主講許春鵑生化與分子生物學教研室TelQ:15863025CellSignalTransduction第十五章細胞信息轉導第一節細胞信號轉導概述信號轉導的概念細胞針對外源信息所發生的細胞內生物化學變化及效應的全過程稱為信號轉導（signaltransduction）。多細胞生物多級調節單細胞生物直接反應

外部環境刺激

特定的細胞釋放信息物質信息物質經擴散或血循環到達靶細胞與靶細胞的受體特異性結合受體對信號進行轉換并啟動細胞內信使系統靶細胞產生生物學效應信號轉導的基本路線和方式一、細胞外化學信號化學信號通訊是生物適應環境不斷變異、進化的結果。單細胞生物與外環境直接交換信息。（一）化學信號通訊存在從簡單到復雜的進化過程發信號的細胞靶細胞與膜結合的信號分子（二）可溶性分子信號作用距離不等內分泌腺產生的激素經血流分布到生物體全身。①內分泌信號內分泌細胞血流激素受體靶細胞多細胞生物中細胞間的信息交流主要通過化學通訊方式進行。（二）可溶性分子信號作用距離不等②旁分泌信號由體內某些普通細胞分泌；不進入血循環，通過擴散作用到達附近的靶細胞；也必須與細胞膜受體結合而引發細胞的應答反應。發信號細胞靶細胞局部介質神經元軸突突觸神經遞質靶細胞（二）可溶性分子信號作用距離不等③神經遞質又稱突觸分泌信號，是神經系統胞間通訊的化學信號分子，沿軸突傳至遠距離的靶細胞。神經分泌內分泌旁分泌及自分泌化學信號的名稱神經遞質激素細胞因子作用距離nmmm受體位置膜受體膜或胞內受體膜受體舉例乙酰膽堿谷氨酸胰島素生長激素表皮生長因子神經生長因子表15-1可溶性化學信號的分類化學信號有可溶性的和膜結合型兩種形式。（三）細胞表面分子也是重要的細胞外信號屬于這一類通訊的有：相鄰細胞間粘附因子的相互作用、T淋巴細胞與B淋巴細胞表面分子的相互作用等。膜表面分子接觸途徑二、細胞經由特異性受體接收細胞外信號是細胞膜上或細胞內能特別識別生物活性分子并與之結合的成分，其化學本質是蛋白質，個別是糖脂。受體(Receptor)的概念（一）化學信號通過受體在細胞內轉換和傳遞受體(Receptor)的作用①識別外源信號分子，即配體（ligand）；②轉換配體信號，使之成為細胞內分子可識別的信號，并傳遞至其他分子引起細胞應答。受體作用的特點：1.高度專一性2.高度親和力3.可飽和性5.特定的作用模式4.可逆性配體濃度受體飽和度（％）配體－受體結合曲線（二）受體的分類離子通道受體G-蛋白偶聯受體單次跨膜受體細胞內受體細胞膜受體受體脂溶性化學信號水溶性化學信號類固醇激素、前列腺素、脂類、甲狀腺素、維生素A、維生素D等。細胞因子趨化因子生物活性肽氨基酸及其衍生物核苷和核苷酸圖15-1水溶性和脂溶性化學信號的轉導三、信號分子結構、含量和分布變化是信號轉

導網絡工作的基礎轉錄因子染色質相關蛋白RNA加工蛋白RNA轉運蛋白細胞周期蛋白細胞骨架NH2AAAAAm7G蛋白質合成信號轉導網絡信號接收信號轉導應答反應圖15-2細胞信號轉導的基本方式示意圖第二節細胞內信號轉導相關分子1957年，E.Sutherland在研究腎上腺素促進肝糖原分解的機制時發現，這些激素的作用依賴于細胞產生一種小分子化合物環腺苷酸（cyclicAMP，cAMP），從而提出了cAMP是激素在細胞內的第二信使這一著名的激素信號跨膜傳遞學說。在細胞內傳遞信息的小分子物質，如：Ca2+、DAG、IP3、Cer、cAMP、cGMP、花生四烯酸及其代謝產物等。第二信使(secondarymessenger)第三信使(thirdmessenger)負責細胞核內外信息傳遞的物質，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，又稱為DNA結合蛋白。一、第二信使的濃度和分布變化是重要的信號轉導方式細胞內小分子第二信使的特點：①在完整細胞中，該分子的濃度或分布在細胞外信號的作用下發生迅速改變；②該分子類似物可模擬細胞外信號的作用；③阻斷該分子的變化可阻斷細胞對外源信號的反應。④作為別位效應劑在細胞內有特定的靶蛋白分子。（一）環核苷酸是重要的細胞內第二信使目前已知的細胞內環核苷酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。1.核苷酸環化酶催化cAMP和cGMP生成腺苷酸環化酶(AC)鳥苷酸環化酶(GC)cAMPATPACPPiAMPPDEH2O磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)腺苷酸環化酶(adenylatecyclase,AC)2．細胞中存在多種催化環核苷酸水解的磷酸二酯酶3.環核苷酸在細胞內調節蛋白激酶活性游離的催化亞基具有蛋白激酶的活性。cAMP所行使的各種效應主要是通過激活cAMP依賴性蛋白激酶系統來實現。

蛋白激酶A（PKA）是一種四聚體組成的別構酶（C2R2）。R：調節亞基C：催化亞基cAMP激活PKA示意圖RRcAMPＣＣ圖15-4cAMP激活PKA影響糖代謝示意圖底物(酶或蛋白質)名稱受調節的通路糖原合酶糖原合成磷酸化酶b激酶糖原分解丙酮酸脫氫酶丙酮酸→乙酰輔酶A激素敏感脂酶甘油三脂分解和脂肪酸氧化酪氨酸羥化酶多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素合成組蛋白H1、組蛋白H2BDNA聚集蛋白磷酸酶1抑制因子1蛋白去磷酸化轉錄因子CREB轉錄調控PKA底物舉例

cGMP作用于蛋白激酶G(proteinkinaseG,PKG)，PKG在腦組織和平滑肌中含量較豐富，在心肌及平滑機收縮調節方面具有重要作用。cGMP激活PKG示意圖cGMPcGMPcGMPcGMPcGMP活化的PKG無活性的PKG4．蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子一些離子通道也可以直接受cAMP或cGMP的別構調節。視桿細胞膜上富含cGMP-門控陽離子通道嗅覺細胞核苷酸-門控鈣通道（二）脂類也可作為胞內第二信使具有第二信使特征的脂類衍生物:二脂酰甘油（DAG）花生四烯酸（AA）磷脂酸（PA）溶血磷脂酸（LPA）4-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）這些脂類衍生物都是由體內磷脂代謝產生的。（二）脂類也可作為胞內第二信使1.磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化生成脂類第二信使磷脂酶（PL）:

催化磷脂水解，其中最重要的是磷脂酶C（PLC）；磷脂酰肌醇激酶類（PIKs）:

催化磷脂酰肌醇（PI）磷酸化。酶圖15-5磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂類第二信使的生成PIP2甘油二酯（DAG）+肌醇三磷酸（IP3）PLC磷脂酰膽堿(PC)

磷脂酸(PA)+膽堿

DAGPLD

PLCPIKs（二）脂類也可作為胞內第二信使2.脂類第二信使作用于相應的靶分子蛋白脂類第二信使作用于靶分子，引起靶分子的構象變化。第二信使種類、靶分子不同，構象改變后的效應也不同。

IP3的受體是鈣離子通道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，促使內質網和肌漿網內Ca2+釋放IP3＋IP3受體鈣離子通道開放，細胞內鈣釋放細胞內鈣離子濃度迅速增加

DAG和鈣離子的靶分子是蛋白激酶C磷脂酶CPIP2DAGIP3PKC內質網

DAG、IP3的功能：（三）鈣離子可以激活信號轉導有關的酶類1.鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區域特征細胞外液游離鈣濃度高，細胞內液的鈣離子含量很低。Ca2+Ca2+細胞內鈣庫(內質網和線粒體)Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+鈣通道開放鈣泵作用維持細胞質的低鈣狀態2.鈣離子的信號功能主要通過鈣調蛋白實現鈣調蛋白（calmodulin，CaM）可看作是細胞內Ca2+的受體。乙酰膽堿兒茶酚胺加壓素血管緊張素胰高血糖素等胞液Ca2+濃度升高CaMCaMCa2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

激活鈣調蛋白依賴性蛋白激酶PKC、AC、cAMP-PDE（四）NO的信使功能與cGMP相關*NO合酶(NOS)通過氧化L-精氨酸的胍基而產生NO精氨酸NO合酶

胍氨酸＋NO*三種形式的NO合酶(nitricoxidesynthase，NOS)組成型NOS(cNOS)可誘導型NOS(iNOS)神經型NOS（nNOS）內皮型NOS（eNOS）NOSⅠNOSⅡ

NOSⅢ

NOSⅠ主要分布于外周神經、中樞神經系統和腎（致密斑和髓質內集合管），其中外周神經主要為非腎上腺能/非膽堿能神經和腎上腺能神經末梢。NOSⅡ分布最廣泛，包括肝細胞、心肌細胞、血管平滑肌細胞、免疫細胞、成纖維細胞等。NOSⅢ的分布于內皮細胞、心肌細胞和腦。鈣調蛋白是NOS的主要調節分子，3種NOS均含有鈣調節蛋白結合位點。凡是引起細胞內Ca2+升高的信號均有可能作用于NOS。

NO的生理調節作用主要通過激活鳥苷酸環化酶、ADP-核糖轉移酶和環氧化酶完成。GTPNO與可溶性鳥苷酸環化酶分子中的血紅素鐵結合生成的cGMP引起鳥苷酸環化酶構象改變.酶活性增高cGMP作為第二信使，產生生理效應除了NO以外，一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）的第二信使作用近年來也得到證實。二、蛋白質作為細胞內信號轉導分子蛋白質分子作為信號轉導分子轉換和傳遞信號的原理是發生構象變化。①增強或抑制酶類信號轉導分子的催化活性；②許多分子在構象變化后暴露出潛在的亞細胞定位區域，轉位至細胞膜或細胞核；③募集新的相互作用的蛋白質分子，原有的相互作用分子解離。

構象變化主要引起3種效應：二、蛋白質作為細胞內信號轉導分子引起信號轉導分子發生構象變化的因素有3種：①化學修飾改變蛋白質構象，如磷酸化與去磷酸化、乙酰化、甲基化等；②小分子信使作為別構效應劑引起靶分子構象變化，如cAMP激活PKA；③蛋白質相互作用可導致信號轉導分子構象變化。二、蛋白質作為細胞內信號轉導分子信號轉導分子濃度的改變將影響信號傳遞和細胞應答。信號轉導分子的細胞內定位改變也是信號轉導調節的重要方式。定位變化既可以是位于細胞質的分子轉位至細胞膜，也可以是向細胞核或其它細胞器的轉位，從而將信號傳遞至相應的應答部位。二、蛋白質作為細胞內信號轉導分子（一）蛋白激酶/蛋白磷酸酶是信號通路開關分子1.蛋白質的可逆磷酸化修飾是最重要的信號通路開關-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-磷酸化的酶蛋白蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶表15-2蛋白激酶的分類激酶磷酸基團的受體蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶絲氨酸/蘇氨酸羥基蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基蛋白組/賴/精氨酸激酶咪唑環，胍基，ε-氨基蛋白半胱氨酸激酶巰基蛋白天冬氨酸/谷氨酸激酶?；鵐APK級聯激活是多種信號通路的中心圖15-6MAPK的磷酸化與活化示意圖MAPKKKMAPKKMAPKThrTyrThrTyrPP磷酸酶offonMAPK

絲裂原激活的蛋白激酶（MAPK）屬于蛋白絲/蘇氨酸激酶類，在許多細胞增殖、分化與凋亡等信號通路中具有關鍵性作用。MAPK級聯激活是多種信號通路的中心MAPKKMAPKPPP細胞核反式作用因子調控基因表達調節其他蛋白活性上游信號分子MAPK的作用機制：4.蛋白酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號蛋白酪氨酸激酶（ProteinTyrosinekinase，PTK）催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。受體型PTK：胞內部分含有PTK的催化結構域；非受體型PTK：主要作用是作為受體和效應分子之間的信號轉導分子；核內PTK：細胞核內存在的PTK。圖15-7部分受體型PTK結構示意圖EGFRIGFRHGFR蛋白酪氨酸激酶結構域EGFR:表皮生長因子受體IGFR:胰島素樣生長因子受體HGFR:肝細胞生長因子受體受體型蛋白酪氨酸激酶無活性具有PTK活性激活與磷酸化的酪氨酸相結合的細胞內信號蛋白激活信號傳遞到細胞內部信號分子基因家族名稱舉例細胞內定位主要功能Src家族Src、Fyn、Lck、Lyn等常與受體結合存在于質膜內側接受受體傳遞的信號發生磷酸化而激活，通過催化底物的酪氨酸磷酸化向下游傳遞信號ZAP70家族ZAP70Syk與受體結合存在于質膜內側接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號Tec家族Btk、ItkTec等存在于細胞質位于ZAP70和Src家族下游接受T淋巴細胞的抗原受體或B淋巴細胞的抗原受體的信號JAK家族JAK1、JAK2、JAK3等與一些白細胞介素受體結合存在于質膜內側介導白細胞介素受體活化信號核內PTKAbl、Wee細胞核參與轉錄過程和細胞周期的調節表15-3非受體型PTK的主要作用蛋白磷酸酶衰減蛋白激酶信號蛋白質磷酸（酯）酶催化磷酸化的蛋白分子發生去磷酸化，與蛋白激酶共同構成了蛋白質活性的開關系統。無論蛋白激酶對于其下游分子的作用是正調節還是負調節，蛋白磷酸酶都將對蛋白激酶所引起的變化產生衰減信號。PTKPTK無活性活化P自我磷酸化PTPPTPSSP無活性活化Srcfamily

PTK無活性Srcfamily

PTKPTPPPTK活化活化信號抑制信號圖蛋白磷酸酶衰減蛋白激酶信號（二）G蛋白的GTP/GDP結合狀態決定信號通路的開關鳥苷酸結合蛋白（Gprotein）簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白，是一類信號轉導分子，在各種細胞信號轉導途徑中轉導信號給不同的效應蛋白。G蛋白結合的核苷酸為GTP時為活化形式，作用于下游分子使相應信號途徑開放；當結合的GTP水解為GDP時則回到非活化狀態，使信號途徑關閉。介導七跨膜受體信號轉導的異源三聚體G蛋白受體受體配體ACγαβGDPαGTPβγ腺苷酸環化酶（AC）ACATPcAMPG蛋白是一類和GTP或GDP相結合、位于細胞膜胞漿面的外周蛋白，具有兩種構象：非活化型和活化型。重要的信號轉導分子低分子質量G蛋白GTPGDPRasRasSOSGAPonoff圖15-8Ras的活化及其調控因子+鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF)、鳥苷酸釋放蛋白(GNRP)—GTP酶活化蛋白(GAP)、鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子(GDI)低分子量G蛋白（21kD），它們在多種細胞信號轉導途徑中亦具有開關作用。又被稱為Ras家族或者Ras樣GTP酶。信號轉導通路形成要求信號轉導分子之間可特異性地相互識別和結合，即蛋白質-蛋白質相互作用，這是由信號轉導分子中存在的一些特殊結構域介導的。這些結構域被稱為蛋白相互作用結構域。（三）蛋白相互作用結構域介導信號通路中蛋白質的相互作用信號轉導分子在活細胞內接收和轉導信號的過程是由多種分子聚集形成的信號轉導復合物完成的。

蛋白質相互作用結構域是形成復合物的基礎。蛋白激酶BtkPHTHSH3SH2催化區銜接蛋白Grb2SH3SH2SH3轉錄因子statDNA結合區SH2TA細胞骨架蛋白tensin//SH2PTB圖15-9信號轉導分子中的蛋白相互作用結構域的分布和作用蛋白相互作用結構域縮寫識別模體Srchomology2SH2含磷酸化酪氨酸模體Srchomology3SH3富含脯氨酸模體pleckstrinhomologyPH磷脂衍生物ProteintyrosinebindingPTB含磷酸化酪氨酸模體表15-4蛋白相互作用結構域及其識別模體（三）蛋白相互作用結構域介導信號通路中蛋白質的相互作用（四）銜接蛋白和支架蛋白連接信號通路與網絡銜接蛋白連接信號轉導分子

銜接蛋白（adaptorprotein）是信號轉導通路中不同信號轉導分子的接頭，連接上游信號轉導分子與下游信號轉導分子。支架蛋白保證特異和高效的信號轉導

支架蛋白（scaffoldingproteins）一般是分子質量較大的蛋白質，可同時結合很多位于同一信號轉導通路中的轉導分子。第三節各種受體介導的基本信號轉導通路離子通道受體G-蛋白偶聯受體單次跨膜受體細胞內受體細胞膜受體受體特性離子通道受體G-蛋白偶聯受體單次跨膜受體內源性配體神經遞質神經遞質、激素、趨化因子、外源刺激（味，光）生長因子細胞因子結構寡聚體形成的孔道單體具有或不具有催化活性的單體跨膜區段數目4個7個1個功能離子通道激活G蛋白激活蛋白酪氨酸激酶細胞應答去極化與超極化去極化與超極化調節蛋白質功能和表達水平調節蛋白質的功能和表達水平，調節細胞分化和增殖三種膜受體的特點一、細胞內受體多屬于轉錄因子圖5-10核受體結構及作用機制示意圖細胞外脂溶性信號表15-6激素反應元件舉例激素舉例受體所識別的DNA特征序列腎上腺皮質激素5’AGAACAXXXTGTTCT3’3’TCTTGTXXXACAAGA5’雌激素5’AGGTCAXXXTGACCT3’3’TCCAGTXXXACTGGA5’甲狀腺素5’AGGTCATGACCT3’3’TCCAGTACTGGA5’一、細胞內受體多屬于轉錄因子二、離子通道型膜受體是化學信號與電信號轉換器質膜離子信號分子受體離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體，它們的開放或關閉直接受化學配體的控制，被稱為配體-門控受體通道。其配體主要為神經遞質。離子通道型受體主要在神經沖動的快速傳遞中發揮作用。圖15-11乙酰膽堿受體的結構與功能模式圖AB三、七跨膜受體依賴G蛋白轉導信號配體結合部位細胞外細胞內Gi結合部位Gs結合部位NH3COOH其它調節分子結合部位圖15-12G蛋白偶聯（七跨膜）受體的結構G蛋白偶聯受體G蛋白酶G蛋白受體激活的G蛋白信號分子G蛋白偶聯受體和配體結合時，信號首先傳遞至G蛋白，激活的G蛋白再離開受體，激活一個位于質膜中的靶酶（或離子通道）。激素受體G蛋白酶第二信使蛋白激酶酶或功能蛋白生物學效應G蛋白偶聯受體介導的信號轉導細胞膜（一）G蛋白的活化啟動信號轉導圖15-13G蛋白循環細胞外細胞內效應分子激活G蛋白偶聯受體（二）G蛋白偶聯受體通過G蛋白-第二信使-靶分子發揮作用G

種類效應分子細胞內信使靶分子asAC活化↑cAMP↑PKA活性↑aiAC活化↓cAMP↓PKA活性↓aqPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑atcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道關閉表15-7哺乳動