1、第六章第六章cAMP、cGMP信号转导通路一、一、cAMP的发现及第二信使学说的发现及第二信使学说cAMP是第一个被发现的第二信使。是第一个被发现的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOH萨瑟兰（萨瑟兰（Earl W.Sutherland,Jr）1915.11.9 1974.3.9 Earl Wilbur Sutherland Jr （1915-1974）1971年获诺贝尔生理学和医学奖年获诺贝尔生理学和医学奖激素作用的第二信使学说：激素作用的第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞内部，它作用于细胞表面专一受体，细胞内部，它作用于细胞表面专一
2、受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，列的生化反应，产生一定的细胞生理效应，最后第二信使降解，其信号作用终止。最后第二信使降解，其信号作用终止。二、二、cAMP信号转导通路信号转导通路（一）（一）cAMP的产生的产生腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统腺苷酸环化酶系统：腺苷酸环化酶系统：受体受体G蛋白蛋白AC催化亚基催化亚基活化活化AC的协同因子的协同因子1.ACAC有有 9 9种亚型，都是膜结合型种亚型，都是膜结合型的。且都可被异三聚体的。且都可被异三聚体GsGs蛋白的蛋白的 亚基所亚基所活化，但被活化，但被CaCa2
3、+2+、磷酸化、磷酸化、GsGs蛋白蛋白 亚基亚基及及GiGi蛋白蛋白亚基调节的情况却各不相同。亚基调节的情况却各不相同。（二）（二）cAMP作用的靶分子作用的靶分子1.PKA是是cAMP最主要的效应分子。最主要的效应分子。cAMPPKA靶蛋白磷酸化靶蛋白磷酸化PKA的的作用：作用：PKA为丝氨酸为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。其底苏氨酸蛋白激酶。其底物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋物包括多种酶、离子通道、结构与调节蛋白、转录因子等。白、转录因子等。cAMP引起细胞效应的特异性：引起细胞效应的特异性：（1）cAMP底物底物PKA可组合成多种不同的可组合成多种不同的亚型，不同亚型亚型，不同亚型PK
4、A对对cAMP的亲和力不的亲和力不同，作用的底物时序先后也不同；不同类同，作用的底物时序先后也不同；不同类型的型的PKA底物不同，因此产生的效应不同。底物不同，因此产生的效应不同。（三）（三）cAMP信号的灭活信号的灭活cAMP特异性特异性PDE cAMP信号的灭活机制：信号的灭活机制：受体下调受体下调AC失活失活被被型型PDE 水解水解（四）（四）cAMP-PKA信号转导通路信号转导通路1.细胞膜上存在受体、细胞膜上存在受体、G蛋白、蛋白、AC；2.胞外的信号被受体接受，通过胞外的信号被受体接受，通过Gs或或Gi传传递给递给AC，使其活化或抑制；，使其活化或抑制；3.AC被激活后，产生被激活
5、后，产生cAMP，cAMP激活激活PKA，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应；，使蛋白质磷酸化，产生细胞反应；4.cAMP被被PDE水解而信号终止。水解而信号终止。胞外信号胞外信号受体受体G蛋白蛋白ACcAMPPKA5-AMPPDE蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化生物学效应生物学效应三、三、cAMP信号调节的生理过信号调节的生理过程程 cAMP 的绝大多数生理功能是通过的绝大多数生理功能是通过PKA实现的，调节方式：实现的，调节方式：直接调节代谢反应直接调节代谢反应通过基因表达间接调节代谢反应通过基因表达间接调节代谢反应（一）（一）cAMP对糖原对糖原代谢过程的调节代谢过程的调节磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶磷磷
6、酸酸化化酶酶激激酶酶-P PP PP P-1 1磷磷酸酸化化酶酶-P P糖糖原原合合成成酶酶-P P糖糖原原合合成成酶酶糖糖原原G Gc cA AMMP P肾肾上上腺腺素素、胰胰高高血血糖糖素素P PK KA A磷磷酸酸化化酶酶抑抑制制剂剂-1 1-P PP PK KA AP PP P-1 1A AC CGG蛋蛋白白P PP P-1 1受受体体促进脂肪动员促进脂肪动员 Triacylglycerols FFAs and glycerol（二）（二）cAMP对膜蛋白活性的调节对膜蛋白活性的调节 cAMP 通过激活通过激活PKA使细胞膜上某些使细胞膜上某些蛋白质磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，蛋白质
7、磷酸化，使膜蛋白构象发生改变，从而调节细胞膜对某些物质的通透性。从而调节细胞膜对某些物质的通透性。如肾上腺素通过如肾上腺素通过cAMP-PKA途径，抑途径，抑制脂肪细胞膜上的制脂肪细胞膜上的GLUT4，阻止糖的转运、，阻止糖的转运、降低糖的氧化利用。降低糖的氧化利用。cAMPPKA心肌细胞膜钙通道磷酸化心肌细胞膜钙通道磷酸化钙通透性增加钙通透性增加钙内流钙内流心肌收缩力增加、心率加快心肌收缩力增加、心率加快（三）（三）cAMP对神经突触传递的调节对神经突触传递的调节当某些神经细胞兴奋时，突触前神经当某些神经细胞兴奋时，突触前神经末梢释放递质，作用于突触后膜上相应受末梢释放递质，作用于突触后膜上
8、相应受体，通过体，通过cAMPPKA途径使膜蛋白磷酸途径使膜蛋白磷酸化，改变膜对离子的通透性，从而影响神化，改变膜对离子的通透性，从而影响神经细胞的兴奋性。经细胞的兴奋性。cAMP调调节突触前节突触前末梢的递末梢的递质释放质释放cAMP在嗅觉信号转导中的作用在嗅觉信号转导中的作用 CNG通道开启通道开启细胞除极细胞除极传导性传导性AP的产生的产生（四）（四）cAMP对激素合成与分泌的调节对激素合成与分泌的调节n促肾上腺皮质激素促进糖皮质激素的合成；促肾上腺皮质激素促进糖皮质激素的合成；n促甲状腺素促进甲状腺素分泌；促甲状腺素促进甲状腺素分泌；n促黄体生成激素促进性激素的合成。促黄体生成激素促进
9、性激素的合成。四、四、cGMP信号转导通路信号转导通路（一）（一）cGMP信号通路研究的历史回顾信号通路研究的历史回顾1963年年Goldberg在大鼠尿中发现在大鼠尿中发现cGMP，几年，几年后发现后发现GC；1970年发现年发现PKG。1977年发现年发现NO可激活可激活GC而使而使cGMP 升高。升高。近年发现尿钠肽可激活近年发现尿钠肽可激活cGMP信号通路。信号通路。复习思考题1.cAMP信号转导通路的过程？信号转导通路的过程？2.AC、PKA在在cAMP信号转导通路中的作信号转导通路中的作用机制？用机制？3.cAMP信号转导通路的生理作用？信号转导通路的生理作用？第七章第七章 IP3
10、、DAG与信号转导与信号转导 第一节第一节 肌醇磷脂信号分子的产生与灭活肌醇磷脂信号分子的产生与灭活n双信使系统的中心环节是磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸PI(4,5)P2被磷脂酶C(phospholipase C,PLC)水解生成两个第二信使IP3和DAG。IP3和DAG分别经过几步反应，合成PI，PI再经过两步磷酸化重新生成PI(4,5)P2完成一个循环，有人称之为磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸循环，又称肌醇磷脂循环。Second messengers generated by the breakdown of PIP2,a membrane phospholipidn2、IP3的灭活：IP3在5
11、-磷酸酶作用下水解为I(1,4)P2或在胞浆的肌醇磷酸脂-3-激 酶 作 用 下，被 A T P 磷 酸 化，生 成I(1,3,4,5)P4。I(1,3,4,5)P4也有第二信使功能，可促进Ca2+进入细胞。它也可被5 -磷 酸 酶 水 解 为 I(1,3,4)P2，I(1,3,4)P2和I(1,4)P2再逐步降解为I(1)P或I(3)P，后两者在磷酸酶作用下脱磷酸生成肌醇。n3、DAG的降解：有两条途径，一是被激酶磷酸化生成PA，进一步合成PI。二是在磷脂酶A2的作用下，释放出花生四烯酸。前者受DAG激酶催化，与ATP作用，生成磷脂酸PA，PA与CTP作用合成CDP-DAG即CMP-PA，后
12、者在PI合成酶催化下，与myo-肌醇生成PI。第二 节节IPIP3 3/Ca/Ca2+2+和和DAG/PKCDAG/PKC信号传递途信号传递途径径n有30多种膜受体活化可生成DAG和IP3两个第二信使。DAG和IP3两个第二信使是分别沿两个独立的通路进行信号传递的，故又称为“分叉信号通路”(bifurcating signal pathway)。n现已清楚，双信使通路的基本过程是：胞外信号作用于膜受体激活磷脂酶C水解膜上肌醇磷脂产生IP3和DAG,IP3激活Ca2+n信号途径，DAG激活PKC信号途径。整个过程分为三个阶段：磷脂酶C水解膜上肌醇磷脂产生IP3和DAG、IP3激活Ca2+信号途径
13、和DAG激活PKC信号途径。n1、磷脂酶磷脂酶C Cn磷脂酶C有三个家族：PLC-、PLC-和PLC-，每个家族又有若干亚型，其中型可介导包括PDGF在内的多肽生长因子、丝裂原、抗原及炎性介质受体所传递的信号。型又有两个亚型1和2，PLC-1的研究目前较多，现有的资料表明，它是磷脂酰肌醇特异的磷酸二脂酶。nPLC-2也可被酪氨酸磷酸化，诱导其磷酸化的有T细胞抗原受体（TCR）、IgG受体（FcRs）、高亲和力IgE受体（FcRI）、B细胞膜IgM、M-CSF受体（Fms）、2整联蛋白、凝血酶以及某些受体酪氨酸激酶如PDGFR和EGFR。2、IP3激活激活Ca2+信号途径信号途径n细胞内Ca2+
14、浓度在1mol/l以下，不到血浆Ca2+的0.1%，对细胞功能有着重要的调节作用，如肌肉收缩、腺体分泌、白细胞及血小板活化等。细胞内Ca2+可从细胞外经细胞膜上的钙离子通道流入，也可从细胞内肌浆网等钙池释放，两种途径互相促进。n前者受膜电位、受体、G-蛋白、蛋白激酶A（PKA）等调控，后者受IP3作用而释放。细胞内Ca2+激活蛋白激酶C（PKC），与DAG有协同作用，共同促进其他信息传递蛋白及效应蛋白活化。nIP3结合到内质网（或肌浆网）的IP3受体上（由4个260KD的糖蛋白亚基组成），使受体构象发生改变，离子通道打开，Ca2+随即释放，产生各种细胞效应。nIP3结合到内质网（或肌浆网）的I
15、P3受体上（由4个260KD的糖蛋白亚基组成），使受体构象发生改变，离子通道打开，Ca2+随即释放，产生各种细胞效应。胞浆内高水平的Ca2+可被内质网上的Ca2+泵重新泵入内质网贮存。n钙库 胞内钙库在肌细胞中定位于肌浆网系统，在非肌细胞中是内质网。它具备高浓度的钙、ATP酶系统、高容量低亲和力的钙结合蛋白以及钙释放受体通道，当细胞反应需要时能迅速将其浓集的钙释放出来，然后又可将钙重新转运回钙库内。复习思考题1.IP3分子的产生与灭活过程？分子的产生与灭活过程？2.PLC在在IP3、信号转导通路中的作用？、信号转导通路中的作用？第九章第九章 MAPK信号转导通路信号转导通路丝裂原活化蛋白激酶信
16、号转导通路 丝裂原活化蛋白激酶丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)Ser/Thr蛋白激酶蛋白激酶 受细胞外刺激而激活受细胞外刺激而激活 在所有真核细胞中高度保守在所有真核细胞中高度保守 通路组成通路组成 三级激酶模式三级激酶模式 调节多种重要的细胞生理调节多种重要的细胞生理/病理过程病理过程一、一、MAPK 信号通路的成员信号通路的成员 MAPK是信号从是信号从细胞表面细胞表面核内核内的的重要重要转递者转递者。已鉴定：已鉴定：MAPK激酶激酶激酶激酶(MKKK)14种种 MAPK激酶激酶(MKK)7种种 MAPK 12种种二、二、MA
17、PK通路模式通路模式MAP3K、MEKKMAP2K、MEKERK,JNK/SAPK,p38,ERK5/BMK转录因子转录因子、蛋白激酶蛋白激酶、细胞骨架蛋白等细胞骨架蛋白等刺激刺激MKKKMKKMAPK反应底物反应底物 三、哺乳动物三、哺乳动物MAPK通路通路 哺乳动物中已鉴定出哺乳动物中已鉴定出4 4条条MAPK通路：通路：1.1.ERK通路通路2.2.2.2.JNK信号转导信号转导通路通路3.3.p38信号转导通路信号转导通路4.4.MKK5/ERK5通路通路 第十章第十章Wnt与与Notch信号转导信号转导一、一、Wnt信号通路信号通路Wnt 信号转导途径信号转导途径 由由Wnt基因调控
18、的信号转导系统基因调控的信号转导系统 进化保守进化保守 主要来自果蝇、爪蟾、线虫和哺乳动物主要来自果蝇、爪蟾、线虫和哺乳动物的研究的研究 在胚胎发育、器官形成中起作用在胚胎发育、器官形成中起作用 参与肿瘤的形成参与肿瘤的形成(一一)Wnt信号通路组成及信号转导途径信号通路组成及信号转导途径 Wnt：1982年，在小鼠乳腺癌一种癌基因在小鼠年，在小鼠乳腺癌一种癌基因在小鼠乳腺癌相关病毒基因插入乳腺癌相关病毒基因插入(insertion)时诱发小鼠时诱发小鼠乳腺癌，命名为乳腺癌，命名为Int1癌基因。癌基因。1991年发现年发现Int1癌基因相当于果蝇的癌基因相当于果蝇的Wingless(Wg)基
19、因，重新组合命名为基因，重新组合命名为Wnt 基因。基因。人人Wnt基因位于基因位于12q13。Wnt信号通路的主要成员信号通路的主要成员 Wnt蛋白蛋白(配体配体)Wnt受体受体 Dsh/Dvl蛋白蛋白 多蛋白复合体多蛋白复合体 -连环蛋白连环蛋白 GSK-3 轴轴蛋白蛋白 APCWnt通路的胞内信号至少可分为通路的胞内信号至少可分为4个分支个分支：典型典型Wnt/-连环蛋白信号通路连环蛋白信号通路 平面平面细胞极性通路细胞极性通路 Wnt/Ca2+通路通路 调节纺锤体的方向和非对称细胞分调节纺锤体的方向和非对称细胞分裂的胞内通路裂的胞内通路 1.典型典型Wnt/-连环蛋白信号通路连环蛋白信
20、号通路 canonical Wnt/-catenin pathway Wnt配体配体Frizzled,LRPDsh/Dvl多蛋白复合体多蛋白复合体-连环蛋白连环蛋白二、二、Notch信号通路信号通路 Notch基因编码高度保守的细胞表面受基因编码高度保守的细胞表面受体体 Notch信号影响细胞正常形态发生的多信号影响细胞正常形态发生的多个过程个过程 多能祖细胞的特化多能祖细胞的特化 细胞凋亡细胞凋亡 细胞增殖细胞增殖 细胞边界形成细胞边界形成(一一)Notch信号通路成员信号通路成员 Notch配体配体 DSL家族家族 Notch受体受体 转录因子转录因子CSL 调节因子调节因子 加工或加工或
21、调节因子调节因子 Notch信号靶分子信号靶分子Notch配体：配体：Delta/Serrate/LAG-2 DSL家族家族 单次跨膜蛋白单次跨膜蛋白 起始起始Notch信号信号Notch受体：受体：以二聚体形式存在以二聚体形式存在 两个亚基两个亚基 胞外亚基胞外亚基 (ECN)跨膜亚基跨膜亚基 (NTM)胞外亚基含有：胞外亚基含有：EGFR:结合配体结合配体 LNR:阻止受体异常激活阻止受体异常激活跨膜亚基中的跨膜亚基中的ICN：RAM:结合转录因子结合转录因子CSL ANK:同源性最高同源性最高 PEST序列序列:差异性最为明显差异性最为明显人人 NCR:具有调节功能活性具有调节功能活性
22、TAD:转录激活作用转录激活作用转录因子转录因子CSL：CBF1/RBP-J 哺乳类哺乳类 Su(H)果蝇果蝇 LAG1 线虫线虫调节因子：调节因子：FNG 胞外胞外 Dtx 胞内胞内 Numb 胞内胞内加工或加工或调节因子：调节因子：起始或调节受体的蛋白裂解起始或调节受体的蛋白裂解 早老素早老素 金属蛋白酶等金属蛋白酶等 Notch信号靶分子：信号靶分子：Hairy/En(spl)果蝇果蝇 Hes1和和Hes5 人类人类(二二)配体诱导的配体诱导的Notch信号通路信号通路 相邻细胞相互交流信息相邻细胞相互交流信息 参与许多发育过程参与许多发育过程 Notch的受体作用和的受体作用和转录因子
23、相转录因子相连连蛋白的功能蛋白的功能 第十四章第十四章 肿瘤细胞信号转导肿瘤细胞信号转导 细胞癌变最基本的特征是生长失控及分化异常。近年来人们认识到绝大多数的癌基因表达产物都是细胞信号转导系统的组成成分，它们可以从多个环节干扰细胞信号转导过程，导致肿瘤细胞增殖与分化异常。第二节第二节.肿瘤生长的调控与信肿瘤生长的调控与信号转导号转导糖尿病糖尿病与信号转导障碍糖尿病与信号转导障碍n糖尿病是一种越来越受到重视的疾病，它的最明显标志是血糖升高。糖尿病的本质是胰岛素作用不全。n引起胰岛素作用不全的原因有二类：一是胰腺胰岛中细胞分泌胰岛素不足；二是胰岛素作用的对象靶细胞对它的敏感性降低，即对胰岛素产生了
24、抵抗性，使之发挥不了应有效果。上述第一类的原因为细胞中糖代谢的信号转导途径出现障碍，ATP合成不足所致；第二类的原因是胰岛素与靶细胞相互作用过程中的信号转导障碍，本文将重点讨论。(一一)胰岛素作用的信号转导通路胰岛素作用的信号转导通路n胰岛素从血中到达靶细胞以后，首先与其相应的受体结合。胰岛素受体(insulin receptor,IR)是一种跨膜酪氨酸蛋白激酶(phosphotyrosin kinase,PTK)，镶嵌在膜的脂质双层分子中。当IR与胰岛素结合后，本身被激活。n激活的PTK紧接着又作用其底物：胰岛素底物蛋白-1(insulin receptor substrate-1,IRS-
25、1)、胰岛素底物蛋白-2(insulin receptor substrate 2,IRS-2)和胰岛素底物蛋白-3(insulin receptor substrate 3,IRS-3)。IRS-1主要存在于骨骼肌和脂肪细胞中；IRS-2存在于肝细胞中；IRS-3存在于脂肪组织中。这些底物蛋白的某些酪氨酸被磷酸化 n之后IRS-1和IRS-2与含有SH2区域的磷酸肌醇3激酶(phosphoinositide-3 kinase,PI3K)的调节亚单位和生长因子受体结合蛋白-2(growth factor receptor bound protein 2,GRB2)结合并使其活化。活化后的GRB
26、2又再介导丝裂原活化蛋白激酶(MAP kinase),最终导致细胞的分裂增殖。n另一方面，活化的 PI3K在骨骼肌细胞中促进葡萄糖转运蛋白(glucose transporter,GLUT)移位到膜上，促进细胞对葡萄糖的摄取。这时，细胞对葡萄的摄取能力可增加十倍、几十倍。nPI3K除了使GLUT4移位外，还能激活PDK(phosphoinositide-dependent protein kinase)1/2激酶。PDK1/2激酶又激活Akt激酶。Akt激酶能使非活化型的糖原合成激酶-3(glycogen synthase kinase-3,GSK3)转变为活化型的糖原合成激酶-3，从而加速细
27、胞内糖原合成。(二二)糖尿病信号转导障碍的病因和糖尿病信号转导障碍的病因和发病机制发病机制n1胰岛素受体的改变胰岛素受体的改变n受体改变，发生胰岛素抵抗，其具体表现形式主要有三种：受体数量减少；受体数量减少的原因可以是合成的量不够，可以是受体的化学加工过程障碍，也可以是受体向膜输送障碍或在没有到达细胞膜以前因其结构异常而被分解；受体的活性降低；受体的亲和力降低。n约有5%左右的患者是基因突变导致受体改变所至。2肥胖肥胖n肥胖能引起糖尿病早有共识。所谓肥胖，是指体内脂肪组织过多，根本的原因是进食的总能量超过了消耗的能量和脂类物质代谢过程障碍。n脂肪组织过多时，脂肪细胞也往往肥大。肥大的脂肪细胞能
28、释放出较多的TNF-、PAI-1及游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)等物质。这些物质在骨骼和肝脏中能明显地影响胰岛素作用的信号转导通路。下面以FFA为例介绍导致该病的机理。n从肥大的脂肪细胞中释放出来的FFA经过血液循环到达骨骼肌细胞中，使其合成脂肪乙酰辅酶A增多。脂肪乙酰辅酶A进而促进中性脂肪合成增多。过多的中性脂肪可使PKC和IKK活性增强。这两种酶的活性增强可导致IRS-1的活性降低。IRS-1活性降低等于IR激活的靶子损坏，无法连接下游的信号转导分子。问题还不仅仅如此，IRS-1活性降低还引起PI3活性下降,使得GULT4转运葡萄糖的能力降低，细胞无法摄取糖，表现出胰岛素抵抗。n由此可见，肥胖本身与糖尿病并没有直接关系，它也是通过一系列信号转导过程最终导致胰岛素抵抗而致病的。其中，血液内FFA的含量，骨骼肌中脂肪的多少，是这条信号转导通路的两个标志。
