1、第十九章Cell Signal Transduction細胞信號轉導揚州大學生物科學與技術學院參考文獻Bruce Alberts et al. Molecular biology of the cell. (Fourth edition) Garland Science, Taylor and Francis Group, 2002孫大業等編著 細胞信號轉導（第3版）科學出版社 2001G Krauss著（孫超等譯） 信號轉導與調控的生物化學（第3版）化學工業出版社 2005網絡資源揚州大學生物科學與技術學院本章講課要點了解信號轉導的基本概念掌握構成信號轉導途徑的基本要素及其特點掌握信號轉導的

2、分子機理了解信號轉導研究的最新進展及發展趨勢學習方法：課堂講授與課后自學相結合課時安排：2學時揚州大學生物科學與技術學院第一節 引言揚州大學生物科學與技術學院圖1 近30年來公開發表的與細胞信號轉導相關的論文變化趨勢揚州大學生物科學與技術學院2001 L. H. Hartwell, R. T. Hunt, P. M. Nurse M&P key regulators of the cell cycle2002 S. Brenner, H. R. Horvitz, J. E. Sulston M&P ApoptosisTable1 Nobel prizes awarded for researc

3、h in signal transduction揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院Part 1. 訪問科學周刊科學周刊是科學在線最主要的部分。它創建于1880年，是在國際學術界享有盛譽的綜合性科學周刊，影響因子在所有科技類出版物中排名前列。 每周五，當科學周刊最新一期的印刷版向世界各地的訂戶投寄時，電子版的最新一期已經可以通過網絡獲得。揚州大學生物科學與技術學院訪問科學周刊點擊 Magazine 選項卡關鍵字搜索此處可選擇訪問Science現刊和過刊揚州大學生物科學與技術學院訪問科學周刊訪問現刊在本刊內搜索揚州大學生物科學與技術學院訪問科學周刊訪問過刊選擇一本過刊進行瀏覽揚州

4、大學生物科學與技術學院科學此刻(Science Now) ：每個美國的工作日，科學周刊的新聞組都會為網上用戶提供幾篇3、4段長的、有關科研成果或科學政策的最新消息。這些消息短小精煉，使讀者花不多的時間就能及時了解世界各地各科研領域的最新進展。Part . 訪問 Science Now揚州大學生物科學與技術學院Science Now 包含了： Daily News Science Shots Daily News Archive如何訪問Science Now對于 Daily News，在發布后四周內，所有用戶可免費瀏覽四周之后將被收錄到 Daily News ArchiveScience Sho

5、ts 對所有訪問者免費揚州大學生物科學與技術學院科學用于及時報道研究文章的網上預先出版服務。每周會有一些已被科學認可的文章放于網上。 Part . 訪問 Science Express揚州大學生物科學與技術學院如何訪問Science Express點擊雜志選項卡選擇 Science Express揚州大學生物科學與技術學院科學知識環境 (Science Knowledge Environment)：知識環境 (Knowledge Environment, KE) 是近科學的編輯人員在科學在線上開辟的新服務，專為一些特殊領域的研究人員提供豐富的、互聯的、可檢索的信息和知識資源；包括讀者自己的虛擬

6、電子刊物、研究人員的網上社區和研究所需的資源等。目前已經運行的知識環境有兩個：“信號轉導”(Signal Transduction Knowledge Environment， 簡稱STKE) 和“衰老科學”(Science of Aging Knowledge Environment，簡稱SAGE KE) Part 4. 訪問 STKE 及SAGE KE揚州大學生物科學與技術學院訪問SKTE和SAGE KE在此選擇訪問 SKTE 和 SAGE KE揚州大學生物科學與技術學院Science Online 讀者幫助Science Online 為讀者提供了在線幫助，如果您在訪問過程中遇到什么問題

7、，可隨時點擊此處訪問幫助頁面揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院信號轉導是生命科學研究領域的研究熱點之一NIH在2004年確定的今后十年研究重點領域是Discovery of new cellular signaling pathway揚州大學生物科學與技術學院一、信號與信號轉導egg caterpillarchrysalis butterfly 生物體的新陳代謝和生長發育主要受遺傳信息及環境變化信息的調節控制 如何控制基因的表達及增殖、分化、發育等是分子生物學最大挑戰。 環境刺激在此過程中起著重要的調節作用“細胞信號轉導”研究的主要內容。它研究的中心問題是細胞感受、轉導環境刺

8、激及調節生理反應和基因表達的分子途徑。揚州大學生物科學與技術學院一、信號與信號轉導信號轉導 ：通常是指細胞通過細胞表面(或細胞內)受體接受外界信號，通過系統級聯傳遞機制，將細胞外信號轉導為細胞內信號，最終引起細胞生理反應或誘導特定基因的表達，引起細胞的應答反應。這種特定的反應系統稱之為細胞信號通路。 揚州大學生物科學與技術學院一、信號與信號轉導信號（signal）:是指在生物體生長發育過程中所受到的各種刺激，又稱為初級信使或第一信使（primary messenger）信號的分類1、信號及信號轉導途徑的基本概念來 源胞外信號胞內信號分子性質 化學信號物理信號揚州大學生物科學與技術學院2、細胞信

9、號轉導分為三個階段（時期）：感受（Perception）: 即靶細胞（target cell）對來自于胞外的信號分子應答（檢測）。通常是通過位于細胞質膜上的蛋白質分子（稱為受體）所感知。當信號分子與受體蛋白特異性相互作用（結合）后，引起后者發生某種變化（活性或構象等），進而下游的信號轉導過程。信號轉導（Transduction stage）:信號的轉換：即將信號分子轉化為一種能產生特異性細胞應答的形式。信號轉導通常需要一系列不同分子的參與，呈現級聯放大形式揚州大學生物科學與技術學院應答（Response）:被轉導的信號引發(triggers) 特異的生理生化過程的改變2、細胞信號轉導分為三個階

10、段（時期）： 因此，細胞信號轉導過程可有助于一些關鍵性細胞活性在恰當的時間、適合的細胞以及與其它細胞協調地發生。揚州大學生物科學與技術學院一、信號與信號轉導3、信號的歸類：（1）細胞代謝信號它們使細胞攝入并代謝營養物質，提供細胞生命活動所需要的能量；（2）細胞分裂信號它們使與DNA復制相關的基因表達，調節細胞周期，使細胞進入分裂和增殖階段；（3）細胞分化信號它們使細胞內的遺傳程序有選擇地表達，從而使細胞最終不可逆地分化成為有特定功能的成熟細胞；（4）細胞功能信號如激素、蛋白、核苷酸等，使細胞能夠進行正常的代謝活動等；（5）細胞死亡信號這是細胞一生中發出的最悲壯、最慘烈的信號。這類信號一旦發出，

11、為了維護多細胞生物的整體利益和生物種系的最高利益，就在局部范圍內和一定數量上發生細胞的利他性自殺死亡！ 揚州大學生物科學與技術學院二、信號轉導系統的特征 1、為什么信號轉導途徑比代謝途徑等途徑要復雜得多？(1) 人們可以通過示蹤技術檢測出代謝底物化學轉化的連續步驟，但是不能夠直接用這種方法來研究信號轉導。因為在信號轉導途徑中輸入信號的化學結構與信號的靶分子的結構一般是沒有關系的。(2) 與代謝反應等不同，信號的化學結構并不對其下游的過程產生影響。而代謝底物或者基因轉錄調節因子的構象會影響各自相關途徑的進行；(3) 與依賴模板的反應，如基因轉錄和DNA復制不同，在信號轉導途徑中不存在對全過程的進

12、行和結局起操縱作用的模板；(4) 其他途徑常常是由線性排列的過程組成，一個反應接著另一個反應地、沿著既定的方向依次進行，直到終止。可以說，它們是直通式的，縱向交流的。而信號轉導途徑是非線性排列的。實際上，許多信號轉導途徑可以通過一系列的蛋白質與蛋白質相互作用形成一個網絡（network），它們是全方位地交流的。揚州大學生物科學與技術學院二、信號轉導系統的特征 2、信號轉導途徑的特性：（1）信號轉導分子存在的暫時性 （2）信號轉導分子活性變化的可逆性 （3）信號轉導分子激活機制的類同性 （4）信號轉導途徑的連貫性（5）作用的瞬時性與效果的永久性（6）信號轉導的網絡化 （7）信號轉導的專一性Rec

13、eptorSignal揚州大學生物科學與技術學院 第 二 節 信 號 物 質Signal Molecules揚州大學生物科學與技術學院 一、信號物質（一）細胞間信號物質(extracellular signal molecules)是由細胞分泌的調節靶細胞生命活動的化學物質的統稱，為第一信使。（一）細胞間信號物質 （二）、細胞內信號物質揚州大學生物科學與技術學院 化學性質* 蛋白質和肽類（如生長因子、細胞因子、胰島素等）* 氨基酸及其衍生物（如甘氨酸、甲狀腺素、腎上腺素等）* 類固醇激素（如糖皮質激素、性激素等）* 脂酸衍生物（如前列腺素）* 氣體（如一氧化氮、一氧化碳）等揚州大學生物科學與技

14、術學院1、神經遞質例如：乙酰膽堿、去甲腎上腺素等分 類2、 內分泌激素 例如：胰島素、甲狀腺素、腎上腺素等揚州大學生物科學與技術學院3、局部化學介質又稱旁分泌信號(paracrine signal 例如：細胞因子、生長因子、前列腺素等。4、氣體信號 例如* NO合酶（NOS）通過氧化L-精氨酸的胍基而產生NO *血紅素單加氧酶氧化血紅素產生的CO 等揚州大學生物科學與技術學院第一信使物質經轉導刺激細胞內產生的傳遞細胞調控信號的化學物質，稱第二信使。主要為小分子物質，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代謝產物等。（二）、細胞內信號物質第三信使(third m

15、essenger) 負責細胞核內外信息傳遞的物質，又稱為DNA結合蛋白，是一類可與靶基因特異序列結合的核蛋白，能調節基因的轉錄。如立早基因(immediate-early gene)的編碼蛋白質 。揚州大學生物科學與技術學院第 三 節 受 體Receptor揚州大學生物科學與技術學院能與受體呈特異性結合的生物活性分子則稱 配體(ligand)。受體的定義受體是指存在于細胞內或細胞表面，能與信號分子或稱配體（ligand）特異結合并能引起特定生理生化效應的一類特殊的蛋白質 ，個別是糖脂。 受體的基本特征（1）能識別和結合信號分子，具有專一性；（2）能轉導信號為細胞反應，產生特定的生理生化效應；（

16、3）具有組織特異性；（4）對配基具有高親和性；（5）與配基結合具有飽和性和可逆性。揚州大學生物科學與技術學院根據細胞定位一、受體的分類、一般結構與功能膜受體：存在于細胞質膜上的受體，絕大部分是鑲嵌糖蛋白。根據其結構和轉換信號的方式又分為三大類：離子通道受體，G蛋白偶聯受體和單跨膜受體。（一）膜受體(membrane receptor)目 錄（二）胞內受體(intracellular receptor)揚州大學生物科學與技術學院1. 環狀受體 配體依賴性離子通道 (離子通道型受體)揚州大學生物科學與技術學院. . . .受體配體CellCell通道關閉狀態通道開啟,細胞應答揚州大學生物科學與技術

17、學院2. G 蛋白偶聯受體(G-protein coupled receptors, GPCRs)又稱七個跨膜螺旋受體/蛇型受體(serpentine receptor) G蛋白偶聯受體的結構矩型代表-螺旋， N端被糖基化，C端的半胱氨酸被棕櫚酰化。目 錄揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院G蛋白偶聯受體結構的特點：* 受體的N端可有不同的糖基化。 * 受體內有一些高度保守的半胱氨酸殘基，對維持受體的結構起到關鍵作用。 * 胞內的第二和第三個環能與G-蛋白相偶聯 。 揚州大學生物科學與技術學院 G蛋白(guanylate binding protein)是一類和GTP或GDP相

18、結合、位于細胞膜胞漿面的外周蛋白，由、 三個亞基組成。揚州大學生物科學與技術學院RHACGDPGTP腺苷酸環化酶ACATPcAMP揚州大學生物科學與技術學院 此類受體的信息傳遞可歸納為 激素 受體蛋白酶 第二信使蛋白激酶酶或其他功能蛋白 生物學效應揚州大學生物科學與技術學院本 質：跨膜糖蛋白，含一個螺旋類型1：膜外部分為配體結合區域 膜內側具有酪氨酸蛋白激酶活性類型2：本身不具有酶的活性 結合配體后與蛋白激酶偶聯而有活性作 用：與配體結合后可使受體本身磷酸化， 可催化底物蛋白特定的Tyr殘基磷酸化如：胰島素受體3、具有酶活性的受體揚州大學生物科學與技術學院 含TPK結構域的受體EGF:表皮生長

19、因子 IGF-1:胰島素樣生長因子PDGF:血小板衍生生長因子 FGF:成纖維細胞生長因子目 錄揚州大學生物科學與技術學院與配體結合后具有酪氨酸蛋白激酶活性，如胰島素受體insulin growth factor receptor, IGF-R 表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGF-R)。與配體結合后，可與酪氨酸蛋白激酶偶聯而表現出酶活性，如生長激素受體、干擾素受體。非酪氨酸蛋白激酶受體型酪氨酸蛋白激酶受體型（催化型受體）目 錄揚州大學生物科學與技術學院自身磷酸化(autophosphorylation) 當配體與單跨膜螺旋受體結合后，催

20、化型受體(catalytic receptor)大多數發生二聚化，二聚體的酪氨酸蛋白激酶(tyrosine protein kinase, TPK)被激活，彼此使對方的某些酪氨酸殘基磷酸化，這一過程稱為自身磷酸化。該型受體與細胞的增殖、分化、分裂及癌變有關 揚州大學生物科學與技術學院具有鳥嘌呤環化酶活性的受體 胞外胞內膜受體可溶性受體PKH GCGC 具有鳥苷酸環化酶活性的受體結構 PKH：激酶樣結構域 GC： 鳥苷酸環化酶結構域目 錄屬于具有酶活性受體揚州大學生物科學與技術學院 受體的結構（二）胞內受體(intracellular receptor)位于細胞漿和細胞核中的受體，全部為DNA結

21、合蛋白(或轉錄因子類)高度可變區位于N端，具有轉錄活性DNA結合區含有鋅指結構激素結合區位于C端，結合激素、熱休克蛋白，使受體二聚化，激活轉錄鉸鏈區:含核定位序列 (NLS)揚州大學生物科學與技術學院核受體結構示意圖目 錄揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院 相關配體類固醇激素、甲狀腺素和維甲酸等 功 能 多為反式作用因子，當與相應配體結合后，能與DNA的順式作用元件結合，調節基因轉錄。揚州大學生物科學與技術學院第 四 節信號轉導通路 Signal Transduction Pathway揚州大學生物科學與技術學院 一、膜受體介導的信號轉導 cAMP- 蛋白激酶途徑 Ca2+-

22、 依賴性蛋白激酶途徑 cGMP- 蛋白激酶途徑 酪氨酸蛋白激酶途徑 核因子 途徑 TGF-途徑 揚州大學生物科學與技術學院（一）cAMP - 蛋白激酶途徑組成胞外信息分子，受體，G蛋白，腺苷酸環化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)揚州大學生物科學與技術學院該信號轉導途徑的級聯反應為:信號分子膜受體G蛋白 ACcAMP PKA 生理效應效應蛋白信號的級聯放大揚州大學生物科學與技術學院G 蛋 白ATPcAMP無活性的 蛋白激酶有活性的 蛋白激酶蛋 白 質 磷 酸 化 酶酶或蛋白質 酶 或蛋白質PPPi磷酸酶生理效應

23、腺苷酸環化酶揚州大學生物科學與技術學院(1)通過激活依賴cAMP的蛋白激酶A（PKA）起作用PKA四個亞基，2個相同的催化亞基C、2個相同的調節亞基R，每個R上有兩個cAMP結合位點，結合4個cAMP后，C與R脫離呈解聚態有活性，可催化特定酶Ser-OH、Thr-OH磷酸化(激活/抑制)產生生理效應1. cAMP的作用機制揚州大學生物科學與技術學院受cAMP調控的基因中，在其轉錄調控區有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，稱為cAMP應答元件(cAMP response element , CRE)。可與cAMP應答元件結合蛋白 (cAMP response element bound p

24、rotein,CREB)相互作用而調節此基因的轉錄。(2) 對基因表達的調節作用揚州大學生物科學與技術學院2PKA的作用 對代謝的調節作用通過對效應蛋白的磷酸化作用，實現其調節功能。. 對肝臟的作用.對肌肉的作用. 對脂肪組織. 對心臟的作用揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院（二）cGMP-蛋白激酶G途徑受體，鳥苷酸環化酶(guanylate cyclase, GC)，cGMP, 蛋白激酶G (protein kinase G，PKG)組成1、cGMP的合成和降解 GTPGMg2+PPicGMP 磷酸二酯酶H2OCa2+ 或 Mg2+5- GMP揚州大學生物科學與技術學院2、

25、信號轉導的級聯反應為:信號分子 膜受體(胞內受體) GC cGMP PKG 底物蛋白(酶) 生理效應揚州大學生物科學與技術學院使有關蛋白或酶類的絲、蘇氨酸殘基磷酸化3、PKG的功能NOGCPKG 蛋白質磷酸化GCG蛋白GTPcGMP激素R胞 膜* 生理效應：如心鈉素、NO舒張血管平滑肌。揚州大學生物科學與技術學院（三）Ca2+依賴性蛋白激酶途徑1. Ca2+ 磷脂依賴性蛋白激酶途徑*、組成胞外信息分子，G蛋白蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)磷脂酶C(phospholipase C, PLC)甘油二脂(diacylglycerol, DAG)三磷酸肌醇( inositol

26、 1, 4, 5 triphosphate, IP3 )揚州大學生物科學與技術學院*、信號傳導途徑為：信號分子 膜受體 G蛋白 PLC DAG/IP3 底物蛋白 生物學效應配體為乙酰膽堿、血管緊張素等揚州大學生物科學與技術學院磷酸肌醇級聯放大：激素與受體結合，激活G蛋白，G蛋白開啟磷酸肌醇酶催化活性激素與受體結合活化磷酸肌醇酶（磷脂酶C） 催化PIP2， IP3 和DAGPIP2：磷脂酰肌醇4，5-二磷酸IP3：肌醇1，4，5三磷酸DAG：二酰基甘油G蛋白揚州大學生物科學與技術學院R G 蛋 白磷 脂 酶 CDAGPKCIP4IP3HCa 內質網PIP2：磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸 DAG：二

27、脂酰甘油 IP3：肌醇-1，4，5-三磷酸 IP4：肌醇-1，3，4，5-四磷酸 PIP2使酶的活性發生改變酶 或蛋白質酶或蛋白質PP改變鈣調蛋白及其他鈣傳感器的構象 產生生理效應揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院 DAG，IP3的 功 能DAG：在磷脂酰絲氨酸和Ca2+協同下激活PKCIP3 ：與內質網和肌漿網上的受體結合，促使細胞內 Ca2+釋放揚州大學生物科學與技術學院 調節基因表達PKC 對基因的活化分為早期反應和晚期反應。 * PKC的生理功能 調節代謝活化的PKC引起一系列靶蛋白的絲 、蘇氨酸殘基磷酸化。靶蛋白包括： 質膜受體、膜蛋白和多種酶。揚州大學生物科學與技

28、術學院2. Ca2+鈣調蛋白依賴性蛋白激酶途徑受體、G蛋白、PLC、IP3、Ca2+、鈣調蛋白、CaM-PK( Ca2+ CaM激酶途徑 )鈣調蛋白(calmodulin , CaM)（鈣受體蛋白）它有四個Ca2+結合位點。結合Ca2+后成為4Ca2+.CaM 的活性形式并表現出生理作用.能磷酸化多種功能蛋白質（絲、蘇氨基酸殘基）。組成揚州大學生物科學與技術學院Ca2+ CaM激酶途徑 的級聯反應包括：化學信號 鈣通道 胞漿（Ca2+） CaM PK 底物蛋白 /酶 生物學效應 揚州大學生物科學與技術學院揚州大學生物科學與技術學院 （四）酪氨酸蛋白激酶途徑(tyrosine protein kinase, TPK)酪氨酸蛋白激酶分 類受體型TPK（位于細胞質膜上）如胰島素受體、生長因子受體等非受體型TPK（位于胞漿）如JAKSTAT途徑揚州大學生物科學與技術學院1. 受體型TPK-Ras-MAPK途徑GRB2 (growth factor receptor bound protein 2）SH2 域 (src homology 2 domain) 細胞內某些連接物蛋白共有的氨基酸序列，與原癌基因src編碼的酪氨酸蛋白激酶區同源，該區域能識別磷酸化的酪氨酸殘基并與之結合。 組成：催化性受體，GRB2, SOS, Ras蛋