第十五章細胞信息轉(zhuǎn)導(dǎo)CellCommunicationandSignalTransductionTheDepartmentofBiochemistryandMolecularBiology,CMU細胞通訊（cellcommunication）是體內(nèi)一部分細胞發(fā)出信號，另一部分細胞（targetcell）接收信號并將器轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎δ茏兓倪^程。細胞針對外源信息所發(fā)生的細胞內(nèi)生物化學(xué)變化及效應(yīng)的全過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（signaltransduction）。細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述Introductionofcellsignaling年度重要發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎獲得者1992年蛋白質(zhì)可逆磷酸化調(diào)節(jié)機制EdmondH.FischerEdwinG.Krebs1994年G蛋白及其在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用AlfredGilman，MartinRodbell1998年一氧化氮是心血管系統(tǒng)的信號分子RobertF.Furchgott，LouisJ.Ignarro，F(xiàn)eridMurad2000年神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)ArvidCarlsson，PaulGreengard，EricR.Kandel2001年細胞周期的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子LelandH.HartwellR.TimothyHuntPaulM.Nurse2003年細胞膜離子通道作用機制PeterAgreRoderickMacKinnon2004年嗅受體及其作用機制RichardAxel，LindaB.Buck2004年泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解AaronCiechanover，AvramHershko，IrwinRose細胞信息轉(zhuǎn)導(dǎo)的產(chǎn)生外界環(huán)境變化時：單細胞生物——直接作出反應(yīng)；多細胞生物——通過細胞間復(fù)雜的信號傳遞系統(tǒng)來傳遞信息，從而調(diào)控機體活動?；瘜W(xué)信號通訊（chemicalsignaling）的建立是生物為適應(yīng)環(huán)境而不斷變異、進化的結(jié)果。細胞通訊和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本路線細胞外信號受體細胞內(nèi)多種分子的濃度、活性、位置變化細胞應(yīng)答反應(yīng)一、細胞外化學(xué)信號細胞外化學(xué)信號是在細胞產(chǎn)生的，能調(diào)節(jié)靶細胞生命活動的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱，又稱作第一信使?；诓煌臉藴?，可將細胞外化學(xué)信號進行分類。

（一）按化學(xué)本質(zhì)分類：蛋白質(zhì)和肽類（如生長因子、細胞因子、胰島素等）；氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲狀腺素、腎上腺素等）；類固醇激素（如糖皮質(zhì)激素、性激素等）；脂酸衍生物（如前列腺素）；氣體（如一氧化氮、一氧化碳）等。（二）按進入細胞的方式分類：（三）按作用距離分類：內(nèi)分泌（endocrine）信號；旁分泌（paracrine）信號；神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）；有些旁分泌信號還作用于發(fā)出信號的細胞自身，稱為自分泌（autocrine）。接觸通訊（contactcommunication）。1.內(nèi)分泌信號例如：胰島素、甲狀腺素、腎上腺素等特點：由特殊分化的內(nèi)分泌細胞分泌；通過血液循環(huán)到達靶細胞；大多數(shù)作用時間較長。2.旁分泌信號例如：生長因子、前列腺素等特點：由體內(nèi)某些普通細胞分泌；不進入血循環(huán)，通過擴散作用到達附近的靶細胞；一般作用時間較短。4.細胞間的接觸通訊細胞表面分子作為細胞的“觸角”，與相鄰細胞的膜表面分子特異性的識別和相互作用，到達功能上的相互協(xié)調(diào)，稱為膜表面分子接觸通訊例如：T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等二、受體受體（receptor）是細胞膜上或細胞內(nèi)能識別外源化學(xué)信號并與之結(jié)合的成分，其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，個別糖脂也具有受體作用。能夠與受體特異性結(jié)合的分子稱為配體（ligand）。受體與配體結(jié)合的特點高度專一性高度親和力可飽和性可逆性特定的作用模式細胞內(nèi)受體結(jié)構(gòu)高度可變區(qū):位于N端，具有轉(zhuǎn)錄激活功能DNA結(jié)合區(qū):位于中部，含有鋅指結(jié)構(gòu)鉸鏈區(qū):含有核定位信號激素結(jié)合區(qū):位于C端，結(jié)合配體或熱休克蛋白，含有核定位信號，使受體二聚化，激活轉(zhuǎn)錄（二）離子通道型膜受體（三）七跨膜受體該型受體由七個跨膜α-螺旋組成又稱蛇型受體。G蛋白與受體的胞內(nèi)第2、3個環(huán)結(jié)合，可以感受膜外的信號，傳遞細胞外信息，因此又稱G蛋白偶聯(lián)型受體（GPCR）。（四）單跨膜受體第二節(jié)細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)分子intracellularsignalmolecules一、G蛋白G蛋白是鳥苷酸結(jié)合蛋白（guaninenucleotidebindingprotein,Gprotein）的簡稱。與GTP結(jié)合是其活化型，而與GDP結(jié)合是其非活化型。。MartinRodbellAlfredGGilmanGilman和Rodbell因G蛋白的發(fā)現(xiàn)而獲得1994的諾貝爾獎1.異源三聚體G蛋白由、、三個亞基組成三聚體。（45kD）為主要的催化亞基，具有GTP/GDP結(jié)合位點，并具有GTP酶活性。此外，還具有ADP核糖基化位點及受體和效應(yīng)器結(jié)合位點等。（35kD）和（7kD）是調(diào)節(jié)亞基，在細胞內(nèi)形成緊密結(jié)合的二聚體。G蛋白有兩種構(gòu)象

GDP非活性型GTP活性型G蛋白亞基種類及效應(yīng)種類效應(yīng)相關(guān)第二信使第二信使的靶分子s激活A(yù)CcAMP↑PKA↑i抑制ACcAMP↓PKA↓q激活PI-PLCCa2+、IP3、DAG↑PKC↑t激活cGMP-PDEcGMP↓Na＋通道關(guān)閉G蛋白的活化過程2.低分子量G蛋白分子量為21kD，因分子量小于G蛋白故又稱之為小分子G蛋白。癌基因ras編碼的蛋白質(zhì)Ras是第一個被發(fā)現(xiàn)的低分子量G蛋白。其活性受特異的調(diào)節(jié)因子控制。鳥嘌呤核苷酸交換因子（GEF）可增強其活性。GTP酶活化蛋白（GAP）可降低其活性。二、第二信使第二信使(secondarymessenger)：在細胞內(nèi)傳遞信息的小分子物質(zhì)，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP等。常見的第二信使第二信使催化產(chǎn)生第二信使的酶相關(guān)的蛋白激酶cAMPACPLAcGMPGCPKGDAGPI-PLCPKCIP3PI-PLCPKCCa2+PI-PLCCaMK第二信使必須具備以下幾個特點①在完整細胞中，該分子的濃度或分布，在細胞外信號的作用下發(fā)生迅速改變；②該分子類似物可模擬細胞外信號的作用；③阻斷該分子的變化可阻斷細胞對細胞外信號的反應(yīng)；④在細胞內(nèi)有確定的靶蛋白分子；⑤可作為別位效應(yīng)劑作用于靶蛋白分子；⑥不應(yīng)位于能量代謝途徑的中心。第二信使的化學(xué)本質(zhì)環(huán)核苷酸，包括：cAMP&cGMP脂類及其衍生物，包括：DAG、IP3&Cer無機離子，包括：Ca2＋氣體分子，包括：NO、CO&H2S（一）環(huán)核苷酸是重要的細胞內(nèi)第二信使腺苷酸環(huán)化酶（AC）和磷酸二酯酶（PDE）分別催化cAMP的產(chǎn)生和水解。鳥苷酸環(huán)化酶（GC）和磷酸二酯酶（PDE）分別催化cGMP的產(chǎn)生和水解。GC有膜結(jié)合型和可溶性兩種。（二）脂類也可作為胞內(nèi)第二信使很多脂類及其衍生物可以作為第二信使，其中主要的有肌醇三磷酸（IP3）和甘油二酯（DAG）。由磷脂酰肌醇依賴性磷脂酶C（PI-PLC）催化細胞膜上的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解生成。DAG，IP3的功能IP3

：與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌漿網(wǎng)上的受體結(jié)合，促使細胞內(nèi)Ca2+釋放。DAG：在磷脂酰絲氨酸和Ca2+協(xié)同下激活PKC。（三）鈣離子在細胞內(nèi)分分布具有明顯的區(qū)域特征Ca2＋是人體內(nèi)一種重要的第二信使。細胞外液中[Ca2＋]遠高于細胞內(nèi)液；而細胞內(nèi)的Ca2＋約90％儲存與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體內(nèi)。①細胞質(zhì)膜鈣離子通道開放，引起鈣內(nèi)流；或②內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣離子通道開放，引起鈣釋放?？墒拱簝?nèi)液局部Ca2＋濃度發(fā)生急劇變化，而引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)和生理效應(yīng)。（四）NOS催化NO的生成NO合酶（nitricoxidesynthase，NOS）通過氧化L-精氨酸的胍基而產(chǎn)生NO。

NO合酶(NOS)

胍氨酸精氨酸NHH2NNH2+H2N+COO-NHH2NOH2N+COO-NO＋存在三種形式的NOS組成型/固有型NOS(cNOS)可誘導(dǎo)型/誘生型NOS（iNOS）神經(jīng)型NOS（nNOS）內(nèi)皮型NOS（eNOS）NOSⅠNOSⅡNOSⅢNOSⅠ主要分布于外周神經(jīng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腎（致密斑和髓質(zhì)內(nèi)集合管），其中外周神經(jīng)主要為非腎上腺能/非膽堿能神經(jīng)和腎上腺能神經(jīng)末梢。NOSⅡ分布最廣泛，包括肝細胞、心肌細胞、血管平滑肌細胞、免疫細胞、成纖維細胞等。NOSⅢ的分布于內(nèi)皮細胞、心肌細胞和腦。NO信使功能與cGMP相關(guān)NO的生理調(diào)節(jié)作用主要通過激活GC、ADP-核糖轉(zhuǎn)移酶和環(huán)氧化酶完成。NO與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶分子中的血紅素鐵結(jié)合生成的cGMP引起鳥苷酸環(huán)化酶構(gòu)象改變.酶活性增高cGMP作為第二信使，產(chǎn)生生理效應(yīng)GTP三、蛋白激酶/蛋白磷酸酶（一）蛋白激酶是第二信使的主要靶分子蛋白激酶（proteinkinase）是催化ATP的γ-磷酸基轉(zhuǎn)移至靶蛋白的特定氨基酸殘基上的一類酶。其受第二信使的作用而發(fā)生構(gòu)象和活性的改變。蛋白激酶可使靶蛋白磷酸化，磷酸化后的靶蛋白表現(xiàn)為活性的增高或降低，進而產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。蛋白激酶的分類名稱磷酸化部位蛋白絲/蘇氨酸激酶絲/蘇氨酸的羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組/賴/精氨酸激酶咪唑環(huán)、胍基、ε-氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬/谷氨酸激酶酰基1.cAMP可以活化PKAcAMP依賴性蛋白激酶，即蛋白激酶A（PKA）是絲/蘇氨酸蛋白激酶。腎上腺素使血糖增高的機制PKA對基因表達的調(diào)節(jié)受cAMP調(diào)控的基因中，在其轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，稱為cAMP應(yīng)答元件(cAMPresponseelement,CRE)?？膳ccAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白

(cAMPresponseelementboundprotein,CREB)相互作用而調(diào)節(jié)此基因的轉(zhuǎn)錄。2.Ca2＋可以激活CaMK和PKC鈣調(diào)蛋白（CaM）依賴的蛋白激酶（CaMK）和蛋白激酶C（PKC）都是絲/蘇氨酸蛋白激酶。鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)為鈣結(jié)合蛋白，由一條肽鏈組成，有四個Ca2+結(jié)合位點。與Ca2+結(jié)合后可激活CaM依賴的蛋白激酶（CaMK）。CaMKCaMK有專一功能的和多功能的兩種類型。前者如肌球蛋白輕鏈激酶、磷酸化酶激酶和延長因子2激酶等，分別調(diào)節(jié)肌肉收縮、糖原分解和蛋白質(zhì)生物合成。后者包括CaM-KI和CaM-KII兩種，底物包括AC、PDE、NOS等。PKC蛋白激酶C（PKC），N端為調(diào)節(jié)區(qū)域，C端為催化區(qū)域。它們的氨基酸序列中有4個保守區(qū)，C1～C4。C1、C2屬調(diào)節(jié)域，C3、C4屬催化域。PKC活化調(diào)節(jié)區(qū)域在結(jié)合Ca2＋、DAG和磷脂酰絲氨酸各1分子后而使PKC活化。PKC的生理功能①調(diào)節(jié)代謝活化的PKC引起一系列靶蛋白的絲、蘇氨酸殘基磷酸化。靶蛋白包括：質(zhì)膜受體、膜蛋白和多種酶。②調(diào)節(jié)基因表達PKC對基因的活化分為早期反應(yīng)和晚期反應(yīng)。AP-1PKC對基因的活化3.cGMP可以活化PKG蛋白激酶G（PKG）屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，是由相同亞基構(gòu)成的蛋白二聚體，可能與神經(jīng)系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程有關(guān)。PKG的二聚體含有一個自身抑制的模體，當于cGMP結(jié)合后，抑制模體與催化部位分開，PKG被激活。PKG的功能使有關(guān)蛋白或酶類的絲、蘇氨酸殘基磷酸化。生物學(xué)效應(yīng)：ANP：松弛血管平滑肌、利尿利鈉、降血壓。NO：松弛血管平滑肌、擴張血管。四、銜接蛋白銜接蛋白（adaptorprotein）是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的接頭，連接上游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子與下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。大部分銜接蛋白由2個或2個以上的蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域組成。蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)域細胞信息的順利轉(zhuǎn)導(dǎo)，有賴于蛋白質(zhì)的相互作用。蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)則是各種蛋白質(zhì)分子中的蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域（proteininteractiondomain）。結(jié)構(gòu)特點一個信號分子中可含有兩種以上的蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域，因此可同時與兩種以上的其他信號分子結(jié)合；同一類蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域可存在于多種不同的分子中。這些結(jié)構(gòu)域的一級結(jié)構(gòu)不同，因此對所結(jié)合的信號分子具有選擇性；這些結(jié)構(gòu)域均為非催化結(jié)構(gòu)域。常見的蛋白質(zhì)相互作用結(jié)構(gòu)域TPK受體的下游分子常含有：SH2結(jié)構(gòu)域（Scrhomology2domain）與原癌基因scr編碼的2結(jié)構(gòu)域同源的結(jié)構(gòu)域。此結(jié)構(gòu)域能與磷酸化的酪氨酸殘基多肽鏈結(jié)合。SH3結(jié)構(gòu)域（Scrhomology3domain）能與富含脯氨酸的肽段結(jié)合。PH結(jié)構(gòu)域(pleckstrinhomologydomain)

能識別具有磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸的短肽，并與之結(jié)合；能與G蛋白的βγ復(fù)合物結(jié)合；還能與帶電的磷脂結(jié)合。五、支架蛋白支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)，可同時結(jié)合多個位于同一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。支架蛋白的意義保證相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子容納于一個隔離而穩(wěn)定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路內(nèi)，避免與其他不需要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)生交叉反應(yīng)，以維持信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的特異性；增加了調(diào)控復(fù)雜性和多樣性。第三節(jié)各種受體介導(dǎo)的細胞內(nèi)基本信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路Receptormediatedintra-cellularsignaltransductionpathway一、胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑胞內(nèi)受體核內(nèi)受體胞漿內(nèi)受體配體類固醇激素甲狀腺激素胞內(nèi)受體調(diào)節(jié)生理過程二、膜受體介導(dǎo)的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)cAMP-AC-PKA途徑Ca2+-依賴性蛋白激酶途徑cGMP-蛋白激酶途徑酪氨酸蛋白激酶途徑核因子B途徑TGF-β途徑激素受體Ｇ蛋白酶

第二信使蛋白激酶酶或其他功能蛋白磷酸化生物學(xué)效應(yīng)

G蛋白偶聯(lián)受體的信息傳遞途徑G蛋白偶聯(lián)受體信息傳遞的基本步驟①配體與受體結(jié)合；②受體-配體復(fù)合物活化G蛋白；③G蛋白使催化生成的第二信使的酶激活或抑制；④第二信使的含量或胞內(nèi)分布發(fā)生改變；⑤第二信使作用于相應(yīng)的靶分子蛋白激酶，從而引起較快速的生物學(xué)效應(yīng)，或者是遲發(fā)而持久的基因表達。細胞外化學(xué)信號受體G蛋白ACcAMPPKA蛋白質(zhì)磷酸化生物學(xué)效應(yīng)cAMP-AC-PKA途徑RＲHACγαβGDPαGTPβγACATPcAMP（二）Ca2+－依賴性蛋白激酶途徑1.Ca2+－磷脂依賴性蛋白激酶途徑配體受體PLCPIP2IP3Ca2＋PKCDAGG蛋白內(nèi)質(zhì)網(wǎng)酶或功能蛋白磷酸化生物學(xué)效應(yīng)2.Ca2+－鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶途徑（三）cGMP-蛋白激酶G途徑（四）酪氨酸蛋白激酶途徑酪氨酸蛋白激酶分類受體型TPK（位于細胞質(zhì)膜上）如胰島素受體、生長因子受體及原癌基因（erb-B、kit、fms等）編碼的受體非受體型TPK（位于胞漿）如底物酶JAK和原癌基因（src、yes、ber-abl等）編碼的TPK1.受體型TPK-Ras-MAPK途徑相關(guān)因子GRB2(growthfactorreceptorboundprotein2）：含有SH2和SH3結(jié)構(gòu)域。Ras蛋白：原癌基因產(chǎn)物，類似于G蛋白的G亞基，因其分子量小而被稱為小G蛋白。