细胞生物学【5】

第七章  细胞信号转导

第一节 细胞信号转导概述

一、细胞通讯

细胞通讯可以分为3种方式：1.细胞通过分泌化学信号进行细胞间通讯；2.细胞间接触依赖性通讯；3.动物细胞相邻细胞间间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝

二、信号分子与受体

（一）信号分子

信号分子是细胞信息载体，包括化学信号和物理信号

化学信号可以分为三类：1.气体信号分子，包括NO、CO，可以自由扩散，进入细胞直接激活效应酶（鸟苷酸环化酶）产生第二信使cGMP，参与体内的众多的生理过程，影响细胞的行为；2.疏水性信号分子，主要是甾类激素和甲状腺素，是血液中的长效信号，这类亲脂性信号分子小，疏水性强，可穿过细胞质膜，与细胞核内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因的表达；3.亲水性信号分子，包括神经递质、局部介质和大多数蛋白类激素，这些信号分子无法通过靶细胞质膜，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应

（二）受体

根据信号转导机制和和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体又分为三种：

（1）离子通道型受体：指的是受体本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号无需中间步骤。

（2）G蛋白偶联受体

（3）酶联受体一类是受体胞内结构域具有潜在的酶活性，另一类是受体本身不具有酶活性而是受体胞内段与酶相联系

（三）第二信使与分子开关

现在的第二信使有：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）

还有两类在信号转导级联反应中起分子开关作用。一类是GTPase分子开关调控蛋白构成的GTPase超家族，包括三聚体GTP结合蛋白和单体GTP结合蛋白如Ras和类Ras蛋白。这类鸟苷酸结合蛋白当结合GRP时呈现活化状态，当结合GDP时呈现失活状态。开关调控蛋白通过两种状态的变化控制下游靶蛋白的活性。信号诱导的开关调控蛋白从失活状态向活化状态的转换，由鸟苷酸交换因子（GEF）所介导，GEF引起GDP从开关调控蛋白释放，继而结合GTP并引发调控蛋白（G蛋白）的构象改变使其活化。之后GTP水解，其水解速率受到GTPase促进蛋白（GAP）和G蛋白信号调节子（RGS）所促进，被鸟苷酸解离抑制蛋白（GDI）所抑制；另外一类是通过蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通过蛋白膦酸水解酶使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性

三、信号转导系统及其特性

（一）信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用

通过细胞表面受体介导的信号通路分为5个步骤：1.细胞表面受体特异性结合胞外信号分子，形成受体-配体复合物，导致受体激活；2.由于激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，把细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白；3.通过胞内的第二信使或细胞内信号蛋白复合物的装配，起始胞内信号放大的级联反应；4.细胞应答反应；5.由于受体脱敏或者是受体下调，终止或降低细胞反应

（二）细胞内信号蛋白复合物的装配

细胞内信号蛋白复合物的装配总共有三种策略

（1）细胞表面受体和某些细胞内信号蛋白通过与大的支架蛋白预先形成细胞内信号复合物，当受体结合胞外信号被激活之后，再依次激活细胞内信号蛋白并向下游传递

（2）依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合物，及表面受体结合胞外信号被激活后，受体胞内段多个氨基酸残基位点发生磷酸化作用，从而为细胞中不同信号蛋白提供锚定位点，形成短暂的信号转导复合物分别介导可能不同的下游事件

（3）受体结合胞外信号被激活之后，在邻近的质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子，从而募集具有肌醇磷脂结合结构域的信号蛋白，装配成信号复合物

（三）信号转导系统的主要特性

（1）特异性（结合特异性，即形成配体-受体复合物时表现特异性）

（2）放大效应：信号传递至胞内效应蛋白，引发包内的信号级联反应

（3）网络化与反馈调节机制

（4）整合作用

第二节 细胞内受体介导的信号传递

一、细胞内核受体及其对于基因表达的调节

在细胞内受体与抑制蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态，当信号分子与受体结合时，将导致抑制蛋白从复合物上解离下来，使受体暴露其DNA结合位点而被激活

类固醇激素、视黄酸、维生素D和甲状腺素的受体在细胞核内。这类信号分子与血清蛋白结合运输到靶组织并扩散跨越质膜进入细胞内，通过核孔复合体与特异性核受体结合形成激素-受体复合物并改变受体的构象；激素-受体复合物与基因的特殊调节区域（做激素反应原件HRE）结合，影响基因的转录

二、NO作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合

NO是一种具有自由基性质的脂溶性气体分子，可通过细胞膜快速扩散，作用邻近的靶细胞发生作用。NO没有直接的贮存及释放调控机制作用于靶细胞NO的多少直接与NO的合成有关。

NO发挥作用作用的机制主要是激活靶细胞内具有鸟苷酸环化酶活性的NO受体，内源性的NO由NOS（NO合酶，以精氨酸为底物）合成之后，扩散到临近细胞，与鸟苷酸环化酶（GC）的活性中心的二价铁离子相结合，改变酶的构象，导致酶的活性增强和cGMP的水平增高。cGMP的作用是通过从GMP以来的蛋白激酶G（PKG）活化，抑制肌动-肌球蛋白复合物的信号通路，导致血管平滑肌舒张

第三节 G蛋白偶联受体（GPCR）介导的信号转导（见《结构生物化学》激素一章）

第四节 酶联受体介导的信号转导

这一类受体包括5类：受体酪氨酸激酶；受体丝氨酸/苏氨酸激酶；受体酪氨酸激酶；受酪氨酸磷酸酯酶；受体鸟苷酸环化酶；酪氨酸蛋白激酶联受体

一、受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路

受体酪氨酸激酶（RTK）的N端位于细胞外，是配体结合域，C端位于细胞内，是酪氨酸激酶结构域，并且具有自磷酸化位点。其胞外配体可以是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括多种生长因子、胰岛素和胰岛素样生长因子等。RTK最主要的功能是控制细胞的生长、分化。

Ephrin（Eph）受体亚族是一大类与膜结合配体相互作用的受体，主要功能是刺激血管的发生、指导细胞和轴突的迁徙

活化的RTK通过磷酸酪氨酸残基可以结合多种细胞质中带有特异性磷酸酪氨酸残基结合域的蛋白，其中有一类是接头蛋白（如生长因子受体结合蛋白2【GRB2】），其作用是偶联活化受体与其他的信号蛋白，参与构成细胞内信号转导复合物，但是其本身并不具有酶活性，也没有传递信号的性质；另一类是在信号通路中有关的酶（如GTP酶活化蛋白【GAP】）、与肌醇磷脂代谢有关的酶、蛋白磷酸酯酶（Syp）以及Src类的非受体赖氨酸蛋白激酶等

Ras蛋白在RTK介导的信号通路中也是一种关键组分。Ras蛋白是ras基因的表达产物，具有STPase活性，分布于质膜胞质一侧，结合GTP时为活化态，结合GDP为失活态。在细胞中Ras蛋白的活性受GAP调节，GEF和GAP与Ras蛋白的GTP-GDP转换有关

【Ras蛋白的活化是通过配体与RTK的结合而诱导的，而Ras蛋白的活化与诱导不同类型的细胞分化或增殖是必要的。在许多的恶性肿瘤中，ras基因突变。突变的Ras蛋白能够与GTP结合但是不能将其水解成GDP，所以这种突变的Ras蛋白始终处于开启状态，从而引起赘生性细胞增生】

RTK-MAPK信号通路如下：

（1）活化的Ras蛋白与Raf（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，MAPKKK）的N端结构域结合并使其激活，使靶蛋白上的丝氨酸或者是苏氨酸磷酸化，使RTK-GTP信号事件转换为长寿命信号

（2）活化的Raf结合并磷酸化成另外一种蛋白激酶MAPKK（使其丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化）

（3）MAPKK是一种双重特异的蛋白激酶，它能磷酸化其唯一的底物MAPK的苏氨酸和酪氨酸残基使之激活

（4）MAPK（促分裂原活化的蛋白激酶）进入细胞核，使许多底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，包括调节细胞周期和细胞分化的特异性蛋白表达的转录因子。从而修饰他们的活性

二、PI3K-PKB（Akt）信号通路【略】

三、TGF-β（转化生长因子β）受体及其TGF-β-Smad信号通路【略】

四、细胞因子受体与JAK-STAT信号通路

细胞因子是影响和调控多种类型细胞的增殖、分化与成熟的活性因子，包括白介素（IL）、干扰素（INF）、集落刺激因子（CSF）、促红细胞生成素（Epo）

细胞因子受体是细胞表面一类与酪氨酸蛋白激酶偶联的受体。这一类受体本身不具有酶活性，但是其胞内段具有与胞质酪氨酸蛋白激酶的结合位点，即其活性依赖于非受体酪氨酸蛋白激酶。这一类受体活化机制和介导的信号通路与RTK相似且部分重叠，其基本通路如下：

（1）细胞因子与质膜受体特异性结合，引发受体的构象改变并导致二聚化，形成同源二聚体。受体二聚化有助于各自结合的Jak相互靠近，使彼此的酪氨酸残基发生交叉磷酸化从而激活Jak的活性

（2）活化的Jak继而磷酸化受体胞内段酪氨酸残基，使活化受体上磷酸酪氨酸残基成为具有特异性磷酸酪氨酸残基结合域的STAT

（3）STAT通过特异性磷酸酪氨酸残基结合域和与受体磷酸化的酪氨酸残基结合，继而STAT的C端酪氨酸残基被JAK磷酸化，磷酸化的STAT分子即从受体上解离下来

（4）两个磷酸化的STAT分子分别依靠各自的特异性磷酸酪氨酸残基结合域结合形成二聚体，从而暴露出其核定位信号序列。之后转到细胞核之中，调节相关基因的表达

第五节 其他细胞表面受体介导的信号通路【了解即可】

（1）GPCR-cAMP-PAK和RTK-Ras-MAPK信号通路，它们通过火花受体导致胞质蛋白激酶的活化，然后活化的胞质激酶转位到核内并磷酸化特异的核内转录因子，进而调控基因的转录

（2）TGF-β-Smad和JAK-STAT信号通路，它们是通过配体与受体结合激活受体本身或欧偶联激酶的活性，然后直接或间接导致胞质内特殊转录因子的活化，进而影响核基因的表达

（3）Wnt受体和Hedgehog受体介导的信号通路是通过配体与受体结合引发胞质内多蛋白复合物的去装配，从而释放转录因子，再转位到核内调控基因的表达

（4）NF-κB和Notch两种信号通路涉及到抑制物或受体本身的蛋白切割作用，从而释放活化的转录因子，在转位到核内调控基因的表达【例神经元细胞释放细胞因子抑制周围神经细胞的分化】

第六节 细胞信号转导的整合与控制

一、细胞应答反应特征【略】

二、蛋白激酶的网络整合信息

五条路径：PKA路径、钙调蛋白激酶途径、PKC途径、MAPK途径、Akt激酶途径

三、受体的脱敏与下调

（1）受体没收：细胞通过配体依赖型的受体介导的内吞作用减少细胞表面的受体数目。之后受体被送往溶酶体，配体循环利用

（2）受体下调：通过受体介导的内吞作用，配体-受体复合物都被降解而不能重新利用，细胞通过表面受体和配体数目减少使自身对于信号的敏感性下调

（3）受体失活：G蛋白偶联受体激酶（GRK）使结合配体的受体磷酸化，再通过与胞质作用的β-arrestion结合而阻断与G蛋白的偶联作用

（4）信号蛋白失活：使信号级联反应受阻

（5）抑制性蛋白的产生：受体结合配体被激活之后，在下游反应中产生抑制性蛋白并形成负反馈环从而降低或阻断信号转导途径