第六章 cAMP、cGMP 信号转导通路

【目的要求】 1．掌握cAMP的产生及灭活机制；PKA的结构、活化机制及其作用；cAMP-PKA信号转导通路；cAMP对糖原代谢过程的调节。 2．熟悉cAMP作用的靶分子；cAMP对基因表达的调节；cGMP的产生与灭活；cGMP作用的靶分子；cGMP调节的生理功能。

第一信使 第二信使

一、cAMP的发现及第二信使学说　 　　cAMP是第一个被发现的第二信使。　　　

萨瑟兰（Earl W. Sutherland, Jr） 1915.11.9 ~ 1974.3.9 1971年获诺贝尔生理学和医学奖

　激素作用的第二信使学说： 　　　胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面专一受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。

二、cAMP信号转导通路　

（一）cAMP的产生－腺苷酸环化酶系统

　腺苷酸环化酶系统：　 　　　受体 　　　G蛋白 　　　AC催化亚基 　　　活化AC的协同因子

　1.　AC　 　　　AC有Ⅰ~Ⅸ 9种亚型，都是膜结合型的。且都可被异三聚体Gs蛋白的亚基所活化，但被Ca2+、磷酸化、Gs蛋白亚基及Gi蛋白亚基调节的情况却各不相同。

AC亚型及调节因素 AC亚型 抑制因素 激活因素 Ⅰ Gs亚基＋亚基 Ca2+ Ⅱ 亚基、PKC Ⅲ Gs+Ca2+和CaM Ⅳ 亚基、RTK Ⅴ Ca2+、Gi亚基 Ⅵ Ca2+、PKC Ⅶ PKC Ⅷ Ⅸ Cn

AC结构

　2.　活化AC的协同因子　 　　　GTP：是维持G蛋白活化所必需的成分。 　　　Mg2＋：在G蛋白亚基的解离、G蛋白上GTP与GDP的置换以及AC的催化活性中都起重要的作用。

（二）cAMP作用的靶分子 　1.　PKA 　　　是cAMP最主要的效应分子。 cAMP PKA 靶蛋白磷酸化

PKA结构 PKA全酶：R2C2，Ⅰ型和Ⅱ型 C亚基：C、C、C、PKX 　　　含ATP结合位点、催化位点、底物结合部位及自主磷酸化位点。 R亚基：RⅠ 、RⅠ 、RⅡ 、RⅡ 　　　含二聚化结合域、假底物功能域和cAMP结合位点。

PKA的R亚基 dimerisation / docking domain --> R monomers --> A-kinase anchoring proteins (AKAPs) (pseudo-) substrate binding site --> C subunit cAMP binding domains A and B --> second messenger cAMP

　PKA活化机制

　　PKA的作用： 　　PKA为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。其底物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋白、转录因子等。 　　PKA底物的磷酸化共有序列是RRXSY。

　cAMP引起细胞效应的特异性： （1）cAMP底物PKA可组合成多种不同的亚型，不同亚型PKA对cAMP的亲和力不同，作用的底物时序先后也不同；不同类型的PKA底物不同，因此产生的效应不同。

（2）cAMP信号的区域化： 　1）AC及G蛋白都位于细胞膜，形成细胞内梯度cAMP的起始点； 　2）使cAMP灭活的Ⅳ型PDE在细胞内特定区域，使弥散的cAMP浓度梯度具可调控性； 　3）PKA锚定蛋白可使PKA定位于特定的亚细胞结构。

　2.　环化核苷酸门控阳离子通道 　　嗅觉信号传递过程的离子通道以及心脏窦房结起搏细胞的离子通道有环核苷酸结合位点，能直接与cAMP结合并受其调控，称为环化核苷酸门控阳离子通道（cyclic nucleotide-gated cation channel，CNG）。 　　　　

　3.　鸟苷酸交换因子 　　　鸟苷酸交换因子（guanine nucleo-tide exchange factors，GEF）也是cAMP结合蛋白，它们含cAMP结合位点，受cAMP调控，称为cAMP直接激活的交换蛋白（exchange protein directly activated by cAMP，Epac）或cAMP-GEF。 　　　　

（三）cAMP信号的灭活－cAMP特异性PDE 　　　受体下调 　　　AC失活 　　　被Ⅳ型PDE 水解　

PDE超家族 PDE亚型 底物 调控模式 结合结构域 PDE1 cAMP/cGMP Ca2+/CaM、PKA/PKG CaM PDE2 GAF PDE3 cAMP 被cGMP抑制；被PKB磷酸化 PDE4 被ERK及PKA磷酸化 UCR PDE5 cGMP 被PKA及PKG磷酸化 PDE6 被转导素激活 PDE7 PDE8 PDE9 PDE10 PDE11 PDE12

PDE各亚型结构模式图

PDE2A subunit contains a GAF A and a GAF B domain PDE2A subunit contains a GAF A and a GAF B domain. The GAF A domain form a dimer interface. The two GAF B domains are far apart and contain the cGMP-binding sites.

（四）cAMP-PKA信号转导通路 　1. 细胞膜上存在受体、G蛋白、AC； 　2. 胞外的信号被受体接受，通过Gs或Gi传递给AC，使其活化或抑制； 　3. AC被激活后，产生cAMP，cAMP激活PKA，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应； 　4. cAMP被PDE水解而信号终止。　　　　　　

胞外信号 受体 PDE G蛋白 AC cAMP 5’-AMP PKA 蛋白质磷酸化 生物学效应

影响cAMP水平的胞外信号分子 cAMP变化 激素 神经递质 cAMP升高 胰高血糖素、血管紧张素、甲状旁腺素、前列腺素、下丘脑多种释放因子、降钙素、黑色素细胞促激素、血管升压素、肾上腺素、促甲状腺激素、促肾上腺皮质激素、促黄体激素、促卵泡激素　 M2、M4胆碱受体激动剂、多巴胺D1受体激动剂、5-HT、组胺、神经肽Y、血管活性肠肽 cAMP降低 胰岛素、生长抑素 阿片肽、GABAB、多巴胺D2受体激动剂、

　　　cAMP的其他作用： cAMP与其受体蛋白结合，调节基因表达； cAMP到细胞外，转变成腺苷酸，再通过激活腺苷酸受体起作用； cAMP作为胞外第一信使起作用。

三、cAMP信号调节的生理过程　 　　　 cAMP 的绝大多数生理功能是通过PKA实现的，调节方式： 　　　直接调节代谢反应 　　　通过基因表达间接调节代谢反应

（一） cAMP对糖原代谢过程的调节

促进脂肪动员 FFAs and glycerol Triacylglycerols

（二）cAMP对膜蛋白活性的调节 　　 cAMP 通过激活PKA使细胞膜上某些蛋白质磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，从而调节细胞膜对某些物质的通透性。 　　如肾上腺素通过cAMP-PKA途径，抑制脂肪细胞膜上的GLUT4，阻止糖的转运、降低糖的氧化利用。　　

cAMP PKA 心肌细胞膜钙通道磷酸化 钙通透性增加 钙内流 心肌收缩力增加、心率加快

（三） cAMP对神经突触传递的调节 　　　当某些神经细胞兴奋时，突触前神经末梢释放递质，作用于突触后膜上相应受体，通过cAMP–PKA途径使膜蛋白磷酸化，改变膜对离子的通透性，从而影响神经细胞的兴奋性。　　　

cAMP调节突触前末梢的递质释放

cAMP在嗅觉信号转导中的作用                                                                               CNG通道开启 细胞除极 传导性AP的产生

（四） cAMP对激素合成与分泌的调节 促肾上腺皮质激素促进糖皮质激素的合成； 促甲状腺素促进甲状腺素分泌； 促黄体生成激素促进性激素的合成。

（五） cAMP对基因表达的调节 　　　在原核生物，通过σ因子的磷酸化，促进转录。

　在真核生物： 　PKA进入核内，磷酸化组蛋白，使基因开放。 　PKA磷酸化转录因子，调节基因表达。如CREB、CREM、ATF等。

转录调节

（六） cAMP对细胞增殖与分化的调节 　 　　cAMP通过PKA可调节细胞生长与增殖，但其作用因细胞类型而异。 　　　对增殖调节的细胞特异性与cAMP和MAPK信号通路之间的相互作用有关。

四、cGMP信号转导通路 （一） cGMP信号通路研究的历史回顾 1963年Goldberg在大鼠尿中发现cGMP，几年后发现GC； 1970年发现PKG。 1977年发现NO可激活GC而使cGMP 升高。 近年发现尿钠肽可激活cGMP信号通路。

（二）cGMP的产生与灭活 　 1.　 cGMP的产生－GC 　GC有两类： 　　可溶性GC（soluble GC，sGC） 　　膜结合GC（membrane GC，mGC 或Particulate GC，pGC） 　　　

mGC种类及功能 受体 组织分布 配体 功能 GC-A 血管平滑肌, 内皮细胞, 神经系统, 肾上腺, 肾, 脾, 心脏 ANP, BNP 降低动脉压， 降低血容量， 抑制心肌细胞生长 GC-B 成纤维细胞, 其他组织 CNP 软骨骨化，血管再生 GC-C 小肠上皮细胞, 再生肝 肠毒素, 鸟苷素,uroguanylin 增加小肠和肾对水和离子的运输，上皮细胞生长和分化 GC-D 嗅觉神经上皮 Orphan 气味识别? GC-E 视网膜, 松果体 视觉, 椎细胞生存 GC-F 视网膜 视觉? GC-G 骨髓肌, 肺, 小肠 ?

mGC

　sGC　　　

　2.　 cGMP的灭活－PDE　 　　　分解cGMP 的PDE有1、2、5、6亚型，特别是PDE-6。

（三） cGMP作用的靶分子

　 1.　 PDE 　　　 cGMP 可通过激活PDE-2或抑制PDE-3来调节cAMP 的浓度及cAMP /PKA信号通路。　　　

　2.　 环化核苷酸门控阳离子通道　 　　　在视网膜及嗅觉系统中，cGMP可通过变构作用，开放环化核苷酸阳离子门控通道（CNG），后者对于上述感觉信号的产生是至关重要的。 　　　心脏及肾脏也存在CNG，并与cGMP 介导的尿钠增多有关。　　　

　3.　 PKG　 　　　在多数细胞中， cGMP 作用的主要靶分子是PKG。 　　　哺乳动物中有三种PKG： 　　　PKGⅠ、PKGⅠ为可溶性蛋白；　 　　　PKGⅡ为膜结合蛋白。

　　　PKG属丝氨酸/苏氨酸激酶家族，有三个结构域： 　　N端结构域，含二聚化的亮氨酸拉链、自身抑制区和靶向结合域。 　　调节结构域，含两个cGMP结合位点； 　　催化结构域。

　PKG作用的底物 　　底物磷酸化位点的共有序列为RKXS/T或KRKKS/T。 　　底物种类： 　　环化核苷酸信号、细胞骨架相关肽、钙信号调节蛋白、离子通道及GTP结合蛋白等。　　

（四） cGMP调节的生理功能 　 1.　 cGMP在视觉信号转导中的作用 　　

　视觉信号转导途径： 　　　光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP-PDE激活→胞内cGMP减少→ Na+/Ca2+离子通道关闭→ Na+/Ca2+离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。 　　　

　2.　 NO/ cGMP /PKG信号通路调节平滑肌舒张　 sGC cGMP 神经传导 血管舒张 血小板凝集

NO

　3.　 cGMP 对神经系统功能的调节　 　　　PKG参与了复杂的中枢神经系统调节过程。 　　　GABAA受体是由、亚基构成的四聚体，在控制神经元兴奋性与高级神经功能中具有重要作用。其亚基受PKG磷酸化，使GABAA受体功能降低。　　　

　4.　 cGMP /PKGⅡ信号调节的生理过程－－肠分泌、肾素释放与骨生长　 　　　肠分泌：Sta或guanylin → 肠黏膜上的GC → cGMP升高→ PKGⅡ → CFTR磷酸化→ 水、Na+、Cl－、HCO3－等离子分泌增加。 　　　NO可调节肾素释放。 　　　BNP可调节骨生长。