第19章 细胞信号转导

信号转导
是生命科学研究领域的研究 热点之一
NIH在2004年确定的今后十年研究重点领域是 Discovery of new cellular signaling pathway
一、信号与信号转导
生物体的新陈代谢和生长发育主要受遗传信息及环境变 化信息的调节控制
如何控制基因的表达及增 殖、分化、发育等是分子生物 egg 学最大挑战。 环境刺激在此过程中起着 caterpillar 重要的调节作用—“细胞信号转 butterfly 导”研究的主要内容。它研究 的中心问题史细胞感受、转导 chrysalis 环境刺激及调节生理反应和基 因表达的分子途径。
第三节 信号转导的分子机理 （以植物为例）
一、异三聚体G蛋白介导的信号转导
Roles of G-protein mediated signaling in plant growth and development and in the responses to environmental stress
钙离子参与的信号转导途径
2、胞内信使系统
（2）肌醇磷脂信使系统
O
O O R1 C O H2C CH H2C O O C O P O OH
2 1
O H2 C O CH H2 C OH O C R2
R1
R2
C
diacylglycerol
O H
6
cleavage by Phospholipase C
Mechanism of hormone action and cyclic AMP
key regulators of the cell cycle Apoptosis
Part 4. 访问 STKE 及SAGE KE
《科学》知识环境 (Science Knowledge Environment)：知识环境
OPO32 H
OPO32
5
H OH
3
OH H
4
OH
2
1
6
OPO32
5
H PIP2 phosphatidylinositol4,5-bisphosphate
H
2
H OH
3 4
OH H
H
OPO3
H
H
IP3 inositol-1,4,5-trisphosphate
H
OPO32
2、胞内信使系统
（2）肌醇磷脂信使系统
其主要实验证据来自于三个方面：
（1）许多胞外信号刺激导致细胞质内Ca2+ 浓度（[Ca2+]cyt） 瞬时的时空变化；
（2）钙离子通道的抑制剂（如La3+等）可抑制由信号刺激 引起的[Ca2+]cyt的时空变化，也抑制了相应的生理生化应答； （3）[Ca2+]cyt的时空变化参与了生长素和ABA的作用。
(Knowledge Environment, KE) 是近《科学》的编辑人员在《科学在线》上
开辟的新服务，专为一些特殊领域的研究人员提供丰富的、互联的、可检索 的信息和知识资源；包括读者自己的虚拟电子刊物、研究人员的网上社区和
研究所需的资源等。
目前已经运行的知识环境有两个：“信号转导”(Signal Transduction Knowledge Environment， 简称STKE) 和“衰老科学”(Science of Aging Knowledge Environment，简称SAGE KE)
Protein Phosphatase
Protein kinases and phosphatases are themselves regulated by complex signal cascades. For example: Some protein kinases are activated by Ca++-calmodulin. Protein Kinase A is activated by cyclic-AMP (cAMP).
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
serine (Ser)
H H3N+ C CH2 OH COOBaidu Nhomakorabea
threonine (Thr)
H H 3N
+
C
COO

CH OH CH3
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
Protein Kinase
Protein OH + ATP Protein O O P O Pi H2O O + ADP
的细胞外结构域、将受体固定在细 胞膜上的跨膜结构域和起传递信号
作用的胞内结构域三部分构成。这
些受体通常是跨膜蛋白质。然而， 也有一些受体可以通过聚糖磷脂酰
肌醇(GPI)键挂在细胞膜上。
1、受体(Receptor)
• 受体的分类
（2）细胞内受体：与上述几种膜 受体不同，一些信号分子（配基） （如多肽激素、生长因子等）的受 体是细胞内受体，它或者在细胞质 中，或者在细胞核中。脂溶性的信 号分子可以通过扩散方式穿过细胞 膜，直接进入细胞内；信号分子也 可以借助于某些载体蛋白进入细胞
• 信号转导（Transduction stage）:
– 信号的转换：即将信号分子转化为一种能产生特异性细 胞应答的形式。
– 信号转导通常需要一系列不同分子的参与，呈现级联放 大形式
2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：
• 应答（Response）:
– 被转导的信号引发(triggers) 特异的生理生化过程的改变
1、受体(Receptor)
• 植物细胞膜受体的种类
③ 离子通道型受体
2、胞内信使系统
• 第二信使（second messenger）： 当细胞感知胞外信号刺激后，在受体 细胞内常产生一些次级信号分子，从 而将细胞外信息转换为细胞内信息
2、胞内信使系统
信号的级联放大
2、胞内信使系统
（1）钙与钙调素
2、胞内信使系统
（3）环核苷酸信号系统（cAMP）
• 当信号分子与特异性受体蛋白结合 后，活化了腺苷酰环化酶（膜蛋白） • cAMP 作为第二信使活化 protein kinase A, a serine/threonine kinase. • 类似：cGMP
2、胞内信使系统
（4）蛋白质的磷酸化/去磷酸化系统
（5）细胞死亡信号—这是细胞一生中发出的最悲壮、最惨烈的信号。这类信 号一旦发出，为了维护多细胞生物的整体利益和生物种系的最高利益，就在 局部范围内和一定数量上发生细胞的利他性自杀死亡！
二、信号转导系统的特征
2、信号转导途径的特性：
（1）信号转导分子存在的暂时性 （2）信号转导分子活性变化的可逆性 （3）信号转导分子激活机制的类同性 （4）信号转导途径的连贯性 （5）作用的瞬时性与效果的永久性 （6）信号转导的网络化
Year 2000 1999 1998 1994 1992 1971
2001 2002
Recipient A. Carlsson, P. Greengard, E. Kandel G. Blobel R. Furchgott, L. Ignarro, F. Murad A. Gilman, M. Rodbell E. Fischer, E. Krebs E.W. Sutherland
一、信号与信号转导
1、信号及信号转导途径的基本概念
• 信号（signal）:是指在生物体生长发育过程中所受到的各种 刺激，又称为初级信使（primary messenger）
• 信号的分类
来 胞 外 信 号
源 胞 内 信 号
分子性质
化 学 信 号 物 理 信 号
一、信号与信号转导
• 信号转导 ：当受体细胞通过存 在于细胞表面或细胞内的某些 分子(受体)感受胞外信号或胞 内信号后，胞外信号转变为胞 内信号并通过一系列胞内信号 转导途径的组分，最终引起相 应基因表达的改变和特定的生 理生化响应（responses）。
2、细胞信号转导分为三个阶段（时期）：
• 感受（Perception）:
即靶细胞（target cell）对来自于胞外的信号分子应答 （检测）。通常是通过位于细胞质膜上的蛋白质分子（称为 受体）所感知。当信号分子与受体蛋白特异性相互作用（结 合）后，引起后者发生某种变化（活性或构象等），进而下 游的信号转导过程。
L. H. Hartwell, R. T. Hunt, P. M. Nurse S. Brenner, H. R. Horvitz, J. E. Sulston
Prize M&P M&P M&P M&P M&P M&P
M&P M&P
Area of Research Signal transduction in the nervous system Signal hypothesis of protein translocation Role of NO as cellular messenger Structure and function of GTP-binding(G) proteins Alteration of enzyme activity phosphorylation/dephosphorylation by
• 受体的基本特征
（1）能识别和结合信号分子，具有专一性； （2）能转导信号为细胞反应，产生特定的生理生化效应； （3）具有组织特异性； （4）对配基具有高亲和性； （5）与配基结合具有饱和性和可逆性。
1、受体(Receptor)
• 受体的分类
（1）膜受体：这类受体存在于细
胞质膜上，通常由与配体相互作用
（3）使细胞能够对信号产生特定响应，并作出功能上 或发育上决定（如基因转录、DNA复制和能量代谢等） 的有效方法； （4）将细胞一生所作出的所有决定加以联网的方法， 这样，细胞才能对在任何特定时刻作用于它的且种类繁 多的信号作出协同响应。
1、受体(Receptor)
• 受体的概念
受体是指存在于细胞内或细胞表 面，能与信号分子或称配基（ligand） 特异结合并能引起特定生理生化效应 的一类特殊的蛋白质。
N
Signal Receptor
?
?
? ?
?
Responses
?
Transcription
（7）信号转导的专一性
第二节 信号转导途径的基本组成成分
信号转导系统的各种要素
（1）接受细胞外信号刺激并将它们转换成细胞内信号 的成分；
（2）有序地激活一个或者有限几个“唱主调”的信号 转导途径，以诠释细胞内的信号；
本章讲课要点
• 了解信号转导的基本概念 • 掌握构成信号转导途径的基本要素及其特点
• 掌握信号转导的分子机理
• 了解信号转导研究的最新进展及发展趋势 学习方法：课堂讲授与课后自学相结合 课时安排：2学时
第一节 引言
图1 近30年来公开发表的与细胞信号转导相关的论文变化趋势
Table1 Nobel prizes awarded for research in signal transduction
内。在细胞内，它们与相关受体结
合，并直接作用于靶分子。
1、受体(Receptor)
• 植物细胞膜受体的种类
① 类受体蛋白激酶（receptor-like protein kinases, RLKs）
1、受体(Receptor)
• 植物细胞膜受体的种类
② G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）
衰老
生物大分子的
结构与功能
机体结构
物质代谢
能量代谢
细胞增殖
细胞分化
细胞凋亡
细胞信号转导
染色体
第十九章 Cell Signal Transduction 细胞信号转导
参考文献
• Bruce Alberts et al. Molecular biology of the cell. (Fourth edition) Garland Science, Taylor and Francis Group, 2002 • 孙大业等编著 细胞信号转导（第3版）科学出版社 2001 • G Krauss著（孙超等译） 信号转导与调控的生物化学（第3 版）化学工业出版社 2005 • 网络资源
因此，细胞信号转导过程可有助于一些关键性细
胞活性在恰当的时间、适合的细胞以及与其它细胞协
调地发生。
一、信号与信号转导
3、信号的归宿：
（1）细胞代谢信号—它们使细胞摄入并代谢营养物质，提供细胞生命活动所 需要的能量； （2）细胞分裂信号—它们使与DNA复制相关的基因表达，调节细胞周期，使 细胞进入分裂和增殖阶段； （3）细胞分化信号—它们使细胞内的遗传程序有选择地表达，从而使细胞最 终不可逆地分化成为有特定功能的成熟细胞； （4）细胞功能信号—如激素、蛋白、核苷酸等，使细胞能够进行正常的代谢 活动等；