G蛋白以及G蛋白偶聯受體,多細胞生物是一個有序可控的“細胞社會”，這種社會性的維持不僅依賴于細胞的物質代謝和能量代謝，更有賴于細胞間通訊與信號調控，以協調細胞的行為，諸如細胞生長、分裂、分化、凋亡等生理功能。,第一節 細胞信號轉導概述第二節 G蛋白、 G蛋白偶聯受體介導的信號轉導,第一節 細胞信號轉導概述,信號細胞(signaling cell)：能產生信號分子的細胞。靶細胞(target cell)：受到信號分子的作用發生反應的細胞。信號轉導(signal transduction)：靶細胞依靠受體識別專一的細胞外信號分子，并把細胞外信號轉變為細胞內信號，這一轉變過程稱為信號轉導。是實現細胞間通訊的關鍵過程。細胞信號傳遞（cell signaling）：信號轉導后，靶細胞內部通過不同的信息傳遞途徑最終引起基因或蛋白的變化導致細胞行為改變，這一過程稱為細胞信號傳遞。,通過胞外信號所介導的細胞通訊包括6步：信號細胞合成并釋放信號分子（配體）轉運信號分子至靶細胞信號分子與靶細胞表面受體特異性結合，導致受體被激活活化的受體啟動靶細胞內信號傳遞途徑引發細胞代謝、功能或基因表達的改變解除信號并導致細胞反應終止,細胞表面受體轉導胞外信號引發兩類反應快反應和慢反應,二 信號分子與受體,信號分子：細胞的信息載體信號分子,化學信號,物理信號：聲、光、電、溫度,氣體性信號分子：NO, CO,疏水性信號分子：甾類激素，甲狀腺素,親水性信號分子：局部介質、神經遞質，多數蛋白類激素,受體：能夠識別和選擇性結合某種配體（信號分子）的大分子，多數為糖蛋白。,細胞內受體：位于細胞質基質、核基質，識別結合脂溶性信號分子（甾類激素、甲狀腺素、維生素D）,細胞表面受體：識別結合親水性信號分子,離子通道偶聯受體：受體本身既有配體結合位點又是離子通道,G蛋白偶聯受體：普遍存在于各類真核細胞表面,酶聯受體,三種類型的細胞表面受體,第二信使與分子開關,第二信使：胞外信號分子（配體）與細胞表面受體結合后，導致在胞內產生的非蛋白類小分子，通過其濃度變化來應答胞外信號，調節細胞內信號蛋白的活性，從而在細胞信號轉導途徑中行使攜帶和放大信號的功能。,4種常見的細胞內第二信使及其主要效應,cAMP，環腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（ATP）脫掉兩個磷酸縮合而成的。,在細胞信號轉導過程中，除細胞表面受體和第二信使分子以外，還有兩類在進化上保守的胞內蛋白，這兩類蛋白在引發信號轉導級聯反應中起分子開關（molecular switch）的作用。分子開關：通過“開啟”和“關閉”兩種狀態的轉換來控制下游靶蛋白的活性。, GTPase開關調控蛋白構成的細胞內GTPase超家族（G蛋白超家族），主要是：三聚體GTP結合蛋白。 這類GTP結合蛋白當結合GTP時呈活化的“開啟”狀態，當結合GDP時呈失活的“關閉”狀態，開關調控蛋白通過兩種狀態的轉換控制下游靶蛋白的活性。,開關調控蛋白（G蛋白）從失活態向活化態的轉換，由鳥苷酸交換因子 （guanine nucleotide-exchange factor, GEF）所介導，GEF引起GDP從開關調控蛋白釋放，繼而結合GTP并引發開關調控蛋白構象改變使其活化。隨著結合GTP的水解，形成GDP和Pi，開關調控蛋白又恢復成失活的關閉狀態。GTP的水解速率被GTPase促進蛋白（GTPase-accelerating protein, GAP）和G蛋白信號調節子（regulator of G protein-signaling, RGS）所促進，被鳥苷酸解離抑制蛋白（guanine nucleotide-dissociation inhibitor, GDI）所抑制。,蛋白激酶/蛋白磷酸酶開關：通過蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化和通過蛋白磷酸酶（protein phosphatase）使靶蛋白去磷酸化，從而調節靶蛋白的活化（開啟）與失活（關閉）。蛋白質磷酸化和去磷酸化可以改變蛋白質的電荷并改變蛋白質構象，從而導致該蛋白質活性的增強或降低。,第二節 G蛋白、 G蛋白偶聯受體介導的信號轉導,G蛋白偶聯受體的結構與激活,G蛋白是三聚體GTP結合調節蛋白的簡稱。位于質膜內胞漿一側，由G、G、G三個亞基組成，三個亞基各不相同。 G和G亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結合錨定在質膜上。G亞基本身具有GTPase活性，是分子開關蛋白。,與G蛋白偶聯受體相聯系的效應蛋白激活的普遍機制,G蛋白是三聚體GTP結合調節蛋白的簡稱。 G蛋白位于質膜內胞漿一側 由G 三個亞基組成。G和G亞基分別通過與細胞膜上的脂分子共價結合錨定在質膜上。G亞基本身具有GTPase活性，是分子開關蛋白。三聚體G蛋白活化的步驟如下：1 配體結合誘發受體構象改變；2 活化受體與G亞基結合；3 結合之后引發G亞基構象改變，致使GDP與G蛋白解離；4 GTP與G亞基結合，引發G亞基與受體和G 亞基解離； 5 配體受體復合物解離，G亞基結合并激活效應蛋白；6 GTP水解成GDP,引發G亞基與效應蛋白解離并重新與G 亞基結合，恢復到三聚體G蛋白的靜息狀態。,現已知人類基因組至少編碼27種不同的G亞基，5種不同的G亞基和13種不同的G亞基。由于闡明了胞外信號如何轉換為胞內信號的機制，A.G.Gilman和M.Rodbell獲得1994年諾貝爾生理學或醫學獎。,所有G蛋白偶聯受體都含有7個疏水肽段形成的跨膜螺旋區和相似的三維結構，N端在細胞外側，C端在細胞胞質測。每個跨膜螺旋由22-24個氨基酸殘基組成，其中螺旋5和6之間的胞內環狀結構域對于受體與G蛋白之間的相互作用具有重要作用。,A. G蛋白偶聯受體的結構模式圖B. 人腎上腺素G蛋白偶聯受體晶體結構,G蛋白偶聯受體介導無數胞外信號的細胞應答，配體包括多種蛋白或肽類激素、局部介質、神經遞質和氨基酸或脂肪酸衍生物，以及哺乳類嗅覺、味覺、和視覺。在線蟲基因組19000個基因中大約編碼1000種不同的G蛋白偶聯受體。盡管與這類受體相互作用的信號分子多種多樣，受體的氨基酸序列也千差萬別，但對G蛋白偶聯受體的研究分析表明，所有真核生物從單細胞酵母到人類都具有相似的七次跨膜結構。,哺乳類三聚體G蛋白的主要種類及其效應器,人們能看到一杯咖啡、聞到咖啡的香味、品嘗到咖啡的美味以及喝下咖啡后愉悅的心情，這都離不開受體的作用。G蛋白偶聯受體(GPCR)是與G蛋白有信號連接的1000多種受體的統稱。它屬于膜蛋白，也就是分布在細胞膜上的蛋白。G蛋白橫跨在細胞膜上，一面可以解讀細胞外的信號，另一面可以和細胞內的物質發生作用，成為細胞外信息進入細胞內的橋梁。G蛋白偶聯受體能鞏固探測激素、氣味、化學神經遞質等，從而將信息通過激活不同類型G蛋白中的一種，傳遞到細胞內部。G蛋白偶聯受體是最著名的藥物靶向分子。目前世界藥物市場上至少有30%的小分子藥物可以激活或是阻斷G蛋白偶聯受體的作用。目前上市的藥物中，前50種最暢銷藥物有20%就屬于G蛋白偶聯受體相關藥物，比如充血性心力衰竭藥物卡維地洛，抗高血壓藥物科素亞，乳腺癌藥物諾雷得等。,G蛋白偶聯受體介導的細胞信號通路,細胞表面受體介導的細胞信號通路：5個步驟組成,由G蛋白偶聯受體所介導的細胞信號通路，按其效應器蛋白的不同，可分為3類：激活離子通道的G蛋白偶聯受體激活或抑制腺苷酸環化酶，以cAMP為第二信使的G蛋白偶聯受體激活磷脂酶C（phospholipase C, PLC），以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯受體。,（一）激活離子通道的G蛋白偶聯受體所介導的信號通路,心肌細胞上M乙酰膽堿受體激活G蛋白開啟K+通道,許多神經遞質受體是G蛋白偶聯受體，效應器蛋白是Na +或K +通道，神經遞質與G蛋白偶聯受體結合引發離子通道的開放或關閉，進而導致膜電位變化。,（二）激活或抑制腺苷酸環化酶的G蛋白偶聯受體（真核細胞應答激素反應的主要機制之一）,在絕大多數哺乳動物細胞中，G蛋白偶聯受體介導的信號通路中，G亞基的首要效應酶是腺苷酸環化酶，通過腺苷酸環化酶活性的變化調節靶細胞內第二信使cAMP的水平，進而影響信號通路的下游事件。,不同的激素-受體復合物，偶聯不同的G蛋白（不同的G亞基相同的G亞基）導致Gs-GTP激活腺苷酸環化酶，而Gi-GTP抑制腺苷酸環化酶的活性,在多細胞動物各種以cAMP為第二信使的信號通路中，主要是通過cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）所介導。無活性的PKA是含有2個調節亞基（regulatory subunit，R）和2個催化亞基（catalytic subunit，C）組成的四聚體，每個R亞基上有兩個cAMP調節位點。,cAMP特異性地活化cAMP依賴的PKA，釋放其催化亞基,G蛋白偶聯受體-cAMP-PKA信號通路對真核細胞基因轉錄的調控,CREB, cAMP-response element binding protein （cAMP應答原件結合蛋白）,許多激素刺激這些受體導致PKA的激活，但是細胞應答反應不同，為什么？cAMP-PKA通路：腎上腺素在肝細胞和肌細胞中對糖原代謝的效應；腎上腺素在脂肪細胞中促進磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成脂肪酸和甘油；卵巢細胞中G蛋白偶聯受體在某些垂體激素刺激下導致PKA活化，促進2種類固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。細胞應答反應只依賴于細胞表達的特殊PKA異構體和PKA底物。,在討論G蛋白偶聯受體介導的信號通路時，我們不禁要問：為什么不同的信號（配體）通過類似的機制會引發多種不同的細胞反應？這主要取決于G蛋白偶聯受體的特異性。首先，對某一特定的配體其受體可以幾種不同的異構體形式存在。現已知腎上腺素受體有9種不同的異構體，5-羥色胺的受體有15種不同的異構體。其次，人類基因組編碼27中不同的G，5種不同的G和13種不同的G亞基，還有9種不同的腺苷酸環化酶。不同亞基組合的多樣性決定了通過類似機制可產生眾多不同的細胞反應。,霍亂是因攝入的食物或水受到霍亂弧菌污染而引起的一種急性腹瀉性傳染病。每年，估計有300萬500萬霍亂病例，另有10萬12萬人死亡。病發高峰期在夏季，能在數小時內造成腹瀉脫水甚至死亡。霍亂毒素具有ADP-核糖轉移酶活性，進入細胞催化胞內的NAD+的ADP核糖基共價結合在Gs亞基上，致使Gs亞基喪失了GTPase的活性，導致與Gs亞基結合的GTP不能水解成GDP，結果GTP永久的結合在Gs亞基上，處于持續活化狀態，因此能不斷激活腺苷酸環化酶，使腺苷酸環化酶被鎖定在活化狀態。霍亂病患者的癥狀是嚴重腹瀉，其主要原因是霍亂毒素使得Gs亞基處于持續激活狀態，導致小腸上皮細胞中cAMP水平增加100倍以上，使細胞膜上的離子通道打開，導致細胞大量Na+和水分子持續外流，產生嚴重腹瀉而脫水。,（三）激活磷脂酶C、以IP3和DAG作為雙信使的G蛋白偶聯受體介導的信號通路,通過G蛋白偶聯受體介導的另外一條信號通路是磷脂酰肌醇信號通路，信號轉導時通過效應酶磷脂酶C完成的。,磷脂酰肌醇代謝途徑,脂肪酸鏈甘油三酯二脂酰甘油磷脂酰肌醇：由肌醇、磷酸1,2-二脂酰甘油組成,IP3-Ca2+信號通路,幾乎所有真核細胞內Ca2+動員的主要途徑：依靠內質網膜上的IP3門控Ca2+通道將儲存的Ca2+釋放到細胞質基質中。,IP3介導的Ca2+水平的升高只是暫時的，質膜和內質網膜上Ca2+泵的啟動會分別將Ca2+泵出細胞和泵進內質網腔。鈣火花：在短短的