2012年临床助理医师考试辅导：信号转导

　　第一节　细胞信号的概况

　　一、细胞外信号分子的识别

　　在多细胞高等生物体内，细胞间的相互影响是通过信号分子实现的，信号分子包括蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、类固醇、脂肪酸衍生物和一些溶于水的气体分子，如一氧化碳、一氧化氮等。这些信号分子大多数由信号细胞(signaling cells)分泌产生，有些是通过扩散透过细胞膜释放，有些则是和细胞膜紧密结合，需要通过细胞接触才能影响到和信号细胞相接触的其他细胞。

　　信号分子对靶细胞的作用都是通过一类特异的蛋白质――受体实现的，受体能特异地识别信号分子。靶细胞上的受体大多数是跨膜蛋白质(transmembrane proteins)，当受体蛋白和细胞外信号分子(也称配体ligand)结合后就被激活，从而启动靶细胞内信号转导系统的级联反应(cascade)。有些受体位于细胞内，信号分子必须进入细胞才能与受体结合，并使受体激活，这些信号分子都是分子量很小而且是脂溶性的，能扩散通过细胞膜进入细胞。

　　二、分泌性信号分子作用途径

　　旁分泌(paracrine)

　　由细胞分泌的信号分子只是作为局部的介导物，作用于邻近的靶细胞，称为旁分泌。旁分泌的信号分子由细胞分泌后，不能扩散至较远的距离，这种信号分子很快地被邻近的靶细胞摄入，或被细胞外酶降解。

　　突触(synapses)

　　在较高等的多细胞生物体内，神经细胞(或神经元)能通过轴突与相距较远的靶细胞接触。当神经细胞在接受来自环境或其他神经细胞的信号而被激活后，就能沿轴突传输电脉冲，脉冲到达轴突末端的神经末梢时，就能刺激末梢分泌神经递质(neurotransmitter)。神经末梢在化学突触和突触后靶细胞接触并释放神经递质给靶细胞。

　　内分泌

　　能分泌激素的信号细胞称为内分泌细胞，内分泌细胞产生的激素进入血液再到达分布于生物体其他部位的靶细胞。内分泌信号与突触信号相比，前者因通过血液扩散故速度慢，后者不仅速度快而且精确。

　　自分泌(autocrine)

　　有一种信号途径是联系同一种细胞，或信号的靶细胞就是产生信号的细胞本身，这叫自分泌。在生物体发育和分化过程中，一旦某一细胞已定向分化，这个细胞就能分泌自分泌信号分子来增强这种特异的分化过程，因此自分泌信号被认为可能是生物体早期发育阶段以“群落效应”(community effect)为基础的机制。

　　间隙连接(gap junction)

　　一种能使邻近细胞协同的信号分子作用途径是通过间隙连接。这种直接使细胞膜连接的通道能使细胞间交换一些小分子的细胞内信号分子，如Ca2+和环腺苷酸(cAMP)等，但大分子信号分子不能通过。

　　第二节　细胞膜受体的类型

　　受体是位于细胞膜或细胞内的一类特殊的蛋白质，可特异地识别信号分子并与之结合，从而启动细胞内信号转导系统的级联反应。根据在细胞中的位置，受体可以分为细胞膜受体与细胞内受体。细胞膜受体蛋白占细胞总蛋白质量的比例很小，仅0.01％，因此很难纯化。由于重组DNA技术的发展，可以对受体蛋白的基因进行克隆，这就极大地促进了对受体蛋白的研究。细胞膜受体蛋白有三种类型：离子通道偶联受体(ion-channel coupled receptors)、G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors)、酶偶联受体(enzyme coupled receptors)。膜受体作为信号转导体，能以高亲和力与细胞外的信号分子结合，再将细胞外信号转变为细胞内一个或多个信号，从而改变细胞的生物行为。

　　一、离子通道偶联受体

　　离子通道偶联受体参与电兴奋细胞间的突触信号快速传递，这类信号由一部分神经递质介导。神经递质与受体结合后，能改变受体的结构，使离子能通过由受体蛋白构成的通道，进入突触后细胞，改变突触后细胞的兴奋性。

　　二、G蛋白偶联受体

　　G蛋白偶联受体间接地调节其他膜结合的靶蛋白，这些靶蛋白可以是酶或是离子通道。受体与靶蛋白之间的联系是通过GTP结合调节蛋白(简称G蛋白)实现的。如果靶蛋白是酶，那么靶蛋白的激活就能改变细胞内与信号转导有关的分子的浓度；如果靶蛋白是离子通道，那么就能改变细胞膜对离子的通透性。

　　三、酶偶联受体

　　酶偶联受体与信号分子结合后，受体蛋白本身就能发挥酶的功能，或激活与受体相关的其他酶蛋白。这类受体的配体结合部位在细胞外，催化部位在细胞内，如图17-4所示。这类受体的酶活性主要是蛋白激酶活性，或与蛋白激酶相关的活性，催化靶细胞内与信号转导有关的蛋白质磷酸化。

　　第三节　通过G蛋白偶联受体介导的信号转导系统

　　一、G蛋白偶联受体家族

　　G蛋白偶联受体是一类最大的细胞膜受体家族，在哺乳动物中已发现百余种这类受体。此家族受体能与许多种信号分子结合，包括激素，神经递质和局部介导物质。从化学结构上看，信号分子可以是蛋白质、小肽、氨基酸和脂肪酸的衍生物等。相同的信号分子可以结合和激活此受体家族中的不同成员；例如肾上腺素至少能和9种G蛋白偶联受体结合，并使之激活。从结构上看，此受体家族成员十分相似，都是只有一条多肽链的跨膜蛋白，跨膜部分由肽链7个不连续的肽段组成，如图17-5所示。此受体家族从生物进化角度来说，不仅在蛋白质结构上是保守的，而且在功能上也是保守的。因为无论是在单细胞生物，还是在多细胞生物，它们都能接受细胞外信号，然后再转导给G蛋白。

　　二、三聚体GTP-结合蛋白(trimeric GTP-binding proteins，G 蛋白)

　　G蛋白是一类与GTP或GDP结合、具有GTP酶活性的位于细胞膜胞质面的膜蛋白，其活性状态取决于结合的是GTP还是GDP。当与GTP结合时，G蛋白具有活性；与GDP结合时不具活性。具有活性的G蛋白能激发细胞内信号转导系统的其他成分。G蛋白可分为两类，一类是作为细胞外信号转导体的三聚体GTP-结合蛋白，一类是在细胞内信号间起作用的单体GTP-结合蛋白(也称单体GTP酶)。一般将三聚体GTP-结合蛋白简称为G蛋白，由三个不同的亚基组成，分别是α亚基、β亚基、γ亚基。

　　G蛋白有许多种，常见的有激活腺苷酸环化酶的激动型G蛋白(stimulatory G protein,Gs)、抑制腺苷酸环化酶的抑制型G蛋白(inhibitory G protein,Gi)和激活磷脂酶C-β(phospholipase C-β，一种特异作用于肌醇磷脂的磷脂酶C)的Gq等。G蛋白同时具有GTP酶活性，水解与G蛋白结合的GTP为GDP，从而使G蛋白失活。

　　三、第二信使(second messengers)

　　多数G蛋白偶联受体能激活反应链，改变一种或数种细胞内小的信号分子的浓度，通过这些小的信号分子进一步将信号下传，如cAMP、Ca2+、IP3和DG等，通常将这一类在细胞内传递信号的小分子化合物称为第二信使。cAMP和Ca2+是两种了解比较全面的细胞内信使，在大多数动物细胞中，两种不同的反应途径刺激这两种细胞内信使浓度的改变，大多数G蛋白偶联受体是只调节其中一条信号转导途径。

　　四、通过cAMP的信号转导系统

　　(一)受体通过调节腺苷酸环化酶来控制cAMP浓度

　　作为一种细胞内信使，cAMP浓度的变化相当快，在细胞对激素的反应中，几秒钟内cAMP的浓度变化达5倍以上。这种快速反应的机制是通过两种酶实现的，腺苷酸环化酶和cAMP磷酸二酯酶。腺苷酸环化酶的底物是ATP，产物是cAMP，此酶是一种细胞膜结合蛋白。磷酸二酯酶能快速水解cAMP，产生5’-AMP，如图17-7所示。细胞外信号主要通过改变腺苷酸环化酶的活性而不是磷酸二酯酶的活性来控制cAMP的水平。不同的激素和靶细胞膜上的相应受体结合后，有些通过Gs蛋白激活腺苷酸环化酶、升高细胞内cAMP浓度，如促甲状腺素、促肾上腺皮质激素、促黄体生成素、肾上腺素、甲状旁腺素、胰高血糖素、抗利尿激素等；有些通过Gi蛋白抑制腺苷酸环化酶，能降低细胞内cAMP浓度。α2―肾上腺素能受体与Gi蛋白偶联，β肾上腺素能受体与Gs蛋白偶联，因此肾上腺素和受体结合后通过与不同类型的G蛋白，刺激或抑制腺苷酸环化酶，从而控制细胞内cAMP浓度。

　　(二)G蛋白偶联受体到腺苷酸环化酶激活的机制

　　在G蛋白介导的信号转导中，一方面G蛋白可以通过GTP酶活性水解GTP为GDP，重新形成不具活性的三聚体G蛋白，使得G蛋白的信号传递及时终止，有利于G蛋白接收下一次信号。另一方面，当信号分子长期存在时，一类特定的G蛋白偶联受体激酶(G-protein coupled receptor kinases, GRK)使得G蛋白偶联受体羧基端的多个丝氨酸残基发生磷酸化，从而受体与G蛋白介偶联；同时捕获蛋白(arrestin)可以识别并结合磷酸化的受体，阻断受体与G蛋白之间的相互作用。

　　(三)cAMP依赖的蛋白激酶介导cAMP效应

　　在动物细胞，cAMP主要通过激活cAMP依赖的蛋白激酶(简称蛋白激酶A，protein kinase A, PKA)发挥其生物效应。PKA催化ATP分子上末端磷酸基团转移到选择性靶蛋白上特异的丝氨酸残基或苏氨酸残基上，被共价磷酸化修饰的氨基酸残基进而调控该靶蛋白的活性。无活性状态的PKA具有两个相同的催化亚基和两个相同的调节亚基，调节亚基能结合cAMP。当cAMP和调节亚基结合后，该亚基的构象发生变化，使调节亚基从酶分子上解离下来，释出的催化亚基激活，催化底物蛋白质分子的磷酸化，如图17-9所示。肾上腺素与骨骼肌细胞膜上的β-肾上腺素能受体结合后，通过Gs蛋白使细胞内腺苷酸环化酶激活，cAMP浓度升高，cAMP激活PKA，PKA使两种酶磷酸化，一种是磷酸化酶激酶，此酶因磷酸化而被激活并激活糖原磷酸化酶，最后使糖原分解。另一种被PKA磷酸化的酶是糖原合成酶，该酶因磷酸化而失活。因此通过这两种酶的作用，即促进糖原分解和抑制糖原合成，使得血糖水平升高。在有些动物细胞cAMP浓度的提高能激活一些特异基因的转录。如在能分泌一种叫生长激素释放抑制激素(somatostatin或GHRIH)的细胞中(下丘脑和胰腺δ细胞)，cAMP能使编码该激素的基因开放。这类基因的调控区有一短序列的顺式元件，称为cAMP反应元件(cAMP response element，CRE)，能识别CRE的转录因子称为CRE结合蛋白，简称CREB。CREB被PKA磷酸化并与CRE结合后，就能促进有关基因的转录。

　　cAMP的生物效应是一过性的，因为细胞内有一种机制能使被PKA磷酸化的蛋白质去磷酸化，丝氨酸/氨酸磷蛋白磷酸酶催化去磷酸化反应。

　　五、通过Ca2+的信号转导系统

　　Ca2+作为细胞信号在许多细胞反应中发挥作用，如细胞增殖、分泌、肌肉收缩和细胞骨架的重排等。胞质内Ca2+浓度很低，小于10-7M，远远低于细胞外液的Ca2+浓度。细胞的内质网、线粒体、肌浆网是细胞内Ca2+的储存库。许多信号分子引起细胞外液Ca2+内流或亚细胞器中Ca2+释放，使得胞质内Ca2+迅速升高，调节各种生命活动。Ca2+信号有两条途径：一条途径在神经细胞中存在，当细胞膜去极化(depolarization)时导致Ca2+流入神经末梢，启动神经递质分泌，有关这方面内容将在生理学中详细介绍；另一条途径是细胞外信号与G蛋白偶联受体结合后，信号转导至内质网，使内质网内的Ca2+释放到细胞质，由细胞质Ca2+控制细胞反应。

　　(一)通过G蛋白偶联受体激活肌醇磷脂信号途径

　　肌醇磷脂(inositol phospholipid)位于细胞膜磷脂双分子层的内层。与信号转导有关的肌醇磷脂是磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol，PI)的磷酸化衍生物：PI一磷酸 (PIP)和PI二磷酸(PIP2)。PI，PIP2及肌醇三磷酸(inositol trisphosphate，IP3)之间的关系见图17-11。细胞外信号分子结合并激活受体后，使G蛋白激活，Gq蛋白激活与细胞膜附着的磷脂酶C-β，然后磷脂酶C-β使PIP2裂解。产生两种分子：IP3和二脂酰甘油(diacylglycerol，DG)，两者都在信号转导中起重要作用。通过肌醇磷脂信号途径作用的细胞外信号有激素，如血管加压素(vasopressin)；有神经递质，如乙酰胆碱(作用于胰腺和平滑肌)；有抗原(作用于肥大细胞)；有凝血酶(作用于血小板)等。

　　(二)IP3和DG的作用

　　由PIP2水解产生的IP3是水溶性的小分子物质，离开细胞膜后能在细胞质内很快地扩散， IP3与内质网膜上的特异Ca2+-通道结合后，就能使内质网腔里的Ca2+释放到细胞质，而且释放的Ca2+具有正反馈效应，即释出的Ca2+结合到Ca2+通道，再促进Ca2+释放。

　　DG的重要作用是激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)，PKC是一类Ca2+依赖的蛋白激酶，能使选择性的靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。因IP3作用升高的细胞质内Ca2+能使PKC从细胞质转移到细胞膜胞质面。在Ca2+，DG和细胞膜磷脂成分中的磷脂酰丝氨酸的共同作用下激活PKC。哺乳动物中脑细胞的PKC浓度最高，其作用是使神经细胞的离子通道蛋白磷酸化，从而改变神经细胞膜的兴奋性。在许多细胞中，PKC能通过激活磷酸化级联反应，最后使一些转录因子磷酸化并激活，从而调控相关基因的表达。

　　(三)钙调蛋白的作用

　　钙调蛋白(calmodulin)是一种特异的Ca2+结合蛋白，几乎在所有的真核细胞中都存在。作为细胞内Ca2+受体，钙调蛋白介导多种由Ca2+调节的生物过程。钙调蛋白的一级结构高度保守，只有一条多肽链，约含150个氨基酸残基，有4个高亲和力钙结合部位，与Ca2+结合后构象会发生改变。Ca2+通过别构作用激活钙调蛋白。Ca2+-钙调蛋白复合物的作用是能与多种靶蛋白结合并改变靶蛋白的活性。这些靶蛋白有各种酶和细胞膜上的转运蛋白，例如细胞膜上的Ca2+-ATP酶(使胞质内Ca2+泵出细胞)。但是Ca2+-钙调蛋白的效应主要是通过Ca2+-钙调蛋白依赖的蛋白激酶(CaM激酶)的介导来实现的。CaM激酶也是通过使靶蛋白上特异的丝氨酸或苏氨酸的磷酸化激活靶蛋白。CaM激酶具有较广的特异性，这也说明这类酶在动物细胞中介导Ca2+的多种作用。

　　六、cAMP和Ca2+途径的相互作用

　　cAMP细胞内信号途径和Ca2+细胞内信号途径虽然是两条独立的途径，但相互之间也有作用。第一，细胞内Ca2+水平和cAMP水平能相互影响，如直接与cAMP水平有关的腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶都受到Ca2+-钙调蛋白复合物的调节。PKA能磷酸化一些Ca2+通道和Ca2+泵，使它们改变活性，例如PKA能磷酸化内质网上的IP3受体，启动或抑制IP3引起的Ca2+释放。第二，直接受Ca2+和cAMP调控的酶之间能相互影响，如有些CaM激酶能被PKA磷酸化而改变活性。第三，这些酶能共同对一些靶分子产生相互作用，在这种情况下，是PKA和CaM激酶分别使一些蛋白质的不同部位磷酸化。

　　第四节　酶偶联受体介导的信号转导系统

　　酶偶联受体和G蛋白偶联受体一样也是一类跨膜蛋白质，与细胞外信号分子结合的结构域在细胞膜外，细胞内的胞质结构域本身即具有酶活性，或直接与其他酶相关联。已知有5种类型酶偶联受体：①受体鸟苷酸环化酶(receptor guanylyl cyclases)；②受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases)；③酪氨酸激酶相关受体(tyrosine-kinase associated receptors)；④受体酪氨酸磷酸酶(receptor tyrosine phosphatases)；⑤受体丝氨酸/氨酸激酶(receptor serine/hreonine kinases)。本章只介绍前三种酶偶联受体介导的信号转导系统。

　　一、受体鸟苷酸环化酶信号转导系统

　　这类受体与细胞外信号分子结合后，能催化细胞质内cGMP的生成，因该跨膜受体的胞质结构域具有鸟苷酸环化酶活性，催化GTP生成cGMP，cGMP再激活cGMP依赖的蛋白激酶(cGMP dependent protein kinase，G激酶)，G激酶能使靶蛋白上的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，激活靶蛋白。在此信号转导系统中，cGMP是细胞内信号分子。与cAMP信号不同之处是：在cAMP信号途径中联系受体与环化酶的是G蛋白，而在cGMP信号途径中此联系通过受体本身。但在某些细胞中，如视觉细胞，cGMP的生成也通过G蛋白。通过受体鸟苷酸环化酶途径的细胞外信号，有心钠素等。

　　二、受体酪氨酸激酶信号转导系统

　　(一) 受体酪氨酸激酶

　　第一个被确认具有酪氨酸特异的蛋白激酶活性的受体是表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)受体。EGF受体只有一条肽链，约有1200个氨基酸残基。当EGF与EGF受体结合后，受体的细胞质酪氨酸激酶结构域即被激活，激活的酪氨酸激酶能选择性地使受体蛋白本身的酪氨酸残基或其他靶蛋白上的酪氨酸残基磷酸化。现已发现，大多数生长因子和分化因子的受体都属这一类受体，这些受体都可以通过自身磷酸化(auto-phosphorylation)来启动细胞内信号的级联反应。

　　(二)受体酪氨酸激酶信号转导系统中的其他成分

　　1．具有SH结构域的蛋白质这类蛋白质不是指含有SH基团(巯基)的蛋白质，而是指最初在Src(一种癌基因)蛋白中发现的一段序列，SH是Src同源性(Src homology)的缩写。已发现有许多种含有SH结构域的蛋白质，如GTP酶激活蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，磷脂酶C-γ(PLC-γ作用与PLC-β相同)，类Src非受体型蛋白酪氨酸激酶Src-like nonreceptor protein tyrosine kinase )，IRS-1等。这些蛋白质都具有两种SH结构域――SH2和SH3。SH2能识别磷酸化的酪氨酸残基，使含有SH2的蛋白质与激活的受体酪氨酸激酶结合。SH3的作用是与细胞内其他蛋白质结合。在具有SH2和SH3的蛋白质中有些是酶蛋白，如上述GAP，PLC-γ等，有的只是作为一种“连接器”，如生长因子受体结合蛋白(growth factor receptor bound protein2, GRB2)，它的作用就是作为连接受体酪氨酸激酶和其他蛋白质的桥梁。

　　2．SOS蛋白(简称SOS)SOS能与GRB2的SH3结构域结合，SOS是一种鸟嘌呤核苷酸交换因子(guanine nucleotide-exchange factor ，GEF)，能与Ras蛋白结合，并使原来与Ras结合的GDP交换成GTP。当受体酪氨酸激酶被激活后，通过GRB2的作用；使原来在细胞质中的SOS移位至细胞膜的胞质面，接近膜结合的Ras。

　　3．Ras蛋白(简称Ras)Ras属于单体GTP酶Ras超家族(Ras superfamily of monomeric GTPase )，是位于细胞膜胞质面的膜结合蛋白。GTP酶激活蛋臼(GAP)能使与Ras结合的GTP水解成GDP而使Ras失活，而鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)能使与Ras结合的GDP交换为GTP而使Ras激活。Ras在通过受体酪氨酸激酶介导的信号转导中发挥中心作用，是一种关键的成分，这种信号转导控制细胞的生长和分化。Ras的突变使其失去信号转导作用，能引起细胞的恶变。

　　4．Ras下游的信号介导物被激活的Ras能结合一种具有丝氨酸/氨酸激酶活性的Raf蛋白的N端结构域。与Ras结合的Raf能藉C端结合并磷酸化一种既具有酪氨酸激酶活性又具有丝氨酸激酶活性的蛋白质――MEK。被磷酸化的MEK能使另一种具有丝氨酸/氨酸激酶的蛋白质――MAP激酶(microtubule-associated protein or mitogen-activated protein kinase )磷酸化，并使之激活。激活的MAP激酶磷酸化多种不同的蛋白质，包括转录因子，从而对基因的表达发挥调控作用。

　　三、酪氨酸激酶相关受体信号系统

　　JAK-STAT信号转导途径是酪氨酸激酶相关受体信号转导系统中一个比较典型的例子。这是一种比较简单的信号系统，只有三种成分：受体、JAK激酶和STAT。

　　(一) 酪氨酸激酶相关受体

　　这类受体包括多种细胞因子(cytokines)的受体，如干扰素受体，白细胞介素2受体等。这类受体本身不具有内在的激酶活性，但是细胞外信号分子与之结合后，能形成二聚体，受体二聚体能与JAK激酶结合，并激活JAK激酶。

　　(二) JAK激酶

　　JAK激酶是一族分子，有多种成员，每种成员能特异地和相应的细胞因子受体结合。JAK激酶原来称为Janus激酶(Janus意为看守门户的两面神)，因为这种分子上有两个激酶结构域。JAK激酶属酪氨酸激酶，主要的底物是STAT。

　　(三) STAT

　　STAT是一类转录因子，是signal transducers and activation of transcription的缩写。目前已知至少有7种STAT，每种STAT分别由相应的JAK激酶激活。STAT的磷酸化导致STAT二聚体的形成，这种二聚体可以是同二聚体或异二聚体。形成二聚体的基础是分别存在于两个STAT上的SH2结构域和磷酸化的酪氨酸残基之间的相互作用。STAT二聚体从细胞质转移到细胞核内，和相应的顺式作用元件结合，调控靶基因的表达。

　　第五节 过细胞内受体介导的信号转导系统

　　小分子脂溶性(疏水性)的细胞外信号分子有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸类、维生素D等。这类信号分子虽然在结构上差异很大，但是信号转导的机制是相同的。这些脂溶性分子都能直接扩散通过细胞膜进入细胞质或细胞核，与细胞内受体蛋白结合，并激活受体，最后通过受体去调控基因的表达，因此这类细胞内受体是一类反式作用因子。这类受体称为细胞内受体超家族(intracellular receptor superfamily )或类固醇激素受体超家族(steroid-hormone receptor superfamily )。

　　一、细胞内受体的结构域

　　这类受体都有两个结构域，即DNA结合结构域，激素结合结构域和一个变区。同受体的DNA结合结构域显示较高的一级结构同源性，激素结合结构域的同源性低一些，变区的一级结构则不具同源性。变区含有激活结构域，DNA结合结构域具有4个半胱氨酸残基的锌指结构。细胞内受体借DNA结合结构域与相应的靶基因上的反应元件结合。

　　二、脂溶性细胞外信号分子调控基因表达的机制

　　糖皮质激素透过细胞膜进入细胞后与糖皮质激素受体结合，受体结合激素后被激活，激活的受体进入细胞核识别结合糖皮质激素反应元件(GRE位于增强子内)，当激素-受体复合物与增强子结合后就激活启动子，启动转录。其他脂溶性激素的作用机制基本相同。