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信号通路SignalPathway报告人:张逸凡2011年8月18日报告内容•信号通路概述•昆虫中重要的信号通路1.信号通路（signalpathway）概述•高度精确和高效的接受信息的机制完成细胞间的信号传递（signaltransduction）的过程成为细胞通讯（cellcommunication）•生物体的信号分子（signalingmolecule）和受体（receptor）种类繁多，细胞内的信息传递是由一个复杂的蛋白质网络系统——信号通路（signalpathway）组成的。•信号通路指能将细胞外的分子信号经细胞膜传入细胞内发挥效应的一系列酶促反应通路。•这些细胞外的分子信号（称为配体，ligand）包括激素、生长因子、细胞因子、神经递质以及其它小分子化合物等。•细胞间的信息传递是跨膜的信号转导，通常包括包括以下步骤：•特定的细胞释放信号分子信号分子经扩散或血循环到达靶细胞与靶细胞受体特异性结合受体对信号进行转换并启动靶细胞内信号系统靶细胞产生生物学效应细胞信号分子•生物细胞所接受的信号既可以是物理信号（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。•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。受体•受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白。•一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。•受体与配体间的作用具有三个主要特征：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellularreceptor）和细胞表面受体（cellsurfacereceptor）。蛋白激酶•蛋白激酶是一类磷酸转移酶。•在信号转导中主要作用有两个方面：其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。胞间通信的主要类型•细胞间隙连接（gapjunction）•膜表面分子接触通讯•化学通讯•一是当信号分子是胆固醇等脂质时，它们可以轻易穿过细胞膜，在细胞质内与目的受体相结合；•一是当信号分子是多肽时，它们只能与细胞膜上的蛋白质等受体结合，这些受体大都是跨膜蛋白，通过构象变化，将信号从膜外domain传到膜内的domain，然后再与下一级别受体作用，通过磷酸化等修饰化激活下一级别通路。1.2信号通路分类当配体特异性地结合到细胞膜或细胞内的受体后，在细胞内的信号又是如何传递的呢？细胞内各种不同的生化反应途径都是由一系列不同的蛋白组成的，执行着不同的生理生化功能。各个信号通路中上游蛋白对下游蛋白活性的调节（包括激活或抑制作用）主要是通过添加或去除磷酸基团，从而改变下游蛋白的立体构象完成的。所以，构成信号通路的主要成员是蛋白激酶和磷酸酶，它们能够快速改变和恢复下游蛋白的构象。从细胞受体接收外界信号到最后做出综合性应答，不仅是一个信号转导过程，更重要的是将外界信号进行逐步放大的过程。受体蛋白将细胞外信号转变为细胞内信号，经信号级联放大、分散和调节，最终产生一系列综合性的细胞应答，包括下游基因表达的调节、细胞内酶活性的变化、细胞骨架构型和DNA合成的改变等。这些变化并非都是由一种信号引起的，也可以通过几种信号的不同组合产生不同的反应。1.3膜表面受体介导的信号传导•离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）•G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）•酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。1.3.1离子通道型受体离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。离子通道型受体乙酰胆碱受体结构模型1.3.2G蛋白耦联型受体三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用。G蛋白分子开关•由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。1.3.2.1cAMP信号途径•在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。Gs（活化型调节蛋白）调节模型反应链可表示为：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录Gi（抑制型调节蛋白）调节模型•Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化1.3.2.2磷脂酰肌醇途径•在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（doublemessengersystem）。1.3.3酶耦联型受体•酶偶联型受体（enzymelinkedreceptor）分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。这类受体的共同点是：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。•已知六类：①受体酪氨酸激酶；②酪氨酸激酶连接的受体；③受体酪氨酸磷脂酶；④受体丝氨酸/苏氨酸激酶；⑤受体鸟苷酸环化酶；⑥组氨酸激酶连接的受体。1.4胞内受体介导的信号传导•细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。胞内受体•在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。配体（如皮质醇）与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，位于中部富含Cys、具有锌指结构的DNA或Hsp90结合位点，以及位于N端的转录激活结构域。•甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内•NO是另一种可进入细胞内部的信号分子，能快速透过细胞膜，作用于邻近细胞。R．Furchgott等三位美国科学家因发现NO作为信号分子而获得1998年诺贝尔医学与生理学奖。2.昆虫（果蝇）中重要的信号通路•Notch信号通路•JAK-STAT信号通路•Hedgehog信号•PI3-AKT信号通路•Wnt信号通路2.1Notch信号通路20世纪初期，Morgan及其同事在果蝇中发现了Notch基因，部分功能缺失导致翅缘缺刻（notches）。Notch缺陷引起果蝇翅缘缺刻在胚胎发育中，当上皮组织的前体细胞中分化出神经元细胞后，其细胞表面Notch配体Delta与相邻细胞膜上的Notch结合，启动信号途径，防止其它细胞发生同样的分化，这种现象叫作侧向抑制（lateralinhibition）。Notch突变的半合子或纯合子在胚胎期死亡，其胚胎中神经组织取代了上皮组织从而使神经组织异常丰富。Notch信号通路的重要分子•Notch受体Notch基因编码一种膜蛋白受体，Notch受体是一个相对分子量约为30000的I型膜蛋白，由胞外亚基和跨膜亚基组成，亚基之间通过Ca2+依赖的非共价键结合形成异源二聚体。•Notch配体为I型跨膜蛋白，果蝇Notch配体有2个同源物Delta和Serrate，线虫的Notch配体为Lag2，故又称Notch配体为DSL蛋白。•Notch通路的下游分子主要包括转录因子CBF/RBp-Jk和调节的靶基因E(spl)/HES以及BLBp等。•TACE（肿瘤坏死因子-a-转化酶）•NICD/ICNNotch信号传递•Notch相对于其他信号通路结构较简单，没有第二信使的参与。•Notch及其配体均为单次跨膜蛋白，当配体和相邻细胞的Notch结合后，Notch被蛋白酶体切割，释放出具有核定位信号的胞质区ICN（intracellulardomainofNotch），进入细胞核与CLS结合，调节基因表达。可概括为：Delta→Notch→酶切→ICN→进入细胞核→CLS-ICN复合体→基因转录。Notch信号通路Notch信号通路的功能•Notch信号通路的功能最初是在果蝇神经系统发育的研究中发现。•发育早期细胞Notch及其配体表达的细微差别在发育过程中被逐渐放大，从而决定了细胞的不同分化方向。•果蝇中胚层、生殖细胞、感觉器官等的正常发育与形成都有赖于Notch介导的分化抑制。2.2JAK-STAT信号通路•JAK-STAT通路是近年来发现的一条由细胞因子刺激的信号转导通路。•最早在果蝇中被鉴定是由于其在胚胎卵裂中的作用，参与细胞的增殖、分化、凋亡以及免疫调节等许多重要的生物学过程。JAK-STAT信号通路的重要分子•酪氨酸激酶相关受体（tyrosinekinaseassociatedreceptor）特点是受体本身不具有激酶活性，但胞内段具有酪氨酸激酶JAK的结合位点。受体与配体结合后，通过与之相结合的JAK的活化，来磷酸化各种靶蛋白的酪氨酸残基以实现信号从胞外到胞内的转递。•酪氨酸激酶JAK（Januskinase）JAK既能磷酸化与其相结合的细胞因子受体，又能磷酸化多个含特定SH2结构域的信号分子。JAK蛋白家族共包括4个成员：JAK1、JAK2、JAK3以及Tyk2，它们在结构上有7个JAK同源结构域（JAKhomologydomain，JH），其中JH1结构域为激酶区、JH2结构域是“假”激酶区、JH6和JH7是受体结合区域。•转录因子STAT（signaltransducerandactivatoroftranscription）在信号转导和转录激活上发挥了关键性的作用。JAK-STAT信号通路信号传递过程①细胞因子与其相应配体结合；②受体和JAKs发生聚集，邻近的JAKs相互磷酸化而被活化；③JAKs的JH1结构域催化STATs上相应部位的酪氨酸残基磷酸化，同时STATs的SH2功能区与受体中磷酸化的酪氨酸残基作用而使TATs活化；④STATs进入核内同其他一些转录因子相互作用从而调控基因转录。2.3Hedgehog信号通路•Hedgehog是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白，在动物发育中起重要作用。•果蝇的该基因突变导致幼虫体表出现许多刺突，形似刺猬，故名Hedgehog。Hedgehog信号通路中的重要分子•两个跨膜蛋白Patched（Ptc）和Smoothened（Smo）：介导Hedgehog信号向胞内传递。•Ci（Cubitusinterruptus，在脊椎动物中为Gli）：转录因子，具有锌指结构•Fu（Fused）、Cos（Costal）和Su（suppressorofFused）：与Ci形成复合体，•在胞质中Ci与其它蛋白形成复合体，。在没有Hedgehog信号时，Ci被水解为75KD的片段，进入细胞核，抑制Hedgehog信号响应基因。当Hedgehog与Ptc结合时，Ci的降解被抑制，从复合体中释放出来，全长的Ci进入细胞核中，启动相关基因表达，这些基因包括Wnt和Ptc。Ptc的表达，又会抑制Smo，从而抑制Hedgehog信号，是一种反馈调节。Hedgehog信号途径•Fig.1ThekeycomponentsoftheHhsignali