1、細(xì) 胞 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與疾病 Cellular Signal Transduction and Diseases,細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最終目的是使機(jī)體在整體上對(duì)外界環(huán)境的變化發(fā)生最為適宜的反應(yīng)。如神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)對(duì)代謝途徑在整體水平上的調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)就是機(jī)體內(nèi)一部分細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，另一部分細(xì)胞接收信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞功能上的變化的過(guò)程。所以，闡明細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)理就意味著認(rèn)清細(xì)胞在整個(gè)生命過(guò)程中的增殖、分化、代謝及死亡等諸方面的表現(xiàn)和調(diào)控方式，進(jìn)而理解機(jī)體生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝的調(diào)控機(jī)理。,定義： 細(xì)胞通過(guò)位于胞膜或胞內(nèi)的受體感受胞外信息分子的刺激，經(jīng)復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換而影響其生物學(xué)功能，這一過(guò)程稱為細(xì)胞

2、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（cellular signal transduction）。,1.細(xì)胞連接（物理連接） （1）緊密連接（tight junction) （2）縫隙連接（gap junction) （3）橋粒連接（desmosomal junction) 2. 化學(xué)通訊(間接聯(lián)系型)：指相隔一定距離 的細(xì) 胞間 通過(guò)分泌發(fā)放化學(xué)信號(hào)分子（第一信使）并通過(guò)與相應(yīng)的受體結(jié)合進(jìn) 行聯(lián)系與通訊， 這是細(xì)胞間通訊最主要的 形式。,細(xì)胞通訊,細(xì)胞間隙連接 細(xì)胞間隙連接(Gap Junction)是一種細(xì)胞間的直接通訊方式。兩個(gè)相鄰的細(xì)胞間存在著一種特殊的由蛋白質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)連接子(Connexon)。連接子兩端分別

3、嵌入兩個(gè)相鄰的細(xì)胞，形成一個(gè)親水性孔道。這種孔道允許兩個(gè)細(xì)胞間自由交換分子量為1500道爾頓以下的水溶性分子。這種直接交換的意義在于，相鄰的細(xì)胞可以共享小分子物質(zhì)，因此可以快速和可逆地促進(jìn)相鄰細(xì)胞對(duì)外界信號(hào)的協(xié)同反應(yīng)。,膜表面分子接觸通訊 每個(gè)細(xì)胞都有眾多的分子分布于膜的外表面。這些分子或?yàn)榈鞍踪|(zhì)，或?yàn)樘堑鞍?。這些表面分子作為細(xì)胞的觸角，可以與相鄰細(xì)胞的膜表面分子特異性地相互識(shí)別和相互作用，以達(dá)到功能上的相互協(xié)調(diào)。這種細(xì)胞通訊方式稱為膜表面分子接觸通訊(Contact signaling by plasma membrane bound molecules)。膜表面分子接觸通訊也屬于細(xì)胞間的直

4、接通訊，最為典型的例子是T淋巴細(xì)胞與B淋巴細(xì)胞的相互作用。,化 學(xué) 通 訊 細(xì)胞可以分泌一些化學(xué)物質(zhì)蛋白質(zhì)或小分子有機(jī)化合物至細(xì)胞外，這些化學(xué)物質(zhì)作為化學(xué)信號(hào)(chemical signaling)作用于其它的細(xì)胞(靶細(xì)胞)，調(diào)節(jié)其功能，這種通訊方式稱為化學(xué)通訊?；瘜W(xué)通訊是間接的細(xì)胞通訊，即細(xì)胞間的相互聯(lián)系不再需要它們之間的直接接觸，而是以化學(xué)信號(hào)為介質(zhì)來(lái)介導(dǎo)的。根據(jù)化學(xué)信號(hào)分子可以作用的距離范圍，將其分為三類。,細(xì)胞信號(hào)的主要種類： 1、生物大分子的結(jié)構(gòu)信息：蛋白質(zhì)、多糖/糖蛋白/糖脂類、核酸。 2、物理信號(hào)：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、聲、輻射等。 3、化學(xué)信號(hào)：主要指生物體內(nèi)某些化學(xué)物質(zhì)，它們既沒(méi)有

5、營(yíng)養(yǎng)作用，又不是能源物質(zhì)，也不是結(jié)構(gòu)成分，所起的主要功能是在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)傳遞信息。它們是生物細(xì)胞內(nèi)最重要的一類信號(hào)分子。,化學(xué)信號(hào)可以根據(jù)其溶解性分為脂溶性化學(xué)信號(hào)和水溶性化學(xué)信號(hào)兩大類。所有的化學(xué)號(hào)都必須通過(guò)與受體結(jié)合方可發(fā)揮作用，水溶性化學(xué)信號(hào)不能進(jìn)入細(xì)胞，其受體位于細(xì)胞外表面。脂溶性化學(xué)信號(hào)可以通過(guò)膜脂雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)入胞內(nèi)，其受體位于胞漿或胞核內(nèi)。,細(xì)胞內(nèi)受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理 脂溶性化學(xué)信號(hào)(如類固醇激素、甲狀腺素、前列腺素、維生素A及其衍生物和維生素D及其衍生物等)的受體位于細(xì)胞漿或細(xì)胞核內(nèi)。激素進(jìn)入細(xì)胞后，有些可與其胞核內(nèi)的受體相結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物,有些則先與其在胞漿內(nèi)的受體結(jié)合，

6、然后以激素-受體復(fù)合物的形式進(jìn)入核內(nèi)。,化學(xué)信號(hào)分子的分類 1、細(xì)胞間通訊的信號(hào)分子（第一信使）：內(nèi)分泌激素、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽、旁分泌的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子、氣體NO分子等。免疫系統(tǒng)中淋巴細(xì)胞在受到抗原刺激后，分泌的抗體及淋巴因子，經(jīng)體液傳送到靶細(xì)胞引起免疫反應(yīng)。因此抗體與淋巴因子也可以說(shuō)是傳遞細(xì)胞間信息的信息分子。,2、細(xì)胞內(nèi)通訊的信號(hào)分子： cAMP、cGMP、鈣離子、三磷酸肌醇（IP3）、甘油二脂（DG）等為胞內(nèi)第二信使。這些分子的特征是小分子，能迅速在細(xì)胞內(nèi)移動(dòng)。 與參與跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換的膜受體、G蛋白、磷脂酶C、腺苷酸環(huán)化酶、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶以及參與胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的鈣調(diào)素和大量蛋白激酶及蛋白

7、磷酸酶等大分子共同組成信號(hào)傳遞鏈。,化學(xué)信號(hào)分子及其傳遞信號(hào)的特征 1、分子量小、可溶性好（部分）、易于擴(kuò)散。 2、能快速產(chǎn)生和快速滅活。 3、具有信號(hào)放大作用：細(xì)胞信號(hào)傳遞途徑由信號(hào)分子及其一系列傳遞組分組成，形成一個(gè)級(jí)聯(lián)反應(yīng)（cascade）將遠(yuǎn)初信號(hào)放大。一個(gè)激素信號(hào)分子與受體結(jié)合后可以引起多個(gè)酶分子活性增加，產(chǎn)生多個(gè)第二信使分子。 4、信號(hào)傳遞途徑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，除了線性地向下傳遞外，還可以交互作用。,化學(xué)通訊的一般過(guò)程 合成釋放 到達(dá)靶細(xì)胞 細(xì)胞膜或細(xì)胞漿的特 異受體識(shí)別與結(jié)合 啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信息傳遞： 第二信使 （cAMP、cGMP、Ca+、IP3等） 第二信使激活蛋白激酶，使靶蛋白磷

8、酸化,第一信使,第二信使,細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間信息傳遞的分子基礎(chǔ)。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理的研究可以追述至50年代。 Sutherland于1957年發(fā)現(xiàn)cAMP、1965年提出第二信使學(xué)說(shuō)，是人們認(rèn)識(shí)受體介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一個(gè)里程碑。,1977年Ross等用重組實(shí)驗(yàn)證實(shí)G蛋白的存在和功能，將G蛋白與腺苷環(huán)化酶的作用相聯(lián)系起來(lái)，深化了對(duì)G蛋白偶聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的認(rèn)識(shí)。,70年代中期以后，癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)、蛋白酪氨酸激酶的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)與功能的深入研究、各種受體蛋白基因的克隆和結(jié)構(gòu)功能的探索等，使細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究更有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。,目前，對(duì)于某些細(xì)胞中的一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑已經(jīng)有了初步的認(rèn)

9、識(shí)，尤其是在免疫活性細(xì)胞對(duì)抗原的識(shí)別及其活化信號(hào)的傳遞途徑方面和細(xì)胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念。,第一節(jié) 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑 一、G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 二、酪氨酸蛋白激酶途徑 三、鳥(niǎo)氨酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 四、核受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,一、G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 什么是G蛋白？ 指可與鳥(niǎo)嘌呤核苷酸可逆結(jié)合的蛋白質(zhì)家族。 G蛋白分類： 1、與膜受體偶合的異三聚體G蛋白（heterotrimeric GTP binding protein）， 2、另一類則存在于不同的細(xì)胞部位，稱為小G蛋白 （small GTP-binding protein），因其分子量較小 （2030

10、KD）而得名，都是單體。,G蛋白分類 一、根據(jù)大?。?由 三種亞基組成，其分子量分別為42000 KD、35000 KD 和10000 KD。負(fù)責(zé)膜內(nèi)側(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。（主要） 小分子G蛋白，僅有 亞基的功能。負(fù)責(zé)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。 小G蛋白家族： 因分子量小而得名，為單體。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的小G蛋白已經(jīng)有60 多種，包括ras、 rho、 rab及 Arf等幾個(gè)家族。,小G蛋白與三聚體G蛋白的異同： 相同點(diǎn)： 兩者具有與鳥(niǎo)嘌呤核苷酸的結(jié)合能力，與GTP結(jié)合是活化形式，與GDP結(jié)合為非活化形式；兩者均具有內(nèi)源性GTP酶活性，由它完成GTP與GDT之間的轉(zhuǎn)換。,不同點(diǎn)： 異三聚體G蛋白存在于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)被膜上的G

11、蛋白偶聯(lián)受體激活，并主要調(diào)節(jié)膜上的多種下游效應(yīng)器；而小G蛋白，作為質(zhì)膜內(nèi)側(cè)蛋白，主要受質(zhì)膜上酪氨酸蛋白激酶受體的調(diào)節(jié)。 許多小G蛋白是突變的癌基因產(chǎn)物，它們失去內(nèi)源性GTP酶活性，無(wú)法與GTP解離而處于持續(xù)活化狀態(tài)，造成促增殖信號(hào)增強(qiáng)而發(fā)生腫瘤。,二、根據(jù)作用，可將異三聚體G蛋白分為： 興奮性G蛋白（stimulatory G protein, Gs ） 抑制性G蛋白（inhibitory G protein, Gi） G蛋白的功能主要由 G 亞基完成，是鳥(niǎo)嘌呤核苷酸的結(jié)合部位：當(dāng) G 與GTP結(jié)合時(shí)有活性；當(dāng) G 與GDP結(jié)合時(shí)無(wú)活性。 G.GTP G.GDP + Pi,根據(jù)與G蛋白相聯(lián)的效

12、應(yīng)蛋白可將G蛋白介導(dǎo)的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分為三個(gè)途徑： 1、腺苷酸環(huán)化酶途徑（ACPKA Pathway） 2、三磷酸肌醇 (IP3) 鈣-鈣調(diào)蛋白途徑 ( IP3 Ca2+ Calmodulin Pathway) 3、甘油二酯 (DC) 蛋白激酶C (PKC)途徑 ( PLCDGPKC Pathway ),（一）受體G蛋白腺苷酸環(huán)化酶PKA途徑 受體與G蛋白結(jié)合 有活性的G 激活腺苷酸環(huán)化酶（AC） 有活性的腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP cAMP激活cAMP依賴的蛋白激酶（PKA） 使CRE結(jié)合蛋白（CREB）磷酸化 磷酸化的CREB與cAMP反應(yīng)元件（CRE）結(jié)合 促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄,（二）受體

13、G蛋白PLCIP3、鈣鈣調(diào)蛋白Cal-PK途徑 受體與G蛋白結(jié)合 有活性的G 激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC） 有活性的磷脂酶C催化膜磷脂 PIP2 生成 IP3 及 DG IP3促進(jìn)鈣儲(chǔ)釋放鈣 鈣與鈣調(diào)蛋白結(jié)合 鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶（Cal-PK） 產(chǎn)生各種生物學(xué)效應(yīng),（三）受體G蛋白PLCDGPKC途徑 受體與G蛋白結(jié)合 有活性的G 激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC） 有活性的磷脂酶C催化膜磷脂 PIP2 生成 IP3 及 DG DG 激活蛋白激酶C（PKC） 使蛋白磷酸化產(chǎn)生各種生物學(xué)效應(yīng),二、酪氨酸蛋白激酶途徑 Tyrosine Pr

14、otein Kinase ( TPK ) Pathway 問(wèn)題：什么是蛋白激酶？ 答：催化蛋白質(zhì)磷酸化的酶叫蛋白激酶。 問(wèn)題：蛋白質(zhì)上能磷酸化的部位有哪些？ 答：蘇氨酸、絲氨酸 “絲蘇氨酸蛋白激酶” 酪氨酸 “酪氨酸蛋白激酶”,蛋白激酶 是指能夠?qū)⒘姿峄驈牧姿峁w分子上轉(zhuǎn)移至底物蛋白的氨基酸上的一大類酶。國(guó)際生化學(xué)會(huì)命名委員會(huì)建議將蛋白激酶分為五大類 ： 激 酶 磷酸基團(tuán)的受體 蛋白絲氨酸蘇氨酸激酶 絲氨酸蘇氨酸羥基 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，氨基 蛋白半胱氨酸激酶 巰基 蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶 酰基,酪氨酸蛋白激酶的分型 受體型TPK 又稱TPK型受

15、體， 或?yàn)閱误w，或?yàn)楫惗垠w或四聚體。膜受體自身存在TPK結(jié)構(gòu)域，具備TPK活性。 非受體型TPK 受體本身不具備TPK結(jié)構(gòu)及活性，此型中只有極少部分是與膜關(guān)聯(lián)的，通過(guò)氨基端疏水氨基酸的作用固定于質(zhì)膜上。其他則為胞漿內(nèi)的。,（一）受體酪氨酸蛋白激酶途徑 位置：其TPK結(jié)構(gòu)位于胞內(nèi)區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)50多種受體型TPK 作用于受體型TPK的配基：多為生長(zhǎng)因子如EGF、PDGF等 基本過(guò)程：生長(zhǎng)因子與受體的胞外區(qū)結(jié)合 受體二聚化 激活胞內(nèi)區(qū)TPK 使受體發(fā)生自身磷酸化,一方面自身磷酸化后易于被其他蛋白質(zhì)的SH2區(qū)識(shí)別并將信號(hào)向下傳送；另一方面自身磷酸化后導(dǎo)致TPK活性進(jìn)一步升高，使其他蛋白磷酸化。,附：

16、小G蛋白家族 小分子G蛋白，僅有 亞基的功能。負(fù)責(zé)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，因分子量小而得名，為單體。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的小G蛋白已經(jīng)有60 多種，包括ras、 rho、 rab及 Arf等幾個(gè)家族。,小G蛋白與三聚體G蛋白的異同： 相同點(diǎn)： 兩者均具有與鳥(niǎo)嘌呤核苷酸的結(jié)合能力，與GTP結(jié)合是活化形式，與GDP結(jié)合為非活化形式；兩者均具有內(nèi)源性GTP酶活性，由它完成GTP與GDT之間的轉(zhuǎn)換。,不同點(diǎn)： 異三聚體G蛋白存在于質(zhì)膜上被膜上受體激活并主要調(diào)節(jié)膜上的多種下游效應(yīng)器，而小G蛋白，作為質(zhì)膜內(nèi)側(cè)蛋白，主要受質(zhì)膜上酪氨酸蛋白激酶受體的調(diào)節(jié)； 小G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)還需要三種蛋白中介： 一是接頭蛋白（adaptor），

17、 二是鳥(niǎo)苷酸釋放因子（guanimenucleotide releasing factor, GRFs）。前者連接酪氨酸蛋白激酶受體與GFRs，GRFs則作用于G蛋白促進(jìn)小G蛋白釋放GDT而結(jié)合GTP 三是GTP酶激活蛋白（GTPase activating protein, GAPs），因小G蛋白結(jié)合上GTP后，與異三聚體G蛋白不同，其GTP酶活性很低，不足以水解GTP，需要另一蛋白即GTP酶激活蛋白催化。,（二）非受體型酪氨酸蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 非受體型TPK（均為原癌基因的產(chǎn)物如src）含有SH2/SH3、TPK活性部位及自身磷酸化位點(diǎn)，因而大部分情況下，它們還可以作為受體型TPK信號(hào)

18、轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的延續(xù)。被上游信號(hào)激活后，發(fā)生自身磷酸化，活性進(jìn)一步升高，并使下游蛋白磷酸化。 少部分非受體型TPK不含SH2/SH3。 非受體型TPK主要介導(dǎo)細(xì)胞因子受體超家族及免疫細(xì)胞內(nèi)的信息傳遞。,三、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶，Mg+ 磷酸二脂酶，H2O GTP 3,5cGMP 5GMP PPi Mg+,Ca+ GC 和 AC不同，存在于細(xì)胞顆粒及可溶性部分。 細(xì)胞內(nèi) cGMP 含量還不到 cAMP 的 5%。 cGMP 可激活蛋白激酶G（PKG）,乙酰膽堿與膜受體結(jié)合，使Ca2+升高 一氧化氮合酶（nitric oxide synthase， NOS） Larginine NO鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（GC） GTP cGMP PKG 血管平滑肌舒張 圖113 血管鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與疾病 一、受體異常與疾病 二 、G蛋白異常與疾病 三 、胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子、轉(zhuǎn)錄因子異常 與疾病 四、 多個(gè)環(huán)節(jié)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙與疾病,一、受體的異常與疾病 減少：下調(diào)（down regulation）