Department of Biochemistry and Molecular Biology,吴元明,生物化学与分子生物学教研室,生物通讯与细胞信号 转导的分子机制,内 容,第一节 细胞通讯 第二节 细胞信号转导的分子机制 第三节 不同受体介导的细胞信号转导通路 第四节 细胞信号转导与医学,信号,受体,网络,应答,（细胞外信号）,（细胞内的多种 分子的浓度、活 性、位置变化）,信号通路的重要分子开关,蛋白激酶与蛋白磷酸酶 Protein Kinase and Protein Phosphatase GTP结合蛋白 GTP Binding Protein,（Molecular Switchs）,GTP结合蛋白，简称G蛋白，是一类非常重要的细胞信号转导途径中的分子开关 结合GTP-活化形式、开放 结合GDP-非活化形式、关闭 分子内含GTP酶活性,GTP结合蛋白及其调节分子,GTP结合蛋白异源三聚体 低分子量G蛋白,G蛋白的主要类型,small G protein,肾上腺素,糖原分解增加,肾上腺素,GTP Effect,GTP 为腺苷酸环化酶活化所必需,G蛋白,一类和GTP或GDP结合，位于胞膜胞浆面的外周蛋白，具有信号转导功能,由三个亚基组成（, , ）,非活化形式,活化形式,GTP结合蛋白异源三聚体,G protein activation,G蛋白多样性,11,GTP结合蛋白异源三聚体 低分子量G蛋白,G蛋白的主要类型,GTP结合形式为活性形式，GDP结合 形式为非活性形式,低分子量G蛋白,21-30 kDa, 称为Ras超家族,现有50多种,具有GTP酶活性,13,GAP,GTPase activating protein GTPase 激活蛋白,SOS,Guanidine exchange factor 鸟苷酸交换因子（GEF）,On,GTP,off,GDP,GAP,调节Ras蛋白活性的因子,Ras,Ras,SOS,GAP,第二节 细胞信号转导的分子机制,细胞如何接受外源信号,参与信号转导的分子种类,信号转导通路的分子开关,信号转导复合物、转录因子,15,蛋白复合物 protein complexes or clusters,是细胞信号转导分子共同构成的基本工作场所 是信号转导过程特异性和精确性的保证 是网络性调控的基础,signalosomes、 transducisomes、signal complex、signal cassettes、signaling modules,16,转录调控复合物,17,蛋白相互作用是信号转导复合物形成的基础,蛋白相互识别的结构基础,蛋白相互作用结构域,蛋白复合物的重要结构蛋白,衔接蛋白 adapter protein 支架蛋白 scaffold protein,18,目前已经确定的结合结构域已经超过40个,蛋白相互识别结合结构域,无催化活性 存在于多种分子 介导信号转导分子的相互识别和结合,Protein interaction domain,19,The SH2 Domain,Src-SH2,Src homology domain 2,pYEEI,20,The SH3 Domain,Class 1 RKXXPXXP Class 2 PXXPXR,Src homology domain 3,信号转导分子中蛋白相互作用结构域,22,蛋白质相互作用结构域,蛋白相互作用结构域及其识别模体,24,蛋白相互作用是信号转导复合物形成的基础,蛋白相互识别的结构基础,蛋白相互作用结构域,蛋白复合物的重要结构蛋白,衔接蛋白 adapter protein 支架蛋白 scaffold protein,Grb2,SH3,SH2,SH3,衔接蛋白（Adaptor Protein）,发挥作用的基础是结合结构域，此外几乎不含有其它的序列,不具有催化活性,功能是作为不同蛋白质相互作用的接头，募集和组织信号转导复合物,2019/2/14,26,支架蛋白,将位于同一反应体系内的多种蛋白分子结合在一起的大分子蛋白,第二节 细胞信号转导的分子机制,细胞如何接受外源信号,参与信号转导的分子种类,信号转导通路的分子开关,信号转导复合物、转录因子,具有正调控作用的转录因子,组成型,可调控型,发育相关,信号依赖,固醇类受体超家族,细胞内信号活化,潜在细胞质内转录因子,细胞膜受体活化,细胞核内转录因子,NF-kB 将信号转导至细胞核内,第三节 受体介导的信号通路,胞内受体介导的信号转导,膜受体介导的信号转导,胞内受体介导的信号转导,细胞内受体多属于转录因子,配体多为固醇类激素、维甲酸和甲状腺素等,形成激素-受体复合物，调节某些基因的转录,核受体结构,高度可变区：转录激活 DNA结合区：具有锌指结构，与DNA结合 激素结合区：与配体结合，使受体二聚化，转录激活 铰链区： 与转录因子结合，触发受体向核内移动,核受体结构及作用机制示意图,DNA分子上能与激素下游分子(转录因子）结合的特征性的核苷酸序列,激素反应元件 （hormone response element, HRE）,第三节 受体介导的信号通路,胞内受体介导的信号转导,膜受体介导的信号转导,离子通道型受体及其信号转导 G蛋白偶联型受体及其信号转导 单跨膜受体介导的信号转导,膜受体介导的信号转导,离子通道型膜受体,离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，它们的开放或关闭直接受化学配体的控制，被称为配体-门控受体通道（ligand-gated receptor channel）。 配体主要为神经递质。,乙酰胆碱受体的结构与其功能,离子通道受体信号转导作用：,改变细胞膜电位，引起细胞去极化或超极化。 离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和-氨基丁酸的受体。,离子通道型受体及其信号转导 G蛋白偶联型受体及其信号转导 单跨膜受体介导的信号转导,膜受体介导的信号转导,G蛋白偶联型受体,G蛋白偶联受体（GPCR）得名于这类受体的细胞内部分总是与异源三聚体G蛋白结合，受体信号转导的第一步反应都是活化G蛋白。,GPCR是七跨膜受体（serpentine receptor）,（一）G蛋白的活化启动信号转导,信号转导途径的基本模式 ：,配体+受体,G蛋白,效应分子,第二信使,靶分子,生物学效应,G蛋白循环,（二）G蛋白偶联受体通过G蛋白-第二信使-靶分子发挥作用,活化的G蛋白的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（effector），改变它们的活性，从而改变细胞内第二信使的浓度。 可以激活AC的G蛋白的亚基称为s（s 代表stimulate）；反之，称为i（i代表inhibit）。,哺乳动物细胞中的G亚基种类及效应,（三）胰高血糖素受体通过AC-cAMP-PKA通路转导信号,利用AC-cAMP-PKA转导信号的部分化学信号,（四）血管紧张素II 受体通过PLC-IP3/DAG-PKC通路介导信号转导,血管紧张素II（Angiotensin II）受体亦属于G蛋白偶联受体，但是偶联的G蛋白的亚基为q，通过PLC-IP3/DAG-PKC通路发挥效应。,利用PLC-IP3/DG-PKC转导信号的部分化学信号,此外，由于G蛋白亚型的不同，形成多种其他通路和效应，如PDE-cGMP-Na+通道信号转导通路、PLC-IP3-Ca2+/CaM-PK信号转导通路等。,离子通道型受体及其信号转导 G蛋白偶联型受体及其信号转导 单跨膜受体介导的信号转导,膜受体介导的信号转导,单次跨膜受体,通过蛋白质分子的相互作用激活细胞内蛋白激酶,酶偶联受体指那些自身具有酶活性，或者自身没有酶活性，但与酶分子结合存在的一类受体。 这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白，亦称为单跨膜受体。 酶偶联受体种类繁多，但是以具有PTK活性和与PTK偶联的受体居多。,单次跨膜受体,具有各种催化活性的受体,（一）RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路,表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）是一个典型的受体型PTK。 RasMAPK途径是EGFR的主要信号通路之一。,EGFR介导的信号转导过程,（二）JAK-STAT通路转导白细胞介素受体信号,干扰素、大部分白细胞介素（interlukin, IL）受体属于酶偶联受体。,通过JAK（Janus Kinase）-STAT（signal transducer and activator of transcription）通路转导信号。 细胞内有数种JAK和数种STAT的亚型存在，分别转导不同的白细胞介素的信号。,白介素介导的信号转导通路,（三）NF-B是重要的炎症和应激反应信号分子,NF-B是一种几乎存在于所有细胞的转录因子，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长抑制等过程。,肿瘤坏死因子受体（TNF-R）、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-B（nuclear factor-B，NF-B）通路。,NF-B 信号转导通路,转化生长因子（transform growth factor , TGF）受体。,属于单次跨膜受体，自身具有蛋白丝氨酸激酶催化结构域。 受体活化后通过信号分子Smad介导的途径调节靶基因转录，影响细胞的分化。 细胞内有数种Smad存在，参与TGF家族不同成员（如骨形成蛋白等）的信号转导。,（四）TGF受体是蛋白丝氨酸激酶,TGF 受体介导的信号转导通路,三种膜受体的特点,66,信号迅速发生和迅速终止 细胞信号转导过程具有级联放大效应 细胞信号转导通路存在通用性和特异性 不同信号转导通路间具有交叉联系,细胞信号转导过程的基本规律,67,放大,1个信号分子,受体,每个活化受体激活多个Gs分子, 释放出a亚基,在一般时间里激 活一个腺苷酸环化酶,Gs蛋白a亚基,活化腺苷酸环化酶,每个活化腺苷酸环化酶产生 多许cAMP分子,cAMP分子激活PKA,每个PKA分子使许多酶分子 磷酸化活化,每个酶分子产生 许多产物分子,酶X产物,放大,放大,放大,cAMP,PKA,酶X,68,第四节 细胞信号转导与医学,一、 细胞信号转导异常与疾病 二、 信号转导药物,69, 从单一分子、单一通路研究向规模化研究发展,细胞信号转导研究趋势, 从定性研究向定量研究发展 从单纯生物学实验研究向计算机模拟研究的发展 从体外研究向体内研究的发展 从基础研究向应用研究的发展,