1、蛋白質磷酸化在細胞內信號傳導中的意義 摘要：生物體對環境(包括外環境和內環境)信號變化有極高的反應性。細胞對外界刺激的感受和反應都是通過信號轉導系統的介導實現的。該系統由受體、酶、通道和調節蛋白等構成。通過信號轉導系統、細胞能感受、放大和整合各種外界信號。蛋白質的可逆磷酸化在這一過程中起著至關重要的作用。關鍵詞：蛋白質磷酸化， 細胞信號轉導Abstract：The organisms are very sensible to the changes of environmental signals(both external or internal) .The the feelings and

2、 reactions of the cells to the external stimulation are all dependent on the signal transduction system. The system consists of receptors, enzymes, channels and regulatory proteins. Acording to the signal transduction system, cells can feel, amplify and integrate a variety of external signals. Rever

3、sible protein phosphorylation plays an very important role in this progress.Key words: protein phosphorylation; cells signal transduction 生物體對環境(包括外環境和內環境)信號變化有極高的反應性。如精子獲能的過程中精子周圍環境因子以及活性氧的誘導作用等12。細胞對外界刺激的感受和反應都是通過信號轉導系統 (signal transduction system)的介導實現的。該系統由受體、酶、通道和調節蛋白等構成。通過信號轉導系統、細胞能感受、放大和整合各種外

4、界信號。蛋白質的可逆磷酸化在這一過程中起著至關重要的作用。 一 細胞信號轉導的概念和類型1細胞信號轉導的概念 細胞信號轉導系統由能接受信號的特定受體( recep tor) 、受體后的信號轉導通路以及其作用的終端所組成。細胞信號通過受體或類似于受體的物質激活細胞內的信號轉導通路,觸發離子通道的開放、蛋白質( p rotein) 可逆磷酸化反應以及基因( gene)表達改變等變化,進而導致一系列生物效應。不同的信號轉導通路間具有相互的聯系和作用,形成極其復雜的網絡,主要包括物理信號、化學信號和生物信號34。推薦精選2細胞信號轉導的類型受體是位于細胞膜或細胞內的一類特殊的蛋白質，可特異地識別信號分

5、子并與之結合，從而啟動細胞內信號轉導系統的級聯反應。根據在細胞中的位置，受體可以分為細胞膜受體與細胞內受體。2.1 細胞膜受體細胞膜受體蛋白占細胞總蛋白質量的比例很小，僅0.01，因此很難純化。由于重組DNA技術的發展，可以對受體蛋白的基因進行克隆，這就極大地促進了對受體蛋白的研究3。細胞膜受體蛋白有三種類型：離子通道偶聯受體(ion-channel coupled receptors)、G蛋白偶聯受體(G-protein coupled receptors)、酶偶聯受體(enzyme coupled receptors)。膜受體作為信號轉導體，能以高親和力與細胞外的信號分子結合，再將細胞外信

6、號轉變為細胞內一個或多個信號，從而改變細胞的生物行為。2.11離子通道偶聯受體離子通道偶聯受體參與電興奮細胞間的突觸信號快速傳遞，這類信號由一部分神經遞質介導。神經遞質與受體結合后，能改變受體的結構，使離子能通過由受體蛋白構成的通道，進入突觸后細胞，改變突觸后細胞的興奮性。2.12 G蛋白偶聯受體G 蛋白偶聯受體間接地調節其他膜結合的靶蛋白，這些靶蛋白可以是酶或是離子通道。受體與靶蛋白之間的聯系是通過GTP結合調節蛋白(簡稱G蛋白)實現的。如果靶蛋白是酶，那么靶蛋白的激活就能改變細胞內與信號轉導有關的分子的濃度；如果靶蛋白是離子通道，那么就能改變細胞膜對離子的通透性。2.13酶偶聯受體酶偶聯受

7、體與信號分子結合后，受體蛋白本身就能發揮酶的功能，或激活與受體相關的其他酶蛋白。這類受體的配體結合部位在細胞外，催化部位在細胞內，這類受體的酶活性主要是蛋白激酶活性，或與蛋白激酶相關的活性，催化靶細胞內與信號轉導有關的蛋白質磷酸化。2.2 細胞內受體小分子脂溶性(疏水性)的細胞外信號分子有類固醇激素、甲狀腺素、維甲酸類、維生素D等。這類信號分子雖然在結構上差異很大，但是信號轉導的機制是相同的。這些脂溶性分子都能直接擴散通過細胞膜進入細胞質或細胞核，與細胞內受體蛋白結合，并激活受體，最后通過受體去調控基因的表達，因此這類細胞內受體是一類反式作用因子。這類受體稱為細胞內受體超家族(intracel

8、lular receptor superfamily )或類固醇激素受體超家族(steroid-hormone receptor superfamily )。這類受體都有兩個結構域，即DNA結合結構域，激素結合結構域和一個變區。不同受體的DNA結合結構域顯示較高的一級結構同源性，激素結合結構域的同源性低一些，變區的一級結構則不具同源性。變區含有激活結構域，DNA結合結構域具有4個半胱氨酸殘基的鋅指結構。細胞內受體借DNA結合結構域與相應的靶基因上的反應元件結合，從而調節基因的轉錄。3 細胞信號轉導的系統細胞信號轉導系統主要有：通過G蛋白偶聯受體介導的信號轉導系統，通過cAMP的信號轉導系統，通

9、過Ca2+的信號轉導系統，酶偶聯受體介導的信號轉導系統推薦精選，酪氨酸激酶相關受體信號系統以及細胞內受體介導的信號轉導活動等。二 細胞信號轉導與蛋白質磷酸化 細胞信號轉導活動雖然因為信號的不同，受體的不同，以及通路的不同。但是它們卻有一個共同的特征:這些信號在細胞內的傳導都是由一系列蛋白傳遞鏈構成的。信號傳導的過程中涉及到多種蛋白質的可逆磷酸化過程。蛋白質通過可逆磷酸化，以及不同的級聯反應，可以將信號放大傳遞等。由此可見蛋白質磷酸化在細胞信號傳導過程中擔負著重要的作用。1 通過G蛋白偶聯受體介導的信號轉導系統在 G蛋白介導的信號轉導中，一方面G蛋白可以通過GTP酶活性水解GTP為GDP，重新形

10、成不具活性的三聚體G蛋白，使得G蛋白的信號傳遞及時終止，有利于 G蛋白接收下一次信號。另一方面，當信號分子長期存在時，一類特定的G蛋白偶聯受體激酶(G-protein coupled receptor kinases, GRK)使得G蛋白偶聯受體羧基端的多個絲氨酸殘基發生磷酸化，從而受體與G蛋白介偶聯；同時捕獲蛋白(arrestin)可以識別并結合磷酸化的受體，阻斷受體與G蛋白之間的相互作用。 1.1 信號傳導到有cAMP介導的信號傳遞系統后，cAMP主要通過激活cAMP依賴的蛋白激酶(簡稱蛋白激酶A，protein kinase A, PKA)發揮其生物效應。PKA催化ATP分子上末端磷酸基

11、團轉移到選擇性靶蛋白上特異的絲氨酸殘基或蘇氨酸殘基上，被共價磷酸化修飾的氨基酸殘基進而調控該靶蛋白的活性。無活性狀態的PKA具有兩個相同的催化亞基和兩個相同的調節亞基，調節亞基能結合cAMP。當cAMP和調節亞基結合后，該亞基的構象發生變化，使調節亞基從酶分子上解離下來，釋出的催化亞基激活，催化底物蛋白質分子的磷酸化。而這些底物的磷酸化，將產生相應的激活效應等，將信號傳遞到作用部位，或直接作用于基因的轉錄等，機體產生相應的生理效應。 1.2信號通過G蛋白介導的傳遞系統將信號傳遞給有Ca2+介導的信號通路時，Ca2+信號有兩條途徑：一條途徑在神經細胞中存在，當細胞膜去極化(depolarizat

12、ion)時導致 Ca2+流入神經末梢，啟動神經遞質分泌，；另一條途徑是細胞外信號與G蛋白偶聯受體結合后，信號轉導至內質網，使內質網內的Ca2+釋放到細胞質，由細胞質Ca2+控制細胞反應。Ca2+通過別構作用激活鈣調蛋白。 Ca2+-鈣調蛋白復合物的作用是能與多種靶蛋白結合并改變靶蛋白的活性。這些靶蛋白有各種酶和細胞膜上的轉運蛋白，例如精子細胞膜上的Ca2+-ATP酶 (使胞質內Ca2+泵出細胞)。但是Ca2+-鈣調蛋白的效應主要是通過Ca2+-鈣調蛋白依賴的蛋白激酶(CaM激酶)的介導來實現的2。CaM激酶也是通過使靶蛋白上特異的絲氨酸或蘇氨酸的磷酸化激活靶蛋白。被磷酸化激活的蛋白將會激活相應

13、的細胞反應，如調節細胞內Ca2+ 的濃度等等。 1.3通過G蛋白偶聯受體介導的信號轉導系統還有另外一個通路，即通過G蛋白偶聯受體激活肌醇磷脂信號途徑。細胞外信號分子結合并激活受體后，使G蛋白激活，Gq蛋白激活與細胞膜附著的磷脂酶C- ，然后磷脂酶C-使PIP2裂解。產生兩種分子：IP3和二脂酰甘油(diacylglycerol，DG)，兩者都在信號轉導中起重要作用推薦精選。 IP3與內質網膜上的特異Ca2+通道結合后，就能使內質網腔里的Ca2+釋放到細胞質，而且釋放的Ca2+具有正反饋效應，即釋出的Ca2+結合到 Ca2+通道，再促進Ca2+釋放。 DG的重要作用是激活蛋白激酶C(protei

14、n kinase C, PKC)，PKC是一類Ca2+依賴的蛋白激酶，能使選擇性的靶蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化。因IP3作用升高的細胞質內Ca2+能使PKC從細胞質轉移到細胞膜胞質面。在Ca2+，DG和細胞膜磷脂成分中的磷脂酰絲氨酸的共同作用下激活PKC。哺乳動物中腦細胞的PKC濃度最高，其作用是使神經細胞的離子通道蛋白磷酸化，從而改變神經細胞膜的興奮性。在許多細胞中，PKC能通過激活磷酸化級聯反應，最后使一些轉錄因子磷酸化并激活，從而調控相關基因的表達。 1.4 cAMP 細胞內信號途徑和Ca2+細胞內信號途徑雖然是兩條獨立的途徑，但相互之間也有作用12。第一，細胞內Ca2+水平和cAM

15、P水平能相互影響，如直接與 cAMP水平有關的腺苷酸環化酶和磷酸二酯酶都受到Ca2+-鈣調蛋白復合物的調節。PKA能磷酸化一些Ca2+通道和Ca2+泵，使它們改變活性，例如 PKA能磷酸化內質網上的IP3受體，啟動或抑制IP3引起的Ca2+釋放。第二，直接受Ca2+和cAMP調控的酶之間能相互影響，如有些CaM激酶能被PKA磷酸化而改變活性。第三，這些酶能共同對一些靶分子產生相互作用，在這種情況下，是PKA和CaM激酶分別使一些蛋白質的不同部位磷酸化。2酶偶聯受體介導的信號轉導系統酶偶聯受體和G蛋白偶聯受體一樣也是一類跨膜蛋白質，與細胞外信號分子結合的結構域在細胞膜外，細胞內的胞質結構域本身即

16、具有酶活性，或直接與其他酶相關聯。已知有5種類型酶偶聯受體：受體鳥苷酸環化酶(receptor guanylyl cyclases)；受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases)；酪氨酸激酶相關受體(tyrosine-kinase associated receptors)；受體酪氨酸磷酸酶(receptor tyrosine phosphatases)；受體絲氨酸蘇氨酸激酶(receptor serinethreonine kinases) 2.1受體鳥苷酸環化酶信號轉導系統這類受體與細胞外信號分子結合后，能催化細胞質內cGMP的生成，因該跨膜受體的胞質結構域具有鳥苷

17、酸環化酶活性，催化GTP生成cGMP，cGMP再激活 cGMP依賴的蛋白激酶(cGMP dependent protein kinase，G激酶)，G激酶能使靶蛋白上的絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化，激活靶蛋白。在此信號轉導系統中，cGMP是細胞內信號分子。與cAMP信號不同之處是：在cAMP信號途徑中聯系受體與環化酶的是G蛋白，而在cGMP信號途徑中此聯系通過受體本身。但在某些細胞中，如視覺細胞，cGMP的生成也通過G蛋白。通過受體鳥苷酸環化酶途徑的細胞外信號，有心鈉素等。 2.2受體酪氨酸激酶信號轉導系統第一個被確認具有酪氨酸特異的蛋白激酶活性的受體是表皮生長因子(epidermal growt

18、h factor，EGF)受體54。當EGF與EGF受體結合后，受體的細胞質酪氨酸激酶結構域即被激活，激活的酪氨酸激酶能選擇性地使受體蛋白本身的酪氨酸殘基或其他靶蛋白上的酪氨酸殘基磷酸化。現已發現，大多數生長因子和分化因子的受體都屬這一類受體，這些受體都可以通過自身磷酸化(auto-phosphorylation)來啟動細胞內信號的級聯反應。推薦精選 在這個通路中有三個重要的組成分子：具有SH結構域的蛋白質這類蛋白質，SOS蛋白，Ras蛋白。具有SH結構域的蛋白質是連接受體酪氨酸激酶和其他蛋白質的橋梁，SOS蛋白能與Ras蛋白結合，并使原來與Ras結合的GDP交換成GTP。是位于細胞膜胞質面的

19、膜結合蛋白。GTP酶激活蛋白(GAP)能使與Ras結合的GTP水解成GDP而使Ras失活，而鳥嘌呤核苷酸交換因子 (GEF)能使與Ras結合的GDP交換為GTP而使Ras激活。Ras下游的信號介導物被激活的Ras能結合一種具有絲氨酸蘇氨酸激酶活性的Raf蛋白的N端結構域。與Ras結合的Raf能藉C端結合并磷酸化一種既具有酪氨酸激酶活性又具有絲氨酸激酶活性的蛋白質MEK。被磷酸化的MEK能使另一種具有絲氨酸蘇氨酸激酶的蛋白質MAP激酶（絲裂原活化蛋白激酶mitogen - activated p rotein kinase,MAPK)磷酸化，并使之激活。激活的MAP激酶磷酸化多種不同的蛋白質，包

20、括轉錄因子，從而對基因的表達發揮調控作用。 MAPK包括: 細胞外信號調節的蛋白激酶( extracellu2lar - signal regulated kinase, ERK) ; c - Jun N端激酶( c -Jun N - terminal kinase, JNK) /應激激活的蛋白激酶( stressactivated p rotein kinase, SAPK) ; p38MAPK。MAPK家族酶的激活機制相似,都通過磷酸化的三維酶促聯反應(MAP2KKKMAPKKMAPK) 。其中ERK通路主要被分裂原激活,如生長因子與受體結合后,能激活小G蛋白Ras,進而激活RafMEKE

21、RK通路,而JNK/SAPK通路能被多種應激源、促炎細胞因子( p roinflammatory cytokines)和炎癥反應介質( inflammatorymediators)等激活。MAPK信號通路參與了細胞生長、發育、分裂和細胞間的功能同步等多種生理過程,并在細胞發生惡性轉化等病理過程中起重要作用36。2.3酪氨酸激酶相關受體信號系統JAK-STAT信號轉導途徑是酪氨酸激酶相關受體信號轉導系統中一個比較典型的例子。這是一種比較簡單的信號系統，只有三種成分：受體、JAK激酶和STAT。這類受體包括多種細胞因子(cytokines)的受體，如干擾素受體，白細胞介素2受體等。這類受體本身不具

22、有內在的激酶活性，但是細胞外信號分子與之結合后，能形成二聚體，受體二聚體能與JAK激酶結合，并激活JAK激酶。JAK激酶是一族分子，有多種成員，每種成員能特異地和相應的細胞因子受體結合。JAK激酶原來稱為Janus激酶(Janus意為看守門戶的兩面神)，因為這種分子上有兩個激酶結構域。JAK激酶屬酪氨酸激酶，主要的底物是STAT。STAT 是一類轉錄因子，是signal transducers and activation of transcription的縮寫。目前已知至少有7種STAT，每種STAT分別由相應的JAK激酶激活。STAT的磷酸化導致STAT二聚體的形成，這種二聚體可以是同二聚

23、體或異二聚體。形成二聚體的基礎是分別存在于兩個STAT上的SH2結構域和磷酸化的酪氨酸殘基之間的相互作用。STAT二聚體從細胞質轉移到細胞核內，和相應的順式作用元件結合，調控靶基因的表達。三 結語推薦精選通過前面的論述我們看到細胞每時每刻都在接受來自細胞內外的各種各樣的信號,細胞信號轉導是生命活動的一種最基本最主要的方式。細胞信號轉導系統具有調節細胞增殖、分化、代謝、應激、防御 、凋亡等作用。細胞的一切生命活動都與信號轉導有關,信號是細胞一切活動的始動因素,生理反應只是信號轉導作用于細胞的最終結果。相同的信號作用于不同的細胞可以引發完全不同的生理反應;不同的信號作用于一種細胞可引發相同的生理反

24、應。我們可以看出蛋白質，是細胞信號轉導通路上的主要參與者。蛋白質在識別信號，傳遞信號過程中，起著關鍵性的作用。而蛋白質之所以能夠承擔細胞信號轉導功能的重要原因在于蛋白質的結夠特點。蛋白質有著復雜的種類和結構。蛋白質的功能可以通過其自身某些結構域的修飾而產生特異的變化。而在所有的蛋白質的修飾過程中，蛋白質的可逆磷酸化是其中重要的一種。蛋白質的磷酸化主要集中在肽鏈中的酪氨酸，絲氨酸，蘇氨酸殘基上。這些殘基上具有游離的羥基可以，且本身不帶電荷，當磷酸化作用后，蛋白質便具有了電荷，從而使結構發生變化，進一步引起蛋白質活性的變化。這也是蛋白質磷酸化的意義所在。由于各種蛋白激酶（PKA，PKC，JAK，PKG）等中間酶的作用，使得細胞內外受體的感受到得信號，得以傳遞。事實上細胞信號傳導就是信號在相關蛋白之間的傳遞。因為蛋白質激酶的底物較多（如具有特定氨基酸的位點的蛋白質家族等），因此信號在進入細胞后得到放大加強，進而增進進了細胞的的反應能力。細胞信號轉導一直是人們研究的重點，因為研究它的意義非常重大。通過細胞信號傳導通路的研究，人們就可以針對不同的導致細胞病變的機理跟