1、過程分子生物學523416基因表達的調控機制細胞通訊的分子機制免疫多樣性的分子識別胚胎發育的基因表達譜腫瘤發生的分子機制基因組學與系統生物學細胞通訊的分子機制EBCDAFG細胞通訊的基本概念水溶性物質的跨膜運輸-物理傳送 信號分子的跨膜傳遞-信號轉導 G蛋白信號轉導途徑 JAK-STAT信號轉導途徑 TNF信號轉導途徑 TGF信號轉導途徑 HPI3K信號轉導途徑 I細胞分裂素信號轉導途徑 J信使系統的偶聯與啟動 2A 細胞通訊的基本概念 外界信號如何進入細胞，細胞又如何應答，這是分子生物學的一個基本命題，正在受到越來越多的重視。1992年的諾貝爾生理學獎授予了蛋白質可逆磷酸化的奠基人；1994

2、年則授予了GTP結合蛋白的發現者。 響應環境并控制分子跨細胞質膜進出，是所有細胞的重要特征這一過程依靠定位于細胞質膜上的蛋白質。細胞質膜對水溶性的物質是不容滲透的，這些物質包括離子、無機物、多肽等。為了進入和影響細胞，親水性的物質或者通過胞飲的方式進入細胞，或者與定位在細胞質膜上的蛋白質發生相互作用，以信號的方式進入細胞。2A 細胞通訊的基本概念 配體與受體、抗原與抗體，酶與底物是蛋白質之間特異性結合的三大系統。 a 配體與受體 配體（Ligand）通常是指細胞外物質，不管是無機分子還是多肽，它們的共同特征是通過細胞質膜上的蛋白組分，或以胞飲的方式進入細胞；或傳遞信號，故亦稱為信號分子。 受體

3、（Receptor）是指細胞質膜上與配體特異性結合的靶蛋白分子，有些受體本身還具有酶的催化功能。 2A 細胞通訊的基本概念 物理擴散：脂溶性信號分子（脂溶性激素如甾體激素），可通過簡單的物理擴散作用穿透質膜進入細胞內，并在細胞內或核內與其靶蛋白結合，發揮功能，無需細胞膜專一性受體。 b 信號分子傳遞的基本形式 物理傳送：一部分的水溶性信號分子，通過與細胞膜上的特異性受體系統結合，將之物理傳送至細胞內。 信號轉導：大部分的水溶性信號分子，與細胞膜上的特異性受體結合，并觸發細胞內的一系列響應過程。信號分子本身不進入細胞內，但在其與受體結合過程中產生的信號已進入胞內，并得以倍增，同時產生出新的信號分

4、子，后者稱為第二信使和第三信使。 2B 水溶性物質的跨膜運輸-物理傳送 小分子糖類物質與細胞質膜上的特異性受體結合，導致受體蛋白的構象發生改變，變構的受體蛋白將糖翻入細胞內。然后，配體脫離后的受體又轉換成原來的構象。這一過程屬于主動運輸，需要消耗能量。 a 翻轉作用（糖）水溶性分子的主動運輸糖分子糖分子翻轉作用細胞膜細胞內細胞外細胞膜細胞內細胞外2B 水溶性物質的跨膜運輸-物理傳送 當配體與受體結合后，胞內的包含素蛋白分子便結合在受體附近的胞膜內側，胞膜在包含素的作用下形成微囊泡結構，將配體受體復合物包裹起來并運至靶部位膜（如核膜等）。 b 胞飲作用（受體介導的蛋白質胞飲）蛋白質分子的胞飲過程

5、蛋白分子胞飲作用微囊泡包含素細胞膜細胞膜細胞膜2B 水溶性物質的跨膜運輸-物理傳送 受體直接構成離子通道c 通道作用（離子通道）受體直接構成離子通道，而配體則控制離子通道的開啟與關閉。刺激信號離子受體直接構成離子通道 鈉離子通道乙酰膽堿是一種神經信號分子，它參與肌肉延伸收縮的調節作用。乙酰膽堿受體由五個亞基組成，形成配體控制的Na+通道。乙酰膽堿與受體結合后，受體a亞基構象改變，Na+迅速流入細胞內，導致細胞內外電壓降減小在數微秒的時間內，肌肉細胞便會響應神經細胞的電壓降脈沖，發生收縮運動。乙酰膽堿不存在時，通道關閉。每個亞基跨膜四次跨膜區內氨基酸的性質決定了通道的孔徑及離子選擇性。 受體直接

6、構成離子通道 冷熱離子通道 冷離子通道TRPM8能在低溫或薄荷醇等外界物理或化學因素的刺激下打開。該離子通道響應15-25的溫度范圍，允許Na+和Ca2+離子進入傳感神經元細胞并使之去極性化。口腔內的這種傳感神經元將信號傳遞至大腦的三叉神經中樞（TG）；皮膚上的這種傳感神經元則將信號傳遞至脊索的脊根神經中樞（DRG）。 此外，最近還鑒定出三種熱傳感器：第一種稱為TRPV1型胡椒粉（辣椒素）熱傳感器，其敏感溫度為43以上；第二種稱為TRPV2型熱傳感器，其敏感溫度為52以上；第三種稱為TRPV3型溫熱傳感器，其敏感溫度范圍在25-43之間。 受體直接構成離子通道 冷熱離子通道鼻孔唇窩睛中的視蛋白

7、被光化學激活一樣；但蝰蛇卻是通過其唇窩內的組織輻射發熱方式間接激活紅外線熱受體TRPA1通道的。響尾蛇TRPA1在室溫下呈無活狀態，但在28.02.5以上時被強烈激活。灰鼠蛇的TRPA1也是熱敏型的，但其激活溫度有些偏高，為36.30.6。有趣的是，先前鑒定的脊椎動物（包括魚類）的TRPA1同源物主蝰蛇能感應波段為750-1000nm的紅外線并由此探測溫血獵物。蛇的紅外線檢測由位于面部兩側眼睛與鼻孔之間的專門的頰鱗唇窩器官介導。就理論而言，紅外線受體可以直接檢測光子，就像眼要接受化學物質的刺激，并作為“冷”的檢測器而發揮功能。 Nature，464，2010受體直接構成離子通道 瞬時受體電勢通

8、道超家族 TRP上述冷熱和味覺離子通道屬于瞬時受體電勢通道TRP超家族，該家族的第一個成員是在果蠅光子受體細胞中發現的。哺乳動物TRP離子通道家族各成員之間的序列同源性甚低它們可分成三大類：1 短通道TRPC；2 osm9樣通道TRPV；3 長通道TRPM。所有和滲透壓變化；在人類等高等哺乳動物中，TRPM通道負責感應味道，如甜苦等。NCTRP結構域 TRP盒錨蛋白重復序列TRPCNCTRPVNCTRPMTRPC成員的C端均含有一個TRP盒（Glu-Trp-Lys-Phe-Ala-Arg）和一個由25個氨基酸組成的功能未知的TRP結構域，但其它TRP通道成員一般沒有類似結構。TRPC通道和TR

9、PV通道的N端胞質功能域中含有錨蛋白重復序列，而TRPC通道和TRPM通道的C端含有Pro豐富區。在果蠅中，TRPC型通道負責視覺，TRPV通道負責感應溫度Pro豐富區受體通過信號傳遞控制離子通道 受體通過與GTP結合蛋白偶聯，驅動離子通道開關。此類受體具有典型的七跨膜結構7TM，不論其配體性質如何。當配體（如激素）與受體結合后，由于其構象改變，激活GTP結合蛋白的核苷酸交換反應，GDPGTP。結合GTP的a亞基便與核苷酸環化酶結合，后者直接啟動離子通道的開關。受體通過信號傳遞控制離子通道 視覺系統的信號傳遞機制 視網膜桿細胞中的視紫紅質和視錐細胞中的視蛋白（顏色敏感）都是光量子的受體，實質上

10、真正吸收光量子的分子是11-順-視網膜素，它與受體第七跨膜區的Lys共價結合。GTP結合蛋白將受體和磷酸二酯酶（PDE）偶聯在一起，PDE負責水解cGMP，cGMP濃度下降導致離子通道關閉。離子濃度的改變信號由視覺神經傳至大腦。光子促使受體構象發生變化，激活GTP結合型蛋白，后者又激活PDE。一個光子可激活數百個G蛋白分子，一個G蛋白分子又可激活PDE降解許多cGMP分子，從而完成信號的放大。受體通過信號傳遞控制離子通道 視覺系統的信號傳遞機制 在視蛋白中，吸收光量子的分子也是11-順-視網膜素，但其共價結合區域內的氨基酸序列不同，導致每種視蛋白分子只有唯一的最大光吸收值。一個視錐細胞只表達單

11、一的視蛋白，因此一個視錐細胞只能對一種波長的光敏感，這便是顏色敏感的分子機制。受體通過信號傳遞控制離子通道 嗅覺系統的信號傳遞機制 氣味分子與相應的受體結合，導致其構象發生改變，激活GTP結合蛋白，后者激活腺苷酸環化酶AC，由ATP合成cAMP。后者與離子通道結合并開啟之，Na進入細胞，K流出細胞。電位差傳至大腦。受體通過信號傳遞控制離子通道 嗅覺系統的信號傳遞機制 2004年的諾貝爾生理學或醫學獎授于了美國科學家阿克塞爾和巴克。諾貝爾基金會為此發表的聲明說：“嗅覺一直是人類感覺中最神秘的一種。我們過去無法理解人類辨認和記憶大約一萬種不同氣味的基本原理。而阿克塞爾和巴克卻幫我們解答了這個問題，

12、他們通過1000個氣味受體蛋白的編碼基因。研究表明，每個嗅覺神經細胞只表 截止到目前為止，阿克塞爾和巴克領導的研究小組共發現了大約達一種氣味受體蛋白，那么如何感應上萬種不同的氣味呢？一系列具有開拓性的研究詳細闡明了我們嗅覺系統的工作機制。”受體通過信號傳遞控制離子通道 味覺系統的信號傳遞機制 與觸覺、視覺、聽覺、嗅覺不同，味覺已進化為飲食行為的主要調節者和驅動者，味覺系統能檢測食物中的營養成分及有害化合物， 人類以及大多數哺乳動物將味覺刺激歸并為酸、甜、苦、咸、鮮五大主體味覺品質。其中，甜味和鮮味屬于能促進營養食物（諸如構筑蛋白質合成和能量的磚瓦）攝入的“好”味；而苦味和酸味則屬于警示生物體有

13、毒和低pH以拒絕含有害物質（如有毒植物和過熟未熟的水果）的食物攝入的“壞”味。咸味對人類而言即可被感覺為“好”味也可被感覺為“壞”味，完全取決于鈉離子濃度和體驗者的生理需求。進而引發動物接受或拒絕潛在食物的先天性行為。受體通過信號傳遞控制離子通道 味覺系統的信號傳遞機制 軟腭腹后內側核舌城輪廓乳頭 舌葉理狀乳頭舌真菌狀乳頭 鼓索神經大巖淺神經 膝狀神經節 舌咽神經巖神經節孤束核吻側段臂旁核島葉味覺皮層味蕾舌面受體通過信號傳遞控制離子通道 味覺系統的信號傳遞機制 哺乳動物的舌部和軟腭分布著豐富的味蕾，典型的味蕾呈卵狀，由50-100個味覺受體細胞（TRC）構成。TRC平均壽命僅兩周，不斷為新生細

14、胞所取代，它們靠其特殊的膜表面受體感應相應的化合物。Cell，139，234，2009受體通過信號傳遞控制離子通道 味覺系統的信號傳遞機制 哺乳類動物感應甜味、鮮味、苦味的受體均屬于異源二聚體的G蛋白偶聯型受體（GPCRs），暗示它們采取類似視覺和嗅覺通過控制離子通道的機制實現對相應神經元的刺激和信號傳遞；而咸味和酸味的感應受體則直接構成離子通道，以類似冷熱離子通道的方式傳遞信號。貓科動物在其早期進化階段獲得了T1R2基因的缺失突變，因此喪失了所有的甜味感覺，這就很好地解釋了所有的貓和虎對糖類食物的冷漠行為。受體通過信號傳遞控制離子通道 味覺系統的信號傳遞機制 不僅哺乳動物，果蠅等昆蟲對不同味

15、覺的感應也同樣由不同的味覺受體細胞介導，這些細胞通過與專用的神經線路相連，最終導致使動物對相應味覺產生不同程度的偏好或厭惡。化學合成的鎮痛藥螺朵林（spiradoline）對老鼠是無味的，如果將能識別螺朵林的蛋白RASSL編碼基因分別置于甜味受體T1R2和苦味受體T2R19基因啟動子的控制下表達，則轉基因鼠對螺朵林的態度完全相反。螺朵林辣椒素2C 信號分子的跨膜傳遞-信號轉導 許多水溶性信號分子本身不能直接進入細胞，但它們能與相應的膜蛋白受體特異性結合，進而在細胞質中引起一系列以磷酸化反應為主的級聯響應，最終將信號傳遞到細胞核內。這一過程稱為信號轉導；信號傳遞的路線稱為信號轉導途徑。2C 信號

16、分子的跨膜傳遞-信號轉導 信號轉導途徑的第一站是細胞外的信號分子（即配體）特異性地識別細胞膜上的受體蛋白，并與之結合；一旦結合了信號分子，受體空間構象就會發生變化。這個過程稱為第一次應答，共有三種表現形式。a 信號轉導途徑中的第一次應答反應 激活受體自身含有的蛋白激酶活性 這類受體的特征是：跨膜一次，由胞外區、跨膜區、胞內區三部分組成。胞外區是配體的結合位點；胞內區是受體自身的酪氨酸蛋白激酶活性區，也稱為受體的順式酶活性，通常這個活性部位由250個氨基酸組成。除此之外，這類受體的胞內區還可能含有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶活性，或者與鳥苷酸環化酶相連。根據胞內區的酶活性質不同，可將這類受體分為四大家

17、族。激活受體自身含有的蛋白激酶活性 當配體與受體結合后，受體空間結構發生變化，這是蛋白激酶發揮催化功能的前提條件，共有三種形式的構象變化。 配體結合導致單體二聚化配體連接兩個單體配體連接導致構像改變激活細胞質內的蛋白激酶活性 這類受體的特征是：跨膜一次，胞外區與配體結合，關鍵序列為WSXWS；膜內區不含蛋白激酶的功能域，但在近膜處存在著細胞內蛋白激酶家族的結合區域。當配體與受體結合后，構象發生改變，受體與細胞質內蛋白激酶特異性結合，并激活這些蛋白激酶的磷酸化活性。如T-淋巴細胞的CD4受體在與配體結合后，便能特異性地與細胞內的Lck蛋白激酶結合，并激活之。激活結合在細胞膜內側上的G蛋白 這些受

18、體的特征是：跨膜七次（7MT）。G蛋白是一種GTP/GDP結合型蛋白，位于受體附近的膜內側上。其無活性狀態是一個結合GDP的三聚體（a a、b b、g g），一旦受體與配體結合，受體構象發生改變，導致GDP為GTP所取代，這時G蛋白解離成一個攜帶GTP的亞基（a a）和一個二聚體（b gb g）。單聚體或/和二聚體再去激活其它的靶蛋白，引起一連串級聯反應，通常情況下，最終刺激產生第二信使分子cAMP，離子通道的調節便是一例。2C 信號分子的跨膜傳遞-信號轉導 細胞外的信號分子（配體）特異性識別和結合細胞膜上的受體蛋白之后，受體產生第一次應答反應，繼而便將信號通過三種方式在胞質中傳遞。b 細胞質

19、中信號轉導的基本形式轉錄調控因子直接穿過胞質到達細胞核 有些轉錄調控因子能直接被配體-受體復合物激活，并穿過胞質進入細胞核。受體被配體激活后做出的第一次應答反應就是將潛伏在胞質內受體附近的無活轉錄調控因子召集到自己的身邊，然后將之激活。具有這種性質 的 轉 錄 調 控 因 子 包 括SMAD家族和STAT家族的各成員，其中SMAD家族在其Ser殘基上被受體磷酸化激活而STAT家族則在其Tyr殘基上被受體磷酸化激活。信號通過腳手架蛋白逐次傳遞至細胞核 在相當多的信號轉導途徑中，被配體激活的受體將信號逐次傳遞給下游腳手架蛋白（驛站蛋白）構成一系列的級聯反應。此時，信號的載體是磷酸基團，信號傳遞的形

20、式是磷酸化反應或/和蛋白質降解反應，但許多蛋白質降解步驟也是受磷酸化反應控制的。以此機制進行信號 轉 導 的 包 括 ： N F -kB/Rel、Wnt、CI/GLI、Notch、Ras信號轉導途徑徑 信號通過第二信使分子傳遞至細胞核 在有些信號轉導途徑中被配體激活的受體可導致細胞質內第二信使分子濃度的波動，并依賴這些小分子或離子在胞質中的擴散作用將信號傳遞至細胞核。具有上述功能的第二信使分子包括Ca2+和磷酸肌醇酯（PIP）等。以此機制進行信號轉導的有：NFAT和PLC等信號轉導途徑等。2C 信號分子的跨膜傳遞-信號轉導 在某些信號轉導途徑中，由配體-受體相互作用所產生的信號被傳遞到細胞核外

21、側后，還需要通過下列三種方式進入核內，進而作用于相關基因的調控區，促進 靶基因的轉錄。c 細胞核中信號轉導的基本形式激酶轉位作用 運載信號的蛋白激酶直接進入細胞核內，并在核內使相應的轉錄調控因子磷酸化激活，調控靶基因的表達。因子轉位作用 運載信號的蛋白激酶在細胞核外側使相應的轉錄調控因子磷酸化激活，后者再進入核內調控靶基因的表達。抑制劑釋放作用 運載信號的蛋白激酶在細胞核外側使轉錄調控因子-抑制劑復合物磷酸化，促使其釋放轉錄調控因子，后者再進入核內調控靶基因的表達。2D G蛋白信號轉導途徑 異源三聚體GTP/GDP結合蛋白（G蛋白）是一類固定在細胞質膜內表面上的信號轉導子，它連結受體和腳手架因

22、子，構成細胞內信號轉導途徑。與G蛋白相偶聯的受體能響應大量的激素、神經遞質、趨化因子、自分泌和旁分泌因子。G蛋白由三個不同的亞基a a、b b、g g構成，但當信號轉導時，它們是以單亞基或二聚體的形式工作的，即信號傳遞或者通過Ga a亞基或者通過Gbgbg復合物進行目前已知的G蛋白亞基分別為Ga a 20種、Gb b 6種、Gg g 11種。2D G蛋白信號轉導途徑 根據序列相似性，G蛋白可分為四個家族：Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。這四大G蛋白家族能轉導數量眾多的胞外信號分子。同一種信號分子結合不同的受體，可將信號傳遞給不同的G蛋白家族。例如，腎上腺素信號分子通過b b-腎

23、上腺素受體將信號傳遞到與受體偶聯在一起的Gs上；通過a a2-腎上腺素受體被傳遞到Gi上；通過a a1 1-腎上腺素受體則被傳遞到Gq和G11上。然后，各類G蛋白再通過不同的信號轉導途徑調控重要的細胞組分，包括代謝酶類、離子通道以及相應的轉錄機器，這些細胞組分的運行和反應決定了細胞的行為和功能，如胚胎發育、學習記憶、穩態建立等。a G蛋白信號轉導途徑的基本特征 G蛋白四大家族的信號轉導網絡2D G蛋白信號轉導途徑b G蛋白信號轉導途徑的構成與功能 所有的G蛋白都參與多重信號轉導途徑的構成和運行，最終將信號傳遞至不同的細胞機器上，形成響應速率和作用強度各不相同的生理效應。例如，在神經元細胞中，c

24、AMP可通過PKA對離子通道實施短期效應；同時通過Rap和MAPK對轉錄機器實施長期影響。 所有的G蛋白都調控GTP酶（如Rap和Rho等）的活性。 所有的G蛋白途徑或刺激或抑制一條或多條由MAPK介導的分支途徑。Gs信號轉導途徑 Gs途徑是最早被鑒定的細胞信號轉導途徑，許多關鍵的概念，如第二信使、蛋白磷酸化、信號轉導等就是來自于該途徑的研究。即便經歷了二十年的研究，Gs途徑的新知識仍在不斷地增加。 Gs途徑的關鍵效應分子是cAMP。信號分子（如腎上腺素和糖原等）與相應的受體結合后，激活Gs的a a亞基，后者激活腺嘌呤核苷酸環化酶AC合成cAMP。cAMP有三大功能：（1）直接開啟CNGC離子

25、通道；（2）激活蛋白激酶PKA，后者即可開啟L-型Ca2+ +離子通道,又可依次激活磷酸化酶激酶PhosK和糖原磷酸化酶GlyPhos，導致糖原降解為葡萄糖；（3）依次激活GTP/GDP交換因子EPAC、GTP酶Rap1有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶B-Raf、有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶MEK、有絲分裂原激活的蛋白激酶MAPK，后者進入核內激活cAMP應答元件結合蛋白CREB，活化的CREB再與相關基因的 轉錄調控元件CRE結合，促進這些基因的轉錄。Gs信號轉導途徑配體-受體Gs aACcAMPPKAEPAC CNGCCREBCRE質膜核膜PDE降解Gi信號轉導途徑 Gi信號轉導途徑

26、的主要特征是其Ga能抑制AC的活性。許多重要的激素和神經遞質，如腎上腺素、乙酰膽堿、多巴胺、5-羥色胺等，都能利用Gi和Go途徑轉導信號。該途徑為百日咳毒素所抑制，其機制是百日咳毒素在G蛋白a亞基C端的區域內使其ADP核苷酰化，從而阻止a亞基與相應的受體相互作用。 在Gi途徑中，Ga亞基和Gbg復合物均能單獨傳遞信號。例如， Gbg復合物至少能與四種效應因子直接偶聯，間接偶聯Ras蛋白中的GTP酶活性，進而激活MAPK。一些重要的生理功能（心臟起博活性）的毒覃堿性膽堿調控過程，就是通過M2-毒覃堿性受體與Gi蛋白偶聯，釋放出Gbg復合物，再由后者激活K+ +離子通道而實現的。Ga則能調控信號從

27、c-Src到STAT3途徑和Rap途徑的傳遞，也能抑制AC的活性。 Gq信號轉導途徑 Gq信號轉導途徑的主要特征是被鈣質動用激素激活，并刺激細胞合成第二信使分子三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）。IP3觸發鈣質從胞內鈣庫中的釋放，而DAG則負責召集PKC到膜上并激活之。在很多類型的細胞中，胞內鈣質的釋放能激活細胞表面上鈣庫操縱的Ca2+通道，導致胞外的Ca2+ +流入胞內。Gq的a亞基則能通過蛋白酪氨酸激酶PYK2激活轉錄調控因子NF-kB。2D G蛋白信號轉導途徑c Ras信號轉導途徑 很多生長因子激活相應的受體后，通過效應分子活化由原癌基因ras編碼的Ras蛋白，后者又依次激活其下

28、游腳手架因子，最終作用于靶基因的表達。Ras蛋白為多種生長因子信號傳遞過程所共有，而且本身也是G蛋白家族的一個成員，構成一條獨立的信號轉導途徑。 Ras信號轉導途徑中的腳手架蛋白包括：Ras蛋白、SH蛋白、Raf蛋白等。Ras信號轉導途徑中的腳手架蛋白 Ras蛋白 Ras蛋白是原癌基因ras的表達產物，目前已發現幾十種不同的Ras樣蛋白。根據其結構特點可分為三個主要家族：（1）Ras蛋白：哺乳細胞可表達四種真正的Ras蛋白，分別由基因H-ras、N-ras、K-rasA、K-rasB編碼，這類蛋白主要參與受體酪氨酸激酶的信號傳遞過程；（2）Rho/Rac蛋白：由基因rho和rac編碼，與Ras

29、蛋白同源，并介導細胞骨架的構建；（3）Rab蛋白：由基因rab編碼，主要與物質Ras-GTPRas-GDPGTP-GDP交換因子GEFGTP酶激活蛋白GAP無活狀態激活狀態的跨膜運輸有關。 Ras蛋白是一類GTP結合蛋白，具有與GTP和GDP的結合特性。GTP酶激活蛋白（GAP）激活Ras蛋白內在的GTP酶活性；鳥苷酸解離抑制因子GDI則抑制Ras-GDP與Ras-GTP兩種狀態之間的 轉 化 。 Ras信號轉導途徑中的腳手架蛋白 SH蛋白SH蛋白家族因與原癌基因src編碼的Src蛋白具有較高的同源序列及結構相似性，因此而得名。其成員之一的生長因子受體結合蛋白Grb由自磷酸化的受體蛋白激酶活性

30、，催化其磷酸化而被激活，激活了的Grb蛋白又去激活GEF（SOS），后者使Ras-GDP轉化為Ras-GTP因此SH蛋白是連結受體與Ras蛋白之間信號傳遞的重要分子。 Ras信號轉導途徑中的腳手架蛋白 Raf 蛋白 Raf蛋白是一種蛋白激酶，它能使細胞有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶（MEK，MAPKK）激活，其激活的方式也是磷酸化，而且Raf本身又是Ras-GTP復合物的底物。Ras-GTP使Raf蛋白磷酸化，同時自己轉換成Ras-GDP形態。現已知，Raf蛋白有三個同型GDP GTP PPRaf MEKRas 物（即同一轉錄前體不同剪切方式的形成物）：74kD的Raf1（廣泛存在于體內）、6

31、8kD的RafA（主要在生殖細胞內表達）、95kD的RafB（主要在腦細胞中表達）。 Ras信號轉導途徑中的級聯反應絕大多數生長因子的受體及部分細胞因子受體本身具有酪氨酸激酶活性構成酪氨酸激酶受體家族。這類受體被生長因子激活后，其胞內區的酪氨酸激酶活性將自身的酪氨酸磷酸化，同時具備了催化其它蛋白質磷酸化的功能，由此引發有序的級聯反應。這些反應大多是各種蛋白質的磷酸化，包括Tyr、Ser、Thr等具有羥基側鏈的氨基酸殘基。 Ras信號轉導途徑中的級聯反應Ras信號轉導途徑的最后一站是原癌基因編碼的轉錄調控因子Myc、Max、Jun、Fos，它們被上游腳手架分子MAPK激活后，直接作用于相關基因的

32、順式轉錄調控元件。例如，Myc與Max形成二聚體，與基因的DNA順式元件CACGTG結合，并激活相應基因的轉錄啟動；Jun與Fos形成二聚體AP1，與基因的佛波醇應答元件TGACTCA結合，并激活相應基因的轉錄啟動。PPPPPGDP GTP PPPPPPFGF FGFR FRS Grb2 SOS Ras Raf MEKMAPKMycMax2E JAK-STAT信號轉導途徑 大部分的細胞因子受體屬于造血因子受體超家族的成員，與生長因子受體不同，細胞因子受體的胞內區域不具有酪氨酸激酶活性，但其細胞內的近膜保守區能結合一些非受體型的酪氨酸激酶。在配體的介導下，受體亞基二聚化或寡聚化，使受體胞內區域靠

33、近，并結合于胞內近膜區的酪氨酸激酶，同時被活化，進而啟動一系列信號轉導途徑，其中最具有代表性的就是JAK-STAT信號轉導途徑。2E JAK-STAT信號轉導途徑 JAK-STAT信號轉導途徑由特異性受體、非受體型的酪氨酸激酶（JAK）、信號轉導子和轉錄激活子（STAT）三部分構成。a JAK-STAT信號轉導途徑的基本構成JAK酪氨酸激酶家族 絕大多數激活STAT的細胞因子受體不含內源性激酶活性，它們所需的酪氨酸激酶活性由受體接合型的胞質蛋白質-JAK家族成員提供，因此JAK是不同于受體酪氨酸激酶的另一類激酶（Just Another Kinase，JAK）。也有人認為該名來源于古希臘門神J

34、anus，它具有方向相反的兩張面孔，與此類蛋白激酶C端的兩個催化亞基相似，因此又稱Janus Kinase（JAK）。 JAK家族最明顯的結構特征是其C端擁有兩個催化功能域，靠近N端是三個保守的結構域，中部有兩個功能域。JAK在進化上相當保守，哺乳動物細胞內有四個JAK成員：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。有種遺傳性免疫缺陷癥就是因為突變使得受體與JAK相互作用能力喪失或者JAK激酶活性喪失。 JAK能特異性地結合在細胞因子受體的胞內功能域上。當細胞因子配體與相應的受體結合后，受體二聚化，使得結合在受體亞基上的兩個JAK相互靠近，并相互磷酸化而被激活，然后JAK再催化其底物蛋白（如ST

35、AT）磷酸化，由此將受體信號繼續傳遞下去。STAT信號轉導子和轉錄激活子蛋白家族 哺乳動物細胞含有七個STAT（Signal Transducers and Activators of Transcription）編碼基因，分別為STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B、STAT6，其編碼產物之間的氨基酸序列具有較大的離散性，這種離散性使得它們能響應較大范圍的胞外信號分子，同時具有較廣的組織特異性分布。 STAT蛋白在其C端含有SH2和SH3兩個功能域，而且還有一個保守的酪氨酸殘基位點，該位點的磷酸化是STAT活化的基礎。在配體信號分子不存在時，作為轉錄因子的

36、STAT蛋白定位于細胞質中，并呈無活狀態；當配體與受體偶聯后，STAT迅速被激活，其分子上的SH2（Src-homology）功能域與受體磷酸化了的酪氨酸殘基特異性結合，從而靠近受體的胞內功能域。此時，STAT上保守的酪氨酸殘基被磷酸化。磷酸化了的STAT可從JAK-受體復合物上離解下來，并形成二聚體，繼而轉移至核內，依靠其SH3功能域（能特異性地結合Pro富集區）直接作用于基因轉錄調控的順式元件上。2E JAK-STAT信號轉導途徑 JAK-STAT信號轉導途徑在真核生物的霉菌、線蟲、果蠅、脊椎動物乃至人類中高度保守，而且受到各種內源性和環境刺激因素的調控，從而使得細胞和組織具有更大的可塑性

37、。但是，該信號轉導途徑在真菌和植物中至今沒有發現。在很多情況下，細胞中的早期應答基因以及那些依賴于細胞因子的功能基因是由JAK-STAT控制表達的，當細胞中沒有新的蛋白質合成時，這些早期應答基因通常增加轉錄。b JAK-STAT信號轉導途徑的基本特征JAK-STAT介導的信號轉導程序當信號分子與相應的受體結合后，受體在膜上二聚化，這使得連結在受體胞質區的兩個JAK也相互靠近并相互催化對方磷酸化，同時又使受體胞質區中的酪氨酸殘基磷酸化，制造出吸引錨定STAT的位點；游離于細胞質中的S TAT 蛋 白 通 過 其結構，然后迅速被運輸到核內。SH2功能域與受體胞質區中磷酸化了的酪氨酸殘基結合，然后在

38、自己的酪氨酸殘基上接受磷酸基團；磷酸化了的STAT蛋白從受體上解離下來，或同源或異源形成二聚體JAK-STAT介導的信號轉導程序大多數的STAT二聚體能識別DNA鏈上8-10對堿基的反向重復序列5-TTN4-6AA-3這個相對保守的DNA序列稱為GAS（gamma-interferon activation sequence）元件，因為它首先是在研究STAT同源二聚體與g-干擾素基因調控序列之間的相互作用時被發現并命名的。該元件的相對保守性也反映出不同序列的GAS對特定的STAT二聚體具有不同的親合力。JAK-STAT介導的信號轉導程序一旦被激活的STAT二聚體識別并結合靶基因的GAS元件上，

39、該基因的轉錄速度就會大幅度加快，其機制是STAT分子內的轉錄激活功能域能召集一些核內共激活因子，以促進對染色質的修飾反應以及與核心啟動子之間的通訊聯絡。2E JAK-STAT信號轉導途徑 細胞因子干擾素和白介素是通過JAK-STAT信號轉導途徑調控靶細胞廣泛的生理功能的。三類干擾素（a a、b b、g g）和白介素 6 分別使用了三條特異性的信號轉導途徑。c 干擾素和白介素介導的JAK-STAT信號轉導途徑I-型干擾素介導的途徑該途徑的信號分子為a a干擾素和b b干擾素，轉錄調控因子為STAT1-STAT2異源二聚體。該途徑的信號轉導機制不同于大多數其它的JAK-STAT途徑，其最終的轉錄調

40、控因子不是簡單的STAT二聚體，而是由STAT1-STAT2和一個必需的DNA結合亞基（IRF9）構成的異源三聚體。IRF9是干擾素調控因子家族的一個成員，STAT與IRF9的結合使得這個復合物能識別干擾素刺激應答元件（ISRE）。II-型干擾素介導的途徑該途徑的信號分子為g g干擾素 ， 轉 錄 調 控 因 子 為STAT1-STAT1同源二聚體這種二聚體識別靶基因上游 的 g g 干 擾 素 激 活 序 列GAS。白介素介導的途徑該途徑的信號分子為白介素6，轉錄調控因子為STAT3-STAT3同源二聚體，又稱STAT3途徑。該途徑廣泛存在于各種類型的細胞中，對生長調控、炎癥發生、胚胎發育具

41、有重要作用。此外，這條途徑的激活還常見于多種實體腫瘤和血癌細胞中，具有刺激生長和抗凋亡的功效。很多原本使用酪氨酸激酶受體的生長因子信號轉導途徑也直接通向STAT3途徑，如表皮生長因子EGF、血小板樣生長因子PDGF等2E JAK-STAT信號轉導途徑 JAK-STAT信號轉導途徑并不能自發地工作，胞內和環境的許多刺激因素均能控制其運行。所有正負調控因子的穩態濃度和信號誘導濃度的維持，決定了JAK-STAT途徑的信號應答反應在一個特定細胞中的作用強度和持續時間。JAK-STAT途徑的正負調控有四種機制。d JAK-STAT信號轉導途徑的調控途徑融合 多種不同類型的蛋白激酶，包括幾種MAPK，能使

42、STAT的酪氨酸殘基磷酸化，從而將其它轉導途徑中的信號融入到JAK-STAT途徑中。 進入內吞囊泡并遭降解。受體降解 JAK-STAT信號轉導途徑的負調控過程常使用普通的機制，如受體反饋抑制 JAK擁有自己專一性抑制劑SOCS（細胞因子信號轉導阻遏因子）它能直接結合并鈍化JAK。那些能促進STAT激活的細胞因子同時也能刺激SOCS編碼基因的表達，因此SOCS構成了一個反饋抑制回路。 修飾滅活 細胞內某些絲氨酸磷酸化反應以及蛋白質的翻譯后修飾作用會削弱STAT的活性。更為特異性的抑制信號來自蛋白酪氨酸磷酸酶，它們能在膜結合型的受體激酶復合物水平上或者在核內，除去被激活的STAT二聚體上的磷酸基團

43、，剩下的STAT單體則重新回到細胞質中。此外，還有一種名叫激活型STAT蛋白抑制劑（PIAS）的因子能直接與磷酸化的STAT二聚體結合，從而阻止其對DNA元件的識別。2F TNF信號轉導途徑 腫瘤壞死因子（TNF）是細胞凋亡、炎癥發生、免疫調節過程中一類重要的樞紐分子，它涉及到人類多種疾病的發病機制，如敗血癥、糖尿病、癌癥、骨質疏松癥、多重硬化癥、腸炎、風濕性關節炎等。TNF與TNF受體-1（TNF-R1）相互作用，能激活若干信號轉導途徑。2F TNF信號轉導途徑 早在一百年前就有人指出了TNF的抗癌活性，然而直到1984年純化了人的TNF并克隆表達了其cDNA編碼區，人們才對TNF的多重生物

44、活性有了一個全景式的了解。a TNF的結構與功能 TNF是一種由激活的巨噬細胞合成的同源三聚體，每個亞基有157個氨基酸。它能作用于兩種不同的細胞表面受體TNF-R1和TNF-R2，其中TNF-R1介導TNF的大部分生理活性。TNF與TNF-R1的結合能觸發一系列細胞內的級聯反應，最終激活兩大核內轉錄因子kB（NF-kB）和c-Jun。這兩大轉錄因子可誘導表達一組具有重要生理功能的基因，涉及細胞的生長凋亡、組織發育、腫瘤發生、免疫識別、炎癥反應、環境壓力應答等過程。 TNF與其受體TNF-R1所介導的信號轉導途徑的一個共同特征是，TNF能在細膜上誘導形成多蛋白信號轉導復合物。2F TNF信號轉

45、導途徑b TNF信號轉導途徑的工作原理TNF信號轉導途徑的第一步是TNF三聚體與TNF-R1的胞外功能域特異性結合，并從TNF-R1的胞內功能域上釋放出致死功能域（SODD）的抑制蛋白因子；由此集聚起來的TNF-R1胞內功能域又為TNF受體結合型致死功能域（TRADD）所識別；TRADD再吸引另外三種腳手架因子：受體相互作用型蛋白RIP、TNF-R結合因子2（TRAF2）、Fas結合型致死功能域FADD；然后，上述三種腳手架蛋白再將一些關鍵的酶分子分別召集起來，進而啟動三條分支途徑的信號轉導。 由FADD介導的分支途徑 Fas結合型致死功能域FADD將caspase-8蛋白酶召集到TNF-R1

46、復合物上，同時激活caspase-8（通過該蛋白酶的自降解效應），并由此引發一系列蛋白降解反（Fas途徑）應，最終導致細胞凋亡。由TRAF2介導的分支途徑TRAF2召集細胞凋亡蛋白-1的兩個抑制劑cIAP-1和cIAP-2，對細胞實施抗凋亡作用；此外，TRAF2還能激活有絲分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶（MAPKKK），如胞外信號調節型的激酶的激酶的激酶1（MEKK1）或凋亡刺激型激酶1（ASK1），它們通常以復合物的形式存在于受體的周圍，進而激活一個激酶級聯反應，最終導致c-Jun N端激酶（JNK）的激活，后者再使c-Jun磷酸化，并增強其轉錄刺激功能由RIP介導的分支途徑RIP是一種蛋

47、白激酶，起著最終激活轉錄因子NF-kB的功能，但RIP不是TNF誘導的NF-kB激活所必需的。NF-kB的激活過程依賴于磷酸化控制的泛激素化反應以及kB抑制劑（IkB）的降解作用，后者在未受刺激的細胞胞質中與NF-kB結合在一起。IkB激酶（IKK）是一種多蛋白復合物，以TNF誘導的方式使IkB磷酸化。IKK復合物的核心由兩個催化亞基IKKa、 IKKb和一個調節亞基NEMO（NF-kB必需的調節因子，又稱IKKg）構成。此外，IKK復合物中還含有一個激酶特異性的分子伴侶，由Cdc37和Hsp90兩種蛋白組成，其功能是幫助IKK復合物在胞質與質膜之間穿梭移動。RIP將上述IKK復合物吸引到的自

48、己身邊，并激活之，該過程通常在TNF配信號處理受體后數分鐘內便可完成。2F TNF信號轉導途徑c TNF介導的Fas信號轉導分支途徑 細胞程序性死亡（細胞凋亡）以及細胞死亡的其它相關形式在機體發育、穩態維持、腫瘤監視、免疫識別等過程中具有重要作用。細胞凋亡由兩條主要途徑啟動：內源性途徑從線粒體開始；外源性途徑通過致死受體與相應配體的結合而被激活。作為TNF信號轉導網絡中的一條分支途徑，Fas在細胞凋亡過程中起著重要的作用。Fas分支途徑的生理功效 Fas又稱為Apo-1或CD95，是腫瘤壞死因子受體（TNFR）超家族中的一個含有致死功能域的成員。Fas不僅在細胞凋亡的生理調節中起著重要作用，而

49、且還與各種惡性腫瘤和自身免疫疾病密切相關。Fas分支途徑的工作原理在配體不存在時，Fas依靠其分子上的配體前體裝配功能域形成無活的復合物。這種復合物與配體（FasL或對抗性抗體）相互作用后便重新組裝，進而形成致死誘導型轉導復合物DISC。這種Fas-DISC復合物中含有腳手架蛋白因子-Fas接合型的致死功能域蛋白（FADD）、蛋白酶caspase-8或caspase-10，能啟動細胞的程序性死亡過程。在DISC內，由FasL誘導的Fas、FADD、caspase-8或caspases-10級聯作用，導致這些caspase發生自發性蛋白水解加工反應，進而釋放出有活性的蛋白酶。Fas分支途徑的工作

50、原理 在I-型細胞中，加工好的caspase-8足以直接激活caspase家族的其它成員，它們分別作用于特定的底物，進而進入細胞程序性死亡的各個階段。 在II-型細胞中，caspase的激活還依賴于一輪信號擴增，即caspase-8介導裂解凋亡因子原Bcl-2的家族成員Bid繼而釋放線粒體型的凋亡因子原；后者激活caspase-9；活化的caspase-9激活劊子手caspase-3，caspase-3再依次激活Fas-DISC復合物外圍的caspase-8，從而形成一個正反饋循環Fas分支途徑的調控位點上述由Fas介導的細胞程序性死亡過程中的每一步都是調控的靶位點，這使得細胞對Fas配體的刺

51、激具有較大的彈性效應。Fas配體FasL的編碼基因在大多數細胞中是不轉錄的，在少數細胞中由轉錄調控因子NF-kB、AP1、或T細胞激活的核內因子（NF-AT）控制其表達，進而調控FasL/Fas介導的生物學效應（如激活誘導型CD4+T細胞死亡）。在某些情況下，細胞也可通過對Fas編碼基因表達的調控來左右Fas途徑的響應程度，例如由p53誘導的細胞程序性死亡就是采用這種機制。 2F TNF信號轉導途徑d TNF信號轉導途徑的生理意義 TNF信號轉導網絡一個有趣的特征是它同時連接了細胞凋亡（Fas分支途徑）、NF-kB（RIP分支途徑）、JNK（TRAF2分支途徑）三條通路，使得三者共同起源于TN

52、F-R1。當NF-kB通路不運行時，細胞對TNF誘導的細胞凋亡易感性增加，而NF-kB的強化激活則能防止細胞凋亡的發生。類似地，當細胞內缺少NF-kB時，TNF誘導的JNK通路激活強度增大，作用時間延長，而幾個由NF-kB激活的基因表達產物又通過TNF抑制JNK的激活。另一方面，NF-kB的激活能促進IkB和其它一些抑制因子（如cIAP）的重新合成，從而使得TNF信號轉導的持續時間和作用強度維持在一個穩定的水平上。2G TGF信號轉導途徑 轉化型生長因子-b b（TGF-b b）超家族的成員控制著多種發育和穩態維持過程，其活性受損會導致各種人類疾病，包括癌癥、軟骨發育障礙、肺源性高血壓等。 T

53、GF-b b家族成員這些重要生物功能的實現，依賴于TGF信號轉導途徑，也稱SMAD信號轉導途徑。2G TGF信號轉導途徑 轉化型生長因子-b（TGF-b）超家族的第一個成員，分泌型多肽因子TGF-b1，是在三十多年前發現的。迄今為止，在脊椎動物體內已經鑒定了三十多個新成員，并在無脊椎動物線蟲和果蠅中也發現了十幾個結構和功能相似的蛋白質。 TGF-b1信號轉導途徑中的很多組分是腫瘤抑制劑，在癌細胞中，它們的功能往往發生障礙。a TGF信號轉導途徑的配體與受體TGF的信號轉導過程脊椎動物、線蟲、果蠅的TGF信號轉導途徑相當保守簡單。與TGF-b家族信號相互作用的細胞表面受體是一種單跨膜的蛋白復合物

54、，含有一個胞內激酶功能域，能使Thr/Ser殘基磷酸化。該受體復合物包括兩個不同的轉膜蛋白，即I-型受體和II-型受體。配體結合后兩者相互結合，并發生單一方向的磷酸化反應，即II-型受體使I-型受體磷酸化，激活I-型受體上的激酶功能域，接著I-型受體再將信號傳遞給胞內腳手架因子SMAD家族成員。 2G TGF信號轉導途徑 SMAD腳手架蛋白家族是TGF途徑中胞內信號轉導復合物的核心組成部分，它從細胞表面受體處接受信號，并直接傳遞至核內。SMAD可分為三個不同的類別。b TGF信號轉導途徑的腳手架復合物受體調控型SMAD受體 調 控 型S M A D （ R -Smad）包括Smad1、Smad

55、2、Smad3、Smad5和Smad8。I-型受體直接在它們C端兩個保守的Ser殘基上磷酸化。磷酸化了的R-Smad在信號轉導途徑中擁有多種功能，它們誘導自身從受體復合物以及受體激活型SMAD錨定因子SARA（其功能就是將SMAD吸引至近膜處）上釋放出來，然后進入核內并得以積累。 輔助型SMAD輔助型SMAD（Co-Smad）只有Smad4一個成員。游離型的R-Smad進入核內之后，與Smad4構成異源復合物，這種復合物再與各種DNA結合蛋白、轉錄共激活因子、或轉錄共阻遏因子結合，進而正負調控相關靶基因的表達。抑制型SMAD抑制型SMAD包括Smad6和Smad7，其功能是抑制R-Smad的功

56、能，從而阻斷TGF信號轉導途徑。泛素依賴性的蛋白降解途徑控制著SMAD蛋白的豐度，進而使TGF信號轉導途徑處于一個穩定的狀態。2G TGF信號轉導途徑 脊椎動物擁有七種不同的 I-型受體和五種不同的 II-型受體，各型中的任何一種受體都能與另一型中的受體混合配對，并響應TGF-b b 配體家族的信號。盡管受體與配體復合物的形式并不完全一致，但其生物信號輸出的性質僅僅取決于 I-型受體。七種 I-型受體中的三種受體使R-Smad中的Smad2、Smad3磷酸化，進而轉導TGF-b b類的信號；另外四種 I-型受體則激活R-Smad中的Smad1、Smad5、Smad8，進而轉導由成骨蛋白（BMP

57、）信號分子介導的途徑。c TGF信號轉導途徑的復合形式2G TGF信號轉導途徑 由于細胞總是暴露在多重信號分子的作用之下，因此TGF信號轉導途徑也能與其它途徑交叉工作。例如，由受體酪氨酸激酶激活的MAPK能直接磷酸化SMAD，從而修飾TGF信號轉導途徑。此外SMAD也能與其它信號轉導途徑中的轉錄調控因子協同工作。ERK、p38、JNK）、蛋白激酶B（PKB/Akt）。c TGF信號轉導途徑的復合形式 雖然大量的證據表明，SMAD在TGF信號轉導途徑中起著極為重要的作用，但由TGF-b b介導的不依賴SMAD的信號轉導途徑同樣存在。例如。TGF-b b能迅速激活Rho家族成員GTP酶、MAPK（

58、如2H PI3K信號轉導途徑PP123456POHHOOHPP123456POHOHP磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸酯4,5-PIP2磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯3,4,5-PIP3PI3KCH2CHCH2OOCCOO磷酸肌醇-3-激酶2H PI3K信號轉導途徑 磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸酯（PIP2）的磷酸化反應，生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯（PIP3），后者在細胞生存、細胞代謝、細胞構架重組過程中起著重要作用。由PI3K介導的信號轉導途徑則與重度炎癥、糖尿病、癌癥密切相關。例如，PI3KNada Y. Kalaany & David M.

59、Sabatini，Nature，458，725，2009信號轉導途徑的異常激活會降低腫瘤組織對食物限制的敏感性。2H PI3K信號轉導途徑 磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）有多種分子形式，其中 IA 型的PI3Ks包括PI3Ka、PI3Kb、PI3Kd，它們通過含有蛋白質酪氨酸激酶活性的生長因子受體，負責響應生長因子的刺激，進而對細胞生長、分裂、生存等過程產生重要的調控作用；IB 型的PI3Ks主要包括PI3Kg，它為G蛋白偶聯型受體所激活。大多數目前已知的能激活PI3Kg的配體，均涉及對免疫系統及血管內壁的多種類型細胞內重要生理過程的調控，如炎癥發生、心血管平滑肌收縮等。a PI3K的結構與功

60、能IA型PI3K信號轉導途徑 IA型PI3K為異源二聚體，由一個調節亞基p85和一個催化亞基p110組成。在未被配體刺激的細胞中，調節亞基將催化亞基維持在一個低活性狀態；當生長因子受體或其它腳手架蛋白被激活，調節亞基便與受體磷酸化的Tyr殘基直接作用，進而介導催化亞基Pp85PPPp110RasGTP信號分子PIP2PIP3的激活。另一方面，被受體激活了的Ras蛋白也能直接作用于p110，更進一步刺激PI3K的活性，從而實現信號的放大。活化了的PI3K將質膜脂雙層上的磷脂酰肌醇-受體4,5-二磷酸酯PIP2轉化為磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸酯PIP3 。 PI3Ka a / PI3Kb b / PI