肿瘤学第五章ppt课件

第五章信号传导与肿瘤信号传导 signaltransduction 概述信号传导的基本概念 细胞外因子通过受体 膜受体或核受体 结合引发细胞内的一系列生物化学反应 直至细胞生理反应所需基因表达开始的过程 即 信号从细胞外 通过膜到细胞核的过程 1 多细胞有机体的进化依赖于细胞之间的互相通讯联系 由于细胞之间存在着精细的分工 一些细胞群体有赖于其他细胞群体 并要求其他的细胞群体对其产生应答反应 这种精细的细胞间通讯网络控制着细胞的生长 分裂 分化 死亡及各种其他的生命过程 但是细胞如何与复杂的外界环境保持适时地应变关系 如何维持细胞与细胞间的精细 协调的关系仍不甚清楚 2 在长期适应与进化中 真核生物建立起一系列的细胞生物化学网络系统 即信号传导系统 信号传导系统的作用 沟通细胞内外以及细胞之间的联系 保证细胞乃至生物个体的各种生命活动的正常运转 使各种生命在整体上能被高度特化 如果细胞内与增殖调控有关的信号系统发生紊乱 就会导致生长异常 遗传性能改变 发生肿瘤 甚至死亡 信号传导研究将会是21世纪生命科学研究领域的热点 3 第一节回顾真核细胞增殖调控是一个多因素 多环节 多步骤 涉及到细胞内外众多分子事件的复杂过程 现认为细胞内多种信号系统及其传导通路相互协调与作用 构成了一个复杂的级联交叉网络 cross talk 共同精确地调节细胞增殖和分化等多种生理功能 4 基本组成 受体 联结蛋白 第二信使 G蛋白 胞内激酶 核受体 细胞外因子 刺激细胞增殖的因子其他重要的细胞外因子 酪氨酸激酶受体G蛋白联接受体细胞因子受体粘附分子受体 经典G蛋白小分子量G蛋白 5 第二节基本组成一 细胞外因子 一 刺激细胞增殖的因子1 生长因子 growthfactor 这是一大类种类繁多 以刺激细胞生长为其特征的多肽 因生理作用而命名 共同特点 1 生长因子受体都具有酪氨酸激酶活性 2 特异性 基本上每一种细胞生长因子都有与之相对应的受体 6 3 多样性 一种细胞生长因子与受体结合后 大多数都能激活多种不同的传导通路 4 家族性 许多生长因子因为结构相似 生理功能相近 所以归纳成为一个家族 5 交叉性 虽然生长因子与其受体的结合基本上恪守特异专一的原则 但是部分生长因子能与二种以上的不同受体结合 这在同一家族的成员中更为多见 7 2 细胞因子 cytokine 细胞因子种类多样 家族亦不少 且功能各异 最主要的家族有白介素 白细胞刺激因子 干扰素等 对于刺激细胞生长 这类因子虽没有生长因子那样重要 但对于特异的细胞 如淋巴瘤等 它们的作用 如白介素 对于细胞生长 活化是极其重要的 这类因子主要的特点 它们的受体本身都不具有激酶活性 8 3 激素 神经递质等最显著的共同特点 通过G蛋白联接受体传递信号 这是目前所知种类最多的一类可以刺激细胞生长的细胞外因子 种类繁多 结构各异 分子大小相差悬殊 人们熟知的代表有生长激素 乙酰胆碱 肾上腺素等 9 二 其他重要的细胞外因子1 抗原各种外源性或内源性抗原可通过与淋巴细胞膜受体结合 刺激淋巴细胞活化 进一步引起免疫效应 研究T细胞 B细胞活化途径和信号传导通路不仅是免疫学的热点 在肿瘤免疫 自身免疫性疾病 器官移植等学科领域 具有重要的理论意义和应用价值 10 2 肿瘤坏死因子 TNF tumornecrosisfactor 人们发现TNF家族成员越来越多 它们的主要生理功能是引起细胞凋亡 Apoptosis 细胞凋亡的信号传导通路不仅是信号传导领域 而且是细胞生物学 肿瘤生物学研究的重点和热点 11 3 粘附分子 adhesionmolecules 细胞与细胞 细胞与基质的相互粘附作用不仅是胚胎发育所必需 而且在炎症 伤口愈合以及免疫反应等过程中发挥重要作用 细胞粘附的信号传导过程引起人们重视 是由于它们在肿瘤侵袭 转移中的非同寻常的作用 细胞外基质中主要的粘附分子 纤维粘连蛋白 fibronectin FN 层粘连蛋白 laminin LN 胶质蛋白 collagen Coll 12 二 受体受体的概念 受体是一种蛋白质 或存在于细胞膜上 或存在于细胞核内 它能接受外界的信号并将信号转化为细胞内的一系列生物化学反应 对细胞的结构或功能产生影响 配体 受体接受的外界信号统称为配体 包括神经递质 激素 生长因子 光子 某些化学物质及其细胞外信号 13 所有生长因子必须通过一种特殊受体起作用 受体本质是酪氨酸磷酸化激酶 分子量较大15万 35万 受体分为胞外区 跨膜区和面向细胞质的包膜区 受体和生长因子结合 触发一系列反应 在细胞质中形成第二信使 甘油二酯 DAG 三磷酸肌醇 IP3 和C反应蛋白 并最终传入核内 加速核酸代谢和促进细胞有丝分裂 14 一 酪氨酸激酶受体大多数细胞生长因子的受体都含有酪氨酸激酶的肽链序列 这类受体统称酪氨酸激酶受体 这些受体具有极为相似的结构 细胞外的一段糖基化肽链是与配体 ligand 结合的部位 中间是单一的疏水性的跨膜区 然后是具有酪氨酸激酶活性的膜内区 根据肽链序列的相似性和其他一些结构上的特点 这些受体被分成若干家族 15 酪氨酸激酶受体结构图 糖基化肽链 膜内区 细胞膜 胞浆 胞外 具激酶活性 16 特点 受体的膜外部分具有二个以上半胱氨酸富集区 这类受体包括 1 EGFR ErbB3 Erb2 DER 果蝇表皮生长因子受体 Let23等2 胰岛素相关受体 insulin relatedreceptor IRR IGF R 胰岛素样生长因子受体 3 血小板源性生长因子 PDGFR 家族 PDGF R PDGF R 克隆刺激因子 1受体 CSF 1R c KIT等 17 4 纤维细胞生长因子受体 FGFR 家族 其成员FGFR 1 FGFR 2 FGFR 3 FGFR 4和角化细胞生长因子受体 RGFR 等5 编码跨膜酪氨酸蛋白受体与其他受体不同之处在于其他细胞外结构域的结构不同 它仅含单个半胱氨酸的区域 其酶促结构域亦与其他受体激酶者不同 包括epheckelk等 6 神经生长因子受体 NGF R 18 7 HGFR 肝细胞生长因子受体 8 VEGFR已被发现的酪氨酸激酶受体超过50个 除了结构相似外 这些受体的激活方式和作用机制亦基本相似 19 二 G蛋白联接受体G蛋白联接受体包括 大多数激素 神经多肽 神经递质的受体 与酪氨酸激酶受体区别 G蛋白联接受体有7个跨膜区 人称 七次跨膜蛋白受体 R7G 受体本身没有激酶活性 膜内区与经典G蛋白 即 三联体 相偶联 这类受体通过G蛋白传导信号 G蛋白联接受体通路 酪氨酸激酶受体通路 是传导细胞生长信号的两条主要通路 20 G蛋白 是指那些结合三磷酸鸟苷酸后才能发挥功能的蛋白 G蛋白联接受体的7个疏水性跨膜区很保守 但膜外区和膜内区 尤其是膜内第三个环 变异较大 自然界中这类受体的配体品种繁多 涵盖面广 结构各异 迄今这类受体的数目已经超过1000个 是最大的受体家族 21 配体 细胞膜 核膜 第二信使cAMP cGMP DAG PIP3 G蛋白连接受体 22 三 细胞因子受体主要有以下几类 淋巴细胞表面受体白介素受体诱发细胞凋亡受体 23 四 粘附分子受体主要有四大类 钙粘素 Cadherins 整合蛋白 Integrins 免疫球蛋白超家族选凝素 selectin 24 三 联结蛋白 联结子 adaptor 联结蛋白本身不具有任何催化活性联结蛋白的作用 在细胞的信号传导中 蛋白与蛋白的相互作用是最重要的方式之一 如 生长因子与受体结合 受体与膜内其它蛋白结合 蛋白激酶与蛋白激酶结合形成链激酶等 连接蛋白含有特殊的结构 对于许多蛋白的相互结合 尤其是胞内不同功能的蛋白形成复合体时 发挥重要的作用 这些与信号传导密切相关的典型的蛋白结合区有 SH2区 SH3区 PH曲 DeathDomain DD 等 25 SH2区 src homologyDomain2 最初从癌基因产物src蛋白鉴定出来 含两个同源的肉瘤区 最初在细胞的src样酪氨酸蛋白激酶中发现的一段保守性氨基酸序列 SH2区结构域功能是特异性结合磷酸酪氨酸蛋白质 其结合点是磷酸化酪氨酸酶附近结构 特别是靠近酪氨酸羧基端的那几个氨基酸所决定 促进分子内及分子间蛋白质 蛋白质间的相互作用 SH2区大约有 个氨基酸左右 与没有磷酸化的酪氨酸结合力很弱 26 SH2区和磷酸化的酪氨酸结合以后所产生的生化效应主要有 1 使酶结合到膜上 以靠近它的底物2 促使底物靠近它的催化酶并定位3 直接调节酶的生物活性所有这些效应都是使得蛋白与蛋白之间的相互作用能够更有效地进行 从而保证信号顺利地传递下去 27 SH3区 src homologyDomain3 肉瘤同源3区 从癌基因产物src蛋白鉴定出来 是保守性氨基酸序列 SH3区能特异识别和结合脯氨酸富集区 该区特征为PXXP的氨基酸序列 P 脯氨酸 X 任一氨基酸 结合后定位蛋白调节激活酶的催化活性 SH3区大约有60个左右的氨基酸 28 SH3区和SH2区的联结蛋白能很快地使不同结构 不同功能的蛋白形成一个复合物 将膜受体接收的膜外生长因子 激素等刺激细胞生长的信号迅速地传递到膜内 启动和激活膜内其它一些传导通路 最典型的例子就是Grb2蛋白 与生长因子受体结合的蛋白质 29 PH区 从Pleckstrin蛋白的结构中发现和鉴别出来 含有100个左右的氨基酸 Pleckstrin蛋白是血小板中蛋白激酶C的主要底物蛋白 它有二个PH区 人们比较蛋白库中各种蛋白的氨基酸序列 发现PH区不仅存在于Pleckstrin蛋白中 也存在与信号传导密切相关的一些蛋白中 比如联结蛋白 Ras蛋白的调节因子 细胞骨架蛋白 以及磷脂酶C等 都有PH区的结构 30 PH区功能 尚未确定 但根据它的结构以及含有PH区蛋白的特征 一般认为PH区与介导的G蛋白的 亚单位的生物功能以及与PIP2磷脂结合等有关 31 DeathDomain 是在TNF受体超家族成员的膜内区 以及介导细胞凋亡的一些联结蛋白中 普遍存在的特殊结构区域 通过DeathDomain的介导 细胞内的caspase系统和其他激酶通路才能有序地被激活 从而完成细胞凋亡过程 32 PH SH2 SH3 细胞膜 含磷酸化酪氨酸的蛋白质 含X 脯 脯 X 脯的蛋白质 连接蛋白的功能 33 四 G蛋白 一 经典G蛋白与G蛋白联接受体耦联 称为经典G蛋白或大G蛋白 它们由三个亚单位共同组成 42kD 35kD kD 每一亚单位又有若干不同的成员 17个成员 5个 11个 34 根据 亚单位的结构相似性以及耦联不同的效应子 可以将其分成四个功能组 1 Gs激活腺苷酸环化酶 使细胞内cAMP增 2 Gi腺苷酸环化酶 使细胞内cAMP减少 3 G9激活PLC 磷脂酶C 产生DAG 二酰甘油 和IP3 三磷酸肌醇 4 G12效应不明 和 亚单位进一步分组 不同 和 的相互作用组合对不同 亚单位的亲合力有所不同 35 二 小分子量G蛋白小分子量G蛋白只有一条肽链 分子量较小约为 kD 从Ras基因克隆后 陆续又发现了许多Ras相关基因 这些小分子量G蛋白在细胞生长 分化 细胞骨架 蛋白转运等一系列细胞的重要生命活动中发挥各自的功能 36 Ras蛋白的功能Ras蛋白在沟通受体与胞浆内激酶系的枢纽作用 受体激活后 通过一些Adaptor 连接蛋白 与SOS 果蝇蛋白 形成复合物 SOS是Ras蛋白的激活蛋白 Ras被激活与癌基因产物c Raf蛋白结合 将游离在胞浆中的Raf蛋白引至膜上由一个 或几个 尚未明了的激酶将Raf蛋白激活引发一连串瀑布式的激酶链 kinasecascade 的活化 37 激酶链在胞浆中的最后一个激酶是MAP激酶 微管缔合蛋白 MAP激酶活化 将生长因子信号带入细胞核 激活基因转录因子 大部分刺激细胞生长的信号 首先都汇集到Ras蛋白 大概就是Ras基因在长期生物进化中高度保守 在几乎所有的细胞中都表达的原因 38 2 Ras蛋白的调控调节Ras蛋白的主要有三大类因子 负调控因子是催化Ras蛋白或Ras相关蛋白GTP酶活性的蛋白 简称GAP 生长相关蛋白 使与Ras结合的GTP水解 使得Ras类蛋白恢复到静止状态 这一类因子主要有RasGAP NF1 RapGAP RhoGAP RacGAP等 39 正调控因子GTP GAP交换因子 释放因子 作用是催化GDP与小G蛋白分离 使小G蛋白与GTP结合并活化 这类因子主要有SoS RasGRF Dbl Bcr VavEct等 其中大多数是从肿瘤细胞中克隆出来的癌基因产物 40 蛋白的异戊烯基化因子是一类修饰酶 小G蛋白的羧基端一般具有C 氨基酸序列 这段序列需要经过修饰酶的加工处理 小G蛋白才能与细胞内表面的磷脂结合 从而发挥正常功能 41 3 小G蛋白的分类 RasRhoRabArfRan 有六个家族 42 五 第二信使第二信使 是指刺激细胞生长的生长因子等与受体结合后 在细胞内产生的具有生物活性的一些小分子 迄今得到公认的第二信使分子主要有 cAMP cGMP DAG PIP3等第二信使大多是通过激活G蛋白连结受体产生 第二信使产生后 一般认为主要是通过激活胞浆内的一些激酶将信号继续传递下去 43 六 胞内激酶蛋白激酶调节功能称之为 生命开关 在整个基因组中 大约有 的基因是编码蛋白激酶的 在细胞内 是这些蛋白激酶调节着数以万计的其它蛋白质的功能 胞浆内的激酶大多是丝氨酸 苏氨酸激酶 与细胞生长关系最密切 近年来研究最多的是MAP激酶通路 mitogen activatedproteinkinasepathway MAPKpathway 促细胞分裂剂激活性蛋白激酶 44 一 MAPK的特性和生物功能MAPK是丝氨酸 苏氨酸激酶 它需要被一类双向特异性激酶所激活 即MAPK本身需要丝氨酸 苏氨酸和酪氨酸同时磷酸化 才具有100 的活性 激活MAPK的激酶是MEK 促细胞分裂激活性蛋白激酶 即MAPK Erkkinase 45 MAP激酶 是MAP激酶传导通路中的重要中继站和枢纽 平时位于胞浆内 一旦被激活 迅速运到细胞核内 或直接激活转录因子 或激活另外一些蛋白激酶 启动或关闭一些特定的转录 对刺激信号作出必要的反应 调节细胞的正常生命活动 MAPK传导通路粗犷模式是 生长因子 受体 小G蛋白 启动MAPK 转录因子 生物效应 最好的例子为 EGF EGFR Ras c Raf MEK MAPK TCF T细胞特异因子 细胞生长 46 二 MAPK的分类现已知至少有 个亚家族 但研究得比较详尽的有三个 即Erk JNT SAPK和P38 HOG 酿酒酵母基因 编码特异性核酸内切酶 每个亚家族都可能有多个成员 一般认为 Erk激酶与细胞增殖有关 JNK激活与细胞应激及细胞凋亡有关 P38激活与炎症反应有关 47 三 胞浆内其他的激酶通路1 PKA PKG通路 环化核苷酸 cAMP cGMP 激活2 PKC通路 DAG激活3 CAMK通路 钙离子 钙调蛋白激活4 PI 3通路 生长因子受体激活 48 七 核受体有些激素 性激素 糖皮质激素 都是通过核受体传导信号的 在哺乳动物中 这类受体的数量已经超过 个 通常 这类受体位于胞浆中 当配体与之结合后 受体形成二聚体 然后转运至核内 与其他受体不同的是 核受体大多数可以是转录因子 进入核后直接调控某些基因的表达 49 第三节主要传导通路一 分类 研究信号传导离不开通路 目的不同 切入点不同 命名传导分为 一 细胞的生命活动研究细胞不同生命活动 细胞增殖与凋亡 细胞粘附 免疫活化等 的信号传导 即涉及到这些细胞生命活动的信号传导通路 例如 细胞增殖的传导通路 细胞凋亡的传导通路 免疫活化的传导通路 50 二 细胞的类型神经元细胞 上皮细胞 淋巴细胞等的信号传导通路 T细胞 B细胞的信号传导通路等 三 受体的类型1 酪氨酸激酶受体传导通路 2 G蛋白偶联受体传导通路 51 3 EGF受体传导通路 4 胰岛素受体传导通路 5 乙酰胆碱受体传导通路 6 生长激素等受体传导通路 四 激酶的类型对激酶信号传导通路分类时 习惯用某一特定的激酶 例如MAP激酶 JNK激酶 PI 3激酶等 52 二 酪氨酸激酶受体通路酪氨酸激酶受体通路生长因子与受体结合形成二聚体 受体构型改变酪氨酸激酶受体磷酸化信号经受体进入细胞内效应子传递子 联接子 生长因子刺激细胞生长信号细胞因子的信号抗原结合淋巴细胞表面受体诱发的反应 激活膜内的 53 三 G蛋白连接受体通路四 TGF 通路五 TNF通路六 WNT通路七 Integrin传导通路 是最重要的一种细胞粘附受体 信号主要通过FAK focaladhesionkinase 传导八 Hedgehog传导通路 54 配体 酪氨酸激酶受体 连接子 Ras Raf MEK MAPK 细胞膜 核膜 酪氨酸激酶受体通路 55 第二信使 PKA Ras Raf MEK MAPK 配体 G蛋白连接受体 细胞膜 核膜 G蛋白连接受体通路 56 第四节肿瘤发生发展过程中的信号传导异常在肿瘤的发生发展过程中 由于各种基因水平的变化 使细胞在信号传导网络上也表现出与正常细胞的许多区别 有一些通路处于异常活跃状态 有一些则传递受阻 可概括如下 增殖失控一些与细胞生长 分裂和增殖有关的信号传导通路处于异常活化状态 57 生长因子 生长因子受体包括 蛋白激酶 细胞周期调控因子 5 G蛋白2 凋亡受阻在肿瘤细胞中 本应处于活化状态的一些信号通路 如DNA破坏所激活的凋亡通路往往传递信号受阻 这类通路包括 1 NFfamily 2 Fas Fasligand 3 Bcl 2 Bax 4 P53 c Myc等 58 侵袭与转移肿瘤的侵袭与转移实际上是建立在细胞与细胞间信号传递异常的基础上 这些通路包括 integrin传导通路 2 E Cadherin 3 nm23 H1 H2KAI 1 CD82 4 VEGF传导通路 5 基质金属蛋白酶 matrixmetolloprototeinase MMP 59 第五节信号传导常用的检测方法一 Western印迹法特异性检测蛋白表达 检测1 5ng的靶蛋白二 凝胶滞留法检测特异的DNA序列和蛋白结合三 激酶检测法 KinaseAssay 直接检测激酶的活性四 Two hybrid方法利用酵母细胞在体内检测蛋白 蛋白相互作用的方法 60