第七章 ?細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

第一節(jié) 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)概述

一、細胞通訊

細胞通訊可以分為3種方式：1.細胞通過分泌化學(xué)信號進行細胞間通訊；2.細胞間接觸依賴性通訊；3.動物細胞相鄰細胞間間隙連接、植物細胞間通過胞間連絲

二、信號分子與受體

（一）信號分子

信號分子是細胞信息載體，包括化學(xué)信號和物理信號

化學(xué)信號可以分為三類：1.氣體信號分子，包括NO、CO，可以自由擴散，進入細胞直接激活效應(yīng)酶（鳥苷酸環(huán)化酶）產(chǎn)生第二信使cGMP，參與體內(nèi)的眾多的生理過程，影響細胞的行為；2.疏水性信號分子，主要是甾類激素和甲狀腺素，是血液中的長效信號，這類親脂性信號分子小，疏水性強，可穿過細胞質(zhì)膜，與細胞核內(nèi)受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物，調(diào)節(jié)基因的表達；3.親水性信號分子，包括神經(jīng)遞質(zhì)、局部介質(zhì)和大多數(shù)蛋白類激素，這些信號分子無法通過靶細胞質(zhì)膜，只能通過與靶細胞表面受體結(jié)合，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換機制，在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起細胞的應(yīng)答反應(yīng)

（二）受體

根據(jù)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和和受體蛋白類型的不同，細胞表面受體又分為三種：

（1）離子通道型受體：指的是受體本身既有信號結(jié)合位點，又是離子通道，其跨膜信號無需中間步驟。

（2）G蛋白偶聯(lián)受體

（3）酶聯(lián)受體一類是受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域具有潛在的酶活性，另一類是受體本身不具有酶活性而是受體胞內(nèi)段與酶相聯(lián)系

（三）第二信使與分子開關(guān)

現(xiàn)在的第二信使有：cAMP、cGMP、二酰甘油（DAG）、肌1，4，5-三磷酸（IP3）和3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3）

還有兩類在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)中起分子開關(guān)作用。一類是GTPase分子開關(guān)調(diào)控蛋白構(gòu)成的GTPase超家族，包括三聚體GTP結(jié)合蛋白和單體GTP結(jié)合蛋白如Ras和類Ras蛋白。這類鳥苷酸結(jié)合蛋白當結(jié)合GRP時呈現(xiàn)活化狀態(tài)，當結(jié)合GDP時呈現(xiàn)失活狀態(tài)。開關(guān)調(diào)控蛋白通過兩種狀態(tài)的變化控制下游靶蛋白的活性。信號誘導(dǎo)的開關(guān)調(diào)控蛋白從失活狀態(tài)向活化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，由鳥苷酸交換因子（GEF）所介導(dǎo)，GEF引起GDP從開關(guān)調(diào)控蛋白釋放，繼而結(jié)合GTP并引發(fā)調(diào)控蛋白（G蛋白）的構(gòu)象改變使其活化。之后GTP水解，其水解速率受到GTPase促進蛋白（GAP）和G蛋白信號調(diào)節(jié)子（RGS）所促進，被鳥苷酸解離抑制蛋白（GDI）所抑制；另外一類是通過蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通過蛋白膦酸水解酶使靶蛋白去磷酸化，從而調(diào)節(jié)靶蛋白的活性

三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及其特性

（一）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成及信號蛋白的相互作用

通過細胞表面受體介導(dǎo)的信號通路分為5個步驟：1.細胞表面受體特異性結(jié)合胞外信號分子，形成受體-配體復(fù)合物，導(dǎo)致受體激活；2.由于激活受體構(gòu)象改變，導(dǎo)致信號初級跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，把細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使或活化的信號蛋白；3.通過胞內(nèi)的第二信使或細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配，起始胞內(nèi)信號放大的級聯(lián)反應(yīng)；4.細胞應(yīng)答反應(yīng)；5.由于受體脫敏或者是受體下調(diào)，終止或降低細胞反應(yīng)

（二）細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配

細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物的裝配總共有三種策略

（1）細胞表面受體和某些細胞內(nèi)信號蛋白通過與大的支架蛋白預(yù)先形成細胞內(nèi)信號復(fù)合物，當受體結(jié)合胞外信號被激活之后，再依次激活細胞內(nèi)信號蛋白并向下游傳遞

（2）依賴激活的細胞表面受體裝配細胞內(nèi)信號蛋白復(fù)合物，及表面受體結(jié)合胞外信號被激活后，受體胞內(nèi)段多個氨基酸殘基位點發(fā)生磷酸化作用，從而為細胞中不同信號蛋白提供錨定位點，形成短暫的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物分別介導(dǎo)可能不同的下游事件

（3）受體結(jié)合胞外信號被激活之后，在鄰近的質(zhì)膜上形成修飾的肌醇磷脂分子，從而募集具有肌醇磷脂結(jié)合結(jié)構(gòu)域的信號蛋白，裝配成信號復(fù)合物

（三）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的主要特性

（1）特異性（結(jié)合特異性，即形成配體-受體復(fù)合物時表現(xiàn)特異性）

（2）放大效應(yīng)：信號傳遞至胞內(nèi)效應(yīng)蛋白，引發(fā)包內(nèi)的信號級聯(lián)反應(yīng)

（3）網(wǎng)絡(luò)化與反饋調(diào)節(jié)機制

（4）整合作用

第二節(jié) 細胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信號傳遞

一、細胞內(nèi)核受體及其對于基因表達的調(diào)節(jié)

在細胞內(nèi)受體與抑制蛋白（如Hsp90）結(jié)合形成復(fù)合物，處于非活化狀態(tài)，當信號分子與受體結(jié)合時，將導(dǎo)致抑制蛋白從復(fù)合物上解離下來，使受體暴露其DNA結(jié)合位點而被激活

類固醇激素、視黃酸、維生素D和甲狀腺素的受體在細胞核內(nèi)。這類信號分子與血清蛋白結(jié)合運輸?shù)桨薪M織并擴散跨越質(zhì)膜進入細胞內(nèi)，通過核孔復(fù)合體與特異性核受體結(jié)合形成激素-受體復(fù)合物并改變受體的構(gòu)象；激素-受體復(fù)合物與基因的特殊調(diào)節(jié)區(qū)域（做激素反應(yīng)原件HRE）結(jié)合，影響基因的轉(zhuǎn)錄

二、NO作為氣體信號分子進入靶細胞直接與酶結(jié)合

NO是一種具有自由基性質(zhì)的脂溶性氣體分子，可通過細胞膜快速擴散，作用鄰近的靶細胞發(fā)生作用。NO沒有直接的貯存及釋放調(diào)控機制作用于靶細胞NO的多少直接與NO的合成有關(guān)。

NO發(fā)揮作用作用的機制主要是激活靶細胞內(nèi)具有鳥苷酸環(huán)化酶活性的NO受體，內(nèi)源性的NO由NOS（NO合酶，以精氨酸為底物）合成之后，擴散到臨近細胞，與鳥苷酸環(huán)化酶（GC）的活性中心的二價鐵離子相結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，導(dǎo)致酶的活性增強和cGMP的水平增高。cGMP的作用是通過從GMP以來的蛋白激酶G（PKG）活化，抑制肌動-肌球蛋白復(fù)合物的信號通路，導(dǎo)致血管平滑肌舒張

第三節(jié) G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（見《結(jié)構(gòu)生物化學(xué)》激素一章）

第四節(jié) 酶聯(lián)受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

這一類受體包括5類：受體酪氨酸激酶；受體絲氨酸/蘇氨酸激酶；受體酪氨酸激酶；受酪氨酸磷酸酯酶；受體鳥苷酸環(huán)化酶；酪氨酸蛋白激酶聯(lián)受體

一、受體酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信號通路

受體酪氨酸激酶（RTK）的N端位于細胞外，是配體結(jié)合域，C端位于細胞內(nèi)，是酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域，并且具有自磷酸化位點。其胞外配體可以是可溶性或膜結(jié)合的多肽或蛋白類激素，包括多種生長因子、胰島素和胰島素樣生長因子等。RTK最主要的功能是控制細胞的生長、分化。

Ephrin（Eph）受體亞族是一大類與膜結(jié)合配體相互作用的受體，主要功能是刺激血管的發(fā)生、指導(dǎo)細胞和軸突的遷徙

活化的RTK通過磷酸酪氨酸殘基可以結(jié)合多種細胞質(zhì)中帶有特異性磷酸酪氨酸殘基結(jié)合域的蛋白，其中有一類是接頭蛋白（如生長因子受體結(jié)合蛋白2【GRB2】），其作用是偶聯(lián)活化受體與其他的信號蛋白，參與構(gòu)成細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物，但是其本身并不具有酶活性，也沒有傳遞信號的性質(zhì)；另一類是在信號通路中有關(guān)的酶（如GTP酶活化蛋白【GAP】）、與肌醇磷脂代謝有關(guān)的酶、蛋白磷酸酯酶（Syp）以及Src類的非受體賴氨酸蛋白激酶等

Ras蛋白在RTK介導(dǎo)的信號通路中也是一種關(guān)鍵組分。Ras蛋白是ras基因的表達產(chǎn)物，具有STPase活性，分布于質(zhì)膜胞質(zhì)一側(cè)，結(jié)合GTP時為活化態(tài)，結(jié)合GDP為失活態(tài)。在細胞中Ras蛋白的活性受GAP調(diào)節(jié)，GEF和GAP與Ras蛋白的GTP-GDP轉(zhuǎn)換有關(guān)

【Ras蛋白的活化是通過配體與RTK的結(jié)合而誘導(dǎo)的，而Ras蛋白的活化與誘導(dǎo)不同類型的細胞分化或增殖是必要的。在許多的惡性腫瘤中，ras基因突變。突變的Ras蛋白能夠與GTP結(jié)合但是不能將其水解成GDP，所以這種突變的Ras蛋白始終處于開啟狀態(tài)，從而引起贅生性細胞增生】

RTK-MAPK信號通路如下：

（1）活化的Ras蛋白與Raf（絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，MAPKKK）的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合并使其激活，使靶蛋白上的絲氨酸或者是蘇氨酸磷酸化，使RTK-GTP信號事件轉(zhuǎn)換為長壽命信號

（2）活化的Raf結(jié)合并磷酸化成另外一種蛋白激酶MAPKK（使其絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化）

（3）MAPKK是一種雙重特異的蛋白激酶，它能磷酸化其唯一的底物MAPK的蘇氨酸和酪氨酸殘基使之激活

（4）MAPK（促分裂原活化的蛋白激酶）進入細胞核，使許多底物蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基磷酸化，包括調(diào)節(jié)細胞周期和細胞分化的特異性蛋白表達的轉(zhuǎn)錄因子。從而修飾他們的活性

二、PI3K-PKB（Akt）信號通路【略】

三、TGF-β（轉(zhuǎn)化生長因子β）受體及其TGF-β-Smad信號通路【略】

四、細胞因子受體與JAK-STAT信號通路

細胞因子是影響和調(diào)控多種類型細胞的增殖、分化與成熟的活性因子，包括白介素（IL）、干擾素（INF）、集落刺激因子（CSF）、促紅細胞生成素（Epo）

細胞因子受體是細胞表面一類與酪氨酸蛋白激酶偶聯(lián)的受體。這一類受體本身不具有酶活性，但是其胞內(nèi)段具有與胞質(zhì)酪氨酸蛋白激酶的結(jié)合位點，即其活性依賴于非受體酪氨酸蛋白激酶。這一類受體活化機制和介導(dǎo)的信號通路與RTK相似且部分重疊，其基本通路如下：

（1）細胞因子與質(zhì)膜受體特異性結(jié)合，引發(fā)受體的構(gòu)象改變并導(dǎo)致二聚化，形成同源二聚體。受體二聚化有助于各自結(jié)合的Jak相互靠近，使彼此的酪氨酸殘基發(fā)生交叉磷酸化從而激活Jak的活性

（2）活化的Jak繼而磷酸化受體胞內(nèi)段酪氨酸殘基，使活化受體上磷酸酪氨酸殘基成為具有特異性磷酸酪氨酸殘基結(jié)合域的STAT

（3）STAT通過特異性磷酸酪氨酸殘基結(jié)合域和與受體磷酸化的酪氨酸殘基結(jié)合，繼而STAT的C端酪氨酸殘基被JAK磷酸化，磷酸化的STAT分子即從受體上解離下來

（4）兩個磷酸化的STAT分子分別依靠各自的特異性磷酸酪氨酸殘基結(jié)合域結(jié)合形成二聚體，從而暴露出其核定位信號序列。之后轉(zhuǎn)到細胞核之中，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達

第五節(jié) 其他細胞表面受體介導(dǎo)的信號通路【了解即可】

（1）GPCR-cAMP-PAK和RTK-Ras-MAPK信號通路，它們通過火花受體導(dǎo)致胞質(zhì)蛋白激酶的活化，然后活化的胞質(zhì)激酶轉(zhuǎn)位到核內(nèi)并磷酸化特異的核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子，進而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄

（2）TGF-β-Smad和JAK-STAT信號通路，它們是通過配體與受體結(jié)合激活受體本身或歐偶聯(lián)激酶的活性，然后直接或間接導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)特殊轉(zhuǎn)錄因子的活化，進而影響核基因的表達

（3）Wnt受體和Hedgehog受體介導(dǎo)的信號通路是通過配體與受體結(jié)合引發(fā)胞質(zhì)內(nèi)多蛋白復(fù)合物的去裝配，從而釋放轉(zhuǎn)錄因子，再轉(zhuǎn)位到核內(nèi)調(diào)控基因的表達

（4）NF-κB和Notch兩種信號通路涉及到抑制物或受體本身的蛋白切割作用，從而釋放活化的轉(zhuǎn)錄因子，在轉(zhuǎn)位到核內(nèi)調(diào)控基因的表達【例神經(jīng)元細胞釋放細胞因子抑制周圍神經(jīng)細胞的分化】

第六節(jié) 細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的整合與控制

一、細胞應(yīng)答反應(yīng)特征【略】

二、蛋白激酶的網(wǎng)絡(luò)整合信息

五條路徑：PKA路徑、鈣調(diào)蛋白激酶途徑、PKC途徑、MAPK途徑、Akt激酶途徑

三、受體的脫敏與下調(diào)

（1）受體沒收：細胞通過配體依賴型的受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用減少細胞表面的受體數(shù)目。之后受體被送往溶酶體，配體循環(huán)利用

（2）受體下調(diào)：通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，配體-受體復(fù)合物都被降解而不能重新利用，細胞通過表面受體和配體數(shù)目減少使自身對于信號的敏感性下調(diào)

（3）受體失活：G蛋白偶聯(lián)受體激酶（GRK）使結(jié)合配體的受體磷酸化，再通過與胞質(zhì)作用的β-arrestion結(jié)合而阻斷與G蛋白的偶聯(lián)作用

（4）信號蛋白失活：使信號級聯(lián)反應(yīng)受阻

（5）抑制性蛋白的產(chǎn)生：受體結(jié)合配體被激活之后，在下游反應(yīng)中產(chǎn)生抑制性蛋白并形成負反饋環(huán)從而降低或阻斷信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑