第九 章 细胞通信与信号转导

第九章细胞通信CELLCOMMUNICATIONGenetranscriptionCellproliferationCellsurvivalCelldeathCelldifferentiationCellfunctionCellmotilityImmuneresponsesFUNCTIONSOFCELLCOMMUNICATION第一节基本概念一、几个容易混淆的概念细胞信号发放（cellsignaling）细胞通讯（cellcommunication）细胞识别（cellrecognition）信号转导（signaltransduction）二、细胞信号分子成分：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。特点：①特异；②高效；③可被灭活。类别：脂溶性、水溶性信号分子。第一信使：水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，称第一信使。第二信使：起信号转换和放大的作用，如cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+。Somesignalmolecules三、受体（receptor）能够识别和选择性结合某种配体（信号分子），多为糖蛋白，分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。特点：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。类别：细胞内受体和细胞表面受体。细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。相同信号可产生不同效应：如Ach可引起骨骼肌收缩、心肌收缩频率降低，唾腺细胞分泌。不同信号可产生相同效应：如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。四、蛋白激酶是一类磷酸转移酶，将ATP的γ磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上，使蛋白磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性。Proteinkinases五、胞间通信的主要类型（一）细胞间隙连接连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道，允许小分子如Ca2+、cAMP通过。作用：协同相邻细胞对外界信号的反应，如可兴奋细胞的电耦联现象(电紧张突触)。connexon（二）膜表面分子接触通讯即细胞识别，如：精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别。（三）化学通讯细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。内分泌：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：①低浓度（10-8-10-12M），②全身性，③长时效。旁分泌：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子。突触信号发放：神经递质经突触作用于靶细胞。自分泌：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。第二节膜表面受体介导的信号转导①离子通道型受体；②G蛋白耦联型受体；③酶耦联的受体。第一类存在于可兴奋细胞，后两类存在于大多数细胞。Cellsurfacereceptors一、离子通道型受体受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。分为：阳离子通道，如乙酰胆碱受体；阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。ChemicalsynapseAcetylcholinereceptorThreeconformationoftheacetylcholinereceptorIon-channellinkedreceptorsinneurotransmission二、G蛋白耦联型受体7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使。类型：①多种神经递质、肽类激素和趋化因子受体，②味觉、视觉和嗅觉感受器。相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。G-proteinlinkedreceptor三聚体GTP结合蛋白，即，G蛋白：组成：αβγ，α和γ属脂锚定蛋白。作用：分子开关。α亚基结合GDP失活，结合GTP活化。α也是GTP酶，催化结合的ATP水解，恢复无活性状态，其GTP酶活性可被GAP增强。GTP-bindingregulatoryprotein（一）cAMP信号途径•通过调节胞内cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。•主要组分：•①受体：Rs、Ri•②G蛋白：Gs、Gi③腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，催化ATP生成cAMP。Adenylatecyclase④蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。•cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。⑤环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：降解cAMP生成5’-AMP，终止信号。DegredationofcAMPGs调节模型:激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的α亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出α和βγ。α亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。βγ亚基复合物可直接激活某些胞内靶分子。cAMP信号途径可表示为：激素→受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。不同细胞对cAMP信号途径的反应：在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE（cAMPresponseelement）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。GlycogenbreakdowninskeletalmusclecAMPactivateproteinkinaseA,whichphosphorylateCREB（CREbindingprotein）proteinandinitiategenetranscription.CREiscAMPresponseelementinDNAwithamotif5'TGACGTCA3'Gi调节模型①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。百日咳毒素抑制Gi的活性。（二）磷脂酰肌醇途径又称双信使途径。信号分子与G蛋白耦联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成IP3和DAG。InositolphospholipidsignalingMimickedbyionomycinPIP2HydrolysisDAG激活蛋白激酶C：PKC位于细胞质，Ca2+浓度升高时PKC转位到质膜内表面，被DG活化。IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。信号的终止：IP3信号：去磷酸化为IP2；磷酸化为IP4。Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。DAG信号：被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。ControlsonCytosolicCalcium（三）其它G蛋白偶联型受体1．化学感受器中的G蛋白气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。2004年Axel和Buck因发现气味受体和化学感受器系统的组成而获诺贝尔生理与医学奖。RichardAxelLindaB.Buck2．视觉感受器中的G蛋白黑暗时视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠通道开放，钠内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。有光时视紫红质作用于G蛋白，激活磷酸二酯酶，cGMP浓度下降，形成光感受。cGMPinPhotoreception视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为：光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。G蛋白偶联型受体的钝化细胞通过受体钝化适应持续刺激：①受体失活（receptorinactivation）；②受体隐蔽（receptorsequestration）；③受体下行调节（receptordown-regulation）。（四）小G蛋白（SmallGProtein）特点：分子量小，为单体。功能：与Gα类似，起分子开关的作用。类型：Ras、Rho、微管蛋白β亚基。调节因子：GEF、GDI、GAP等。三、酶耦联型受体enzymelinkedreceptor定义：本身具有激酶活性；或者可以连接非受体酪氨酸激酶。类别：①受体酪氨酸激酶、②受体丝氨酸/苏氨酸激酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④酪氨酸激酶连接的受体、⑤受体鸟苷酸环化酶、⑥组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。特点：①单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转导。（一）受体酪氨酸激酶1、酪氨酸激酶①胞质酪氨酸激酶：如Src、JAK；②核内酪氨酸激酶：如：Abl、Wee；③受体酪氨酸激酶：如EGF受体。相关信号途径：RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径。ReceptortyrosinekinasesReceptortyrosinekinases2、信号分子间的识别结构域①SH2结构域：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。②SH3结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白结合。③PH结构域：与PIP2、PIP3、IP3等结合。3、RAS信号途径RPTK结合信号分子活化，激活RAS；RAS的调节因子具有GEF、GAP；GEF需要通过接头蛋白与RPTK连接。活化的RAS启动蛋白激酶的磷酸化级联反应，激活转录因子，调节基因表达；RPTK-RasPathway配体→RPTK→adaptor→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→细胞核→转录因子→基因表达。•MEKHomosapiensMAPkinasekinase•Mitogen-activatedproteinkinases（MAPK）includethreesubgroups,extracellular-signal-regulatedkinase（ERK）,c-Junaminoterminalkinase（JNK）andp38MAPK.RPTK-RasPathwayPI3KPATHWAYPDKisphosphoinositoldependentkinaseAktisPKB,influencecellsurvival（二）受体丝氨酸/苏氨酸激酶配体是转化生长因子-βs家族成员，包括TGF-β1-5。依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。（三）受体酪氨酸磷酯酶使特异的胞内信号蛋白去磷酸化。控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基水平。与酪氨酸激酶协同工作，如参与细胞周期调控。（四）受体鸟苷酸环化酶位于肾和血管平滑肌细胞，配体为ANP或BNP。血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，血管平滑肌松弛，血压下降。信号途径为：配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。（五）细胞因子受体超家族包括各类细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信号途径为JAK－STAT或RAS途径。JAK属非受体酪氨酸激酶，底物为STAT，即信号转导子和转录激活子。配体→受体二聚化→JAK→STAT→基因表达。JAK/STATPathway第三节胞内受体介导的信号传导Ster