1、G蛋白以及蛋白以及G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 多细胞生物是一个有序可控的多细胞生物是一个有序可控的“细胞社细胞社会会”，这种社会性的维持不仅，这种社会性的维持不仅依赖于细胞依赖于细胞的物质代谢和能量代谢的物质代谢和能量代谢，更有赖于细胞间更有赖于细胞间通讯与信号调控通讯与信号调控，以协调细胞的行为，诸，以协调细胞的行为，诸如细胞生长、分裂、分化、凋亡等生理功如细胞生长、分裂、分化、凋亡等生理功能。能。第一节第一节 细胞信号转导概述细胞信号转导概述 第二节第二节 G蛋白、蛋白、G蛋白偶联受体介导的信号蛋白偶联受体介导的信号转导转导第一节第一节 细胞信号转导概述细胞信号转导概述 信号细胞信号细胞(
2、signaling cell)signaling cell)：能产生信号分子的细胞。能产生信号分子的细胞。靶细胞靶细胞(target cell)target cell)：受到信号分子的作用发生反应的受到信号分子的作用发生反应的细胞。细胞。信号转导信号转导(signal transduction)signal transduction)：靶细胞依靠受体识别靶细胞依靠受体识别专一的细胞外信号分子，并专一的细胞外信号分子，并把细胞外信号转变为细胞内把细胞外信号转变为细胞内信号信号，这一转变过程称为信号转导，这一转变过程称为信号转导。是实现细胞间通讯。是实现细胞间通讯的关键过程。的关键过程。细胞信号传
3、递细胞信号传递（cell signalingcell signaling）：信号转导后，）：信号转导后，靶细靶细胞内部通过不同的信息传递途径胞内部通过不同的信息传递途径最终引起基因或蛋白的最终引起基因或蛋白的变化导致细胞行为改变，这一过程称为细胞信号传递。变化导致细胞行为改变，这一过程称为细胞信号传递。通过胞外信号所介导的细胞通讯包括通过胞外信号所介导的细胞通讯包括6步：步：信号细胞合成并释放信号分子（配体）信号细胞合成并释放信号分子（配体）转运信号分子至靶细胞转运信号分子至靶细胞信号分子与靶细胞表面受体特异性结合，导致受体被激活信号分子与靶细胞表面受体特异性结合，导致受体被激活活化的受体启动
4、靶细胞内信号传递途径活化的受体启动靶细胞内信号传递途径引发细胞代谢、功能或基因表达的改变引发细胞代谢、功能或基因表达的改变解除信号并导致细胞反应终止解除信号并导致细胞反应终止细胞表面受体转导胞外信号引发两类反应细胞表面受体转导胞外信号引发两类反应快反应和慢反应快反应和慢反应二二 信号分子与受体信号分子与受体 信号分子信号分子：细胞的信息载体：细胞的信息载体信号分子信号分子化学信号化学信号物理信号：声、光、电、温度物理信号：声、光、电、温度气体性信号分子：气体性信号分子：NO,CO疏水性信号分子：疏水性信号分子：甾类激素，甲状腺素甾类激素，甲状腺素亲水性信号分子：局部介质、亲水性信号分子：局部介
5、质、神经递质，多数蛋白类激素神经递质，多数蛋白类激素 受体受体：能够识别和选择性结合某种配体（信号分：能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，多数为糖蛋白。子）的大分子，多数为糖蛋白。细胞内受体：位于细胞质基质、核基质，识别结合细胞内受体：位于细胞质基质、核基质，识别结合脂溶性信号分子（甾类激素、甲状腺素、维生素脂溶性信号分子（甾类激素、甲状腺素、维生素D）细胞表面受体：识别细胞表面受体：识别结合亲水性信号分子结合亲水性信号分子离子通道偶联受体：受体本身离子通道偶联受体：受体本身既有配体结合位点又是离子通道既有配体结合位点又是离子通道G蛋白偶联受体：蛋白偶联受体：普遍存在于各类真核细
6、胞表面普遍存在于各类真核细胞表面酶联受体酶联受体三种类型的细胞表面受体三种类型的细胞表面受体第二信使与分子开关第二信使与分子开关 第二信使第二信使：胞外信号分子（配体）与细胞表面受体结：胞外信号分子（配体）与细胞表面受体结合后，导致在胞内产生的合后，导致在胞内产生的非蛋白类小分子非蛋白类小分子，通过其浓度变化来应答胞外信号通过其浓度变化来应答胞外信号，调节细胞内信号蛋，调节细胞内信号蛋白的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放白的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。大信号的功能。4种常见的细胞内第二信使及其主要效应种常见的细胞内第二信使及其主要效应cAMP，环腺苷一磷酸
7、，是由三磷酸腺苷（，环腺苷一磷酸，是由三磷酸腺苷（ATP）脱掉两个磷酸缩合而成的。）脱掉两个磷酸缩合而成的。在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体和第二信使分子以外，和第二信使分子以外，还有两类在进化上还有两类在进化上保守的胞内蛋白，这两类蛋白在引发信号保守的胞内蛋白，这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起分子开关（转导级联反应中起分子开关（molecular switch）的作用。）的作用。分子开关：通过分子开关：通过“开启开启”和和“关闭关闭”两种两种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性。状态的转换来控制下游靶蛋白的活性。GTPase开关调控蛋白构成的开关调控蛋
8、白构成的细胞内细胞内GTPase超家超家族（族（G蛋白超家族），蛋白超家族），主要是：三聚体主要是：三聚体GTP结合蛋结合蛋白。白。这类这类GTP结合蛋白当结合结合蛋白当结合GTP时呈活化的时呈活化的“开启开启”状态，当结合状态，当结合GDP时呈失活的时呈失活的“关闭关闭”状态，状态，开开关调控蛋白通过两种状态的转换控制下游靶蛋白关调控蛋白通过两种状态的转换控制下游靶蛋白的活性。的活性。开关调控蛋白（开关调控蛋白（G蛋白）从蛋白）从失活态向活化态的转换失活态向活化态的转换，由鸟苷酸交换因子由鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide-exchange factor,GEF）所介导，）
9、所介导，GEF引起引起GDP从开从开关调控蛋白释放，继而结合关调控蛋白释放，继而结合GTP并引发开关调控蛋白构象改变使其活化。并引发开关调控蛋白构象改变使其活化。随着结合随着结合GTP的水解，形成的水解，形成GDP和和Pi，开关调控蛋白又恢复成失活的关，开关调控蛋白又恢复成失活的关闭状态。闭状态。GTP的水解速率被的水解速率被GTPase促进蛋白（促进蛋白（GTPase-accelerating protein,GAP）和）和G蛋白信号调节子（蛋白信号调节子（regulator of G protein-signaling,RGS）所促进，被鸟苷酸解离抑制蛋白（）所促进，被鸟苷酸解离抑制蛋白（
10、guanine nucleotide-dissociation inhibitor,GDI）所抑制）所抑制。蛋白激酶蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关蛋白磷酸酶开关：通过蛋白激酶（：通过蛋白激酶（protein kinase）使靶蛋白磷酸化和通过蛋白磷酸酶（使靶蛋白磷酸化和通过蛋白磷酸酶（protein phosphatase）使靶）使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活化（开启）与失活（关闭）。蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活化（开启）与失活（关闭）。蛋白质磷酸化和去磷酸化可以蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷改变蛋白质的电荷并并改变蛋白质构改变蛋白质构象象，从而导致该蛋白质活性的增强或降低。，
11、从而导致该蛋白质活性的增强或降低。第二节第二节 G蛋白、蛋白、G蛋白偶联受体介导的信号转导蛋白偶联受体介导的信号转导G蛋白偶联受体的结构与激活蛋白偶联受体的结构与激活 G蛋白是三聚体蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称。结合调节蛋白的简称。位于质膜内胞浆一侧，由位于质膜内胞浆一侧，由G、G、G三个三个亚基组成，三个亚基各不相同。亚基组成，三个亚基各不相同。G和和G亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结合合锚定在质膜上锚定在质膜上。G亚基本身具有亚基本身具有GTPase活性，是分子开关活性，是分子开关蛋白。蛋白。与与G蛋白偶联受体相联系蛋白偶联受体相联系的效应蛋
12、白激活的的效应蛋白激活的普遍机制普遍机制G蛋白是三聚体蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称。结合调节蛋白的简称。G蛋白位于质膜内胞浆一侧蛋白位于质膜内胞浆一侧 由由G 三三个亚基组成。个亚基组成。G和和G亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结合锚定在质膜上。亚基分别通过与细胞膜上的脂分子共价结合锚定在质膜上。G亚基本身具有亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白。活性，是分子开关蛋白。三聚体三聚体G蛋白活化的步骤如下：蛋白活化的步骤如下：1 配体结合诱发受体构象改变；配体结合诱发受体构象改变；2 活化受体与活化受体与G亚亚基结合；基结合；3 结合之后引发结合之后引发G亚基构象改变，致使亚基构
13、象改变，致使GDP与与G蛋白解离；蛋白解离；4 GTP与与G亚亚基结合，引发基结合，引发G亚基与受体和亚基与受体和G 亚基解离；亚基解离；5 配体受体复合物解离，配体受体复合物解离，G亚基结合并激活效应蛋白；亚基结合并激活效应蛋白；6 GTP水解成水解成GDP,引发引发G亚基亚基与效应蛋白解离并重新与效应蛋白解离并重新与与G 亚基结合，恢复到亚基结合，恢复到三聚体三聚体G蛋白的静息状态。蛋白的静息状态。现已知人类基因组至少编码27种不同的G亚基，5种不同的G亚基和13种不同的G亚基。由于阐明了胞外信号如何转换为胞内信号的机制，A.G.Gilman和M.Rodbell获得1994年诺贝尔生理学或
14、医学奖。所有所有G蛋白偶联受体都含有蛋白偶联受体都含有7个疏水肽段形成的跨个疏水肽段形成的跨膜膜螺旋区和相似的三维结构，螺旋区和相似的三维结构，N端在细胞外侧，端在细胞外侧，C端在细胞胞质测。每个跨膜端在细胞胞质测。每个跨膜螺旋由螺旋由22-24个氨基个氨基酸残基组成，其中螺旋酸残基组成，其中螺旋5和和6之间的胞内环状结构之间的胞内环状结构域对于受体与域对于受体与G蛋白之间的相互作用具有重要作蛋白之间的相互作用具有重要作用。用。A.G蛋白偶联受体的结构蛋白偶联受体的结构模式图模式图B.人人肾上腺素肾上腺素G蛋白蛋白偶联受体晶体结构偶联受体晶体结构 G蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答，配体
15、包蛋白偶联受体介导无数胞外信号的细胞应答，配体包括多种蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸括多种蛋白或肽类激素、局部介质、神经递质和氨基酸或脂肪酸衍生物，以及哺乳类嗅觉、味觉、和视觉。或脂肪酸衍生物，以及哺乳类嗅觉、味觉、和视觉。在线虫基因组在线虫基因组19000个基因中大约编码个基因中大约编码1000种不同的种不同的G蛋白偶联受体。蛋白偶联受体。尽管与这类受体相互作用的信号分子多种多样，受体的尽管与这类受体相互作用的信号分子多种多样，受体的氨基酸序列也千差万别，但对氨基酸序列也千差万别，但对G蛋白偶联受体的研究分蛋白偶联受体的研究分析表明，析表明，所有真核生物从单细胞酵母到人类都具有相
16、似所有真核生物从单细胞酵母到人类都具有相似的七次跨膜结构的七次跨膜结构。哺乳类三聚体哺乳类三聚体G蛋白的主要种类及其效应器蛋白的主要种类及其效应器 人们能看到一杯咖啡、闻到咖啡的香味、品尝到咖啡的美味以及喝下咖啡后愉悦的心情，这都离不开受体的作用。G蛋白偶联受体(GPCR)是与G蛋白有信号连接的1000多种受体的统称。它属于膜蛋白，也就是分布在细胞膜上的蛋白。G蛋白横跨在细胞膜上，一面可以解读细胞外的信号，另一面可以和细胞内的物质发生作用，成为细胞外信息进入细胞内的桥梁。G蛋白偶联受体能巩固探测激素、气味、化学神经递质等，从而将信息通过激活不同类型G蛋白中的一种，传递到细胞内部。G蛋白偶联受体
17、是最著名的药物靶向分子。目前世界药物市场上至少有30%的小分子药物可以激活或是阻断G蛋白偶联受体的作用。目前上市的药物中，前50种最畅销药物有20%就属于G蛋白偶联受体相关药物，比如充血性心力衰竭药物卡维地洛，抗高血压药物科素亚，乳腺癌药物诺雷得等。G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路蛋白偶联受体介导的细胞信号通路细胞表面受体介导的细胞信号通路：细胞表面受体介导的细胞信号通路：5个步骤组成个步骤组成 由由G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路，蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路，按其效应按其效应器蛋白的不同器蛋白的不同，可分为，可分为3类：类：激活离子通道的激活离子通道的G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 激活
18、或抑制腺苷酸环化酶，以激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP为第二信使的为第二信使的G蛋白偶联受体蛋白偶联受体 激活磷脂酶激活磷脂酶C（phospholipase C,PLC），以），以IP3和和DAG作为双信使的作为双信使的G蛋白偶联受体。蛋白偶联受体。（一）激活离子通道的（一）激活离子通道的G蛋白偶联受体蛋白偶联受体所介导所介导的信号通路的信号通路 心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道许多神经递质受体是许多神经递质受体是G蛋白偶联受体，效应器蛋白是蛋白偶联受体，效应器蛋白是Na+或或K+通道，神经递质与通道，神经递质与G蛋白偶联受体结合引发离子通道的开放或蛋白偶联受体结合引发离子通道
19、的开放或关闭，进而导致膜电位变化。关闭，进而导致膜电位变化。（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的（二）激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体蛋白偶联受体（真核细胞应答激素反应的主要机制之一）（真核细胞应答激素反应的主要机制之一）在绝大多数哺乳动物细胞中，在绝大多数哺乳动物细胞中，G蛋白偶联受体介导的信蛋白偶联受体介导的信号通路中，号通路中，G亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通，通过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。的水平，进而影响信号通路的下游事件。不同的激素不同的激素-受体
20、复合物，偶联不同的受体复合物，偶联不同的G蛋白（不同的蛋白（不同的G亚基相同的亚基相同的G亚基）亚基）导致导致Gs-GTP激活腺苷酸环化酶，而激活腺苷酸环化酶，而Gi-GTP抑制腺苷酸环化酶的活性抑制腺苷酸环化酶的活性 在多细胞动物各种以在多细胞动物各种以cAMP为第二信使的信号通路中，为第二信使的信号通路中，主要是通过主要是通过cAMP激活激活蛋白激酶蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）所介导。）所介导。无活性的无活性的PKA是含有是含有2个调节亚基（个调节亚基（regulatory subunit，R）和）和2个催化亚基（个催化亚基（catalytic subunit，C
21、）组成的四聚）组成的四聚体，每个体，每个R亚基上有两个亚基上有两个cAMP调节位点。调节位点。cAMP特异性地活化特异性地活化cAMP依赖的依赖的PKA，释放其催化亚基，释放其催化亚基G蛋白偶联受体蛋白偶联受体-cAMP-PKA信号通路对真核细胞基因转录的调控信号通路对真核细胞基因转录的调控CREB,cAMP-response element binding protein （cAMP应答原件结合蛋白）应答原件结合蛋白）许多激素刺激这些受体导致许多激素刺激这些受体导致PKA的激活，但是细胞应答反应不同，的激活，但是细胞应答反应不同，为什么？为什么？cAMP-PKA通路：通路：肾上腺素在肝细胞和
22、肌细胞中对糖原代谢的效应；肾上腺素在肝细胞和肌细胞中对糖原代谢的效应；肾上腺素在脂肪细胞中促进磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成肾上腺素在脂肪细胞中促进磷脂酶的活性，催化甘油三酯生成脂肪酸和甘油；脂肪酸和甘油；卵巢细胞中卵巢细胞中G蛋白偶联受体在某些垂体激素刺激下导致蛋白偶联受体在某些垂体激素刺激下导致PKA活化，活化，促进促进2种类固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。种类固醇激素（雌激素和孕酮）的合成。细胞应答反应只依赖于细胞表达的特殊细胞应答反应只依赖于细胞表达的特殊PKA异构体和异构体和PKA底物。底物。在讨论在讨论G蛋白偶联受体介导的信号通路时，我们不禁要问：为蛋白偶联受体介导的信号通路时，我
23、们不禁要问：为什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细什么不同的信号（配体）通过类似的机制会引发多种不同的细胞反应？这主要胞反应？这主要取决于取决于G蛋白偶联受体的特异性蛋白偶联受体的特异性。首先，对某。首先，对某一特定的配体其受体可以几种不同的异构体形式存在。现已知一特定的配体其受体可以几种不同的异构体形式存在。现已知肾上腺素受体有肾上腺素受体有9种不同的异构体，种不同的异构体，5-羟色胺的受体有羟色胺的受体有15种不同种不同的异构体。的异构体。其次，人类基因组编码其次，人类基因组编码27中不同的中不同的G，5种不同的种不同的G和和13种不种不同的同的G亚基，还有亚基，还有9种
24、不同的腺苷酸环化酶。种不同的腺苷酸环化酶。不同亚基组合不同亚基组合的的多样性决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应。多样性决定了通过类似机制可产生众多不同的细胞反应。霍乱是因摄入的食物或水受到霍乱弧菌污染而引起的一种急性霍乱是因摄入的食物或水受到霍乱弧菌污染而引起的一种急性腹泻性传染病。每年，估计有腹泻性传染病。每年，估计有300万万500万霍乱病例，另有万霍乱病例，另有10万万12万人死亡。病发高峰期在夏季，能在数小时内造成腹泻万人死亡。病发高峰期在夏季，能在数小时内造成腹泻脱水甚至死亡。脱水甚至死亡。霍乱毒素具有霍乱毒素具有ADP-核糖转移酶活性，进入细胞催化胞内的核糖转移酶活性，进入
25、细胞催化胞内的NAD+的的ADP核糖基共价结合在核糖基共价结合在Gs亚基上，致使亚基上，致使Gs亚基丧失亚基丧失了了GTPase的活性，导致与的活性，导致与Gs亚基结合的亚基结合的GTP不能水解成不能水解成GDP，结果结果GTP永久的结合在永久的结合在Gs亚基上，处于持续活化状态，因此亚基上，处于持续活化状态，因此能不断激活腺苷酸环化酶，使腺苷酸环化酶被锁定在活化状态。能不断激活腺苷酸环化酶，使腺苷酸环化酶被锁定在活化状态。霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因是霍乱毒素使得霍乱病患者的症状是严重腹泻，其主要原因是霍乱毒素使得Gs亚基处于持续激活状态，导致小肠上皮细胞中亚基处于持续激活状态，导
26、致小肠上皮细胞中cAMP水平水平增加增加100倍以上，使细胞膜上的离子通道打开，导致细胞大量倍以上，使细胞膜上的离子通道打开，导致细胞大量Na+和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。和水分子持续外流，产生严重腹泻而脱水。（三）激活磷脂酶（三）激活磷脂酶C、以、以IP3和和DAG作为双信使作为双信使的的G蛋蛋白偶联受体介导的信号通路白偶联受体介导的信号通路通过通过G蛋白偶联受体介导的另外一条信号通路是蛋白偶联受体介导的另外一条信号通路是磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇信号通路信号通路，信号转导时通过效应酶，信号转导时通过效应酶磷脂酶磷脂酶C完成的。完成的。磷脂酰肌醇代谢途径磷脂酰肌醇代谢途径脂肪酸链脂肪酸链
27、甘油三酯甘油三酯二脂酰甘油二脂酰甘油磷脂酰肌醇：由肌醇、磷脂酰肌醇：由肌醇、磷酸磷酸1,2-二脂酰甘油二脂酰甘油组成组成IP3-Ca2+信号通路信号通路 几乎所有真核细胞内几乎所有真核细胞内Ca2+动员的主要途径：动员的主要途径：依靠依靠内质网膜上的内质网膜上的IP3门控门控Ca2+通道通道将储存的将储存的Ca2+释放释放到细胞质基质中。到细胞质基质中。IP3介导的介导的Ca2+水平的升高只是暂时的，质膜和内质网膜上水平的升高只是暂时的，质膜和内质网膜上Ca2+泵泵的启动会分别将的启动会分别将Ca2+泵出细胞和泵进内质网腔。泵出细胞和泵进内质网腔。钙火花：在短短的钙火花：在短短的10ms内，细
28、胞中某一微区内，细胞中某一微区Ca2+探针探针Fluo-3的的荧光强度骤然升高，随后又在荧光强度骤然升高，随后又在20ms内消失。内消失。钙调蛋白钙调蛋白是真核细胞中普遍存在的是真核细胞中普遍存在的Ca2+应答蛋白，应答蛋白，分布广，保守性强分布广，保守性强 钙调蛋白本身无活性，结合钙调蛋白本身无活性，结合Ca2+之后激活下游靶之后激活下游靶酶。酶。DAG-PKC信号通路信号通路 DAG结合在质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶结合在质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（PKC）PKC功能：功能：Ser/Thr蛋白激酶，具有广泛的作用底物，参与众多生蛋白激酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，涉及细胞理过程，涉及细胞“短期生理效应短期生理效应”如细胞分泌，肌肉收缩等；如细胞分泌，肌肉收缩等；细胞细胞“长期生理效应长期生理效应”如细胞增殖、分化。如细胞增殖、分化。活化的活化的PKC激活基因转录的两条细胞内途径激活基因转录的两条细胞内途径
