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细胞信号转导 ( signal transduction). 讲授内容. 细胞间通讯的方式 细胞信号转导的分子基础 信号分子 受体 信号转导相关分子及其相互作用 主要信号通路. 一 细胞间通讯方式. 细胞通讯的意义: 单细胞生物需要不断与外界进行交流以适应环境而完成生命活动,多细胞生物除与环境进行交流外,体内各细胞之间也需进行交流以构成一个完整的个体而协调完成各种生命活动。 细胞通讯必须具备两个基本过程: 细胞膜可被激动; 细胞可产生或接受信息. 细胞通讯方式分为直接和间接联系. 直接联系方式有:

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Presentation Transcript
slide2
讲授内容
  • 细胞间通讯的方式
  • 细胞信号转导的分子基础
  • 信号分子
  • 受体
  • 信号转导相关分子及其相互作用
  • 主要信号通路
slide3
一 细胞间通讯方式

细胞通讯的意义:

单细胞生物需要不断与外界进行交流以适应环境而完成生命活动,多细胞生物除与环境进行交流外,体内各细胞之间也需进行交流以构成一个完整的个体而协调完成各种生命活动。

细胞通讯必须具备两个基本过程:

  • 细胞膜可被激动;
  • 细胞可产生或接受信息
slide4
细胞通讯方式分为直接和间接联系
  • 直接联系方式有:
  • 紧密连接(tight junction)主要存在于小肠等组织的表皮细胞;
  • 间隙连接(gap junctoin)相邻两个细胞的侧面通过连接蛋白相互接触,形成一个仅2-3nm的细胞间隙,以此联系。
slide6
细胞间接联系的方式有
  • 内分泌信号转导
  • 旁分泌信号转导
  • 自分泌信号转导
  • 突触连接介导
  • 细胞表面分子介导
slide9
属于这一类通讯的有:相邻细胞间粘附因子的相互作用、T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等。属于这一类通讯的有:相邻细胞间粘附因子的相互作用、T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等。
slide10
细胞通讯的普遍法则
  • 细胞外分子与特定受体结合
  • 胞外信号分子可以近距离或远距离起作用
  • 间隙连接使信息被周围细胞共享
  • 每个细胞被设定程序,对特异组合的胞外信号分子做出反应;
  • 不同细胞能对相同胞外信号分子作出不同应答
slide13
二 细胞信号转导的分子基础

1 信号转导概念

2 信息分子

3 与第二信使合成及降解相关的酶

4 蛋白激酶

5 蛋白磷酸酶

6 G 蛋白

7 衔接蛋白与支架蛋白

8 信号转导复合物

9 信号蛋白相互作用结构域

10 受体

slide14
1 信号转导 (signal transduction)
  • 生物细胞对来自外界的刺激或信号发生反应,并据以调节细胞代谢、增殖、分化、功能活动和凋亡的过程。这个过程对细胞之间的相互作用和机体的和谐统一起重要作用。
slide18

信号接收

信号转导

细胞骨架

转录因子

染色质相关蛋白

RNA加工蛋白

RNA转运蛋白

细胞周期蛋白

应答反应

细胞信号转导的基本方式示意图

信号转导网络

NH2

m7G

AAAAA

Translation

slide19
2 信号分子
  • 第一信使(first messenger):

在细胞外的、能与细胞表面受体结合并将受体激活和引起细胞内信号转导级联反应的信号分子。实际上就是配体。有激动剂和拮抗剂两大类。其化学性质是蛋白质或离子等。

如:激素、生长因子、神经递质、氨基酸及其衍生物等

slide20
激动剂(agonist)

能与细胞上受体或信号转导途径的分子相结合。并产生天然物质的典型生理效应的化学药品或药物。

  • 拮抗剂 (antagonist):

能减弱或阻止另一种分子或信号转导途径的药物、酶、抑制剂或激素类等分子。

slide22
第二信使:(second messenger ):

配体与受体结合后并不直接进入细胞内,但间接激活细胞内其他可扩散、并能调节信号转导蛋白活性的小分子或离子。

如:[Ca+2]、 cAMP 、 cGMP、 NO、CO、脂质第二信使(化学性质是脂质的第二信使。包括二酰甘油DAG、肌醇-1,4,5-三磷酸IP3、花生四烯酸等)

slide23
核苷酸
  • cAMP是第一个被发现的第二信使。1971年获诺贝尔生理学和医学奖

萨瑟兰(Earl W. Sutherland, Jr)

1915 ~ 1974

slide24

AC

PPi

H2O

cAMP

PDE

AMP

ATP

腺苷酸环化酶

(adenylate cyclase,AC)

磷酸二酯酶

(phosphodiesterase, PDE)

slide26

GC

磷酸二酯酶

GTP

cGMP

5´- GMP

Mg2+

Ca2+ 或 Mg2+

PPi

H2O

slide28
脂类也可作为胞内第二信使
  • 二脂酰甘油(diacylglycerol,DAG)
  • 花生四烯酸(arachidonic acid,AA)
  • 磷脂酸(phosphatidic acid, PA)
  • 溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid,LPA)
  • 4-磷酸磷脂酰肌醇(PI-4-phosphate,PIP)
  • 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(phosphatidylinositol -4,5-diphosphate,PIP2)
  • 肌醇-1,4,5-三磷酸(Inositol-1,4,5-triphosphate,IP3)

上述脂类衍生物是由体内磷脂代谢产生的。

slide29

DAG,IP3的生物合成和功能

激素+受体

G蛋白活化

(αp-GTP)

PLC

PIP2

DAG + IP3

质膜

胞浆

磷脂酰肌醇4,5二磷酸

slide33

磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成

slide34

DAG,IP3的 功 能

IP3 :与内质网和肌浆网上的受体结合,促使细胞内 Ca2+释放

DAG:在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下

激活PKC

slide35
钙离子也是第二信使

钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征

 细胞外液游离钙浓度高(1.12~1.23mmol/L);

 细胞内液的钙离子含量很低,且90%以上储存于    

 细胞内钙库(内质网和线粒体内);胞液中游离 

Ca2+的含量极少(基础浓度只0.01~0.1mol/L)。

slide36
导致胞液游离Ca2+浓度升高的反应有两种

 一是细胞质膜钙通道开放,引起钙内流;

 二是细胞内钙库膜上的钙通道开放,引起钙释放。

  • 胞液Ca2+可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵(Ca2+-ATP酶)返回细胞外或胞内钙库,以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态。
slide38

质膜Ca2+通道开放

Ca2+内流 开放质膜和肌浆网的Ca2+道;

Ca2+浓度升高

钙库Ca2+通道开放

slide40
3 与第二信使合成及降解相关的酶
  • 腺苷酸环化酶;(AC)
  • 鸟苷酸环化酶; (GC)
  • 环核苷酸磷酸二酯酶;
  • 磷脂酶 (PLC)
  • 磷脂酶 (PLD)
  • 磷脂酰肌醇激酶 (PIK)
  • NO合酶
camp cgmp
核苷酸环化酶催化cAMP和cGMP生成

(adenylate cyclase,AC)

(guanylate cyclase,GC)

slide42

AC

PPi

H2O

cAMP

PDE

AMP

ATP

腺苷酸环化酶

(adenylate cyclase,AC)

磷酸二酯酶

(phosphodiesterase, PDE)

slide44
NO是气体第二信使
  • NO介导多种自分泌和旁分泌激素信号转导
  • 体内NO主要由NO合酶(nitric oxide synthase )催化底物L-精氨酸转变为L-瓜氨酸时产生。
  • NO的生理作用,主要通过低浓度激活GC、ADP-核糖转移酶和环氧化酶完成。

NO GC cGMP----通过cGMP第二信使介导的信号通路而产生效应。

no nos
体内NOS分为两类

组成型NOS (constitutive NOS , cNOS)

神经型NOS (neuronal NOS, nNOS)

内皮型NOS (endothetial NOS, eNOS)

诱导型NOS (inducible NOS, iNOS)

数字编码方法

NOS Ⅰ(nNOS ); NOS Ⅱ (iNOS) ;

NOS Ⅲ (eNOS);

关于NO合酶 (NOS)
4 protein kinase
4 蛋白激酶(protein kinase)

蛋白质的磷酸化修饰是体内蛋白类物质快速调节的重要方式之一。蛋白质磷酸化由蛋白激酶催化,将ATP分子中心的γ-磷酸基团转移至蛋白质分子中的羟基而完成。

蛋白激酶分为

  • 酪氨酸蛋白激酶;
  • 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶
slide49

cAMP变构激活PKA,PKA磷酸化激活磷酸化激酶,再磷酸化激活糖原磷酸化酶活性,促进糖原分解的调节。cAMP变构激活PKA,PKA磷酸化激活磷酸化激酶,再磷酸化激活糖原磷酸化酶活性,促进糖原分解的调节。

slide50
人类

蛋白激酶谱系

a pka
蛋白激酶A(PKA)

又称cAMP依赖的蛋白激酶。

属丝/苏氨酸蛋白激酶类。

由二个催化亚基(C)和二个

调节亚基(R)组成四聚体

(R2C2),四聚体无活性。

受cAMP激活后有活性。

g pkg
蛋白激酶G (PKG)
  • 是cGMP依赖蛋白激酶,被cGMP激活;
  • 由相同亚基构成二聚体,分为
  • PKGⅠ :PKG Ⅰα; PKGⅠβ;胞液
  • PKG Ⅱ: 存在于质膜结构中;
  • 调节结构域与催化结构域存在于同一亚基内;
  • 每一亚基根据功能分为五个结构域。
c pkc
蛋白激酶C (PKC)
  • 属丝/苏氨酸蛋白激酶,广泛参与细胞各种生理活动;
  • 可分为:经典型、新型、非经典型三种;
  • (typical) (novel) (atypical) 每一种类型又由数种亚型(同功酶)组成。
  • 每种类型有与酶活性调节有关的三个模体
  • 主要存在于胞液
  • 受Ca离子、DAG的激活。
b pkb
蛋白激酶B (PKB)
  • 是一类丝/苏氨酸蛋白激酶;
  • 激酶活性区序列高度同源于PKA、 PKCε
  • 其分子与T淋巴细胞中的逆转录病毒癌基因 v-akt编码的蛋白Akt同源,又被称为Akt;
  • 存在组织特异性,分为PKBα、 PKBβ PKBγ三型;
  • PKB均为单链结构,各亚型都由PH结构域、激酶活性区和尾部区构成。
  • 参与体内许多重要生理过程。
cam pk
钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaM-PK)

钙调蛋白 (calmodulin, CaM):

  • 重要的钙结合蛋白(17KDa),广泛存在于动植物细胞中,单一肽链中有4个EF手型膜体,进化上高度保守,没有种属或组织特异性,激活许多真核细胞的酶系统和多个细胞代谢过程。
  • CaM分子中4个EF手型膜体是钙结合位点。若4个位点全部结合Ca+2后,CaM即发生显著的构象变化,大部分分子呈现α-螺旋变化,致使CaM发挥调节蛋白激酶的作用。
slide63
钙调蛋白(calmodulin,CaM)可看作是细胞内Ca2+的受体。钙调蛋白(calmodulin,CaM)可看作是细胞内Ca2+的受体。

CaM

乙酰胆碱、儿茶酚胺、加压素、血管紧张素和胰高血糖素等

胞液Ca2+浓度升高

Ca2+

Ca2+

CaM

Ca2+

Ca2+

cam pk1
CaM-PK
  • 这种蛋白激酶的激活必须依赖CaM;
  • CaM依赖性蛋白激酶主要有三大类:
  •  肌球蛋白轻链激酶(MLCK)
  •  磷酸化激酶(phosphorylase kinase)
  • 其他CaM依赖性蛋白激酶。CaM-PK)
  • 细胞中还存在一些受CaM调节的重要酶。如AC,GC , Ca-Mg-ATP酶等
mitogen activeed protein kinase mapk
丝裂原激活蛋白激酶系列(mitogen-activeed protein kinase, MAPK)

MAPK系列是指参与细胞内若干信号转导的重要级联过程的一系列激酶。

  • 包括:MAPKKK(MAPK kinase kinase)

MAPKK(MAPK kinase)

MAPK 三大类。

  • MAPKKK, MAPKK属丝/苏氨酸蛋白激酶
  • MAPK具有能磷酸化丝/苏氨酸和酪氨酸的功能。
slide68
MAP (mitogen-activated protein)

促分裂原活化蛋白:是一类促有丝分裂原激活的蛋白质,通常是一些激酶。目前几乎都是与激酶联用 。

  • MAP 也是微管相关蛋白的缩写。

(microtubule-associated protein; MAP)

slide69
MAPK家族

MAPK家族的种类繁多,主要有:

  • ERK(extracellular regulated kinase)
  • JNK/SAPK(e-jun N-terminal kinase stress-activated protein kinase)
  • p-38MAPK 三个亚家族。
slide72
酪氨酸蛋白激酶(PTK)
  • PTK(protein tyrosine kinase )催化蛋白质酪氨酸羟基磷酸化;
  • PTK 是一个大家族,主要分为受体型和非受体型 PTK;
  • PTK与细胞增殖、分化的调节和免疫系统 的T 细胞、B细胞或肥大细胞的活化有密切关系。
slide73
受体型 PTK
  • 是存在于细胞膜表面的跨膜蛋白;
  • 胞外肽段常有糖基化修饰,是识别并结合 配体

的部位之一;

  • 跨膜肽段由若干疏水性氨基酸组成跨膜区
  • 胞内肽段含有催化部位和调节部位;
  • PTK的结构特征主要表现在胞外肽段;
  • 受体型PTK的配体主要是生长因子;

配体+受体----- 跨膜肽段构象改变----受体二聚化激活----胞内肽段的酪氨酸自身磷酸化-----磷酸化后的受体酶活性加强----发挥信号转导作用

slide77
非受体型PTK
  • 结构上缺少跨膜肽段,主要由激酶结构域、SH2 、和 SH3结构域组成;
  • 可分布于胞浆或胞核内;
  • 主要作用是作为受体和效应分子之间的信号转导中介分子。作用方式有:
  • PTK直接与受体结合,成为转导受体信号的一分子;(Src家族成员,JAK家族)
  • PTK 与活化后的受体结合;
  • 间接地结合于其他信号转导分子
5 protein phosphatase
5 蛋白磷酸酶(protein phosphatase)
  • 该酶催化磷酸化的蛋白质去磷酸化反应,与蛋白激酶共同构成了蛋白质活性的开关系统。
  • 可分为两大类:
  • 蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶;
  • 蛋白酪氨酸磷酸酶
slide80

Thr

Ser

Tyr

Thr

Ser

Tyr

-OH

酶蛋白

酶的磷酸化与脱磷酸化

ATP

ADP

蛋白激酶

-O-PO32-

蛋白磷酸酶

磷酸化的酶蛋白

Pi

H2O

slide81

PTK

自我磷酸化

无活性

PTP

PTP

P

PTK

活化

Src

family

PTK

Src family

PTK

活化信号

抑制信号

P

P

无活性

活化

无活性

S

S

PTK

活化

PTP

蛋白磷酸酶衰减蛋白激酶信号

6 gtp gtp binding protein g protein
6 GTP结合蛋白(GTP binding protein, ) G protein
  • 是细胞外信号通过膜受体转入胞内的非常重要的信号转导分子。
  • 由α、β、γ三亚基组成异三聚体结构;
  • G蛋白α亚基与GTP结合时为活化形式,可作用于下游分子使相应信号转导途径开放;
  • G蛋白与GDP结合时,成为非活化形式,使相应信号途径关闭。
  • G蛋白自身具有GTP酶活性。
  • G蛋白具有多样性。(已发现多种α、β和γ亚基形成具有功能特异性的异原三聚体)
slide87
小分子单体G蛋白
  • 第一个被发现的低分子量G 蛋白是Ras,故这一类蛋白质也被称为Ras超家族成员。目前已知有50多种。
  • 该家族成员分子为单链结构,分子量约20-30kD,具有GTP酶活性,(能水解GTP),也能与GTP和GDP结合。在外源信号作用下,成为GTP结合形式时有活性。
  • 细胞内存在专门控制小分子G蛋白活性的调节因子,有的可增强其活性,有的可降低活性。
slide91
7 衔接蛋白与支架蛋白
  • 衔接蛋白( adaptor protein)

是信号转导通路中不同信号转导分子的接头,可将位于其上游和位于其下游的信号转导分子连接。其发挥作用的结构基础是分子中蛋白质相互作用结构域。功能是募集和组织信号转导复合物。

  • 支架蛋白(scaffolding protein)

分子量较大,可同时结合很多位于同一信号转导通路中的信号转导分子。

slide95
8 信号蛋白复合物
  • 信号转导分子在活细胞内接收、转导信号过程中,总是有多种分子紧密聚集,形成复合体,信号转导分子结合形成的复合体被称为信号转导复合物。
  • 针对不同信号,细胞内聚集形成不同成分的复合物传递不同的信号,保证了信号转导的特异性和精确性。
slide98
Sos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合,将受体和无活性的Ras蛋白偶联Sos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合,将受体和无活性的Ras蛋白偶联
slide99
9信号转导蛋白相互作用的结构域
  • 信号转导复合物形成的基础是蛋白质相互作用,蛋白质相互作用的结构和功能基础是蛋白质相互作用结构域。 (protein interaction domain)
  • 蛋白质相互作用结构域大部分由50-100个氨基酸组成,在不同的信号转导分子中具有很高的同源性。
  • 这些结构域负责信号转导分子之间的特异性相互识别和结合,形成不同的信号转导通路。
slide100

SH2

PH

SH3

催化区

Btk

蛋白激酶

TH

SH2

SH3

SH3

衔接蛋白

Grb2

转录因子

stat

SH2

DNA 结合区

TA

PTB

SH2

细胞骨架蛋白

tensin

//

信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用

slide101
目前已确认的蛋白质相互作用结构域已超过40种。以下列举几种主要的蛋白质相互作用结构域以及它们识别和结合的模体。目前已确认的蛋白质相互作用结构域已超过40种。以下列举几种主要的蛋白质相互作用结构域以及它们识别和结合的模体。

Protein interaction domain and their binding motifs

name abbreviation binding motif

Src homology 2 SH2 phosphotyrosine

conaining motif

Src homology 3 SH3 proline rich motif

Pleckstrin homology PH phospholipis

Protein tyrosine binding PTB phosphotyrosine

containing motif

slide102
pleckstrin(普列克底物蛋白):

一种发现于血小板和白细胞中的蛋白质,是蛋白激酶C 的底物。

  • SH2 domain:信号转导蛋白等蛋白质的胞质部分的信号域中的一段序列。最初在与 Src癌基因家族产物同源的受体酪氨酸激酶中发现,但因其与SH1催化域不同而被命名为SH2域。可与磷酸化酪氨酸结合主要介导蛋白质之间的相互作用。参与形成信号复合物和组成信号转导链。
slide103
SH3 domain :

见于蛋白质酪氨酸激酶(PTK)及其相关信号转导蛋白等的胞质部分的信号域中的一段序列。因与Src家族酪氨酸激酶有同源序列,却与其催化域SH1不同而命名为SH3域。它可与脯氨酸丰富区结合。主要介导蛋白质之间的相互作用,是生成信号复合体和组成信号转导链的一种接头结构。

10 receptor
10 受体(receptor)
  • 受体概念:

a 细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合,进而引起生物学效应的特殊蛋白质,个别是糖脂。b 生物体内接受特殊刺激的部位。如化学感受器,渗透压感受器、光感受器等。

slide106
受体作用的特点
  • 高度的专一性:受体与配体的结合通过反应基团的定位和分子构象的相互契合
  • 高亲和力:受体与配体之间的亲和力极强,体内信息物质浓度非常低,二者也能结合;
  • 可饱和性:增加配体浓度,可使受体饱和。反映出受体在靶细胞上的数目一定。
  • 可逆性: 受体与配体靠非共价键结合,故结合时可逆的。当生物效应发生后,二者解离。
slide107
受体活性的调节
  • 受体活性调节: 许多因素可影响受体的数目和(或)受体对配体的亲和力。若受体的数目减少和(或)对配体的结合力降低,称为受体下调(down regulation);反之称为受体上调。(up regulation)
  • 影响因素:
  • 受体磷酸化和去磷酸化;
  • 受体-配体复合物的内化和降解;
  • 膜磷脂的含量、成分和代谢。
slide109
受体的种类和特点
  • 细胞表面受体分为三大类:
  • 离子通道偶联受体
  • G蛋白偶联受体
  • 酶联受体
  • 胞内受体
slide112
离子通道偶联受体
  • 作用:参与细胞间突触信号和电兴奋的快速传递。
  • 配体:神经递质
  • 作用特点:

神经递质与受体结合----受体构象改变----通道瞬时被打开或关闭----改变质膜通透性---突触后细胞发生兴奋。

  • 受体特点:一大类同源的多次跨膜蛋白。
slide114
乙酰胆碱受体结构

顶部观

乙酰胆碱结合部位

离子通道

侧面观

g g protein coupled recepyors gpcrs
G蛋白偶联受体(G-protein coupled recepyors, GPCRs)
  • GPCRs又称七跨膜受体,是一类研究得最为广泛和透彻的受体。它们组成不同功能的超大家族,目前已知1000多种。
  • 配体:a 生物胺:如肾上腺素、5-羟色

胺、乙酰胆碱、组胺等;

b脂类衍生物:如前列腺素、百三烯等

c感觉刺激:如光和气味;

d肽类:如缓激肽、甲状腺素等。

slide117
GPCR的结构特征
  • 由一条肽链组成,其N端在细胞外侧,C端形成细胞内尾巴,中段形成7个跨膜α螺旋结构和3个细胞外环和3个细胞内环。
  • 每个α螺旋区分别由20-25个疏水氨基酸组成,其一级结构高度同源;
  • 胞浆面第二和第三个环能与G蛋白偶联;
  • GPCR是糖蛋白,不同的受体有不同的糖基化模式。
slide119

七个跨膜-螺旋受体( 蛇型受体)

N

-螺旋

细胞外侧

细胞质膜

细胞内侧

2

1

3

G蛋白偶联区

C

G蛋白偶联受体的结构

slide120
配体结合域:
  • GPCR家族能结合多种激素激动剂并由此而激活,配体可以是小分子化合物,也可以是大分子糖蛋白。说明G蛋白配体结合域结构的多样性和复杂性。
  • 用遗传学、生物化学和生物物理学的方法研究这些不同的配体结合域的结构特征是目前信号转导研究领域的热点之一。
  • 用点突变方法对生物胺类配体和多肽类配体结合位点的研究已取得一些成果。
slide121
胞内结构域
  • 胞内第三个环的N-端和第二环的一些氨基酸决定受体与G蛋白相互作用的特异性。
  • 胞内第三环的C端部分也参与受体与G蛋白的相互作用。
  • C末端和胞内第三环含有多个Thr 和 Ser残基,可被PKA、PKC 和 G蛋白偶联受体激酶磷酸化,引起受体脱敏。
slide124
酶偶联受体是单跨膜受体
  • 酶偶联受体指那些自身具有酶活性,或者自身没有酶活性,但与酶分子结合存在的一类受体。
  • 这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白,亦称为单跨膜受体。
  • 酶偶联受体种类繁多,配体与受体结合后,受体即具有或偶联有PTK活性或丝/苏氨酸蛋白激酶活性。根据受体结构差别分为四类。
slide126
酶偶联受体的配体通常是多肽链。大部分是生长因子和细胞因子。它们所介导的信号转导通路主要调节蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化。酶偶联受体的配体通常是多肽链。大部分是生长因子和细胞因子。它们所介导的信号转导通路主要调节蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化。
slide127

催化性受体结构特点

胞外区(配体结合区)—— 500-850个残基,有多种形式

结构域, 如免疫球蛋白样序列、富含Cys区段、Fn-III重

复区等并有糖修饰,不同亚族受体间结构差异很大。

跨膜区—— 22-26个残基构成高度疏水的-螺旋。

TPK功能区(近膜侧 —— ATP 结合位点,

远膜侧 —— 底物结合位点,并具催化功能)

C端若干自身磷酸化位点

胞内区

非催化型受体 : 该类受体缺乏内在酶活性,但与配体

结合后可引起其同源或异源二聚体形成,并可与酪氨酸蛋白激

酶偶联而表现激酶的活性。

slide129
酪氨酸激酶受体(RTK)
  • 该家族包括胰岛素受体和多种生长因子受体。
  • RTK为糖蛋白,由胞外的N末端、跨膜区域、胞内近膜区、酪氨酸激酶结构域和C末端组成。
  • 胞外结构域:胞外区一般由500-800个氨基酸组成,是配体的结合部位。

配体诱导的激酶激活和信号转导是由受体的寡聚化而介导的。在生长因子受体,受体寡聚化是一普遍现象

slide130
跨膜区域:由22-26个氨基酸残基构成的一个α螺旋高度疏水区,跨膜区域的来源并不影响它们的信号转导能力。跨膜区域:由22-26个氨基酸残基构成的一个α螺旋高度疏水区,跨膜区域的来源并不影响它们的信号转导能力。
  • 近膜结构域:将跨膜区域与激酶结构域分隔。不同亚类受体的近跨膜区域序列差异很大,但同一亚类之间却相当保守。
  • 蛋白酪氨酸激酶结构域:是所有RTP分子中最保守的部分。保守序列GlyXGlyXXGlyX15-20Lys是它结合ATP的部位。Lys突变后 在体外或活细胞中均可引起激酶活性的完全消失。
slide131
激酶插入序列:PDGF和 FGF受体在酪氨酸激酶结构域有较长的插入序列,它们将激酶结构域分成两部分。绝大多数插入序列由约100个亲水氨基酸组成。不同受体,插入序列同源性很低,不同物种同一受体,插入序列同源性很高。
  • 羧基末端尾巴: 对不同的RTK,羧基末端尾巴区域的变异很大,在每一亚类的RTK, 羧基末端尾巴区域有几个自身磷酸化位点。
slide132

酪氨酸蛋白激酶受体型的结构特点

免疫球蛋白样序列

富含

Cys

TPK

区段

FNIII

结构域的受体

重复区

激酶插入序列

TPK

Eph受体

IGF-1受体

FGF受体

EGF受体

PDGF受体

注:EGF——表皮生长因子 PDGF——血小板衍生生长因子

IGF-1——胰岛素样生长因子 FGF——成纤维细胞生长因子

slide136
蛋白丝氨酸和苏氨酸受体
  • 转化生长因子β(TGFβ)属生长因子家族,但近年来发现,TGFβ家族成员通过受体的丝/苏氨酸蛋白激酶转导信息,该类受体称为蛋白丝氨酸和苏氨酸受体。
  • TGFβ受体家族分为两个亚家族:TβR-Ⅰ和TβR-Ⅱ,每个亚家族又包括许多亚型。
  • 经配体诱导,能激活受体激酶结构域中的规范序列,Ⅱ型受体能磷酸化自身丝/苏氨酸残基,使受体具有信号转导活性。(详见教材 P406)
slide141
具有鸟氨酸环化酶活性的受体
  • 特点:该酶有鸟苷酸环化酶(GC)活性,是一个高度磷酸化的酶。与配体结合后,GC活性大大提高,随后迅速去磷酸化使GC活性复原;
  • 配体:心钠素、鸟苷蛋白、NO、 CO
  • 结构:膜受体型由同源的三聚体或四聚体组成。每一条亚基包括N末端的胞外受体结构域、跨膜区域、胞内的蛋白激酶样结构域和C末端的鸟苷酸环化酶催化结构域。
slide142
非催化性单个跨膜受体
  • 该类受体的配体:

为内皮细胞、肥大细胞、及B细胞产生的一些细胞因子;某些癌基因产物;它们能介导各种免疫和炎症反应; 生长激素;

  • 该类受体结构特点:

在氨基和羧基末端都有特征性的半胱氨酸对,但没有激酶结构域,在近膜区有与非受体型蛋白酪氨酸激酶结合的结构域。

  • 该类受体与配体结合后,可与激酶偶联而使激酶表现出酶活性,使受体和激酶的酪氨酸残基磷酸化,参与调节一序列信号转导过程。
slide143
胞内受体
  • 细胞内的受体多为反式作用因子,与相应配体结合后,能与DNA的顺式作用元件结合,在调节基因转录。
  • 该型受体的配体:类固醇激素、甲状腺素、维甲酸、维生素D等 ,是脂溶性信息物质;
  • 作用方式:配体进入细胞后,有些可与其位于细胞核内的受体相结合形成激素-受体复合物,有些则先与其在细胞质内的受体相结合,然后以激素-受体复合物的形式穿过核孔进入核内,调控基因表达
slide145
胞内受体的基本结构
  • 通常是由400-1000个氨基酸组成的单体蛋白质,分子中有五个区域:
  • 高度可变区:与其他转录激活物结合激活靶基因转录,也决定基因转录的特异性;
  • DNA结合区:与DNA结合并使受体二聚化
  • 铰链区:可使受体蛋白发生构象改变,有助于配体-受体的核定位;
  • 激素结合区:作用包括与配体结合、与热休克蛋白结合、使受体二聚化、激活转录
  • 羧基末端结构域: 功能不详。
slide146

两个锌指结构

富含Arg、Lys

NH2-

-COOH

HBD

高度可变区

DNA结合区

AF1:具有细胞和启

动子特异性,

但无配体依

赖性

(同源性几乎0 %)

二聚体化区

NLS(铰链区)

(同源性42-94%)

AF2:配体依赖性

NLS:配体依赖性

二聚体化区

HSP结合区

(同源性15-57%)

胞内受体结构示意图

注:AF —— 转录激活功能区(activation function)

NLS —— 核定位信号(nuclear localization signal)

HSP —— 热休克蛋白(heat shock protein)

HBD —— 激素结合区(hormone binding doman

slide151
三 主要信号转导通路
  • G蛋白偶联受体介导的信号转导通路
  • 酶偶联受体介导的信号通路
  • 胞内受体介导的信号通路
  • 信号通路的交联对话
slide152
G蛋白偶联受体介导的信号通路

基本方式

  • 配体与受体结合
  • 受体活化G蛋白
  • G蛋白激活或抑制效应分子
  • 效应分子改变第二信使的含量与分布
  • 第二信使作用于靶分子,使之构象改变,从而改变细胞代谢的过程或基因表达等。
slide153

G蛋白偶联受体介导的信号通路

cAMP-PKA通路

Ca-磷脂依赖的PK通路

Ca-CaM-PK通路

Ca-磷脂PKC通路

camp a
cAMP-蛋白激酶A通路
  • cAMP -蛋白激酶A通路以靶细胞内蛋白激酶A的激活为主要特征,是激素调节物质代谢的主要途径之一。
  • 该通路信号转导方式:

激素+受体----激活G蛋白----活化腺苷酸环化酶(AC)----细胞内第二信使cAMP↑----蛋白激酶A(PKA)被激活----磷酸化下游蛋白----调节代谢或基因转录。

slide156

G-蛋白的两种构象

配体-受体复合物

(-GDP)

非活化型

(-GTP) + 

活化型

GDP

配体

+

受体

G-蛋白循环示意图

配体-受体

(复合物)

GDP

Pi

GTP

效应分子:

腺苷酸环化酶

(adenylate cyclase, AC)

磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C

(phosphatedyl inositol

phospholipase, PI-PLC)

+

GTP

激活或抑制

激活或抑制

效应分子

效应分子

camp pka1

Pi

腺苷环化酶

(无活性)

腺苷环化酶(有活性)

ATP

cAMP

磷蛋白磷酸酶-1

磷酸化酶b激酶

PKA

(无活性)

PKA

(有活性)

磷酸化酶b激酶-P

磷蛋白磷酸酶-1

磷蛋白磷酸酶-1

Pi

Pi

糖原合酶-P

糖原合酶

磷酸化酶b

磷酸化酶a-P

磷蛋白磷酸酶抑制剂-P

肾上腺素的cAMP-PKA信号转导机制

激素(胰高血糖素、肾上腺素等)+ 受体

slide159

细胞膜

Gs

AC

2cAMP

R

R

C

C

C

C

2cAMP

R

R

Pi Pi Pi

核 膜

N

CREB

转录活化域

DNA结合域

蛋 白 磷 酸 化

ATP

cAMP

slide160

Pi

Pi

Pi

Pi

DNA

CRE

结构基因

PKA对基因表达的调节作用(演示)

细胞核

蛋白质

slide161

cAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB(CRE binding protein )protein and initiate gene transcription.

CRE is cAMP response element in DNA with a motif 5'TGACGTCA3'

slide162

Ca-磷脂依赖性蛋白激酶通路

以改变细胞内Ca2+浓度、引起某些酶活性和蛋白质的功能改变为其主要特征。

  • Ca2+- 磷脂依赖性PKC途径
  • Ca2+- CaM-PK途径
ca pkc
Ca-磷脂依赖性PKC通路

信号通过该通路转导的方式:

  • 配体+受体----激活G蛋白-----活化G的蛋白-----激活磷脂酶C(PLC)-----分解PIP2-----生成DAG 和 IP3-----使细胞内Ca+2浓度↑-----激活PKC-----磷酸化靶蛋白-----产生生物学效应。
slide166

组成

胞外信息分子,受体,G蛋白

磷脂酶C( PLC)

甘油二脂(DAG)

三磷酸肌醇(IP3 )

Ca2+

蛋白激酶C(PKC)

slide167

DAG,IP3的 功 能

IP3 :与内质网和肌浆网上的受体结合,促使细胞内 Ca2+释放

DAG:在磷脂酰丝氨酸和Ca2+协同下

激活PKC

slide169

IP3受体

  • IP3与内质网和肌浆网上的IP3受体结合, IP3受体是Ca2+的通道、使进细胞内中钙库Ca2+释放。使Ca2+的浓度升高
  • IP3受体为四聚体。每个亚基含有三个结构域

调节/转导域

N

C

配体结合域

通道域

ii plc ip 3 dag pkc
血管紧张素II 通过PLC-IP3/DAG-PKC通路 转导信号
  • 血管紧张素II(Angiotensin II)受体亦属于G蛋白偶联受体,但是偶联的G蛋白的亚基为q,通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。
slide172

PKC的生理功能

  • 调节基因表达

PKC 对基因的活化分为早期反应和晚期反应。

  • 调节代谢
  • 活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝 、苏氨酸残基磷酸化。
  • 靶蛋白包括: 质膜受体、膜蛋白和多种酶。
slide173

α1受体 AngII受体

PIP2

PLC

IP3

DG

Ca2+

PKC

靶基因 转录

靶蛋白 磷酸化

Phospholipase C signal transduction pathway

ca cam
Ca-CaM 依赖性激酶途径
  • 当细胞外信号使胞内IP3和DAG增加后,二者均可使细胞浆内Ca离子浓度↑,使CaM活化。活化的CaM可激活: CaM依赖的蛋白激酶(CaM-PKⅠ,CaM-PKⅡ)
  • 磷酸化酶激酶;
  • CaM-依赖的磷酸酶等
  • CaM PK的底物谱很广,可产生多种效应。
slide178

H + R

TPK的磷酸化

Gp

PLC↑

DAG↑

PIP2

IP3↑

内质网IP3受体

胞液[Ca2+]↑

CaM激活

CaMPK↑

靶酶/蛋白质磷酸化

生理效应

Ca-CaM依赖性蛋白激酶途径

slide180
酶偶联受体介导的信号通路
  • cGMP-蛋白激酶G(PKG)途径
  • Ras-Raf-MAPK通路
  • JAKs-STAT信号转导通路
  • NF-kB信号通路
  • TGFβ信号转导途径
cgmp pkg
cGMP-PKG通路

此信号传递途径与cAMP-蛋白激酶A途径类似,是通过激活鸟苷酸环化酶(GC)催化生成第二信使cGMP,再通过激活蛋白激酶G(PKG)而传递信息。

信号途径为:

配体→受体(鸟苷酸环化酶)→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶(PKG)→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。

slide183

激素

胞 膜

GC

R

GC

NO

GTP

cGMP

PKG

蛋白质磷酸化

PKG的功能

slide184
NO是非极性小分子,容易穿过细胞膜,从产生的细胞扩散到临近细胞中,与可溶性的NO受体(腺苷酸环化酶)结合发挥生理效应。NO是非极性小分子,容易穿过细胞膜,从产生的细胞扩散到临近细胞中,与可溶性的NO受体(腺苷酸环化酶)结合发挥生理效应。
  • 硝酸甘油等药物在临床上作为血管扩张剂(降压作用)使用,是因为它们能自发地产生NO,升高cGMP,实现松弛血管平滑肌,降低血压的作用。
  • 凡能作用于腺苷酸环化酶的配体,如心钠素、鸟苷素、内毒素、NO及产生NO的物质都能升高cGMP的浓度,因此都有一定的降压作用。
slide185

Ras-Raf-MAPK通路(RTK介导)

组成

  • 催化性受体(受体具有PTK活性)
  • GRB2 (衔接蛋白)
  • SOS (son of sevenless,鸟苷酸释放因子)
  • Ras(小G蛋白)
  • Raf(一种具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性的蛋白)
  • MAPK激酶系统
  • 配体:EGF 、 PDGF等。
rtk ras protein signal pathway
RTK-Ras protein signal pathway
  • pathway :信号(配体)→受体(RTK)→受体二聚化(Dimer)→受体的自磷酸化→活化的RTK→接头蛋白GRB2、(Sos) →Ras蛋白→Raf (MAPKKK) →MAPKK→MAPK →转录因子磷酸化→激活靶基因→细胞应答和效应。
slide189

MAPKKK

MAPKK

MAPK

thr tyr
磷酸化激酶通过Thr和Tyr双位点同时磷酸化被激活磷酸化激酶通过Thr和Tyr双位点同时磷酸化被激活
slide192
Sos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合,将受体和无活性的Ras蛋白偶联Sos和接头蛋白GRB2与磷酸化的酪氨酸残基结合,将受体和无活性的Ras蛋白偶联
jaks stat
JAKs-STAT信号转导通路
  • 该通路的配体: 部分生长因子、大部分细胞因子,如干扰素、红细胞生成素(EPO)、粒细胞集落刺激因子和一些白细胞介素等。
  • 受体结构特点: 分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性,但有两个重要的功能区,其近端有能与非受体型酪氨酸激酶JAKs相互作用的区域、远端则有多个酪氨酸残基、能被活化的JAK磷酸化。 
slide201

JAK-STAT途径基本要素

  • 胞外信息分子 部分生长因子、细胞因子
  • 非催化性受体
  • JAKs (janus kinases)一类具有激酶结构的连接蛋白。
  • STAT(signaltransductors and activators

of transcription )信号转导因子和转录激活因子

slide202

信息转导过程

细胞因子或生长因子 + R →受体二聚化→JAK自身磷酸化而被激活 → 使受体磷酸化,STAT靠近并被JAK磷酸化而激活,形成二聚体→ 进入核内,调控基因转录活性改变 → 细胞生理功能改变

slide207

NF-B是重要的炎症和应激反应信号分子

肿瘤坏死因子受体(TNF-R)、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B(nuclear factor-B,NF-B)通路。

NF-B是一种几乎存在于所有细胞的转录因子,广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。

slide208

核因子B

  • NFkB:1986年发现它是B细胞中免疫球蛋白Kappa轻链转录所需要的核转录因子,故因此命名。
  • NFB通常与胞液中的抑制性蛋白(如IB)结合而形成无活性的复合物;当这些抑制性的蛋白被磷酸化修饰后,其构象发生改变,与NFB分离,从而使NFB活化;活化的NFB进入细胞核,调节特定基因的转录表达。
slide209
NF-kB是由p50 和 p65两个亚单位以不同形式组合形成的同源或异源二聚体:P50-p50

P65-p65 、p50-p65三种;

  • P50-p65体内发挥生理功能的活性形式;
  • NF-kB分子中包括DNA结合区、蛋白质二聚化区和核定位信号;
  • 静息状态下,NF-kB在细胞浆内与NF-kB抑制蛋白(ⅠkB ) 结合成无活性的复合物。
slide212

TGF-信号转导通路

  • 该通路的配体是:TGFβ、活化素、骨形态发生蛋白等信号分子。
  • 受体TβR-Ⅱ自身具有丝/苏氨酸蛋白激酶活 性,可催化TβRⅠ活化。
  • 受体活化后通过信号分子Smad介导的途径调节靶基因转录,影响细胞的分化。
  • Smad家族是最早被证实的TβRⅠ激酶的底物。可分为三大类,参与TGFβ家族不同成员(如骨形成蛋白等)的信号转导。
slide215
胞内受体介导的信号通路

胞浆内受体的配体: 糖皮质激素

核内受体的配体:甲状腺素、盐皮质激素、雄激素、孕激素、雌激素和1,25-(OH)2-D3

激素进入细胞→在胞内或核内与特异受体结合为复合物→作用于DNA→调节基因表达→代谢或生理功能改变

slide217

转录因子

转录因子

+

反应元件

图17-21

slide218

细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白

小分子激素激活其受体分子的机制

胞内受体的基本结构分析

slide220

细胞信号转导过程的特点和规律

  • 对外源信息的应答和终止十分迅速;
  • 信号转导过程是多级酶反应,有级联放大效应;
  • 细胞信号转导系统具有一定的通用性;
  • 不同信号转导通路之间存在广泛的信息交流”(crossing talking)。
slide223
细胞信号转导系统有调节细胞增殖、分化、代谢、适应、防御和凋亡等作用。它们的异常多种非感染性疾病和遗传病的发生发展密切相关。受体和细胞信号转导分子异常既可以作为疾病的直接原因.引起特定疾病的发生;亦可在疾病的过程中发挥作用.促进疾病的发展。细胞信号转导异常可局限于单一成分或某一环节.亦可同时或先后累及多环节甚至多条转导途径.造成调节信号转导的网络失衡。对信号转导系统与疾病关系的研究有助于阐明疾病的发生发展机制.并能为新药设计和发展新的治疗方法提供思路和作用靶点。细胞信号转导系统有调节细胞增殖、分化、代谢、适应、防御和凋亡等作用。它们的异常多种非感染性疾病和遗传病的发生发展密切相关。受体和细胞信号转导分子异常既可以作为疾病的直接原因.引起特定疾病的发生;亦可在疾病的过程中发挥作用.促进疾病的发展。细胞信号转导异常可局限于单一成分或某一环节.亦可同时或先后累及多环节甚至多条转导途径.造成调节信号转导的网络失衡。对信号转导系统与疾病关系的研究有助于阐明疾病的发生发展机制.并能为新药设计和发展新的治疗方法提供思路和作用靶点。
slide224
信号转导异常的原因

生物学因素

  • 霍乱弧菌产生分泌的外毒素(霍乱毒素),有选择性的催化Gsα亚基上的精氨酸201核糖化,使GTP酶活性丧失,不能将GTP水解成GDP,从而使Gsα处于不可逆激活状态,不断刺激AC生成cAMP,胞浆中的cAMP含量可增加至正常的100倍以上,导致小肠上皮细胞膜蛋白构型改变,大量氯离子和水分子持续转运入肠腔 ,引起严重腹泻和脱水。(因身体丧失水,钠和氯化物而脱水),重者发生循环衰竭。
slide225

Gs

霍乱毒素

肠腔

H2O

Na+

Cl-

cAMP ↑ ↑ ↑

CT

AC

霍乱 (Cholera)机制

剧烈腹泻

脱水休克

Gs 201Arg核糖化

slide226
理化因素
  • 化学性因素:如;多环芳烃类化合物-鸟氨酸加合物→小鼠小G蛋白K-Ras基因12和13密码子突变,→Ras的GTP酶活性↓→Ras处于与GTP结合的持续激活状态,→ Ras – Raf(又称MAPK kinase kinase ,MAPKKK)- MEK(又称MAPK kinase,MAPKK) - ERK (extracellular-signal regulated kinase细胞外信号调节激酶。)通路 →细胞异常增殖。
slide227
物理性因素
  • 机械刺激、电离辐射也可激活细胞内的信号转导通路。研究发现适当的机械刺激可促进细胞的生长、分化和功能。但刺激强度过大或作用时间过长,可对细胞造成损伤。如;心肌的牵张刺激和血流切应力对血管的刺激可激活PKC、ERK(extracellular-signal regulated kinase,ERK )等。
slide228
遗传因素
  • 染色体异常和编码信号转导的基因突变,其表现形式呈现异质性,或缺失、或插入突变或点突变。突变可发生在结构基因也可发生在基因的调节序列.
  • 某些信号转导蛋白在突变后获得了自发激活和持续性激活,又称为组成型激活突变(constitutively activated mutation)。如;常染色体显形遗传的甲状腺机能亢进患者中发现有TSHR的激活性突变,使甲状腺素↑→甲亢。
slide229
免疫学因素
  • 由于患者体内产生了抗某种自身抗体而导致的疾病被称为自身免疫性受体病,属自身免疫性疾病。
  • 刺激型抗体:可模拟信号分子或配体的作用,激活特定的信号转导通路,使靶细胞功能亢进. 如弥漫性甲状腺肿(Graves’disease) 。
  • 刺激性抗体模拟TSH 的作用
  • 促进甲状腺素分泌和甲状腺腺体生长
  • 甲亢、甲状腺弥漫性肿大、突眼
slide230
阻断型抗体:该抗体与受体结合后,可阻断受体与配体的结合,从而阻断受体介导的信号转导通路的效应,导致靶细胞功能低下。 如桥本病、重症肌无力。
  • 阻断性抗体与TSH受体结合
  • 减弱或消除了TSH的作用
  • 抑制甲状腺素分泌
  • 甲状腺功能减退、黏液性水肿
slide231

Gs

Gq

AC

PLC

刺激型TSHR抗体

cAMP

DG IP3

甲状腺素分泌

甲状腺细胞增殖

Graves病

甲状腺细胞膜

TSHR

slide232

Gs

Gq

AC

PLC

cAMP

DG IP3

桥本病 (Hashimoto’s thyroditis)

甲状腺细胞膜

TSHR

阻断型TSHR抗体

(-)

桥本病

甲状腺素分泌

甲状腺细胞增殖

slide233
内环境因素
  • 机体在缺血、缺氧、炎症创伤等持续应急状态下,自稳调节紊乱并导致神经递质、激素、细胞因子、炎症介质等大量释放,可引起某些信号转导通路的过度激活和某些信号转导障碍。
slide234

结束语

近20年来细胞信号转导系统的研究取得了很多激动人心的进展,这些进展不仅阐明了细胞生长、分化、凋亡以及功能和代谢的调控机制,揭示了信号转导异常与疾病的关联,还为新疗法和新一代药物的设计提供了新思路和作用的新靶点。以纠正信号转导异常为目的的生物疗法和药物设计已成为近年来一个新的研究热点。