分子生物学细胞信号转导的分子机制

这是一篇关于分子生物学----细胞信号转导的分子机制的思维导图，包含受体及信号转导分子传递信号的基本方式：改变下游信号转导分子的构象、改变下游信号转导分子的细胞内定位、改变小分子信使的细胞内浓度或分布。

细胞信号转导的分子机制

• 细胞信号转导概述
  • 细胞外化学信号
    • 可溶性信号分子
      • 根据在体 内的作用距离
        • 内分泌（m）
        • 旁分泌(mm)
        • 自分泌（mm）
        • 神经递质（nm）
      • 根据溶 解特性分
        • 水溶性化学信号
        • 脂溶性化学信号
    • 膜结合性信号分子
      • 膜分子表面接触通讯（eg.树突状细胞和T细胞）
  • 细胞经由特异性受 体接收细胞外信号
    • 受体
      • 细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的蛋白质分子，个别糖脂也具有受体作用。
      • 细胞内受体
        • 位于细胞质或细胞核内的受体，其相应配体是脂溶性信号分子。配体如，类固醇激素、甲状腺素、前列腺素、维生素A/维生素D、脂类和气体、维甲酸等。
      • 细胞膜受体/细胞表面受体
        • 水溶性信号分子和膜结合性信号分子（如，生长因子、细胞因子、趋化因子、生物活性肽、氨基酸及其衍生物、核苷和核苷酸、水溶性激素分子、黏附分子等）不能进入靶细胞，其受体位于靶细胞的细胞质膜表面。
        • 离子通道受体
        • G蛋白偶联受体
        • 酶偶联受体
    • 受体结合配体并转换信号
      • 能够与受体特异性结合的分子，可溶性和膜结合性信号分子都是常见的配体
      • 受体作用
        • 识别外源信号分子（配体）并与之结合
        • 转换配体信号
      • 细胞内受体能直接传递信号或通过特定的途径传递信号
      • 膜受体识别细胞外信号分子并转换信号
    • 受体与配体相互作用的特点
      • 高度专一性
      • 高度亲和力
      • 可饱和性
      • 可逆性
      • 特定的作用模式
  • 细胞内多条信号转导通路形成网络调控
• 细胞内信号转导分子
  • 细胞外的信号经过受体转换进入细胞内，通过细胞内一些蛋白质分子和小分子活性物质进行传递，这些能够传递信号的分子称为信号转导分子。
  • 受体及信号转导分子传递信号的基本方式
    • 改变下游信号转导分子的构象
    • 改变下游信号转导分子的细胞内定位
    • 信号转导分子复合物的形成或解聚
    • 改变小分子信使的细胞内浓度或分布
  • 依据作用特点
    • 第二信使
      • 配体与受体结合后并不进入细胞，但能间接激活细胞内其他可扩散、并调节信号转导蛋白活性的小分子或离子，这些在细胞内传递信号的分子称为信号转导分子。包括：Ca2+、环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）、环腺苷二磷酸核糖、甘油二酯（DAG）、三磷酸肌醇（IP3）、花生四烯酸、神经酰胺、NO和CO等。
      • 第二信使结合并激活下游信号转导分子
        • 小分子信使传递信号具有相似的特点
          • 上游信号转导分子使第二信使的浓度升高或分布变化
          • 小分子信使浓度可迅速降低
          • 小分子信使激活下游信号转导分子
        • 环核苷酸是重要的细胞内第二信使
          • cAMP【其上游信号转导分子是相应的核苷酸环化酶，即AC（腺苷酸环化酶)】 cGMP【其上游信号转导分子是相应的核苷酸环化酶，即GC（鸟苷酸环化酶)】
            • AC是膜结合的糖蛋白，哺乳动物组织来源的AC至少有8型同工酶。 GC有两种形式：①膜结合型的受体分子②存在于细胞质。
          • 蛋白激酶是cAMP和cGMP的下游主要但不唯一的靶分子 （eg.嗅觉细胞核苷酸-门控钙离子通道；视杆细胞膜上cGMP-门控阳离子通道）
            • cAMP——蛋白激酶A（PKA、Ser/Thr激酶）（cAMP依赖性蛋白激酶）
            • cGMP——蛋白激酶G（PKG、Ser/Thr激酶）（cGMP依赖性蛋白激酶）
          • 磷脂二酸酶（PDE）催化环核苷酸水解
        • 脂质也可衍生出细胞内第二信使
          • 磷脂酰肌醇激酶（PI-K）和磷脂酶（PL）催化生成第二信使
          • 脂类第二信使使作用于相应的靶蛋白分子
            • 甘油二酯（DAG）是脂溶性分子，生成后仍留在质膜上
            • 三磷酸肌醇（IP3）是水溶性分子，可在细胞内扩散至内质网或肌质网膜上，并与其受体结合
            • Ca2+通道是IP3的受体，结合后开放，胞内钙库中的Ca2+迅速释放，Ca2+局部浓度迅速升高
            • DAG和Ca2+的靶分子之一是蛋白激酶C（PKC） ——Ser/Thr激酶，结合后可以激活PKC
        • Ca2+可以激活信号转导相关的酶类
          • Ca2+在细胞中的分布具有明显的区域特征
          • Ca2+的下游信号转导分子是钙调蛋白（CaM）
            • 钙调蛋白是一种Ca2+结合蛋白，有4个结构域，每个结构域可以结合一个Ca2+，形成不同构象的Ca2+/CaM复合物。它可以调节CaM依赖性蛋白激酶的活性。活化的CaM经Ca2+/CaM依赖性蛋白激酶途径（CaMKs途径），影响细胞的分裂生长。
          • 钙调蛋白不是钙离子的唯一靶分子（eg.还可结合PKC、AC和cAMP-PDE等多种信号转导分子）
        • NO、CO、H2S等小分子也具有信使功能
    • 酶
      • 多种酶通过酶促反应传递信号
        • 分类
          • 催化小分子信使生成和转化的酶
            • 腺苷酸环化酶
            • 鸟苷酸环化酶
            • 磷脂酶C（PLC）
            • 磷脂酶D（PLD）
          • 蛋白激酶
            • 蛋白丝/苏氨酸激酶
            • 蛋白酪氨酸激酶
        • 蛋白激酶和蛋白磷酸酶可调控信号传递
          • 蛋白丝/苏氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶
          • 蛋白磷酸酶 拮抗 蛋白激酶诱导效应
            • 蛋白丝/苏氨酸磷酸酶
            • 蛋白酪氨酸磷酸酶
            • 个别的蛋白磷酸酶具有双重作用，即可同时作用于酪氨酸和丝/苏氨酸残基
        • 许多信号通路涉及蛋白丝/苏氨酸激酶的作用
          • 受环核苷酸调控的PKA和PKG
          • 受DAG/Ca2+调控的PKC
          • 受Ca2+/CaM调控的Ca2+/CaM-PK
          • 受IP3调控的PKB
          • 受丝裂原激活的蛋白激酶（MAPK）
        • 蛋白酪氨酸激酶（PTK）转导细胞增殖与分化信号
          • 酪氨酸磷酸化修饰的蛋白质大部分对细胞增殖有正向调节作用！
          • 部分膜受体有PTK功能，亦称受体酪氨酸激酶（RTK），在结构上均为单次跨膜蛋白质
            • 磷酸化的RTK募集含有SH2结构域的信号分子。
          • 细胞内有多种非受体型的PTK
            • SRC家族
            • ZAP70家族
            • TEC家族
            • JAK家族
            • 核内PTK
    • 信号转导蛋白
      • 信号转导蛋白通过蛋白质相互作用传递信号
        • G蛋白
          • 鸟苷酸结合蛋白
          • 三聚体G蛋白
            • 与7次跨膜受体结合，以α、β、γ亚基三聚体的形式存在于细胞质膜内。
            • α亚基（Gα）
              • 具有多个功能位点
                • 与受体结合并受其活化调节的部位
                • βγ亚基结合部位
                • GDP/GTP结合部位
                  • GDP / GTP 结合部位 非活化状态/活化状态
                • 与下游效应分子相互作用部位
              • α亚基具有GTP酶活性
            • β、γ亚基（Gβγ）
              • 主要作用是与α亚基形成复合体并定位于质膜内侧； 在哺乳细胞，其也可直接调节某些效应蛋白
          • 低分子量（21kD）G蛋白（小G蛋白）
            • 在细胞中还存在一些调节因子，专门控制小G蛋白活性。
            • Ras超家族
        • 衔接蛋白
        • 支架蛋白
        • 衔接蛋白和支架蛋白连接信号通路与网络
          • 蛋白质互作结构域介导信号通路中蛋白质的相互作用
          • 衔接蛋白连接信号转导分子
            • 衔接蛋白是信号转导通路中不同信号转导分子的接头，通过连接上游信号转导分子与下游信号转导分子而形成转导复合物。大部分衔接蛋白含有2个或2个以上的蛋白相互作用结构域。
          • 支架蛋白保证特异和高效的信号转导
            • 支架蛋白一般是分子量较大的蛋白质，可同时结合同一信号转导通路中的多个转导分子。
• 细胞受体介导的细胞内信号转导
  • 细胞内受体通过分子迁移传送信号
    • 位于细胞内的受体多为转录因子，与相应配体结合后， 能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。
  • 离子通道受体将化学信号转变为电信号
    • 1.离子通道受体，其开放或关闭直接收化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道。（配体，主要是神经递质） 2.离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位的改变——将化学信号转变为电信号，从而影响细胞功能。 3.典型的离子通道受体——N型乙酰胆碱受体。
    • 阳离子通道
      • 如，乙酰胆碱、谷氨酸、五羟色胺的受体。
    • 阴离子通道
      • 如，甘氨酸、γ-氨基丁酸的受体。
  • G蛋白偶联受体（GPCR）通过G蛋白和小分子信使介导信号转导
    • 1.七次跨膜α-螺旋受体 2.由一条多肽链组成，N端在胞外、C端在胞内 3.胞内C端可结合G蛋白，通过G蛋白传递信号 
    • G蛋白偶联受体介导的信号转导通路具有相同的基本模式
      • G蛋白循环
      • 活化的G蛋白的α亚基主要作用于生成或水解细胞内第二信使的酶， 如AC、PLC等效应分子，从而改变细胞内第二信使的浓度。
        • 依据是否激活AC， G蛋白的α亚基分为
          • αs（stimulate）
          • αi （inhibit）
        • 哺乳动物细胞中的 Gα亚基种类及效应
    • 不同G蛋白偶联受体可通过不同通路传递信号
      • cAMP-PKA途径
        • 胰高血糖素、肾上腺素、促肾上腺皮质激素等可以激活此通路。 
        • 主要特征
          • 改变靶细胞内cAMP浓度
          • PKA激活
            • PKA活化后
              • 调节代谢
                • 如： 激活糖原磷酸化酶激酶、激素敏感脂肪酶、胆固醇酯酶；抑制乙酰CoA羧化酶、糖原合酶。
              • 调节基因表达
                •  CREB：环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein）
              • 调节细胞极性
                • 通过磷酸化作用激活离子通道，调节细胞膜电位。
      • IP3/DAG-PKC途径
        • PKC通过将一些质膜受体、膜蛋白及多种酶磷酸化，参与多种生理功能的调节。 此外，PKC能使立早基因的转录调控因子磷酸化，加速立早基因的表达。 立早基因： 在受到一系列外界刺激后迅速并且短暂激活的基因，这些基因的激活不需要任何新蛋白的合成。 多数为细胞原癌基因（如c-fos），其表达产物经磷酸化修饰后，进一步活化晚期反应基因并促进细胞增殖。
        • ①促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿素、血管紧张素끄与受体结合后所激活的 G 蛋白可激活 PLC
          • 
        • ②PLC 水解膜组分 PIP2 ，生成 DAG 和IP3
        • ③IP3促进细胞钙库内的Ca2＋迅速释放，使细胞质内的Ca2＋浓度升高
        • ④Ca2＋与细胞质内的 PKC 结合并聚集至质膜。质膜上的 DAG 、磷脂酰丝 氨酸与Ca2＋共同作用于 PKC 的调节结构域，使 PKC 变构而暴露出活性中心
      • Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶途径(CaMKs)
        • 
        • G蛋白偶联受体至少可以通过三 种方式引起细胞内Ca2+浓度升高
          • 
          • 某些 G 蛋白可以直接激活细胞质膜上的 Ca 2＋通道
          • 通过 PKA 激活细胞质膜的 Ca2＋通道，促进 Ca 2＋流入细胞质
          • 通过 IP3 促使细胞质钙库释放Ca2+
        • 钙调蛋白依赖性蛋白激酶（Cal-PK） 属于Ser/Thr激酶，包括Cal-PKⅠ、Ⅱ、Ⅲ
          • Cal-PKⅡ可修饰激活突触蛋白Ⅰ、酪氨酸羟化酶、色氨酸羟化酶、骨骼肌 糖原合酶等，参与神经递质的合成与释放，以及糖代谢等多种细胞功能。
  • 酶偶联受体主要通过蛋白质修饰或相互作用传递信号
    • 
    • 蛋白激酶偶联受体介导的信号转导通路也具有相同的基本模式
      • 胞外信号分子与受体结合，导致第一个蛋白激酶被激活。
        • 受体与激酶 “偶联”有两种形式
          • 受体自身有蛋白激酶活性
          • 受体自身没有蛋白激酶活性，但可通 过蛋白质相互作用激活偶联的蛋白激酶
      • 通过磷酸化修饰，激活下游信号转导分子（如下游的蛋白激酶、代谢途径中的关键酶、转录调控因子等），产生生物学效应。
    • 几种常见的蛋白激酶偶联受体介导的信号转导通路
      • MAPK通路
        • MAPK，丝裂原活化蛋白激酶。是细胞的一类Ser/Thr氨酸蛋白激酶。 MAPK上游的两级信号转导分子也是蛋白激酶，称为MAPKK和MAPKKK。 MAPKK和MAPK本身也是磷酸化修饰而被激活。
        • 逐级磷酸化的级联激活反应
          • 细胞受到生长因子或其他因素刺激时，其上游信号转导分子被依次活化，将MAPKKK激活，MAPKKK通过磷酸化修饰激活MAPKK，后者再修饰激活MAPK，从而形成逐级磷酸化的级联激活反应。 
        • 哺乳动物细胞 重要的MAPK亚家族
          • 细胞外调节激酶（ERK）
            • 生理功能：参与细胞增殖与分化的调控，多种生长因子受体、营养相关因子受体等都需要ERK的活化来完成信号转导过程。 如，表皮生长因子受体介导的信号转导过程： 
            • ERK途径——Raf-MEK-MAPK级联反应——Raf-MEK-ERK 【MAPKKK-MAPKK-MAPK】
          • c-Jun N-末端激酶（JNK）
            • 生理功能：细胞对各种应激原诱导的信号进行转导的关键分子，参与细胞对辐射、渗透压、温度变化等的应激反应。
            • JNK途径——MEKK-JNKK-JNK 【MAPKKK-MAPKK-MAPK】
          • p38
            • 生理功能：介导炎症、凋亡等应激反应。
            • p38-MAPK的级联激活过程——ASK1-NKK3/MKK6-p38【MAPKKK-MAPKK-MAPK】
      • JAK-STAT通路
      • Smad通路
      • PI3K通路
      • NF-κB通路
• 细胞信号转导的基本规律
  • 信号的传递和终止涉及许多双向反应
  • 细胞信号在转导过程中被逐级放大
  • 细胞信号转导途径既有通用性又有专一性
  • 细胞信号转导途径具有多样性
    • 一种细胞外信号分子可通过不同信号转导途径影响不同细胞
    • 受体与信号转导途径有多样性组合
    • 一种信号转导分子不一定只参与一条途径的信号转导
    • 一条信号转导途径中的功能分子可影响和调节其他途径
      • Ras/MAPK途径可调节Smad途径
      • 蛋白激酶C可调节蛋白质酪氨酸激酶系统
    • 不同信号转导途径可参与调控相同的生物学效应
• 细胞信号转导异常与疾病
  • 意义
    • 对发病机制的深入认识
    • 为新的诊断和治疗技术提供新靶位
  • 信号转导异常可发生在两个层次
    • 受体功能异常
      • 受体异常激活
        • eg. ERB-B癌基因表达的变异型EGF受体缺乏胞外 与配体结合的区域，包内区域却处于持续激活状态。
          • 
      • 受体异常失活
        • eg. 基因突变导致胰岛素受体结构异常、数量减少、 与配体亲和力降低，受体均不能正常传递胰岛素信号
    • 信号转导分子功能异常
      • 细胞内信号转导分子异常激活
        • 
        • ●三聚体G蛋白的α亚基由于基因突变导致其失去GTP酶活性，使其持续激活。
          • eg. 霍乱毒素A亚基进入小肠上皮细胞后。可直接结合G蛋白α亚基，将其ADP-核糖基化，使其持续激活，进而持续激活AC，使cAMP上调，cAMP作用于细胞膜离子通道，使胞内离子和水分大量外流，腹泻、脱水。
        • ●小G蛋白Ras也可由于基因突变导致其GTP酶活性降低，使其持续处于活化状态。
      • 细胞内信号转导分子异常失活
        • eg. 遗传性甲状旁腺素低下疾病中，甲状旁腺素信号途径中G蛋白由于基因突变，α亚基缺失了N端的59个氨基酸残基，从而使G蛋白不能向下游传递信号。
  • 信号转导异常可导致疾病发生
    • 细胞获得异常功能或表型
      • 细胞获得异常的增殖能力，如，肿瘤
      • 细胞的分泌功能异常，如，肢端肥大症，巨人症
      • 细胞膜通透性改变，如，霍乱毒素
    • 细胞正常功能缺失
      • 失去正常的分泌功能，如，甲状腺功能减退
      • 失去正常的反应性，如，心肌收缩功能不足
      • 失去正常的生理调节功能，如，胰岛素受体异常
        • 
    • 细胞信号转导分子是重要的药物作用靶位
      • 信号转导分子的激动剂和抑制剂是信号转导药物研究的出发点，尤其是各种蛋白激酶抑制剂更是被广泛用作母体药物进行抗肿瘤新药的研发。
      • 信号转导药物自身对信号转导分子的选择性越高，副作用就越小
      • 信号转导干扰药物所干扰的信号转导途径 在体内不应广泛存在，否则其副作用很难控制
• 信号转导
  • 细胞对来自外界的刺激或信号发生反应，通过细胞内多种分子相互作用引发一系列有序反应，将细胞外信息传递到细胞内，并据以调节细胞代谢、增殖、分化、功能活动和凋亡的过程。
• 细胞通讯
  • 在多细胞生物中，细胞间或细胞内高度精确和高效地发送与接收信息，并通过放大机制引起快速的细胞生理反应