第八章 细胞通信.docx

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第八章细胞通信

　第八章细胞通信

生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。

一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。

生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。

单细胞生物通过反馈调节，适应环境的变化。

多细胞生物则是由各种细胞组成的细胞社会，除了反馈调节外，更有赖于细胞间的通讯与信号传导，以协调不同细胞的行为，如：

①调节代谢，通过对代谢相关酶活性的调节，控制细胞的物质和能量代谢；②实现细胞功能，如肌肉的收缩和舒张，腺体分泌物的释放；③调节细胞周期，使DNA复制相关的基因表达，细胞进入分裂和增殖阶段；④控制细胞分化，使基因有选择性地表达，细胞不可逆地分化为有特定功能的成熟细胞；⑤影响细胞的存活（图8-1）。

图8-1细胞通信的作用

第一节 基本概念

一、几个容易混淆的概念

近年来，由于细胞通信在医学尤其是揭示癌症方面的重要性，使这一领域的研究十分活跃，文献和著作非常的多，不同的作者往往使用不同的名词来描述细胞的信息传递现象，虽然这些名词很相近，但是其内涵和外延不尽相同，现解释如下：

细胞信号发放（cellsignaling）[1]，细胞释放信号分子，将信息传递给其它细胞。

细胞通讯（cellcommunication）[2]指一个细胞发出的信息通过介质传递到另一个细胞产生相应反应的过程。

细胞识别（cellrecognition）[3]指细胞与细胞之间通过细胞表面的信息分子相互作用，从而引起细胞反应的现象

信号转导（signaltransduction）[4]指外界信号（如光、电、化学分子）与细胞细胞表面受体作用，通过影响细胞内信使的水平变化，进而引起细胞应答反应的一系列过程。

二、细胞信号分子

生物细胞所接受的信号既可以使物理信号（光、热、电流），也可以是化学信号，但是在有机体间和细胞间的通讯中最广泛的信号是化学信号。

从化学结构来看细胞信号分子包括：

短肽、蛋白质、气体分子（NO、CO）以及氨基酸、核苷酸、脂类和胆固醇衍生物等等，其共同特点是：

①特异性，只能与特定的受体结合；②高效性，几个分子即可发生明显的生物学效应，这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统；③可被灭活，完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性，保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳。

从产生和作用方式来看可分为内分泌激素、神经递质、局部化学介导因子和气体分子等四类。

从溶解性来看又可分为脂溶性和水溶性两类。

脂溶性信号分子，如甾类激素和甲状腺素，可直接穿膜进入靶细胞，与胞内受体结合形成激素-受体复合物，调节基因表达。

水溶性信号分子，如神经递质、细胞因子和水溶性激素，不能穿过靶细胞膜，只能与膜受体结合，经信号转换机制，通过胞内信使（如cAMP）或激活膜受体的激酶活性（如受体酪氨酸激酶），引起细胞的应答反应。

所以这类信号分子又称为第一信使（primarymessenger），而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使（secondarymessenger）。

目前公认的第二信使有cAMP、cGMP、三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG），Ca2+被称为第三信使是因为其释放有赖于第二信使。

第二信使的作用是对胞外信号起转换和放大的作用。

三、受体

受体（receptor）是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子物质，多为糖蛋白，一般至少包括两个功能区域，与配体结合的区域和产生效应的区域，当受体与配体结合后，构象改变而产生活性，启动一系列过程，最终表现为生物学效应。

受体与配体间的作用具有三个主要特征：

①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。

根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体分为细胞内受体（intracellularreceptor）和细胞表面受体（cellsurfacereceptor，图8-2）。

细胞内受体介导亲脂性信号分子的信息传递，如胞内的甾体类激素受体。

细胞表面受体介导亲水性信号分子的信息传递，可分为：

①离子通道型受体、②G蛋白耦联型受体和③酶耦联型受体。

每一种细胞都有其独特的受体和信号转导系统，细胞对信号的反应不仅取决于其受体的特异性，而且与细胞的固有特征有关。

有时相同的信号可产生不同的效应，如Ach可引起骨骼肌收缩、降低心肌收缩频率，引起唾腺细胞分泌。

有时不同信号产生相同的效应，如肾上腺素、胰高血糖素，都能促进肝糖原降解而升高血糖。

细胞持续处于信号分子刺激下的时候，细胞通过多种途径使受体钝化，产生适应。

如：

①修饰或改变受体，如磷酸化，使受体与下游蛋白隔离，即受体失活（receptorinactivation）。

②暂时将受体移到细胞内部，即受体隐蔽（receptorsequestration）

③通过内吞作用，将受体转移到溶酶体中降解，即受体下行调节（receptordown-regulation）

图8-2细胞表面受体和细胞内受体

四、蛋白激酶

蛋白激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的γ磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化，可分为5类（表8-1）。

蛋白激酶在信号转导中主要作用有两个方面：

其一是通过磷酸化调节蛋白质的活性，磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号通路组分可逆激活的共同机制，有些蛋白质在磷酸化后具有活性，有些则在去磷酸化后具有活性；其二是通过蛋白质的逐级磷酸化，使信号逐级放大，引起细胞反应。

表8-1蛋白激酶的种类

激酶

磷酸基团受体

蛋白丝氨酸／苏氨酸激酶

丝氨酸／苏氨酸羟基

蛋白酪氨酸激酶

酪氨酸的酚羟基

蛋白组／赖／精氨酸激酶

咪唑环，胍基，ε－氨基

蛋白半胱氨酸激酶

巯基

蛋白天冬氨酸／谷氨酸激酶

酰基

五、胞间通信的主要类型

细胞通讯主要有以下三种方式。

（一）、细胞间隙连接（gapjunction）

是细胞间的直接通讯方式（图8-3）。

两个相邻的细胞以连接子（connexon）相联系。

连接子中央为直径1.5nm的亲水性孔道。

允许小分子物质如Ca2+、cAMP通过，有助于相邻同型细胞对外界信号的协同反应，如可兴奋细胞的电耦联现象。

图8-3细胞间隙连接

（二）、膜表面分子接触通讯

是指细胞通过其表面信号分子（受体）与另一细胞表面的信号分子（配体）选择性地相互作用，最终产生细胞应答的过程，即细胞识别（cellrecognition，图8-4）。

可分为：

①同种同类细胞间的识别，如胚胎分化过程中神经细胞对周围细胞的识别，输血和植皮引起的反应可以看作同种同类不同来源细胞间的识别；②同种异类细胞间的识别，如精子和卵子之间的识别，T与B淋巴细胞间的识别；③异种异类细胞间的识别，如病原体对宿主细胞的识别，④异种同类细胞间的识别，仅见于实验条件下。

图8-4膜表面分子接触通讯

图8-5化学通讯

（三）、化学通讯

化学通讯是间接的细胞通讯（图8-5），指细胞分泌一些化学物质（如激素）至细胞外，作为信号分子作用于靶细胞，调节其功能。

根据化学信号分子可以作用的距离范围，可分为以下4类（图8-6）：

1.       内分泌（endocrine）：

内分泌细胞分泌的激素随血液循环输至全身，作用于靶细胞。

其特点是：

①低浓度，仅为10-8-10-12M；②全身性，随血液流经全身，但只能与特定的受体结合而发挥作用；③长时效，激素产生后经过漫长的运送过程才起作用，而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用。

2.       旁分泌（paracrine）：

细胞分泌的信号分子通过扩散作用于邻近的细胞。

包括：

①各类细胞因子；②气体信号分子（如：

NO）

3.       突触信号发放：

神经递质（如乙酰胆碱）由突触前膜释放，经突触间隙扩散到突触后膜，作用于特定的靶细胞。

4.       自分泌（autocrine）：

与上述三类不同的是，信号发放细胞和靶细胞为同类或同一细胞，常见于癌变细胞。

如：

大肠癌细胞可自分泌产生胃泌素，介导调节c-myc、c-fos和rasp21等癌基因表达，从而促进癌细胞的增殖。

图8-6化学通信的类型

[1]Releasebyonecellofsubstancesthattransmitinformationtoothercells.

[2]Anyofseveralwaysinwhichlivingcellsofanorganismcommunicatewithoneanother,whetherbydirectcontactbetweencellsorbymeansofchemicalsignalscarriedbyneurotransmittersubstances,hormones,andcyclicamp.

[3]Interactionbetweencellsthatispossiblydependentuponspecificadhesion.Sincethemechanismisnotentirelyclearinmostcases,thetermshouldbeusedwithcaution.

[4]Thecascadeofprocessesbywhichanextracellularsignal（typicallyahormoneorneurotransmitter）interactswithareceptoratthecellsurfacecausingachangeinthelevelofasecondmessenger（forexamplecalciumorcyclicAMP）andultimatelyeffectsachangeinthecell'sfunctioning（forexample,triggeringglucoseuptake,orinitiatingcelldivision）.Canalsobeappliedtosensorysignaltransduction,eg.oflightatphotoreceptors.

第二节 膜表面受体介导的信号转导

亲水性化学信号分子（包括神经递质、蛋白激素、生长因子等）不能直接进入细胞，只能通过膜表面的特异受体传递信号，使靶细胞产生效应。

膜表面受体主要有三类（图8-7）：

①离子通道型受体（ion-channel-linkedreceptor）；②G蛋白耦联型受体（G-protein-linkedreceptor）；③酶耦联的受体（enzyme-linkedreceptor）。

第一类存在于可兴奋细胞。

后两类存在于大多数细胞，在信号转导的早期表现为激酶级联（kinasecascade）事件，即为一系列蛋白质的逐级磷酸化，籍此使信号逐级传送和放大。

图8-7膜表面受体主要有三类

一、离子通道型受体

离子通道型受体（图8-8）是一类自身为离子通道的受体，即配体门通道（ligand-gatedchannel）。

主要存在于神经、肌肉等可兴奋细胞，其信号分子为神经递质。

神经递质通过与受体的结合而改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，改变质膜的离子通透性，在瞬间将胞外化学信号转换为电信号，继而改变突触后细胞的兴奋性。

如：

乙酰胆碱受体（图8-9、10）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，受体则恢复到初始状态，做好重新接受配体的准备。

离子通道型受体分为阳离子通道，如乙酰胆碱、谷氨酸和五羟色胺的受体，和阴离子通道，如甘氨酸和γ－氨基丁酸的受体。

图8-8离子通道型受体

图8-9乙酰胆碱受体结构模型

图8-10乙酰胆碱受体的三种构象

图8-11神经肌肉接点处的离子通道型受体

二、G蛋白耦联型受体

三聚体GTP结合调节蛋白（trimericGTP-bindingregulatoryprotein）简称G蛋白，位于质膜胞质侧，由α、β、γ三个亚基组成，α和γ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用（图8-12），当α亚基与GDP结合时处于关闭状态，与GTP结合时处于开启状态，α亚基具有GTP酶活性，能催化所结合的ATP水解，恢复无活性的三聚体状态，其GTP酶的活性能被RGS（regulatorofGproteinsignaling）增强。

RGS也属于GAP（GTPaseactivatingprotein）。

图8-12G蛋白分子开关

G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白（图8-13），受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白耦联。

通过与G蛋白耦联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。

G蛋白耦联型受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因素的受体亦属G蛋白耦联型受体。

图8-13G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白

由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：

cAMP信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。

（一）、cAMP信号途径

在cAMP信号途径中，细胞外信号与相应受体结合，调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平的变化，将细胞外信号转变为细胞内信号。

1、cAMP信号的组分

①.   激活型激素受体（Rs）或抑制型激素受体（Ri）；

②.   活化型调节蛋白（Gs）或抑制型调节蛋白（Gi）；

③.   腺苷酸环化酶（Adenylylcyclase）：

是相对分子量为150KD的糖蛋白，跨膜12次。

在Mg2+或Mn2+的存在下，腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP（图8-14）。

图8-14腺苷酸环化酶

④.   蛋白激酶A（ProteinKinaseA，PKA）：

由两个催化亚基和两个调节亚基组成（图8-15），在没有cAMP时，以钝化复合体形式存在。

cAMP与调节亚基结合，改变调节亚基构象，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基。

活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，于是改变这些蛋白的活性，进一步影响到相关基因的表达。

图8-15蛋白激酶A

⑤.   环腺苷酸磷酸二酯酶（cAMPphosphodiesterase）：

可降解cAMP生成5’-AMP，起终止信号的作用（图8-16）。

图8-16cAMP的降解

2、Gs调节模型

当细胞没有受到激素刺激，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与Rs结合后，导致Rs构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ基复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP。

随着GTP的水解α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用。

α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。

活化的βγ亚基复合物也可直接激活胞内靶分子，具有传递信号的功能，如心肌细胞中G蛋白耦联受体在结合乙酰胆碱刺激下，活化的βγ亚基复合物能开启质膜上的K+通道，改变心肌细胞的膜电位。

此外βγ亚基复合物也能与膜上的效应酶结合，对结合GTP的α亚基起协同或拮抗作用。

霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。

导致霍乱病患者细胞内Na+和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。

该信号途径涉及的反应链可表示为：

激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录（图8-17）。

图8-17Gs调节模型

不同细胞对cAMP信号途径的反应速度不同，在肌肉细胞1秒钟之内可启动糖原降解为葡糖1-磷酸（图8-18），而抑制糖原的合成。

在某些分泌细胞，需要几个小时，激活的PKA进入细胞核，将CRE结合蛋白磷酸化，调节相关基因的表达。

CRE（cAMPresponseelement）是DNA上的调节区域（图8-19）。

图8-18cAMP信号与糖原降解

图8-19cAMP信号与基因表达

3、Gi调节模型

Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用可通过两个途径：

①通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性；②通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化（图8-20）。

百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机理有关。

图8-20Gi调节模型

（二）、磷脂酰肌醇途径

在磷脂酰肌醇信号通路中胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，激活质膜上的磷脂酶C（PLC-β），使质膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）水解成1，4，5-三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号（图8-21），这一信号系统又称为“双信使系统”（doublemessengersystem）。

图8-21磷脂酰肌醇途径

IP3与内质网上的IP3配体门钙通道结合，开启钙通道，使胞内Ca2+浓度升高。

激活各类依赖钙离子的蛋白。

用Ca2+载体离子霉素（ionomycin）处理细胞会产生类似的结果（图8-22）。

DG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（ProteinKinaseC，PKC）。

PKC以非活性形式分布于细胞溶质中，当细胞接受刺激，产生IP3，使Ca2+浓度升高，PKC便转位到质膜内表面，被DG活化（图8-22），PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化是不同的细胞产生不同的反应，如细胞分泌、肌肉收缩、细胞增殖和分化等。

DG的作用可用佛波醇酯（phobolester）模拟。

图8-22IP3和DG的作用

Ca2+活化各种Ca2+结合蛋白引起细胞反应，钙调素（calmodulin，CaM）由单一肽链构成，具有四个钙离子结合部位。

结合钙离子发生构象改变，可激活钙调素依赖性激酶（CaM-Kinase）。

细胞对Ca2+的反应取决于细胞内钙结合蛋白和钙调素依赖性激酶的种类。

如：

在哺乳类脑神经元突触处钙调素依赖性激酶Ⅱ十分丰富，与记忆形成有关。

该蛋白发生点突变的小鼠表现出明显的记忆无能。

IP3信号的终止是通过去磷酸化形成IP2，或被磷酸化形成IP4。

Ca2+由质膜上的Ca2+泵和Na+-Ca2+交换器将抽出细胞，或由内质网膜上的钙泵抽进内质网（图8-23）。

图8-23Ca2+信号的消除

DG通过两种途径终止其信使作用：

一是被DG-激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；二是被DG酯酶水解成单酯酰甘油。

由于DG代谢周期很短，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化又要求PKC长期活性所产生的效应。

现发现另一种DG生成途径，即由磷脂酶催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DG，用来维持PKC的长期效应。

（三）其它G蛋白偶联型受体

1．化学感受器中的G蛋白

气味分子与化学感受器中的G蛋白偶联型受体结合，可激活腺苷酸环化酶，产生cAMP，开启cAMP门控阳离子通道（cAMP-gatedcationchannel），引起钠离子内流，膜去极化，产生神经冲动，最终形成嗅觉或味觉。

2．视觉感受器中的G蛋白

黑暗条件下视杆细胞（或视锥细胞）中cGMP浓度较高，cGMP门控钠离子通道开放，钠离子内流，引起膜去极化，突触持续向次级神经元释放递质。

视紫红质（rhodopsin,Rh）为7次跨膜蛋白，含一个11顺-视黄醛。

是视觉感受器中的G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的构象变为反式，Rh分解为视黄醛和视蛋白（opsin），构象改变的视蛋白激活G蛋白（transducin,Gt），G蛋白激活cGMP磷酸二酯酶，将细胞中的cGMP水解。

从而关闭钠通道，引起细胞超极化，产生视觉。

可见胞内cGMP水平下降的负效应信号起传递光刺激的作用（图8-24）。

视觉感受器的换能反映可表述为：

光信号→Rh激活→Gt活化→cGMP磷酸二酯酶激活→胞内cGMP减少→Na+离子通道关闭→离子浓度下降→膜超极化→神经递质释放减少→视觉反应。

图8-24视觉感受器中的G蛋白

（四）、小G蛋白

小G蛋白（SmallGProtein）因分子量只有20~30KD而得名，同样具有GTP酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。

第一个被发现的小G蛋白是Ras，它是ras基因[5]的产物。

其它的还有Rho，SEC4，YPT1等，微管蛋白β亚基也是一种小G蛋白。

小G蛋白的共同特点是，当结合了GTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当GTP水解成为GDP时（自身为GTP酶）则回复到非活化状态。

这一点与Gα类似，但是小G蛋白的分子量明显低于Gα。

在细胞中存在着一些专门控制小G蛋白活性的小G蛋白调节因子，有的可以增强小G蛋白的活性，如鸟苷酸交换因子（guaninenucleotideexchangefactor,GEF）和鸟苷酸解离抑制因子（GuaninenucleotidedissociationInhibitor,GDI），有的可以降低小G蛋白活性，如GTP酶活化蛋白（GTPaseactivatingprotein,GAP）。

三、酶耦联型受体

酶偶联型受体（enzymelinkedreceptor）分为两类，其一是本身具有激酶活性，如肽类生长因子（EGF，PDGF，CSF等）受体；其二是本身没有酶活性，但可以连接非受体酪氨酸激酶，如细胞因子受体超家族。

这类受体的共同点是：

①通常为单次跨膜蛋白[6]；②接受配体后发生二聚化而激活，起动其下游信号转导。

已知六类：

①受体酪氨酸激酶、②酪氨酸激酶连接的受体、③受体酪氨酸磷脂酶、④受体丝氨酸/苏氨酸激酶⑤受体鸟苷酸环化酶、⑥组氨酸激酶连接的受体（与细菌的趋化性有关）。

（一）、受体酪氨酸激酶

1、酪氨酸激酶

酪氨酸激酶可分为三类：

①受体酪氨酸激酶，为单次跨膜蛋白，在脊椎动物中已发现50余种；②胞质酪氨酸激酶，如Src家族、Tec家族、ZAP70、家族、JAK家族等；③核内酪氨酸激酶如Abl和Wee。

受体酪氨酸激酶（receptorproteintyrosinekinases，RPTKs）的胞外区是结合配体结构域，配体是可溶性或膜结合的多肽或蛋白类激素，包括胰岛素和多种生长因子。

胞内段是酪氨酸蛋白激酶的催化部位，并具有自磷酸化位点（图8-25）。

配体（如EGF）在胞外与受体结合并引起构象变化，导致受体二聚化（dimerization）形成同源或异源二聚体，在二聚体内彼此相互磷酸化胞内段酪氨酸残基，激活受体本身的酪氨酸蛋白激酶活性。

这类受体主要有EGF、PDGF、FGF等（图8-26）。

图8-25受体酪氨酸激酶的二聚化和自磷酸化

图8-26各类受体酪氨酸激酶

2、信号分子间的识别结构域

信号转导分子中存在着一些大