Department of Biochemistry and Molecular Biology 生物通讯与细胞信号 转导的分子机制 吴元明 生物化学与分子生物学教研室 Department of Biochemistry and Molecular Biology

内 容 信号 受体 网络 应答 第一节 细胞通讯 第二节 细胞信号转导的分子机制 第三节 不同受体介导的细胞信号转导通路 内 容 信号 受体 网络 应答 （细胞外信号） （细胞内的多种 分子的浓度、活 性、位置变化） 第一节 细胞通讯 第二节 细胞信号转导的分子机制 第三节 不同受体介导的细胞信号转导通路 第四节 细胞信号转导与医学

生物通讯 生物个体间通讯 生物个体内通讯 外激素 (Pheromone) Does Human Phermone Really Exist? 指生物个体通过释放一种或是几种刺激性信号，引起接受个体产生行为反应 外激素 (Pheromone) Does Human Phermone Really Exist?

Biological Signaling cell signaling 细胞通讯 生物通讯 个体间通讯 extra-individual signaling pheromones, 外激素 个体内通讯 intra-individual signaling cell signaling 细胞通讯 4

第一节 细胞通讯 细胞通讯的方式？  细胞通讯异常与疾病 

细胞通讯（cell signaling） 多细胞生物体内，细胞始终需要识别与之相邻近的细胞，或者识别周围环境中存在的各种信号（来自于周围或远距离的细胞），并将其转变为细胞内各种分子浓度、活性或位置的变化，从而改变细胞功能

Three ways of cell signaling 细胞间隙连接 细胞表面分子介导通讯 化学信号介导通讯 7

细胞通讯方式I —— 细胞间隙连接 两个细胞间的连接性结构 细胞间通道 生物学意义： 在局部对很少的信号发生迅速和充分反应 连接蛋白 connexin 两个细胞间的连接性结构 细胞间通道 连接子 connexon 生物学意义： 在局部对很少的信号发生迅速和充分反应 8

细胞通讯方式II —— 膜表面分子接触 相邻细胞的膜表面分子特异性地相互识别和相互作用，促使对方发生增生、分化、凋亡等，以达到功能上的相互协调 9

细胞通讯方式 III --- 化学信号通讯 信息物质： 蛋白质或小分子有机化合物 作用距离： 周围或远距离细胞

内分泌 endocrine 化学信号种类 激素 (Hormone) 类固醇类 氨基酸类 蛋白质或肽类 血液 激素 作用距离：m 血流 靶细胞

化学信号种类 旁分泌 paracrine 细胞因子：可溶性蛋白质或多肽 生长因子 炎症因子 旁分泌 paracrine 靶细胞 作用距离 ：mm、μm 旁分泌 paracrine 靶细胞 自分泌 autocrine

化学信号种类 神经分泌 神经递质（neurotransmitters) 作用距离：nm

第一节 细胞通讯 细胞通讯的方式？  细胞通讯异常与疾病 

When Cell Signaling Goes Wrong A cell fails to send out a signal at the proper time A target cell does not respond to a signal A signal doesn't reach its target Too much signal A cell responds even though it has not received a signal

A cell fails to send out a signal at the proper time sugar accumulates to toxic levels in the blood. Without treatment, diabetes can lead to kidney failure, blindness and heart disease in later life Type I Diabetes

A target cell does not respond to a signal Type II Diabetes

A signal doesn't reach its target 重症肌无力 Myasthenia Gravis 重症肌无力是神经肌肉接头处传递障碍的慢性疾病， 乙酰胆碱受体 (AChR)抗体是导致其发病的主要自身抗体, 主要是产生Ach受体抗体与Ach受体结合，使神经肌肉接头传递阻滞

Too much signal 内毒素休克 （endotoxic shock）

A cell responds even though it has not received a signal Tumor

Many disease treatments rely on cell communication Roadblock Treatment Alternate route The first step is to locate the problem. The second step is to find a way around the problem

第二节 细胞信号转导的分子机制 细胞如何接受外源信号  参与信号转导的分子种类  信号转导通路的分子开关  信号转导复合物、转录因子 

信号分子 (Ligand) 受体 (Receptor) 胞内多种生物分子 浓度、活性、位置变化 细胞应答反应 Signal Transduction

受体的分类 膜受体 胞内受体 基因表达调控 胞核 水溶性化学信号 膜受体 脂溶性化学信号 胞内受体 细胞内反应 细胞质膜

细胞经由特异性受体接收细胞外信号 受体(receptor) 是信息分子的接收分子， 受体的作用 化学本质是细胞表面或细胞内的蛋白质分子 识别外源信号分子，即配体（ligand）　 转换配体信号，使之成为细胞内分子可识 别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答

受体与信号分子结合特征 高度专一性 配体-受体结合曲线 高度亲和力 可饱和性 可逆性

第二节 细胞信号转导的分子机制 细胞如何接受外源信号  参与信号转导的分子种类  信号转导通路的分子开关  信号转导复合物、转录因子 

Signal Transducer 蛋白分子信使 小分子信使 蛋白激酶 cAMP和cGMP 三磷酸肌醇（IP3） GTP结合蛋白 二脂酰甘油（DAG） Ca2+ NO CO H2S …… 小分子信使 蛋白分子信使 蛋白激酶 GTP结合蛋白 信号转导复合物 转录因子 ……

胞内信号转导研究的开始 分泌肾上腺素 肌糖原与肝糖原分解剧增，血糖增加 为肌肉收缩供能，满足运动需求

The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1971                                The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1971 "for his discoveries concerning the mechanisms of the action of hormones” 50年代 发现肾上腺素增强肝组 织中糖原磷酸化酶的活性 该酶活性增高与cAMP有关 提出了肾上腺素的作用是通过cAMP作为第二信使 实现的 糖原磷酸化酶活性增高 Earl W. Sutherland（1915-1974）

胞内小分子信使 第二信使 第二 信使 第一 信使 第二 信使 第二信使作用过程

小分子信使 环核苷酸是重要的细胞内第二信使 许多脂类分子也可作为胞内第二信使 钙离子是第二信使 气体是第二信使

信使 cAMP ATP 腺苷酸环化酶 (AC) cAMP Mg2+ PPi 5’-AMP Mg2+ H2O 磷酸二酯酶

腺苷酸环化酶 adenylate cyclase, AC 膜结合的糖蛋白 分为8型同工蛋白

cAMP靶分子--蛋白激酶A 无活性PKA 有活性PKA 糖、脂代谢相关的酶类 离子通道 转录因子 PKA底物

信使 cGMP GTP 鸟苷酸环化酶 (GC) cGMP 5’-GMP 磷酸二酯酶 平滑肌舒张 尿钠排泄 视觉转换

小分子信使 环核苷酸是重要的细胞内第二信使 许多脂类分子也可作为胞内第二信使 钙离子是第二信使 气体是第二信使 37

磷脂酶C (phospholipase C, PLC) PIP2 IP3 + DAG 磷酯酰肌醇-4,5二磷酸 肌醇三磷酸 二脂酰甘油 磷脂酰肌醇专一性PLC（PI-PLC） PLC、PLC 、PLC 、PLC  、 PLC

脂类信使 DAG的靶分子为PKC DAG IP3的靶分子为Ca2+通道 IP3

磷脂酰肌醇-3激酶 Phosphoinositide 3-Kinase, PI3K PIP2 PIP3 第二信使PIP3活化靶 磷酯酰肌醇-4,5二磷酸 磷酯酰肌醇-3,4，5三磷酸 3-磷酸酶 第二信使PIP3活化靶 分子蛋白激酶B（PKB） PKB为胰岛素受体下 游重要信号分子，参 与葡萄糖转运 PKB是重要的细胞存 活信号分子

小分子信使 环核苷酸是重要的细胞内第二信使 许多脂类分子也可作为胞内第二信使 钙离子是第二信使 气体是第二信使 41

钙离子信使 钙调蛋白（Calmodulin,CaM）

小分子信使 环核苷酸是重要的细胞内第二信使 许多脂类分子也可作为胞内第二信使 钙离子是第二信使 气体是第二信使 43

硝酸甘油(Nitroglycerin)----- a 100 year old explosive and heart medicine 扩张血管，增加血流

80年代 NO信使 血管平滑肌 血管内皮

NO has many Clinical Applications NO is important for signaling between nerve cells in the brain. NO can be inhaled to specifically treat high blood pressure in the lungs of newborns NO is involved in the normal defense against bacterial and parasitic infections

小分子细胞内信使的特点 不位于能量代谢途径的中心 在细胞中，分子的浓度或分布在外源信号的作用下发生迅速改变 可作为别构效应剂在胞内有确定的靶分子

Signal Transducer 蛋白分子信使 小分子信使 蛋白激酶 cAMP和cGMP 三磷酸肌醇（IP3） GTP结合蛋白 二脂酰甘油（DAG） Ca2+ NO CO H2S …… 小分子信使 蛋白分子信使 蛋白激酶 GTP结合蛋白 信号转导复合物 转录因子 ……

问题探讨 细胞内的蛋白质分子如何转导信号？ Conformational Change 构象变化

蛋白质构象变化的效应 分子活性的变化 分子在细胞内的位置变化 分子间相互作用的变化 50

蛋白质构象变化的原因 磷酸化/去磷酸化 (phosphorylation/dephosphorylation) 乙酰化/去乙酰 （1） 蛋白分子的化学修饰 (chemical modification) 磷酸化/去磷酸化 (phosphorylation/dephosphorylation) 乙酰化/去乙酰 (acylation/deacylation) （2） 小分子信使的变构效应 （3） 蛋白分子之间的相互作用 51

第二节 细胞信号转导的分子机制 细胞如何接受外源信号  参与信号转导的分子种类  信号转导通路的分子开关  信号转导复合物、转录因子 

信号通路的重要分子开关 （Molecular Switchs） 蛋白激酶与蛋白磷酸酶 GTP结合蛋白 Protein Kinase and Protein Phosphatase GTP结合蛋白 GTP Binding Protein

Kinases/Phosphatases Act as Molecular Switches 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是信号转导过程中最重要的调控方式

The Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1992 “for their discoveries concerning reversible protein phosphorylation as a biological regulatory mechanism” Edwin G. Krebs Edmond H. Fischer Switzerland and USA University of Washington Seattle, WA, USA b.1920 (in Shanghai, China) USA University of Washington Seattle, WA, USA b. 1918

蛋白激酶与蛋白磷酸酶 蛋白质的磷酸化与去磷酸化是信号转导过程中的最重要的调控方式，负责这一修饰调节的是 蛋白激酶 （protein kinase） 蛋白磷酸酶 (protein phosphatase) 56

蛋白激酶 是指能够将-磷酸基团从磷酸供体分子上转移至底物蛋白的氨基酸受体上的一大类酶。磷酸供体可以是ATP，也可以是其他三磷酸核苷酸。 Protein kinases 57

蛋白底物发生磷酸化的主要残基 threonine tyrosine 丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸

人的基因组中编码蛋白激酶的基因约占3% 59

The Facts of Protein Kinases 121 out of 6,144 yeast genes encode protein kinases 319 of Drosophila 13,338 genes encode protein kinases 437 of C. elegans 18,266 genes specify protein kinases 1049 putative protein kinases out of mustard 25,706 genes 510 protein kinases in human genome and these have been subclassified into over 57 families “kineomes." Proteins kinases are encoded by one of the largest classes of genes in the human genome, and these particular proteins are the major building blocks of the information highways that operate inside of cells. It is thought that perhaps 30% of the proteins encoded by the human genome contain covalently bound phosphate, and abnormal phosphorylation is now recognized as a cause or consequence of many human diseases. 60

蛋白激酶分类 受环核苷酸调节，如PKA 受二脂酰甘油（DAG）调节，如 PKC 受Ca2+/钙调蛋白调节，如 CaM-K 丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK） 细胞周期素依赖蛋白激酶(CDK) 蛋白丝/苏氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶受体 胞浆蛋白酪氨酸激酶 核内蛋白酪氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶

蛋白激酶的逐级磷酸化--- 细胞信号通路的重要特征 MAPKKK MAPK级联激活系统 MAPKK P MAPK 转录因子磷酸化 基因表达改变 细胞增殖、分化、应激

蛋白激酶分类 受环核苷酸调节，如PKA 受二脂酰甘油（DAG）调节，如 PKC 受Ca2+/钙调蛋白调节，如 CaM-K 丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK） 细胞周期素依赖蛋白激酶(CDK) 蛋白丝/苏氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶受体 胞浆蛋白酪氨酸激酶 核内蛋白酪氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶

蛋白酪氨酸激酶 蛋白酪氨酸激酶（Protein Tyrosine kinase）作用于蛋白分子中的酪氨酸残基使之磷酸化， 很多细胞信号转导的最早期事件即为多种蛋白质的酪氨酸磷酸化。大部分对活性具有正向调节作用，在细胞增殖与分化、T细胞、B细胞或肥大细胞的活化过程中具有重要调节作用。 蛋白酪氨酸激酶的抑制剂可以阻断上述细胞的应答反应。 64

蛋白酪氨酸磷酸化的发现者 Tony Hunter 65

Salk Institute, San Diego, California 92138. Mol Cell Biol 1981 Feb;1(2):165-78 Changes in protein phosphorylation in Rous sarcoma virus-transformed chicken embryo cells. Cooper JA, Hunter T. Salk Institute, San Diego, California 92138. Rous sarcoma virus encodes a tyrosine-specific protein kinase (p60src) which is necessary for cell transformation. To identify substrates for this kinase, we set out to detect phosphotyrosine-containing proteins in Rous sarcoma virus-transformed chicken embryo cells, making use of the known alkali stability of phosphotyrosine. 32P-labeled phosphoproteins were separated by isoelectric focusing and sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis. The gels were then incubated in alkali. Using this procedure with normal cells, we detected a total of about 190 alkali-resistant phosphoproteins. In Rous sarcoma virus-transformed cells, five phosphoproteins were found which were not detectable in normal cells. Two of these are probably structural proteins of the virus. The other three transformation-dependent phosphoproteins, and four other phosphoproteins which were elevated by transformation, all contained phosphotyrosine. Increased phosphorylation of these proteins did not occur with cells infected with a mutant Rous sarcoma virus, temperature sensitive for transformation, grown at the restrictive temperature. We conclude that these seven proteins are probably substrates of p60src, although they may be substrates for other tyrosine-specific protein kinases activated by p60src. 66

Human Tyrosine Kinases (90) Over half of the 90 tyrosine kinases are implicated in human cancer.

蛋白磷酸酶（phosphatase） 指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，与蛋白激酶相对应存在，共同构成了磷酸化与去磷酸化这一重要的蛋白质活性的开关系统 无论蛋白激酶对于其下游分子的作用是正调节还是负调节，蛋白磷酸酶都将对蛋白激酶所引起的变化产生衰减信号

蛋白磷酸酶的分类 蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 蛋白酪氨酸磷酸酶 双重作用蛋白磷酸酶 蛋白激酶和蛋白磷酸酶均作用于有限的底物，它们的催化作用的特异性及其在细胞内的分布特异性决定了信号转导途径的精确性。

信号通路的重要分子开关 （Molecular Switchs） 蛋白激酶与蛋白磷酸酶 GTP结合蛋白 Protein Kinase and Protein Phosphatase GTP结合蛋白 GTP Binding Protein

GTP结合蛋白及其调节分子 GTP结合蛋白，简称G蛋白，是一类非常重要的细胞信号转导途径中的分子开关 结合GTP-----活化形式、开放 结合GDP-----非活化形式、关闭 分子内含GTP酶活性 73

G蛋白的主要类型 GTP结合蛋白异源三聚体 低分子量G蛋白 small G protein 74

肾上腺素 腺苷酸环化酶 ATP cAMP R C 无活性PKA 活化PKA 磷酸化酶b激酶 糖原合酶 P 糖原分解增加

GTP Effect 肾上腺素 GTP 结合蛋白（G蛋白） G蛋白 腺苷酸环化酶 ATP cAMP GTP 为腺苷酸环化酶活化所必需

G蛋白 一类和GTP或GDP结合，位于胞膜胞浆面的外周蛋白，具有信号转导功能 由三个亚基组成（α, β, γ） 非活化形式 活化形式

GTP结合蛋白异源三聚体 G protein activation

G蛋白多样性 Gαs PKA cAMP AC Gαi PKA cAMP AC Gαq PLC IP3/DAG/Ca2+ PKC

G蛋白的主要类型 GTP结合蛋白异源三聚体 低分子量G蛋白

低分子量G蛋白 21-30 kDa, 称为Ras超家族,现有50多种 GTP结合形式为活性形式，GDP结合 形式为非活性形式

调节Ras蛋白活性的因子 GTPase activating protein GTPase 激活蛋白 GAP GTPase activating protein GTPase 激活蛋白 Guanidine exchange factor 鸟苷酸交换因子（GEF） SOS GAP GAP On off Ras Ras GTP GDP SOS