细胞信号转导

参照复旦大学出版社出版的《生物化学与分子生物学》整理，细胞间信息物质由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称为第一信使。

细胞信号转导

• 信息物质
  • 细胞间信息物质
    • 由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质的统称，又称为第一信使
    • 局部化学介质
      • 又称为旁分泌信号
      • 大多数细胞都能够分泌
      • 特点：不需要血液转运，直接在组织液中扩散作用于周围的靶细胞和自身细胞
      • 举例
        • 交感神经组织分泌神经生长因子
        • 花生四烯酸及其衍生物（如前列腺素等）
        • 肥大细胞分泌的组胺
        • NO
        • 胰岛D细胞分泌的生长抑素
    • 内分泌激素
      • 由特殊分化的内分泌细胞分泌的化学物质，需要经过血液转运到靶细胞而传递信息
      • 两类
        • 含氮化合物
          • 氨基酸衍生物
            • 肾上腺素
            • 甲状腺素
          • 肽类
          • 蛋白质
            • 胰岛素
            • 胰高血糖素
            • 甲状旁腺素
            • 垂体激素
        • 固醇类激素
          • 肾上腺皮质激素
          • 性激素
    • 神经递质
      • 神经细胞和靶细胞之间进行信息传递的分子
      • 两类
        • 神经递质
          • 乙酰胆碱
          • 多巴胺
          • 谷氨酸
        • 神经肽
          • 内源性吗啡
          • P物质等
    • 气体信号
      • 体内通过NO合酶NOS氧化L-精氨酸的胍基生成NO
      • 还有CO，H2S等
  • 细胞内信息物质
    • 在细胞内传递调控信号的化学物质称为细胞内信息物质
    • 其中Ca离子、DAG、IP3、cAMP、cGMP等小分子通常是第一信使作用于靶细胞后在细胞内产生，称为第二信使，功能在于将细胞外信号转换为细胞内信号，在信号转导上发挥承上启下的功能
    • 第二信使
      • cAMP
        • 由腺苷酸环化酶AC催化ATP生成
        • AC
          • 质膜内蛋白质，活性位点位于质膜内表面
        • 影响胞质内cAMP浓度的激素
          • 胰高血糖素
          • 肾上腺素
          • 多巴胺
          • 甲状旁腺素
        • β-肾上腺素受体与特定受体结合后，受体胞质内侧偶联的Gsα蛋白上结合的GDP转换为GTP，继而激活Gsα向AC移动并激活它，AC催化ATP生成cAMP，cAMP可激活PKA，PKA通过磷酸化靶蛋白从而引起细胞对肾上腺素的反应
        • cAMP存在时间很短，迅速被环核苷酸磷酸二酯酶水解
        • PKA
          • 两个催化亚基，两个调节亚基形成四聚体，调节亚基占据了催化亚基的活性位点
          • cAMP结合到调节亚基上，催化亚基活性位点暴露，进而使得其解聚为有活性的构象
          • 可以磷酸化磷酸化酶b激酶等，这些蛋白含有相似的丝氨酸或苏氨酸残基区域，能够被PKA磷酸化
      • cGMP
        • 由鸟苷酸环化酶GC催化合成
        • PKG
          • 由两个相同亚基催化的二聚体
          • 调节结构域和催化结构域存在于同一个亚基
          • 在脑组织和平滑肌中含量丰富
      • 磷脂酰肌醇衍生物
        • 某些激素与特定受体结合后，激素-受体复合物能催化其偶联的Gqα蛋白上GDP与GTP转换，进而活化Gqα，接着活化PLC，PLC将质膜上的磷脂酰肌醇4,5二磷酸水解生成IP3和DAG
        • IP3扩散至内质网上或肌浆网上，与钙离子通道受体结合，释放储存的钙离子
        • DAG与钙离子共同激活PKC，PKC可以磷酸化靶蛋白的丝氨酸或苏氨酸，改变靶蛋白的催化活性，使得细胞产生对于激素信号的响应
      • 钙离子
        • 细胞内钙离子90%以上储存在钙离子库（内质网和线粒体）
        • 胞质内钙离子含量很低
        • 外界信号触发了质膜或胞内钙库的钙离子通道打开，引起胞外钙离子内流，或钙库钙离子释放，会导致胞内钙离子浓度急剧升高
        • 除了与DAG共同活化PKC外，钙离子还可以与钙调蛋白CAM结合
          • 钙离子与钙调蛋白形成复合物，能与下游多种靶蛋白结合并调节他们的活性
          • 可以作为钙调蛋白依赖性蛋白激酶的内在亚基
• 受体
  • 受体的定义与特性
    • 细胞膜上或细胞内能识别外源性化学信号并与之结合的蛋白质分子，个别糖脂也有受体作用
    • 能够与受体结合的分子称为配体
    • 特性
      • 高度专一性
      • 高度亲和力
      • 可饱和性
      • 可逆性
      • 特定的作用模式
  • 受体的分类及结构
    • 配体门控离子通道受体
      • 细胞膜上一类特殊的亲水性蛋白质微孔道，当与配体结合或者受跨膜电位及细胞表面应力等因素影响，通道开放或关闭，是神经、肌肉等细胞电活动的物质基础
      • 烟碱性乙酰胆碱受体
        • 有两个α，一个β、γ、δ亚基组成，α亚基是配体结合部位，2分子乙酰胆碱结合上后可使通道开放，钠离子和钙离子内流造成细胞膜去极化
        • 即使有乙酰胆碱结合，受体处于通道开放状态的时间仍然十分短暂，几个毫秒内就会发生脱敏反应，随后乙酰胆碱与之解离
    • 具有酶活性的受体
      • 自身具有酶活性的跨膜蛋白
      • 具有胞外的配体结合区域、胞内酶活性区以及跨膜区作为连接
      • 受体型酪氨酸蛋白激酶
        • 种类
          • 胰岛素受体
          • 表皮生长因子受体EGFR
          • 神经生长因子受体NGFR
          • 血小板衍生生长因子受体PDGFR
        • 这类受体在没有与信号分子结合时多以单体形式存在
        • 信号分子与受体的胞外结构域结合后，两个受体单体在膜上形成二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段的酪氨酸残基，这种自身磷酸化激活了受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性
        • 胰岛素受体
          • 两个质膜外的α亚基与两个质膜内的β亚基
          • 配体与α亚基结合，使得受体构象改变，β链酪氨酸激酶活性被激活，两个αβ单体之间互相磷酸化对方羧基端的3个酪氨酸残基
          • 能够招募并磷酸化下游靶蛋白的酪氨酸残基
          • 启动下游如Ras-MAPK或PI3K-Akt途径
      • 鸟苷酸环化酶
        • 细胞膜结合的跨膜型鸟苷酸环化酶
          • 位置：肾
          • 胞外段与心钠素ANF结合，激活其鸟苷酸环化酶活性，从而促进胞内cGMP产生，以加速钠离子和水的排出，降低血压
        • 胞质游离型鸟苷酸环化酶
          • 含有亚铁血红素基团的一种胞质蛋白，能被NO激活
          • NO无极性，可以自由穿过细胞膜，结合到GC的亚铁血红素上，从而激活胞内GC
          • 心脏中的胞质GC可以通过cGMP产生，加速钙离子的泵出
          • 这类药物能够缓解冠状动脉病变引起的心绞痛
    • G蛋白偶联受体
      • 由单一肽链组成的七次跨膜受体，氨基端位于细胞外表面，羧基端位于细胞内表面
      • 胞内的第2、3个环状结构能够与G蛋白结合
      • GPCR与受体结合后，需要先激活胞内的GTP结合蛋白，再由G蛋白调控下游的靶酶产生第二信使
      • 种类
        • 激动型G蛋白Gs
        • 抑制型G蛋白Gi
        • 磷脂酶C型G蛋白Gq
      • 信号转导必须的三要素
        • GPCR
        • G蛋白
        • 催化产生第二信使的酶
      • 小G蛋白
        • 分子量20000到30000 D，同样具有GTP酶活性
        • Ras是第一个发现的小G蛋白，激活时可促进下游的促分裂原活化蛋白激酶级联反应
    • 不具有内在酶活性的受体
      • 结构与受体酶类似，但是胞内区域不具有酶活性，需要招募结合细胞内的酶并激活其功能，再由该酶蛋白激活下游信号通路，调节基因表达
      • JAK-STAT信号通路
    • 黏附型受体
      • 介导胞外基质成分与细胞内骨架之间的信息交流
      • 多为跨膜糖蛋白，在细胞迁移、黏附方面发挥功能，又称为黏附分子CAM
      • 整合蛋白、钙黏蛋白和选凝素等属于这一类受体
    • 核受体
      • 多为反式作用因子
      • 结构上具有高度可变区、DNA结合区、铰链区、配体结合区
      • 与该型受体结合的为非极性分子
        • 类固醇激素
        • 甲状腺素
        • 维甲酸
        • 维生素D
      • 与受体结合后构象以及核定位发生改变，与DNA顺式作用元件结合，调节基因转录
      • 类固醇激素在血液中由载体蛋白携带到靶组织，在靶细胞中以简单扩散的形式穿过质膜，与核中特异性受体Rec结合，使之与DNA中特异性调节序列结合，这些调节序列称为激素应答元件HRE，并改变基因的表达
  • 受体活性的调节
    • 受体磷酸化与去磷酸化
      • 机制
        • 受体与某些配体结合之后，自身称为某些激酶或磷酸酶的底物
        • 受体与某些配体结合之后，自身具有激酶的活性，可发生自身的磷酸换
      • 受体磷酸化与去磷酸化可以改变其自身的功能
        • 胰岛素受体与配体结合后，胞内段酪氨酸残基磷酸化，不仅能激活下游信号通路，还加强了受体与配体的结合，去磷酸化则转变为无激活能力的状态
    • 膜磷脂代谢的影响
      • 质膜中脑磷脂被甲基化形成卵磷脂，可以明显增强肾上腺素激活AC的能力
    • 受体中的巯基和二硫键
      • 巯基的破坏或二硫键的变化会导致受体结构松散及生物活性减弱或丧失
      • 还原剂二硫苏糖醇可通过还原二硫键影响受体活性
    • 受体蛋白被水解
      • 细胞在某些情况下分泌一些蛋白酶，而且胞质中蛋白酶可以被钙离子激活，受体通过内吞的方式被溶酶体降解
    • G蛋白的调节作用
      • 当一个受体系统被激活而cAMP上调时，就会降低同一受体对配体的亲和力
• 受体介导的信号转导通路
  • Ras-MAPK信号通路和PI3K-Akt通路
    • Ras-MAPK通路
      • 配体胰岛素与胰岛素受体α链结合后，受体自身磷酸化并二聚化，招募下游的靶蛋白并使其特异酪氨酸位点发生磷酸化
      • 胰岛素受体底物1的酪氨酸残基被胰岛素受体磷酸化
      • 接头蛋白Grb2具有SH2结构域，能够识别并结合具有磷酸化酪氨酸残基的位点
      • Grb2与Sos蛋白结合并活化之
      • Sos发挥其鸟苷酸交换因子的作用，使得Ras结合的GDP交换为GTP，活化Ras
      • Ras催化下游的Raf-1磷酸化激活
      • Raf-1继而磷酸化MEK，MEK磷酸化ERK
      • ERK磷酸化激活后转运入核，激活Elk1等蛋白，启动基因的转录
    • PI3K-Akt通路
      • IRS-1与PI3K结合并激活PI3K
      • PI3K磷酸化PIP2生成PIP3
      • PIP3与Akt结合（通过Akt的PH结构域）并招募PDK1磷酸化激活Akt
      • Akt磷酸化GSK1（糖原合酶激酶），使之失活，使得糖原合酶维持其活性，促进糖原的合成
  • JAK-STAT通路
    • EPO、干扰素、白细胞介素2、3等细胞因子受体属于不具有酶活性的受体
    • EPO受体与质膜上受体结合，发生自身二聚化
    • 二聚化受体与胞质内酪氨酸激酶JAK结合并激活其活性
    • 活化的JAK磷酸化EPO受体的酪氨酸，以招募STAT并与其SH2结构域结合
    • 继而JAK使STAT磷酸化
    • 磷酸化的STAT发生自身二聚化，迁移进入胞核，调控相关基因表达，改变靶细胞增殖与分化
    • 被JAK活化的EPO受体还能招募Grb-1，通过MAPK通路调节基因转录
  • NF-κB通路
    • 肿瘤坏死因子TNF，IL-1等细胞因子受体同属于不具有内在酶活性的膜受体，需要偶联细胞内蛋白酪氨酸激酶，继而通过酶联反应激活下游的转录因子NF-κB，调节基因表达
    • NF-κB首先发现于B细胞，作为免疫球蛋白κ轻链基因转录因子
    • 5个亚单位：Rel、RelB、p65、p50、p52
    • 两个功能域
      • RHD（N端Rel同源区）：仅存在于p65，Rel，RelB
        • 具有核定位功能、二聚化、DNA结合功能
      • TD（C端反式激活结构域）
        • 激活转录
    • 最常见的NF-κB为p65和p50组成的异源二聚体
    • 静止状态下NF-κB结合IκB从而被抑制
    • 受体激活后使得IKK被磷酸化激活
    • IKK磷酸化IκB使其失活
    • NF-κB的NLS暴露，活化并入核，作用于相应增强子元件，影响多种细胞因子、免疫因子、急性时相蛋白和应激反应蛋白基因的转录
• 信号转导系统的特点及其交互联系
  • 受体介导的信号转导特点
    • 特异性与敏感性
      • 特异性：受体选择性与特定配体结合，这种选择性是由分子空间构象决定、这种特异性识别保证了调控的准确性。
      • 敏感性：配体与受体分子之间的高度亲和力、配体-受体相互作用的协同效应，以及酶联反应对信号的放大作用
    • 酶级联放大效应
      • 信号转导过程中，与受体向联系的酶一旦被激活，将逐级催化第2个、第3个酶分子，信号依次被放大，可以在数毫秒内将信号放大许多倍，称为酶级联放大效应。
    • 脱敏效应
      • 当一个信号持续存在时，受体系统会发生脱敏作用。例如受体活化时会启动一个反馈环路，使受体失活或从膜上解离；而当信号刺激降低到一定阈值后，受体系统会重新恢复敏感性。
    • 整合性
      • 信号转导系统往往同时接受多种信号，但最终只产生唯一的最适应机体或细胞需要的反应效果，不同的信号会通过整合作用而输出一个调整后的信号
  • 信号转导通路的多样性与交互联系
    • 信号分子、受体、信号通路以及靶细胞之间的多样性组合
      • 一种信号分子可以通过不同的信号转导途径影响不同的细胞
        • IL-1β可通过G蛋白偶联受体和蛋白激酶偶联受体介导的MAPK通路，还可通过其他几条重要途径介导信号转导
      • 一种受体可以激活多条信号转导途径
        • 有些受体自身磷酸化后产生多个与其他蛋白相互作用的位点，可以激活几条信号转到途径
      • 一条信号转导途径的成员可参与激活另外一条信号转导途径
        • GPCR在部分增殖细胞中的βγ二聚体可以激活Src或Shc酪氨酸残基磷酸化，形成SH2结合位点，从而与Shc-Grb2复合物，通过Sos、Ras蛋白激活MAPK途径，调控细胞增殖所需基因的转录
    • 不同信号转导通路之间具有相互影响和协同调节的作用
      • 对于正常细胞，作为维持细胞稳态的TGF-β占据主导地位，并对抗由生长因子经Ras途径激活的增殖反应
      • 大量生长因子刺激细胞或ras癌基因激活后，活化的ERK1/2蛋白激酶将Smad2/3等分子特定位点磷酸化，使Smad2/3向核内聚集能力减弱
      • 肌细胞磷酸化酶激酶b，该酶α，β亚基是PKA底物，被PKA磷酸化激活，δ亚基是CaM，可以通过结合钙离子而激活该酶
      • PKA和Ca/CaM两条途径均可在胞核内使转录因子CREB的133位丝氨酸残基磷酸化激活，活化的CREB作用于DNA上CRE顺式作用元件，调节多种基因转录
• 信号转导与疾病
  • G蛋白偶联受体异常及相关疾病
    • G蛋白偶联受体异常与心血管疾病
      • 静止时心率由胆碱能受体Giα通过抑制AC活性和Gβγ亚基功能，使得cAMP降低从而共同抑制心率
      • 运动时通过β-肾上腺素受体偶联的Gsα控制心率
      • Gqα过表达可通过MAPK通路导致ERK激活，ERK是心肌细胞重要生长信号，其激活可引起心肌细胞扩增，导致心肌肥大
      • GPCR受体表达减少、受体与下游信号解偶联，使得cAMP下降，会引起心肌收缩功能不足，导致心力衰竭
    • G蛋白偶联受体异常与肿瘤
      • Gβγ可以直接作用于ras和激活JNK，在肿瘤增殖中起作用
    • G蛋白偶联受体异常与感染
      • 霍乱毒素A亚基进入小肠上皮细胞后直接作用于Gsα，使其发生ADP-核糖化修饰，导致其固有的GTP酶活性丧失，不能恢复到GDP结合状态，导致Gsα持续激活
      • 激活形成的cAMP持续增高通过PKA作用于小肠上皮细胞膜上蛋白质磷酸化而改变细胞膜的通透性，Na+与Cl-通道持续开放，造成水与电解质大量流失，引起腹泻与电解质紊乱等症状。
    • G蛋白偶联受体异常与遗传病
      • 假性甲状旁腺素低下症（pseudoPHP）患者中甲状旁腺素水平正常，却表现为功能低下
        • 患者Gsα异常，编码该蛋白的基因GANS1第1个外显子中第1个编码甲硫氨酸并作为起始密码子的ATG突变为GTG，使得Gsα缺失了N端的59个氨基酸，从而对甲状旁腺素无反应
    • G蛋白偶联受体异常与药物成瘾性疾病
      • 吗啡耐受和依赖性机制与胞内cAMP浓度升高密切相关
        • 吗啡通过受体偶联Gsα活化，导致AC持续激活，cAMP浓度升高
        • G蛋白受体长期暴露于吗啡后，原来以抑制效应为主的Giα信号转化为以Gβγ刺激为主的信号
        • 高吗啡还诱导吗啡受体数目减少
      • 乙醇可以增强G蛋白偶联的内向整流性K+通道，影响突触传递，还降低血小板AC活性，诱导Giα高表达
  • 酪氨酸激酶受体异常与疾病
  • 信号转导分子与药物
    • 伊马替尼通过取代bcr-abl酪氨酸激酶的ATP结合域，从而抑制其下游分子的磷酸化，从而抑制Ph阳性白血病细胞的增殖和抗凋亡作用
    • 他莫昔芬可以与雌激素受体结合从而抑制下游基因的激活