1、第三章發育中的細胞信號途徑 不同物種的胚胎發育有著相似的分子機制和調控網絡。 保守的，參與了不同物種及同一物種不同組織器官的發育過程。 有限的，參與早期胚胎發育的主要信號途徑包括：Wnt、TGF/BMP、Hedgehog、RTK、Notch信號途徑。 這些信號參與了大部分胚胎發育過程。第一節第一節 參與早期胚胎發育的信號調節途徑參與早期胚胎發育的信號調節途徑一、TGF信號途徑 轉化生長因子轉化生長因子 是一類是一類分泌性的信號分子分泌性的信號分子超超家族，包括家族，包括30多個成員，可分為多個成員，可分為TGF 、BMP（骨形態發生蛋白）、（骨形態發生蛋白）、Activin等亞類。等亞類。 T

2、GF 類分子以前體形式合成，需要經過加類分子以前體形式合成，需要經過加工才能成為有活性的成熟形式，其成熟單體工才能成為有活性的成熟形式，其成熟單體之間通過之間通過二硫鍵二硫鍵形成形成二聚體二聚體。TGF-beta-FamilyBMP = Bone Morphogenic ProteinGDF = Growth and Differentiation Factor TGF 家族因子在早期發育中起關鍵作用：家族因子在早期發育中起關鍵作用： TGF 1，2，3，5參與參與細胞外基質細胞外基質形成和形成和 細細胞分裂胞分裂的調節；的調節； BMP在脊椎動物及果蠅胚胎的在脊椎動物及果蠅胚胎的背背-腹軸圖

3、式形成腹軸圖式形成中起作用中起作用； Nodal(BMP因子亞類）在脊椎動物胚胎因子亞類）在脊椎動物胚胎中胚層中胚層的圖式形成及左右軸建立的圖式形成及左右軸建立過程中起關鍵作用。過程中起關鍵作用。TGF-家族的受體家族的受體型型(RI)(RI)和和型受體型受體(R(R) )都是胞質區具有都是胞質區具有絲氨酸（絲氨酸（serineserine）/ /蘇氨酸（蘇氨酸（threoninethreonine）激酶活性的激酶活性的單次跨膜蛋白單次跨膜蛋白；TGFTGF 結合結合RIIRII并誘導形成并誘導形成RIRI和和RIIRII結合形成四聚體；結合形成四聚體；R R 最豐富最豐富, , 為為細胞表面

4、糖蛋白細胞表面糖蛋白，能結合并富集細胞表面附近的，能結合并富集細胞表面附近的TGF,TGF,但在胞但在胞漿中存在的時間很短，不能漿中存在的時間很短，不能介導介導TGF-TGF-的活性的活性。 TGFTGF 配體首先與配體首先與型受體結合，進而型受體結合，進而TGF-TGF-的的型受體也被募集到這一復合體中型受體也被募集到這一復合體中( (形成形成四聚體），四聚體）， T T R R會磷酸化會磷酸化T T R R ，并使其，并使其活化?；罨mads Smad蛋白在傳遞蛋白在傳遞TGF 信號通路中非常重要；信號通路中非常重要； TGF 信號通路中包括三種類型信號通路中包括三種類型 Smad 蛋

5、白：蛋白： receptor-regulated Smads (R-Smads), co-Smads, (Smad4) inhibitory or antagonistic Smads (I-Smads). (Smad6，7)激活的激活的RIRI磷酸化磷酸化R-SmadR-Smad，導致其變構，暴露出導致其變構，暴露出NLSNLS；兩分子兩分子R-SmadR-Smad與一分子與一分子co-Smad(co-Smad(Smad4Smad4) )相互作用相互作用，并與，并與importinimportin（輸入（輸入蛋白）蛋白） 形成一個大的細形成一個大的細胞質復合體。胞質復合體。TGF-Smad

6、signaling pathway整個復合體轉位進入細胞核，整個復合體轉位進入細胞核，RanGTPRanGTP導致導致importin importin 與之解與之解離，形成一個激活的復合體；離，形成一個激活的復合體；激活的復合體與靶基因的調節元件相互作用調節基因的表激活的復合體與靶基因的調節元件相互作用調節基因的表達。達。 WntWnt是一類是一類分泌型糖蛋白分泌型糖蛋白，通過，通過自分泌或旁分泌發自分泌或旁分泌發揮揮作用。作用。 在小鼠中，腫瘤病毒整合在在小鼠中，腫瘤病毒整合在WntWnt之后而導致乳腺癌之后而導致乳腺癌，命名為，命名為Int1Int1（wnt1wnt1），它與果蠅的無翅基

7、因（），它與果蠅的無翅基因（WinglessWingless，wgwg）有高度同源性。）有高度同源性。 WntWnt信號途徑能引起胞內信號途徑能引起胞內-連鎖蛋白（連鎖蛋白（-catenincatenin）積累。）積累。二、二、WntWnt信號途徑信號途徑Wnt家族成員家族成員 根據其根據其活性的差異活性的差異，可將，可將WntWnt蛋白分為兩大蛋白分為兩大類：類：Wnt-1Wnt-1wgwg類類和和Wnt-5aWnt-5a類類?！?Wnt1Wnt1類基因包括類基因包括Wnt-1Wnt-1，-2-2，-3A-3A，-7B-7B，-8-8及及-8B-8B，winglesswingless等，在爪

8、蟾胚胎中異位表等，在爪蟾胚胎中異位表達時可以達時可以誘導次級體軸誘導次級體軸的形成；的形成； Wnt-5aWnt-5a類成員包括類成員包括Wnt-4Wnt-4，-5A-5A及及-11-11等，可等，可以以降低細胞的黏著性降低細胞的黏著性，改變細胞的運動狀態。，改變細胞的運動狀態。 該途徑參與了該途徑參與了脊椎動物胚胎體軸的建立與分脊椎動物胚胎體軸的建立與分化、果蠅的分節化、果蠅的分節等發育過程。等發育過程。 WntWnt的主要受體是的主要受體是Frizzled(Fz)Frizzled(Fz)家族受體，屬家族受體，屬于于7 7次跨膜蛋白，在結構上與次跨膜蛋白，在結構上與G-G-蛋白偶聯受體蛋白偶

9、聯受體類似。類似。1.Wnt/ -catenin途徑途徑（又稱（又稱經典經典Wnt信號途徑信號途徑） Wnt/Wnt/ -catenin-catenin信號的活化還需要另一個信號的活化還需要另一個WntWnt輔助受體輔助受體LRP5/6 LRP5/6 ( (果蠅中的同源蛋白稱為果蠅中的同源蛋白稱為ArrowArrow) )。 -catenin (-catenin (果蠅中稱為果蠅中稱為Armadillo)Armadillo)是經是經典典wntwnt信號通路中的信號通路中的效應因子效應因子。 -catenin-catenin具有兩種功能：具有兩種功能： 一方面它可與一方面它可與鈣黏蛋白及肌動蛋白

10、鈣黏蛋白及肌動蛋白結合，結合，從而將從而將細胞粘連復合體與細胞骨架細胞粘連復合體與細胞骨架相連，相連，對于細胞粘連具有重要作用；對于細胞粘連具有重要作用； 另一方面，存在于細胞之中的可溶性另一方面，存在于細胞之中的可溶性 - -catenincatenin參與了參與了WntWnt信號的傳導。信號的傳導。在在WntWnt信號未激活，信號未激活， -catenin-catenin與多種蛋白形成一個復合體并被與多種蛋白形成一個復合體并被GSK3GSK3磷酸磷酸化，然后通過化，然后通過泛素泛素- -蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑被迅速降解。被迅速降解。GSK-3GSK-3：是一種蛋白激酶：是一種蛋白激酶(

11、(糖原合成激酶糖原合成激酶-3-3），能將磷酸基團加到），能將磷酸基團加到-catenin-catenin氨基端的絲氨酸氨基端的絲氨酸/ /蘇氨酸殘基上。蘇氨酸殘基上。 當當Wnt配體與配體與FzLRP6結合時會誘導結合時會誘導Axin與與LRP6膜內部分結合，膜內部分結合，使得原蛋白復合體解聚。同時使得原蛋白復合體解聚。同時fz可通過可通過Dsh抑制抑制GSK3的活性。的活性。 -catenin不能再被降解而在細胞質內積累，并進入細胞核內，與不能再被降解而在細胞質內積累，并進入細胞核內，與T-細細胞因子胞因子(T cell factor，TCF)家族的轉錄因子一起激活靶基因家族的轉錄因子一起

12、激活靶基因(如如xnr3、，、，siamois)的轉錄。的轉錄。Wnt信號途徑可概括為：信號途徑可概括為：WntFrzDsh-catenin的降的降解復合體解散解復合體解散-catenin積累，進入細胞核積累，進入細胞核TCF/LEF基基因轉錄（因轉錄（如如xnr3、，、，siamois ）。）。With WntFzLRPDshAxinGSK3APC-cateninPTCFTLETarget genesproteasomeWnt-catenin-catenin-cateninWntJNK途徑又稱為途徑又稱為平面細胞平面細胞極性途徑極性途徑或或非經典非經典Wnt信號途徑信號途徑，最初發現于果蠅。

13、最初發現于果蠅。fz和和Dsh參與了這一過程。參與了這一過程。Dsh的下游因子包括的下游因子包括Rho家族的家族的小分子小分子GTPGTP酶酶(small GTPase)RhoA和和Rac。Rho家族的小分子家族的小分子GTP酶對酶對細胞細胞骨架的調節骨架的調節起著關鍵作用。已知許多起著關鍵作用。已知許多對細胞骨架調節蛋白都是對細胞骨架調節蛋白都是RhoGTP酶的酶的下游效應分子。下游效應分子。2. wnt/JNK 途徑途徑三、三、HedgehogHedgehog信號途徑信號途徑 Hedgehog是一種是一種共價結合膽固醇的分泌性蛋白共價結合膽固醇的分泌性蛋白，在動物，在動物發育中起重要作用。

14、發育中起重要作用。 果蠅的該基因突變導致果蠅的該基因突變導致幼蟲體表幼蟲體表出現許多刺突，形似刺出現許多刺突，形似刺猬，故名猬，故名Hedgehog。 脊椎動物中至少有脊椎動物中至少有3個基因個基因編碼編碼Hedgehog蛋白，即：蛋白，即：Shh（Sonic hedgehog）、）、Ihh（Indian hedgehog）和和Dhh（desert hedgehog），其中），其中Shh是根據電子游是根據電子游戲中的角色命名的，后兩者是用刺猬的兩個種命名的。戲中的角色命名的，后兩者是用刺猬的兩個種命名的。兩個跨膜蛋白兩個跨膜蛋白Patched（Ptc）和和Smoothened（Smo）介導介導

15、Hedgehog信號向胞內傳遞。信號向胞內傳遞。Ptc是是12次跨膜蛋白，能與次跨膜蛋白，能與Hedgehog結合；結合；Smo為為7次跨膜蛋白，與次跨膜蛋白，與G G蛋白偶蛋白偶聯型受體同源聯型受體同源。在無在無Hedgehog的情況下，的情況下，Ptc抑抑制制Smo。當。當Hedgehog與與Ptc結合結合時，則解除了時，則解除了Ptc對對Smo的抑制作的抑制作用，引發下游事件。用，引發下游事件。Hedgehog信號途徑的是具有信號途徑的是具有鋅指結鋅指結構構，分子量，分子量155KD的的轉錄因子是轉錄因子是Ci（Cubitus interruptus，在脊椎動物，在脊椎動物中為中為Gli

16、）。）。在沒有在沒有Hedgehog信號時，在胞質中信號時，在胞質中Ci與其它蛋白形成復合體與其它蛋白形成復合體(Fu（Fused，一種絲氨酸一種絲氨酸/蘇氨酸激酶）、蘇氨酸激酶）、Cos（Costal，一種能將復合體錨定在微，一種能將復合體錨定在微管上的蛋白）和管上的蛋白）和Su（suppressor of Fused，適配蛋白），適配蛋白）。 Ci被水解為被水解為75KD的片段，進入細胞核，抑制的片段，進入細胞核，抑制Hedgehog信號效應基因。信號效應基因。當當HedgehogHedgehog與與PtcPtc結合時，結合時，CiCi的降解被抑制，從復合體中釋的降解被抑制，從復合體中釋放

17、出來，全長的放出來，全長的CiCi進入細胞核進入細胞核中，啟動相關基因表達。中，啟動相關基因表達。靶基因包括靶基因包括WntWnt和和PtcPtc。PtcPtc的表達，又會抑制的表達，又會抑制SmoSmo，從而抑，從而抑制制HedgehogHedgehog信號，是一種反信號，是一種反饋調節。饋調節。notchnotch四、四、Notch信號途徑信號途徑 Notch基因最早發現于果蠅，部分功能缺失導致基因最早發現于果蠅，部分功能缺失導致翅緣缺刻翅緣缺刻。 Notch信號途徑由信號途徑由Notch、Notch配體（配體（DSL蛋白）蛋白）和和CSL（一類（一類DNA結合蛋白）結合蛋白）等組成。等組

18、成。 Notch及其配體均為及其配體均為單次跨膜蛋白單次跨膜蛋白，當配體和相，當配體和相鄰細胞的鄰細胞的Notch結合后，結合后，Notch被蛋白酶體切割，被蛋白酶體切割，釋放出具有釋放出具有核定位信號核定位信號的胞質區的胞質區NICD（ Notch intracellular domain ），進入細胞核與），進入細胞核與CLS結合，結合，調節基因表達。調節基因表達。Notch : 跨膜受體跨膜受體胞外區具有不同數量的胞外區具有不同數量的EGF樣重復序列（樣重復序列（EGF-R），），3個個LNR（Lin/Notch repeats）。胞內區由）。胞內區由RAM（RBP-J kappa as

19、sociated molecular）結構域、）結構域、6個錨蛋白（個錨蛋白（cdc10/ankyrin，ANK）重復序列、）重復序列、2個核定位信號（個核定位信號（NLS）、TAD結構域和結構域和PEST結構域。結構域。NotchNotch蛋白經三次切割：蛋白經三次切割：第一次在高爾基體內被第一次在高爾基體內被furinfurin類轉化酶類轉化酶切割為切割為2 2個個片斷，轉運到細胞膜形成片斷，轉運到細胞膜形成異異二聚體二聚體。當配體結合，當配體結合，腫瘤壞死腫瘤壞死因子因子-轉化酶轉化酶（TACETACE）切割，然后被切割，然后被-促分泌酶促分泌酶（-secretase-secretase

20、）切割。）切割。酶切以后釋放酶切以后釋放NotchNotch胞內胞內區區NICDNICD，進入細胞核發揮生，進入細胞核發揮生物學作用。物學作用。Notch 配體：配體：DSL 果蠅中果蠅中NotchNotch的配體為的配體為DeltaDelta和和SerrateSerrate，線蟲，線蟲為為Lag-2Lag-2，取首寫字母，取首寫字母，NotchNotch的配體又被稱為的配體又被稱為DSLDSL蛋白蛋白，在哺乳動物中，在哺乳動物中叫做叫做JaggedJagged； NotchNotch的配體都是單次跨的配體都是單次跨膜糖蛋白，其胞外區含膜糖蛋白，其胞外區含有數量不等的有數量不等的EGFEGF樣

21、重復樣重復區，區，N N端有一個結合端有一個結合NotchNotch必需的必需的DSLDSL基序?；颉igand(Delta)(Serrate)CSL：轉錄因子：轉錄因子 在哺乳動物中叫做在哺乳動物中叫做CBF1，在果蠅中叫做，在果蠅中叫做Suppressor of Hairless，在線蟲中叫做，在線蟲中叫做Lag-1，故名，故名CSL NICD不存在時，不存在時，CSL為轉錄抑制因子。當結合為轉錄抑制因子。當結合ICN時，時，CSL能誘能誘導相關基因的表達。導相關基因的表達。 Notch信號的靶基因多為信號的靶基因多為堿堿性螺旋性螺旋- -環環- -螺旋類轉錄因螺旋類轉錄因子子（bas

22、ic helix-loop-helix，bHLH），它們又調），它們又調節其它與細胞分化直接相節其它與細胞分化直接相關的基因的轉錄。如哺乳關的基因的轉錄。如哺乳動物中的動物中的HES（hairy/ enhancer of split）等。）等。五、酪氨酸激酶受體途徑五、酪氨酸激酶受體途徑1.RTKs 1.RTKs ：為單次跨膜蛋白，配體（如：為單次跨膜蛋白，配體（如EGFEGF） 與受體結合與受體結合。導致二聚化，二聚體內彼此相互磷酸化胞內段。導致二聚化，二聚體內彼此相互磷酸化胞內段酪氨酸酪氨酸殘基殘基。2.2.配體（如配體（如EGFEGF）：）：與受體結合。導致二聚化，二聚體內與受體結合。導

23、致二聚化，二聚體內彼此相互磷酸化胞內段彼此相互磷酸化胞內段酪氨酸殘基酪氨酸殘基，為多種，為多種信號傳遞蛋白信號傳遞蛋白提供提供結合部位。結合部位。3.3.信號分子間的識別結構域信號分子間的識別結構域4.RAS信號途徑信號途徑5.激活激活肌醇磷脂肌醇磷脂信號途徑信號途徑 包括各類包括各類細胞因子（如干擾素）的受體細胞因子（如干擾素）的受體，在造血細胞，在造血細胞和免疫細胞通訊上起作用。受體本身不具有酶活性，和免疫細胞通訊上起作用。受體本身不具有酶活性，但可連接但可連接胞內酪氨酸蛋白激酶胞內酪氨酸蛋白激酶（如（如JAK），信號途徑為），信號途徑為JAKSTAT或或RAS途徑。途徑。 JAK（jan

24、us kinase）屬）屬非受體酪氨酸激酶非受體酪氨酸激酶家族。家族。 JAK的底物為的底物為STAT，即，即信號轉導子和轉錄激活子信號轉導子和轉錄激活子（signal transducer and activator of transcription，STAT） 。六、六、JAKSTAT信號途徑信號途徑JAK/STAT Pathway配體與受體結合導致受體二聚配體與受體結合導致受體二聚化；二聚化受體激活化；二聚化受體激活JAK；JAK將將STAT磷酸化；磷酸化；STAT形成二聚體，暴露出入核形成二聚體，暴露出入核信號；信號；STAT進入核內，調節基進入核內，調節基因表達。因表達。七、視黃酸途

25、徑七、視黃酸途徑RARA在脊椎動物神經系統前后軸的圖式形成及肢的再生過程中具有作用在脊椎動物神經系統前后軸的圖式形成及肢的再生過程中具有作用。第二節 信號活性的調控與相互關聯一、信號活性的調控一、信號活性的調控1.1.對對配體配體活性的調節；活性的調節；2.2.對對受體受體活性的調節；活性的調節；3.3.對信號途徑中對信號途徑中轉轉錄效應因子錄效應因子活性的調控；活性的調控；4.4.信號活性的信號活性的負反饋負反饋調節調節二、信號途徑的關聯與整合二、信號途徑的關聯與整合1.1.不同信號傳遞途徑的相互關聯不同信號傳遞途徑的相互關聯同一信號分子可同時激活多種同一信號分子可同時激活多種下游傳遞鏈下游

26、傳遞鏈; ;很多很多信號效應因子信號效應因子都是多功都是多功能的能的( (如蛋白激酶如蛋白激酶) )，可能會調節其他途徑信號因子的活性，可能會調節其他途徑信號因子的活性. .2.2.信號途徑的特異性調控信號途徑的特異性調控同一信號途徑在不同組織中激活同一信號途徑在不同組織中激活不同的靶基因不同的靶基因；上述信號途徑的靶基因往往同時受到組織特異性轉錄上述信號途徑的靶基因往往同時受到組織特異性轉錄因子的協同調控；組織特異性轉錄因子決定著其靶基因子的協同調控；組織特異性轉錄因子決定著其靶基因的特異性。因的特異性。只有當信號途徑只有當信號途徑轉錄效應因子轉錄效應因子與與組織特異轉錄因子組織特異轉錄因子同時同時結合到靶基因的增強子元件時，其靶基因的轉錄才會被激活結合到靶基因的增強子元件時，其靶基因的轉錄才會被激活。 組織特異性轉錄因子決定靶基因表達的組織特異性轉錄因子決定靶基因表達的組組織特異性織特異性，而信號途徑的活性決定靶基因，而信號途徑的活性決定靶基因表達的區域特異性。表達的區域特異性。 這些組織特異性轉錄