細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路 - 3. 信息物質(zhì)及其分類信息物質(zhì)可分為細(xì)胞間信息物質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)信息分子。
凡由細(xì)胞分泌的調(diào)節(jié)靶細(xì)胞生命活動(dòng)的化學(xué)物質(zhì)統(tǒng)稱為細(xì)胞間信息物質(zhì),即第一信使,按照細(xì)胞分泌信息物質(zhì)的方式又可將細(xì)胞間信息物質(zhì)分為神經(jīng)遞質(zhì)、內(nèi)分泌激素、局部化學(xué)介質(zhì)和氣體信號(hào)分子。在細(xì)胞內(nèi)傳遞細(xì)胞調(diào)控信號(hào)的化學(xué)物質(zhì)稱為細(xì)胞內(nèi)信息物質(zhì),其組成多樣化。通常將Ca2+、cAMP、cGMP、DAG、IP3、Cer、花生四烯酸及其代謝物等這類在細(xì)胞內(nèi)傳遞信息的小分子化合物稱為第二信使。則細(xì)胞核內(nèi)外信息傳遞的物質(zhì)稱為第三信使,能與靶基因特異序列結(jié)合,發(fā)揮著轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作用。 研究發(fā)現(xiàn)一些信息物質(zhì)能與位于分泌細(xì)胞自身的受體結(jié)合而起調(diào)節(jié)作用,稱為自分泌信號(hào)。如肝癌細(xì)胞能分泌多種血管生成因子,其中VEGF是目前發(fā)現(xiàn)的刺激腫瘤血管形成最重要的促進(jìn)因子,研究表示,腫瘤細(xì)胞分泌的VEGF除選擇性作用于腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞上的特異性VEGF受體(Flt-1和KDR),通過(guò)酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞分化和血管形成外,腫瘤細(xì)胞自身也有VEGF受體的表達(dá),而且針對(duì)VEGF及其受體的干預(yù)措施可以改變這些腫瘤細(xì)胞的體外增殖活性和其他生物學(xué)特征,這些研究表示腫瘤中存在VEGF的自分泌機(jī)制【2】。自分泌所產(chǎn)生的信息物質(zhì)也具有其獨(dú)特而重要的生理功能。 細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路 - 4. 受體分類及與受體相關(guān)的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑
4.1 膜受體
(一)環(huán)狀受體指配體依賴性離子通道。神經(jīng)遞質(zhì)與這類受體結(jié)合后,可使離子通道打開(kāi)或關(guān)閉,從而改變膜的通透性。受體在神經(jīng)沖動(dòng)的快速傳遞中發(fā)揮重要作用,參與快速而精確的神經(jīng)反射調(diào)節(jié)。 (二)G蛋白耦聯(lián)受體G蛋白耦聯(lián)受體及其所介導(dǎo)的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在人體中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 1) G蛋白耦聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)及分類
G蛋白耦聯(lián)受體(GPCRs),又稱七個(gè)α螺旋跨膜蛋白受體,是體內(nèi)最大的蛋白質(zhì)超家族,迄今已報(bào)道了近2000種不同的GPCRs【3】。該類受體對(duì)多種激素和神經(jīng)遞質(zhì)作出應(yīng)答,配體主要包括生物胺、感覺(jué)刺激(如光和氣味等)、脂類衍生物、肽類、糖蛋白、核苷酸、離子和蛋白酶等。GPCRs因能結(jié)合和調(diào)節(jié)G蛋白活性而得名。大多數(shù)的GPCRs的確是通過(guò)G蛋白來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳遞,但也有研究發(fā)現(xiàn)有些GPCRs通過(guò)酪氨酸激酶、Src、Stat3等途徑來(lái)傳遞信息,與細(xì)胞增殖、細(xì)胞轉(zhuǎn)化有關(guān)【4】。 GPCRs的肽鏈由N末端,7個(gè)跨膜α螺旋(TM1→TM7),C末端,3個(gè)胞外環(huán)(ECL1→ECL3)及3~4個(gè)胞內(nèi)環(huán)(ICL1→ICL4)組成。N端在胞外,C端在胞內(nèi),7個(gè)跨膜的α螺旋反復(fù)穿過(guò)細(xì)胞膜的脂雙層,每個(gè)TM由20~27個(gè)疏水氨基酸組成,N端有7~595個(gè)氨基酸殘基,C端有12~359個(gè)氨基酸殘基,ECL、ICL各有5~230個(gè)氨基酸殘基【3】。至于GPCRs高分辨率的空間結(jié)構(gòu)目前尚未闡明。 按G蛋白耦聯(lián)受體一級(jí)結(jié)構(gòu)的同源性,將GPCRs主要分為A、B、C3族【5】。三族的GPCRs都具有各自的結(jié)構(gòu)特征,而結(jié)構(gòu)的特異性也就決定了功能上的獨(dú)特性,各族受體都具有各自特有的配體群。一般認(rèn)為GPCRs功能是通過(guò)其單體而實(shí)現(xiàn)的,近年的研究表明GPCRs存在二聚體及多聚體形式,特別對(duì)二聚體的研究得到廣泛關(guān)注。兩個(gè)單體可能是共價(jià)連接(例如二硫鍵)也可能是非共價(jià)連接(例如跨膜螺旋的疏水作用力),或者兩者兼而有之。近來(lái),人們對(duì)GPCRs的二聚化功能研究取得了一定的進(jìn)展,主要有以下方面:①二聚化對(duì)受體轉(zhuǎn)運(yùn)起著作用;②二聚化可以擴(kuò)展藥理多樣性,不同受體產(chǎn)生的異二聚體可能有著比單體更多的藥理學(xué)功能;③二聚化可以影響受體的活性和調(diào)控等【6】。 2)與受體耦聯(lián)的G蛋白的結(jié)構(gòu)與分類
G蛋白是一類與GTP或GDP結(jié)合的、具有GTP酶活性、位于細(xì)胞膜胞漿面的外周蛋白。它由三個(gè)亞基組成,分別是α亞基(45kD)、β亞基(35kD)、γ亞基(7kD)??偡肿淤|(zhì)量為100kD左右。G蛋白有兩種構(gòu)像,一種是以αβγ三聚體存在并與GDP結(jié)合,為非活化型;另一種構(gòu)象是α亞基與GTP結(jié)合并導(dǎo)致βγ二聚體的脫落,此為活化型。不同種類的G蛋白有相應(yīng)的基因編碼,在各種G蛋白亞基中,α亞基差別最大,常將其作為一個(gè)區(qū)別不同G蛋白的標(biāo)志。 G蛋白有很多種,常見(jiàn)的有激動(dòng)型G蛋白(Gs)、抑制型G蛋白(Gi)和磷脂酶C型G蛋白(Gp)。不同的G蛋白能特異地將受體和與之相適應(yīng)的效應(yīng)酶耦聯(lián)起來(lái)【1】。G蛋白在結(jié)構(gòu)上盡管沒(méi)有跨膜蛋白的特點(diǎn),但它們可以通過(guò)其亞基氨基酸殘基的脂化修飾錨定在細(xì)胞膜上。目前已把G蛋白結(jié)構(gòu)、氨基酸序列及進(jìn)化的相似性與功能等結(jié)合起來(lái)作為分類的依據(jù),主要包括四類,其中至少含有21種不同的α亞基、5種不同的β亞基和8種γ亞基【6】。 3) G蛋白耦聯(lián)受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制
G蛋白通過(guò)與受體的耦聯(lián),在信息轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中常發(fā)揮著分子開(kāi)關(guān)的作用。其跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)一般分為以下幾步:(1)當(dāng)外部沒(méi)有信號(hào)或沒(méi)有受外部刺激時(shí),受體不與配體結(jié)合,G蛋白處于關(guān)閉(失活)狀態(tài),以異源三聚體形式存在,即α亞基與GDP緊密結(jié)合,βγ亞基與α亞基、GDP的結(jié)合較為疏松;(2)當(dāng)外部有信號(hào)時(shí),G蛋白受體與其相應(yīng)的配體結(jié)合,隨之誘導(dǎo)G蛋白的α亞基構(gòu)象變化,并使αβγ三個(gè)亞基形成緊密結(jié)合的復(fù)合物,從而使GDP與GTP交換,但是與GTP的結(jié)合導(dǎo)致α亞基與βγ亞基分開(kāi),α亞基被激活,即處于所謂的開(kāi)啟狀態(tài),隨后作用于效應(yīng)器,產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)信號(hào)并進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程,從而引起細(xì)胞的各種反應(yīng)。(3)G蛋白的α亞基具有GDPase的活性,在Mg2+存在的條件下可以水解GTP,α亞基與GDP復(fù)合物重新與βγ亞基結(jié)合,使G蛋白失活,處于關(guān)閉狀態(tài)。以上三個(gè)過(guò)程依次循環(huán)完成信號(hào)地傳遞【6】。G蛋白在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程中主要發(fā)揮了分子開(kāi)關(guān)作用與信號(hào)放大作用,通過(guò)G蛋白的激活與失活的循環(huán),將信息精確無(wú)誤地傳到細(xì)胞并引起一系列的細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)。 4) G蛋白主要的效應(yīng)器及相關(guān)信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介紹
(一)腺苷酸環(huán)化酶(AC)系統(tǒng)
腺苷酸環(huán)化酶系統(tǒng)主要介導(dǎo)cAMP-蛋白激酶A途徑,是激素調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的主要途徑。胰高血糖素、腎上腺素和促腎上腺皮質(zhì)激素等與靶細(xì)胞質(zhì)膜上的特異性受體結(jié)合,形成激素受體復(fù)合物而激活受體?;罨氖荏w催化G蛋白形成αs-GTP。釋放的αs-GTP能激活腺苷酸環(huán)化酶,催化ATP轉(zhuǎn)化成cAMP,使細(xì)胞內(nèi)cAMP濃度升高,cAMP能進(jìn)一步激活PKA(蛋白激酶A),PKA再通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)(如磷酸化其他蛋白質(zhì)的絲/蘇氨酸)將信號(hào)進(jìn)一步傳遞,達(dá)到信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的目的。腺苷酸環(huán)化酶(AC)由GS激活而被Gi抑制。這種環(huán)化酶的同工酶中,AC2和AC4是被Gβγ和Gα亞基共同激活; AC1型被Gα亞基激活而被Gβγ抑制,因此不能被G蛋白活化; AC3,AC5,AC6和AC9不能與Gβγ直接作用【6】。 (二)磷脂酶C(PLC)系統(tǒng)
是由G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的一個(gè)重要的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。促甲狀腺素釋放激素、去甲腎上腺素和抗利尿激素等與靶細(xì)胞膜上特異性受體結(jié)合后,活化的G蛋白直接作用于PLCB,經(jīng)PLCB調(diào)節(jié)蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo),可激活磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C(PI-PLC),后者催化膜內(nèi)側(cè)組分――磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)水解產(chǎn)生肌醇三磷酸( IP3 )與二酯酰甘油(DAG) 。后兩者都可作為第二信使發(fā)揮作用。DAG生成后仍留在質(zhì)膜上,在磷脂酰絲氨酸和Ca離子的配合下激活蛋白激酶C(PKC),蛋白激酶C也能通過(guò)磷酸化一系列靶蛋白的絲/蘇氨酸殘基來(lái)達(dá)到進(jìn)一步轉(zhuǎn)導(dǎo)信息的目的。 (三)相關(guān)離子通道的調(diào)節(jié)
GαS亞基在重組系統(tǒng)中被證明可調(diào)節(jié)至少兩種離子通道:即骨骼肌細(xì)胞中的Ca離子通道和心肌中的Na離子通道;Gαi也能抑制Ca離子通道而激活K離子通道。在心肌K離子通道的激活能力上Gβγ比Gαi更有效【6】。通過(guò)G蛋白,調(diào)節(jié)相關(guān)離子通道的開(kāi)放來(lái)達(dá)到信息的轉(zhuǎn)導(dǎo)也是G蛋白耦聯(lián)受體介導(dǎo)的一種有效調(diào)控方式。 近年來(lái),人們?cè)贕蛋白耦聯(lián)受體傳導(dǎo)通路的研究上取得了不少進(jìn)展,但是,仍然存在很多機(jī)制上不清楚的地方,主要有以下方面:
(1)GPCRs顯然不僅僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)裝置,而是高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu),處于非活性和活性構(gòu)象的平衡之中,那么GPCRs活化的具體機(jī)制是什么,還有對(duì)GPCRs的各種調(diào)節(jié)機(jī)制特別是受體的失敏和內(nèi)吞機(jī)制仍不十分清楚,是今后的重要研究方向【7】;
(2)在G 蛋白的研究上也還存在著一些問(wèn)題,如G蛋白僅提供了不同的受體信號(hào)相互整合以及將不同的信號(hào)分送到不同的效應(yīng)系統(tǒng)的最初機(jī)會(huì),不同的效應(yīng)系統(tǒng)通過(guò)完全不同的方式傳遞信號(hào),誘發(fā)生理功能,而有關(guān)效應(yīng)系統(tǒng)之間的聯(lián)系研究很少;關(guān)于活化G蛋白和效應(yīng)應(yīng)答之間的聯(lián)系,目前了解得很少;另外,通過(guò)一些實(shí)驗(yàn),如GTP 結(jié)合試驗(yàn)、免疫反應(yīng)、分離純化以及分子生物學(xué)和生理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在植物中存在G蛋白的類似物,但其結(jié)構(gòu)是否與動(dòng)物G蛋白相同還不清楚等【8】;
(3)G蛋白在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)信息的過(guò)程中,有很多的路徑與相關(guān)的效應(yīng)器,對(duì)這些效應(yīng)器作用機(jī)制仍然缺乏一個(gè)全面清晰的了解,因此對(duì)具體作用機(jī)制的研究也是一個(gè)極為重要的方向。
(三)單個(gè)α螺旋受體
這類受體主要有酪氨酸激酶受體型和非酪氨酸激酶受體型,介導(dǎo)的傳遞途徑包括體內(nèi)傳遞信息的重要路徑酪氨酸蛋白激酶體系等,此處從略。 (四)具有鳥(niǎo)氨酸環(huán)化酶活性的受體
4.2胞內(nèi)受體