生物化学第三节 细胞受体介导的细胞内信号转导

导

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不同信号转导分子的特定组合及有序的相互作用，构成不同的信号转导通路。因此，对信号转导的了解，关键是各种信号转导通路中信号转导分子的基本组成、相互作用及引起的细胞应答。

目前将各种细胞内受体归为一类；而依据结构、接收信号的种类、转换信号方式等差异，膜表面受体则分为三种类型：离子通道受体、GPCR(七跨膜受体)和酶偶联受体（单跨膜受体）(表19-5)。每种类型受体都有许多种，各种受体激活的信号转导通路由不同的信号转导分子组成，但同一类型受体介导的信号转导具有共同的特点。本节以几类受体所介导的一些典型信号转导通路为例，介绍细胞内信号转导的基本特点。

表19-5 三类膜受体的结构和功能特点

一、细胞内受体通过分子迁移传送信号

位于细胞内的受体多为转录因子。当与相应配体结合后，能与DNA的顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。在没有激素存在时，受体往往与具有抑制作用的蛋白质分子（如热激蛋白）形成复合物，阻止受体与DNA的结合。没有结合信号分子的胞内受体主要位于胞质中，有一些是在细胞核内。 能与该型受体结合的信号分子有类固醇激素、甲状腺激素、维甲酸和维生素D等。当激素进入细胞后，如果其受体是位于细胞核内，激素被运输到核内，与受体形成激素-受体复合物。如果受体是位于胞质中，激素则在胞质中结合受体，导致受体的构象变化，与热激蛋白分离，并暴露出受体的核内转移部位及DNA结合部位，激素．受体复合物向核内转移，穿过核孔，迁移进入细胞核内，并结合于其靶基因邻近的激素反应元件上。结合于激素反应元件的激素

一受体复合物再与位于启动子区域的基本转录因子及其他的特异转录调节分子作用，从而开放或关闭其靶基因，进而改变细胞的基因表达谱（图19-6）。不同的激素-受体复合物结合于不同的激素反应元件（表19-6）。

图19-6 细胞内受体结构及作用机制示意图

脂溶性激素受体存在于细胞内，它们通常都是转录因子，分子中具有锌指结构作为其DNA 结合区。在疫有激素作用时，受体与抑制蛋白（热激蛋白）形成复合物，因此阻止了受体向细胞核的移动及其与DNA的结合。当激素与受体结合时，受体构象发生变化，导致热休克蛋白与其解聚，暴露出受体的核内转移部位及DNA结合部位，激素-受体复合物向核内转移，并结合在特异基因的激素反应元件上，诱导相应的基因表达，引起细胞功能改变

表19-6 激素反应元件举例

二、离子通道受体将化学信号转变为电信号

离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体。离子通道是由蛋白质寡聚体形成的孔道，其中部分单体具有配体结合部位。通道的开放或关闭直接受化学配体的控制，称为配体门控受体型离子通道，其配体主要为神经递质。 离子通道受体的典型代表是N型乙酰胆碱受体，由β、γ、δ亚基以及2个α亚基组成。α亚基具有配体结合部位。两分子乙酰胆碱的结合可使通道开放，但即使有乙酰胆碱的结合，该受体处于通道开放构象状态的时限仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态。然后乙酰胆碱与之解离，受体恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备（图19-7）。

图19-7 N型乙酰胆碱受体的结构与功能模式图

乙酰胆碱受体由5个同源性很高的亚基构成，包括2个α亚基，1个β亚基，1个γ亚基和1个δ亚基。每一个亚基都是一个四次跨膜蛋白，跨膜部分为四个α螺旋结构，其中一个是亲水性α螺旋（含较多的极性氨基酸），五个亚基的亲水性α螺旋共同在膜中形成一个亲水性的通道。乙酰胆碱的结合部位位于α亚基上。乙酰胆碱受体可以三种构象存在。两分子乙酰胆碱的结合可以使之处于通道开放构象，但即使有乙酰胆碱的结合，通道开放构象持续的时间仍十分短暂，在几十毫微秒内又回到关闭状态，然后乙酰胆碱与之解离，受体恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备

离子通道受体信号转导的最终效应是细胞膜电位改变。这类受体引起的细胞应答主要是去极化与超极化。可以认为，离子通道受体是通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的。离子通道型受体可以是阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和5-羟色胺的受体；也可以是阴离子通道，如甘氨酸和γ-氨基

丁酸的受体。阳离子通道和阴离子通道的差异是由于构成亲水性通道的氨基酸组成不同，因而通道表面携带有不同电荷所致。

三、G蛋白偶联受体通过G蛋白和小分子信使介导信

号转导

G蛋白偶联受体( GPCR)在结构上为单体蛋白，氨基端位于细胞膜外表面，羧基端在胞膜内侧，其肽链反复跨膜七次，因此又称为七跨膜受体。由于肽链反复跨膜，在膜外侧和膜内侧形成了几个环状结构，分别负责接受外源信号（化学、物理信号）的刺激和细胞内的信号传递，受体的胞内部分可与三聚体G蛋白相互作用。此类受体通过G蛋白向下游传递信号，因此称为G蛋白偶联受体。

框19-1 七次跨膜受体关键信号转导分子——G蛋白的发现

自发现第二信使cAMP后，腺苷酸环化酶(AC)活化的详细机制成为当时最引人入胜的生物化学研究领域。M. Rodbell在1969年首先证明了AC本身不是外源信号的受体，接着发现GTP为AC活化所必需。1971年，A．G．Gilman分离到一种细胞株，该株细胞含有正常的肾上腺素受体和AC，但是却不能在肾上腺素作用下发生cAMP的升高。经细胞膜成分重组，他们发现一种新的GTP结合蛋白质为此信号转导所必需，并最终纯化了该蛋白质，进而证明了G蛋白是受体与AC之间的信号中介分子，由此开辟了认识细胞内近千种G蛋白偶联受体信号转导机制的先河。A．G．Gilman和M. Rodbell分享了1994年诺贝尔生理学／医学奖。

（一）G蛋白偶联受体介导的信号转导通路具有相同的基本模式

不同的G蛋白（不同的αβγ组合）可与不同的下游分子组成信号转导通路。 GPCR介导的信号传递可通过不同的通路产生不同的效应，但信号转导通路的基本模式大致相同，主要包括以下几个步骤或阶段：①细胞外信号分子结合受体，通过别构效应将其激活。②受体激活G蛋白，G蛋白在有活性和无活性状态之间连续转换，称为G蛋白循环(G protein cycle)（图19-8）。③活化的G蛋白激活下游效应分子。不同的d亚基激活不同的效应分子，如AC、PLC等效应分子都是由不同的G蛋白所激活（表19-7）。有的α亚基可以激活AC，称为αs（s代表stimulate）；有的α亚基可以抑制AC，称为αi（代表inhibit)。④G蛋白的效应分子向下游传递信号的主要方式是催化产生小分子信使，如AC催化产生cAMP，PLC催化产生DAG和IP3。有些效应分子可以通过对离子通道的调节改变Ca2+在细胞内的分布，其效应与IP3的效应相似。⑤小分

子信使作用于相应的靶分子（主要是蛋白激酶），使之构象改变而激活。⑥蛋白激酶通过磷酸化作用激活一些与代谢相关的酶、与基因表达相关的转录因子以及一些与细胞运动相关的蛋白，从而产生各种细胞应答反应。

表19-7 哺乳类动物细胞中的Gα亚基种类及效应

图19-8 G蛋白循环

配体激活的受体与G蛋白结合，使之发生构象改变，α亚基与GDP的亲和力下降，因而释放GDP，随即与GTP结合。α亚基结合了GTP后即与βγ亚基解离，成为活化状态的α亚基，能够结合并激活下游的效应分子。而下游分子则可激活α亚基的CTP酶活性，将GTP水解成GDP，α亚基又恢复到原来的构象，从而与效应分子解离，重新与βγ亚基结合形成三聚体，回到静止状态

（二）不同G蛋白偶联受体可通过不同通路传递信号

不同的细胞外信号分子与相应受体结合后，通过G蛋白传递信号，但传人细胞内的信号并不一样。这是因为不同的G蛋白与不同的下游分子组成了不同的信号转导通路。有几条通路是较常见的，本节主要介绍其中3条通路（图19-9）。

图19-9 G蛋白偶联受体介导的信号转导

1．cAMP-PKA通路该通路 以靶细胞内cAMP浓度改变和PKA激活为主要特征(图19- 9)。胰高血糖素、肾上腺素、促肾上腺皮质激素等可激活此通路。PKA活化后，可使多种蛋白质底物的丝／苏氨酸残基发生磷酸化，改变其活性状态，底物分子包括一些糖代谢和脂代谢相关的酶类、离子通道和某些转录因子。

(1)调节代谢：PKA可通过调节关键酶的活性，对不同的代谢途径发挥调节作用，如激活糖原磷酸化酶b激酶、激素敏感脂肪酶、胆固醇酯酶，促进糖原、脂肪、胆固醇的分解代谢；抑制乙酰CoA羧化酶、糖原合酶，抑制脂肪合成和糖原合成。

(2)调节基因表达：PKA可修饰激活转录调控因子，调控基因表达。如激活后进入细胞核的PKA可使cAMP反应元件结合蛋白(CREB)磷酸化。磷酸化的CREB结合于cAMP反应元件( CRE)，并与CREB结合蛋白(CBP)结合。与CREB结合后的CBP作用于通用转录因子(包括TFⅡB)，促进通用转录因子与启动子结合，激活基因的表达。

(3)调节细胞极性：PKA亦可通过磷酸化作用激活离子通道，调节细胞膜电位。

2．lP3/DAG-PKC通路 促甲状腺素释放激素、去甲肾上腺素、抗利尿素与受体结合后所激活的G蛋白可激活PLC。PLC水解膜组分PIP2，生成DAG和IP3。IP3促进细胞钙库内的Ca2+迅速释放，使细胞质内的Ca2+浓度升高。Ca2+与细胞质内的PKC结合并聚集至质膜。质膜上的DAG、磷脂酰丝氨酸与Ca2+共同作用于PKC的调节结构域，使PKC变构而暴露出活性中心。

受PKC磷酸化修饰的蛋白包括一些质膜受体、膜蛋白及多种酶，因此，PKC可参与多种生理功能的调节。此外，PKC能使立早基因(immediate-early gene)的转录调控因子磷酸化，加速立早基因的表达。立早基因多数为细胞原癌基因（如c-fos），其表达产物经磷酸化修饰后，进一步活化晚期反应基因并促进细胞增殖。

3．Ca2+/钙调蛋白依赖的蚤白激酶通路 G蛋白偶联受体至少可通过三种方式引起细胞内Ca2+浓度升高：某些G蛋白可以直接激活细胞质膜上的钙通道，或通过PKA激活细胞质膜的钙通道，促进Ca2+流入细胞质；或通过IP3促使细胞质钙库释放Ca2+。

胞质中的Ca2+浓度升高后，通过结合钙调蛋白传递信号。Ca2+／CaM复合物

2+

的下游信号转导分子是一些蛋白激酶，它们的共同特点是可被Ca/CaM复合物激活，因而统称为钙调蛋白依赖性蛋白激酶。钙调蛋白依赖性激酶属于蛋白丝／苏氨酸激酶，如肌球蛋白轻链激酶( MLCK)、磷酸化酶激酶( PhK)、钙调蛋白依赖性激酶(Cal-PK)I、Ⅱ、Ⅲ等。这些激酶可激活各种效应蛋白，可在收缩和运动、物质代谢、神经递质的合成、细胞分泌和分裂等多种生理过程中起作用。如Cal-PKⅡ可修饰激活突触蛋白I、酪氨酸羟化酶、色氨酸羟化酶、骨骼肌糖原合酶等，参与神经递质的合成与释放以及糖代谢等多种细胞功能的调节。

四、酶偶联受体主要通过蛋白质修饰或相互作用传

递信号

酶偶联受体主要是生长因子和细胞因子的受体。此类受体介导的信号转导主要是调节蛋白质的功能和表达水平、调节细胞增殖和分化。

（一）蛋白激酶偶联受体介导的信号转导通路也具有相同的基本模式 蛋白激酶偶琛受体介导的信号转导通路较复杂。细胞内的蛋白激酶有许多种，不同蛋白激酶组合成不同的信号转导通路。各种通路的具体作用模式虽有差别，但基本模式大致相同，主要包括以下几个阶段：①胞外信号分子与受体结合，导致第一个蛋白激酶被激活。这一步反应是“蛋白激酶偶联受体”名称的由来。“偶联”有两种形式。有的受体自身具有蛋白激酶活性，此步骤是激活受体胞内结构域的蛋白激酶活性。有些受体自身没有蛋白激酶活性，此步骤是受体通过蛋白质·蛋白质相互作用激活某种蛋白激酶。②通过蛋白质-蛋白质相互作用或蛋白激酶的磷酸化修饰作用激活下游信号转导分子，从而传递信号，最终仍是激活一些特定的蛋白激酶。③蛋白激酶通过磷酸化修饰激活代谢途径中的关键酶、转录调控因子等，影响代谢通路、基因表达、细胞运动、细胞增殖等。

（二）几种常见的蛋白激酶偶联受体介导的信号转导通路

目前已发现的蛋白激酶偶联受体介导的信号转导通路有十几条，本节介绍几条较常见的通路。

1．MAPK通路 以丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)为代表的信号转导通路称为MAPK通路，其主要特点是具有MAPK级联反应。MAPK至少有12种，分属于ERK家族、p38家族、JNK 家族。这3条信号转导通路的组成和信号转导的细胞内效应见图19 -10。

图19-10 蛋白激酶偶联受体介导信号转导的MAPK途径

在不同的细胞中，MAPK通路的成员组成及诱导的细胞应答有所不同。其中了解最清楚的是Ras/MAPK通路（图19 -11）。Ras/MAPK通路转导生长因子，如表皮生长因子(ECF)信号，其基本过程是：①受体与配体结合后形成二聚体，激活受体的蛋白激酶活性；②受体自身酪氨酸残基磷酸化，形成SH2结合位点，从而能够结合含有SH2结构域的接头蛋白Grb2；③Grb2的两个SH3结构域与SOS分子中的富含脯氨酸序列结合，将SOS活化；④活化的SOS 结合Ras蛋白，促进Ras释放GDP、结合GTP;⑤活化的Ras蛋白(Ras-GTP)可激活

MAPKKK．活化的MAPKKK可磷酸化MAPKK而将其激活，活化的MAPKK将MAPK磷

酸化而激活；⑥活化的MAPK可以转位至细胞核内，通过磷酸化作用激活多种效应蛋白，从而使细胞对外来信号产生生物学应答。

图19-11 EGFR介导的信号转导通路

上述Ras/MAPK通路是EGFR的主要信号通路之一。此外，许多单跨膜受体也可以激活这一信号通路，甚至G蛋白偶联受体也可以通过一些调节分子作用在这一通路。由于EGFR的胞内段存在着多个酪氨酸磷酸化位点，因此除Grb2外，还可募集其他含有SH2结构域的信号转导分子，激活PLC-IP3/DAG-PKC通路、PI-3K等其他信号通路。

2．JAK-STAT通路 许多细胞因子受体自身没有激酶结构域，与细胞因子结合后，受体通过蛋白酪氨酸激酶JAK( Janus kinase)的作用使受体自身和胞内底物磷酸化。JAK的底物是信号转导子和转录活化子（signal transducer activator of transcription，STAT），二者所构成的JAK- STAT通路是细胞因子信息内传最重要的信号转导通路。

JAK为非受体型蛋白酪氨酸激酶，与细胞因子受体结合存在。细胞因子通过受体将JAK激活，活化后的JAK使STAT磷酸化。STAT既是信号转导分子，又是转录因子。磷酸化的STAT 分子形成二聚体，迁移进入胞核，调控相关基因的表达，改变靶细胞的增殖与分化。细胞内有数种JAK和数种STAT的亚型存在，不同的受体可与不同的JAK和STAT组成信号通路，分别转导不同细胞因子的信号。例如，γ干扰素( IFN-γ)是通过JAKl/JAK2-STAT1通路传递信号(图19-12)：①IFN-γ结合受体并诱导受体聚合和激活；②受体将JAKl/JAK2激活，JAK1和JAK2为相邻蛋白，从而相互磷酸化，并将受体磷酸化；③JAK将

STAT1磷酸化，使其产生SH2结合位点，磷酸化的STAT分子彼此间通过SH2结合位点和SH2结构域结合而二聚化，并从受体复合物中解离；④磷酸化的STAT同源二聚体转移到核内，调控基因的转录。

图19-12 JAK-STAT信号转导通路

3．Smad通路 转化生长因子β(TGF-β)受体可激活多条信号通路，其中以Smad为信号转导分子的通路称为Smad通路。与STAT分子一样，Smad分子既是信号转导分子，又是转录因子。TGF-β受体主要有I型和Ⅱ型，激活后都具有蛋白丝／苏氨酸激酶活性。TGF-β同时结合2 个I型受体和2个Ⅱ型受体，形成异四聚体，Ⅱ型受体被激活，其激酶活性将I型受体磷酸化并活化；I型受体将Smad2和Smad3磷酸化；磷酸化的Smad2和Smad3与Smad4形成三聚体转移至细胞核内，结合于Smad结合元件，调节基因表达。

4.Pl-3K通路 磷脂酰肌醇-3-激酶(PI-3K)是一种重要的信号转导分子。配体与受体结合后，PI-3K通过其p85亚单位与活化的受体结合，使其pl10亚单位被受体磷酸化而活化。PI-3K可催化PIP3的产生。PIP3产生后，通过结合蛋白激酶B(PKB)的PH结构域，将其锚定于质膜而活化。PKB是原癌基因AKT的产物，故又称为Akt。PKB可磷酸化多种蛋白，介导代谢调节、细胞存活等效应。PI-3K还可以激活多种下游分子，目前对PKB的了解较多，PI-3 K介导的许多效应都与PKB/Akt有关，因此，这条信号转导通路又常称为PI-3 K-Akt通路或PI-3 K-PKB通路。

5．NF-KB通路 肿瘤坏死因子受体、白介素1受体等重要的促炎细胞因子受体家族所介导的主要信号转导通路之一是NF-KB( nuclear factor-KB)通路（图19 -13）。NF-KB最初作为B淋巴细胞中免疫球蛋白k轻链基因转录所需的核内转录因子被发现，后来证明NF-KB是一种几乎存在于所有细胞的转录因

子，广泛参与机体防御反应、组织损伤和应激、细胞分化和凋亡以及肿瘤生长等过程。

图19-13 NF-KB信号转导通路

NF-KB是由p50和p65两个亚单位以不同形式组合形成的同源或异源二聚体，在体内发挥生理功能的主要是p50-p65二聚体。NF-KB的结构包括DNA结合区、蛋白质二聚化区和核定位信号。静止状态下，NF-KB在细胞质内与NF-KB抑制蛋白(inhibitor of NF-KB，IkB)结合成无活性的复合物。受体激活后，可将IkB激酶(IKK)激活，IKK使IKB磷酸化，导致IKB与NF-KB解离，NF-KB得以活化。活化的NF-KB转位进入细胞核，作用于相应的增强子元件，影响多种细胞因子、黏附因子、免疫受体、急性时相蛋白和应激反应蛋白基因的转录。