1、分子生物学,郑州大学基础医学院 邢文英,信号转导细胞周期调控,信号转导 signal transduction,生物体的生长发育主要受遗传信息及环境变化信息的调节控制。 单细胞生物与外环境直接交换信息。 多细胞生物中的单个细胞不仅需要适应环境变化，而且还需要细胞与细胞之间在功能上的协调统一。 他们对环境变化作出的反应要通过复杂的细胞信号转导系统才能完成。,信号转导（signal transduction ）：细胞通过细胞表面（或胞内）受体接受外界信号，通过系统级联传递机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终引起细胞生理反应或诱导特定基因的表达，对环境变化作出应答的过程。细胞感受、转导及传递内外环境
2、刺激并调节细胞反应的生物化学分子机制。,细胞信号转导在应答环境刺激和调节基因表达、生理反应的同时，不仅维持着细胞的正常代谢，而且最终决定了细胞增殖、生长、分化、衰老和死亡等基本生命现象。,The Nobel Prize in Physiology or Medicine,补充:嗅觉受体,这一基因家族由1000种不同的基因组成（占我们基因总数的3），这些基因构成了相当数量的嗅觉受体种类。这些受体位于嗅觉受体细胞之内，这些细胞在鼻上皮的上端，可以探测到吸入的气味分子。每个嗅觉受体细胞只含有一种嗅觉受体，每个受体可以探测到数量有限的气味。我们的嗅觉受体细胞因此对一些气味很敏感。这些细胞直接向特定的微
3、型终端传送神经反应过程。携带同样受体的受体细胞向同样的肾小球传送他们的神经反应过程。微型终端再向大脑其他的部分传送信息。数个嗅觉受体所得到的信息在大脑进行综合，形成一种模式。因此，我们能够在春天时感觉到丁香的香味，并在其他时候记起这种香味。阿克塞尔和巴克得出的结论认为每个嗅觉受体细胞都只表达某一种特定气味受体基因。这个结论出乎人们的意料。阿克塞尔和巴克继而确定了大脑的第一个中转站的组织构成。,内容介绍,细胞信号转导的物质基础细胞信号转导的基本方式G蛋白偶联受体介导的信号转导酶偶联受体介导的信号转导细胞内受体介导的信号转导信号转导过程的基本规律信号转导研究在医学中的意义,（一）信号分子（sign
4、al molecule） （二）受体(receptor) （三）G蛋白 （四）蛋白激酶与蛋白磷酸酶 （五）蛋白质相互作用结构域,一、细胞信号转导的物质基础,（一）信号分子（signal molecule）,生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。根据其作用方式可分为细胞间通讯的信号分子和细胞内通讯的信号分子。,1. 细胞间信号分子(extracellular signal molecules)细胞间信号分子是内外环境变化的产物，是细胞对环境刺激的直接反应，也是调节细胞代谢和功能的首要的信号分子，因此，一般将细胞
5、间信号分子称为第一信使（the first messenger）。根据产生和作用方式不同，可分为激素、神经递质和神经肽、局部化学介质、生长因子、细胞因子、气体信号分子等。,（1）激素（hormone）,又称内分泌信号(endocrine signal),通过血液循环到达靶细胞 ； 大多数作用时间较长，作用范围弥散; 引起的生物学效应缓慢持久。,含氮激素：生长激素、催乳激素、胰岛素、促甲状腺素释放激素、肾上腺素、去甲肾上腺素、T3、T4等,类固醇激素：性激素、皮质醇、醛固酮等,补充：生长激素,生长激素（HGH）是腺垂体细胞分泌的蛋白质，是一种肽类激素。通过重组DNA技术制造的生长激素简称RHGH
6、。正常情况下，生长激素HGH呈脉冲式分泌，生长激素（HGH）的分泌受下丘脑产生的生长激素释放素(GHRH)的调节，还受性别、年龄和昼夜节律的影响，睡眠状态下分泌明显增加。生长激素的主要生理功能是促进神经组织以外的所有其他组织生长；促进机体合成代谢和蛋白质合成；促进脂肪分解；对胰岛素有拮抗作用；抑制葡萄糖利用而使血糖升高等作用。血清生长激素测定有助于巨人症、肢端肥大症、遗传性生长激素生成缺陷所致的生长激素缺乏症诊断。,补充：催乳激素,催乳激素 luteotropic hormone，luteotropin 缩写为LTH。是从脑下垂体前叶分泌的一种生殖腺刺激素，是作用卵巢黄体或黄体细胞，促进黄体激
7、素分泌的一种激素。在家鼠、小白鼠、田鼠、绵羊中的为促乳素（prolactin），与LTh被作为同义词使用。但是对人、猴、牛、土拨鼠等，单独的促乳素并不具有催乳作用。 （又称生乳素，黄体营养素，促黄体素）。其生理功能是刺激已发育完全的乳腺分泌乳汁，刺激并维持黄体分泌孕酮。能为雌激素拮抗。LTH能促进乳腺中RNA及蛋白质的合成，使糖代谢及脂代谢中的许多酶活性的增强，肌注后可直接作用于乳腺组织，促使产后发育完备乳腺增强乳汁分泌。亦可用于治疗功能性子宫出血。,（2）神经递质（neurotransmitter）与 神经肽（neuropeptide）,又称突触分泌信号(synaptic signal),神
8、经递质：分子小、作用快，作用范围集中准确，引起的生物学效应短暂。如乙酰胆碱、-氨基丁酸、甘氨酸、去甲肾上腺素、5-羟色胺 神经肽：分子相对较大、作用较缓，作用持续时间长。如：脑啡肽、P物质 他们可在神经细胞之间传递信号，也可作为内分泌激素在体内起作用。,（3）局部化学介质（local chemical transmitter）,又称旁分泌信号(paracrine signal,不进入血循环，通过扩散作用到达附近的靶细胞； 一般作用时间较短，如组胺、生长抑素、前列腺素等。,补充：生长抑素,生长抑素 somatostatin 定义：存在于胃黏膜、胰岛、胃肠道神经、垂体后叶和中枢神经系统中的肽激素。
9、抑制胃分泌和蠕动，以及在下丘脑/垂体中抑制促生长素的释放。 【别名】 生长激素释放抑制激素;施他宁 ,生长抑素 【药理作用】可以抑制生长激素、甲状腺刺激激素、胰岛素、胰高血糖素的分泌。 可以抑制由试验餐和5肽胃泌素刺激的胃酸分泌，可抑制胃蛋白酶、胃泌素的释放。 可以显著减少内脏血流，降低门静脉压力，降低侧枝循环的血流和压力，减少肝脏血流量。 减少胰腺的内外分泌以及胃小肠和胆囊的分泌，降低酶活性，对胰腺细胞有保护作用。 抑制胰高血糖素的分泌。 可影响胃肠道吸收和营养功能。 【适应症】 用于肝硬化门脉高压所致的食管静脉出血；消化性溃疡应激性溃疡、糜烂性胃炎所致的上消化道出血；预防和治疗急性胰腺炎及
10、其并发症；胰、胆、肠瘘的辅助治疗；其他:肢端肥大症、胃泌素瘤、胰岛素瘤及血管活性肠肽瘤。,endocrine endukrain内分泌；激素 luteotropic ,lju:tiutrpik促黄体的 hormone h:mun激素，荷尔蒙 luteotropin ,lju:tiutrpin促黄体素 | 催乳激素 prolactin prulktin催乳激素 neurotransmitter ,njurutrnzmit神经递质 neuropeptide ,njurpeptaid神经肽 paracrine ,prkrain旁分泌 somatostatin ,sumtsttin 生长抑素 EGF:
11、表皮生长因子(Epidermal Growth Factor) epidermal ,epid:ml表皮的 NGF 神经生长因子（Nerve Growth Factor） VEGF:血管内皮生长因子(Vascular Endothelial Growth Factor) endothelial ,endui:lil内皮的,（4）生长因子（growth factor） 大多存在于神经内分泌组织、腺体组织和胚胎组织中。 主要是指具有较专一的调节细胞生长、分化的多肽类物质。 作用时间可持续数天，作用距离短，通常影响邻接细胞的生长和功能。 生长因子主要有EGF、NGF、VEGF、PDGF、FGF、TG
12、F-等。,（5）细胞因子（cytokines） 主要由活化的免疫细胞和某些间质细胞所合成、分泌的一类低分子量可溶性糖蛋白或多肽。 细胞因子可以旁分泌、自分泌或内分泌的方式发挥作用 一般具有调节细胞生长、分化成熟、调节免疫应答、参与炎症反应、促进伤口愈合和参与肿瘤消长等功能。 根据功能分类：白细胞介素（interleumine，IL）、干扰素（inter-feron，IFN）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、趋化因子（chemokine）、克隆刺激因子（clone stimulating factor，CSF）、TGF-等。,（6）气体信号分子等(NO、CO、
13、HS)NO参与多种生理过程，如平滑肌松弛、神经元通讯、免疫调节和细胞凋亡等。,（7）代谢物、光子、离子、药物等,补充：光子,原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为。其静止质量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，在真空中以光速c运行，其自旋为1，是玻色子。 光子是由同样大小的正电粒子和负电粒子所组成，正电粒子中心与负电粒子中心的距离为光子的半径，正电粒子的直径等于负电粒子的直径等于光子的半径，正电粒子的质量等于负电粒子的质量。 光子是以光速运动的旋转的电偶极子，旋转轴的方向与光的运动方向垂直，光子是在电子运动
14、的离心力最大的地方发射的，即发射的方向、受力的方向和旋转轴的方向相互垂直。,2.细胞内信号分子(intracellular signal molecules) 细胞内信号分子通常是在细胞间信号分子的指导下产生，通过改变细胞内酶的活性、开启关闭细胞膜离子通道、调节细胞核内基因的转录等，最后调节细胞内代谢，控制细胞的生长、繁殖和分化。相对于细胞间的第一信使而言，细胞内信号分子一般称为第二信使（the second messenger）。,PDGF:血小板衍生生长因子(Platelet Derivation Growth Factor) platelet pleitlit 血小板 derivatio
15、n ,derivein派生 FGF:成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth Factor) fibroblast faibrubl:st纤维母细胞 interleukin ,intlju:kin白介素 necrosis nkrusis坏死 chemokine ,kemuki:n趋化因子 quantum kwntm量子论 DAG:二酰基甘油 arachidonic acid ,rkidnik花生四烯酸,经典第二信使：cAMP、cGMP、DAG、IP3、 Ca2+非经典第二信使：NO、CO、ROS（reactive oxygen species）活性氧)、AA(arachidoni
16、cacid 花生四烯酸) 信号蛋白分子：Ras、Jak、Raf等。,第三信使(the third messenger),第三信使又称DNA结合蛋白，是指负责细胞核内外信息传递的物质，为一类可与靶基因特异序列相结合的核蛋白，能调节基因的转录水平，发挥转录因子或转录调节因子的作用。,3. 细胞间通讯的类型,细胞通讯（cellular communication）: 指多细胞生物细胞与细胞之间的识别、联络及相互作用过程，这个过程是通过各种信号分子的作用而实现的。,由结合于质膜的蛋白质形成的“连接子”（connexon）结构组成。允许小分子物质（1.5KD）如ATP、葡萄糖、IP3、Ca2+、cAMP
17、等通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应。 间隙连接的功能：电偶联传导、胚胎发育与分化、代谢的协调、细胞增殖的调控等。,（1）间隙连接通讯（gap junction）,细胞间隙连接,（2）表面接触通讯表面接触通讯是指细胞通过其表面结合的信号分子与另一细胞表面的信号分子选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程。,不同细胞之间的相互识别和黏合都有可能采取表面接触通讯。 识别与黏合的细胞可以是同种同类（低等生物的细胞聚集）、同种异类（受精）、异种同类（输血与器官移植）或异种异类（病原微生物对寄主细胞的侵染）。,辅助刺激信号：T细胞-CD28APC-B7,（3）化学信号通讯化学信号通讯是间接的细
18、胞通讯，指相隔一定距离的细胞之间，靠分泌发放化学信号分子进行相互联系与通讯。除化学信号外，某些物理信号（光、电等）也可在细胞间传递信息，是细胞通讯的重要组成部分。,化学信号通讯,化学信号通讯类型,受体(receptor):是细胞膜上或细胞内可以特异地识别与结合化学信号物质（配体）并能激发靶细胞产生特异生物效应的特殊蛋白质分子。,（二）受体(receptor),受体功能：（1）识别自己特异的信号物质配体，与之结合。（2）把识别和接受的信号准确无误地放大并传递到胞内，启动一系列胞内信号级联反应，最后导致特定的生物学效应。,配体( ligand ) : 能与受体特异性结合的生物活性分子称为配体。如激
19、素、神经递质、抗原、药物、毒素等。 配体除了与受体结合外，本身并无其它功能。它不能参加代谢产生有用产物，也不能直接诱导任何细胞活性，更无酶的特点；它唯一的功能就是通知细胞在环境中存在一种特殊信号或刺激因素。,1受体作用的特点 受体与配体结合的特异性 受体与配体的结合有很强的专一性，由于配体和受体都具有特定的分子结构，因此，一种配体只能与之相匹配的受体结合，而不能与其它受体结合。,（CCR-5：RANTES、HIV辅助受体） （RANTES：CCR-5、CCR4）,受体与配体结合的高度亲和力配体与受体的结合能力很高，这种高亲和力保证了很低浓度的配体（10-910-12 mol/L ）就可以起到充
20、分的调控作用。,受体与配体结合的可饱和性,受体完全与配体结合后，即使再增加配体的浓度也不会增加细胞的效应，表现出饱和现象，充分体现了细胞对外源环境变化的自身保护作用。,配体-受体结合曲线,受体的可调节性 配体的浓度可调节受体的数目，使受体数目减少称为下降调节（down regulation),如胰岛素对胰岛素受体的调节；使受体数目增多则称为上升调节（up regulation )，如HDL对HDL受体数目的调节。,受体与配体结合的可逆性配体与受体之间通过氢键、离子键与范德华力等非共价键结合，这种结合不牢固，容易结合，也容易分离。受体与配体结合的可逆性使细胞在外源信息分子浓度下降后，可迅速终止针
21、对该信息所发生的变化。,2.受体的分类,细胞表面受体和细胞内受体,(1) 细胞表面受体(膜受体),存在于细胞质膜上的受体，绝大部分是镶嵌糖蛋白。根据其结构和转换信号的方式又分为三大类：离子通道受体，G蛋白偶联受体和酶偶联受体 (单跨膜受体)。,离子通道受体(ion-channel receptor),由多亚基组成受体/离子通道复合体 跨膜信号转导无需中间步骤，反应快（几毫秒） 主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞 配体：神经递质,乙酰胆碱受体结构模型,. . .,. ,.,.,.,受体,配体,Cell,Cell,通道关闭状态,通道开启，细胞应答,G蛋白偶联受体（G-protein-linked r
22、eceptor）,与G蛋白偶联一个单肽链，形成7个螺旋的跨膜结构七螺旋受体（seven-helix receptor）配体：神经递质、肽类激素、趋化因子外源刺激（气味、光）,G蛋白,具有GTP酶活性，在细胞信号通路中起信号转换器或分子开关作用的蛋白质。有三聚体G蛋白、低分子量的单体小G蛋白和高分子量的其他G蛋白三类。 在细胞内信号传导途径中起着重要作用的GTP结合蛋白，由，三个不同亚基组成。激素与激素受体结合诱导GTP跟G蛋白结合的GDP进行交换结果激活位于信号传导途径中下游的腺苷酸环化酶。G蛋白将细胞外的第一信使肾上腺素等激素和细胞内的腺苷酸环化酶催化的腺苷酸环化生成的第二信使cAMP联系起
23、来。G蛋白具有内源GTP酶活性。,酶偶联受体（enzyme-linked receptor）,一旦与配体结合，受体就具有酶的活性 这种受体通常只有一个跨膜螺旋 配体：生长因子、细胞因子,酶偶联受体包括：受体Tyr激酶受体Ser/Thr激酶受体Tyr磷酸酶受体鸟苷酸环化酶偶联Tyr激酶的受体,（2）胞内受体(intracellular receptor),位于细胞浆和细胞核中的受体，全部为DNA结合蛋白(或转录因子类)多为反式作用因子，当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，调节基因转录。配体：类固醇激素、甲状腺素和维甲酸等,A/B区(N端的受体调节区）：高度可变，长短不一。具转录活性
24、，而且决定启动子专一性和细胞专一性，即它在选择激活不同的靶基因，决定激素多样性上有重要意义。 C区(DNA结合区）：富含Cys、具有锌指结构。 E区(C段的激素结合区)：与激素结合；参与转录激活；为受体二聚化所必需；与抑制蛋白结合。 D区(铰链区)：位于DNA结合区与配体结合区之间的一段短的氨基酸序列，含核定位序列(NLS) 。,受体的结构,三种膜受体的特点,（三）G蛋白,广义的G蛋白是指所有能与GTP或GDP结合的蛋白质。细胞信号转导中扮演重要角色的G蛋白主要有两类： 异三聚体G蛋白：与膜受体偶联，位于细胞膜内侧，由、 三个亚基组成，一般称为经典G蛋白或大G蛋白。 低分子量G蛋白（20-30
25、kD）：存在于不同的细胞部位的小分子量G蛋白，也称为“小G蛋白”，是单亚基蛋白。Ras是第一个被发现的小G蛋白。,（四）蛋白激酶与蛋白磷酸酶,.蛋白激酶（protein kinase） 蛋白激酶是指能够将-磷酸从供体分子（ATP、GTP）上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。根据底物被磷酸化的氨基酸，将激酶分为： 丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶：PKA、PKG、PKC等。 酪氨酸蛋白激酶：RTK、JAK、Wee等。 双重底物特异性蛋白激酶：MAPKK组氨酸蛋白激酶：HisK脊椎动物中发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸上的磷酸化的比率为18002001,一个激酶在催化其底物磷酸化之前必须首先被活化，这一般
26、是通过自我或异我磷酸化来实现的。由于激酶调节区通常含有自我抑制序列，所以细胞在静息状态下，激酶的自我磷酸化被抑制，只有接受刺激信号后才能解除抑制，显现出激酶活性。,2.蛋白磷酸酶（protein phosphatase） 蛋白磷酸酶是具有催化已经磷酸化的蛋白分子发生去磷酸化反应的一类酶分子，与蛋白激酶共同构成磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统。蛋白磷酸酶也具有底物特异性，分类与蛋白激酶类似。 丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶：PP1、PP2A、PP2B酪氨酸蛋白磷酸酶：PTP1B、CD45 双重底物特异性蛋白磷酸酶：CDC25,（五）蛋白质相互作用结构域,这些结构域像电路中的接头元件一样把
27、不同的信号分子连接起来，具有很高的同源性，这些结构域被称为蛋白相互作用结构域（protein interaction domain）。如SH2结构域、SH3结构域、PTB结构域、PH结构域等。,信号转导通路形成要求信号转导分子之间可特异性地相互识别和结合，即蛋白质-蛋白质相互作用，这是由信号转导分子中存在的一些特殊结构域介导的。,信号转导分子中的蛋白相互作用结构域的分布和作用,蛋白相互作用结构域的特点,一个信号分子可以含有两种以上的蛋白质相互作用结构域，因此可以同时与两种以上的其他信号分子结合； 同一类蛋白质相互作用结构域可存在于多种不同的分子中。这些结合结构域的一级结构不同，因此对所结合的信
28、号分子具有选择性，这是信号分子相互作用特异性的基础； 这些结构域本身均为非催化结构域。,由约100个氨基酸残基组成，中心为反向平行的片层结构，两侧为螺旋。SH2介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子的结合，并与磷酸化酪氨酸的磷酸基团结合。这种结合依赖于酪氨酸残基的磷酸化及其周围的氨基酸残基所构成的模体（motif）。,SH2结构域（Src Homology 2 domain）：,Y(p)-X-X-Hy,SH结构域是“Src同源结构域”(Src homology domain)的缩写(Src是一种癌基因,最初在Rous sarcoma virus 中发现)。这种结构域是能够与受体酪氨酸激酶磷酸化残基
29、紧紧结合,形成多蛋白的复合物进行信号转导。 SH2结构域含有约100个氨基酸残基，中间一段为反平行-片层，两端各一个-螺旋，SH2结构域特异性地识别配基上磷酸化的酪氨酸残基及其c端的35个氨基酸残基。SH3选择性结合不同的富含脯氨酸的基序（motifs） SH2结构域能够与生长因子受体(如PDGF和EGF)自我磷酸化的位点结合。含有SH2结构域的蛋白也常常含有SH3结构域。,不同的蛋白质分子含有结构相似但并不相同的SH2结构域，因此对于含有磷酸化酪氨酸残基的不同模体具有选择性。,PTB结构域（ptyrosine binding domain）：, 约由160个氨基酸残基组成，具有个螺旋及数个片
30、层结构。与SH2结构域一样，PTB结构域也可以识别一些含磷酸酪氨酸的序列，但其结合序列与SH2结构域有所差别。,SH2：Y(p)-X-X-Hy,PTB：Hy-XNPX-Y(p) (疏水氨基酸-任意氨基酸-天冬酰胺-脯氨酸-任意氨基-磷酸化酪氨酸),SH2识别序列的磷酸化酪氨酸位于蛋白质的C端；PTB识别的酪氨酸位于N端，且只有部分靶蛋白的PTB识别序列是磷酸化依赖的。 SH2仅识别磷酸化蛋白。,SH3结构域（Src Homology 3 domain ）： 由55-75个氨基酸残基组成,形成一个扭曲桶状结构。SH3结构域介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合，其亲和力与脯氨酸残基及邻近氨基酸
31、残基所构成的模体序列相关。,（P-X-X-P）,SH3与目标靶蛋白的结合力较弱，解离常数为5-50mM，需要同时由多个SH3协调增强与富含脯氨酸的肽的结合。事实上，富含脯氨酸的肽与多个SH3的协同结合可将亲和力提高1000倍。,（SH2结构域与含有磷酸化酪氨酸残基蛋白特异序列结合的亲和力是10-100nM）,PH结构域（pleckstrin homology domain ）：,PH结构域最初发现于血小板蛋白pleckstrin，故命名为pleckstrin homology（）。PH结构域由100120个氨基酸残基组成，序列同源性较低，但三维结构均有个桶状结构、个片层和端的螺旋结构组成。,大
32、多数PH结构域通过专一识别膜磷脂带电荷的头部基团，介导蛋白质与脂质之间的结合以帮助蛋白质在细胞膜的定位，从而使信号蛋白区域化分部。 同时也发现一些蛋白分子如PKC和G蛋白的亚单位也可与PH结构域结合。,WW结构域domain with 2 conserved Trp(W)）residue,WW结构域以包含两个色氨酸残基为主要特征。由约40个氨基酸残基组成，由螺旋和片层组成一个连贯、紧凑的结构域。,WW结构域在功能上与SH3很相似，能专一地与含有PPXY、PPLP、PGM、PS/TP或PR等保守序列的蛋白质相互作用。这种相互作用涉及许多细胞内事件,如非受体信号传导、转录调节、蛋白质降解等。,（P
33、-脯氨酸，Y酪氨酸，L-亮氨酸 ，G-甘氨酸 M-甲硫氨酸,R-精氨酸）,PDZ结构域,PDZ来源于最早发现含有此结构域的3个蛋白质：PSD-95(post-synaptic density 95)、DLG (discs-large)、ZO-1(zonula occludens 1)。PDZ由80到100个氨基酸残基组成,三维结构主要由5个片层和1个螺旋组成。,PDZ结构域可特异性地识别和结合配体蛋白C端的短肽序列，但也有报道PDZ与非C端的内部短肽甚至脂类结合。,PDZ结构域所识别的C端的氨基酸残基分为四类： ：-S/T-X-Hy * : -Hy-X-Hy * : -D/E/K/R-X-Hy
34、 * : -X-D/E * （ X-任意氨基酸， Hy-疏水氨基酸，* 终止密码子， -芳香族氨基酸，S/T-丝氨酸/苏氨酸， D/E/K/R-天冬氨酸/谷氨酸/赖氨酸/精氨酸 ）,MH1及MH2结构域,MH1结构域（MAD homology 1 domain）是一种可与DNA结合的结构域，由4个螺旋和6个片层组成，可通过发夹结构与DNA的大沟结合。 MH1存在于Smad蛋白的N端，Smad蛋白是转化生长因子信号途径中的重要组分。,MH2结构域由4个螺旋和13个片层组成，存在于Smad蛋白的C端，MH2在Smad同源或异源寡聚化、Smad与受体相互作用及转录激活中发挥作用。,MH1及MH2结构
35、域也存在于侏蛋白（dwarfing）家族蛋白中，分别被称为结构域A和结构域B。,二、细胞信号转导的基本方式,（一）细胞信号转导网络的构成细胞的信号转导过程是由一个复杂的网络系统完成的。其结构基础是一些关键的蛋白分子和一些小分子活性物质，这些分子均可以称为信号转导分子（signal transducer)。如蛋白激酶和蛋白磷酸酶、GTP结合蛋白、cAMP、cGMP等。,（二）信号在细胞内转换和传递的基本方式1.小分子信使的浓度或细胞内的定位分布发生改变 很多小分子化学物质作为外源信息在细胞内的信使， 对相应的靶分子的活性具有调节作用。 ,2.大分子信使的构象变化许多蛋白质分子接受外源信息或其上游
36、分子的信号使其自身的构像发生改变，构象变化主要引起3种效应：,增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性； 许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域，转位至细胞膜或细胞核； 募集新的相互作用的蛋白质分子，原有的相互作用分子解离。,蛋白质分子的化学修饰：最主要的是蛋白质的磷酸化与去磷酸化及GTP结合蛋白GTP/GDP结合形式变化。 小分子信使的变构效应：小分子信使作为变构剂结合于靶分子使之发生构像变化进而促使靶分子的活性改变。 大分子信使的变构作用 ：同一种分子的二聚体化或寡聚体化也可以引起分子的构像变化而发生激活或抑制。,引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种：,3.蛋白质分子的细胞内定位改
37、变 定位变化可以是原本位于细胞浆的分子转位到细胞膜的内侧，也可以转位到细胞核或其它细胞器，从而将信号传递到相应部位。 4.蛋白质分子的细胞内水平调节 外源化学信号在传递信号过程中，也可以通过多种渠道影响到相应的信号转导分子和效应分子的合成与降解。如基因表达的速度变化，蛋白质分子的稳定性改变等。,三、蛋白偶联受体介导的信号转导,（一）蛋白的结构、种类及跨膜传递信息机制 （二）cAMP信号传递途径 （三）IP3、DG信号传递途径 （四）蛋白和离子通道,由、三种亚基组成 。分子量100kD左右。 亚: 亚基是G蛋白的活性亚基，其上具有一个GTP结合位点，并具有GTP酶的活性，另外还具有受体和酶的结合
38、位点。其分子量在3946kD之间，具有特异性，被用作G蛋白的分类依据。,1G蛋白的结构,、亚基: 亚基分子量为36kD，各种G蛋白的亚基都比较相似，亚基分子量在78kD之间，各种G蛋白的亚基除个别有些区别外也比较相似，它与亚基非共价紧密结合。 蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们通过对其亚基上氨基酸残基的脂化修饰作用将G蛋白锚定在细胞膜内侧。PH结构域介导其锚定在胞膜内侧,2G蛋白的种类到目前为止，至少有21种不同的亚基，6种亚基和12种亚基已分离鉴定。,G蛋白超家族主要类型,（一）蛋白的结构、种类及跨膜传递信息机制,G蛋白（GTP binding protein）一般是指与膜受体偶联的异三聚
39、体G蛋白（heterotrimeric GTP binding protein）, 只是要明确区分与其它GTP结合蛋白时才使用其全称。,3G蛋白跨膜传递信息机制,当受体未与配体结合时，G蛋白的三个亚基呈聚合状态，亚基与GDP结合，无活性。当受体与配体结合时，活化的受体将导致G蛋白亚基释放它原来结合的GDP，代之以GTP，从而使G蛋白激活。活化的G蛋白三聚体解离成G-GTP和G两部分，不再和受体结合。通常由G-GTP（有时由G）结合并激活（或抑制）质膜中的某种酶，这种酶产生第二信使。G具有GTP酶的活性，把它所结合的GTP水解成GDP和Pi，从而使G失活，然后再与G亚基结合生成无活性GGDP，受
40、体的作用终止。,Gs调节模型,在动物细胞中，G蛋白偶联受体改变细胞内第二信使浓度的途径主要有两条：一是cAMP途径，通过G蛋白作用于腺苷酸环化酶，调节cAMP的产生。二是IP3、DG和 Ca2+途径，通过G蛋白作用于磷脂酶C，产生中介信使分子IP3和DG，从内质网释放Ca2+。,（二）cAMP信号传递途径,组成：,胞外信息分子，受体，G蛋白，腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)， cAMP，蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA),1该途径的信号分子根据它们识别的受体种类以及所引起的生物学效应可分为激动型和抑制型两类。前者包括肾上腺素（）、胰高血糖素、促肾
41、上腺皮质激素、促黄体激素、甲状腺刺激激素、甲状旁腺激素、加压素等。后者包括肾上腺素（ ）、乙酰胆碱（M）、阿片肽、生长抑素等。,2该途径的受体：G蛋白偶联受体偶联的G蛋白按所产生的生物学效应，也主要包括激动型G蛋白（stimulatory G protein，Gs）、抑制型G蛋白（inhibitory G protein，Gi）。分别激活和抑制腺苷酸环化酶（adenylate cyclase,AC） 。,腺苷酸环化酶：是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。,1957年，E. Sutherland在研究肾上腺素促进肝糖原分
42、解的机制时发现，这些激素的作用依赖于细胞产生一种小分子化合物环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP），从而提出了cAMP是激素在细胞内的第二信使这一著名的激素信号跨膜传递学说。,3该途径的第二信使：cAMP,小分子细胞内信使的特点：,在完整细胞中，该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变； 该分子类似物可模拟细胞外信号的作用； 阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应。 作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子。,细胞内的第二信使在信号转导过程中的主要变化是浓度的变化，催化它们生成的酶和催化它们水解的酶都会受到膜受体信号转导通路中的信号转导分子的调节。,cAMP的合成与分解,cA
43、MP的降解,cAMP的合成,cAMP的作用机理,cAMP在细胞可以作用于蛋白质分子，使后者发生构象变化，从而改变活性。 蛋白激酶是一类重要的信号转导分子，也是许多小分子第二信使直接作用的靶分子。 cAMP主要通过激活PKA行使其第二信使的功能。,PKA：全酶由4个亚基组成（R2C2)，分子量为150-170kD。R为调节亚基，具有与cAMP结合的位点。C为催化亚基，它的结构中包括三个功能结构域：Mg2+-ATP结合部位、底物结合部位及活性中心。,（cAMP-dependent protein kinase，PKA）,4PKA（依赖cAMP的蛋白激酶）,PKA的激活模型,活化的PKA催化将ATP
44、末端磷酸基团转移到靶蛋白特异位点的Ser/Thr残基上(RRXSY)。底物磷酸化位点的丝氨酸周围氨基酸的变化，会造成激酶亲和力不同，从而形成底物作用的时序先后不同。 在不同类型的细胞中PKA底物蛋白各不相同，这即是靶细胞不同，cAMP的效应也不同的原因之一。 当cAMP信号终止后，靶蛋白的活性则在蛋白质脱磷酸化作用下恢复原状。,(R-精氨酸，X-任意氨基酸，S-丝氨酸，Y-可变疏水残基),PKA底物举例, 糖原代谢：在骨骼肌细胞中，糖原的合成和降解均受肾上腺素的调节。当动物恐惧或紧张时，肾上腺分泌肾上腺素，将“警报”信号经过血液输送到身体的各个组织，以产生适当的反应。 不同细胞对cAMP信号途
45、径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为1-P-葡萄糖，而抑制糖原的合成，产生的葡萄糖在肌细胞内迅速分解为乳糖或CO2，产生ATP，作为肌肉收缩的能源。,cAMP对肌细胞中糖原分解合成的调节作用,肾上腺素,受cAMP调控的基因中，在其转录调控区有一共同的DNA序列(TGACGTCA)，称为cAMP反应元件(cAMP response element , CRE)。 CRE可与cAMP反应元件结合蛋白 (cAMP response element bound protein,CREB)相互作用而调节此基因的转录。, 基因表达,cAMP信号与基因表达,PP-1,（三）IP3、DG信号
46、传递途径 某些信号分子结合于细胞膜的G蛋白偶联受体后，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG）两个第二信使，在Ca2+的参与下完成信息传递, 这一信号系统又称为“双信使系统”（double messenger system）。,1该途径的信息分子 促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿 激素、血管紧张素、乙酰胆碱、5-羟色胺等。 2该途径的受体G蛋白偶联受体偶联的G蛋白是Gq,3第二信使分子：IP3、DAG当信号分子和与相应受体结合后，通过激活特异的G蛋白三聚体-Gq，接着Gq激活磷脂酶C-（p
47、hospholipase C, PLC-），随后不到1秒PLC-就将4，5-二磷酸磷脂酰肌醇PIP2水解，产生2个第二信使分子IP3和DAG。,磷脂酰肌醇激酶类（phosphatidylinositol kinases, PIKs）， 催化磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）磷酸化。,PLC分为6个结构与调节特性不同的亚家族：PLC（1-4）、PLC（1、2 ）、PLC（1、3、4）、PLC（1a、1b）、PLC-和PLC-（1、2）。不同PLC分子大小差别很大，分子量从70kD-150kD不等。（PLC-最早从大鼠肝细胞中分离出来，现发现在结构上与其他PLC无同源性，
48、可能不是PLC家族成员）,PLC通过受体偶联的G蛋白而活化，PLC-则通过受体型酪氨酸激酶活化。,IP3的寿命不到几秒钟，IP3可以在磷酸酶的作用下连续脱去磷酸基团变为IP2、IP及自由的肌醇或磷酸化生成IP4、IP5及IP6等多磷酸肌醇 。 DAG通过两种途径终止其信使作用：一是被DAG-激酶磷酸化成为磷脂酸，并进一步与GTP反应形成磷脂合成的活化形式GDP-DG,进入磷脂代谢循环，与肌醇合成PI；二是被DAG酯酶水解成单酯酰甘油和脂肪酸。,（1）IP3/Ca2+信号传递途径IP3是水溶性小分子，生成后从细胞质膜扩散至细胞质中，结合于内质网或肌质网膜上中IP3敏感的Ca2+通道。IP3在细胞
49、中引起的生理效应几乎都是通过Ca2+信号系统介导完成的。,（2）DAG/PKC信号传递途径DAG的作用是可以提高PKC与Ca2+和磷脂酰丝氨酸（phosphatidyserine,PS）的亲和力，使之在Ca2+的生理浓度（10-7mol/L左右）条件下就可被激活。除激活PKC之外，最近的研究表明DAG还可激活多种蛋白质，如Ras鸟苷酸释放蛋白和离子通道蛋白等。,PKC是由一个大基因家族编码的，至少已有十几种PKC的亚型被分离、鉴定。分为A、B、C三组。A组：典型PKC (classical PKC， cPKC），包括4种即、1、2、,它们的激活依赖Ca2+、PS和DG。B组：新型PKC(new PKC，nPKC)，被PS和DG激活，不需要Ca2+。C组：非典型PKC(atypical PKC，aPKC),现知它仅依赖于PS而不被DG或Ca2+激活。,
