生物化學(xué)與分子生物學(xué):第三節(jié)　膜受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

與脂溶性的化學(xué)信號(hào)不同，親水性信號(hào)分子(所有的肽類激素、神經(jīng)遞質(zhì)和各種細(xì)胞因子等)均不能進(jìn)入細(xì)胞。它們的受體位于細(xì)胞表面。這些受體與信號(hào)分子結(jié)合后，可以誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生一系列生物化學(xué)變化，從而使細(xì)胞的功能如生長、分化及細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的分布等發(fā)生改變，以適應(yīng)微環(huán)境的變化和機(jī)體整體需要。這一過程可以稱之為跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在這一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，信號(hào)分子不進(jìn)入細(xì)胞。雖然有些信號(hào)分子與受體結(jié)合后可以發(fā)生內(nèi)化(internalization)，但這不是主要的作用方式。這種位于膜表面的受體所介導(dǎo)的信號(hào)傳遞主要表現(xiàn)為，各種參與信號(hào)傳遞的信號(hào)分子的構(gòu)象、濃度或分布發(fā)生變化，各種信號(hào)分子之間發(fā)生相互識(shí)別和相互作用。

一、膜受體的分類

隨著越來越多的膜表面受體被純化，其結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)的方式逐步得以闡明。目前，按照受體的結(jié)構(gòu)及其作用方式可將其分為三大類。這三大類受體在配體種類、受體的一般結(jié)構(gòu)和功能及細(xì)胞對(duì)之發(fā)生反應(yīng)的方式上有所不同，見表21－2。

Table 21－2　Classification of MembraneReceptors:Characteristics of Three Groups of Receptors

二、膜受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)理

(一)離子通道型受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

離子通道型受體是一類自身為離子通道的受體。這種離子通道與受電位控制的離子通道及受化學(xué)修飾調(diào)控的離子通道不同，它們的開放或關(guān)閉直接受配體的控制，其配體主要為神經(jīng)遞質(zhì)。

圖21－8　乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)模式圖

圖21－8顯示了作為離子通道受體的典型代表－乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)模式。乙酰膽堿受體是由5個(gè)同源性很高的亞基構(gòu)成，包括2個(gè)α亞基，1個(gè)β亞基，1個(gè)γ亞基的和1個(gè)δ亞基。每一個(gè)亞基都是一個(gè)四次跨膜蛋白，分子量約60kd，約由500個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。推測(cè)跨膜部分為四條α螺旋結(jié)構(gòu)，其中一條α螺旋含較多的極性氨基酸，就是由于這個(gè)親水區(qū)的存在，使五個(gè)亞基共同在膜中形成一個(gè)親水性的通道。乙酰膽堿的結(jié)合部位位于α亞基上。��

乙酰膽堿受體可以以三種構(gòu)象存在(圖21-9)。兩分子乙酰膽堿的結(jié)合可以使之處于通道開放構(gòu)象，但即使有乙酰膽堿的結(jié)合，該受體處于通道開放構(gòu)象狀態(tài)的時(shí)限仍十分短暫，在幾十毫微秒內(nèi)又回到關(guān)閉狀態(tài)。然后乙酰膽堿與之解離，受體則恢復(fù)到初始狀態(tài)，做好重新接受配體的準(zhǔn)備。

圖21－9　乙酰膽堿受體的三種構(gòu)象示意圖

離子通道受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最終作用是導(dǎo)致了細(xì)胞膜電位的改變，可以認(rèn)為，離子通道受體是通過將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)而影響細(xì)胞的功能的。

離子通道型受體可以是陽離子通道，如乙酰膽堿、谷氨酸和五羥色胺的受體，也可以是陰離子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受體。

(二)G蛋白偶聯(lián)型受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

G蛋白偶聯(lián)型受體包括多種神經(jīng)遞質(zhì)、肽類激素和趨化因子的受體，在味覺、視覺和嗅覺中接受外源理化因素的受體亦屬G蛋白偶聯(lián)型受體。這類受體在結(jié)構(gòu)上均為單體蛋白，氨基末端位于細(xì)胞外表面，羧基末端在胞膜內(nèi)側(cè)。完整的肽鏈要反復(fù)跨膜七次(圖21-10)，因此亦有人將此類受體稱為七次跨膜受體。由于肽鏈反復(fù)跨膜，在膜外側(cè)和膜內(nèi)側(cè)形成了幾個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它們分別負(fù)責(zé)與配體(化學(xué)、物理信號(hào))的結(jié)合和細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞。其胞漿部分可以與一種GTP結(jié)合蛋白(簡(jiǎn)稱G蛋白)相互作用，這種G蛋白是該信號(hào)傳遞途徑中的第一個(gè)信號(hào)傳遞分子，這也是這類受體被稱為G蛋白偶聯(lián)型受體的原因。

圖21－10　七次跨膜受體－G蛋白偶聯(lián)型受體跨膜結(jié)構(gòu)示意圖

G蛋白偶聯(lián)受體的信號(hào)傳遞過程包括(1)配體與受體結(jié)合，(2)受體活化G蛋白；(3)G蛋白激活或抑制細(xì)胞中的效應(yīng)分子；(4)效應(yīng)分子改變細(xì)胞內(nèi)信使的含量與分布，(5)細(xì)胞內(nèi)信使作用于相應(yīng)的靶分子，從而改變細(xì)胞的代謝過程及基因表達(dá)等功能。本節(jié)將逐一介紹這一過程的主要環(huán)節(jié)。

1.G蛋白的循環(huán)或活化(G Protein Cycle)

G蛋白偶聯(lián)型受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第一個(gè)信號(hào)傳遞分子是G蛋白，其活化過程稱為G蛋白循環(huán)。

G蛋白以α、βγ亞基三聚體的形式存在于細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。α亞基已發(fā)現(xiàn)有20余種，分子量為36～52kd。α亞基具有多個(gè)活化位點(diǎn)，其中包括可與受體結(jié)合并受其活化調(diào)節(jié)的部位、與βγ亞基相結(jié)合的部位、GDP或GTP結(jié)合部位以及與下游效應(yīng)分子相互作用的部位等等。α亞基還具有GTP酶活性。α亞基結(jié)合GDP時(shí)是無活性狀態(tài)，而與GTP結(jié)合時(shí)則為有活性狀態(tài)，GTP的水解又使其返回?zé)o活性狀態(tài)。

G蛋白中的β和γ亞基亦有數(shù)種，但不及α亞基種類多。在細(xì)胞內(nèi)，β和γ亞基形成緊密結(jié)合的二聚體，只有在蛋白變性條件下方可解離，因此可以認(rèn)為它們是功能上的單體。βγ亞基的主要作用是與α亞基形成復(fù)合體并定位于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)。近年來的研究表明，βγ亞基亦可作用于其下游效應(yīng)分子。

圖21－11　G蛋白循環(huán)示意圖

G蛋白循環(huán)的具體過程可見圖21-11。當(dāng)物理或化學(xué)信號(hào)刺激受體時(shí)，受體活化G蛋白使之發(fā)生構(gòu)象改變。α亞基與GDP的親和力下降，結(jié)合的GDP為GTP所取代。α亞基結(jié)合了GTP后即與βγ亞基發(fā)生解離，成為活化狀態(tài)的α亞基�；罨�了的α亞基此時(shí)可以作用于下游的各種效應(yīng)分子。這種活化狀態(tài)將一直持續(xù)到GTP被α亞基自身具有的GTP酶水解為GDP。一旦發(fā)生GTP的水解，α亞基又再次與βγ亞基形成復(fù)合體，回到靜止?fàn)顟B(tài)，重新接受新的化學(xué)信號(hào)。

由于G蛋白的種類不同，因此G蛋白可以作用于不同的效應(yīng)分子，或?qū)ν�一效�?yīng)分子進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)。

2.效應(yīng)分子及細(xì)胞內(nèi)信使

G蛋白活化之后，可作用于腺苷酸環(huán)化酶和磷脂酶C等效應(yīng)分子(Effector)上。有的α亞基(Gs)可以激活腺苷酸環(huán)化酶；有的α亞基(αi)可以抑制腺苷酸環(huán)化酶。腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成環(huán)狀A(yù)MP(cAMP)的反應(yīng)，因此細(xì)胞內(nèi)的cAMP水平在配體與受體結(jié)合后，可受G蛋白α亞單位的作用而升高或降低，從而將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)。這種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)可再作用于下游分子。這種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的傳遞方式是G蛋白偶聯(lián)型受體傳遞信號(hào)的主要方式，這些細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子被稱為細(xì)胞內(nèi)信使。細(xì)胞內(nèi)信使亦被稱為第二信使。已知的細(xì)胞內(nèi)信使包括cAMP、cGMP、甘油二酯(DAG)、IP3、和Ca2＋等等(圖21－12、13、14)。G蛋白的α亞基種類、其作用的效應(yīng)分子及所調(diào)節(jié)的細(xì)胞內(nèi)信使可參見表21-3。

圖21－12　cAMP的生成與水解

圖21－13　cGMP的生成

圖21－14　DAG和IP3的生成

細(xì)胞內(nèi)信使一般具有以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)多為小分子，且不位于能量代謝途徑的中心；(2)在細(xì)胞中的濃度或分布可以迅速地改變；(3)作為變構(gòu)效應(yīng)劑可作用于相應(yīng)的靶分子，已知的靶分子主要為各種蛋白激酶。

表21－3　G蛋白的α亞基及其效應(yīng)分子

cAMP是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞內(nèi)信使，催化它生成的腺苷酸環(huán)化酶為一重要的Gαi和Gαs的效應(yīng)分子。cAMP是很多激素的細(xì)胞內(nèi)信使。另一類重要的細(xì)胞內(nèi)信使是在磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C作用下，由PIP2(二磷酸磷脂酰肌醇)水解生成的三磷酸肌醇(IP3)和甘油二酯(DAG)。

需要指出的是，除G蛋白偶聯(lián)型受體在其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中需細(xì)胞內(nèi)信使作為信號(hào)的傳遞者外，細(xì)胞內(nèi)還存在受其它的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式調(diào)控的細(xì)胞內(nèi)信使。九十年代以來，越來越多的以小分子物質(zhì)作為細(xì)胞內(nèi)信使參與細(xì)胞功能調(diào)控的過程得以闡明。

G蛋白偶聯(lián)型受體在G蛋白介導(dǎo)下的信號(hào)傳遞過程可見圖21－15和圖21-16。

圖21－15　G蛋白偶聯(lián)型受體－G蛋白－腺苷酸環(huán)化酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑示意圖

圖21－16　G蛋白偶聯(lián)型受體－G蛋白－磷脂酶C信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑示意圖

3.細(xì)胞內(nèi)信使作用的主要靶分子

活化的Gα可作用于相應(yīng)的效應(yīng)分子，從而使相應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)信使?jié)舛劝l(fā)生迅速的改變。這些細(xì)胞內(nèi)的信使可分別作用于相應(yīng)的靶分子，從而使得細(xì)胞中的各種m.52667788.cn/Article/酶類和蛋白分子的活性發(fā)生改變。這些細(xì)胞內(nèi)信使所作用的靶分子主要為各種蛋白激酶(表21-3)

(1)蛋白激酶A

cAMP作用于cAMP依賴性蛋白激酶(cAMP－dependent Protein Kinase,簡(jiǎn)稱為cAPK),亦稱為蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA)，目前后一種命名較為公認(rèn)。cAMP可以作為該激酶的變構(gòu)激活劑，使無活性的蛋白激酶A轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡鞍准っ窤(詳見第十一章，圖11－4)�；罨�了的蛋白激酶A可作用于多種與糖脂代謝相關(guān)的酶類、一些離子通道和某些轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，使它們發(fā)生磷酸化并改變其活性狀態(tài)。

(2)蛋白激酶G

細(xì)胞內(nèi)的另一種環(huán)核苷酸信使為環(huán)鳥苷酸－cGMP。cGMP作用于cGMP依賴性蛋白激酶－cGMP�瞕ependent Protein Kinase, cGPK)，亦稱為蛋白激酶G(Protein Kinase G、PKG)。與PKA一樣，PKG是目前較為公認(rèn)的命名。蛋白激酶G以cGMP作為變構(gòu)效應(yīng)劑，在腦和平滑肌中含量較豐富。1997年，人們發(fā)現(xiàn)，PKG的基因突變與果蠅的覓食行為有關(guān)。我們可以推測(cè)，PKG很有可能在神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)傳遞過程中具有重要作用。

(3)蛋白激酶C

另外一些重要的細(xì)胞內(nèi)信使還包括磷脂酰肌醇的衍生物如DAG、PIP3(三磷酸磷脂酰肌醇)、磷脂酰膽堿的衍生物、鞘磷脂的衍生物以及Ca2＋等等。這些小分子信使的一個(gè)重要靶分子是蛋白激酶C(Protein KinaseC、PKC)。

PKC有多種同工酶形式，均以希臘字母排列，有PKCα、PKCβI、PKCβⅡ和PKCγ等等。不同的同功酶在結(jié)構(gòu)和組織分布上各有不同，其對(duì)輔助因子(包括上述細(xì)胞內(nèi)小分子信使)的需求亦有差別，并且對(duì)底物有選擇性。

PKC在細(xì)胞的生長分化的調(diào)控中及其它多種細(xì)胞功能上具有關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用，是一類非常重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的多條途徑都可以導(dǎo)致PKC的活化。已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)研究證明，PKC的抑制劑可以使細(xì)胞失去對(duì)生長分化刺激信號(hào)的反應(yīng)，表明這些功能都依賴于PKC的調(diào)控。例如，肥大細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)(釋放出大量組織胺等血管活性物質(zhì))是機(jī)體變態(tài)反應(yīng)的重要形式之一。體外實(shí)驗(yàn)表明，如果用PKC抑制劑預(yù)先處理細(xì)胞，細(xì)胞就不會(huì)對(duì)刺激信號(hào)再發(fā)生脫顆粒反應(yīng)。如果用改變細(xì)胞膜通透性的方式使胞內(nèi)的PKC漏出，細(xì)胞也會(huì)失去發(fā)生脫顆粒反應(yīng)的能力，此時(shí)若再加入PKC使之回到細(xì)胞中，則又可恢復(fù)細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)。其它很多類似的實(shí)驗(yàn)亦表明，細(xì)胞的很多其它功能也受到PKC的調(diào)控。

(三)單次跨膜受體及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

多種生長因子和細(xì)胞因子的受體為一類結(jié)構(gòu)上為單次跨膜的糖蛋白。與七次跨膜受體(G蛋白偶聯(lián)型受體)相對(duì)應(yīng)，將其稱為單次跨膜受體，即它們的跨膜區(qū)僅為單向一次性的，而不像七次跨膜受體那樣有反復(fù)的跨膜區(qū)段。

單次跨膜受體依照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可進(jìn)一步分成多個(gè)家族和亞家族，其分類見表21－4及圖21-7。

圖21－17　各類單次跨膜受體的代表性舉例

Table21-4Families of ReceptorsActivated by Dimerization or Oligomerization

Receptorfamilies and subfamilies discussed in the text are presented .Abbreviationsused: R, receptor; R, receptor; PDGF,platelet-derived growth factor; SCF, stemcell factor; CSF, colony-stimulationg factor; EGF,epidermal growth factor; FGF,fibroblast growth factor; IGF, insulin-like growth factor;HGF, hepatocytegrowth factor;MSP,macrophage-stimulating protein;VEGF,vascular endothelialgrowth factor;FN,fibronectin;GH,growthhormone;EPO,erythropoietin;PRL,prolactin;IL,interleukin;LIF,leukemia inhibitoryfactor;CNTR,ciliary neurotrophic factore;IFN,interferon;TNF,tumor necrosisfactor;Lngfr,low affinity nerve growth factor rcecptor;TCR,T ,cellrcecptor;BCR,B cell rcecptor;receptor;TGFR,transfoming growth factorβAct,activin;BMP,bone morphogenic protein,Alternative desingations are givenwithin parentheses.

單次跨膜受體所介導(dǎo)的信號(hào)傳遞與轉(zhuǎn)換過程與G蛋白偶聯(lián)型受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有著很大差別。我們已經(jīng)知道，G蛋白偶聯(lián)型受體所介導(dǎo)的主要是經(jīng)由G蛋白的激活，然后作用于相應(yīng)的效應(yīng)分子，接下來最主要的是導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)信使含量及分布的迅速改變從而調(diào)節(jié)靶分子的活性并改變細(xì)胞的功能狀態(tài)。單次跨膜受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程則主要是蛋白分子的相互作用，并且有蛋白酪氨酸激酶的廣泛參與。對(duì)這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的了解在九十年代中取得了許多重要的進(jìn)展。為跟蹤和理解這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，我們首先需要知道參與這一過程的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子和其中的一些特殊結(jié)構(gòu)。

1.幾類重要的介導(dǎo)單次跨膜受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白分子的結(jié)構(gòu)及功能

(1)蛋白激酶

蛋白激酶是指能夠?qū)ⅵ茫�磷酸基因從磷酸供體分子上轉(zhuǎn)移至底物蛋白的氨基酸受體上的一大類酶。磷酸供體可以是ATP，也可以是其它類三磷酸核苷酸。由于蛋白激酶常常是多底物的，因此蛋白激酶是根據(jù)底物中氨基酸殘基的特異性而不是根據(jù)底物蛋白的特異性來分類的。國際生化學(xué)會(huì)命名委員會(huì)建議將蛋白激酶分為五大類：

前兩類激酶目前了解的較多，很多已經(jīng)獲得了cDNA克隆，但對(duì)后兩者的了解仍很有限。

蛋白絲/蘇氨酸激酶和蛋白酪氨酸激酶的分類見表21－5。

表21-5　蛋白激酶分類

表中列出的多種蛋白激酶都屬于重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，在此不可能一一介紹。在這些蛋白激酶中，對(duì)于細(xì)胞功能影響較大的有PKA、PKG、PKC、MAPK和PTK等。PKA、PKG和PKC已在G蛋白偶聯(lián)受體中提及，因此這里僅介紹MAPK和PTK。

①M(fèi)AP激酶(Mitogen Activated Protein Kinase, MAPK)

MAPK屬于蛋白絲/蘇氨酸激酶，是接受膜受體轉(zhuǎn)換與傳遞的信號(hào)并將其帶入細(xì)胞核內(nèi)的一類重要分子，在多種受體信號(hào)傳遞途徑中均具有關(guān)鍵性作用。在未受刺激的細(xì)胞內(nèi)，MAPK為靜止型，當(dāng)其接收上游分子棗MAPKK(MAp Kinase Kinase)的磷酸化調(diào)控信號(hào)后，MAPK中相鄰的蘇氨酸和酪氨酸均被磷酸化，從而成為活化形式的MAPK(圖21-18)。目前在MAPK的上游存在著一個(gè)

圖21-18　MAPK的活化

圖21-19　MAPK的逐級(jí)激活

由蛋白激酶構(gòu)成的MAPK逐級(jí)激活系統(tǒng)。上述使MAPK磷酸化的MAPKK又受到MAPKKK(MApKinase　Kinase Kinase)的調(diào)節(jié)。這種逐級(jí)激活系統(tǒng)又再受其上游分子的調(diào)控(圖21-19)。

MAPK被激活以后，轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)。在核內(nèi)，它可以使一些轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化從而改變胞內(nèi)基因表達(dá)的狀態(tài)。另外，它也可以使一些其它的酶發(fā)生磷酸化使之活性發(fā)生改變。目前已經(jīng)知道，MAPK參與多種細(xì)胞功能的調(diào)控，尤其是在細(xì)胞增殖、分化及凋亡過程中，它具有關(guān)鍵性作用。

MAPK途徑在果蠅中已發(fā)現(xiàn)了7種不種類型，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中已證實(shí)至少有三種MAPK成員，即ERK、JNK和P38。它們的調(diào)控機(jī)制和作用的靶分子均有所差異。

②蛋白酪氨酸激酶(Protein Tyrosine Kinase, PTK)

蛋白酪氨酸激酶作用于蛋白質(zhì)中的酪氨酸殘基使之磷酸化，很多細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最早期事即為多種蛋白質(zhì)的酪氨酸磷酸化。在細(xì)胞的生長與分化過程中，酪氨酸磷酸化大部分具有正向調(diào)節(jié)作用，無論是生長因子作用后正常細(xì)胞的增殖、惡性腫瘤細(xì)胞的增殖，還是T細(xì)胞、B細(xì)胞或肥大細(xì)胞的活化都伴隨著瞬間發(fā)生的多種蛋白分子的酪氨酸磷酸化。蛋白酪氨酸激酶的抑制劑可以阻斷上述細(xì)胞的應(yīng)答反應(yīng)。

根據(jù)蛋白酪氨酸激酶在細(xì)胞內(nèi)的位置可以將其分為三類：

A.蛋白酪氨酸激酶受體

這一類蛋白酪氨酸激酶為跨膜蛋白，其胞外部分為配體結(jié)合區(qū)，中間有跨膜區(qū)，胞內(nèi)部分含有蛋白酪氨酸激酶的催化結(jié)構(gòu)域(圖21－17)。

蛋白酪氨酸激酶受體與配體結(jié)合后往往形成二聚體，繼而發(fā)生酶活性的增高，使受體胞內(nèi)部分的酪氨酸磷酸化增強(qiáng)，磷酸化的受體酶活性進(jìn)一步增強(qiáng)。此外更重要的是，磷酸化的受體可以慕集含有SH2結(jié)構(gòu)域(見后)的信號(hào)分子，從而將信號(hào)傳遞至下游分子。

B.位于胞漿部分的蛋白酪氨酸激酶

胞漿內(nèi)亦含有多種PTKs，這些蛋白激酶或接受受體傳遞的激活信號(hào)，或受其它蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)而發(fā)生活性改變，其主要作用是作為受體和最終效應(yīng)分子之間的中間介導(dǎo)分子。已知的主要種類有：

(1)src家族：src、Fyn、Lck、Lyn等，與受體結(jié)合存在，當(dāng)配體與受體結(jié)合后被激活；

(2)Tec家族：Btk、Itk、Tec等，與受體結(jié)合或不結(jié)合存在，配體結(jié)合后被激活；

(3)ZAP70家族：ZAP70和Syk，與磷酸化的受體結(jié)合后被激活；

(4)JAK家族：JAK1、JAK2、JAK3等。

這些PTKs或者直接與受體形成復(fù)合物，或者間接地依次被激活，在傳遞受體信號(hào)過程中起著接力棒的作用。它們的結(jié)構(gòu)見圖21-20。

圖21－20　胞漿PTK的結(jié)構(gòu)

C.核內(nèi)蛋白酪氨酸激酶

大部分的酪氨酸蛋白激酶位于胞膜上或胞漿內(nèi)，近年來卻發(fā)現(xiàn)核內(nèi)也存在著酪氨酸蛋白激酶，這對(duì)于信號(hào)在核內(nèi)的傳遞有重要意義。重要的核內(nèi)PTKs有Abl和Wee。Abl既存在于胞核內(nèi)，也存在于胞漿中，已發(fā)現(xiàn)它參與轉(zhuǎn)錄過程和細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)；Wee只存在于核內(nèi)，它可調(diào)節(jié)Cyclin-2的活性，抑制其磷酸化，對(duì)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂期具有調(diào)節(jié)作用。

(2)蛋白磷酸酶(Protein Phosphotase)

蛋白磷酸(酯)酶是指具有催化已經(jīng)磷酸化的蛋白分子發(fā)生去磷酸化反應(yīng)的一類酶分子。它們與蛋白激酶相對(duì)應(yīng)存在，共同構(gòu)成了磷酸化與去磷酸化這一重要的蛋白質(zhì)活性的開關(guān)系統(tǒng)。正如蛋白激酶催化的磷酸化由于底物不同，有的表現(xiàn)為活性增高，有的表現(xiàn)為活性降低一樣，蛋白磷酸酶所催化的去磷酸化反應(yīng)也對(duì)于不同的底物有不同的反應(yīng)(圖21-21)。

圖21-21　蛋白酪氨酸磷酸酶對(duì)蛋白酪氨酸激酶的調(diào)控作用

PTK：Protein Tyrosine Kinase　 PTP：Protein Tyrosine Phosphotase S:Substrate

蛋白磷酸酶的分類也與蛋白激酶類似，是根據(jù)它所作用的氨基酸殘基決定的。目前已知的蛋白磷酸酶包括蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶和蛋白酪氨酸磷酸酶兩大類，另外還有個(gè)別的蛋白磷酸酶具有雙重作用，即可同時(shí)作用于酪氨酸和絲氨酸殘基。

蛋白激酶和蛋白磷酸酶均作用于有限的底物，它們的催化作用的特異性及其在細(xì)胞內(nèi)的分布特異性決定了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的精確性。

(3)低分子量G蛋白(Small G Protein)

圖21-22　Ras的活化及其調(diào)控因子

低分子量GTP結(jié)合蛋白在多種細(xì)胞反應(yīng)中具有開關(guān)作用，它們位于MAPK系統(tǒng)的上游，是一類重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的低分子量G蛋白是Ras，因此這一類蛋白質(zhì)被稱為Ras超家族成員。由于它們均由一個(gè)GTP酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，亦將之稱為Ras樣GTP酶。

低分子量G蛋白的共同特點(diǎn)是，當(dāng)結(jié)合了GTP時(shí)即成為活化形式，這時(shí)可作用于下游分子使之活化，而當(dāng)GTP水解成為GDP時(shí)(自身為GTP酶)則回復(fù)到非活化狀態(tài)。這一點(diǎn)與Gα類似，但是Ras家族的分子量明顯低于Gα。

在細(xì)胞中存在著一些專門控制低分子量G蛋白活性的低分子量G蛋白調(diào)節(jié)因子，這些調(diào)節(jié)因子受膜受體信號(hào)的影響，調(diào)節(jié)低分子量G蛋白活性，低分子量G蛋白再作用于MAPK系統(tǒng)。在這些調(diào)節(jié)因子中，有的可以增強(qiáng)低分子量G蛋白的活性，如鳥嘌呤核苷酸交換因子(GEF)和鳥嘌呤核苷酸解離抑制因子(GDI)，有的可以降低低分子量G蛋白活性，如GTP酶活化蛋白(GAP)等(圖21－22)。

目前已知的Ras超家族成員已超過50種，它們又可以分為數(shù)個(gè)亞家族，在細(xì)胞內(nèi)分別控制不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，每一個(gè)成員都有其各自的特點(diǎn)。

(4)介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子相互作用的結(jié)構(gòu)元件

細(xì)胞中存在著眾多的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，它們是如何相互識(shí)別、相互作用而構(gòu)成不同的細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的呢?90年代以來，人們逐步發(fā)現(xiàn)了在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中存在著一些特殊的結(jié)構(gòu)域。這些結(jié)構(gòu)域大約由50～100個(gè)氨基酸構(gòu)成，它們?cè)诓煌�的信�?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中具有很高的同源性。這些結(jié)構(gòu)域的作用是在細(xì)胞中介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的相互識(shí)別，共同形成不同的信號(hào)傳遞鏈或稱為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(Signal Transduction Pathway)，并進(jìn)而形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)(SignalTransduction Network)。換句話講，這些結(jié)構(gòu)域像電路中的接頭元件一樣把不同的信號(hào)分子連接起來。這些結(jié)構(gòu)域被稱為調(diào)控結(jié)合元件(Modular Binding Domain)。目前已經(jīng)知m.52667788.cn/sanji/道了近十種這樣的結(jié)構(gòu)域，例如：

SH2 domain (src Homology 2domain)

SH3 domain（src Homology 3 domain)

PH domain　(Pleckstrin Homology domain)

PTB domain(Protein TyrosineBinding domain)

A.SH2結(jié)構(gòu)域：由約100個(gè)氨基酸組成，介導(dǎo)信號(hào)分子與含磷酸酪氨酸蛋白分子的結(jié)合。這種結(jié)合依賴于酪氨酸殘基的磷酸化及其周圍的氨基酸殘基所構(gòu)成的基序(motif)。

例：YEEI與src family的SH2結(jié)合

YMXM與growth factor receptor、P13Kp85的SH2結(jié)合

YVIP與PLCγ的SH2結(jié)合

YXNX與Grb2的SH2結(jié)合

B.SH3結(jié)構(gòu)域：由50～100個(gè)氨基酸組成，介導(dǎo)信號(hào)分子與富含脯氨酸的蛋白分子的結(jié)合，其親和力亦與脯氨酸殘基及鄰近氨基酸殘基所構(gòu)成的基序序列相關(guān)。

例：RKLPPRPSK與P13K的親和力為9.1μM

PALPPLPRY與P13K的親和力為17μM

C.PH結(jié)構(gòu)域：由100～120個(gè)氨基酸組成，其功能尚未完全確定。目前已知它可以與磷脂類分子PIP2、PIP3、IP3等結(jié)合。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，一些蛋白分子，如PKC和G蛋白的βγ亞單位也可以與PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合。

D.PTB結(jié)構(gòu)域：由約160個(gè)氨基酸組成，與SH2一樣，PTB結(jié)構(gòu)域也可以識(shí)別一些含磷酸酪氨酸的基序，但其結(jié)合基序與SH2結(jié)構(gòu)域有所差別。

作為調(diào)控結(jié)合元件，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上有如下特點(diǎn)：

①一個(gè)信號(hào)分子可以含有兩種以上的調(diào)控結(jié)合元件(圖21-23)，因此可以同時(shí)與兩種以上的其它信號(hào)分子相結(jié)合，例如，在蛋白酪氨酸激酶Btk中即有PH結(jié)構(gòu)域、SH3結(jié)構(gòu)域和SH2結(jié)構(gòu)域等3個(gè)調(diào)控結(jié)合元件。

圖21-23　信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中的調(diào)控結(jié)合元件

Y-Kinase：tyrosine kinaseDBD:DNA binding domain　PP:Pro�瞨ich

ABD:actin�瞓inding domainGAP:　GTPase　activating domain

②同一類調(diào)控結(jié)合元件可存在于多種不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中，例如，PH結(jié)構(gòu)域存在于某些蛋白激酶、低分子量G蛋白調(diào)節(jié)分子及細(xì)胞骨架蛋白等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子中。這些調(diào)控結(jié)合元件的一級(jí)結(jié)構(gòu)仍然是不同的，因此對(duì)所結(jié)合的信號(hào)分子具有選擇性，這是保證信號(hào)分子相互作用具有特異性的基礎(chǔ)。

③這些結(jié)構(gòu)域本身均為非催化結(jié)構(gòu)域。

2.兩條典型的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

(1)表皮生長因子受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

表皮生長因子與其受體－表皮生長因子受體結(jié)合后可引發(fā)一系列細(xì)胞內(nèi)變化，最終使細(xì)胞發(fā)生分化或增殖。表皮生長因子受體是一種受體酪氨酸蛋白激酶，而受體酪氨酸蛋白激酶→Ras→MAPK級(jí)聯(lián)途徑是表皮生長因子刺激信號(hào)傳遞到細(xì)胞核內(nèi)的最主要途徑。它由以下成員組成：表皮生長因子受體→含有SH2結(jié)構(gòu)域的接頭蛋白(如Grb2)→鳥嘌呤核苷酸釋放因子(如SOS)→Ras蛋白→MAPKKK(如Raf1)→MAPKK→MAPK→轉(zhuǎn)錄因子等(圖21－24)。

圖21-24　EGF受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程

表皮生長因子與受體結(jié)合后，可以使受體發(fā)生二聚體化，從而改變了受體的構(gòu)象，使其中的蛋白酪氨酸激酶活性增強(qiáng)，受體自身的酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化，磷酸化的受體便形成了與含SH2結(jié)構(gòu)域的蛋白分子Grb2結(jié)合的位點(diǎn)，導(dǎo)致Grb2與受體的結(jié)合。Grb2中有兩個(gè)SH3結(jié)構(gòu)域，該部位與一種稱為SOS的鳥苷酸交換因子結(jié)合，使之活性改變，SOS則進(jìn)一步活化Ras，激活的Ras作用于MAPK激活系統(tǒng)，導(dǎo)致ERK的激活。最后ERK轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，導(dǎo)致某些轉(zhuǎn)錄因子的活性改變從而改變基因的表達(dá)狀態(tài)及細(xì)胞的增殖與分化過程。

(2)γ－干擾素受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

γ－干擾素是由活化T細(xì)胞產(chǎn)生的，它具有促進(jìn)抗原提呈和特異性免疫識(shí)別的作用，并可促進(jìn)B細(xì)胞分泌抗體。γ－干擾素與受體結(jié)合以后，也可以導(dǎo)致受體二聚體化，二聚體化的受體可以激活JAK－STAT系統(tǒng)，后者將干擾素刺激信號(hào)傳入核內(nèi)。JAK(Janus Kinase)為一種存在于胞漿中的蛋白酪氨酸激酶，它活化后可使干擾素受體磷酸化。STAT(Signal Transducerand Activator of Transcription)可以通過其SH2結(jié)構(gòu)域識(shí)別磷酸化的受體并與之結(jié)合。然后STAT分子亦發(fā)生酪氨酸的磷酸化，酪氨酸磷酸化的STAT進(jìn)入胞核形成有活性的轉(zhuǎn)錄因子，影響基因的表達(dá)(圖21－25)。

圖21-25　γ－干擾素受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程

JAK：Janus kinase

STAT: Signal Transducer andActivator of Transcription

GAS: γ�瞚nterferon�瞐ctivated sequenceelement

上述兩條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑僅僅是多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的代表，盡管90年代以來科學(xué)家們?cè)诩?xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)理研究方面已經(jīng)取得了一些成就，但距離闡明細(xì)胞中存在的全部傳遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還十分遙遠(yuǎn)，有待科學(xué)家們不斷努力，在下個(gè)世紀(jì)實(shí)現(xiàn)人類認(rèn)識(shí)自我的愿望。