細胞信號轉導系統

CellsignaltransductionNobelprizesawardedforresearchinsignaltransduction

2001L.H.Hartwell,R.T.Hunt,P.M.Nurse

M&P

keyregulatorsofthecellcycle2002

S.Brenner,H.R.Horvitz,J.E.SulstonM&P

Apoptosis單細胞生物直接對外界環境的變化作出反應。高等生物往往是由成億個細胞所組成的有機體，大多數細胞不與外界直接接觸，而且已分化成具有特殊結構與功能的細胞，如此眾多的細胞之間必然需要有效的信息聯絡，對細胞功能進行調控，從而完善地發揮各自的功能，彼此協調，相互配合，維持機體的恒穩狀態，適應各種生命活動和生長、繁殖的需求。細胞間通訊方式細胞間隙連接1500D以下膜表面分子接觸通訊如:T細胞的激活化學信號通訊化學信號細胞間信息傳遞的方式神經傳導神經遞質體液傳導體液傳導內分泌傳導激素旁分泌傳導細胞因子自分泌傳導細胞因子信息分子定義：攜帶生物信息，在細胞之間進行傳遞的小分子化學物質在細胞間進行信息傳遞的信息分子稱為第一信使將第一信使的信息在細胞內進一步傳遞的信息分子稱為第二信使信息分子的化學本質蛋白質多肽類氨基酸衍生物如腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺等。脂類化合物固醇類化合物：糖皮質激素、性激素等，磷脂類化合物：甘油二酯,PIP3,1—磷酸神經酰胺，溶血磷脂酸，其他小分子核苷酸衍生物、NO、CO等信息分子作用特點親水性：不能穿過細胞膜的脂質雙分子層，而需要與細胞膜上的受體相結合，把信息轉入靶細胞。親脂性：能穿過細胞膜，進入細胞內，形成信息分子-受體復合物，引起效應。信息分子由信息細胞釋放分泌，經運輸系統，達到靶細胞，與特異性受體結合，產生細胞內的第二信使，作用于效應分子，產生效應。信息分子的種類激素主要指內分泌激素神經遞質細胞因子是由免疫細胞或非免疫細胞分泌的，能參與調控真核細胞的增殖、分化、代謝和運動功能等多項生命過程的生物活性的多肽分子。同一細胞因子作用于不同的靶細胞，可以產生不同的效應。受體（receptor）定義：靶細胞中能夠被體內一些生物活性物質如激素、細胞因子所識別，并與之結合將信號傳至細胞內產生生物效應的物質，也即細胞接受細胞外信號的接收裝置，直接參與細胞的信息傳遞。受體的化學性質主要為蛋白質。受體與信息分子的結合特點高度親和力高度特異性可逆性可飽和性放大效應受體的分類細胞表面受體水溶性表面信號分子離子通道受體

G蛋白偶聯受體單次跨膜受體細胞內受體脂溶性化學信號

細胞信號轉導的基本方式網絡構成基礎：蛋白質分子和小分子活性物質基本方式

小分子信使的濃度或細胞內定位分布發生改變

大分子信使的構象變化：蛋白質分子的化學修飾；小分子信使的變構效應；大分子信使的變構作用

蛋白質分子的細胞內定位改變

蛋白質分子的細胞內水平調節細胞內的關鍵信號轉導分子蛋白激酶與蛋白磷酸酶

蛋白激酶（proteinkinase）：能夠將γ-磷酸基團從磷酸供體分子上轉移至底物蛋白的氨基酸受體上的一大類酶。

蛋白激酶分類蛋白絲/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、胍基、ε-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

PKA、PKG、PKC、鈣調素依賴的蛋白激酶、蛋白酪氨酸激酶、MAPK蛋白磷酸酶（proteinphosphatase）是具有催化已經磷酸化的蛋白質分子發生去磷酸化反應的一類酶分子，與蛋白激酶相對應存在，共同構成磷酸化與去磷酸化這一重要的蛋白質活性的開關系統。對蛋白激酶所引起的變化產生衰減信號GTP結合蛋白GTP結合蛋白三聚體α亞基和βγ亞基低分子量G蛋白21kD

Ras調控結合元件(modularbindingdomain)

即信號分子中存在著的一些特殊的結構域，大約50-100個氨基酸構成，信號分子通過這些特殊結構域相互識別和作用而有序銜接，形成不同的信號傳遞鏈。SH2結構域信號分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子SH3結構域信號分子與含脯氨酸蛋白分子PH結構域磷脂分子PIP2、PIP3PTB結構域同SH2

磷酸酪氨酸一個信號分子含兩種以上的結合元件同一調控元件可存在多種不同的信號轉導分子結構域本身均為非催化結構域主要信號轉導途徑及作用機制(一)離子通道型受體及信號轉導這種受體本身就是離子通道，這種通道的開放與接受信息分子（神經介質）的控制緊密連接，少量的神經介質能短暫快速的打開或關閉離子通道而改變某些離子的通透性。如骨骼肌細胞的乙酰膽堿受體。（二）G蛋白偶聯型受體及信號轉導這類受體結構較相似，均為單鏈多肽，氨基端在胞膜外，形成與配體結合的結構域，跨膜部分有7段肽鏈來回穿過細胞膜，胞漿部分是肽鏈的羧基端，具有三聚體G蛋白結合區域。G蛋白的循環和活化三聚體G蛋白由α、β、γ三種亞基組成。α亞基具有GTP水解酶活性，又有調節效應蛋白作用，β和γ亞基具有調節α亞基作用，也有調節效應蛋白的作用，而且β亞基上有脂鏈，故具有固定作用。這三個亞基可以聚合在一起形成αβγ三聚體，也可以解離為α和βγ形式。當G蛋白與GDP相結合時無活性，而與GTP結合時則活化成激活狀態。

受體與信息分子結合后，受體構象改變，并使與受體相偶聯的G蛋白構象改變，使GTP置換了GDP。G蛋白激活后，離開受體并解離成βγ和α亞基GTP，α亞基水解GTP，并調節腺苷酸環化酶的活性，調節細胞內cAMP等第二信使的濃度，從而把信息傳導給下游分子，同時，與α亞基結合的GTP水解成GDP，然后α亞基GDP復合物重新與βγ亞基結合形成無活性的三聚體，完成一次信息傳導。配體結合改變受體構象，暴露G蛋白結合位點配體-受體復合物在脂雙層中擴散并與G蛋白形成復合物，使之發生GTP-GDP交換而活化GTP取代GDP后，α亞基與βγ亞基解聚，暴露出AC結合位點α亞基結合并活化AC，細胞內cAMP含量增加α亞基水解GTP后回到初始構象，與βγ亞基聚合成三聚體復合物(三)單次跨膜受體介導的信號轉導

這類受體的結構比較特殊，細胞膜外部分也是結合配體的部位，跨膜部分常較短，一般20個左右的氨基酸殘基，為疏水性殘基，無七段來回折疊結構，膜內部分肽段常具有內在的酶活性，這種內在的酶活性受配體與受體結合的影響，還有潛在的磷酸化的位點。與受體相偶聯的酶蛋白常常有以下幾種類型：①酪氨酸蛋白激酶，專門催化底物蛋白肽鏈中的酪氨酸殘基的磷酸化；②受體酪氨酸蛋白磷酸酶，水解酪氨酸殘基上的磷酸基團；③受體絲／蘇氨酸蛋白激酶，主要催化底物蛋白肽鏈中的絲氨酸、蘇氨酸殘基的磷酸化；④有的還與受體鳥苷酸環化酶相偶聯，當受體與配體結合后可催化產生環鳥苷酸(cGMP)。(四)與轉錄因子偶聯的受體

多位于胞內，與一些疏水性信息分子相識別，如類固醇激素、甲狀腺素、前列腺素、維生素A等。

這種受體主要包括三個區域，①羧基端為激素等信息分子的結合區域，②氨基端為轉錄活化區，調控某些基因的啟動子或上游的調控基因，③中央部分為DNA的結合區，富含堿性氨基酸，平時此區與抑制蛋白結合形成復合物。受體與信息分子結合時，發生構象變化，抑制蛋白脫落，暴露出DNA的結合區，轉入胞核內，與特定DNA部位結合，調控轉錄活性。cAMP

途徑-活化信號分子與受體結合，引起受體構象變化受體活化G蛋白（結合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活腺苷酸環化酶（AC）AC催化ATP生成cAMPcAMP活化PKA（依賴cAMP的蛋白激酶）PKA使目標蛋白磷酸化，調節代謝酶的活性或調節基因的表達PKA的靶蛋白：①磷酸化酶激酶其磷酸化對象是糖原磷酸化酶，后者被激活后使糖原分解；②糖原合成酶磷酸化后活性被抑制，從而阻斷糖原合成。正是由于PKA的雙重作用，保證了骨骼肌細胞中可供利用的葡萄糖含量達到最大值。細胞核內受cAMP、PKA誘導的基因轉錄調控區，都存在著一個由8個堿基組成的共同序列，TGACGTCA，稱為

cAMP效應元件（CRE），能識別并結合CRE的是一種特異的轉錄調節因子—CRE結合蛋白（CREB）。CREB上133位Ser殘基被PKA磷酸化時，CREB就活化了，從而激活這些基因的轉錄。cAMP

途徑-失活信息分子與受體解離，受體失活G蛋白失活（GTP被水解成GDP，αβγ亞基重新聚合）AC失活cAMP被磷酸二酯酶水解PKA失活IP3–Ca2+途徑信號分子與受體結合，引起受體構象變化受體活化G蛋白（結合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGIP3使鈣通道打開，細胞內Ca2+升高Ca2+與CaM結合，激活Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶使目標蛋白磷酸化。Ca2+-CaM依賴的蛋白激酶調節PKA的活性：CaM激酶既能激活腺苷環化酶又能激活磷酸二酯酶，即它既加速cAMP的生成又加速cAMP的降解，使信息迅速傳至細胞內，又迅速消失。激活胰島素受體的酪氨酸蛋白激酶活性。PKC途徑信號分子與受體結合，引起受體構象變化受體活化G蛋白（結合GTP，α與βγ解離）活化后的G蛋白激活PLCPLC水解PIP2生成IP3和DGDG與Ca2+共同活化PKCPKC使目標蛋白磷酸化PKC廣泛地存在于機體的組織細胞內，目前已發現12種PKC同工酶，它們對機體的代謝、基因表達、細胞分化和增殖起作用。PKC被激活后可引起一系列靶蛋白的Ser/Thr發生磷酸化級聯反應。靶蛋白包括質膜受體、膜蛋白和多種酶,從而調節細胞代謝。PKC能使立早基因（immediate－earlygene）的反式作用因子磷酸化，加速立早基因的表達。立早基因多數為細胞原癌基因。最終活化晚期反應基因并導致細胞增生或核型變化。促癌劑-佛波酯（phorbolester）正是作為PKC的強激活劑而引起細胞持續增生，誘導癌變。PKG途徑PKG即cGMP依賴性蛋白激酶，cGMP是PKG的變構激活劑。PKG在腦組織和平滑肌中含量較豐富。cGMP由cGMP磷酸二酯酶降解、失活。酪氨酸蛋白激酶途徑信息分子與受體結合，引起受體二聚化受體發生自身磷酸化，激活受體本身所具有的酪氨酸蛋白激酶活性。酪氨酸蛋白激酶使下游目標蛋白磷酸化，引起一系列級聯反應，如TPK-Grb2-SOS-ras-raf（MAPKKK）-MEK（MAPKK）-ERK1（MAPK）。酪氨酸蛋白激酶的靶蛋白接頭蛋白：它們將活化的RTKs和細胞內的其他信號蛋白連接起來，但其本身并沒有信號作用，如生長因子受體結合蛋白-2（GRB-2）、SOS蛋白等。

涉及信號傳遞的酶：如GTP酶活化蛋白（GAP），磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3-激酶）、磷脂酶C-γ（PLC-γ）和Src蛋白等。盡管活化的RTKs的靶蛋白的結構和功能各異，但基本上都含有高度保守的SH2和SH3（Srchomologyregion）結構域。許多細胞外因子都能與特異靶細胞表面的RTKs相互作用，調節細胞的各種功能。包括細胞生長和增殖、細胞分化、巨噬細胞活動中外源顆粒的吞噬等。研究得最為詳盡是激素如胰島素、生長激素和生長因子，后者中包括表皮生長因子(EGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、纖維細胞生長因子(FGF)和細胞因子(Cytokine)。細胞因子如干擾素(Interferons,INFs)和白細胞介素(Interleukins,ILs)等都是通過激活RTK后經信號傳導途徑發揮其作用的。在信號傳導過程中，通過加上或移去磷酸基團從而改變下游一系列蛋白質的活性是信號傳導過程中一個最顯著的特征。細胞信號傳導過程的另外一個顯著特征是以GTP結合蛋白作為“開關”的某種細胞活動與另外一些同樣需要GTP結合蛋白參與調控的細胞活動過程相偶聯。不同信號轉導通路的交叉聯系細胞信號轉導實際上是一個網絡，各條轉導通路并不是獨立存在而互不相關，而是相互聯絡，一條通路的激活可以啟動或活化另一通路，也可以抑制另一通路，這是所謂信號轉導的“串話（crosstalking）”。這對各條信號通路間的平衡和細胞的正常活動具有十分重要的意義。

cAMP-PKA通路和PLC-DG-PKC通路間的串話1.PIP2-PLC通路激活cAMP通路：PIP2-PLC的產物IP3可使細胞內Ca2+濃度升高，通過Ca2＋-CaM激活AC-I和AC-Ⅱ型，使細胞內cAMP水平上升，激活PKA通路；過多的Ca2十則可抑制ACⅤ或AC-Ⅵ。2.cAMP通路對PI-PLC通路的負調節作用:當細胞內cAMP濃度增高時，PI-4,5-P2的水解降低，導致DG下降和PKC活力降低。

3.PKA對PKC在基因調節水平的拮抗

cAMP反應元件（CRE）結合蛋白（CREB）既可受PKA的催化亞基磷酸化而激活，又可受PKC的磷酸化，后一過程不能激活CREB，反而減少了PKA使CREB磷酸化的機會；CREB既可和DNA的CRE序列結合，也可和AP-1（Fos和Jun的異二聚體）作用的TPA反應元件（TRE）結合，這樣，活化的CREB就能和受PKC正調節的AP-1競爭TRE位點；CREB可取代Fos和Jun形成異二聚體，阻斷AP-1的形成。

受體Tyr

激酶通路和PKC之間的串話

受體Tyr

激酶活化后可以直接激活PLC，催化生成的DG通過激活PKC，轉而激活Raf，啟動Raf-MEK-ERK通路，這就可解釋為什么不少生長因子可以引起PKC活力的升高，以及PKC的激活劑可引起ERK通路中一個信號分子活力的升高，此外，PKC還可對受體Tyr

激酶的胞內調節區的Ser或Thr進行磷酸化修飾，從而抑制受體Tyr

激酶的活力。

G蛋白通路和受體Tyr

激酶通路間的串話

這兩條通路是細胞信號轉導中最主要的通路，各自均有支路如G蛋白-腺苷酸環化酶-cAMP通路和G蛋白-PLC-DG通路以及受體Tyr激酶-PLC-DG通路等，這兩條大通路之間也在各個層次上互相聯系，實現串話。

1.G蛋白α亞基或βγ亞基激活PLC，后者催化PIP2水解生成的DG激活PKC，同樣可激活Raf-1。2.G蛋白βγ亞基激活Src蛋白再通過Grb2／Sos進入ERK通路。3.G蛋白α亞基激活腺苷酸環化酶，后者使cAMP升高后活化PKA，而PKA則是Raf-1的負調節因子。如PKA可使Raf-1