信号通路途径

主要的肿瘤相关信号途径 赵洪春 2014年11月18日 肿瘤的发生和发展是一个多因素、多基因参与、经过多个阶段才形成的极其复杂的生物学现象。癌细胞基因在漫长的进化中保持高度保守绝非偶然，在肿瘤发生过程中正常的基因调控紊乱，可导致细胞信号传递网络异常。与正常细胞相比，在肿瘤细胞中往往一些通路处于异常活跃的状态，另一些通路则传递受阻。G蛋白可以与GTP结合并具有GTP酶活性。它由、三个亚基组成，其作用是分子开关。有两种构象：非活化型：三聚体 与GDP结合活化型：亚基 与GTP结合，二聚体脱落 细胞外信号分子细胞外信号分子受体蛋白分子受体蛋白分子细胞内信号分子细胞内信号分子靶位蛋白靶位蛋白代谢改变代谢改变基因表达基因表达改变改变细胞形状细胞形状或运动改变或运动改变代谢类酶代谢类酶基因调节蛋白基因调节蛋白细胞骨架蛋白细胞骨架蛋白G蛋白偶联信号途径的组成cAMP是第一个被发现的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHEarl Wilbur Sutherland Jr （1915-1974）萨瑟兰（Earl W.Sutherland,Jr）1915.11.9 1974.3.9 1971年获诺贝尔生理学和医学奖腺苷酸环化酶（AC）受体G蛋白cAMP依赖的蛋白激酶A(PKA)环腺苷酸二脂酶（PDE）cAMP在正常情况下在细胞内的浓度106mol/L、其浓度受腺苷酸环化酶的调节，它能催化ATP转化成cAMP。激活型受体和抑制型受体，都是G蛋白偶联受体，具有相似的跨膜7次的结构。但是，由于胞外的信号的不同，有两种调节模式：活化型G蛋白模式 抑制型G蛋白模式(3).蛋白激酶APKA结构结构PKA全酶：全酶：R2C2，型和型和型型C亚基：含亚基：含ATP结合位点、催化位点、底物结合部结合位点、催化位点、底物结合部位及自主磷酸化位点。位及自主磷酸化位点。R亚基亚基：含含二聚化结合域、假底物功能域和二聚化结合域、假底物功能域和cAMP结结合位点。合位点。信号分子与受体结合通过G蛋白活化腺苷酸环化酶，导致细胞内cAMP浓度增高激活蛋白激酶A，被活化的蛋白激酶A（催化亚基）转为进入细胞核，使基因调控蛋白（cAMP应答结合蛋白，CREB）磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。PKAPKA对基因表达的调节对基因表达的调节作用作用 PDE和AC的作用刚好相反，它能降解cAMP为5-AMP,起终止信号的作用。磷脂酰肌醇途径：是三种G蛋白偶联受体所介导的信号通路中的其中之一，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-），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）和二酰甘油（DAG）两个第二信使，胞外信号转换为胞内信号，这一信号系统又称为“双信使系统”。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。这一作用几乎发生在所有真核细胞中。DAG结合于质膜上，可活化与质膜结合的蛋白激酶C（Protein Kinase C，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DAG活化，PKC可以使蛋白质的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。从而激活蛋白激酶联级反应链，激活基因调控蛋白；或使基因调控蛋白的抑制蛋白失活。IP3信号的终止：是通过去磷酸化形成IP2、或磷酸化为IP4。Ca2+被质膜上的钙泵和Na+-Ca2+交换器抽出细胞，或被内质网膜上的钙泵抽回内质网。DAG信号的终止：-被DAG激酶磷酸化成为磷脂酸，进入磷脂酰肌醇循环；-被DAG酯酶水解成单酯酰甘油。DAG代谢周期很短，不能长期维持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DAG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。在视觉感受器中发现的G蛋白称为Gt，在黑暗条件下视杆细胞中的cGMP浓度较高，它的生成受鸟苷酸环化酶的催化。cGMP-PDE-磷酸二酯酶的作用是催化cGMP水解。视紫红质：为7次跨膜蛋白，是视觉感受其中G蛋白偶联型受体，光照使Rh视黄醛的结构变为反式。Rh可以分解为视黄醛和视蛋白，激活的视紫红质可以激活Gt蛋白，后激活cGMP-PDE，从而使降低胞内的cGMP。CAMP的作用是激活质膜的钠通道。在黑暗状态下，高浓度的cGMP可直接结合钠通道使离子通道开放，钠离子内流膜去极化；当细胞内的cGMP因cGMP-PDE活性增强而水平下降时钠离子通道关闭产生超级化，这个负效应就会起到传递视兴奋的作用。受体络氨酸介导的信号通路主要有Ras信号通路、PI3K信号通路、磷脂酰肌醇信号通路等等。信号分子间的识别结构域主要有三类：SH2结构域:介导信号分子与含磷酸酪氨酸蛋白分子结合；SH3结构域：介导信号分子与富含脯氨酸的蛋白质分子结合；PH结构域：与磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合。受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTK）Ras蛋白是一种单体GTP结合蛋白，具有GTPase活性。分布于胞质中，结合GTP时为活化状态，结合GDP时为失活状态。30%的人类恶性肿瘤与Ras基因突变有关，突变的Ras蛋白与GTP永久结合，导致细胞持续增殖。GRF鸟苷酸释放因子GTP酶活化蛋白Ras蛋白的激活配体RTK接头蛋白GEF（Sos）RasRaf（MAPKKK）MAPKKMAPK进入细胞其他激酶或基因调控蛋白的磷酸化修饰基因表达产生多种效应 转化生长因子(-)作用：对多种肿瘤细胞具有抑制增殖及激活凋亡的。转化生长因子是一个庞大的家族群。根据不同的电泳能力把-受体划分为三种类型。型受体结构示意图胞浆外区跨膜区胞浆内区GS区：高度保守，其丝氨酸基续可被II型受体磷酸化，再作用于I型受体。N端 II型受体结构示意图胞浆外区跨膜区胞浆内区v 胞内羟基端有一个富含丝苏氨酸残基短尾。N端 只有在I型和II型受体在细胞膜共同表达的情况下，才能使细胞外信号转导至细胞内。原因：1、I型受体可以激活smads，但不能与TGF-直接结合。2、II型受体可以与TGF-结合，但不能激活smads。定义：是指参与TGF-细胞内信号传导的，不同动物和人的相关蛋白统一命为Smad信号蛋白。作用：它是TGF-受体作用的直接底物，是将配体与受体作用的信号由胞浆传导至细胞核的中介分子。Smad结构：包括N端的MH1区、C端的MH2区及两者之间的连接区（linker）。可与转录辅激活蛋白或辅阻碍物相互作用N端端C端端可以被受体磷酸化而被活化。TGF-与II型受体结合II型受体被活化活化的II 型受体募集并结合I型受体，形成II型受体-配体-I型受体的异源三聚体，使其GS区被磷酸化活化的II型受体使smad蛋白磷酸化，从而将信号转导至细胞内。SmadSmadSmad-P-P细胞膜细胞膜胞浆胞浆核膜核膜GS（TGF-）2TGF-途径SmadP-CDK4CDK4抑制因子抑制因子细胞阻滞于细胞阻滞于G1期期细胞周期素依赖性激酶细胞周期素依赖性激酶4 Wnt基因于1982年发现，最初是作为小鼠乳腺肿瘤病毒优先整合的位点而被鉴定的，该基因能在细胞间传递增殖和分化信息，是一种癌基因，当时被命名为Int基因(小鼠Int-1和Int-3)。随后发现它与果蝇的无翅基因(wingless)属同源基因(orthologous gene)，从而将二者结合命名为Wnt基因。Wnt信号蛋白；胞膜受体卷曲蛋白，结构类似于G蛋白偶联受体；胞浆内-环连蛋白（-catenin）；Dsh（蓬乱蛋白）：它能切断-catenin的降解途径从而使-catenin积累并可进入细胞核；APC石一种抑癌基因，突变引起良性肿瘤；GSK3等蛋白，能使-catenin磷酸化；LEF/TCF（T细胞因子）：是一类有双向调节功能的转录因子，与Groucho（一种转录抑制因子）结合抑制基因转录，与-catenin结合促进基因转录。Axin:一种支架蛋白。Wnt信号进入胞内后，将信号传递给蓬乱蛋白(Dsh)，活化的Dsh抑制由Axin、APC和组成的复合物的活性,使-catenin不能被GSK-3磷酸化。磷酸化的-catenin才可通过遍在蛋白化而被胞浆内的蛋白酶体所降解，由于非磷酸化的-catenin不能被蛋白酶体降解，从而导致-catenin在胞浆内积聚，并移向核内。当游离的-catenin进入细胞核内，即可与转录因子TCF/LEF(T-cellfactor/Lymphoid enhancer factor)结合，激活TCF转录活性，调节靶基因的表达。因此,-catenin是否磷酸化是该信号传递的关键因素。Wnt信号途径的实现 在正常生长的成熟机体中，细胞的生长、增殖和分化等具有一定的规律性和有序性。有限生长的细胞在没有Wnt信号时，Wnt通路呈关闭状态。但当Wnt途径激活时，就可能导致许多细胞出现灾难性的变化，使细胞发生异常的增生和分化，导致肿瘤形成。Notch基因最早于1917年由Thomas Hunt Morgan在果蝇中发现因其功能部分缺失会在果蝇翅膀的边缘造成切迹而命名，1980年此基因首次被克隆出来。Notch基因编码一类高度保守的细胞表面受体，Notch信号通路广泛存在于脊椎动物和非脊椎动物，在进化上高度保守，通过相邻细胞之间的相互作用调节细胞、组织、器官的分化和发育，几乎涉及所有细胞的增殖和分化活动，在调节细胞分化，增殖和凋亡，及一系列生理、病理过程中都起重要作用。notch配体notch受体转录因子CSL调节因子相关的酶notch信号靶分子在果蝇中Notch个配体为Delta和Serrate，线虫为Lag-2，取首写字母，Notch的配体又被称为DSL蛋白（在哺乳动物中叫做Jagged）特点：单次跨膜蛋白糖蛋白胞外有数量不等的EGF样重复区N 端有一个结合 Notch 受体必需的 DSL基序 与Notch 受体不同的是,配体分子的胞浆区很短,只有70 215个氨基酸残基。胞胞外亚外亚单位：单位：EGF样的重复片段（EGF-R）3个lin12重复片段（LNF）阻止Notch受体在结合Notch配体前的异常激活。跨膜亚单位：RAM23结构域（RAM）与csl结合6个锚定蛋白重复片段（ANK）C-末端的PEST序列（P)，与Notch蛋白的降解有关NCR（调节功能）notch1-notch42个核定位信号(nuclear localization signal，NLS）哺乳动物-CBF1果蝇-Suppressor of Hairless (Su(H)线虫-Lag-1CSL能识别并结合特定的DNA序列（GTGGGAA），这个序列位于Notch诱导基因的启动子上。NICD不存在时，CSL为转录抑制因子。当结合NICD时，CSL能诱导相关基因的表达。第一次在高尔基体内被切割为两个片段，转运到细胞膜形成二聚体。第二次是靠近膜外的部位被肿瘤坏死因子-a-转化酶（TACE）切割，胞外区被释放。第三次是胞膜内靠近胞膜的部位被-分泌酶切割，释放Notch胞内区NICD。Hedgehog（Hh）是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白；该基因突变的果蝇胚胎呈多毛团状，型似刺猬而得名。哺乳动物中存在三个Hedgehog的同源基因：SonicHedgehog(SHH)、Indian Hedgehog(IHH)和Desert Hedgehog(DHH)，分别编码Shh、Ihh和Dhh蛋白。Hh信号传递受靶细胞膜上两种受体Patched(Ptc)和Smoothened(Smo)的控制。受体Ptc由肿瘤抑制基因Patched编码，是由12个跨膜区的单一肽链构成，能与配体直接结合，对Hh信号起负调控作用。受体Smo由原癌基因Smothened 编码，与G蛋白偶联受体同源，由7个跨膜区的单一肽链构成，N端位于细胞外，C端位于细胞内，跨膜区氨基酸序列高度保守，C 末端的丝氨酸与苏氨酸残基为磷酸化部位，蛋白激酶催化时结合磷酸基团。在无Hedgehog下，Ptc抑制Smo;当Hedgehog和Ptc结合时则解除Ptc抑制Smo，从而引发下游的事件。NF-B是属于Rel家族的转录因子，参与调节机体免疫、炎症反应、细胞分化有关的基因转录。该家族的肽链亚基均存在300bp组成的Rel同源结构域（Rel homology domain,RHD）。内含二聚体化区、DNA结合区和和定位序列，分别介导Rel蛋白间的二聚体化。NF-B家族由P50、P52、P65、c-Rel和RelB五个成员组成。它们都具有Rel同源区，能形成二聚体或异二聚体，启动不同的基因转录。NF-B信号通路信号通路最基本的NF-B信号通路，包括受体和受体近端信号衔接蛋白，IB激酶复合物，IB蛋白和NF-B二聚体。当细胞受到各种胞内外刺激后，IB激酶被激活，从而导致IB蛋白磷酸化，泛素化，然后IB蛋白被降解，NF-B二聚体得到释放。然后NF-B二聚体通过各种翻译后的修饰作用而被进一步激活，并转移到细胞核中。在细胞核里，它与目的基因结合，以促进目的基因的转录。IBIB蛋白家族蛋白家族 IB蛋白家族包括七个成员：IB、IB、IB、IB、Bcl-3、p100和p105 。作用：在细胞质中与NF-B二聚体结合，并对信号应答具有重要作用。IB蛋白的结构特点：存在锚蛋白重复区域。是NF-B信号通路的关键性激酶，保外信号如肿瘤坏死因子、白细胞介导速1等可以激活IKK，使IB磷酸化，随后被泛素化途径降解。TNF和FasL是能引起细胞凋亡的最主要的两个死亡因子，它们分别与细胞膜TNF受体和Fas结合后，激活细胞自杀，引发一系列生化反应，导致细胞死亡。Fas是一种重要的诱导细胞凋亡的死亡受体，在靶细胞表面相应配体（Fas Ligand）激活下介导细胞死亡。1975年E.A.Carswell等人发现接种卡介苗的小鼠注射细菌脂多糖后，血清中出现一种能使多种肿瘤发生出血性坏死的物质，将其命名为肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF)。TNF是一类具有多种生物效应的细胞因子，它通过与细胞膜上的特异性受体结合，促进细胞生长、分化、凋亡及诱发炎症等生物学效应。TNF主要由活化的巨噬细胞，NK细胞及T淋巴细胞产生。1985年Shalaby把巨噬细胞产生的TNF命名为TNF-，把T淋巴细胞产生的淋巴毒素（lymphotoxin，LT)命名为TNF-。虽然TNF-与TNF-仅有约30%的同源性，但它们却拥有共同的受体。TNF的生物学活性占TNF总活性的70%95%，因此目前常说的TNF多指TNF-。TNF-属于TNF家族Caspase蛋白酶、JNK和转录因子NF-B三条信号通路，实现细胞凋亡、免疫调节等生物学功能。型TNF-R1（55kDa）：439氨基酸残基，其对应的mRNA有4.5Kbp，可表达于所有类型的细胞上，在溶细胞活性上起主要作用。型TNF-R2（75kDa）:426氨基酸残基，其对应的mRNA有3Kbp，仅表达于免疫和内皮细胞上，与信号传递和T细胞增殖有关。谢谢！