过程分子生物学2 课件.ppt

1、过程分子生物学523416基因的表达与调控细胞通讯的分子机制免疫多样性的分子识别胚胎发育的基因表达谱肿瘤发生的分子机制基因组学与系统生物学细胞通讯的分子机制EBCDAFG细胞通讯的基本概念水溶性物质的跨膜运输-物理传送 信号分子的跨膜传递-信号转导 G蛋白信号转导途径 JAK-STAT信号转导途径 TNF信号转导途径 TGF信号转导途径 HPI3K信号转导途径 I细胞分裂素信号转导途径 J信使系统的偶联与启动 2A 细胞通讯的基本概念 外界信号如何进入细胞，细胞又如何应答，这是分子生物学的一个基本命题，正在受到越来越多的重视。1992年的诺贝尔生理学奖授予了蛋白质可逆磷酸化的奠基人；1994年

2、则授予了GTP结合蛋白的发现者。响应环境并控制分子跨细胞质膜进出，是所有细胞的重要特征这一过程依靠定位于细胞质膜上的蛋白质。细胞质膜对水溶性的物质是不容渗透的，这些物质包括离子、无机物、多肽等。为了进入和影响细胞，亲水性的物质或者通过胞饮的方式进入细胞，或者与定位在细胞质膜上的蛋白质发生相互作用。2A 细胞通讯的基本概念 配体与受体、抗原与抗体，酶与底物是蛋白质之间特异性结合的三大系统。a 配体与受体 配体（Ligand）通常是指细胞外物质，不管是无机分子还是多肽，它们的共同特征是通过细胞质膜上的蛋白组分传递信号，故亦称为信号分子。受体（Receptor）是指细胞质膜上与配体特异性结合的靶蛋白

3、分子，有些受体本身还具有酶的催化功能。2A 细胞通讯的基本概念 物理扩散：脂溶性信号分子（脂溶性激素如甾体激素），可通过简单的物理扩散作用穿透质膜进入细胞内，并在细胞内或核内与其靶蛋白结合，发挥功能，无需细胞膜专一性受体。b 信号分子传递的基本形式 物理传送：水溶性信号分子，通过与细胞膜上的特异性受体系统结合，将之物理传送至细胞内。信号转导：大部分的水溶性信号分子，与细胞膜上的特异性受体结合，并触发细胞内的一系列响应过程。信号分子本身不进入细胞内，但在其与受体结合过程中产生的信号已进入胞内，并得以倍增，同时产生出新的信号分子，后者称为第二信使和第三信使。2B 水溶性物质的跨膜运输-物理传送 小

4、分子糖类物质与细胞质膜上的特异性受体结合，导致受体蛋白的构象发生改变，变构的受体蛋白将糖翻入细胞内。然后，配体脱离后的受体又转换成原来的构象。这一过程属于主动运输，需要消耗能量。a 翻转作用（糖）水溶性分子的主动运输糖分子糖分子翻转作用细胞膜细胞内细胞外细胞膜细胞内细胞外2B 水溶性物质的跨膜运输-物理传送 当配体与受体结合后，胞内的包含素蛋白分子便结合在受体附近的胞膜内侧，胞膜在包含素的作用下形成微囊泡结构，将配体受体复合物包裹起来并运至靶部位膜（如核膜等）。b 胞饮作用（受体介导的蛋白质胞饮）蛋白质分子的胞饮过程蛋白分子胞饮作用微囊泡包含素细胞膜细胞膜细胞膜受体配体复合物进入细胞后的命运

5、受体循环配体降解配体从微囊泡中被释放到核内体，发挥功能后，在溶酶体中被降解；受体则由微囊泡带到胞膜上循环使用。一个受体循环大约需1-20分钟，在细胞20小时的生命周期中可重复循环上百次。这一途径的经典例子是LDL受体，其配体为血浆低密度脂蛋白（LDL），它携带胆固醇或胆固醇酯。胆固醇从LDL上释放出来供细胞使用，LDL则被送到溶酶体中降解，而LDL受体则随微囊泡重新回到细胞膜上。受体配体复合物进入细胞后的命运 受体配体双循环铁传递蛋白受体是这一途径的一个经典案例。配体受体复合物进入核内体，酸性环境使铁传递蛋白释放出铁离子，这时配体仍与受体结合在一起，并双双随微囊泡传至胞膜上重复使用。配体一旦回

6、到膜上，遇到胞外的中性环境，便从受体上释放下来，重新进入循环，周期为15-20分钟，而受体的半衰期则大于30小时。受体配体复合物进入细胞后的命运 受体配体双降解这一途径的案例是表皮生长因子受体系统（EGF）。表皮生长因子系一小分子多肽，它与受体复合物被运至核内体中，EGF发挥功能后，与其受体双双进入溶酶体中被降解。受体配体复合物进入细胞后的命运 受体配体被转移受体与配体复合物被送至核内体中，配体释放，发挥功能后，又与其受体重新形成复合物（此时两者的空间结构已发生改变），该复合物再被转移至细胞膜的另一处。免疫球蛋白由受体横跨上皮胞细胞膜的传递即属此例。上述受体迅速循环机制一般只用于配体运输，而不

7、发生信号转导作用。用于信号转导的受体一般被降解。2B 水溶性物质的跨膜运输-物理传送 受体直接构成离子通道c 通道作用（离子通道）受体直接构成离子通道，而配体则控制离子通道的孔径及选择性。受体直接构成离子通道 钠离子通道乙酰胆碱是一种神经信号分子，它参与肌肉延伸收缩的调节作用。乙酰胆碱受体由五个亚基组成，形成配体控制的Na+通道。乙酰胆碱与受体结合后，受体a亚基构象改变，Na+迅速流入细胞内，导致细胞内外电压降减小在数微秒的时间内，肌肉细胞便会响应神经细胞的电压降脉冲，发生收缩运动。乙酰胆碱不存在时，通道关闭。每个亚基跨膜四次跨膜区内氨基酸的性质决定了通道的孔径及离子选择性。受体直接构成离子通

8、道 冷热离子通道 冷热离子通道能在低温或薄荷醇等外界物理或化学因素的刺激下打开。该离子通道响应15-25的温度范围，允许Na+和Ca2+离子进入传感神经元细胞并使之去极性化。口腔内的这种传感神经元将信号传递至大脑的三叉神经中枢（TG）；皮肤上的这种传感神经元则将信号传递至脊锥索的脊根神经中枢（DRG）。此外，最近还鉴定出三种热传感器：第一种称为TRPV1型胡椒粉（辣椒素）热传感器，其敏感温度为43以上；第二种称为TRPV2型热传感器，其敏感温度为52以上；第三种称为TRPV3型温热传感器，其敏感温度范围在25-43之间。受体直接构成离子通道 冷热离子通道上述的冷热离子通道属于瞬时受体潜在型TR

9、P超家族，该家族的第一个成员是在果蝇光子受体细胞中发现的。哺乳动物TRP离子通道家族各成员之间的序列同源性甚低。它们可分成三大类：1 短通道TRPC；2 osm9样通道TRPV；3 长通道TRPM。所有TRPC和渗透压变化；在人类等高等哺乳动物中，TRPM通道负责感应味道，如甜苦等。NCTRP结构域 TRP盒锚蛋白重复序列TRPCNCTRPVNCTRPM成员的C端均含有一个TRP盒（Glu-Trp-Lys-Phe-Ala-Arg）和一个由25个氨基酸组成的功能未知的TRP结构域，但其它TRP通道成员一般没有类似结构。TRPC通道和TRPV通道的N端胞质功能域中含有锚蛋白重复序列，而TRPC通道

10、和TRPM通道的C端含有Pro丰富区。在果蝇中，TRPC型通道负责视觉，TRPV通道负责感应温度Pro丰富区受体通过信号传递控制离子通道 受体通过与GTP结合蛋白偶联，驱动离子通道开关。此类受体具有典型的七跨膜结构7TM，不论其配体性质如何。当配体（如激素）与受体结合后，由于其构象改变，激活GTP结合蛋白的核苷酸交换反应，GDPGTP。结合GTP的a亚基便与核苷酸环化酶结合，后者直接启动离子通道的开关。受体通过信号传递控制离子通道 视觉系统的信号传递机制 视网膜杆细胞中的视紫红质和视锥细胞中的视蛋白（颜色敏感）都是光量子的受体，实质上真正吸收光量子的分子是11-顺-视网膜素，它与受体第七跨膜区

11、的Lys共价结合。GTP结合蛋白将受体和磷酸二酯酶（PDE）偶联在一起，PDE负责水解cGMP，cGMP浓度下降导致离子通道关闭。离子浓度的改变信号由视觉神经传至大脑。光子促使受体构象发生变化，激活GTP结合型蛋白，后者又激活PDE。一个光子可激活数百个G蛋白分子，一个G蛋白分子又可激活PDE降解许多cGMP分子，从而完成信号的放大。受体通过信号传递控制离子通道 视觉系统的信号传递机制 在视蛋白中，吸收光量子的分子也是11-顺-视网膜素，但其共价结合区域内的氨基酸序列不同，导致每种视蛋白分子只有唯一的最大光吸收值。一个视锥细胞只表达单一的视蛋白，因此一个视锥细胞只能对一种波长的光敏感，这便是颜

12、色敏感的分子机制。受体通过信号传递控制离子通道 嗅觉系统的信号传递机制 气味分子与相应的受体结合，导致其构象发生改变，激活GTP结合蛋白，后者激活腺苷酸环化酶AC，由ATP合成cAMP。后者与离子通道结合并开启之，Na进入细胞，K流出细胞。电位差传至大脑。受体通过信号传递控制离子通道 嗅觉系统的信号传递机制 2004年的诺贝尔生理学或医学奖授于了美国科学家阿克塞尔和巴克。诺贝尔基金会为此发表的声明说：“嗅觉一直是人类感觉中最神秘的一种。我们过去无法理解人类辨认和记忆大约一万种不同气味的基本原理。而阿克塞尔和巴克却帮我们解答了这个问题，他们通过一系列具有开拓性的研究详细阐明了我们嗅觉系统的工作机

13、制。”1000个气味受体蛋白的编码基因。研究表明，每个嗅觉神经细胞只表 截止到目前为止，阿克塞尔和巴克领导的研究小组共发现了大约达一种气味受体蛋白，那么如何感应上万种不同的气味呢？2C 信号分子的跨膜传递-信号转导 许多水溶性信号分子本身不能直接进入细胞，但它们能与相应的膜蛋白受体特异性结合，进而在细胞质中引起一系列以磷酸化反应为主的级联响应，最终将信号传递到细胞核内。这一过程称为信号转导；信号传递的路线称为信号转导途径。2C 信号分子的跨膜传递-信号转导 信号转导途径的第一站是细胞外的信号分子（即配体）特异性地识别细胞膜上的受体蛋白，并与之结合；一旦结合了信号分子，受体空间构象就会发生变化。

14、这个过程称为第一次应答，共有三种表现形式。a 信号转导途径中的第一次应答反应 激活受体自身含有的蛋白激酶活性 这类受体的特征是：跨膜一次，由胞外区、跨膜区、胞内区三部分组成。胞外区是配体的结合位点；胞内区是受体自身的酪氨酸蛋白激酶活性区，也称为受体的顺式酶活性，通常这个活性部位由250个氨基酸组成。除此之外，这类受体的胞内区还可能含有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性，或者与鸟苷酸环化酶相连。根据胞内区的酶活性质不同，可将这类受体分为四大家族。激活受体自身含有的蛋白激酶活性 当配体与受体结合后，受体空间结构发生变化，这是蛋白激酶发挥催化功能的前提条件，共有三种形式的构象变化。配体结合导致单体二聚化配体

15、连接两个单体配体连接导致构像改变激活细胞质内的蛋白激酶活性 这类受体的特征是：跨膜一次，胞外区与配体结合，关键序列为WSXWS；膜内区不含蛋白激酶的功能域，但在近膜处存在着细胞内蛋白激酶家族的结合区域。当配体与受体结合后，构象发生改变，受体与细胞质内蛋白激酶特异性结合，并激活这些蛋白激酶的磷酸化活性。如T-淋巴细胞的CD4受体在与配体结合后，便能特异性地与细胞内的Lck蛋白激酶结合，并激活之。激活结合在细胞膜内侧上的G蛋白 这些受体的特征是：跨膜七次（7MT）。G蛋白是一种GTP/GDP结合型蛋白，位于受体附近的膜内侧上。其无活性状态是一个结合GDP的三聚体（a a、b b、g g），一旦受体

16、与配体结合，受体构象发生改变，导致GDP为GTP所取代，这时G蛋白解离成一个携带GTP的亚基（a a）和一个二聚体（b gb g）。单聚体或/和二聚体再去激活其它的靶蛋白，引起一连串级联反应，通常情况下，最终刺激产生第二信使分子cAMP，离子通道的调节便是一例。2C 信号分子的跨膜传递-信号转导 细胞外的信号分子（配体）特异性识别和结合细胞膜上的受体蛋白之后，受体产生第一次应答反应，继而便将信号通过三种方式在胞质中传递。b 细胞质中信号转导的基本形式转录调控因子直接穿过胞质到达细胞核 有些转录调控因子能直接被配体-受体复合物激活，并穿过胞质进入细胞核。受体被配体激活后做出的第一次应答反应就是将

17、潜伏在胞质内受体附近的无活转录调控因子召集到自己的身边，然后将之激活。具有这种性质 的 转 录 调 控 因 子 包 括SMAD家族和STAT家族的各成员，其中SMAD家族在其Ser残基上被受体磷酸化激活而STAT家族则在其Tyr残基上被受体磷酸化激活。信号通过脚手架蛋白逐次传递至细胞核 在相当多的信号转导途径中，被配体激活的受体将信号逐次传递给下游脚手架蛋白（驿站蛋白）构成一系列的级联反应。此时，信号的载体是磷酸基团，信号传递的形式是磷酸化反应或/和蛋白质降解反应，但许多蛋白质降解步骤也是受磷酸化反应控制的。以此机制进行信号 转 导 的 包 括：N F-kB/Rel、Wnt、CI/GLI、No

18、tch、Ras信号转导途径径 信号通过第二信使分子传递至细胞核 在有些信号转导途径中被配体激活的受体可导致细胞质内第二信使分子浓度的波动，并依赖这些小分子或离子在胞质中的扩散作用将信号传递至细胞核。具有上述功能的第二信使分子包括Ca2+和磷酸肌醇酯（PIP）等。以此机制进行信号转导的有：NFAT和PLC等信号转导途径等。2C 信号分子的跨膜传递-信号转导 在某些信号转导途径中，由配体-受体相互作用所产生的信号被传递到细胞核外侧后，还需要通过下列三种方式进入核内，进而作用于相关基因的调控区，促进 靶基因的转录。c 细胞核中信号转导的基本形式激酶转位作用 运载信号的蛋白激酶直接进入细胞核内，并在核

19、内使相应的转录调控因子磷酸化激活，调控靶基因的表达。因子转位作用 运载信号的蛋白激酶在细胞核外侧使相应的转录调控因子磷酸化激活，后者再进入核内调控靶基因的表达。抑制剂释放作用 运载信号的蛋白激酶在细胞核外侧使转录调控因子-抑制剂复合物磷酸化，促使其释放转录调控因子，后者再进入核内调控靶基因的表达。2D G蛋白信号转导途径 异源三聚体GTP/GDP结合蛋白（G蛋白）是一类固定在细胞质膜内表面上的信号转导子，它联结受体和脚手架因子，构成细胞内信号转导途径。与G蛋白相偶联的受体能响应大量的激素、神经递质、趋化因子、自分泌和旁分泌因子。G蛋白由三个不同的亚基a a、b b、g g构成，但当信号转导时，

20、它们是以单亚基或二聚体的形式工作的，即信号传递或者通过Ga a亚基或者通过Gbgbg复合物进行目前已知的G蛋白亚基分别为Ga a 20种、Gb b 6种、Gg g 11种。2D G蛋白信号转导途径 根据序列相似性，G蛋白可分为四个家族：Gs、Gi/Go、Gq/G11、G12/G13。这四大G蛋白家族能转导数量众多的胞外信号分子。同一种信号分子结合不同的受体，可将信号传递给不同的G蛋白家族。例如，肾上腺素信号分子通过b b-肾上腺素受体将信号传递到与受体偶联在一起的Gs上；通过a a2-肾上腺素受体被传递到Gi上；通过a a1 1-肾上腺素受体则被传递到Gq和G11上。然后，各类G蛋白再通过不同

21、的信号转导途径调控重要的细胞组分，包括代谢酶类、离子通道以及相应的转录机器，这些细胞组分的运行和反应决定了细胞的行为和功能，如胚胎发育、学习记忆、稳态建立等。a G蛋白信号转导途径的基本特征 G蛋白四大家族的信号转导网络2D G蛋白信号转导途径b G蛋白信号转导途径的构成与功能 所有的G蛋白都参与多重信号转导途径的构成和运行，最终将信号传递至不同的细胞机器上，形成响应速率和作用强度各不相同的生理效应。例如，在神经元细胞中，cAMP可通过PKA对离子通道实施短期效应；同时通过Rap和MAPK对转录机器实施长期影响。所有的G蛋白都调控GTP酶（如Rap和Rho等）的活性。所有的G蛋白途径或刺激或抑

22、制一条或多条由MAPK介导的分支途径。Gs信号转导途径 Gs途径是最早被鉴定的细胞信号转导途径，许多关键的概念，如第二信使、蛋白磷酸化、信号转导等就是来自于该途径的研究。即便经历了近二十年的研究，Gs途径的新知识仍在不断地增加。Gs途径的关键效应分子是cAMP。信号分子（如肾上腺素和糖原等）与相应的受体结合后，激活Gs的a a亚基，后者激活腺嘌呤核苷酸环化酶AC合成cAMP。cAMP有三大功能：（1）直接开启CNGC离子通道；（2）激活蛋白激酶PKA，后者即可开启L-型Ca2+离子通道,又可依次激活磷酸化酶激酶PhosK和糖原磷酸化酶GlyPhos，导致糖原降解为葡萄糖；（3）依次激活GTP/

23、GDP交换因子EPAC、GTP酶Rap1有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶B-Raf、有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶MEK、有丝分裂原激活的蛋白激酶MAPK，后者进入核内激活cAMP应答元件结合蛋白CREB，活化的CREB再与相关基因的 转录调控元件CRE结合，促进这些基因的转录。Gs信号转导途径配体-受体Gs aACcAMPPKAEPAC CNGCCREBCRE质膜核膜PDE降解Gi信号转导途径 Gi信号转导途径的主要特征是其Ga能抑制AC的活性。许多重要的激素和神经递质，如肾上腺素、乙酰胆碱、多巴胺、5-羟色胺等，都能利用Gi和Go途径转导信号。该途径为百日咳毒素所抑制，其机制是百日咳毒

24、素在G蛋白a亚基C端的区域内使其ADP核苷酰化，从而阻止a亚基与相应的受体相互作用。在Gi途径中，Ga亚基和Gbg复合物均能单独传递信号。例如，Gbg复合物至少能与四种效应因子直接偶联，间接偶联Ras蛋白中的GTP酶活性，进而激活MAPK。一些重要的生理功能（心脏起博活性）的毒覃碱性胆碱调控过程，就是通过M2-毒覃碱性受体与Gi蛋白偶联，释放出Gbg复合物，再由后者激活K+离子通道而实现的。Ga则能调控信号从c-Src到STAT3途径和Rap途径的传递，也能抑制AC的活性。Gq信号转导途径 Gq信号转导途径的主要特征是被钙质动用激素激活，并刺激细胞合成第二信使分子三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘

25、油（DAG）。IP3触发钙质从胞内钙库中的释放，而DAG则负责召集PKC到膜上并激活之。在很多类型的细胞中，胞内钙质的释放能激活细胞表面上钙库操纵的Ca2+通道，导致胞外的Ca2+流入胞内。Gq的a亚基则能通过蛋白酪氨酸激酶PYK2激活转录调控因子NF-kB。2D G蛋白信号转导途径c Ras信号转导途径 很多生长因子激活相应的受体后，通过效应分子活化由原癌基因ras编码的Ras蛋白，后者又依次激活其下游脚手架因子，最终作用于靶基因的表达。Ras蛋白为多种生长因子信号传递过程所共有，而且本身也是G蛋白家族的一个成员，构成一条独立的信号转导途径。Ras信号转导途径中的脚手架蛋白包括：Ras蛋白、

26、SH蛋白、Raf蛋白等。Ras信号转导途径中的脚手架蛋白 Ras蛋白 Ras蛋白是原癌基因ras的表达产物目前已发现有几十种不同的Ras样蛋白，根据其结构特点可分为三个主要家族：（1）Ras蛋白：哺乳细胞可表达四种真正的Ras蛋白，分别由基因H-ras、N-ras、K-rasA、K-rasB编码，这类蛋白主要参与受体酪氨酸激酶的信号传递过程；（2）Rho/Rac蛋白：由基因rho和rac编码，与Ras蛋白同源，并介导细胞骨架的构建；（3）Rab蛋白：由基因rab编码，主要与物质Ras-GTPRas-GDPGTP-GDP交换因子GEFGTP酶激活蛋白GAP无活状态激活状态的跨膜运输有关。Ras蛋

27、白是一类GTP结合蛋白，具有与GTP和GDP的结合特性。GTP酶激活蛋白（GAP）激活Ras蛋白内在的GTP酶活性；鸟苷酸解离抑制因子GDI则抑制Ras-GDP与Ras-GTP两种状态之间的 转 化。Ras信号转导途径中的脚手架蛋白 SH蛋白SH蛋白家族因与原癌基因src编码的Src蛋白具有较高的同源序列及结构相似性，因此而得名。其成员之一的生长因子受体结合蛋白Grb由自磷酸化的受体蛋白激酶活性，催化其磷酸化而被激活，激活了的Grb蛋白又去激活GEF（SOS），后者使Ras-GDP转化为Ras-GTP因此SH蛋白是连结受体与Ras蛋白之间信号传递的重要分子。Ras信号转导途径中的脚手架蛋白 R

28、af 蛋白Raf 蛋白是一种蛋白激酶，它能最终导致细胞有丝分裂原激活的蛋白激酶MAPK激活，其激活的方式也是磷酸化，而且Raf 蛋白本身又是Ras-GTP复合物的底物。Ras-GTP使Raf 蛋白磷酸化同时自己转成Ras-GDP形态。现已知，Raf 蛋白有三个同型物（同一转录前体不同剪切方式的形成物）：74kD的Raf1（广泛存在于体内）、68kD的RafA（主要在生殖细胞内表达）、95kD的RafB（主要在脑细胞中表达）。Ras信号转导途径中的级联反应绝大多数生长因子的受体及部分细胞因子受体本身具有酪氨酸激酶活性构成酪氨酸激酶受体家族。这类受体被生长因子激活后，其胞内区的酪氨酸激酶活性将自身

29、的酪氨酸磷酸化，同时具备了催化其它蛋白质磷酸化的功能，由此引发有序的级联反应。这些反应大多是各种蛋白质的磷酸化，包括Tyr、Ser、Thr等具有羟基侧链的氨基酸残基。Ras信号转导途径中的级联反应 Ras信号转导途径的最后一站是原癌基因编码的转录调控因子Myc、Jun、Fos，它们被上游脚手架分子MAPK激活后，直接作用于相关基因的顺式转录调控元件。例如，Myc与Max形成二聚体，与基因的DNA顺式元件CACGTG结合，并激活相应基因的转录启动；Jun与Fos形成二聚体AP1，与基因的佛波醇应答元件TGACTCA结合，并激活相应基因的转录启动。2E JAK-STAT信号转导途径 大部分的细胞因

30、子受体属于造血因子受体超家族的成员，与生长因子受体不同，细胞因子受体的胞内区域不具有酪氨酸激酶活性，但其细胞内的近膜保守区能结合一些非受体型的酪氨酸激酶。在配体的介导下，受体亚基二聚化或寡聚化，使受体胞内区域靠近，并结合于胞内近膜区的酪氨酸激酶，同时被活化，进而启动一系列信号转导途径，其中最具有代表性的就是JAK-STAT信号转导途径。2E JAK-STAT信号转导途径 JAK-STAT信号转导途径由特异性受体、非受体型的酪氨酸激酶（JAK）、信号转导子和转录激活子（STAT）三部分构成。a JAK-STAT信号转导途径的基本构成JAK酪氨酸激酶家族 绝大多数激活STAT型的细胞因子受体不含内

31、源性激酶活性这种活性，它们所需的酪氨酸激酶活性由受体接合型的胞质蛋白质-JAK家族成员提供，因此JAK是不同于受体酪氨酸激酶的另一类激酶（Just Another Kinase，JAK）。也有人认为该名来源于古希腊门神Janus，它具有方向相反的两张面孔，与此类蛋白激酶C端的两个催化亚基相似，因此又称Janus Kinase（JAK）。JAK家族最明显的结构特征是其C端用有两个催化功能域，靠近N端是三个保守的结构域，中部有两个功能域。JAK在进化上相当保守，哺乳动物细胞内有四个JAK成员：JAK1、JAK2、JAK3、TYK2。有种遗传性免疫缺陷症就是因为突变使得受体与JAK相互作用能力丧失或

32、者JAK激酶活性丧失。JAK能特异性地结合在细胞因子受体的胞内功能域上。当细胞因子配体与相应的受体结合后，受体二聚化，使得结合在受体亚基上的两个JAK相互靠近，并相互磷酸化而被激活，然后JAK再催化其底物蛋白（如STAT）磷酸化，由此将受体信号继续传递下去。STAT信号转导子和转录激活子蛋白家族 哺乳动物细胞含有七个STAT（Signal Transducers and Activators of Transcription）编码基因，分别为STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B、STAT6，其编码产物之间的氨基酸序列具有较大的离散性，这种离散性使得它们能响

33、应较大范围的胞外信号分子，同时具有较广的组织特异性分布。STAT蛋白在其C端含有SH2和SH3两个功能域，而且还有一个保守的酪氨酸残基位点，该位点的磷酸化是STAT活化的基础。在配体信号分子不存在时，作为转录因子的STAT蛋白定位于细胞质中，并呈无活状态；当配体与受体偶联后，STAT迅速被激活，其分子上的SH2（Src-homology）功能域与受体磷酸化了的酪氨酸残基特异性结合，从而靠近受体的胞内功能域。此时，STAT上保守的酪氨酸残基被磷酸化。磷酸化了的STAT可从JAK-受体复合物上离解下来，并形成二聚体，继而转移至核内，依靠其SH3功能域（能特异性地结合Pro富集区）直接作用于基因转录

34、调控的顺式元件。2E JAK-STAT信号转导途径JAK-STAT信号转导途径在真核生物的霉菌、线虫、果蝇、脊椎动物乃至人类中高度保守，而且受到各种内源和环境刺激因素的调控，从而使得细胞和组织具有更大的可塑性。但是，该信号转导途径在真菌和植物中至今没有发现。在很多情况下，细胞中的早期应答基因以及那些依赖于细胞因子的功能基因是由JAK-STAT控制表达的，当细胞中没有新的蛋白质合成时，这些早期应答基因通常增加转录。b JAK-STAT信号转导途径的基本特征JAK-STAT介导的信号转导程序当信号分子与相应的受体结合后，受体在膜上二聚化，这使得联结在受体胞质区的两个JAK也相互靠近并相互催化对方磷

35、酸化，同时又使受体胞质区中的酪氨酸残基磷酸化，制造出吸引锚定STAT的位点；游离于细胞质中的S TAT 蛋 白 通 过 其结构，然后迅速被运输到核内。SH2功能域与受体胞质区中磷酸化了的酪氨酸残基结合，然后在自己的酪氨酸残基上接受磷酸基团；磷酸化了的STAT蛋白从受体上解离下来，或同源或异源形成二聚体JAK-STAT介导的信号转导程序大多数的STAT二聚体能识别DNA链上8-10对碱基的反向重复序列5-TTN4-6AA-3这个相对保守的DNA序列称为GAS（gamma-interferon activation sequence）元件，因为它首先是在研究STAT同源二聚体与g-干扰素基因调控序

36、列之间的相互作用时被发现并命名的。该元件的相对保守性也反映出不同序列的GAS对特定的STAT二聚体具有不同的亲合力。JAK-STAT介导的信号转导程序一旦被激活的STAT二聚体识别并结合靶基因的GAS元件上，该基因的转录速度就会大幅度加快，其机制是STAT分子内的转录激活功能域能召集一些核内共激活因子，以促进对染色质的修饰反应以及与核心启动子之间的通讯联络。2E JAK-STAT信号转导途径 细胞因子干扰素和白介素是通过JAK-STAT信号转导途径调控靶细胞广泛的生理功能的。三类干扰素（a a、b b、g g）和白介素 6 分别使用了三条特异性的信号转导途径。c 干扰素和白介素介导的JAK-S

37、TAT信号转导途径I-型干扰素介导的途径该途径的信号分子为a a干扰素和b b干扰素，转录调控因子为STAT1-STAT2异源二聚体。该途径的信号转导机制不同于大多数其它的JAK-STAT途径，其最终的转录调控因子不是简单的STAT二聚体，而是由STAT1-STAT2和一个必需的DNA结合亚基（IRF9）构成的异源三聚体。IRF9是干扰素调控因子家族的一个成员，STAT与IRF9的结合使得这个复合物能识别干扰素刺激应答元件（ISRE）。II-型干扰素介导的途径该途径的信号分子为g g干扰素，转 录 调 控 因 子 为STAT1-STAT1同源二聚体这种二聚体识别靶基因上游 的 g g 干 扰

38、素 激 活 序 列GAS。白介素介导的途径该途径的信号分子为白介素6，转录调控因子为STAT3-STAT3同源二聚体，又称STAT3途径。该途径广泛存在于各种类型的细胞中，对生长调控、炎症发生、胚胎发育具有重要作用。此外，这条途径的激活还常见于多种实体肿瘤和血癌细胞中，具有刺激生长和抗凋亡的功效。很多原本使用酪氨酸激酶受体的生长因子信号转导途径也直接通向STAT3途径，如表皮生长因子EGF、血小板样生长因子PDGF等2E JAK-STAT信号转导途径JAK-STAT信号转导途径并不能自发地工作，胞内和环境的许多刺激因素均能控制其运行。所有正负调控因子的稳态浓度和信号诱导浓度的维持，决定了JAK

39、-STAT途径的信号应答反应在一个特定细胞中的作用强度和持续时间。JAK-STAT途径的正负调控有四种机制。d JAK-STAT信号转导途径的调控途径融合 多种不同类型的蛋白激酶，包括几种MAPK，能使STAT的丝氨酸残基磷酸化，从而将其它转导途径中的信号融入到JAK-STAT途径中。进入内吞囊泡并遭降解。受体降解 JAK-STAT信号转导途径的负调控过程常使用普通的机制，如受体反馈抑制 JAK拥有自己专一性抑制剂SOCS（细胞因子信号转导阻遏因子）它能直接结合并钝化JAK。那些能促进STAT激活的细胞因子同时也能刺激SOCS编码基因的表达，因此SOCS构成了一个反馈抑制回路。修饰灭活 细胞内

40、某些丝氨酸磷酸化反应以及蛋白质的翻译后修饰作用会削弱STAT的活性。更为特异性的抑制信号来自蛋白酪氨酸磷酸酶，它们能在膜结合型的受体激酶复合物水平上或者在核内，除去被激活的STAT二聚体上的磷酸基团，剩下的STAT单体则重新回到细胞质中。此外，还有一种名叫激活型STAT蛋白抑制剂（PIAS）的因子能直接与磷酸化的STAT二聚体结合，从而阻止其对DNA元件的识别。2F TNF信号转导途径肿瘤坏死因子（TNF）是细胞凋亡、炎症发生、免疫调节过程中一类重要的枢纽分子，它涉及到人类多种疾病的发病机制，如败血症、糖尿病、癌症、骨质疏松症、多重硬化症、肠炎、风湿性关节炎等。TNF与TNF受体-1（TNF-

41、R1）相互作用，能激活若干信号转导途径。2F TNF信号转导途径 早在一百年前就有人指出了TNF的抗癌活性，然而直到1984年纯化了人的TNF并克隆表达了其cDNA编码区，人们才对TNF的多重生物活性有了一个全景式的了解。a TNF的结构与功能 TNF是一种由激活的巨噬细胞合成的同源三聚体，每个亚基有157个氨基酸。它能作用于两种不同的细胞表面受体TNF-R1和TNF-R2，其中TNF-R1介导TNF的大部分生理活性。TNF与TNF-R1的结合能触发一系列细胞内的级联反应，最终激活两大核内转录因子kB（NF-kB）和c-Jun。这两大转录因子可诱导表达一组具有重要生理功能的基因，涉及细胞的生长

42、凋亡、组织发育、肿瘤发生、免疫识别、炎症反应、环境压力应答等过程。TNF与其受体TNF-R1所介导的信号转导途径的一个共同特征是，TNF能在细膜上诱导形成多蛋白信号转导复合物。2F TNF信号转导途径b TNF信号转导途径的工作原理TNF信号转导途径的第一步是TNF三聚体与TNF-R1的胞外功能域特异性结合，并从TNF-R1的胞内功能域上释放出致死功能域（SODD）的抑制蛋白因子；由此集聚起来的TNF-R1胞内功能域又为TNF受体结合型致死功能域（TRADD）所识别；TRADD再吸引另外三种脚手架因子：受体相互作用型蛋白RIP、TNF-R结合因子2（TRAF2）、Fas结合型致死功能域FADD

43、；然后，上述三种脚手架蛋白再将一些关键的酶分子分别召集起来，进而启动三条分支途径的信号转导。由FADD介导的分支途径 Fas结合型致死功能域FADD将caspase-8蛋白酶召集到TNF-R1复合物上，同时激活caspase-8（通过该蛋白酶的自降解效应），并由此引发一系列蛋白降解反（Fas途径）应，最终导致细胞凋亡。由TRAF2介导的分支途径TRAF2召集细胞凋亡蛋白-1的两个抑制剂cIAP-1和cIAP-2，对细胞实施抗凋亡作用；此外，TRAF2还能激活有丝分裂原激活的蛋白激酶的激酶的激酶（MAPKKK），如胞外信号调节型的激酶的激酶的激酶1（MEKK1）或凋亡刺激型激酶1（ASK1），它

44、们通常以复合物的形式存在于受体的周围，进而激活一个激酶级联反应，最终导致c-Jun N端激酶（JNK）的激活，后者再使c-Jun磷酸化，并增强其转录刺激功能由RIP介导的分支途径RIP是一种蛋白激酶，起着最终激活转录因子NF-kB的功能，但RIP不是TNF诱导的NF-kB激活所必需的。NF-kB的激活过程依赖于磷酸化控制的泛激素化反应以及kB抑制剂（IkB）的降解作用，后者在未受刺激的细胞胞质中与NF-kB结合在一起。IkB激酶（IKK）是一种多蛋白复合物，以TNF诱导的方式使IkB磷酸化。IKK复合物的核心由两个催化亚基IKKa、IKKb和一个调节亚基NEMO（NF-kB必需的调节因子，又称

45、IKKg）构成。此外，IKK复合物中还含有一个激酶特异性的分子伴侣，由Cdc37和Hsp90两种蛋白组成，其功能是帮助IKK复合物在胞质与质膜之间穿梭移动。RIP将上述IKK复合物吸引到的自己身边，并激活之，该过程通常在TNF配信号处理受体后数分钟内便可完成。2F TNF信号转导途径c TNF介导的Fas信号转导分支途径 细胞程序性死亡（细胞凋亡）以及细胞死亡的其它相关形式在机体发育、稳态维持、肿瘤监视、免疫识别等过程中具有重要作用。细胞凋亡由两条主要途径启动：内源性途径从线粒体开始；外源性途径通过致死受体与相应配体的结合而被激活。作为TNF信号转导网络中的一条分支途径，Fas在细胞凋亡过程中

46、起着重要的作用。Fas分支途径的生理功效 Fas又称为Apo-1或CD95，是肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族中的一个含有致死功能域的成员。Fas不仅在细胞凋亡的生理调节中起着重要作用，而且还与各种恶性肿瘤和免疫疾病密切相关。Fas分支途径的工作原理在配体不存在时，Fas依靠其分子上的配体前体装配功能域形成无活的复合物。这种复合物与配体（FasL或对抗性抗体）相互作用后便重新组装，进而形成致死诱导型转导复合物DISC。这种Fas-DISC复合物中含有脚手架蛋白因子-Fas接合型的致死功能域蛋白（FADD）、蛋白酶caspase-8或caspase-10，能启动细胞的程序性死亡过程。在DISC

47、内，由FasL诱导的Fas、FADD、caspase-8或caspases-10级联作用，导致这些caspase发生自发性蛋白水解加工反应，进而释放出有活性的蛋白酶。Fas分支途径的工作原理 在I-型细胞中，加工好的caspase-8足以直接激活caspase家族的其它成员，它们分别作用于特定的底物，进而进入细胞程序性死亡的各个阶段。在II-型细胞中，caspase的激活还依赖于一轮信号扩增，即caspase-8介导裂解凋亡因子原Bcl-2的家族成员Bid继而释放线粒体型的凋亡因子原；后者激活caspase-9；活化的caspase-9激活刽子手caspase-3，caspase-3再依次激活

48、Fas-DISC复合物外围的caspase-8，从而形成一个正反馈循环Fas分支途径的调控位点上述由Fas介导的细胞程序性死亡过程中的每一步都是调控的靶位点，这使得细胞对Fas配体的刺激具有较大的弹性效应。Fas配体FasL的编码基因在大多数细胞中是不转录的，在少数细胞中由转录调控因子NF-kB、AP1、或T细胞激活的核内因子（NF-AT）控制其表达，进而调控FasL/Fas介导的生物学效应（如激活诱导型CD4+T细胞死亡）。在某些情况下，细胞也可通过对Fas编码基因表达的调控来左右Fas途径的响应程度，例如由p53诱导的细胞程序性死亡就是采用这种机制。2F TNF信号转导途径d TNF信号转

49、导途径的生理意义 TNF信号转导网络一个有趣的特征是它同时连接了细胞凋亡（Fas分支途径）、NF-kB（RIP分支途径）、JNK（TRAF2分支途径）三条通路，使得三者共同起源于TNF-R1。当NF-kB通路不运行时，细胞对TNF诱导的细胞凋亡易感性增加，而NF-kB的强化激活则能防止细胞凋亡的发生。类似地，当细胞内缺少NF-kB时，TNF诱导的JNK通路激活强度增大，作用时间延长，而几个由NF-kB激活的基因表达产物又通过TNF抑制JNK的激活。另一方面，NF-kB的激活能促进IkB和其它一些抑制因子（如cIAP）的重新合成，从而使得TNF信号转导的持续时间和作用强度维持在一个稳定的水平上。

50、2G TGF信号转导途径 转化型生长因子-b b（TGF-b b）超家族的成员控制着多种发育和稳态维持过程，其活性受损会导致各种人类疾病，包括癌症、软骨发育障碍、肺源性高血压等。TGF-b b家族成员这些重要生物功能的实现，依赖于TGF信号转导途径，也称SMAD信号转导途径。2G TGF信号转导途径 转化型生长因子-b（TGF-b）超家族的第一个成员，分泌型多肽因子TGF-b1，是在二十多年前发现的。迄今为止，在脊椎动物体内已经鉴定了三十多个新成员，并在无脊椎动物线虫和果蝇中也发现了十几个结构和功能相似的蛋白质。TGF-b1信号转导途径中的很多组分是肿瘤抑制剂，在癌细胞中，它们的功能往往发生障