第七章-细胞通讯与信号转导的分子机制课件.ppt

1、第七章第七章 细胞通讯细胞通讯(cell communication)与信号转导与信号转导(signal transduction)概念概念 细胞通讯细胞通讯(cell communication)：细胞间识：细胞间识别、联络和相互作用的过程。别、联络和相互作用的过程。信号转导信号转导(signal transduction)：针对外源信：针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程。息所发生的细胞应答反应全过程。意义意义 对认识细胞在生命活动各方面的表现和调控对认识细胞在生命活动各方面的表现和调控方式，理解生命活动的本质，在分子水平认方式，理解生命活动的本质，在分子水平认识各种疾病的发病机制等都有

2、重大意义。识各种疾病的发病机制等都有重大意义。1细胞信号转导大事记细胞信号转导大事记 1955年，年，Sutherland，cAMP第二信使学说，获第二信使学说，获1971年诺贝尔生理和医学奖年诺贝尔生理和医学奖 1963年，年，cGMP作为胞内信使的发现作为胞内信使的发现 1978年，年，Rasmussen，Ca2+第二信使学说第二信使学说 1983年，年，IP3和和DG作为胞内信使的发现作为胞内信使的发现 80年代，年代，Gilman和和Rodbell，G蛋白蛋白的研究，获的研究，获1994年诺贝尔生理和医学奖年诺贝尔生理和医学奖 80-90年代，年代，酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶与信号转

3、导的研究与信号转导的研究2细胞通讯的分子基础细胞通讯的分子基础 细胞间通讯的方式细胞间通讯的方式 细胞间隙连接细胞间隙连接(gap junction)：连接蛋白，直：连接蛋白，直接通讯，可共享小分子物质（接通讯，可共享小分子物质（1500D）膜表面分子接触通讯膜表面分子接触通讯(Contact-dependent signaling)：蛋白、糖蛋白、糖脂，直接通讯：蛋白、糖蛋白、糖脂，直接通讯 化学信号通讯化学信号通讯(chemical signaling)：以化学：以化学信号为介质，间接通讯信号为介质，间接通讯3456化学信号分子的种类及特性化学信号分子的种类及特性 脂溶性脂溶性(lipop

4、hilic)与水溶性与水溶性(water-soluble)根据其作用距离范围，分三大类：根据其作用距离范围，分三大类：内分泌内分泌(endocrine)系统的化学信号：激素系统的化学信号：激素(hormone)，作用距离最远（作用距离最远（m），膜受体或胞内受体），膜受体或胞内受体 神经系统的化学信号：神经递质神经系统的化学信号：神经递质(neural transmitter)，如乙酰胆碱如乙酰胆碱(acetyl-choline)，作用距离最短（，作用距离最短（nm），），膜受体膜受体 旁分泌旁分泌(paracrine)系统的化学信号：细胞因子，作用系统的化学信号：细胞因子，作用于周围细胞（于

5、周围细胞（m），膜受体），膜受体*自分泌自分泌(autocrine)：作用于自身，仅限于病理条件，如肿瘤：作用于自身，仅限于病理条件，如肿瘤78 Cell Signaling一、一、General Principles of Cell Signaling9Human Genome Project has revealed that up to 20%of the 32,000 human coding genes encode proteins involved in signal transduction,including transmembrane receptors,G-protein

6、 subunits and signal-generating enzymes 10Forms of cell signaling11 Forms of cell signaling(A)Hormones produced in endocrine glands are secreted into the bloodstream and can be distributed widely throughout the body.(B)Paracrine signals are released by cells into the extracellular medium in their ne

7、ighborhood and act locally.(C)Neuronal signals are transmitted along axons to remote target cells.(D)Contact-dependent signaling requires cells to be in direct membrane-to-membrane contact with each other.(especially during development and immune responses)12信号分子的接收与灭活信号分子的接收与灭活 接收：受体接收：受体(receptor)

8、灭活：信号分子须在靶细胞膜上或在靶灭活：信号分子须在靶细胞膜上或在靶细胞内起作用后被灭活而将信号消除。细胞内起作用后被灭活而将信号消除。内分泌激素还可在肝脏、血液中被降解，通内分泌激素还可在肝脏、血液中被降解，通过氧化还原、脱氨基、脱羧基方式被清除。过氧化还原、脱氨基、脱羧基方式被清除。13受体受体(receptor)概念概念 信息分子的接收分子，位于细胞表面或细胞内，化信息分子的接收分子，位于细胞表面或细胞内，化学本质是蛋白质。学本质是蛋白质。受体的作用受体的作用 识别外源信息分子（配体识别外源信息分子（配体 ligand）;信号转换。信号转换。特点特点 高度特异性；高亲和力，高度特异性；高

9、亲和力，Kd：10-8 mol/L；可饱和；可饱和性；可逆性。性；可逆性。分类：分类：细胞表面受体（膜受体）：分离子通道受体、细胞表面受体（膜受体）：分离子通道受体、G蛋蛋白偶联受体、单次跨膜受体白偶联受体、单次跨膜受体 细胞内受体细胞内受体141516Extracellular signaling molecules bind to either cell-surface receptor or intracellular receptors17Three classes of cell-surface receptors18Different cells can respond diffe

10、rently to the same chemical signal19细胞信号转导的基本方式细胞信号转导的基本方式 细胞信号转导网络的构成细胞信号转导网络的构成 多条信号转导途径多条信号转导途径(pathway)，交互调控，交互调控(cross talking)，形成网络，形成网络(network)信号在细胞内转换和传递的基本方式信号在细胞内转换和传递的基本方式 小分子信使：浓度、细胞内定位的改变小分子信使：浓度、细胞内定位的改变 大分子信使：构象变化大分子信使：构象变化*化学修饰（磷酸化化学修饰（磷酸化-phosphorylation与去磷酸化与去磷酸化-dephosphorylation

11、）；变构效应；蛋白质）；变构效应；蛋白质蛋白质相互作蛋白质相互作用用20细胞内的关键信号转导分子细胞内的关键信号转导分子(signal transducer)蛋白激酶蛋白激酶(protein kinase)与蛋白磷酸酶与蛋白磷酸酶(protein phosphatase)：磷酸化与去磷酸化：磷酸化与去磷酸化 蛋白激酶：蛋白激酶：*分类：蛋白丝氨酸分类：蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶；蛋白酪氨酸激酶；苏氨酸激酶；蛋白酪氨酸激酶；蛋白组赖蛋白组赖/精氨酸激酶；蛋白半胱氨酸激酶；蛋白天精氨酸激酶；蛋白半胱氨酸激酶；蛋白天冬冬/谷氨酸激酶谷氨酸激酶*重要：重要：蛋白激酶蛋白激酶A(protein kinase

12、 A,PKA)；蛋白激；蛋白激酶酶G(PKG)；蛋白激酶；蛋白激酶C(PKC)；钙调素依赖钙调素依赖的蛋白的蛋白激酶；蛋白激酶；蛋白酪氨酸激酶酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase)；有丝分裂原激活的有丝分裂原激活的蛋白激酶蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)21磷酸化酶磷酸化酶b(无活性无活性)(+)(+)(+)磷酸化酶磷酸化酶a (活性活性)P磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶 (活性活性)PA激酶激酶(活性活性)ATP(+)cAMP腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶胰岛素胰岛素(+)(-)糖原合成酶糖原合成酶a(活性活性)糖原合成酶糖原合

13、成酶b (无活性无活性)P(+)A激酶激酶(无活性无活性)磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶(无活性无活性)升血糖降血糖肾上腺素肾上腺素胰高血糖素胰高血糖素磷酸二酯酶磷酸二酯酶5-AMP(+)22有丝分裂原激活的蛋白激酶有丝分裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)三级级联激活：逐级磷酸化三级级联激活：逐级磷酸化 有丝分裂原活化蛋白（有丝分裂原活化蛋白（mitogen-activated protein,MAPK）属蛋白丝属蛋白丝/苏氨酸激酶，关键性作用苏氨酸激酶，关键性作用MAPKKKMAPKKKMAPKKMAPKKMAPKMAPK激活激活激活激

14、活(MAPKK激酶)(MAPKK激酶)(MAPK激酶)(MAPK激酶)MAPK激活后，转至核内，使转录因子磷激活后，转至核内，使转录因子磷酸化，改变基因的表达状态。酸化，改变基因的表达状态。2324MAP kinase signalingpathway Stimulus MAPKKK MAPKK MAPK Response25蛋白酪氨酸激酶蛋白酪氨酸激酶(protein-tyrosine kinase,PTK)蛋白质蛋白质酪氨酸残基酪氨酸残基的磷酸化的磷酸化 分类分类 跨膜跨膜的蛋白酪氨酸激酶受体：有胞外区、跨的蛋白酪氨酸激酶受体：有胞外区、跨膜区、胞内区；膜区、胞内区；位于位于胞浆胞浆的蛋白

15、酪氨酸激酶：为受体和最终的蛋白酪氨酸激酶：为受体和最终效应分子之间的中间介导分子；效应分子之间的中间介导分子；核内核内的蛋白酪氨酸激酶的蛋白酪氨酸激酶2627 RPTK activation Nature 411:355(2001)282930蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶(protein phosphatase)使磷酸化的蛋白质去磷酸化使磷酸化的蛋白质去磷酸化 蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应，构成蛋蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应，构成蛋白质活性的开关系统。白质活性的开关系统。31GTP结合蛋白结合蛋白(G 蛋白蛋白)(GTP bingding protein,G protein)GTP结合蛋白三聚体结合蛋白三

16、聚体(heterotrimeric GTP binding protein)是一类和是一类和GDP或或GTP结合、位于细胞膜胞浆面的外结合、位于细胞膜胞浆面的外周蛋白周蛋白 由三个亚基组成：由三个亚基组成：、两种构象两种构象*活化型活化型(GDP)、非活化型非活化型(GTP)效应酶效应酶*腺苷酸环化酶（腺苷酸环化酶（AC）；磷脂酶）；磷脂酶C（PLC）等）等 低分子量低分子量G蛋白蛋白(small G protein)：小：小G蛋白：蛋白：Ras蛋白蛋白3233343536In the heartmuscle plasmamembrane（毒蕈碱）37小小G蛋白蛋白 Ras蛋白蛋白(Rat s

17、arcoma)Harrey和和Kirfen鼠肉瘤病毒上发现，称鼠肉瘤病毒上发现，称H-ras、K-ras，人神经母细胞瘤上发现，人神经母细胞瘤上发现N-ras。与与G蛋白相同：蛋白相同：GTP/GDP转换；转换；GTPase 不同：受酪氨酸蛋白激酶调节，需蛋白中介：不同：受酪氨酸蛋白激酶调节，需蛋白中介：接头蛋白接头蛋白(GRB2)和和Sos、GTP酶激活蛋白酶激活蛋白(GAPs)，类似，类似G蛋白中的蛋白中的亚基。亚基。38Activation of Ras following binding of a hormone(e.g.,EFG)to a receptor tyrosine kina

18、se(RTK)Sos:Son of sevenlessGRB2:Growth factor receptor-bound protein39蛋白质相互作用的蛋白质相互作用的调控结合元件调控结合元件(modular binding domain)概念：是蛋白质分子中的特殊结构域，是信号概念：是蛋白质分子中的特殊结构域，是信号分子相互识别的部位。分子相互识别的部位。种类：种类：SH2 结构域结构域(src homology 2 domain)：介导信号分：介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白质分子的结合子与含磷酸酪氨酸蛋白质分子的结合 SH3 结构域结构域(src homology 3 domain)：

19、介导信号分：介导信号分子与富含脯氨酸蛋白质分子的结合子与富含脯氨酸蛋白质分子的结合 PH 结构域结构域(pleckstrin homology domain)PTB结构域结构域(protein tyrosine binding domein)，识别，识别含磷酸酪氨酸的基序含磷酸酪氨酸的基序404142Binding of SH2-containing intracellular signalingproteins to an activated PDGF receptorPDGF:platelet-derived growth factorSH2 domain43SH2 domain boun

20、d to short target peptide44SH2 domain(globular structure)and a segment of a receptor(stick model)fit together in part because a positive charged pocket in SH2 is attracted to a negatively charged phosphate.Also,the nearby amino acids in the receptor fit snugly into a hydrophobic groove on SH2.The th

21、ree-dimensional structures of SH2 domains in different proteins are very similar.Each binds to a distinct sequence of amino acid surrounding a phosphotyrosine residue.455-6 anti-parallel -strandsGenerally bind to Pro-rich peptides with the minimal consensus Pro-X-X-Pro.SH3 domain46主要细胞信号转导途径主要细胞信号转导

22、途径 细胞内受体介导细胞内受体介导 信号转导信号转导 离子通道型受体及其信号转导离子通道型受体及其信号转导 G蛋白偶联受体及其信号转导蛋白偶联受体及其信号转导 单次跨膜受体介导的信号转导单次跨膜受体介导的信号转导47细胞信号转导的基本路线细胞信号转导的基本路线外源信号外源信号受体受体小分子信使：浓度或分布变化小分子信使：浓度或分布变化大分子信使大分子信使化学修饰化学修饰蛋白质相互作用蛋白质相互作用效应分子效应分子构象变化构象变化细胞应答细胞应答 反应 反应4849细胞内受体介导的信号转导过程细胞内受体介导的信号转导过程(Signaling Mediated by Intracellular R

23、eceptors)受体属转录因子受体属转录因子 没有激素时：受体没有激素时：受体热休克蛋白热休克蛋白(heat shock proteins,Hsps)复合物，阻止受体复合物，阻止受体向细胞核移动及与向细胞核移动及与DNA的结合。的结合。激素与受体结合后：激素与受体结合后：Hsps解离，激素解离，激素受体复合物，结合于受体复合物，结合于DNA上的上的激素反应激素反应元件元件(hormone response element,HRE)5051 Cell Signaling一、一、General Principles of Cell Signaling二、二、Signaling Mediated

24、by Intracellular Receptors Steroid hormones,thyroid hormones,retinoids,vitamin D52HRE:hormoneresponse elementBound hormone-receptor complex can either enhance or suppress the expression of specific genes adjacent to HREs.53The ability of a given hormone to alter the expression of a specific gene dep

25、ends upon the HRE exact sequence its position relative to the gene the number of HREs associated with the gene54A model of an intracellularreceptor protein55The DNA-binding domain common to a number of steroid hormone receptors“zinc finger”structure56Early primary response:within 30 minutesDelayed secondary response 57