第九章 细胞信号转导

FUNCTIONS OF CELL COMMUNICATION Gene transcription Cell proliferation Cell survival Cell death Cell differentiation Cell function Cell motility Immune responses

第一节 概述

一、细胞通讯 几个概念： 细胞通讯（cell communication） 信号转导（signal transduction）

1、胞间通信的主要方式 （1）细胞间隙连接 连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。 作用：协同相邻细胞对外界信号的反应。

connexon

（2）膜表面分子接触通讯 即细胞识别，如：精子和卵子之间的识别。

（3）化学通讯 细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能，可分为4类。

内分泌：内分泌激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。特点：①低浓度（10-8-10-12M ），②全身性，③长时效。 旁分泌：信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。包括：①各类细胞因子；②气体信号分子。 突触信号发放：神经递质经突触作用于靶细胞。 自分泌：信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。

旁分泌 突触信号发放 内分泌 自分泌

2、细胞信号分子 成分：短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）、氨基酸、核苷酸、脂类、胆固醇衍生物。 特点：①特异；②高效；③可被灭活。 类别：脂溶性、水溶性信号分子。

Some signal molecules

第一信使：水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，称第一信使。 第二信使：起信号转换和放大的作用，如cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+。

3、受体（receptor） 能够识别和选择性结合某种配体（信号分子），多为糖蛋白，分子上具有配体结合区域和产生效应的区域。 特点：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。 类别：细胞内受体和细胞表面受体。

细胞对信号的反应：取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。 相同信号可产生不同效应：如Ach可引起骨骼肌收缩、心肌收缩频率降低，唾腺细胞分泌。 不同信号可产生相同效应：如肾上腺素、胰高血糖素，促进肝糖原降解而升高血糖。

4、第二信使与分子开关 第二信使:(second messengers) 概念：细胞表面受体接受细胞外信号后转换而来的细胞内信号称为第二信使 。 种类与作用：cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+。

分子开关:(molecular switches ) 概念：通过激活机制或失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应的蛋白质 。 种类：GTPase 开关蛋白 蛋白激酶开关蛋白

第二节 胞内受体介导的信号传导

1、甾类激素 受体是胞内激素激活的基因调控蛋白。 受体与配体（如皮质醇）结合，使抑制性蛋白与受体分离，暴露与DNA的结合位点。 受体结合的序列是受体依赖的转录增强子。

类固醇激素受体 皮质醇受体 雌性激素受体 黄体激素受体 VD 受体 甲状腺激素受体 视黄酸受体

激素直接激活的基因产物属于转录因子，而后引起更多的基因表达。 2、受体具有3个结构域： C端的激素结合位点； 中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点； N端的转录激活结构域。 激素直接激活的基因产物属于转录因子，而后引起更多的基因表达。

3、NO引起的细胞信号转导 NO作用于邻近细胞。 NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。

硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。 乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。 硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。

鸟苷酸环化酶（Guanylate cyclase） 乙酰胆碱 内皮细胞 钙调素 鸟苷酸环化酶 Ca 2+

1998年三位美国科学家因对NO信号转导机制的研究而获得诺贝尔生理和医学奖。 Robert F. Furchgott Louis J. Ignarro Ferid Murad

第三节 膜表面受体介导的信号转导 离子通道型受体； G蛋白耦联型受体； 酶耦联的受体。 第一类存在于可兴奋细胞，后两类存在于大多数细胞。

一、离子通道型受体 受体本身为离子通道，即配体门通道。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，信号分子为神经递质。分为： 阳离子通道，如乙酰胆碱受体； 阴离子通道，如γ－氨基丁酸受体。

乙酰胆碱受体

Three conformation of the acetylcholine receptor AchE

神经肌肉接点处的离子通道型受体 静止神经肌肉接点 激活神经肌肉接点 终神经 肌肉细胞膜 肌质网

二、G蛋白耦联型受体 7次跨膜蛋白，胞外结构域识别信号分子，胞内结构域与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在胞内产生第二信使。 类型：①多种神经递质、肽类激素和趋化因子受体，②味觉、视觉和嗅觉感受器。 相关信号途径：cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。

G-protein linked receptor

G蛋白：三聚体GTP结合蛋白 组成：αβγ，α和γ属脂锚定蛋白。 作用：分子开关。α亚基结合GDP失活，结合GTP活化。 α也是GTP酶，催化结合的GTP水解，恢复无活性状态，其GTP酶活性可被GAP增强。

（一）cAMP信号途径 通过调节胞内cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。 1.cAMP主要组分： ①受体：Rs(sitimulatory)、Ri(inhibitory) ②G蛋白：Gs(sitimulatory) 、Gi(inhibitory)

③ 腺苷酸环化酶：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+的存在下,催化ATP生成cAMP。 Adenylate cyclase

④蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA）：由两个催化亚基和两个调节亚基组成。 cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶A的活性。

⑤环腺苷酸磷酸二酯酶(PDE)：降解cAMP生成5’-AMP，终止信号。 Degredation of cAMP

激素与Rs结合，Rs构象改变，与Gs结合，Gs的α亚基排斥GDP，结合GTP而活化，Gs解离出α和βγ。 α亚基活化腺苷酸环化酶，将ATP转化为cAMP。 βγ亚基复合物可直接激活某些胞内靶分子。

GTP-binding regulatory protein

霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。 cAMP信号途径可表示为： 激素→受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录。 霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，使α亚基持续活化，导致患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。

不同细胞对cAMP信号途径的反应： 在肌肉细胞，1秒钟内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸，而抑制糖原合成。 在某些分泌细胞，需要几个小时， 激活的PKA 进入细胞核，将CRE （cAMP response element ）结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。CRE是DNA上的调节区域。

cAMP activate protein kinase A, which phosphorylate CREB（CRE binding protein ）protein and initiate gene transcription. CRE is cAMP response element in DNA with a motif 5'TGACGTCA3'

①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； ②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。 3.Gi调节模型 ①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性； ②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。 百日咳毒素抑制Gi的活性。 抑制性 激素 激活性激素 前列腺素E1 腺苷 肾上腺素 胰高血糖素 促肾上腺皮质激素 抑制性G蛋白受体 激活性G蛋白受体 激活性G蛋白复合物 抑制性G蛋白复合物

（二）磷脂酰肌醇途径 ⒈ IP3和DAG的形成 PI PIP PIP2 IP3 DAG PI：磷酯酰肌醇 PIP：磷酯酰肌醇-4-磷酸 ATP ADP PI激酶 PIP2 ATP ADP PIP激酶 IP3 水解 磷酸酯酶C DAG PI：磷酯酰肌醇 PIP：磷酯酰肌醇-4-磷酸 PIP2：磷酯酰肌醇-4,5-二磷酸 IP3：三磷酸肌醇 DAG：二酯酰甘油

PIP2 Hydrolysis

⒉ IP3和DAG的信号转导（双信使系统） 双信使系统 胞外刺激使PIP2转化成IP3和DAG,引发IP3/ Ca2+和DAG/PKC两条信号转导途径，在细胞内沿两个方向传递，这样的信使系统称为“双信使系统”

磷脂酰肌醇途径 信号分子 激活的磷脂酶C GPCR 激活的G蛋白亚基 4，5-二磷酸肌醇(PIP2) 1，4，5-三磷酸肌醇(IP3) 二酰基甘油(DAG) 可以被佛波醇酯模拟 可以被ca2+载体离子霉素模拟 可以对细胞的蛋白质磷酸化 可以从内质网中释放ca2+ 激活PKC激酶

IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。 瞬时受体电位通道 IP3开启胞内IP3门控钙通道：Ca2+浓度升高，激活钙调蛋白，CaM将靶蛋白（如：CaM-Kinase）活化。 DAG激活蛋白激酶C：PKC位于细胞质，Ca2+浓度升高时PKC转位到质膜内表面，被DAG活化。

作用机理： 生理效应 Ca进入 Ca + 4 Ca + + CaM + E 胞外信号 质膜 Ca通道打开 [Ca 2+]大于 10-6 mol • L-1

信号的终止： IP3信号：去磷酸化为IP2；磷酸化为IP4 。 Ca2+信号：被钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被泵回内质网。 DAG信号：被DAG激酶磷酸化为磷脂酸；或被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。

（三）其它G蛋白偶联型受体 1．化学感受器中的G蛋白 气味分子与受体结合，激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道，引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，形成嗅觉或味觉。

2004年Axel和Buck因发现气味受体和化学感受器系统的组成而获诺贝尔生理与医学奖。 Richard Axel Linda B. Buck

2．视觉感受器中的G蛋白 黑暗时视杆细胞中cGMP浓度较高，cGMP门控钠通道开放，钠内流，膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。

cGMP in Photoreception 视紫质 磷酸二酯酶 视网膜 转导素 视紫红质为7次跨膜蛋白，由视蛋白和视黄醛组成。其信号途径为： 光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。

G蛋白偶联型受体的钝化 细胞通过受体钝化适应持续刺激： ①受体失活（receptor inactivation）； ②受体隐蔽（receptor sequestration）； ③受体下行调节（receptor down-regulation）。

三、酶耦联型受体 enzyme linked receptor 定义：本身具有激酶活性；或者可以连接非受体酪氨酸激酶。 类别：①受体酪氨酸激酶、②受体丝氨酸/苏氨酸激酶、③受体酪氨酸磷脂酶、④ 酪氨酸激酶连接的受体、 ⑤受体鸟苷酸环化酶、 ⑥组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。

特点： ①单次跨膜蛋白； ②接受配体后发生二聚化和自磷酸化，起动下游信号转导。

（一）受体酪氨酸激酶与RTK/Ras 1、酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases，RTKs ) ①胞质酪氨酸激酶：如Src、JAK； ②核内酪氨酸激酶 ：如：Abl、Wee； ③受体酪氨酸激酶：如EGF受体。相关信号途径：RAS途径、磷脂酰肌醇途径。

Receptor tyrosine kinases 胞质腔尾

2、信号分子间的识别结构域 SH2结构域：介导信号分子与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。 SH3结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白结合。 PH结构域：与PIP2、PIP3、IP3等结合。

3、RAS信号途径 RTK结合信号分子活化，激活RAS； RAS的调节因子具有GEF (guanine nucleotide exchange factor )、GAP (GTPase activating protein )； GEF需要通过接头蛋白与RPT连接。 活化的RAS启动蛋白激酶的磷酸化级联反应，激活转录因子，调节基因表达；

配体→RPK→adaptor→ GEF→ Ras→ Raf（MAPKKK）→ MEK RPTK-Ras Pathway 配体→RPK→adaptor→ GEF→ Ras→ Raf（MAPKKK）→ MEK (MAPKK)→ MAPK→ 细胞核→ 转录因子→ 基因表达。 sh2 sh2 sh3

（三）PI3K-PKB信号 （RTK衍生通路） PI3K PATHWAY

PDK is phosphoinositol dependent kinase Akt is PKB, influence cell survival

（三）受体丝氨酸/苏氨酸激酶 (TGF-β-smad) 配体是TGF-βs家族成员，包括TGF-β1-5。 依细胞类型不同，可抑制细胞增殖、刺激胞外基质合成、刺激骨骼的形成、通过趋化性吸引细胞、作为胚胎发育过程中的诱导信号等。

（四）酪氨酸蛋白激酶联系的受体(JAK－STAT途径) 细胞因子（如干扰素）的受体，在造血细胞和免疫细胞通讯上起作用。受体本身不具有酶活性，但可连接胞内酪氨酸蛋白激酶（如JAK），信号途径为JAK－STAT或RAS途径。JAK即Janus Kinase,是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶(PTK)。

JAK属非受体酪氨酸激酶，底物为STAT，即信号转导子和转录激活子。 细胞因子受体 JAK属非受体酪氨酸激酶，底物为STAT，即信号转导子和转录激活子。 配体→受体二聚化→ JAK → STAT →基因表达。 STAT(Signal transducers and activators of transcription) JAK/STAT Pathway