发育中的信号传导.ppt

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1、上海海洋大学,发育中的信号传导,传递烽火的狼烟信号传播图像的视频信号,信号是什么？,纯洁美好的爱情信号令人吃惊的外太空信号,是太空信号那般的虚拟飘渺吗？,细胞信号：用来,介导细胞与细胞间、,细胞与组织间的相互联系以调节细胞生命活动的化学物质,或是视频信号那样的五彩斑斓吗？亦或狼烟信号那种的十万火急呢？,细胞信号(Cell Signaling）,细胞信号分子的种类1、激素2、神经递质3、生长因子4、细胞因子5、无机物,细胞信号是实实在在的化学物质！,细胞信号转导（cell signal transduction),是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信息分子的刺激，,经细胞内信号转导系统转换，从而影响

2、细胞生物学功能的过程。,第一信使,受体,第二信使,效应蛋白,效应蛋白细胞膜受体受体细胞内受体,信号转导系统 signal transduction system,B 族：胰高血糖素/血管活性肠肽/降钙素受体族C 族：神经递质/钙受体样受体族3具有酪氨酸激酶活性的受体,二,细胞内受体,1.胞浆受体：位于靶细胞浆内，如性激素受体、肾上腺皮质激素受体2.胞核受体：位于靶细胞核内，如甲状腺素受体,感官，前庭,受 体膜上的离子受体通道一 细胞膜受体1含离子通道的受体配体依赖性电压依赖性2G-蛋白偶联受体A 族：视紫红质、2肾上腺素受体受体族,细胞应答细胞骨架构型的变化,基因表达的变化,酶活性的变化,细胞

3、死亡程序的变化,信号级联放大（signaling cascade）,从细胞表面受体接收外部信号到最后作出综合 性应答，不仅是一个信号转导过程，更重要的是将信号进行逐步放大的过程,是什么“熄灭”了信号的传递？信号终止1.配体（信号）被降解、失活、重吸收2.受体被内吞3.第二信使被降解4.GTP被水解5.信号转导蛋白被磷酸酶去磷酸,衰老,干细胞,信号转导药物筛选,其它生命,奥秘问题肿瘤,细胞凋亡纳米技术,当前围绕信号转导研究的热门话题,TGF信号途径Wnt信号途径Hedgehog hedhg信号途径Notchnt信号途径酪氨酸激酶受体途径JAK-STAT信号途径视黄酸（retinoic acid，

4、RA）途径,第一节 参与早期胚胎发育的信号调节途径,一、TGF信号途径,TGF：即转化生长因子是一类分泌性的信号分子。TGF超家族因子包括30多个成员，可分为TGF、BMP、Activin等亚类。TGF家族因子在早期发育中起着关键作用：TGF l，2，3，5：参与了细胞外基质形成和细胞分裂的调节；BMP因子：在脊椎动物及果蝇的胚胎背-腹轴图示形成过程中具有重要作用；Nodal(属于BMP因子亚类)：在脊椎动物胚胎中胚层的图示形成及左-右轴的建立过程中起着关键作用。,TGF类分子是以前体形式合成的，需要经过加工才能成为有活性的成熟形式，其成熟单体之间通过二硫键形成二聚体。TGF类配体（与受体专一

5、性结合的分子）通过其受体复合体激活下游信号传递。其受体具有丝氨酸苏氨酸激酶活性，包括2个亚类，即I型和II型受体。,一、TGF信号途径,I型、II型受体,I型和II型受体均为单跨膜受体蛋白，激酶活性区城位于膜内，但I型受体在膜内紧接着跨膜区有一个特征性的富含甘氨酸与丝氨酸的区域(称为GS区城)。不同的TGF类配体结合不同的I型和II型受体，二者都是信号传导所必需的。,TGF配体首先与II类受体(TR-II)结合；TGF I类受体(TR-I)也被募集到这一复合体中；TR-II会磷酸化TR-I的GS区域并使其活化。TR-I单独不能结合TGF。BMP I型或II型受体可以单独较弱地结合BMP分子，但

6、只有在I、II型受体共同存在时才具有高亲和力。研究表明：TGF信号传导受体复合物是一个异源四聚体，包括2个TR-I和2个TR-II分子。,一、TGF信号途径,Smad蛋白,Smad蛋白(果蝇中为Mad)在传递TGF类信号中起着关键作用。脊椎动物至少有9个Smad，依据共功能不同可分为3类，即受体调节型Smad(R-Smad)、通用型(Co-Smad)和抑制型Smad。TGF I类受体被激活后可磷酸化R-Smad。R-Smad具有受体特异性，BMP受体可激活Smad1，5，而TGF、Activin可激活Smad2，3。R-Smad被活化后与Co-Smad(Smad4)形成复合体并转运至细胞核内调

7、节靶基因的表达。抑制型Smad：包括Smad6，7。它们可与R-Smad竞争I型受体结合位点而抑制其激活。Smad 6也可通过与R-Smad形成无活性的二聚体而抑制其活性。,TGF信号途径,Wnt信号通路的主要成员 Wnt蛋白(配体)Wnt受体 Dishevelled(Dsh/Dvl)蛋白 多蛋白复合体-连环蛋白(-catenin)糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase-3，GSK-3)轴蛋白(Axin/Conduction)APC(adenomatous polyposis coli),Wnt 信号途径,Wnt蛋白：原癌基因家族编码产物 分泌性糖蛋白 人类含有19种

8、wnt基因 尽管结构相似，但功能不同 具有不同的生物学活性,Wnt受体：Frizzled家族蛋白 低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP)Frizzled家族蛋白：7次跨膜蛋白 胞外Cys富集域和跨膜域高度保守 人类有10个成员,低密度脂蛋白受体相关蛋白：(Low density lipoprotein receptor related protein,LRP)单跨膜蛋白 胞外域直接结合Wnt蛋白 Wnt 辅受体 胞内部分结合轴蛋白 哺乳动物的两个同源体 LRP5、LRP6,Dishvelled(Dsh/Dvl)蛋白：胞质蛋白 Wnt信号转导的正性调节物 受体复合体的下游-连环蛋白的上游 哺乳动物的

9、3个同源体 DVI 13 含有CK1、CK2和轴蛋白结合部位,PDZ域：其名称来自于含有同样重复序列的3种蛋白 PSD 95 果蝇盘状巨大肿瘤抑制蛋白Dlg 哺乳动物闭锁小带蛋白ZO-1,多蛋白复合体：-连环蛋白(-catenin：首先作为与E-钙依粘连蛋白(E-Cadherin 的胞质域相互作用的人类蛋白被提出 与果蝇的Arm和爪蟾的-连环蛋白同源 Wnt信号转导的重要中介物 N端 调节其稳定性 C端 转录激活作用,-catenin,The Multiple roles of-catenin,轴蛋白(Axin:Wnt信号转导的负性调节物 小鼠的同源物称为Conductin 哺乳动物有2个同源

10、体,GSK-3(glycogen synthase kinase-3:Ser/Thr蛋白激酶 组成性激酶活性 Wnt信号转导途径中的关键酶 人类的同源物 GSK-3、GSK-3,APC(Adenomatous polyposis coli:抑癌基因编码产物 含有几个不同保守结构域的大分子蛋白 在Wnt信号转导途径中起重要作用,Tcf/Lef(lymphoid-enhance-factor/T cell factor)：是一类具有相关的HMG盒的转录因子 已鉴定出4个人类同源物 表达具有组织特异性 以复合体形式发挥作用 无Wnt信号时，与阻遏物结合，抑制靶基因转录,多蛋白复合体,Wnt通路的胞内

11、信号至少可分为4个分支：典型Wnt/-连环蛋白信号通路 平面细胞极性通路 Wnt/Ca2+通路 调节纺锤体的方向和非对称细胞分裂的胞内通路,1.典型Wnt/-连环蛋白信号通路(canonical Wnt/-catenin pathway Wnt配体Frizzled,LRPDsh/Dvl多蛋白复合体-连环蛋白,说明：-连环蛋白的稳定性与其磷酸化状态有关 Dsh/Dvl蛋白可抑制GSK-3活性 CK是调节-连环蛋白稳定的一个关键正性调控分子 核内的-连环蛋白与Tcf/Lef家族的转录因子相互作用，激活Wnt靶基因转录 已知的Wnt靶基因有50多个,Modulators of Wnt-signali

12、ng,2.平面细胞极性通路(the planar cell polarity pathway 激活JNK并指导非对称细胞骨架形成及细胞形态的协同极化 不依赖于-连环蛋白 涉及GTP酶Rho和JNK相关级联分子 Nkd蛋白是Wnt信号的拮抗分子 但能激活JNK,3.Wnt/Ca2+通路 最初证据来源于斑马鱼和爪蟾的研究 Wnt-5A能刺激细胞内Ca2+的释放 有Frizzled-2(Rfz-2)参与 Ca2+激活CaMK和PKC,(二)Wnt信号与胚胎体轴和中胚层模式的建立 体轴的形成需要-连环蛋白以及Wnt/-连环蛋白通路信号分子参与。背前侧-连环蛋白的聚集 最早标志-连环蛋白的过表达，可诱导

13、胚胎产生额外体轴。,-连环蛋白调节的典型Wnt信号参与前后轴的形成-连环蛋白敲除的胚胎，可发生细胞的错误定位，从而不能形成中胚层。抑制Wnt信号是脊椎动物体廓形成后期阶段的关键因素。Wnt拮抗分子能诱导头的形成。,(三)Wnt信号与器官发生 Wnt信号参与大脑的形成 Wnt 3a敲除的小鼠胚胎，大脑海马回发育受损 Lef 纯合子突变可导致小鼠胚胎缺少全部海马回 Wnt/Lef/tcf基因协同作用，共同参与大脑海马回的发育。,Wnt信号参与生长锥的重建和多突触球状环(苔状神经纤维与颗粒细胞相接触时)的形成。参与轴突形成的起始过程：Wnt 7 a能诱导苔状神经纤维中轴突和生长锥的重建 Wnt 7a

14、能诱导突触素的汇集,Wnt信号参与脊椎动物的肢体起始和顶端外胚层脊的形成 三种Wnt信号分子(Wnt2b、Wnt3a、Wnt8c)是信号转导的关键诱导者。依赖于与FGF信号通路的对话 FGF与Wnt 信号的信息交流也与内耳的形成有关。,(四)Wnt信号与细胞特化和干细胞分化 干细胞(stem cells)存在于多种组织 分化为多种细胞类型的多潜能细胞 受刺激时，产生祖细胞(progenitor)最终成为终末分化细胞 Wnt信号/-连环蛋白信号通路控制了皮肤干细胞的分化。,皮肤干细胞存在于毛囊膨突 毛囊角质细胞 毛囊间表皮-连环蛋白基因缺失，阻止毛囊细胞系分化-连环蛋白与LEF-1和TCF-3协

15、同作用调节皮肤干细胞向毛囊分化,(五)Wnt信号与肿瘤发生 早期证据 小鼠乳腺癌 乳腺癌 Wnt通路异常 结肠癌、黑色素瘤、原发性肝癌 信号通路中成分改变，即：APC、轴蛋白、-连环蛋白的突变或缺失 Wnt通路的激活突变是小肠早期恶性前病变的主要遗传改变。,正常结肠上皮细胞,结肠癌细胞,三、Hedgehog信号途径,Hedgehog（Hh）家族蛋白是一类分泌性信号分子，在动物发育过程中具有重要作用。果蝇的Hedgehog信号途径在体节形成中起着重要作用；脊椎动物的Sonic hedgehog（Shh）参与了神经系统的背-腹轴图式形成及肢的发育，Indian hedgehog（Ihh）参与了骨骼

16、的发育。,Hedgehog蛋白,Hh蛋白是以前体形式合成的，其中其N末端具有信号活性而C末端具有蛋白酶活性，Hh蛋白合成后经历一个自我催化的裂解过程，形成N末端（HhN)和C末端两部分，其中N末端部分具有信号活性。Hedgehog的受体Patched（Ptc）是一个12次跨膜蛋白，Ptc会抑制另一个7次跨膜蛋白Smoothened（Smo）的活性。Cubitus interruptus（Ci）是这一信号途径中的转录效应因子，其脊椎动物中的同源蛋白是Gli。,Hedgehog信号途径失活,在没有Hh配体时，Smo没有活性;Ci蛋白与Cos2（一种微管结合蛋白）、Fused（一种激酶）和Suppr

17、essor of FusedSu（Fu），一种胞质蛋白形成一个复合体并结合于微管之上；Ci进而被PKA磷酸化并Slimb（一种F-box蛋白）依赖性地被蛋白酶分解。分解产物Ci75是一种转录抑制因子，可以进入细胞核而抑制Hh靶基因的转录。,Hedgehog信号途径失活,Hedgehog信号途径活化,当Hh与Ptc结合时，Ptc发生构象改变，对Smo的抑制作用解除；Smo的活化会促进Cos2/Fused/Su（Fu）复合物的磷酸化而从微管上解离下来，同时可抑制PKA活性，从而抑制Ci的裂解。完整的Ci（Ci155）可以进入细胞核并结合转录激活辅助因子CBP，激活相应Hh靶基因的表达。,Hedge

18、hog信号途径活化,Notch基因编码高度保守的细胞表面受体 Notch信号影响细胞正常形态发生的多个过程 多能祖细胞的特化 细胞凋亡 细胞增殖 细胞边界形成,Notch信号途径,Notch配体 DSL家族 Notch受体 转录因子CSL 调节因子 加工或调节因子 Notch信号靶分子,(一)Notch信号通路成员,Notch配体：Delta/Serrate/LAG-2 DSL家族 单次跨膜蛋白 起始Notch信号Notch受体：以二聚体形式存在 两个亚基 胞外亚基(ECN)跨膜亚基(NTM),胞外亚基含有：EGFR:结合配体 LNR:阻止受体异常激活跨膜亚基中的ICN：RAM:结合转录因子C

19、SL ANK:同源性最高 PEST序列:差异性最为明显 NCR:具有调节功能活性 TAD:转录激活作用,转录因子CSL：CBF1/RBP-J 哺乳类 Su(H)果蝇 LAG1 线虫 调节因子：Fringe(FNG)胞外 Deltex(Dtx)胞内 Numb 胞内,加工或调节因子：起始或调节受体的蛋白裂解 早老素(presenilin)金属蛋白酶(metalloprotease)等 Notch信号靶分子：Hairy/En(spl)果蝇 Hes1和Hes5 人类,(二)配体诱导的Notch信号通路 相邻细胞相互交流信息 参与许多发育过程 Notch的受体作用和转录因子相连蛋白的功能,酪氨酸激酶受体

20、（RTK）家族,RTK属于单跨膜蛋白，其共同特征是细胞内部分带有酪氨酸激酶结构域，具有酪氨酸激酶活性。不同生长因子受体在结构上也有所差异。RTK与相应配体结合后，会发生二聚体化或多聚体化，分子间相互催化在多个位点发生磷酸化。磷酸化的RTK胞内部分为多种信号传导蛋白提供了结合部位。,膜外,膜内,细胞膜,RTK主要激活MAPK（丝裂原激活的蛋白激酶）信号传递途径。MAPK属于一种Ser/Thr蛋白激酶，可在多种不同的信号转导途径中充当信号转导因子。MAPK传导途径包括一系列激酶介导的级联磷酸化反应。MAPK本身需要被磷酸化才能被活化，催化这一过程的激酶称为MAPK激酶（MAPK K）；而MAPKK

21、又需要被MAPKK激酶（MAPK KK）所激活。MAPK分为3类：ERK、JRK和p38。RTK主要激活ERK。,MAPK 信号,RTK与相应配体结合后，会发生二聚体化或多聚体化，分子间相互催化在多个位点发生磷酸化。RTK被磷酸化后，会结合一种含有SH2结构域的接头蛋白Grb2。SH2结构域可以识别并结合磷酸化的酪氨酸残基。Grb2可结合一种鸟苷酸置换因子（GEF）Sos；Sos可以活化G蛋白Ras。Ras是一种重要的分子开关，具有GTP酶活性，当它结合GTP时是活化的，而当GTP被水解为GDP时则没有活性。Ras的活性/失活的调控是这一信号途径的关键调节点，因此这一途径又被称为Ras信号途径

22、。,MAPK 信号,Ras被活化后会激活一种MAPKKKRaf；Raf进而激活一种MAPK激酶MEK；MEK进一步激活ERK；活化的ERK可以进入细胞核并磷酸化多种转录因子，从而调节其转录活性。ERK也可磷酸化细胞质中的靶蛋白，如Ser/Thr蛋白激酶Rsk，活化的Rsk进入细胞核可调节部分转录因子的活性。,MAPK 信号途径,MAPK 信号途径,肌醇磷脂信号途径,有些RTK（如FGF受体）也可激活肌醇磷脂信号途径。这是由磷脂酶C（PLC）和/或磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）介导的。活化的RTK可结合并激活PLC和PI3K。PLC可水解细胞膜中的磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2），产生可溶性的肌醇三

23、磷酸（IP3）和脂酰甘油（DAG）。IP3可促进胞内Ca2+的释放。胞内Ca2+的的增高会引起多种反应。Ca2+还与DAG协同激活蛋白激酶C（PKC）。PI3K可催化形成磷酸化磷脂酰肌醇，包括PI（3）P、PI（3，4）P2和PI（3，4，5）P3，这些产物可激活多种效应因子（如SARA、PKB、Ras等）。,肌醇磷脂信号途径,部分生长因子、大部分细胞因子，如干扰素、红细胞生成素(EPO)、粒细胞集落刺激因子和一些白细胞介素等，其受体分子缺乏酪氨酸蛋白激酶活性，但有两个重要的功能区，其近端有能与非受体型酪氨酸激酶JAKs相互作用的区域、远端则有多个酪氨酸残基、能被活化的JAK磷酸化。,JAK-

24、STAT,JAKs再通过激活STAT而最终影响到基因的转录调节。故将此途径又称为JAK-STAT信号转导通路。由于在JAK-STAT通路中,激活后的受体可与不同的JAKs和不同的STAT相结合，因此该途径传导信号更具多样性和灵活性。,胞外信息分子 生长因子和细胞因子非催化性受体 JAKs(janus kinases)信号转导子和转录激动子（信号转导子和转录激动子(signal transductors and activators of transcription STAT),一、JAK-STAT途径基本要素,JAK即Janus Kinase(两面神激酶),是一种非受体型酪氨酸蛋白激酶(PTK

25、)。该族成员有7个同源区(JH17),其中JH1区为激酶区,JH2区为伪激酶区。与其它PTK不同,JAK内无Src同源区2(SH2)结构,因其既能催化与之相连的细胞因子受体发生酪氨酸磷酸化,又能磷酸化多种含特定SH2区的信号分子从而使其激活,故称之为Janus-罗马神话中前后各有一张脸的门神.,二、JAK,STAT即Signal transducers and activators of transcription(信号传导及转录激活因子),含有SH2和SH3结构域,可与特定的含磷酸化酪氨酸的肽段结合。当STAT被磷酸化后,发生聚合成为活化的转录激活因子形式,进入胞核内与靶基因结合,促进其转录

26、。现在已克隆成功4种JAK(JAK13和Tyk2)与6种STAT(Stat16)。,三、STAT,信息转导过程细胞因子或生长因子+R 受体二聚化JAK STAT 基因转录活性改变 细胞生理功能改变,白介素介导的信号转导通路,干扰素诱导调节基因转录机制,一、信号活性的调控对配体活性的调节：如加工修饰（Wnt和Hedgehog被棕榈酰化）；配体结合因子（BMP抑制因子：Noggin、Chordin、Caronte等）；对受体活性的调节：与受体蛋白正确折叠加工有关的分子伴侣；蛋白多糖（抑制FGF信号的活性）；蛋白聚糖（促进Wnt、FGF辅助受体的活性）；对信号途径中转录效应因子活性的调控：浓度和稳定

27、性的调节（泛素-蛋白酶体途径可调控Wnt中的-catenin，TGF 途径的Smad）；向细胞和转运的调控（MAPK可磷酸化Smad抑制其向核内转运）；信号活性的负反馈调节：一个信号途径的活化激活相应信号途径的负调控因子的表达，从而抑制相应信号途径的过度活化（FGF信号途径中的Sef和Sprouty）,二、信号途径的关联和整合,视黄酸（retinoic acid，RA）途径,视黄酸是小分子脂溶性信号分子，可以自由通过细胞膜和核膜。其受体主要存在于细胞核中。两类受体：视黄酸受体（retinoic acid receptor,RAR）视黄素X受体（retinoid X receptor,RXR）R

28、A受体以同源或异源二聚体形式结合DNA，不同的二聚体组合识别的DNA序列略有不同，从而调节不同靶基因的表达。视黄素在脊椎动物神经系统前后轴的图式形成及肢的再生过程中具有主要作用。,二、信号途径的关联和整合,不同信号传递途径的相互关联：同一信号分子可同时激活多种下游传递链（RTK可同时激活MAPK、PKC、STAT等）；很多信号效应因子是多功能的，可调节其他途径信号因子的活性（活化的ERK可磷酸化Smad1、2、3，抑制它们向核内转运；STAT途径可激活Smad7的表达而抑制FGF途径）；信号途径特异性的调控：来自信号传递途径的转录调节信息与组织特异性转录调节信息在靶基因的顺式调控元件水平得以整

29、合；不同信号途径在靶基因增强子水平的整合：果蝇eve基因在肌肉前体细胞中的表达，受多个信号途径的调控。,信号分子在胚胎的图示形成过程中起着关键作用。图式形成：即一种器官或整个躯体不同区域出现有序分化的过程，如胚胎或器官沿体轴的分化。这一过程控制着机体或器官图式元件（如不同组织、结构或细胞类型）的空间排布。胚胎中的每一位置都表达不同的位置信息，位于相应位置的细胞应能够感应这一信息而作出正确的反应(分化或增值等)。不同信号分子的区域性表达是提供区域特异性信息的重要途径。,三、形态发生原,三、形态发生原,早在19世纪末Morgan T H在研究环节动物再生过程中认为某些因子在动物体内沿体轴的分布存在量的差异。后来这一观点发展成为形态发生梯度模型，即认为某些因子沿体轴的分布呈现一个浓度梯度，这些因子在每一局部的水平决定着这一区域的命运或反应。由于这一过程的最终结果往往是由局部细胞形成某种形态结构，具有这种性质的因子被称为形态发生原。这一学说在发育生物学领域具有重要影响。,