生物学细胞生物学

细胞信号理论

信号转导 signal transduction

  • 细胞通过受体接受外界信号分子的刺激，转换为细胞内信号，启动细胞内的信号途径，引起细胞内一系列生理生化变化，从而影响细胞生物学功能的过程为信号转导。

  • 信号转导一般由四部分合作完成：细胞外信号分子、受体、细胞内信号分子、效应蛋白

细胞外信号分子 extracellular signal molecule

  • 又被称为第一信使，传递信息。分为膜受体和胞内受体。

受体 receptors

分为细胞表面受体和细胞内受体，其中细胞表面受体主要有3类

  • G蛋白耦联受体 G-protein-coupled receptors
  • 酶联受体 enzyme-coupled receptors
  • 离子通道耦联受体 ion-channel-coupled receptors

受体通过细胞内信号分子来传递信号，这通常需要分子开关实现。

细胞内信号分子 intracellular signal molecule

  • 第二信使 seconde messenger
    • 受体导致细胞内信号分子产生，进一步引发生化反应。通过浓度变化调节活性。
  • 分子开关 molecular switch
    • 又称开关蛋白，通过激活与失活两种状态的转换控制下游靶蛋白活性。
    • 可分为GTP结合蛋白与磷酸化去磷酸化转换蛋白

从信号的角度，细胞质内分子众多繁杂，是一个噪声较多的环境。因此细胞内信号分子具有特异性和鲁棒性的特点。

效应蛋白 effective proteins

  • 代谢蛋白 metabolic enzyme
    • 调控代谢
  • 转录相关蛋白 transcription regulatory protein
    • 调控基因表达
  • 细胞骨架蛋白
    • 调控细胞的形态和移动

G耦联蛋白受体介导的信号传导

GPCRs和G蛋白结构

GPCR有7个穿膜的 α\alpha 螺旋结区，N段在细胞外侧，C端在胞质侧。螺旋5和6的胞内环状结构域可结合G蛋白。

G蛋白是可溶性膜外周蛋白，

  • α\alpha 亚基
    • 具有GTPase活性，未受刺激与其他两亚基结合，受刺激可分离成游离状态，结合效应蛋白并激活效应蛋白
    • Gα−GTP\text{G}\alpha-\text{GTP} 活化，水解成为 Gα−GDP\text{G}\alpha-\text{GDP} 失活，重新装配。
  • βγ\beta \gamma 亚基
    • 异二聚体形式存在

cAMP信号通路

cAMP

腺苷酸环化酶(AC)可催化ATP转化为cAMP

  • 促进途径
    • Rs->Gs->AC
  • 抑制途径
    • Ri->Gi-|AC
    • Gi-|Gs-α\alpha

PKA途径

cAMP可以与 依赖于cAMP的蛋白激酶A（PKA） 结合使其活化，进而调控效应蛋白。

PKA为2个R亚基、2个C亚基的四聚体，C亚基释放后其激酶活性被激活，可催化信号通路下游蛋白Ser或Thr磷酸化激活效应蛋白。

磷脂酰肌醇信号通路

该通路为双第二信使（IP3\text{IP}_3 和 DAG\text{DAG}），分别对应 IP3−Ca2+\text{IP}_3-\text{Ca}^{2+} 和 DAG−Ca2+\text{DAG}-\text{Ca}^{2+} 途径

PIP2\text{PIP}_2

4-5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2PIP_2)可在磷脂酶C(PLC)的作用下疏解产生1,4,5-三磷酸肌醇 IP3\text{IP}_3 和 二酰甘油 DAG\text{DAG}

IP3−Ca2+\text{IP}_3-\text{Ca}^{2+} 途径

IP3\text{IP}_3 与内质网 Ca2+Ca^{2+} 门控蛋白结合可瞬间提升胞内 Ca2+Ca^{2+} 浓度。

IP3\text{IP}_3 被转化为 IP2\text{IP}_2 或 IP4\text{IP}_4 使信号终止。

DAG−Ca2+\text{DAG}-\text{Ca}^{2+} 途径

钙离子与蛋白激酶C（PKC）结合转移到细胞膜内表面，由DAG活化。活化的PKC继续调控其他靶蛋白。

钙离子也会与钙调蛋白(CaM)结合调控。

离子通道信号通路

  • 环核苷酸门控离子通道，存在于嗅觉、视觉细胞中。
  • 心肌细胞的Ca2+通道调控。

酶联受体介导的信号通路

RTKs受体

受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）

  • 无信号
    • 单体形式，失活
  • 有信号
    • 结合信号分子，形成二聚体
    • 酪氨酸激酶活性激活，自体磷酸化
    • 形成SH2结合位点

Ras

  • 调控细胞增殖、分化与基因表达。
  • 过程：
    1. 受体激活：配体结合诱导受体酪氨酸激酶二聚化及自磷酸化。
    2. 接头招募：接头蛋白通过其SH2结构域结合受体磷酸化酪氨酸位点。
    3. Ras激活：Ras鸟嘌呤核苷酸交换因子被招募至质膜，催化Ras的GDP/GTP交换，使其激活。
    4. 激酶级联：活化的Ras启动MAPK磷酸化级联反应：Raf → MEK → ERK。
    5. 核内响应：活化的ERK易位至细胞核，磷酸化转录因子，调控靶基因表达。

PI-3

也存在磷酰脂肌醇途径，和GPCRs途径类似

  • 功能：促进细胞存活、生长及代谢。
  • 过程：
    1. 脂质磷酸化：活化的RTK招募并激活PI3K。
    2. 第二信使生成：PI3K催化磷脂酰肌醇第二信使PI(3,4,5)P3在质膜内层的生成。
    3. 信号蛋白募集：PI(3,4,5)P3通过其PH结构域募集Akt等信号蛋白至质膜。
    4. Akt激活：Akt被PDK1等激酶磷酸化而完全激活。
    5. 下游效应：活化的Akt通过磷酸化多种靶蛋白，抑制凋亡、促进蛋白质合成等。

Summary

CTK受体

CTK结合受体，耦合JAK磷酸化—>含有SH2结构域的STAT蛋白被募集至磷酸化位点，并被JAK磷酸化->磷酸化的STAT形成同源或异源二聚体，转运至细胞核——>STAT二聚体直接结合特定DNA序列，作为转录因子调控靶基因表达。

TGF-β受体

过程：

  1. 受体复合物组装：TGF-β配体与II型受体（组成性活性激酶）结合，随后招募并磷酸化I型受体。
  2. R-Smad磷酸化：活化的I型受体激酶特异性磷酸化受体调节的Smad蛋白（R-Smad，如Smad2/3）。
  3. 复合物形成：磷酸化的R-Smad与通用Smad4形成异源三聚体复合物。
  4. 核内转运：该Smad复合物转运至细胞核。
  5. 基因表达调控：在核内，Smad复合物与其它转录因子协同作用，结合特定DNA序列，激活或抑制靶基因转录。

蛋白复合体解离介导的信号转导通路

Notch信号通路

flowchart TD
    A[信号细胞
跨膜配体 Delta/Jagged] --> B{结合};
    
    B --> C[接收细胞
Notch受体];
    
    C --> D[ADAM蛋白酶切割
γ-分泌酶切割];
    
    D --> E[释放Notch胞内段
NICD];
    
    E --> F[核转位];
    
    F --> G[与CSL转录因子结合];
    
    G --> H[募集共激活因子
如MAML];
    
    H --> I[启动靶基因转录
如Hes/Hey家族]

Wnt信号通路


flowchart TD
    A[Wnt配体] --> B{与Frizzled/LRP
受体复合物结合};
    
    B --> C[破坏降解复合物
Axin/APC/GSK3/CK1];
    
    C --> D[β-catenin稳定性增加];
    
    D --> E[β-catenin胞质积累];
    
    E --> F[核转位];
    
    F --> G[与TCF/LEF转录因子结合];
    
    G --> H[置换辅抑制因子
如Groucho];
    
    H --> I[募集共激活因子
如CBP/p300];
    
    I --> J[启动靶基因转录
如c-Myc, Cyclin D1];
    
    K[无Wnt信号] --> L[降解复合物磷酸化
β-catenin];
    
    L --> M[β-catenin被泛素化];
    
    M --> N[蛋白酶体降解];
    
    subgraph 关键调控
        O[Wnt通路抑制因子
如DKK]
        P[通路自身负反馈
如Axin2]
    end
    
    O -.-> B
    P -.-> C

Hedgehog信号通路

Hedgehog信号起始于Patched细胞表面受体，激活Gli转录调节因子。

没有该信号时

  • Patched-|Smoothened

  • SuFu-| Gli

  • Gpr161-> Gli3 -| Hedgehog相应基因

信号存在时

  • Hedgehog结合Patched->patched移出纤毛->smoothened抑制解除，进入纤毛->
    Gpr161从纤毛中移除，Gli3减少。
  • smoothened解除Gli的抑制->触发Gli2蛋白的修饰->被激活的Gli2蛋白运出纤毛，进入细胞质，扩散到细胞核->众多Hedgehog靶基因的表达上调。

Hedgehog信号能够促进细胞增殖,为原癌基因。

NF-κB信号通路


  • 介导细胞对促炎细胞因子、病原体相关分子模式及其它应激信号的反应。
  • 核心调控靶基因涉及免疫应答、炎症反应、细胞增殖与抗凋亡。

  1. 静息状态

    • NF-κB二聚体与抑制蛋白IκB结合，被锚定于细胞质中，处于非活性状态。

  2. 通路激活

    • 上游信号激活IKK复合物，该复合物由催化亚基IKKα、IKKβ及调节亚基NEMO组成。
    • IKKβ磷酸化IκB，导致其被E3泛素连接酶识别并发生泛素化修饰。
    • 泛素化的IκB被蛋白酶体降解，NF-κB因而被释放。

  3. 核内基因调控

    • 暴露核定位信号的NF-κB迅速转运入核。
    • 与靶基因启动子或增强子上的特定κB序列结合。
    • 招募转录共激活因子，启动特定基因的转录。
  • 正调控：促炎信号通过激活IKK复合物，触发IκB降解，是通路的核心激活机制。
  • 负反馈：NF-κB可诱导IκBα的重新合成，新合成的IκBα入核可将NF-κB置换并带回胞质，终止信号。
  • 药理抑制：糖皮质激素通过抑制NF-κB的转录活性发挥抗炎作用。

细胞内受体介导的信号通路

核受体

  • 定义：位于细胞核或细胞质中的配体依赖的转录调控因子。类固醇激素、甲状腺激素、维甲酸等亲脂性信号分子可穿透质膜与其结合。
  • 激活机制：配体与受体结合后，受体构象改变，与抑制性蛋白解离，暴露出DNA结合位点，形成活化的激素-受体复合物。
  • 基因调控：活化的复合物进入细胞核，通过结合靶基因启动子区的激素应答元件，或通过影响其他转录因子，直接或间接调控基因转录。
  • 意义：调控细胞生长、分化等核心生命活动，其功能异常与糖尿病、脂肪肝等多种疾病密切相关。

气体信号分子

  • 特点：由一氧化氮合酶催化L-精氨酸生成，无专门储存机制，生成后依靠自由扩散作用于邻近靶细胞。
  • 作用机制：NO扩散至平滑肌细胞，与鸟苷酸环化酶结合并激活其活性，催化生成cGMP，进而激活蛋白激酶G，引发一系列生化反应（如血管平滑肌松弛）。
  • 意义：在血管舒张、神经传递（如参与学习记忆的长时程增强效应）中起关键作用。硝酸甘油等药物的作用机制即通过生成NO实现。

临床应用

  • 信号分子异常：例如胰岛素生成减少或拮抗导致血糖升高，引发糖尿病。
  • 受体异常：
    • 遗传性：如家族性高胆固醇血症因LDL受体缺陷。
    • 自身免疫性：如重症肌无力因乙酰胆碱受体抗体。
    • 继发性：如肥胖性糖尿病因胰岛素受体减少和敏感性下降。
  • G蛋白异常：
    • 霍乱毒素激活Gs蛋白，导致cAMP持续增加和严重腹泻。
    • 百日咳毒素抑制Gi蛋白，导致cAMP增加和严重咳嗽。
  • 蛋白激酶异常：与肿瘤发生相关，如佛波酯激活PKC促进增殖；免疫细胞激酶异常导致免疫疾病。
  • 信号转导与药物研发：研究信号通路中蛋白质相互作用提供药物靶点，如开发蛋白激酶抑制剂。

参考文献

ALBERTS B. Molecular biology of the cell [M]. 7th ed. New York: Garland Science, 2022.

陈誉华等. 医学细胞生物学[M]. 7版. 北京: 人民卫生出版社, 2024.