第十二节信号‘转导
第十二节信号‘转导
一、信号分子
(一） 概念
生物体内的各种细胞与内外环境相作用，多方式的接受复杂信号，并对信号进行加工、传 递,使细胞对多种信号作出反应，改变细胞代谢途径、基因转录、基因复制、细胞分裂，以随时保 证个体与环境的统一。细胞主要感受化学信号，也可以感受物理信号;既可感受细胞外信号， 也可感受细胞内信号。
(二） 分类
为了区别这些信号分子的不同作用，凡由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质称 为细胞间信息物质，也称为第一信使，包括激素、生长因子、神经递质等等。根据体内化学信号 分子作用距离，可以将其分为内分泌信号、旁分泌信号和神经递质等三大类。有些旁分泌信号 还作用于发出信号的细胞自身，称为自分泌。一些肿瘤细胞存在着生长因子的自分泌作用以 保证持续增殖。
第一信使与细胞膜上特异受体结合后，在胞浆内产生的细胞内信号分子，如cAMP、Ca2+、 三磷酸肌醇、甘油二酯、神经酰胺、N0、C0等称为第二信使，它们能诱导细胞产生一系列生物 学效应。根据其化学性质分为蛋白质和肽类、氨基酸及其衍生物、类固醇激素、脂酸衍生物和 气体等等。
二、受 体
受体是细胞膜上或细胞内能识别化学信号(配体)并与之结合的成分，其化学本质是蛋白 质。受体有两个方面的作用,一是识别外源信号分子并与之结合，二是转换配体信号,使之成 为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。
(一） 受体分类和作用特点
受体可分为细胞膜受体和胞内受体两类。细胞膜受体接收的是不能进人细胞的水溶性化 学信号(生长因子、细胞因子、水溶性激素等)和位于邻近细胞表面分子的信号(黏附分子等）， 需要一复杂的跨膜传递和转换过程。而胞内受体接收的是可以直接通过脂双层质膜进入细胞 的脂溶性化学信号,如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。
受体具有高度专一性、高度亲和力、可饱和性、可逆性和特定的作用模式等作用特点。受 体介导的跨细胞膜信号转导是一细胞内网络系统。构成这一网络系统的基础是一些蛋白质分 子和小分子活性物质，这些蛋白质分子称为信号转导分子，小分子物质亦被称为第二信使。在 细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递,这种有序的分子变化 被称为信号转导通路。
(二） G蛋白
有一类重要的信号通路开关，S卩鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein,G protein)简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白。G蛋白主要有两大类:介导七跨膜受体信号转导 的异源三聚体G蛋白和低分子质量G蛋白。
一、信号分子
(一） 概念
生物体内的各种细胞与内外环境相作用，多方式的接受复杂信号，并对信号进行加工、传 递,使细胞对多种信号作出反应，改变细胞代谢途径、基因转录、基因复制、细胞分裂，以随时保 证个体与环境的统一。细胞主要感受化学信号，也可以感受物理信号;既可感受细胞外信号， 也可感受细胞内信号。
(二） 分类
为了区别这些信号分子的不同作用，凡由细胞分泌的调节靶细胞生命活动的化学物质称 为细胞间信息物质，也称为第一信使，包括激素、生长因子、神经递质等等。根据体内化学信号 分子作用距离，可以将其分为内分泌信号、旁分泌信号和神经递质等三大类。有些旁分泌信号 还作用于发出信号的细胞自身，称为自分泌。一些肿瘤细胞存在着生长因子的自分泌作用以 保证持续增殖。
第一信使与细胞膜上特异受体结合后，在胞浆内产生的细胞内信号分子，如cAMP、Ca2+、 三磷酸肌醇、甘油二酯、神经酰胺、N0、C0等称为第二信使，它们能诱导细胞产生一系列生物 学效应。根据其化学性质分为蛋白质和肽类、氨基酸及其衍生物、类固醇激素、脂酸衍生物和 气体等等。
二、受 体
受体是细胞膜上或细胞内能识别化学信号(配体)并与之结合的成分，其化学本质是蛋白 质。受体有两个方面的作用,一是识别外源信号分子并与之结合，二是转换配体信号,使之成 为细胞内分子可识别的信号，并传递至其他分子引起细胞应答。
(一） 受体分类和作用特点
受体可分为细胞膜受体和胞内受体两类。细胞膜受体接收的是不能进人细胞的水溶性化 学信号(生长因子、细胞因子、水溶性激素等)和位于邻近细胞表面分子的信号(黏附分子等）， 需要一复杂的跨膜传递和转换过程。而胞内受体接收的是可以直接通过脂双层质膜进入细胞 的脂溶性化学信号,如类固醇激素、甲状腺素、维甲酸等。
受体具有高度专一性、高度亲和力、可饱和性、可逆性和特定的作用模式等作用特点。受 体介导的跨细胞膜信号转导是一细胞内网络系统。构成这一网络系统的基础是一些蛋白质分 子和小分子活性物质，这些蛋白质分子称为信号转导分子，小分子物质亦被称为第二信使。在 细胞中，各种信号转导分子相互识别、相互作用将信号进行转换和传递,这种有序的分子变化 被称为信号转导通路。
(二） G蛋白
有一类重要的信号通路开关，S卩鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide binding protein,G protein)简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白。G蛋白主要有两大类:介导七跨膜受体信号转导 的异源三聚体G蛋白和低分子质量G蛋白。
G蛋白的共同特点是结合的核苷酸为GTP时处于活化形式，作用于下游分子使相应信号
j^
状态，使信号途径关闭。
三、膜受体介导的信号转导机制
(―)蛋白激酶A通路
蛋白激酶A通路以靶细胞内cAMP浓度改变和激活cAMP和蛋白激酶A通路为主要特 征，是激素调节物质代谢的主要通路之一。当胰高血糖素作用于其受体后，活化的受体可催化 激动型G蛋白(Gs)的GDP与GTP交换，导致Gs的a亚基与[37亚基解离，释放出as-GTP， 后者激活腺苷酸环化酶，催化ATP转化为cAMP。cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶，即 蛋白激酶A(PKA)。在ATP存在下，活化的PKA可使许多蛋白质的特定丝氨酸或苏氨酸残 基磷酸化，从而调节细胞的物质代谢和基因表达。
(二） 蛋白激酶C通路
肌醇三磷酸(IP3)和甘油二酯（DAG)是细胞内的第二信使。IP3的受体是IP3控制的 Ca2+通道，结合IP3后开放，促进细胞钙库内的Ca2+迅速释放，细胞中局部Ca2+浓度迅速升 高。DAG为脂溶性分子，生成后仍留在质膜上。DAG和Ca2+在细胞内的靶分子之一是蛋 白激酶C(PKC)。该酶的催化区与PKA的催化亚基结构类似，属于丝/苏氨酸蛋白激酶。 目前发现的PKC同工酶有12种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和 亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。PKC作用的底物蛋白质包括质膜受体、膜蛋 白、多种酶和转录因子等。因此，通过PKC对下游靶蛋白的磷酸化修饰v参与多种生理功能 的调节。
(三） 蛋白酪氨酸激酶通路
蛋白酪氨酸激酶(PTK)催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。部分位于细胞膜的生 长因子类受体属于PTK。这些受体被称为受体型PTK。它们在结构上均为单次跨膜蛋白 质，其胞外部分为配体结合区，中间有跨膜区，细胞内部分含有PTK的催化结构域。受体型 PTK与配体结合后，将形成二聚体，同时酶活性増高，使受体胞内部分的酪氨酸磷酸化增 强，磷酸化的受体酶活性又进一步增强。此外更重要的是，磷酸化的受体募集含有SH2结 构域的信号分子，从而将信号传递至下游分子，发挥重要的生理作用。酪氨酸磷酸化大部分 对细胞增殖具有正向调节作用，无论是生长因子作用后正常细胞的增殖、恶性肿瘤细胞的增 殖，还是T细胞、B细胞或肥大细胞的活化都伴随着瞬间发生的多种蛋白质分子的酪氨酸磷 酸化。
四、胞内受体介导的信号转导机制
已知通过胞内受体发挥作用的化学信号有糖皮质激素、盐皮质激素、雄激素、孕激素、雌激 素、甲状腺素、维甲酸、l，25-(OH)2维生素D3等。位于细胞内的受体多为转录因子，其活性受 信号分子配体的调节。当胞内受体与相应配体结合后，可进入细胞核内，与DNA上的相应的 顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。胞内受体通常为400〜1000个氨基酸残基组 成的单体蛋白质，由4个区域构成。高度可变区位于N末端具有转录激活功能;DNA结合区 位于受体分子的中部，含两个锌指模体与DNA结合;较链区有核定位信号引导受体进入细胞 核;激素结合区位于C末端。
j^
状态，使信号途径关闭。
三、膜受体介导的信号转导机制
(―)蛋白激酶A通路
蛋白激酶A通路以靶细胞内cAMP浓度改变和激活cAMP和蛋白激酶A通路为主要特 征，是激素调节物质代谢的主要通路之一。当胰高血糖素作用于其受体后，活化的受体可催化 激动型G蛋白(Gs)的GDP与GTP交换，导致Gs的a亚基与[37亚基解离，释放出as-GTP， 后者激活腺苷酸环化酶，催化ATP转化为cAMP。cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶，即 蛋白激酶A(PKA)。在ATP存在下，活化的PKA可使许多蛋白质的特定丝氨酸或苏氨酸残 基磷酸化，从而调节细胞的物质代谢和基因表达。
(二） 蛋白激酶C通路
肌醇三磷酸(IP3)和甘油二酯（DAG)是细胞内的第二信使。IP3的受体是IP3控制的 Ca2+通道，结合IP3后开放，促进细胞钙库内的Ca2+迅速释放，细胞中局部Ca2+浓度迅速升 高。DAG为脂溶性分子，生成后仍留在质膜上。DAG和Ca2+在细胞内的靶分子之一是蛋 白激酶C(PKC)。该酶的催化区与PKA的催化亚基结构类似，属于丝/苏氨酸蛋白激酶。 目前发现的PKC同工酶有12种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和 亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。PKC作用的底物蛋白质包括质膜受体、膜蛋 白、多种酶和转录因子等。因此，通过PKC对下游靶蛋白的磷酸化修饰v参与多种生理功能 的调节。
(三） 蛋白酪氨酸激酶通路
蛋白酪氨酸激酶(PTK)催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。部分位于细胞膜的生 长因子类受体属于PTK。这些受体被称为受体型PTK。它们在结构上均为单次跨膜蛋白 质，其胞外部分为配体结合区，中间有跨膜区，细胞内部分含有PTK的催化结构域。受体型 PTK与配体结合后，将形成二聚体，同时酶活性増高，使受体胞内部分的酪氨酸磷酸化增 强，磷酸化的受体酶活性又进一步增强。此外更重要的是，磷酸化的受体募集含有SH2结 构域的信号分子，从而将信号传递至下游分子，发挥重要的生理作用。酪氨酸磷酸化大部分 对细胞增殖具有正向调节作用，无论是生长因子作用后正常细胞的增殖、恶性肿瘤细胞的增 殖，还是T细胞、B细胞或肥大细胞的活化都伴随着瞬间发生的多种蛋白质分子的酪氨酸磷 酸化。
四、胞内受体介导的信号转导机制
已知通过胞内受体发挥作用的化学信号有糖皮质激素、盐皮质激素、雄激素、孕激素、雌激 素、甲状腺素、维甲酸、l，25-(OH)2维生素D3等。位于细胞内的受体多为转录因子，其活性受 信号分子配体的调节。当胞内受体与相应配体结合后，可进入细胞核内，与DNA上的相应的 顺式作用元件结合，在转录水平调节基因表达。胞内受体通常为400〜1000个氨基酸残基组 成的单体蛋白质，由4个区域构成。高度可变区位于N末端具有转录激活功能;DNA结合区 位于受体分子的中部，含两个锌指模体与DNA结合;较链区有核定位信号引导受体进入细胞 核;激素结合区位于C末端。
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一、重组DNA技术的概述
(一） 重组DNA技术的相关概念
- 自然界基因转移和重组重组DNA技术是在人们对自然界基因转移和重组的认基 础上创立的新技术。自然界基因转移伴发重组有几种形式:位点特异的重组、同源重组及转座 重组。依赖整合酶、在两个DNA序列的特异位点间发生的整合称位点特异的重组。发生在 同源序列间的重组称为同源重组，又称基本重组。而转座重组即某些基因从一个位置移动到 另一位置。
- 重组DNA技术细菌的基因转移包括接合作用、转化作用、转导作用等。当细胞与细 胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA从一个细胞转移至另一细胞，这种类型的DNA转 移称为接合作用。通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的 遗传表型，这就是转化作用。由病毒携带、将宿主DNA片段从一个细胞转移至另一细胞的现 象或机制，称为转导作用。在接合、转化、转导或转座过程中，不同DNA分子间发生的共价连 接即为重组。
(二） 基因工程基本原理
一个完整的基因克隆过程应包括：目的基因的获取、克隆基因载体的选择与改造、目的基 因与载体的连接、重组DNA分子导人受体细胞、筛选出含感兴趣基因的重组DNA转化细胞。
实现上述过程需要一些重要的工具酶，如限制性内切核酸酶及连接酶等。限制性内切核 酸酶是一类识别DNA特异序列的内切核酸酶。需利用序列特异的限制性核酸内切酶在准确 的位置切割DNA,使较大的DNA分子成为一定大小的DNA片段;构建重组DNA分子时，必 须在DNA连接酶催化下才能使DNA片段与克隆载体共价连接。此外，还有一些工具酶也都 是重组DNA时所必不可少的。
- 目的基因的获取外源基因又称目的基因，其来源有几种途径:化学合成，酶促合成 cDNA,制备的基因组DNA及PCR技术。将外源基因连接到复制子上，构建嵌合DNA，外源 基因即可作为复制子的一部分在宿主细胞复制。细菌质粒、噬菌体和一些病毒DNA均可被 改造成基因克隆的载体。分离的克隆cDNA或基因与适当表达载体连接后可实现目的基因 在E. c〇U或其他表达体系的表达。.
- 基因载体的选择与构建可作为基因载体的DNA分子有质粒DNA、噬菌体DNA和 病毒DNA，它们经适当改造后仍具有自我复制能力，或兼有表达外源基因的能力。
- 外源基因与载体的连接将外源DNA与载体DNA连接在一起，即DNA的体外重 组。这种连接方式有:黏性末端连接、平端连接和人工接头连接等。
- 重组DNA导人宿主细胞外源DNA(含目的DNA)与载体在体外连接成重组DNA 分子(嵌合DNA)后，需将其导人宿主细胞。随受体细胞生长、增殖，重组DNA分子得以复 制、扩增。