细胞生物学细胞信号传导.pptx

第八章细胞信号转导,生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。,单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，以协调不同细胞的行为，如①调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放；③调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段；④控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞；⑤影响细胞的存活。,第一节细胞信号转导概述一、细胞通讯（Cellcommunication）细胞通讯cellcommunication是指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。（一）细胞通讯的方式1、细胞通讯可概括为三种方式①通过分泌化学信息进行相互通讯；②细胞间接触性依赖的通讯（细胞直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞）③通过细胞间隙连接的细胞通讯。,2、通过分泌化学信息进行相互通讯作用方式（BySecretedSignalMolecule）化学通讯是间接的细胞通讯，指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。根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类1内分泌（endocrine）内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。其特点是①低浓度，仅为10-8-10-12M；②全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；③长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。,2旁分泌（paracrine）细胞分泌的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（如NO）3突触信号发放神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。4自分泌（autocrine）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。如大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和rasp21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。,化学通讯类型,,通过分泌信号分子进行胞间通讯的几种方式,相同信号分子在不同靶细胞上诱导不同的反应,,细胞内信号转导蛋白通过磷酸化去磷酸化调控活性的两种方式,不同种类的胞外信号分子与不同种类受体结合,3、细胞间接触性依赖的通讯（Contact-dependentSignaling）依赖细胞间的直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞。细胞间接触性依赖的通讯是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cellrecognition）。可分为①同种同类细胞间的识别，如胚胎分化过程中神经细胞对周围细胞的识别，输血和植皮引起的反应可以看作同种同类不同来源细胞间的识别；②同种异类细胞间的识别，如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别；③异种异类细胞间的识别，如病原体对宿主细胞的识别，④异种同类细胞间的识别，仅见于实验条件下。,细胞间接触性依赖的通讯方式,4、通过细胞间隙连接的细胞通讯（ByGapJunction）通过细胞间隙连接的细胞通讯是细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。允许小分子物质如Ca2、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。,间隙连接的通讯方式,小结细胞通讯（cellcommunication）,一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应的反应。细胞间的通讯对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能，控制细胞的生长、分裂、分化和凋亡是必须的。●细胞通讯方式分泌化学信号进行通讯内分泌（endocrine）旁分泌（paracrine）自分泌（autocrine）化学突触（chemicalsynapse）接触性依赖的通讯细胞间直接接触，信号分子与受体都是细胞的跨膜蛋白间隙连接实现代谢偶联或电偶联,（二）细胞识别（CellRecognition）细胞识别cellrecognition是指细胞通过其表面的受体与胞外信号物质分子（或配基）选择性地相互作用，从而导致胞内一系列生理生化变化，最终表现为细胞整体的生物学效应的过程，细胞识别是细胞通讯的一个重要环节。多细胞生物有机体中有3种识别系统抗原一抗体的识别，酶与底物的识别，细胞间的识别。第三类包括通过细胞表面受体与胞外信号分子的选择性相互作用，从而导致一系列的生理生化反应的信号传递。无论是哪一种识别系统，都有一个共同的基本特性，就是具有选择性，或是说具有特异性。,细胞识别可以发生在分子水平和细胞水平A、分子水平的识别,B、细胞之间的识别1．同种同类细胞间的识别低等动植物细胞聚集，如团藻、海绵。高等动物胚胎发育与分化凝血反应皮肤创伤，靠血小板识别凝集。体外培养细胞的接触抑制。2．同种异类细胞间的识别1）单细胞生物有性接合从细菌到原生动物普遍存在，例如E.coli中有♀、♂菌株，接合发生在♀、♂菌株之间，这种有性接合需要通过细胞表面抗原识别；衣藻有性接合，识别发生在鞭毛上。2）动物受精海胆体外受精，精子与卵子识别,3）高等植物受精花粉表面蛋白与柱头表面受体识别。同种花粉可以被识别并萌发，异种花粉即使长出花粉管，亦不能穿过柱头进入子房，保证植物物种的稳定性。4）免疫细胞主要有B细胞、T细胞、单核巨噬细胞等。B细胞分泌抗体，T淋巴细胞协助，免疫细胞相互合作，共同御敌。3．异种异类细胞间的识别包括各种生物之间的入侵、寄生、互生、共生关系。1）病毒、细菌、病原虫对动植物及人体的侵染例如，艾滋病毒只感染人与大猩猩，不侵染其他动物，表现出专一性选择；噬菌体只侵染细菌。2）共生、互生过程中的识别根瘤菌豆科植物；根癌农杆菌双子叶植物4．异种（体）同类细胞间的识别1）输血血型不同，抗原不同，输血必须解决抗原抗体问题，否则出现溶血现象。2）器官移植进行器官移植，必须解决物种抗原和组织抗原的排异问题。,识别反应细胞识别引起的细胞反应，大致有3种类型内吞、细胞粘着和信号反应。红细胞衰老并被脾脏细胞吞噬是细胞识别后引起吞噬反应的典型例子。红细胞膜中糖脂的糖基除了与血型有关外，还决定着红细胞的寿命。血型糖蛋白含有大量的唾液酸，糖链末端唾液酸的存在状况与红细胞的寿命相关，可作为被吞噬的信号。识别后的第二种反应则是发生粘着，包括细胞同细胞外基质的粘着以及细胞与细胞的动着。进一步发展就成为细胞连接。识别后的第三种反应就是引起信号转导，发生一系列的生理生化反应，使细胞更好地适应环境。,细胞识别是通过各种不同的信号通路实现的。信号通路（signalingpathway）细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应，这种反应系列称之为细胞信号通路。,（三）信号分子（SignalMolecule）1、生物细胞所接受的信号既可以使物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。2、从化学结构来看细胞信号分子包括短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。,3、从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。4、从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondarymessenger）。,一些信号分子举例,,一些信号分子举例,目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。NO气体性信号分子，能进入细胞直接激活效应酶，参与许多生理或病理过程，成为人们所关注的“明星分子”。,NO在导致血管平滑肌舒张中的作用,（四）配体与受体（Ligand②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。与G蛋白偶联受体相比，酶连受体信号转导的反应比较慢通常要几小时，并且需要许多细胞内的转换步骤。酶连受体的共同点是①通常为单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。,一、受体酪氨酸激酶（RTKs/ReceptorTyrosineKinases）及RTK-Ras蛋白信号通路1、酪氨酸激酶分三大类①胞质酪氨酸激酶如Src、Tec、ZAP70、JAK；②核内酪氨酸激酶如Abl、Wee；③受体酪氨酸激酶（RTKs）为单次跨膜蛋白，配体（如表皮生长因子EGF受体）与受体结合，导致二聚化，二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基。已发现50多种不同的RTKs，主要的几种类型包括表皮生长因子（EGF）受体、血小板生长因子（PDGF）受体、神经生长因子（NGF）受体、成纤维细胞生长因子（FGF）受体、胰岛素受体等。,2、受体酪氨酸激酶（RTKs）结构特点由三个部分组成的含有配体结合位点的细胞外结构域、单次跨膜的疏水α螺旋区、含有酪氨酸蛋白激酶RTK活性的细胞内结构域。3、受体酪氨酸激酶的激活受体酪氨酸激酶的激活是一个相当复杂的过程，大多数受体都要先由两个单体形成一个二聚体，并在细胞内结构域的尾部磷酸化，然后在二聚体的细胞内结构域装配成一个信号转导复合物。受体酪氨酸激酶（receptorproteintyrosinekinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点。,受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化,生长因子结合诱导的受体二聚化和自磷酸化,酪氨酸激酶受体信号转导,4、信号分子间的识别结构域①SH2结构域（SrcHomology2结构域）介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子如自磷酸化后的RTKs的结合。②SH3结构域（SrcHomology3结构域）介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白分子的结合。5、受体酪氨酸激酶（RTK）介导的信号途径受体酪氨酸激酶介导的信号途径主要有RTK-Ras信号途径、PI3K信号途径、磷脂酰肌醇信号途径等。,（1）RTK-Ras信号途径（RTK-RasSignalingPathway）可概括如下配体→受体酪氨酸激酶RPTK→adaptor→GEF→原癌基因蛋白Ras→激活丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶Raf（MAPKKK）→激活蛋白激酶MAPKK→激活蛋白激酶MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。Ras蛋白是原癌基因c-ras的表达产物，系单体GTP结合蛋白，具有弱的GTP酶活性。其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节，起分子开关的作用。,Ras信号通路,活化的PKC和Ras蛋白的激酶磷酸化级联反应,AdditionRas蛋白与恶性肿瘤RTK-Ras信号通路的信号分子多为生长因子，即其最终的细胞应答反应多为刺激细胞增殖或控制细胞分化。研究表明30％的恶性肿瘤与ras基因（是原癌基因）突变有关，因为突变的Ras蛋白能够与GTP结合，但不能将其水解，所以Ras蛋白被组成型活化，被锁定在“活化”状态，引起细胞赘生性转化、增殖。,二、细胞表面其他酶连受体（一）受体丝氨酸/苏氨酸激酶（ReceptorSer/ThrKinases）受体丝氨酸/苏氨酸激酶的主要配体是转化生长因子-βs（transinggrowthfactor-βs，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。,（二）受体酪氨酸磷酯酶（receptortyrosinephosphatases）受体酪氨酸磷酯酶（receptortyrosinephosphatases）为单次跨膜蛋白受体，受体胞内区具有蛋白酪氨酸磷酯酶的活性，胞外配体与受体结合激发该酶活性，使特异的胞内信号蛋白的磷酸酪氨酸残基去磷酸化，其作用是控制磷酸酪氨酸残基的寿命，使静止细胞具有较低的磷酸酪氨酸残基的水平。它的作用不是简单的与RPTK相反，可能与酪氨酸激酶一起协同工作，如参与细胞周期调控。白细胞表面的CD45属这类受体，对具体配体的尚不了解。,（三）受体鸟苷酸环化酶（Receptorguanylatecyclase）受体鸟苷酸环化酶分布在肾和血管平滑肌细胞表面，配体为心房排钠肽（atrialnatriureticpeptide，ANP）或BNP。当血压升高时，心房肌细胞分泌ANP，促进肾细胞排水、排钠，同时导致血管平滑肌细胞松弛，结果使血压下降。受体鸟苷酸环化酶信号途径为配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G（PKG）→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。,（四）酪氨酸蛋白激酶联系的受体（Tyrosinekinaseassociatedreceptor）包括各类细胞因子（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），其活性依赖于非受体酪氨酸激酶（NonreceptorTyrKinases）。受体分两大家族一是与Src蛋白家族相联系的受体；二是与Janus激酶（JAK）家族联系的受体。,三、细胞表面整联蛋白介导的信号转导（SignalingbyIntegrin）正常细胞与恶性细胞的一个明显的差别是恶性细胞能够在培养条件下不需要整联蛋白EMC成分就能附着到培养器皿上，而正常组织的细胞离体培养，若不加整联蛋白EMC成分则不能贴壁生长。另外正常细胞在悬浮培养中也不能生长、分裂，必须依赖于细胞表面和整联蛋白EMC之间建立接触，因为正常细胞需要互相接触，相互传递生长和分裂的信号。,1、整联蛋白integrin整联蛋白integrin不仅介导细胞附着到EMC，更重要的是提供了一种细胞外环境调控细胞内活性的途径。整联蛋白Integrin的胞外结构域与胞外配体相互作用，可产生多种信号，如Ca2释放进入细胞质基质、肌醇第二信使的合成、酪氨酸残基的磷酸化等。这些信号影响到细胞生长、迁移、分化乃至生存。所以，正常细胞不能悬浮培养，因为细胞丧失接受必要的生长促进信号。,2、粘着斑粘着斑是细胞与细胞外基质形成的大分子复合体，含有成簇的整联蛋白、细胞质蛋白和成束的称做应力丝的肌动蛋白纤维。粘着斑具有两大功能1通过肌动蛋白纤维形成的网络起机械结构的作用2信号转导作用。,3、通过粘着斑由整联蛋白介导的信号传递（1）由细胞表面到细胞核的信号通路Src将FAK磷酸化，磷酸化的FAK与Grb2-Sos连接起来，然后去激活Ras，将信号沿MAP激酶途径进行转导，信号最后可进入细胞核，激活与生长和增殖相关基因的转录。（2）由细胞表面到核糖体的信号通路；Src→FAK→PI3K→PI3,4P2PI3,4,5P3→p70s6k→进入核糖体磷酸化S6蛋白→特定mRNA的翻译→影响细胞质的代谢和蛋白质合成。,细胞表面整联蛋白介导的信号传递,第五节信号的整合与控制,通过信号转导和传递，细胞作出相应反应叫应答。但细胞得到的不是单一信号，而是错综复杂的信号网，细胞将来自不同通路的信息综合处理（整合），作出应答。一个细胞生理现象的发生受多种信息的综合作用。,不同信号转导途径的趋同、趋异和窜扰,信号的趋同,信号的趋异,信号转导途径间的窜扰,一、细胞对信号的整合（一）细胞对信号反应表现发散性或收敛性特征1、信号的强度或持续的时间不同控制反应的性质。例如培养的细胞系PC12，在有神经生长因子（NGF）的情况下分化为神经元，在有表皮生长因子（EGF）的情况下分化为脂肪细胞；但如果延长生长因子剌激时间强化表皮生长因子（EGF）信号强度，则引起神经元分化。原因是虽然神经生长因子（NGF）和表皮生长因子（EGF）都是RTK的配体，但神经生长因子（NGF）是Ras-MAP激酶信号转导通路更强的激活因子，表皮生长因子（EGF）受体只有延长剌激后才可能激活这条信号通路。,2、在不同的细胞中，由于有不同的转录因子组分，同样的受体其下游的通路是不同的。例如线虫，表皮生长因子（EGF）信号在不同的细胞中至少诱发5种不同的反应，其中4种反应是由相同的Ras-MAP激酶信号通路介导，但第5种反应涉及雌雄同体的排卵作用则利用一种不同的下游途径，第二信使是IP3，诱导储存的Ca2释放，使细胞基质中Ca2水平增高，引发排卵。,3、整合信号会聚其他信号途径的输入修正细胞对信号的反应。①细胞对来自各种非相关信号进行会聚、收敛成激活一个共同的效应器，引起细胞生理、生化反应和细胞行为的改变。②细胞对来同一配体的信号进行发散，激活不同的效应器，表现出细胞信号转导的发散性特征。,（二）蛋白激酶的网络整合信息细胞从环境中得到的不是单一的信号，细胞最后作出的应答也是综合性的。细胞内的信号接收和处理系统相当于神经细胞的网络或计算机的微处理器，破译信息，作出综合反应，表现出细胞特定的生理功能。,二、细胞对信号的控制1、细胞对外界信号作出适当反应，包括两个同等重要的方面①信号的有效剌激和启动；②信号的解除和终止（细胞使受体脱敏）。2、当细胞长期暴露在某种形式的剌激下，细胞对剌激的反应会降低或终止。原因①逐渐降低细胞表面受体的数目，游离受体的减少降低细胞对外界信号的敏感性。②快速使受体本身脱敏，降低受体和配体的亲和力，降低受体对胞外微量配体的敏感性。受体脱敏通常是源于受体被磷酸化或受体与其它蛋白结合，或二者同进发生。③受体在已被激活的情况下，其下游信号蛋白发生变化，使通路受阻，或者形成的受体-配体复合物不能诱导正常的细胞反应。,