第八章细胞信号传导与遗传毒物作用机制 - 图文

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与其胞内区密切结合的PTK，主要是JAK激酶来完成。多数细胞因子受体属于此类，因 此又可称为细胞因子受体超家族。

(1)PTK结合受体PTK结合受体或细胞因子受体根据结构又可分为I类(class 工)和Ⅱ类(class II)细胞因子受体。

1)工类细胞因子受体：是大多数调节免疫和造血系统细胞因子的受体，包括白介素

一2、一3、一4、一5、一6、一7、一9、一ll、一l2，红细胞生成素(EPO)，血小板生成素(TPO)， 粒细胞集落刺激因子(G—CSF)，粒一巨细胞集落刺激因子(GM—CSF)，白细胞抑制因子

(1eukemia inhibitory factor，LI)，睫状神经营养因子(ciliary neurotropic factor)，心肌营养因 子一l(cardiotrophin一1)、生长激素(GH)和催乳素(PRL)受体等。这类受体的信号转导 机制取决受体蛋白的二聚化。所形成的二聚体中的另一伙伴可为三个共用信号转导亚 基，βc亚基、gpl30和γc亚基中的一个，它们也为该受体家族的成员。这类受体的胞外区 为配体结合区，其中由两个Ⅲ型纤维黏连素组件(fibronectin type m module)组成约200 个氨基酸的保守区，在氨基末端的那一半中有4个在位置上保守的半胱氨酸，绝大多数受 体在近膜处存在WSXWS(色一丝一X一色一丝)结构。它们对于维持胞外区的空间结构 是必需的。跨膜区由22～28个疏水氨基酸残基组成，将受体锚定在膜上并依赖其疏水性 质使受体可在膜上运动。这类受体的胞内区在其近膜区中存在两个高度保守的氨基酸序 列，称为框(box)1和框2。框l是JAK激酶家族成员的作用部位。未发现与框2相互作 用的胞浆蛋白，它的作用可能是协助框1进行信号转导。在有些受体，如粒细胞集落刺激 因子(G．CSF)受体、白细胞抑制因子(1eukemia inhibitory factor，LIF)受体等还有一保守 的框3结构。

2)Ⅱ类细胞因子受体：包括干扰素(IFN)受体、白介素一10受体以及组织凝血因子 受体等。这类受体的胞外区和胞内区都有一些共有的结构特征。在胞外区有一特征性由 两个Ⅲ纤维黏连素组件组成的约200个氨基酸的区域，构成配体结合袋。在胞内区有可 磷酸化的酪氨酸及(或)丝氨酸、苏氨酸残基，并已鉴定了两个保守基序，它们提供作为胞 内效应蛋白JAK(近膜区)和STAT(远膜区)的结合部位。对于IFN—α和一β的受体(IF— NAR)已克隆两个编码基因，IFNARl和TFNAR2。前者的编码蛋白虽不能与大部分

IFN—α和一β高亲和性地结合但为信号转导所必需；后者编码4种跨膜蛋白剪切变体可与 IFN—α和一β高亲和性地结合。对于IFN一7的受体(IFNGR)也已克隆了两个跨膜成分，其 中较大的(90kDa)受体链对配体结合是必需和充分的，但对于信号转导并不充分，必需另

一个不能与配体结合的成分，辅助因子一l(accessory factor l，AF一1)参与。这类细胞因子 受体在与配体结合后受体蛋白也发生寡聚化，在寡聚化了的受体中除了上述有共同基序 的异型亚单位外，还有一个较小的成分，其结构和功能尚不清楚。

(2)JAK激酶和STAT蛋白(JAK kinase and STAT protein) 酪氨酸蛋白激酶结 合受体为细胞因子激活后其信号的转导依赖于与受体结合的酪氨酸蛋白激酶JAK的激 活，从而引起STAT蛋白的磷酸化来完成。JAK激酶(janus protein tyrosine kinase或just another kinase)为一激酶家族，它的成员已知有4个，即JAKl、JAK2、JAK3和Tyk2。它 们分别参与不同受体的信号转导。其分子质量为120～140kDa，不含SH2和SH3功能 域，其C端的激酶功能域JHl有典型的酪氨酸激酶的结构，激酶相关功能域JH2缺乏几 个酪氨酸激酶催化活性必需的氨基酸估计并无激酶活性，但可能与维持激酶活性有关。

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另5个同源区(JH3～7)的功能尚不清楚。JAK在相关受体与配体结合前就与受体的近

膜区的特异性基序框工结合。受体与配体结合后导致受体的寡聚化，而使与之结合的 JAK相互靠近并发生其酪氨酸残基的交叉磷酸化而使JAK激活。同时还发生受体胞内 区中的酪氨酸残基磷酸化。含有磷酸酪氨酸的基序可被具有SH2区的JAK底物蛋白， 如STAT蛋白等识别并结合，从而将JAK底物募集于此。

图8—12 1类细胞因子受体介导的信号转导(引自卢建等[1])

STAT，信号转导因子和转录激活因子(signal transducer and activator of transcrip— tion)是一DNA结合蛋白家族，它兼有信号转导和转录因子的作用。参与不同受体介导 的信号转导。已知该家族的成员有7个。其分子质量为85～ll5kDa，其结构可分为N端 区、DNA结合区、SH2区、SH3区和C端区。DNA结合区可识别并结合于具有回文结构， TTCCNGGAA的DNA序列。SH2区可识别并结合于含有磷酸酪氨酸的基序，它介导 STAT与激活了的受体和JAK激酶结合并形成复合物。C端的酪氨酸残基可被JAK磷 酸化，从而使之激活。两个活化了的STAT可通过各自的磷酸酪氨酸残基和SH2区而形 成同型或异型二聚体。后者将进入核内并与有关DNA反应元件结合而激活有关基因的 转录(图8—12)。

[1,28,29]

4．PSTK型受体介导的SMAD通路

(1)PSTK型受体PSTK型受体(PSTK—type receptor)有转化生长因子β(trans-

foming growth factor J3 receptor TGFp)受体超家族，包括TGFt3家族、抑制素(inhibin)一活 化素(activin)家族、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)家族、米勒抑制 物(mullerian inhibiting substance／antimullerian hormone，MIS／AMH)家族以及胶质细胞 系源性神经营养因子(glial cell line derived neurotrophic factor，GDNF)等的受体。这型受 体的相应配体很多在胚胎发育和细胞分化中起重要作用，TGFl3在许多肿瘤中发生突变， 因此近年来倍受关注。这型受体研究最深入的为TGF一β受体，它有分子量不同的三型， 53kDa的I型、75kDa的Il型和分子质量大于200kDa的β聚糖Ⅲ型受体。Ⅱ型受体可单 独与配体结合，而Ⅰ型受体在无Ⅱ型受体存在时无配体结合活性，而在Ⅱ型受体存在时也

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可与配体结合。在每一个PTSK亚家族中激酶功能域非常相似，在此功能域中有两段插 入序列，但其他区域则较少类同。在所有l型受体的激酶功能域之前还有一高度保守的甘 氨酸和丝氨酸富含区(GS功能域)，它对信号转导的完成至关重要，但在Ⅱ型受体中并不存 在。Ⅱ型受体与配体结合后与I型受体形成寡聚体并使IN／受体磷酸化而使之激活。

(2)SMAD蛋白 由PSTK型受体介导的细胞信号转导主要经SMAD通路。 SMAD蛋白(SMAD protein)为TGFt3受体信号转导的介导者和调节者，在哺乳细胞中的 SMAD家族至少有8个成员。它们有三个基本功能域，即N端的MHl区、C端的MH2 区和居中的连接区。MHl区具有DNA结合能力。MH2区参与SMAD蛋白与受体的结

合和激活后异型二聚体的形成，以及与其他DNA结合因子的相互作用。变异较大的连 接区中有多个ERK MAPK的磷酸化位点是SMAD的负调节区。SMAD根据其功能可

分为三类：I类SMAD，又称受体调节SMAD(receptor regulated Smad，R—SMAD)，包括 SAMD l、2、3、5、8。它们直接与受体结合并作为受体PSTK的专一性底物，使其C末端 的丝一丝一X一丝基序中的丝氨酸残基发生磷酸化，从而介导SMAD的二聚化并转入核 内。类SMAD，又称共同中介体SMAD(common-mediator SMAD，Co-SMAD)，目前只知的有 SMADl。它的C末端无保守的‘SSXS基序，因此它不是受体激酶的直接的底物。但能与上 述I类SMAD形成异型二聚体，它对靶基因的转录调节是必需的。Ⅲ类SMAD又称为拮抗

或抑制性SMAD(antogonistic or inhibitory SMAD，I—SMAD)，因为它们能抑制TGFt3家族诱发 的信号转导，SMAD6、7属此。SMAD6为无MH2区的截短的蛋白，SMAD7与激活的受体结 合后，可阻断SMAD2与受体的结合和它的磷酸化。Ⅱ型受体与配体结合后，便与作为信号 转导子的工型受体形成异型二聚体，并使之磷酸化而激活工型受体的丝氨酸苏氨酸激酶。特 异地引起R-SMAD中的丝氨酸残基的磷酸化，随后导致活化的R-SMAD与Co-SMAD形成 二聚体并转入核内(图8—13)。在核内后者与其他已与DNA结合的一些转录因子相互作 用而形成活性转录复合物，促进靶基因的转录(图8—13)。

(3)PSTK受体信号通路与细胞分化调控 丝氨酸、苏氨酸蛋白激酶型受体介导。 的信号转导在细胞分化和增殖控制中有重要地位。在脊椎动物胚胎发育过程中，分化诱 导即一种细胞影响另一种细胞的分化命运起着关键作用，而转化生长因子TGF—t3超家族

中的成员，如活化素(activin)、骨形态发生蛋白(bone morphogenesis protein，BMP)和结蛋 白(nodal)是重要分化诱导因子。活化素在蛙类是中胚层的强力诱导因子，低浓度时诱导 分化为表皮，高浓度时分化为中胚层、肌肉和脊索，它虽为高度保守的但在哺乳类中的功 能不明。BMP家族有20多个成员，它不仅在骨的形态发生中起重要作用，还是一有普遍 意义的分化诱导因子。它对背腹轴的建立、器官形成阶段上皮和间充质组织间的诱导都 有不可取代的作用。如BMP4可诱导齿间充质表达MSXl及MSX2而拟似齿上皮的作 用，它还会在后脑和神经管细胞中诱导MSX2及MSX3的表达而同这些组织中的神经嵴 细胞的凋亡有关。另一TGF—p超家族重要成员NODAL对原肠胚的原条(primitive

streak)形成、小结(node)的形成和维持、左右体轴的形成都有重要作用。在成年动物中的 分化过程中转化生长因子TGF．p超家族中的成员也有重要作用。例如成骨细胞(OS- teoblast)的分化是一个多步骤成串事件，它由整合的基因表达级联反应调节。在起始阶 段支持细胞的增殖、随后是与骨细胞外基质的生物合成、组织和钙化有关的基因表达。从 骨髓来源细胞的体外研究使人们对未分化的间充质干细胞进行分化的过程有了较深入的 p240

图8—13 丝氨酸苏氨酸蛋白激酶型受体介导的信号转导(仿自Wrana[29])

TG即与其受体TβRⅡ和TβRl结合，而活化素与其Ⅱ型受体ACTRll或ActRⅡB及I型受体ActRIB结合。

反之，BMP可能还有其他TGF-β家族的配体与ACTRIl、ACTRIIB或BMPRll等11型受体和ALKl，2，3或61型

受体相作用。然后激活的受体分别将信号分别传递给SMAD2，3或SMADl，5，8，导致他们的磷酸化。 了解。这些前体细胞经历了成骨细胞系的一系列中间体。虽然控制这些细胞发育转折的 特异性调节机制还不清楚，但已显示成骨细胞的分化对许多生理性介质有反应。这些生 理性介质包括骨形态发生蛋白、转化生长因子一β、甲状旁腺素、雌激素、1，25一二羟维生 素D，等。在这些诱导因子作用下，骨细胞表型逐渐形成。已构划出在此过程中有关细胞 生长和组织特异基因的表达顺序。这种按时间顺序的基因表达可分出四个主要发育阶 段：在第一阶段，细胞增殖支持成骨细胞群体的扩大和l型胶原骨细胞外基质的生物合 成。在这一阶段中表达的基因有：促进细胞增殖的有关基因(如MYC、FOS和．，UN)、细 胞周期进展有关基因(如组蛋白和细胞周期蛋白基因)、编码细胞黏附蛋白的基因(如纤维 黏连蛋白的基因)、其他与调节细胞外基质生物合成有关的基因(如I型胶原蛋白、TGFt3 基因)和细胞外基质与细胞骨架相互作用的有关基因(如整合蛋白基因)等；在细胞始动增 殖期以后的第二阶段中，与骨细胞外基质成熟和组织有关的基因(如碱性磷酸酶基因)表 达上调，使细胞外基质准备钙化；在发育的第三阶段与羟基磷灰石(hydroxyapatite)有序 沉着有关的基因(如骨桥蛋白osteopontin骨钙蛋白0steocalcin基因)表达；在发育的第四 阶段胶原酶、l型胶原基因表达上升、细胞凋亡活性出现还发生细胞补偿性增殖。因此丝 氨酸苏氨酸蛋白激酶型受体介导的信号转导是胚胎毒和致畸物的一个作用靶。

(4)PSTK受体信号通路与细胞增殖控制 丝氨酸苏氨酸蛋白激酶型受体介导的 信号转导在细胞增殖控制中也有重要作用。TGF—β对多种细胞呈增殖抑制作用，这是由 于它诱导了细胞周期蛋白依存性激酶抑制因子[cyclin dependent kinase(CDK)in-

hibitorS，CKIs]P15及P21WAFlClPl/ SD11叫的表达和抑制了CDK4的生成，从而干扰细胞周期 G1／S的RB控制回路(图8—14)。已经发现在结肠癌中编码Il型TGF—p受体的基因有 突变，在结肠癌和胰腺癌中SMAD2与SMAD4的编码基因也常有失活、突变或缺失。由

于TGF一β能诱导细胞外基质分子如纤连蛋白、胶原和蛋白聚糖荷蛋白酶抑制物的表达， 因此它也是组织和器官纤维化的关键介导因子。 P241