[简纲]细胞信号转导

细胞生物学考研大纲之细胞信号转导，整理了几种主要的信号通路

细胞通讯和信号转导

• 细胞识别
• 细胞通讯
  • 细胞通讯是指一个信号产生细胞发出的信息通过介质传递到另一个靶细胞并与其相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生靶细胞内一系列生理生化变化，最终表现为靶细胞整体的生物学效应的过程
  • 三种方式
    • 分泌化学信号
      • 内分泌
      • 旁分泌
      • 化学突触传递神经信号
      • 自分泌
    • 细胞间接触依赖性通讯
    • 动物细胞间形成间隙连接，植物细胞间通过胞间连丝，使细胞互相沟通，通过小分子实现代谢偶联或电偶联，从而实现功能调控
  • 步骤
    • 信号细胞合成并释放信号分子
    • 转运信号分子至靶细胞
    • 信号分子与靶细胞表面受体特异性结合，并导致受体激活
    • 活化受体启动靶细胞内一种或多种信号转导途径
    • 引发细胞代谢，功能或基因表达的改变
    • 信号的解除并导致细胞反应终止
• 受体
  • 是一类能识别和选择性结合某种配体的大分子，已经鉴定的绝大多数受体都是蛋白质且多为糖蛋白，少数受体是糖脂，有的受体是糖蛋白和糖脂的复合物。
  • 分类
    • 细胞内受体
      • 细胞内受体超家族
        • 本质是依赖激素激活的基因调控蛋白；在细胞内，受体与抑制性蛋白结合形成复合物，处于非活化状态，当信号分子与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，，使受体暴露它的DNA结合位点而被激活
      • 类固醇激素，视黄酸，维生素D和甲状腺素的受体、
        • 在细胞核内，这类受体通过与血清蛋白结合运输至靶组织并跨越质膜进入细胞内，通过核孔与特异性核受体，结合形成激素-受体复合物，并改变受体构象；
        • 激素-受体复合物与基因特殊调节区（又称激素反应元件）结合，影响基因转录
      • NO受体
        • NO可以透过细胞膜快速扩散，激活靶细胞内具有鸟苷酸环化酶（GC）活性的NO受体。鸟苷酸环化酶使胞内cGMP水平提高，活化蛋白激酶G（PKG）抑制肌动-肌球蛋白复合物信号通路，使血管平滑肌舒张
    • 细胞表面受体
      • 离子通道偶联受体
        • 细胞表面离子通道偶联受体指受体本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，又称配体门离子通道或递质门离子通道
      • G蛋白偶联受体
        • 细胞表面受体中最大家族，普遍存在于各类真核细胞表面，根据其偶联效应蛋白的不同，介导不同的信号通路
      • 酶联受体
        • 一类是受体胞内结构域具有潜在酶活性，另一类是受体本身不具有酶活性，而是受体胞内段与酶相联系
• 信号分子
  • 信号分子是细胞信息载体，包括化学信号诸如各类激素，局部介质和神经递质，以及物理信号诸如声，光，电和温度变化等
  • 分类（按性质）
    • 气体性信号分子
      • 如NO,CO；可以自由扩散，进入细胞直接激活效应酶产生第二信使cGMP,参与体内众多生理过程，影响细胞行为
    • 疏水性信号分子
      • 甾类激素，甲状腺素；这类亲脂性分子小，疏水性强，可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞核内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达
    • 亲水性信号分子
      • 神经递质，局部介质和大多数蛋白类激素，不能透过细胞质膜，只能与细胞表面受体结合，经信号转换机制，在细胞内产生第二信使，或激活蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应
  • 分类（按受体类型）
    • 胞内受体信号分子
    • 细胞表面受体信号分子
• 膜受体介导的信号通路
  • 与G蛋白偶联的：cAMP通路及信号分子
    • 受体
      • G蛋白偶联受体（GPCR）
        • G蛋白
          • 即三聚体GTP结合调节蛋白，位于质膜内胞浆一侧。由Gα，Gβ和Gγ三个亚基组成；Gβγ亚基以异二聚体形式存在，Gα和Gβγ亚基分别通过共价结合的脂分子锚定在质膜上；Gα亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白
        • 结构
          • 所有的G蛋白偶联受体都含有7个疏水肽段形成的跨膜α螺旋区和相似的三维结构，N端在细胞外侧，C端在细胞胞质侧。每个跨膜α螺旋由22-24个氨基酸残基组成，
    • 信号分子
    • 应答过程
      • 活化与静息
        • 当配体与受体结合，三聚体G蛋白解离，并发生GDP与GTP交换，游离的Gα-GTP处于活化的开启状态，导致结合并激活效应器蛋白，从而传递信号；当Gα-GTP水解成Gα-GDP时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致三聚体G蛋白的重新装配，恢复系统进入静息状态
      • 下游信号通路
        • 通过G蛋白的分子开关作用，调控跨膜离子通道的开启和关闭，进而调节靶细胞的活性
          • 具体表现
            • 心肌细胞的M乙酰胆碱受体
              • M乙酰胆碱受体在心肌细胞膜上与Gi蛋白偶联，乙酰胆碱配体与受体结合使其活化，导致三聚体Gi蛋白解离，激活心肌细胞质膜上相关的效应器K+通道开启，引起细胞内K+外流，导致细胞膜超极化，减缓心肌细胞的收缩频率
            • Gt蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭
              • 三聚体G蛋白与视紫红质偶联；未活化时，高水平的第二信使cGMP保持cGMP门控非选择性阳离子通道的开启；当视蛋白被光激活时，会与Gt三聚体蛋白结合使之活化并将Gtα亚基解离下来，Gtα通过与cGMP磷酸二酯酶（PDE）的抑制性的γ亚基特异性结合，使其构象改变从PDE中解离出来，导致PDE的α与β亚基活性恢复，cGMP可以被PDE转换成GMP，导致胞质中cGMP水平降低，从cGMP门控阳离子通道上解离下来并且使阳离子通道关闭，质膜瞬间超极化。
        • 激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体（cAMP途径）
          • 过程
            • G蛋白偶联受体信号通路中，Gα的亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件
          • 主要蛋白
            • 刺激性激素的受体（Rs）
            • 抑制性激素的受体（Ri）
            • 刺激性G蛋白(Gs)
            • 抑制性G蛋白（Gi）
            • 腺苷酸环化酶
          • 下游信号通路
            • 在多细胞底物各种以cAMP为第二信使的信号通路中，主要通过cAMP激活蛋白激酶A（PKA）所介导的（cAMP-PKA信号通路）
            • 主要蛋白
              • 蛋白激酶A（PKA）
                • 无活性的PKA含有两个调节亚基R与两个催化亚基C；每个R亚基上有2个cAMP结合位点，一个cAMP的结合会降低另一个位点的解离，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA释放C亚基并快速使激酶活化。
            • 具体表现
              • cAMP-PKA信号通路对肝细胞和肌细胞糖原代谢的调节
                • 关键蛋白
                  • 糖原磷酸化酶激酶（GPK）
                  • 糖原磷酸化酶（GP）
                  • 糖原合酶（GS）
                  • 磷蛋白磷酸酶抑制蛋白（IP）
                  • 磷蛋白磷酸酶（PP）
                • 主要过程
                  • 当细胞内cAMP水平增加时，cAMP依赖的PKA被活化，随后PKA磷酸化GPK，使其激活；继而GPK使GP磷酸化而激活，活化的GP刺激糖原的降解；PKA还能使GS磷酸化使其失活，以抑制糖原的合成；此外，PKA还磷酸化IP使其激活，IP磷酸化PP使其失活，抑制其去磷酸化功能。
                  • 当细胞内cAMP水平降低时，PKA活性下降，使IP磷酸化过程逆转，导致PP去磷酸化被活化；活化的PP使GPK和GP去磷酸化，降低它们的活性，从而抑制糖原的降解；活化的PP还能去磷酸化GS，使其活性增加，促进糖原的合成。
              • cAMP-PKA信号通路对真核细胞基因表达的调控
                • 主要过程
                  • 激素-G蛋白偶联受体-G蛋白-腺苷酸环化酶-cAMP-cAMP依赖的PKA-基因调控蛋白-基因转录
                  • 被活化的PKA转位进入细胞核，使CREB磷酸化，磷酸化的CREB与CBP特异性结合成复合物，复合物与靶基因调控序列结合，激活靶基因的表达。
                • 主要蛋白
                  • 基因调控蛋白（cAMP应答元件结合蛋白，CREB）
                  • 核内CREB结合蛋白（CBP）
              • 霍乱毒素与百日咳毒素的机制
                • 霍乱毒素
                  • 霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞后催化胞内NAD+的ADP核糖基共价结合在Gsα亚基上，使其失去GTP酶活性，GTP永久结合在Gsα亚基上，持续激活腺苷酸环化酶。结果是小肠上皮细胞内cAMP水平增加百倍以上，大量Na+与水分子持续外流，表现为腹泻。
                • 百日咳毒素
                  • 催化Giα亚基ADP-核糖基化，防止与Giα亚基结合的GDP释放，使Giα一直处于失活态，导致气管上皮细胞内cAMP水平增高，使液体，电解质和黏液分泌减少。
        • 激活磷脂酶C，以IP3和DAG作为双信使G蛋白偶联受体介导的信号通路（IP3-Ca+与DAG-PKC两种途径的双信使系统）
          • 关键分子
            • （膜结合的）磷脂酰肌醇（PI）
            • PI激酶
            • Go或Gq三聚体蛋白
            • 磷脂酶C的β异构体（PLCβ）
            • 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）
            • 磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）
            • 肌醇三磷酸（IP3）
            • 二酰甘油（DAG）
          • 主要过程
            • 细胞膜上的PI激酶将肌醇环上特定的羟基磷酸化，形成PIP与PIP2；
            • 胞外信号分子与Go或Gq蛋白偶联的受体结合，通过G蛋白开关机制激活质膜上的PLCβ；
            • PLCβ水解PIP2，生成IP3与DAG两个第二信使，IP3在细胞质中扩散，DAG是亲脂性分子，锚定在膜上；
          • 下游信号通路
            • IP3-Ca+信号通路与钙火花
              • 关键蛋白
                • IP3门控Ca+离子通道
                • 钙调蛋白（CaM）
                • 钙调蛋白激酶（CaM Kinase）
              • 主要过程
                • IP3通过细胞内扩散，结合并开启内质网膜上IP3门控Ca+通道，引起Ca+顺电化学梯度从内质网钙库释放进入细胞质基质，通过结合钙调蛋白引起细胞反应。
                • 一般情况Ca+不直接作用于靶蛋白，而是通过Ca+应答蛋白间接发挥作用。钙调蛋白是真核细胞中普遍存在的Ca+应答蛋白
                • 钙调蛋白本身无活性，结合钙离子后激活靶酶的过程分两步；首先钙离子与CaM结合形成活化态的Ca+-CaM复合体，再与靶酶结合使其活化。
              • 钙火花的形成
                • IP3门控钙离子通道几乎是所有真核细胞内钙离子动员的主要途径；
                • IP3门控钙离子通道由4个亚基组成，每个亚基在N端胞质结构域中有一个IP3结合位点，IP3的结合导致通道开放，Ca+从内质网腔释放到细胞质基质中；
                • IP3介导的Ca+水平升高是暂时的，质膜和内质网上的钙泵的启动会分别将Ca+泵出细胞和泵入内质网腔；
                • Ca+具有调控IP3与IP3门控钙离子通道亲和力的特性，表现为平时增加IP3与离子通道的亲和力，高浓度时降低IP3与离子通道的亲和力；
                • 细胞中IP3通路受到刺激时，这种由细胞质基质中Ca+对内质网膜上的IP3钙离子通道的复杂调控会导致细胞质基质中的Ca+水平的快速震荡。
            • DAG-PKC信号通路
              • 关键蛋白
                • 蛋白激酶C（PKC）
                • 二酰甘油DAG
              • 主要过程
                • PKC有两个功能区。一个是亲水的催化活性中心，另一个是疏水的膜结合区；
                • 当细胞接受外界刺激后，PIP2水解，质膜上的DAG瞬间积累，同时细胞内Ca+水平增加，胞质中的PKC与Ca+结合并转位到质膜的内表面，被DAG活化；
                • 活化后的PKC使不同类型细胞中的不同底物蛋白的Ser与Thr磷酸化;
                • PKC具有广泛的作用底物，参与众多细胞过程，涉及细胞的“短期生理效应”如细胞分泌和肌肉收缩；”长期生理效应“如细胞增殖和分化
              • 终止过程
                • DAG通过两种途径终止其信号通路，一是被DAG激酶磷酸化形成磷酸酯，进入磷酸肌醇代谢途径；二是被DAG脂酶水解成单酰甘油。
              • 长期效应
                • 维持需要PKC具有长期活性，但DAG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性；
                • 现发现另一种DAG生成途径：磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生DAG，以维持PKC的长期效应。
              • 强化特殊基因转录
                • PKC具有此特殊活性，具体途径为
                • PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，导致与DNA特异序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录
                • PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中的基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核刺激特殊基因的转录。
  • 受体本身为酪氨酸激酶的：生长因子类受体
    • 受体酪氨酸激酶（RTK）
      • 胞外配体为可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括多种生长因子，胰岛素和胰岛素样生长因子等。
      • SH2结构域
        • Src产物同源区，SH2结构域是一种可特异性结合氨基酸序列中的磷酸酪氨酸残基，由约100个氨基酸残基组成，蛋白家族中每一个成员具有相似的三维结构
      • 主要过程
        • RTK是单体跨膜蛋白，静息状态下活性很低，受体二聚化后，激活受体的蛋白酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化，受体胞内段的一个或多个酪氨酸残基。
        • 磷酸化的受体酪氨酸残基进一步引发构象改变；激活的RTK内，许多磷酸酪氨酸残基可被含有SH2结构域的胞内信号蛋白识别，作为多种下游信号蛋白的锚定位点，启动信号转导
      • 下游信号通路
        • RTK-Ras蛋白信号通路
          • 关键分子
            • Ras蛋白
            • 生长因子受体结合蛋白2（GRB2）
            • Ras蛋白-鸟苷酸交换因子（Ras-GEF,Sos）
            • Raf蛋白（MAPKKK）
            • Mek（MAPKK）
            • Erk（MAPK，促分裂原活化的蛋白激酶）
          • 主要过程
            • GRB2既与RTK上的磷酸酪氨酸残基结合，也与Sos结合，Sos可以使Ras蛋白构象改变，使非活性的Ras-GDP转化为有活性的Ras-GTP。
            • 活化的Ras蛋白可以与Raf（MAPKKK）结合，使其活化；活化的Raf（MAPKKK）结合并磷酸化Mek（MAPKK）使其活化；活化的Mek（MAPKK）结合并活化其唯一底物Erk（MAPK）；MAPK可进入细胞核，使许多底物蛋白的Ser/Thr磷酸化，修饰其活性。
        • PI3K-PKB（Akt）信号通路
          • 关键分子
            • 磷脂酰肌醇-3羟基-激酶（PI3K）
            • 蛋白激酶B(PKB)：该激酶被证明是反转录病毒癌基因v-akt的编码产物，故又称Akt
          • 主要过程
            • PI3K既具有Ser/Thr活性，也具有磷脂酰肌醇激酶的活性。PI3K可催化PI-4-P生成多种与膜结合的PI-3-P，为多种信号转导蛋白提供锚定位点。
            • PKB以非活性状态存在于细胞质基质中，在生长因子等激素刺激下，PI3P水平升高；PKB凭借PH结构域与3位P结合而转位到质膜上，同时暴露出被PH结构域掩盖的催化位点活性。这是其活化的第一步。
            • 另外的PDK1磷酸化其关键苏氨酸残基，PDK2磷酸化其关键的丝氨酸残基，此时PKB被完全活化。完全活化的PKB从质膜上解离下来，进入细胞质和细胞核，进而磷酸化多种相应的靶蛋白，产生广泛效应。
  • 受体为配体门控离子通道的：神经递质类受体
• 胞内受体介导的信号通路
  • 细胞内受体超家族
    • 应答过程
      • 激活
      • 反应
        • 类固醇激素诱导的基因活化通常分为两阶段
          • 快速的初级反应阶段，直接激活少数特殊基因转录
          • 延迟的次级反应阶段，初级反应的基因产物再激活其他基因转录，对初级反应其放大作用
  • NO途径