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1、关于植物G蛋白信号转导第1页，讲稿共46张，创作于星期二生物体在生长发育过程中不断地与环境进行物质交换，因此，生物体在生长发育过程中不断地与环境进行物质交换，因此，负责识别、转导、感知环境信号的转导途（负责识别、转导、感知环境信号的转导途（signaling transduction signaling transduction pathwaypathway）成为人们感兴趣的研究对象，尤其是比原核生物更完善、）成为人们感兴趣的研究对象，尤其是比原核生物更完善、更精细的真核生物的信号转导途径。从已经研究过的动物细胞胞更精细的真核生物的信号转导途径。从已经研究过的动物细胞胞内信号系统来看，胞内信号
2、是通过位于细胞膜上的，与膜结合的内信号系统来看，胞内信号是通过位于细胞膜上的，与膜结合的中介蛋白质将信息转导到胞内的，这种中介蛋白质是一种鸟苷酸中介蛋白质将信息转导到胞内的，这种中介蛋白质是一种鸟苷酸结合蛋白质，称为结合蛋白质，称为G G蛋白。蛋白。G G蛋白主要有两类：一类是与膜受体偶蛋白主要有两类：一类是与膜受体偶联的异三聚体联的异三聚体G G蛋白蛋白 (Heterotrimeric GTP binding proteins)(Heterotrimeric GTP binding proteins)；另一类；另一类是非膜蛋白，称为小是非膜蛋白，称为小G G蛋白（蛋白（Small GTP b
3、inding proteinSmall GTP binding protein）。）。第2页，讲稿共46张，创作于星期二G蛋白的种类已多达40余种，大多数存在于细胞膜上，由、三个亚基构成，总分子量为100kDa左右。其中亚单位在多数G蛋白中都非常类似，分子量36kDa左右。亚单位分子量在8-11kDa之间。根据两个亚基的不同可以将G蛋白分为Gs、Gi、Go、Gq、G?及Gt等六类。这些不同类型的G蛋白在信号传递过程各种发挥不同的作用。第3页，讲稿共46张，创作于星期二（1 1）GsGs：细胞表面受体与：细胞表面受体与GsGs（stimulatingadenylatecyclasegstimul
4、atingadenylatecyclasegprotein,Gsprotein,Gs）偶联激活腺苷酸环化酶，产生）偶联激活腺苷酸环化酶，产生cAMPcAMP第二信使，继而第二信使，继而激活激活cAMPcAMP依赖的蛋白激酶。依赖的蛋白激酶。（2 2）GiGi：细胞表面受体同：细胞表面受体同GiGi（inhibitoryadenylatecyclaseginhibitoryadenylatecyclasegprotein,Giprotein,Gi）偶联则产生与）偶联则产生与GsGs相反的生物学效应。相反的生物学效应。（3 3）GtGt：可以激活：可以激活cGMPcGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。磷
5、酸二酯酶，同视觉有关。（4 4）GoGo：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。（5 5）GqGq：同：同PLCPLC偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过程中发偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过程中发挥重要作用。挥重要作用。第4页，讲稿共46张，创作于星期二1G蛋白的基本结构和种类G蛋白(Gprotein/GTPbindingprotein)是能与鸟嘌呤核苷酸结合，具有水解GTPGTP生成GDPGDP，即具有，即具有GTPGTP酶(GTPase)活性的蛋白。活性的蛋白。G蛋白是一个超级家族蛋白是一个超级家族(GTP-bindingproteinss
6、uperfamily)，包括膜受偶联的异源三聚体G G蛋白(HeterotrimericGTPbindingprotein).异源三聚体异源三聚体G G蛋白，分子量大蛋白，分子量大(100kD左右)，是受鸟嘌，是受鸟嘌呤核苷酸调控的超级家族的信号传导分子；而小呤核苷酸调控的超级家族的信号传导分子；而小G蛋白，分子量小(20-30kD)，为单体，可能号传导无直接联系。，为单体，可能号传导无直接联系。第5页，讲稿共46张，创作于星期二一、G蛋白的概念和分类GG蛋白是利用蛋白是利用GDPGDP（二磷酸鸟苷）（二磷酸鸟苷）（图中紫色的部分）来控制信息的传递（图中紫色的部分）来控制信息的传递的分子开关。
7、结合着的分子开关。结合着GDPGDP的的G G蛋白是不活蛋白是不活跃的。当跃的。当GDPGDP的被的被GTPGTP（三磷酸鸟苷）（三磷酸鸟苷）取代后，取代后，G G蛋白就可以传递信息了。蛋白就可以传递信息了。G G蛋白形式多样，大部分传递信息。这蛋白形式多样，大部分传递信息。这里展示的是在术语上称为里展示的是在术语上称为heterotrimericheterotrimericG G蛋白的分子，因为它们由三条分子链构成：蛋白的分子，因为它们由三条分子链构成：链链(茶色茶色)、链（蓝色）和链（蓝色）和 链（绿色）链（绿色）。这从中红色的部分是在。这从中红色的部分是在 链链/亚基表亚基表面的对信号传
8、递起重要作用的部分。面的对信号传递起重要作用的部分。第6页，讲稿共46张，创作于星期二GG蛋白在细胞膜内传递信息。当一个特定的荷尔蒙或神经递质（比如肾上腺素）结蛋白在细胞膜内传递信息。当一个特定的荷尔蒙或神经递质（比如肾上腺素）结合到受体上后，受体被激活。受体的分子形状改变了，它得以结合到合到受体上后，受体被激活。受体的分子形状改变了，它得以结合到G G蛋白上。这导致蛋白上。这导致了了G G蛋白释放蛋白释放GDPGDP并和并和GTPGTP结合。结合。GTPGTP（图上显示为红色）引发了一系列变形反应，（图上显示为红色）引发了一系列变形反应，G G蛋白因此分裂成两部分。蛋白因此分裂成两部分。亚基
9、成为自由亚基，和结合在它上面的亚基成为自由亚基，和结合在它上面的GTPGTP一起沿着细一起沿着细胞膜移动并最终和腺苷酸环化酶结合，苷酸环化酶被激活。活跃的苷酸环化胞膜移动并最终和腺苷酸环化酶结合，苷酸环化酶被激活。活跃的苷酸环化酶生产出大量可以在细胞内传递信息的环腺苷酸（酶生产出大量可以在细胞内传递信息的环腺苷酸（cAMPcAMP）。同时结合在）。同时结合在 亚基亚基上的上的GTPGTP将变成将变成GDPGDP，G G蛋白将回到不活跃状态。蛋白将回到不活跃状态。第7页，讲稿共46张，创作于星期二异三聚体G蛋白异三聚体异三聚体G G蛋白（简称蛋白（简称G G蛋白）是指能与鸟嘌呤核苷酸结合，具有蛋
10、白）是指能与鸟嘌呤核苷酸结合，具有GTPGTP水解酶活水解酶活性，广泛存在于真核生物中的一类蛋白。异三聚体性，广泛存在于真核生物中的一类蛋白。异三聚体G G蛋白介导的细胞信号转导是真蛋白介导的细胞信号转导是真核生物细胞信号转导机制中最为保守的信号转导机制之一，它将胞外信号转换为胞内核生物细胞信号转导机制中最为保守的信号转导机制之一，它将胞外信号转换为胞内信号，并传递给胞内效应蛋白（信号，并传递给胞内效应蛋白（effectorseffectors）进而调节细胞的生长和发育等过程。典型的）进而调节细胞的生长和发育等过程。典型的G G蛋白介导的信号转导途径如图蛋白介导的信号转导途径如图1 1所示。所
11、示。G G蛋白由三种不同的亚基组成，即蛋白由三种不同的亚基组成，即 亚基（亚基（GG）、）、亚基（亚基（GG）和）和 亚基亚基(G)(G)其信号系统是由其信号系统是由G G蛋白偶联受体（蛋白偶联受体（Gprotein-coupledGprotein-coupledreceptor,GPCRreceptor,GPCR）、）、G G蛋白和效应器三部分组成。当特异性的配体与膜上的蛋白和效应器三部分组成。当特异性的配体与膜上的GPCRGPCR结合结合后，引起后，引起GPCRGPCR构象发生改变，进而激活下游的构象发生改变，进而激活下游的G G蛋白，催化蛋白，催化G G蛋白蛋白 亚基结合的鸟苷二亚基结合
12、的鸟苷二磷酸（磷酸（GDPGDP）替换为鸟苷三磷酸（）替换为鸟苷三磷酸（GTPGTP），从而使），从而使 亚基构象改变，降低亚基构象改变，降低 亚基和亚基和亚基的亚基的亲和力，使异三聚体为解离为亲和力，使异三聚体为解离为GG（GTPGTP）和）和GG二聚体。解离的二聚体。解离的GG（GTPGTP）和）和GG分分别调控下游各自的效应器，产生第二信使，通过一系列信号转导过程最终引发胞内相关基因的表别调控下游各自的效应器，产生第二信使，通过一系列信号转导过程最终引发胞内相关基因的表达，诱导细胞的生理生化反应。当达，诱导细胞的生理生化反应。当GG亚基利用自身的亚基利用自身的GTPGTP水解酶活性催化水
13、解酶活性催化GTPGTP水解为水解为GDPGDP，使，使GG（GDPGDP）与效应物解离，并重新结合）与效应物解离，并重新结合GG，形成非活性的异三聚体，形成非活性的异三聚体G G蛋白，从而使蛋白，从而使信号终止。信号终止。G G蛋白在此过程中充当分子开关的角色。因此，蛋白在此过程中充当分子开关的角色。因此，GG亚基处于亚基处于GTPGTP结合状态的结合状态的寿命控制着信号转导途径持续时间的长短。寿命控制着信号转导途径持续时间的长短。第8页，讲稿共46张，创作于星期二l lG G蛋白的基本结构：蛋白的基本结构：100kD100kD左右，由、三种亚基组三种亚基组成，在天然电泳中成，在天然电泳中
14、与仍紧密结合在一起。亚基分子亚基分子量在量在39-46kD39-46kD之间，差别最大，被用作G G蛋白的分类依蛋白的分类依据。其共同的特点是，具有一个据。其共同的特点是，具有一个GTP结合位点，本身具结合位点，本身具有有GTP酶的活性，即可以把酶的活性，即可以把GTP水解成GDPGDP和无机磷酸；和无机磷酸；在某些在某些G G蛋白的 亚基上，有些特殊的氨基酸（ArgArg或或Cys）残基可被特定的细胞毒素所修饰，从而调节其生理功能。在一级结构中有几个高度保守的结构域，即P区域、区域、G区域和区域和G区域。区域。P P与GG区域都与GTPGTP结合及GTPGTP酶活力有关；酶活力有关；G G区
15、域则与GTPGTP结合，并与腺苷酸环化酶相互作用有关。另外，与受体接触的是G的C C端的 螺旋等。螺旋等。第9页，讲稿共46张，创作于星期二l l亚基分子量为36kD左右，各种G蛋白的亚基在肽图和免疫化学特性及氨基酸序列方面很相似，亚基分子量在7-8kD之间，各种G蛋白之间亚基也比较相似但个别的也有些区别；它与亚基非共价紧密结合。第10页，讲稿共46张，创作于星期二小小G蛋白蛋白l lG G蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们能够固定于细胞膜内侧，蛋白在结构上没有跨膜蛋白的特点，它们能够固定于细胞膜内侧，主要是通过对起亚基上氨基酸残基的脂化修饰作用，这些修饰作用主要是通过对起亚基上氨基酸残基的
16、脂化修饰作用，这些修饰作用把把G G蛋白锚定在细胞膜上。能够激活腺苷酸环化酶的蛋白锚定在细胞膜上。能够激活腺苷酸环化酶的G G蛋白称为蛋白称为Gs,Gs,对该酶有抑制作用的称为对该酶有抑制作用的称为GiGi。当。当GsGs处于非活化态时，为异三聚体，处于非活化态时，为异三聚体，亚基上结合着亚基上结合着GDPGDP，此时受体及环化酶亦无活性；激素配体与，此时受体及环化酶亦无活性；激素配体与受体结合后导致受体构象改变，其上与受体结合后导致受体构象改变，其上与GsGs结合位点暴露，受体结合位点暴露，受体与与GsGs在膜上扩散导致两者结合，形成受体在膜上扩散导致两者结合，形成受体-Gs-Gs复合体后，
17、复合体后，GsGs亚亚基构象改变，排斥基构象改变，排斥GDPGDP，结合了，结合了GTPGTP而活化，而活化，亚基从而与亚基从而与亚基亚基解离，同时暴露出与环化酶结合位点；解离，同时暴露出与环化酶结合位点；亚基与环化酶结合而使亚基与环化酶结合而使后者活化，利用后者活化，利用ATPATP生成生成cAMPcAMP；一段时间后，；一段时间后，亚基上的亚基上的GTPGTP酶酶活性使结合的活性使结合的GTPGTP水解为水解为GDP,GDP,亚基恢复最初构象，从而与环化亚基恢复最初构象，从而与环化酶分离，环化酶活化终止，酶分离，环化酶活化终止，亚基从新与亚基从新与亚基复合体结合。亚基复合体结合。重复此过程
18、。重复此过程。第11页，讲稿共46张，创作于星期二（四）（四）小小G蛋白蛋白l l小小G G蛋白（蛋白（SmallGProteinSmallGProtein）因分子量只有）因分子量只有2030KD2030KD而得名，同样具有而得名，同样具有GTPGTP酶活酶活性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小性，在多种细胞反应中具有开关作用。第一个被发现的小G G蛋白是蛋白是RasRas，它，它是是rasras基因基因55的产物。其它的还有的产物。其它的还有RhoRho，SEC4SEC4，YPT1YPT1等，微管蛋白等，微管蛋白 亚基也是一亚基也是一种小种小G G蛋白。蛋白。l l小小G G蛋
19、白的共同特点是，当结合了蛋白的共同特点是，当结合了GTPGTP时即成为活化形式，这时可作用于下游分子时即成为活化形式，这时可作用于下游分子使之活化，而当使之活化，而当GTPGTP水解成为水解成为GDPGDP时（自身为时（自身为GTPGTP酶）则回复到非活化状态。酶）则回复到非活化状态。这一点与这一点与GG类似，但是小类似，但是小G G蛋白的分子量明显低于蛋白的分子量明显低于GG。l l在细胞中存在着一些专门控制小在细胞中存在着一些专门控制小G G蛋白活性的小蛋白活性的小G G蛋白调节因子，有的可以增强蛋白调节因子，有的可以增强小小G G蛋白的活性，如鸟苷酸交换因子（蛋白的活性，如鸟苷酸交换因子
20、（guaninenucleotideexchangefactor,GEFguaninenucleotideexchangefactor,GEF）和）和鸟苷酸解离抑制因子（鸟苷酸解离抑制因子（GuaninenucleotidedissociationInhibitor,GDIGuaninenucleotidedissociationInhibitor,GDI），），有的可以降低小有的可以降低小G G蛋白活性，如蛋白活性，如GTPGTP酶活化蛋白（酶活化蛋白（GTPaseactivatingprotein,GTPaseactivatingprotein,GAPGAP）。）。第12页，讲稿共46张，
21、创作于星期二YangZ(2002)SmallGTPase:versatilesignalingswitchesinplants.ThePlantCell,14:S375-S388第13页，讲稿共46张，创作于星期二l l小小G G蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成,分子量较小分子量较小,一般为一般为202030kDa30kDa。根据在细胞中功能不同。根据在细胞中功能不同,小小G G蛋白可分为蛋白可分为5 5个个亚家族亚家族,l l包括包括RasRas、RhoRho、RadRad、ArfArf和和RanRan。RasRas家族在酵母和哺家族在酵母
22、和哺l l乳动物中调节细胞分化过程乳动物中调节细胞分化过程,Rho,Rho家族调控肌动蛋白重家族调控肌动蛋白重l l组过程和参与组过程和参与MAPMAP激酶的细胞信号转导激酶的细胞信号转导,Rad,Rad和和ArfArfl l家族在膜转运过程中起着不同的重要作用家族在膜转运过程中起着不同的重要作用,而而RanRan家家l l族在核孔位置调节着蛋白和族在核孔位置调节着蛋白和RNARNA分子的运输过程。分子的运输过程。第14页，讲稿共46张，创作于星期二l l在细胞内还存在另一类G蛋白，这类蛋白，这类G G蛋白具有鸟核苷蛋白具有鸟核苷酸的结合位点，有酸的结合位点，有GTP酶活性，其功能也受鸟核苷酸
23、调节，但与跨膜信息传递似科无直接相关。在结构上不同于前述的G蛋白，分子量较小，在20-30kDa20-30kDa之间，不是以、三聚体方式存在，而是单体分子，三聚体方式存在，而是单体分子，因此被称为小因此被称为小G蛋白（smallGproteinssmallGproteins）。如）。如ras表达产物为一种小G G蛋白。小G G蛋白同rasras蛋白具有同源性，蛋白具有同源性，同属于同属于rasras超家族（超家族（rassuperfamily）。哺乳动物）。哺乳动物G G蛋白中属ras超家族约有超家族约有50多个成员，根据它们序列同源性相近程度又可以分为Ras、Rho和Rab三个主要的亚家三个
24、主要的亚家族。族。第15页，讲稿共46张，创作于星期二小的功能l l小小G蛋白：近年来研究发现小G蛋白，特别是一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功能。RasRas蛋白主要参蛋白主要参与细胞增殖和信号转导；与细胞增殖和信号转导；RhoRho蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节作用；RabRab蛋白则参与调控细胞内膜交通（membranetraffic）。此外，RhoRho和RabRab亚家庭可亚家庭可能分别参与淋巴细胞极化（能分别参与淋巴细胞极化（polarizationpolarization）和抗原的提呈。）和抗原的提呈。某些信号蛋白通过某些信号蛋白通过SH-3SH-3功能区将酪氨酸激酶途径同一
25、些功能区将酪氨酸激酶途径同一些由小由小G蛋白所控制的途径连接起来，如Rho（与RasRas有30%同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解离，从而影响细胞形态。这一事实解释了某些含有解离，从而影响细胞形态。这一事实解释了某些含有SH-3的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节它们的功能第16页，讲稿共46张，创作于星期二巨大G蛋白植物中还有另外一类植物中还有另外一类G蛋白，称为蛋白，称为“超大超大G蛋白蛋白”(extralargeGprotein，XLGs)12LeeYRXLGs)12LeeYR，et.et.PlantMolBiolPlantMolBiol
26、，19991999，13AssmanAM.HeterotrimericandunconventionalGTPbindingproteinsinplantcellsignaling.PlantCell,2002。在拟南芥中鉴定到3 3个、在水稻中鉴定出4个个XLGXLG基因。基因。这些这些XLG基因编码的蛋白是通常多细胞生物基因编码的蛋白是通常多细胞生物G G蛋白的两倍蛋白的两倍大，其大，其C C端与植物端与植物G G蛋白GPA1GPA1的同源性约50%，其，其N端富含色氨酸，且含有核定位位点。生化分析表明,拟拟南芥南芥XLG1是一种是一种GTP结合蛋白。然而目前尚未有关于结合蛋白。然而目前尚
27、未有关于XLG能和常规能和常规GG发生相互作用的证据，因此，对植物发生相互作用的证据，因此，对植物XLGs的功能研究有待深入。的功能研究有待深入。第17页，讲稿共46张，创作于星期二二、调节异三元G蛋白信号途径的因子1、G蛋白偶联受体（GPCR）2、G蛋白信号转导调节子（RGS）3、鸟苷酸解离抑制因子（GDI）4、蛋白下游的效应分子第18页，讲稿共46张，创作于星期二G蛋白偶联受体（GPCR）l l与与G G蛋白偶联的多种受体具有共同的结构功能特点：分子量蛋白偶联的多种受体具有共同的结构功能特点：分子量40-50kDa40-50kDa左右，由左右，由350-500350-500氨基酸组组成，形
28、成氨基酸组组成，形成7 7个由疏水氨基个由疏水氨基酸组成的酸组成的 螺旋区段，反复螺旋区段，反复7 7次穿越细胞膜的脂质双层。肽链次穿越细胞膜的脂质双层。肽链的的N N末端在胞膜外，末端在胞膜外，C C末端在细胞内。末端在细胞内。N N末端上常有许多糖基修饰。末端上常有许多糖基修饰。从功能上看，受体的识别区域并不象一般想象的那样在胞膜的从功能上看，受体的识别区域并不象一般想象的那样在胞膜的外部，实际上是由外部，实际上是由7 7个跨膜区段间通过特定氨基酸残基之间的相互个跨膜区段间通过特定氨基酸残基之间的相互作用形成复杂的空间构象。配体结合于识别区域之后，即导致整个作用形成复杂的空间构象。配体结合
29、于识别区域之后，即导致整个受体构象的变化。受体肽链的受体构象的变化。受体肽链的C C末端和连接第末端和连接第5 5和第和第6 6个跨膜区段的个跨膜区段的第三个胞内环是第三个胞内环是G G蛋白结合部位。蛋白结合部位。l l由由G G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路主要包括：cAMPcAMP信信号通路和磷脂酰肌醇信号通路。号通路和磷脂酰肌醇信号通路。第19页，讲稿共46张，创作于星期二图：G蛋白耦联型受体为7次跨膜蛋白第20页，讲稿共46张，创作于星期二G蛋白偶联受体（GPCR）G蛋白偶联受体的信号转导途径由四部分组成：l la细胞膜受体l lbG蛋白l
30、lc第二信使l ld效应物第21页，讲稿共46张，创作于星期二第二信使l l细胞内信使一般具有以下三个特点：l l(1)多为小分子，且不位于能量代谢途径的中心；l l(2)在细胞中的浓度或分布可以迅速地改变；l l(3)作为变构效应剂可作用于相应的靶分子，已知的靶分子主要为各种蛋白激酶。第22页，讲稿共46张，创作于星期二cAMP（环磷酸腺苷）l l（1 1）cAMPcAMP（环磷酸腺苷）（环磷酸腺苷）l l生成：腺苷酸环化酶催化生成：腺苷酸环化酶催化ATPATP生成生成cAMP;cAMP;l l代谢：代谢：cAMPcAMP磷酸二酯酶水解磷酸二酯酶水解cAMPcAMP产生产生5-AMP5-AM
31、Pl l功能：功能：l laa激活蛋白激酶激活蛋白激酶A Al lbb抑制蛋白磷酸酯酶抑制蛋白磷酸酯酶l lcAMPcAMP产生后，主要通过蛋白脂磷酸化作用继续传递信息，这是由细产生后，主要通过蛋白脂磷酸化作用继续传递信息，这是由细胞内一种专一酶胞内一种专一酶-依赖依赖cAMPcAMP的蛋白激酶（的蛋白激酶（PKAPKA），将代谢途径中），将代谢途径中的一些靶蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化。的一些靶蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化。这些被共价修饰的靶蛋白往往是一些关键调节酶或重要功能蛋白，这些被共价修饰的靶蛋白往往是一些关键调节酶或重要功能蛋白，因而可以介导胞
32、外信号，调节细胞反应。当因而可以介导胞外信号，调节细胞反应。当cAMPcAMP信号终止后，信号终止后，靶蛋白的活性则在蛋白质脱磷酸化作用下恢复原状。靶蛋白的活性则在蛋白质脱磷酸化作用下恢复原状。第23页，讲稿共46张，创作于星期二（2）cGMP(环磷酸鸟苷)l l（2）cGMP(环磷酸鸟苷)生成酶：鸟苷酸环化酶代谢酶：cGMP磷酸二酯酶功能：a激活蛋白激酶Gb调控细胞膜离子通道第24页，讲稿共46张，创作于星期二三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯（DAG）l l（3 3）三磷酸肌醇（）三磷酸肌醇（inositoltriphosphate,IP3inositoltriphosphate,IP3）和甘
33、油二酯（）和甘油二酯（diacyglycerol,DAGdiacyglycerol,DAG）G-G-蛋白偶联受体激活磷脂酶蛋白偶联受体激活磷脂酶C C，生成，生成IP3IP3及及DAGDAG功能：功能：aIP3aIP3：开放胞内钙库，激活：开放胞内钙库，激活Ca2+Ca2+途径。途径。bDADbDAD：在：在Ca2+Ca2+和磷脂酰丝氨酸存在下，激活蛋白激酶和磷脂酰丝氨酸存在下，激活蛋白激酶C C。以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，最大的特点是胞外信号被膜受以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，最大的特点是胞外信号被膜受体接受后，同时产生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径即体接受后，同时产
34、生两个胞内信使，分别激动两个信号传递途径即IP3/Ca2+IP3/Ca2+和和DG/PKCDG/PKC途径。途径。IP3IP3通过作用于内质网膜上特异的受体使其内部通过作用于内质网膜上特异的受体使其内部Ca2+Ca2+释放，引起胞内释放，引起胞内Ca2+Ca2+水平的增加，从而启动胞内水平的增加，从而启动胞内Ca2+Ca2+信号系统，即通过依赖信号系统，即通过依赖Ca2+Ca2+、钙结合蛋白的酶类活性变化来调节和控制一系列的生理过程。、钙结合蛋白的酶类活性变化来调节和控制一系列的生理过程。DGDG通通过激活过激活PKCPKC，以磷酸化的形式对许多蛋白质和酶类进行修饰，从而调节和控，以磷酸化的形
35、式对许多蛋白质和酶类进行修饰，从而调节和控制另外一系列的生理过程。两条途径相辅相成，又互相约束。同时两条通路制另外一系列的生理过程。两条途径相辅相成，又互相约束。同时两条通路信号的强弱又可根据原始信号的不同特征在细胞内加以调节，而使细胞对这信号的强弱又可根据原始信号的不同特征在细胞内加以调节，而使细胞对这些外界信号作出不同的反应。些外界信号作出不同的反应。第25页，讲稿共46张，创作于星期二第26页，讲稿共46张，创作于星期二l l与G蛋白偶联后产生胞内信使如cAMP,cGMP,DG,IP3,等，将信号传导至胞内第27页，讲稿共46张，创作于星期二第28页，讲稿共46张，创作于星期二G蛋白介导
36、的细胞信号转导模式第29页，讲稿共46张，创作于星期二RGS与G蛋白信号转导的调节l lDohlman(1996)Dohlman(1996)等最初发现等最初发现,啤酒酵母啤酒酵母RGSRGS蛋白是蛋白是G G蛋白信号转导的负调节子。随着哺蛋白信号转导的负调节子。随着哺l l乳动物乳动物RGSRGS蛋白与蛋白与Gi3Gi3相互作用的证实相互作用的证实,RGS,RGS迅速引起了人们的重视。到目前为止迅速引起了人们的重视。到目前为止,已经发已经发l l现现2020种哺乳动物基因编码具有种哺乳动物基因编码具有RGSRGS核心区域的蛋白。通常情况下核心区域的蛋白。通常情况下,这种这种120120氨基酸的
37、核心氨基酸的核心l l两端具有高度可变的臂两端具有高度可变的臂,三者共同构成一个三者共同构成一个25kD25kD的蛋白质分子的蛋白质分子33。l lRGS4RGS4和和Gi1-GDPALF-4Gi1-GDPALF-4晶体结构中晶体结构中3,3,只有只有RGSRGS的核心区域是可见的的核心区域是可见的,已经证实该区已经证实该区l l域含有域含有RGS4RGS4作用的所有元件作用的所有元件4,RGS44,RGS4核心区包含一个典型的右手性反平行核心区包含一个典型的右手性反平行4-4-螺旋束螺旋束,它与它与l lGi1Gi1的的“开关开关”区区、相互作用。相互作用。G G蛋白的蛋白的“开关开关”和和
38、区域残基与区域残基与GTPGTP的结合和水解的结合和水解l l密切相关密切相关,RGS4,RGS4不提供与不提供与GDPGDP或或ALF-4ALF-4直接作用的任何残基。但直接作用的任何残基。但RGS4RGS4的保守天冬酰胺的保守天冬酰胺l l(Asn128)(Asn128)残基可以在基础状态与水解的水分子或残基可以在基础状态与水解的水分子或Gi1Gi1的谷氨酰胺的谷氨酰胺(Gln204)(Gln204)残基侧链相互作用残基侧链相互作用,l l该残基确定方向并使过渡状态中催化反应的水极化该残基确定方向并使过渡状态中催化反应的水极化,提示提示RGS4RGS4通过稳定过渡状态通过稳定过渡状态GG蛋
39、白结蛋白结l l构中的构中的“开关开关”区起区起GAPGAP作用作用,降低激活的能量障碍降低激活的能量障碍;Asn128;Asn128可能通过与水或可能通过与水或Gln204Gln204相互作用进相互作用进l l一步促进水解。一步促进水解。l lColeman5Coleman5等发现等发现,在在Gi1GppNHpGi1GppNHp的活性部位的活性部位,一个水分子分别与一个水分子分别与Glu43Glu43侧链和侧链和 磷酸磷酸l l基的氧原子形成氢键。催化残基基的氧原子形成氢键。催化残基Gln204Gln204侧链的结构与侧链的结构与GTP-GTP-和和GDPALF-4GDPALF-4复合物中的
40、结构明复合物中的结构明l l显不同。氢结合和空间作用决定了显不同。氢结合和空间作用决定了Gln204Gln204的位置的位置,它与亲核的水分子相互作用它与亲核的水分子相互作用,呈现一种呈现一种“自自l l我抑制我抑制”状态状态,RGS,RGS可能部分是通过在可能部分是通过在Gln204Gln204占据的位置插入氨基酸侧链释放占据的位置插入氨基酸侧链释放Gln204,Gln204,破坏破坏GGl l的的“自我抑制自我抑制”状态而启动其状态而启动其GTPaseGTPase活性。活性。第30页，讲稿共46张，创作于星期二RGS蛋白的作用方式第31页，讲稿共46张，创作于星期二三、酵母中异三元G蛋白的
41、信号转到途径1、交配信息素的信号转导途径2、糖信号转导途径第32页，讲稿共46张，创作于星期二交配信息素的信号转导途径酵母配对反应由酵母配对反应由G G蛋白和蛋白和MAPKMAPK级联放大反应介导。传统观级联放大反应介导。传统观点认为，当交配信息素与受体结合时，相关点认为，当交配信息素与受体结合时，相关G G蛋白被激活引起蛋白被激活引起GG与与GG亚基解离，亚基解离，GG对信号转导起正性调节作用，导致基因对信号转导起正性调节作用，导致基因活化，细胞周期活化，细胞周期G1G1期阻滞和产生配对突起，最后细胞融合产生双期阻滞和产生配对突起，最后细胞融合产生双倍体细胞。然而酵母中交配信息素应答倍体细胞
42、。然而酵母中交配信息素应答G G蛋白的蛋白的 亚单位，即亚单位，即Gpa1Gpa1，结合，结合GDPGDP与受体偶联形成与受体偶联形成Gpal-Gpal-受体复合物，抑制配对受体复合物，抑制配对反应。遗传学也证据表明，反应。遗传学也证据表明，Gpal-GTPGpal-GTP通过拮抗通过拮抗Fus3Fus3的功能和激活的功能和激活一种未知蛋白与一种未知蛋白与GG作用而下调配对反应。作用而下调配对反应。（Leberer ELeberer E，et alet al，Pheromone signaling an polarized morphogenesis Pheromone signaling a
43、n polarized morphogenesis in yeast J.Curr Opin Genet Dev1997,7(1):59-66.in yeast J.Curr Opin Genet Dev1997,7(1):59-66.）第33页，讲稿共46张，创作于星期二四、植物G蛋白的生理功能1、G蛋白与植物对光的反应2、G蛋白与植物对激素的反应3、G蛋白与植物气孔运动4、G蛋白与植物的抗逆性5、G蛋白与植物糖信号转导第34页，讲稿共46张，创作于星期二511 参与光刺激的信号转导参与光刺激的信号转导l l5 51 11 1 参与光刺激的信号转导参与光刺激的信号转导参与光刺激的信号转导参与
44、光刺激的信号转导l l早在早在19871987年年,Hasunuma,Hasunuma等人的研究发现红光或远红光能抑制植物等人的研究发现红光或远红光能抑制植物GTPGTP结合活性结合活性,推测推测G G蛋白蛋白参与了光信号转导参与了光信号转导.1991.1991l l年年RomeroRomero等人研究发现等人研究发现CTXCTX可以促进可以促进CabCab基因表达基因表达,抑制抑制PhyPhy基因表达基因表达,Cab,Cab和和PhyPhy都是受都是受光敏色素调控的基因光敏色素调控的基因,后来他们后来他们l l用光自养的大豆悬浮细胞为材料用光自养的大豆悬浮细胞为材料,用用PTXPTX和和CT
45、XCTX暗中诱导了暗中诱导了CabCab的表达的表达,而而PTXPTX和和CTXCTX都不能都不能诱导不受光敏色素调节的诱导不受光敏色素调节的l l基因基因Hsp75Hsp75的表达的表达.CTX.CTX和和PTXPTX这些细菌毒素是这些细菌毒素是G G蛋白专一性结合的蛋白专一性结合的GTPGTP活化剂和抑制剂活化剂和抑制剂;Neuhaus;Neuhaus等用显微注射技术等用显微注射技术,以以l l番茄为材料证实了番茄为材料证实了CTXCTX、GTPsGTPs这些这些G G蛋白活化剂对蛋白活化剂对CabCab的表达起诱导作用的表达起诱导作用,而而PTXPTX、GDPsGDPs这这些些G G蛋白
46、抑制剂对蛋白抑制剂对CabCab的表达的表达l l起抑制作用起抑制作用.以上实验证实以上实验证实G G蛋白参与了光敏色素调控的某些过程蛋白参与了光敏色素调控的某些过程,在植物红光信号转导在植物红光信号转导中起一定作用中起一定作用.但红光活化但红光活化G G蛋白蛋白l l的作用方式还不清楚的作用方式还不清楚.l l19911991年年,Warpeha,Warpeha等人的研究又证明等人的研究又证明G G蛋白可能也参与蓝光的信号转导蛋白可能也参与蓝光的信号转导.他们用蓝光照射他们用蓝光照射黄花豌豆黄花豌豆,可使豌豆顶芽质膜可使豌豆顶芽质膜l lGTPaseGTPase活性增加活性增加1010倍之多
47、倍之多,使使GTPsGTPs活性增加活性增加55倍之多倍之多.第35页，讲稿共46张，创作于星期二参与调控参与调控K+通道通道l lGarley-GrenotGarley-Grenot和和AssmannAssmann用完整的豌豆保卫细胞原生体为材料证明用完整的豌豆保卫细胞原生体为材料证明GTPsGTPs、CTXCTX、PTXPTX均抑制了均抑制了K+K+内流内流,而而GDPsGDPs促进了促进了K+K+内流内流.武维华的实验也证实了这一点武维华的实验也证实了这一点.在以上实验在以上实验中中PTXPTX和和CTXCTX的作用多次表现一致的作用多次表现一致,其机理还不清楚其机理还不清楚,推测可能与
48、其在动物细胞中的作用推测可能与其在动物细胞中的作用方式不同有关方式不同有关.l l（周晓阳等）用群众杨叶片下表皮经过不同浓度的（周晓阳等）用群众杨叶片下表皮经过不同浓度的G G蛋白激活剂霍乱毒素蛋白激活剂霍乱毒素(CTX)(CTX)处理后处理后,在扫在扫描电镜下观察了气孔开度的描电镜下观察了气孔开度的l l变化变化,并用透射电镜结合并用透射电镜结合X-X-射线能谱显微分析技术射线能谱显微分析技术,对保卫细胞内的对保卫细胞内的K+K+、Cl-Cl-含量进行了研究。含量进行了研究。结果表明结果表明:CTX:CTX能能l l促进气孔关闭促进气孔关闭,作用强度随作用强度随CTXCTX浓度的增加而增强。
49、伴随着气孔关闭浓度的增加而增强。伴随着气孔关闭,保卫细胞液泡和细胞质保卫细胞液泡和细胞质中的中的K+K+、Cl-Cl-含量含量l l都明显下降都明显下降,而细胞壁中的而细胞壁中的K+K+、Cl-Cl-含量增加。这提示含量增加。这提示G G蛋白可能通过对保卫细胞内蛋白可能通过对保卫细胞内K+K+、Cl-Cl-的调节作用而参与的调节作用而参与l l了气孔运动过程。了气孔运动过程。l l由于保卫细胞内的由于保卫细胞内的K+K+、Cl-Cl-浓度是调控植物气孔运动的重要因素之一浓度是调控植物气孔运动的重要因素之一,因此因此G G蛋白对液泡和细胞蛋白对液泡和细胞质中的质中的K+K+、Cl-Cl-移动的调
50、节移动的调节,对对K+K+、Cl-Cl-在细胞不同间隔在细胞不同间隔(compartment)(compartment)的移动与分配的调节的移动与分配的调节作用作用,说明说明G G蛋白参与了气孔运动的细胞信号转导过程蛋白参与了气孔运动的细胞信号转导过程,G,G蛋白对蛋白对K+K+、Cl-Cl-的跨膜运输的的跨膜运输的调节很可能是其调控气孔运动的生理机制之一。调节很可能是其调控气孔运动的生理机制之一。第36页，讲稿共46张，创作于星期二513 参与植物激素信号转导参与植物激素信号转导l l有关有关G G蛋白在植物激素信号转导中的作用知之甚少蛋白在植物激素信号转导中的作用知之甚少,一些实验只是证明