综述蛋白质磷酸化在信号转导过程中的作用.doc

蛋白质磷酸化在细胞内信号传导中的意义 摘要：生物体对环境(包括外环境和内环境)信号变化有极高的反应性。细胞对外界刺激的感受和反应都是通过信号转导系统的介导实现的。该系统由受体、酶、通道和调节蛋白等构成。通过信号转导系统、细胞能感受、放大和整合各种外界信号。蛋白质的可逆磷酸化在这一过程中起着至关重要的作用。关键词：蛋白质磷酸化， 细胞信号转导Abstract：The organisms are very sensible to the changes of environmental signals(both external or internal) .The the feelings and reactions of the cells to the external stimulation are all dependent on the signal transduction system. The system consists of receptors, enzymes, channels and regulatory proteins. Acording to the signal transduction system, cells can feel, amplify and integrate a variety of external signals. Reversible protein phosphorylation plays an very important role in this progress.Key words: protein phosphorylation; cells signal transduction 生物体对环境(包括外环境和内环境)信号变化有极高的反应性。如精子获能的过程中精子周围环境因子以及活性氧的诱导作用等12。细胞对外界刺激的感受和反应都是通过信号转导系统 (signal transduction system)的介导实现的。该系统由受体、酶、通道和调节蛋白等构成。通过信号转导系统、细胞能感受、放大和整合各种外界信号。蛋白质的可逆磷酸化在这一过程中起着至关重要的作用。 一 细胞信号转导的概念和类型1细胞信号转导的概念 细胞信号转导系统由能接受信号的特定受体( recep tor) 、受体后的信号转导通路以及其作用的终端所组成。细胞信号通过受体或类似于受体的物质激活细胞内的信号转导通路,触发离子通道的开放、蛋白质( p rotein) 可逆磷酸化反应以及基因( gene)表达改变等变化,进而导致一系列生物效应。不同的信号转导通路间具有相互的联系和作用,形成极其复杂的网络,主要包括物理信号、化学信号和生物信号34。推荐精选2细胞信号转导的类型受体是位于细胞膜或细胞内的一类特殊的蛋白质，可特异地识别信号分子并与之结合，从而启动细胞内信号转导系统的级联反应。根据在细胞中的位置，受体可以分为细胞膜受体与细胞内受体。2.1 细胞膜受体细胞膜受体蛋白占细胞总蛋白质量的比例很小，仅0.01，因此很难纯化。由于重组DNA技术的发展，可以对受体蛋白的基因进行克隆，这就极大地促进了对受体蛋白的研究3。细胞膜受体蛋白有三种类型：离子通道偶联受体(ion-channel coupled receptors)、G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptors)、酶偶联受体(enzyme coupled receptors)。膜受体作为信号转导体，能以高亲和力与细胞外的信号分子结合，再将细胞外信号转变为细胞内一个或多个信号，从而改变细胞的生物行为。2.11离子通道偶联受体离子通道偶联受体参与电兴奋细胞间的突触信号快速传递，这类信号由一部分神经递质介导。神经递质与受体结合后，能改变受体的结构，使离子能通过由受体蛋白构成的通道，进入突触后细胞，改变突触后细胞的兴奋性。2.12 G蛋白偶联受体G 蛋白偶联受体间接地调节其他膜结合的靶蛋白，这些靶蛋白可以是酶或是离子通道。受体与靶蛋白之间的联系是通过GTP结合调节蛋白(简称G蛋白)实现的。如果靶蛋白是酶，那么靶蛋白的激活就能改变细胞内与信号转导有关的分子的浓度；如果靶蛋白是离子通道，那么就能改变细胞膜对离子的通透性。2.13酶偶联受体酶偶联受体与信号分子结合后，受体蛋白本身就能发挥酶的功能，或激活与受体相关的其他酶蛋白。这类受体的配体结合部位在细胞外，催化部位在细胞内，这类受体的酶活性主要是蛋白激酶活性，或与蛋白激酶相关的活性，催化靶细胞内与信号转导有关的蛋白质磷酸化。2.2 细胞内受体小分子脂溶性(疏水性)的细胞外信号分子有类固醇激素、甲状腺素、维甲酸类、维生素D等。这类信号分子虽然在结构上差异很大，但是信号转导的机制是相同的。这些脂溶性分子都能直接扩散通过细胞膜进入细胞质或细胞核，与细胞内受体蛋白结合，并激活受体，最后通过受体去调控基因的表达，因此这类细胞内受体是一类反式作用因子。这类受体称为细胞内受体超家族(intracellular receptor superfamily )或类固醇激素受体超家族(steroid-hormone receptor superfamily )。这类受体都有两个结构域，即DNA结合结构域，激素结合结构域和一个变区。不同受体的DNA结合结构域显示较高的一级结构同源性，激素结合结构域的同源性低一些，变区的一级结构则不具同源性。变区含有激活结构域，DNA结合结构域具有4个半胱氨酸残基的锌指结构。细胞内受体借DNA结合结构域与相应的靶基因上的反应元件结合，从而调节基因的转录。3 细胞信号转导的系统细胞信号转导系统主要有：通过G蛋白偶联受体介导的信号转导系统，通过cAMP的信号转导系统，通过Ca2+的信号转导系统，酶偶联受体介导的信号转导系统推荐精选，酪氨酸激酶相关受体信号系统以及细胞内受体介导的信号转导活动等。二 细胞信号转导与蛋白质磷酸化 细胞信号转导活动虽然因为信号的不同，受体的不同，以及通路的不同。但是它们却有一个共同的特征:这些信号在细胞内的传导都是由一系列蛋白传递链构成的。信号传导的过程中涉及到多种蛋白质的可逆磷酸化过程。蛋白质通过可逆磷酸化，以及不同的级联反应，可以将信号放大传递等。由此可见蛋白质磷酸化在细胞信号传导过程中担负着重要的作用。1 通过G蛋白偶联受体介导的信号转导系统在 G蛋白介导的信号转导中，一方面G蛋白可以通过GTP酶活性水解GTP为GDP，重新形成不具活性的三聚体G蛋白，使得G蛋白的信号传递及时终止，有利于 G蛋白接收下一次信号。另一方面，当信号分子长期存在时，一类特定的G蛋白偶联受体激酶(G-protein coupled receptor kinases, GRK)使得G蛋白偶联受体羧基端的多个丝氨酸残基发生磷酸化，从而受体与G蛋白介偶联；同时捕获蛋白(arrestin)可以识别并结合磷酸化的受体，阻断受体与G蛋白之间的相互作用。 1.1 信号传导到有cAMP介导的信号传递系统后，cAMP主要通过激活cAMP依赖的蛋白激酶(简称蛋白激酶A，protein kinase A, PKA)发挥其生物效应。PKA催化ATP分子上末端磷酸基团转移到选择性靶蛋白上特异的丝氨酸残基或苏氨酸残基上，被共价磷酸化修饰的氨基酸残基进而调控该靶蛋白的活性。无活性状态的PKA具有两个相同的催化亚基和两个相同的调节亚基，调节亚基能结合cAMP。当cAMP和调节亚基结合后，该亚基的构象发生变化，使调节亚基从酶分子上解离下来，释出的催化亚基激活，催化底物蛋白质分子的磷酸化。而这些底物的磷酸化，将产生相应的激活效应等，将信号传递到作用部位，或直接作用于基因的转录等，机体产生相应的生理效应。 1.2信号通过G蛋白介导的传递系统将信号传递给有Ca2+介导的信号通路时，Ca2+信号有两条途径：一条途径在神经细胞中存在，当细胞膜去极化(depolarization)时导致 Ca2+流入神经末梢，启动神经递质分泌，；另一条途径是细胞外信号与G蛋白偶联受体结合后，信号转导至内质网，使内质网内的Ca2+释放到细胞质，由细胞质Ca2+控制细胞反应。Ca2+通过别构作用激活钙调蛋白。 Ca2+-钙调蛋白复合物的作用是能与多种靶蛋白结合并改变靶蛋白的活性。这些靶蛋白有各种酶和细胞膜上的转运蛋白，例如精子细胞膜上的Ca2+-ATP酶 (使胞质内Ca2+泵出细胞)。但是Ca2+-钙调蛋白的效应主要是通过Ca2+-钙调蛋白依赖的蛋白激酶(CaM激酶)的介导来实现的2。CaM激酶也是通过使靶蛋白上特异的丝氨酸或苏氨酸的磷酸化激活靶蛋白。被磷酸化激活的蛋白将会激活相应的细胞反应，如调节细胞内Ca2+ 的浓度等等。 1.3通过G蛋白偶联受体介导的信号转导系统还有另外一个通路，即通过G蛋白偶联受体激活肌醇磷脂信号途径。细胞外信号分子结合并激活受体后，使G蛋白激活，Gq蛋白激活与细胞膜附着的磷脂酶C- ，然后磷脂酶C-使PIP2裂解。产生两种分子：IP3和二脂酰甘油(diacylglycerol，DG)，两者都在信号转导中起重要作用推荐精选。 IP3与内质网膜上的特异Ca2+通道结合后，就能使内质网腔里的Ca2+释放到细胞质，而且释放的Ca2+具有正反馈效应，即释出的Ca2+结合到 Ca2+通道，再促进Ca2+释放。 DG的重要作用是激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)，PKC是一类Ca2+依赖的蛋白激酶，能使选择性的靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。因IP3作用升高的细胞质内Ca2+能使PKC从细胞质转移到细胞膜胞质面。在Ca2+，DG和细胞膜磷脂成分中的磷脂酰丝氨酸的共同作用下激活PKC。哺乳动物中脑细胞的PKC浓度最高，其作用是使神经细胞的离子通道蛋白磷酸化，从而改变神经细胞膜的兴奋性。在许多细胞中，PKC能通过激活磷酸化级联反应，最后使一些转录因子磷酸化并激活，从而调控相关基因的表达。 1.4 cAMP 细胞内信号途径和Ca2+细胞内信号途径虽然是两条独立的途径，但相互之间也有作用12。第一，细胞内Ca2+水平和cAMP水平能相互影响，如直接与 cAMP水平有关的腺苷酸环化酶和磷酸二酯酶都受到Ca2+-钙调蛋白复合物的调节。PKA能磷酸化一些Ca2+通道和Ca2+泵，使它们改变活性，例如 PKA能磷酸化内质网上的IP3受体，启动或抑制IP3引起的Ca2+释放。第二，直接受Ca2+和cAMP调控的酶之间能相互影响，如有些CaM激酶能被PKA磷酸化而改变活性。第三，这些酶能共同对一些靶分子产生相互作用，在这种情况下，是PKA和CaM激酶分别使一些蛋白质的不同部位磷酸化。2酶偶联受体介导的信号转导系统酶偶联受体和G蛋白偶联受体一样也是一类跨膜蛋白质，与细胞外信号分子结合的结构域在细胞膜外，细胞内的胞质结构域本身即具有酶活性，或直接与其他酶相关联。已知有5种类型酶偶联受体：受体鸟苷酸环化酶(receptor guanylyl cyclases)；受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinases)；酪氨酸激酶相关受体(tyrosine-kinase associated receptors)；受体酪氨酸磷酸酶(receptor tyrosine phosphatases)；受体丝氨酸苏氨酸激酶(receptor serinethreonine kinases) 2.1受体鸟苷酸环化酶信号转导系统这类受体与细胞外信号分子结合后，能催化细胞质内cGMP的生成，因该跨膜受体的胞质结构域具有鸟苷酸环化酶活性，催化GTP生成cGMP，cGMP再激活 cGMP依赖的蛋白激酶(cGMP dependent protein kinase，G激酶)，G激酶能使靶蛋白上的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，激活靶蛋白。在此信号转导系统中，cGMP是细胞内信号分子。与cAMP信号不同之处是：在cAMP信号途径中联系受体与环化酶的是G蛋白，而在cGMP信号途径中此联系通过受体本身。但在某些细胞中，如视觉细胞，cGMP的生成也通过G蛋白。通过受体鸟苷酸环化酶途径的细胞外信号，有心钠素等。 2.2受体酪氨酸激酶信号转导系统第一个被确认具有酪氨酸特异的蛋白激酶活性的受体是表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)受体54。当EGF与EGF受体结合后，受体的细胞质酪氨酸激酶结构域即被激活，激活的酪氨酸激酶能选择性地使受体蛋白本身的酪氨酸残基或其他靶蛋白上的酪氨酸残基磷酸化。现已发现，大多数生长因子和分化因子的受体都属这一类受体，这些受体都可以通过自身磷酸化(auto-phosphorylation)来启动细胞内信号的级联反应。推荐精选 在这个通路中有三个重要的组成分子：具有SH结构域的蛋白质这类蛋白质，SOS蛋白，Ras蛋白。具有SH结构域的蛋白质是连接受体酪氨酸激酶和其他蛋白质的桥梁，SOS蛋白能与Ras蛋白结合，并使原来与Ras结合的GDP交换成GTP。是位于细胞膜胞质面的膜结合蛋白。GTP酶激活蛋白(GAP)能使与Ras结合的GTP水解成GDP而使Ras失活，而鸟嘌呤核苷酸交换因子 (GEF)能使与Ras结合的GDP交换为GTP而使Ras激活。Ras下游的信号介导物被激活的Ras能结合一种具有丝氨酸苏氨酸激酶活性的Raf蛋白的N端结构域。与Ras结合的Raf能藉C端结合并磷酸化一种既具有酪氨酸激酶活性又具有丝氨酸激酶活性的蛋白质MEK。被磷酸化的MEK能使另一种具有丝氨酸苏氨酸激酶的蛋白质MAP激酶（丝裂原活化蛋白激酶mitogen - activated p rotein kinase,MAPK)磷酸化，并使之激活。激活的MAP激酶磷酸化多种不同的蛋白质，包括转录因子，从而对基因的表达发挥调控作用。 MAPK包括: 细胞外信号调节的蛋白激酶( extracellu2lar - signal regulated kinase, ERK) ; c - Jun N端激酶( c -Jun N - terminal kinase, JNK) /应激激活的蛋白激酶( stressactivated p rotein kinase, SAPK) ; p38MAPK。MAPK家族酶的激活机制相似,都通过磷酸化的三维酶促联反应(MAP2KKKMAPKKMAPK) 。其中ERK通路主要被分裂原激活,如生长因子与受体结合后,能激活小G蛋白Ras,进而激活RafMEKERK通路,而JNK/SAPK通路能被多种应激源、促炎细胞因子( p roinflammatory cytokines)和炎症反应介质( inflammatorymediators)等激活。MAPK信号通路参与了细胞生长、发育、分裂和细胞间的功能同步等多种生理过程,并在细胞发生恶性转化等病理过程中起重要作用36。2.3酪氨酸激酶相关受体信号系统JAK-STAT信号转导途径是酪氨酸激酶相关受体信号转导系统中一个比较典型的例子。这是一种比较简单的信号系统，只有三种成分：受体、JAK激酶和STAT。这类受体包括多种细胞因子(cytokines)的受体，如干扰素受体，白细胞介素2受体等。这类受体本身不具有内在的激酶活性，但是细胞外信号分子与之结合后，能形成二聚体，受体二聚体能与JAK激酶结合，并激活JAK激酶。JAK激酶是一族分子，有多种成员，每种成员能特异地和相应的细胞因子受体结合。JAK激酶原来称为Janus激酶(Janus意为看守门户的两面神)，因为这种分子上有两个激酶结构域。JAK激酶属酪氨酸激酶，主要的底物是STAT。STAT 是一类转录因子，是signal transducers and activation of transcription的缩写。目前已知至少有7种STAT，每种STAT分别由相应的JAK激酶激活。STAT的磷酸化导致STAT二聚体的形成，这种二聚体可以是同二聚体或异二聚体。形成二聚体的基础是分别存在于两个STAT上的SH2结构域和磷酸化的酪氨酸残基之间的相互作用。STAT二聚体从细胞质转移到细胞核内，和相应的顺式作用元件结合，调控靶基因的表达。三 结语推荐精选通过前面的论述我们看到细胞每时每刻都在接受来自细胞内外的各种各样的信号,细胞信号转导是生命活动的一种最基本最主要的方式。细胞信号转导系统具有调节细胞增殖、分化、代谢、应激、防御 、凋亡等作用。细胞的一切生命活动都与信号转导有关,信号是细胞一切活动的始动因素,生理反应只是信号转导作用于细胞的最终结果。相同的信号作用于不同的细胞可以引发完全不同的生理反应;不同的信号作用于一种细胞可引发相同的生理反应。我们可以看出蛋白质，是细胞信号转导通路上的主要参与者。蛋白质在识别信号，传递信号过程中，起着关键性的作用。而蛋白质之所以能够承担细胞信号转导功能的重要原因在于蛋白质的结够特点。蛋白质有着复杂的种类和结构。蛋白质的功能可以通过其自身某些结构域的修饰而产生特异的变化。而在所有的蛋白质的修饰过程中，蛋白质的可逆磷酸化是其中重要的一种。蛋白质的磷酸化主要集中在肽链中的酪氨酸，丝氨酸，苏氨酸残基上。这些残基上具有游离的羟基可以，且本身不带电荷，当磷酸化作用后，蛋白质便具有了电荷，从而使结构发生变化，进一步引起蛋白质活性的变化。这也是蛋白质磷酸化的意义所在。由于各种蛋白激酶（PKA，PKC，JAK，PKG）等中间酶的作用，使得细胞内外受体的感受到得信号，得以传递。事实上细胞信号传导就是信号在相关蛋白之间的传递。因为蛋白质激酶的底物较多（如具有特定氨基酸的位点的蛋白质家族等），因此信号在进入细胞后得到放大加强，进而增进进了细胞的的反应能力。细胞信号转导一直是人们研究的重点，因为研究它的意义非常重大。通过细胞信号传导通路的研究，人们就可以针对不同的导致细胞病变的机理跟家明确，也为针对性药物的开发等的研究开辟了更多的选择余地。1 Eve de Lamirande, OCristián Flaherty, Sperm activation: Role of reactive oxygen species and kinases, Biochimica et Biophysica Acta 1784 (2008) :106115.2 Steve Tardif, Linda Lefie Vre, Clude Gagnon,Janice .L. Baileyl,Implication of cAMP During Porcine SpermCapacitation and Protein Tyrosine Phosphorylation, Molecular Reproduction and Development 69(2004):428435 3 任成山,细胞信号转导的概念研究进展及其与危重病的临床意义, 中国急救医学2008年5月第28卷第5期:4664684 翟中和，王喜忠，丁明孝，细胞生物学（第三版），高等教育出版社，2007年8月.5 Thomas J. Lynch, M.D. etc.,Activating Mutations in the Epidermal Growth FactorReceptor Underlying Responsiveness of NonSmall-Cell Lung Cancer to Gefitinib;The new England Journal of Medicine (2004):2129-2139.6 周建维,干宁悦,张伟江,上皮性卵巢肿瘤组织MKP-1 及p-ERK1/2蛋白表达的研究, 分子细胞生物学报(2009.6),3-4期,第42卷，224-230. （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选