第十四讲： 细胞信号传导

第十四讲：细胞信号传导植物在整个生长过程中，受到各种内外因素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。例如植物的向光性能促使植物向光线充足的方向生长，在这个过程中，首先植物体要能感受到光线，然后把相关的信息传递到有关的靶细胞，并诱发胞内信号转导，调节基因的表达或改变酶的活性，从而使细胞作出反应。这种信息的胞间传递和胞内转导过程称为植物体内的信号传导。概念在植物细胞的信号反应中，已发现有几十种信号分子。按其作用范围可分为胞间信号分子和胞内信号分子。对于细胞信号传导的分子途径，可分为四个阶段，即：胞间信号传递、膜上信号转换、胞内信号转导及蛋白质可逆磷酸化4蛋白质的可逆磷酸化3胞内信号的转导2膜中信号的转换1胞间信号的传递细胞信号传导的分子途径分为四个阶段：14-1细胞信号传导的分子途径细胞信号传导的主要分子途径IP3.三磷酸肌醇；DG.二酰甘油；PKA.依赖cAMP的蛋白激酶；PKCa2+依赖Ca2+的蛋白激酶；PKC.依赖Ca2+与磷脂的蛋白激酶；PKCa2+-CaM.依赖Ca2+-CaM的蛋白激酶一、胞间信号的传递(一)物理信号物理信号(physicalsignal)是指细胞感受到刺激后产生的能够起传递信息作用的电信号和水力学信号。电信号传递是植物体内长距离传递信息的一种重要方式，是植物体对外部刺激的最初反应。植物的电波研究较多的为动作电位(actionpotential,AP)，也叫动作电波，它是指细胞和组织中发生的相对于空间和时间的快速变化的一类生物电位。植物中动作电波的传递仅用短暂的冲击(如机械震击、电脉冲或局部温度的升降)就可以激发出来，而且受刺激的植物没有伤害，不久便恢复原状。水力学信号是由于细胞压力势的变化而产生的一种信号。玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔的开度，即压力势降低时气孔开放，反之亦然。(二)化学信号化学信号(chemicalsignal)是指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质。一般认为，植物激素是植物体主要的胞间化学信号。如当植物根系受到水分亏缺胁迫时，根系细胞迅速合成脱落酸(ABA)，ABA再通过木质部蒸腾流输送到地上部分，引起叶片生长受抑和气孔导度的下降。而且ABA的合成和输出量也随水分胁迫程度的加剧而显著增加。这种随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量也随之增加的化学信号物质称之为正化学信号(positivechemicalsignal)。然而在水分胁迫时，根系合成和输出细胞分裂素(CTK)的量显著减少，这样的随着刺激强度的增加，细胞合成量及向作用位点输出量随之减少的化学信号物质称为负化学信号(negativechemicalsignal)。(三)胞间信号的传递当环境信号刺激的作用位点与效应位点处在植物不同部位时，胞间信号就要作长距离的传递，高等植物胞间信号的长距离传递，主要有以下几种。1.易挥发性化学信号在体内气相的传递易挥发性化学信号可通过在植株体内的气腔网络(airspacenetwork)中的扩散而迅速传递，通常这种信号的传递速度可达2mm·s-1左右。植物激素乙烯和茉莉酸甲酯(JA-Me)均属此类信号，而且这两类化合物在植物某器官或组织受到刺激后可迅速合成。2.化学信号的韧皮部传递一般韧皮部信号传递的速度在0.1～1mm·s-1之间，最高可达4mm·s-1。3.化学信号的木质部传递化学信号通过集流的方式在木质部内传递。近年来这方面研究较多的是植物在受到土壤干旱胁迫时，根系可迅速合成并输出某些信号物质，如ABA。4.电信号的传递植物电波信号的短距离传递需要通过共质体和质外体途径，而长距离传递则是通过维管束。对草本非敏感植物来讲，AP的传播速度在1～20mm·s-1之间；但对敏感植物而言，AP的传播速度高达200mm·s-1。5.水力学信号的传递水力学信号是通过植物体内水连续体系中的压力变化来传递的。二、膜上信号的转换(一)受体与信号的感受受体(receptor)是指在效应器官细胞质膜上能与信号物质特异性结合，并引发产生胞内次级信号的特殊成分。受体可以是蛋白质，也可以是一个酶系。受体和信号物质的结合是细胞感应胞外信号，并将此信号转变为胞内信号的第一步。(二)G蛋白(Gprotein)G蛋白(Gprotein)全称为GTP结合调节蛋白(GTPbindingregulatoryprotein)，此类蛋白由于其生理活性有赖于三磷酸鸟苷(GTP)的结合以及具有GTP水解酶的活性而得名。在受体接受胞间信号分子到产生胞内信号分子之间往往要进行信号转换，通常认为是通过G蛋白偶联起来，故G蛋白又称为偶联蛋白或信号转换蛋白。G蛋白的发现是生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)与罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。细胞内的G蛋白一般分为两大类：一类是由三种亚基(α、β、γ)构成的异源三体G蛋白，另一类是只含有一个亚基的单体“小G蛋白”。小G蛋白与异源三体G蛋白α亚基有许多相似之处。它们都能结合GTP或GDP，结合了GTP之后都呈活化态，可以启动不同的信号转导。G蛋白位于膜内侧，并与质膜紧密结合。1.某种刺激信号与其膜上的特异受体结合后，激活的受体将信号传递给G蛋白，2.G蛋白的α亚基与GTP结合而被活化。活化的α亚基与β和γ亚基复合体分离而呈游离状态，3.活化的α亚基继而触发效应器(如磷酸脂酶C)把胞外信号转换成胞内信号。4.而当α亚基所具有的GTP酶活性将与α亚基相结合的GTP水解为GDP后，α亚基恢复到去活化状态并与β和γ亚基相结合为复合体。这样完成一次循环。配体-受体复合物活化酶18.31异源三体G蛋白的活动循环1234三、胞内信号的转导如果将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过程中的初级信号或第一信使，那么则可以把由胞外刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞内因子称细胞信号传导过程中的次级信号或第二信使(secondmessenger)。1.钙信号系统2.肌醇磷脂信号系统3.环核苷酸信号系统1.钙信号系统胞内Ca2+信号通过其受体-钙调蛋白转导信号。现在研究得较清楚的植物中的钙调蛋白主要有两种：钙调素与钙依赖型蛋白激酶。钙调素(calmodulin,CaM)是最重要的多功能Ca2+信号受体，由148个氨基酸组成的单链的小分子(分子量为17000～19000)酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后(一般≥１０－６mol.L-1),Ca2+与CaM结合，引起CaM构象改变。而活化的CaM又与靶酶结合，使其活化而引起生理反应。目前已知有十多种酶受Ca2+-CaM的调控，如蛋白激酶、NAD激酶、H+-ATPase等。在以光敏色素为受体的光信号传导过程中Ca2+-CaM胞内信号起了重要的调节作用。外界信号刺激(红光、低温、重力、触摸、植物激素等等)胞内Ca2+浓度上升，达到阈值时(10-6mol/L)Ca2+与CaM结合，活化CaM活化的CaM与酶结合，酶活化，引起生理生化反应。植物细胞中Ca2+的运输系统质膜与细胞器膜上的Ca2+泵和Ca2+通道，控制细胞内Ca2+的分布和浓度；胞内外信号可调节这些Ca2+的运输系统，引起Ca2+浓度变化。在液泡内，Ca2+往往和植酸等有机酸结合。核膜的Ca2+-ATPase在动物中发现，在植物中还不能确认。Ca2+信号反应在气孔关闭过程中，与多个离子通道的活性及H+泵相协调。在这个模型中，受体（R）感受ABA的作用导致了Ca2+的输入或Ca2+从内部储存中的释放，从而使得细胞质中的自由Ca2+浓度促进了质膜上阴离子与K+Out通道的开放，并抑制了K+in通道的开放。当离开细胞的离子比进入细胞的多时，流出细胞水的量就会超过进入的水，如此，细胞就会失去膨胀作用，从而使得气孔关闭。18.4蓝光和红光经常相互影响和交替作用于植物的发育.DET(去黄化)和COP(光形态发生组分)两类蛋白通常维持暗中黄化过程,蓝光红光野型植物突变型光形态发生信号中间物质蛋白质隐花色素光敏色素白色质体图18.42缺少PHYA的西红柿黄化突变体的细胞在叶绿素发育方面受到削弱。这些突变体细胞通过微注射纯化的光敏色素并随即对其进行红光处理（实验1）等可以诱导其行使正常的红光调控的叶绿体发育作用。这种光敏色素/红光处理的效应可以用注射（GMP与Ca2+混合物的处理（实验2））来模拟。通过自身注射任何的第二信使都会诱导叶绿体的发育，仅用cGMP注射会诱导花青素的合成。2.肌醇磷脂信号系统肌醇磷脂(inositolphospholipid)是一类由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有甘油、脂酸磷酸和肌醇等基因，其总量约占膜脂总量的1/1O左右。其肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目的磷酸酯化(图6-28)，其总量约占膜磷脂总量的1/10左右，其主要以三种形式存在于植物质膜中：即磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP)和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，是在胞外信号被膜受体接受后，以G蛋白为中介，由质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2而产生肌醇-1,4,5-三磷酸(inositol1,4,5-triphosphateIP3)和二酰甘油(diacylglycerol,DG，DAG)两种信号分子。因此，该系统又称双信号系统。在双信号系统中，IP3通过调节Ca2+浓度，而DAG则通过激活蛋白激酶C(PKC)来传递信息(图6-29)。3.环核苷酸信号系统受动物细胞信号的启发，人们最先在植物中寻找的胞内信使是环腺苷酸(cyclicAMP,cAMP)，但这方面的进展较缓慢，在动物细胞中，cAMP依赖性蛋白激酶(蛋白激酶A，PKA)是cAMP信号系统的作用中心。植物中也可能存在着PKA。蔡南海实验室证实了在叶绿体光诱导花色素苷合成过程中，cAMP参与受体G蛋白之后的下游信号转导过程，环核苷酸信号系统与Ca2+-CaM信号转导系统在合成完整叶绿体过程中协同起作用(图6-27)。图18.42缺少PHYA的西红柿黄化突变体的细胞在叶绿素发育方面受到削弱。这些突变体细胞通过微注射纯化的光敏色素并随即对其进行红光处理（实验1）等可以诱导其行使正常的红光调控的叶绿体发育作用。这种光敏色素/红光处理的效应可以用注射（GMP与Ca2+混合物的处理（实验2））来模拟。通过自身注射任何的第二信使都会诱导叶绿体的发育，仅用cGMP注射会诱导花青素的合成。四、蛋白质的磷酸化和去磷酸化植物体内许多功能蛋白转录后需经共价修饰才能发挥其生理功能，蛋白质磷酸化就是进行共价修饰的过程，蛋白质磷酸化以及去磷酸化是分别由一组蛋白激酶(proteinkinase)和蛋白磷酸酯酶(proteinphosphatase)所催化的，它们是上述的几类胞内信使进一步作用的靶酶，也即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号。外来信号与相应的受体结合，会导致受体构象发生变化，随后就可通过引起第二信使的释放而作用于蛋白激酶(或磷酸酯酶)，或者因有些受体本身就具有蛋白激酶的活性，所以与信号结合后可立即得到激活。蛋白激酶可对其底物蛋白质所特定的氨基酸残基进行磷酸化修饰，从而引起相应的生理反应，以完成信号转导过程。此外，由于蛋白激酶的底物既可以是酶，也可以是转录因子(transcriptionfactors)，因而它们既可以直接通过对酶的磷酸化修饰来改变酶的活性，也可以通过修饰转录因子而激活或抑制基因的表达，从而使细胞对外来信号作出相应的反应。许多由蛋白磷酸化酶传导的信号，级联反应和基因表达。MAPK——活化的促进细胞分裂的蛋白激酶TF——转录因子Ras——一种小的GTP酶细胞信号传导的主要分子途径IP3--三磷酸肌醇；DG--二酰甘油；PKA--依赖cAMP的蛋白激酶；PKCa2+--依赖Ca2+的蛋白激酶；PKC--依赖Ca2+与磷脂的蛋白激酶；PKCa2+CaM--依