三聚体G蛋白;腺苷酸环化酶 信号通路激素→G蛋白偶联受体→G蛋白(Gα)→腺苷酸环化酶 →cAMP → cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白 →基因转录→ 细胞反应。 GPLR的失敏（desensitization）与减量调节 细菌毒素对G蛋白的修饰作用

GPLR的失敏： 例：肾上腺素受体被激活后，10-15秒cAMP骤增，然后在不到1min内反应速降，以至消失。 受体活性快速丧失（速发相）---失敏（desensitization）； 机制：受体磷酸化受体与Gs解偶联，cAMP反应停止并被PDE降解。 两种Ser/Thr磷酸化激酶： PKA 和肾上腺素受体激酶（  ARK），负责受体磷酸化； 胞内协作因子扑获蛋白（  arrestin）---结合磷酸化的受体，抑制其功能活性（  arrestin 已克隆、定位11q13）。 反应减弱（迟发相）---减量调节（down-regulation） 机制：受体-配体复合物内吞，导致表面受体数量减少，发现 arrestin可直接与Clathrin结合，在内吞中起adeptors作用； 受体减量调节与内吞后受体的分选有关。

磷脂酰肌醇双信使信号通路  磷脂酰肌醇代谢途径  双信使系统的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pH

一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路 受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases， RTKs) 包括6个亚族 三个结构域细胞外结构域:含有配体结合位点。疏水的跨膜α螺旋胞质结构域:具有蛋白酪氨酸激酶活性的催化位点。

信号跨膜转导的方式： 受体二聚化形成同源或异源二聚体 信号跨膜转导的过程：配体→受体→受体二聚化→受体的自磷酸化→激活RTK→胞内信号蛋白→启动信号传导

 Ras蛋白 ras基因的表达产物，190个氨基酸组成的单体GTP结合蛋白，分布于质膜的胞质侧，具有GTPase活性， GTPase开关蛋白 Ras蛋白GTP —GDP转换机制 GTP—GDP：鸟苷酸交换因子（GEF) GDP—GTP： GTPase活化蛋白（GAP） Ras蛋白的激活活化的RTK激活Ras蛋白

一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路  RTK- Ras信号通路：配体→RTK→ adaptor ←GRF→Ras→ Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→ 其它激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修钸。

G蛋白偶联受体介导的MAPK的激活 MAPK（Mitogen-activated protein kinase）又称ERK（extracelular signal-regulated kinase）----真核细胞广泛存在的Ser/Thr蛋白激酶。 MAPK的底物：膜蛋白（受体、酶）、胞浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子----在细胞增殖和分化中具有重要调控作用。 PTX敏感性G蛋白（Gi，Go）的亚基依赖于Ras激活MAPK，具体机制还有待深入研究； PKC、PLC与G蛋白偶联受体介导的MAPK激活 PKC和PLC 参与G蛋白偶联受体激活MAPK ：  G蛋白偶联受体激活G蛋白；G蛋白亚基或 亚基激活PLC，促进膜磷脂代谢；磷脂代谢产物（ DAG + IP3 ）激活PKC；PKC通过Ras或 Raf 激活MAPK ； 由于PKC对钙的依赖性不同，所以G蛋白偶联受体– MAPK途径对钙要求不同； PKA对G蛋白偶联受体– MAPK途径的负调控 迄今未发现和制备出MAPK组成型突变（dominant negative mutant），提示细胞难于忍受MAPK的持续激活（MAPK的去活是细胞维持正常生长代谢所必须）。主要机制：特异性的Tyr/Thr磷脂酶可选择性地使MAPK去磷酸化，关闭MAPK信号。  cAMP ， MAPK；cAMP直接激活cAMP依赖的PKA；PKA可能通过RTK或通过抑制Raf-Ras相互作用起负调控作用。

RTKs的失敏： 催化性受体的效应器位于受体本身，因此失敏即酶活性速发抑制。 机制：受体的磷酸化修饰。EGF受体Thr654的磷酸化导致RTK活性的抑制，如果该位点产生Ala突变，则阻止活性抑制，后又发现C 端的Ser1046/7也是磷酸化位点。磷酸化位点所在的C端恰好是 SH2蛋白的结合部位。 引起受体磷酸化的激酶： PKC----作用于Thr654； CaMK2（Ca2+和CaM依赖的激酶2）----作用于Ser1046/7 还发现：EGF受体是CDK的靶蛋白，提示和周期调控有关。 RTK晶体结构研究表明， RTK激活后形成稳定的非抑制性构象；磷酸化修饰后，形成抑制性构象，引起失敏。 RTK失敏对细胞正常功能所必须， RTK 的持续激活将导致细胞生长失控。

三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导 ●整联蛋白与粘着斑 ●导致粘着斑装配的信号通路有两条 ●整联蛋白的功能 一是介导细胞与基质黏附,起结构整合功能 二是提供一种信号途径,使胞外环境可以调控细胞内活动 ●整联蛋白的胞外结构域与细胞配体相互作用可产生多种信号 ●通过粘着斑由整联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

第五节信号的整合与控制 ●细胞对信号的整合 ●细胞对信号的控制

一、细胞对信号的整合 细胞对信号反应表现为发散性（divergence）或收敛（convergence）性特点 蛋白激酶的网络整合信息 信号网络系统中的cross talk

二、细胞对信号的控制 受体的脱敏 G蛋白偶联受体的脱敏 靶细胞对信号分子脱敏的方式

整联蛋白的胞外结构域与细胞配体相互作用可产生多种信号整联蛋白的胞外结构域与细胞配体相互作用可产生多种信号 促使Ca2+向细胞质基质的释放 刺激磷酸肌醇第二信使的合成 催化胞内蛋白质酪氨酸残基的磷酸化从而影响细胞的生长、运动、分化和存活等基本的细胞活动。

第六章 细胞信号转导