疾病的分子机制PPT课件

疾病的分子机制 细胞信号转导异常与疾病 Mr. Liuleap Department of Pathophysiology 研究生专题讲座研究生专题讲座 IMMU Table of Contents 1 概述 2 受体异常与疾病 3 受体后信号转导异常与疾病（ G蛋白异常） 4 多个环节细胞信号转导障碍与疾病 5 细胞信号转导治疗 IMMU v 细胞信号转导 v 跨膜信号转导 v 细胞信号分子 v 受体 v 膜受体 v 胞内受体 (核受体 ) v 细胞信号转导研究的两大主要任务 一、概述一、概述 IMMU 阐明重大疾病 发生发展机制 肿瘤 心血管病 糖尿病 老年痴呆 认识生命过程 揭示生命本质 细胞代谢 生长发育 防御适应 细胞凋亡 一、概述一、概述 信息流 物质流 能量流 生命活动 IMMU 膜受体类型 具有众多亚家族， RTK是最典型代表， 此外， 细胞因子受体家族、 PTSK型受体 (TGFR) 家族、 鸟氨酸环化酶型受体家族、 死亡因子 受体家族 (TNFR/Fas)、 粘附分子家族（非 R?） (至少有 5大家族：钙粘素 /整合素等 ) 细胞膜受体属于整合膜受体，绝大多数细胞外信号 分子所识别的均为此类。跨膜受体结构： 细胞膜表面受体可分为三大类： 1. 离子通道受体： 2. G蛋白偶联受体： （ 7 次跨膜蛋白） 3. 跨膜受体： （单次跨膜蛋白） 有配基门控、电压门控两类离子通道受体 种类繁多，如：肾上腺素能受体、 M-Ach 受体、鸦片样受体、趋化因子受体等 细胞外结构域细胞外结构域 跨膜区域跨膜区域 胞内结构域胞内结构域 效应 蛋白 催化 区 GTP GDP G-蛋白偶联的受体系统 Gs Gi Go Gq/11 G12/13 G-蛋白亚单位分类： 不同受体的结构及介导的细胞信号转导 细胞膜 具有酶活 性的受体 催化活性： 酪氨酸蛋白激酶型受体 丝 /苏氨酸蛋白激酶型受体 酪氨酸蛋白磷酸酶型受体 鸟氨酸环化酶型受体 受亚单位调节的效应蛋白： 激活 AC，开放 Ca2+通道 抑制 AC，开放 K+通道 关闭 Ca2+通道 激活 PLC 促进 Na+/ H +交换蛋白的作用 离子通道 型受体 nAch R， Glu R Gly R， 5HT R GABA R 膜受体 IMMU cellular signal transduction RTK信号转导途径信号转导途径 G 蛋 白 效应器 细胞外 细胞膜 细胞内 蛋白激酶 酪氨酸 受体 胞间信号 外界环境刺激 Ca2+ Ca2+调节蛋白 CaM PKCa2+ CaM 酶蛋白 磷酸化 修饰 CaM结 合蛋白 细胞反应PKCa2+ cAMP PKA I P3 DG PKC 第一 信使 第二 信使 膜上信号 转换系统 主要胞内信号通路 IP3：三磷酸肌醇 ， DG：二酰甘油， PKA：依赖 cAMP的蛋白激酶， PKC：依赖 Ca2+与磷脂的蛋白激酶， PKCa2+ ：依赖 Ca2+的蛋白激酶， PKCa2+CaM：依赖 Ca2+CaM的蛋白激酶 IMMU 胞内受体（核受体）胞内受体（核受体） 甾体类甾体类 维甲酸维甲酸 甲状腺激素甲状腺激素 型 型 IMMU 细胞信号转导工作模式细胞信号转导工作模式细胞信号转导工作模式细胞信号转导工作模式 细胞信号转导过程细胞信号转导过程 4个环节：个环节： 发放：各种理化、生物性因素的变化、刺激 中继： 受体及其后续信号转导蛋白的级联反应 效应： 细胞各种相应固有生理功能的体现 终止：配基降解 /受体内吞 /第二信使水解 信号转导蛋白被磷酸酶去磷酸化 IMMU 细胞信号转导工作模式 IMMU v 传导信号的复杂性与不确定性：传导信号的复杂性与不确定性： 细胞的信号转导是细胞的信号转导是 数对矛盾数对矛盾 对立统一的过程，对立统一的过程， 这是保证正确和适度信号传递的基础。这是保证正确和适度信号传递的基础。 接受与发送接受与发送 放大与抑制放大与抑制 发生与消失发生与消失 协调与拮抗协调与拮抗 正反馈与负反馈正反馈与负反馈 通用性与特异性通用性与特异性 细胞信号转导小结 IMMU text1 text2 text4text3 Clinical example IMMU 病史： 女性， 6岁时因自幼皮肤黄色瘤就诊 .患儿 出生时臀部即有一绿豆粒大小之疹状黄色瘤，此 后，黄色瘤渐扩展为条纹状及片状，且颈后、肘 部和膑骨等肌腱附着处及眼内、外眦部先后出现 斑块状、条纹状黄色瘤。 5岁后双手指、足趾伸肌 腱及跟腱先后出现大小不等的结节状黄色瘤。 Clinical example 体检： 心脏听诊主动脉瓣区可闻 级收缩期杂音 IMMU 实验室检查： v总胆固醇 (TC) 21.3 mmol/L (2.825.95 mmol/L) v甘油三酯 (TG) 1.2 mmol/L (0.561.7 mmol/L) v HDL-C 0.8 mmol/L (1.032.07 mmol/L) v LDL-C 19.6 mmol/L (2.73.2 mmol/L) v ECG示左室肥厚及心肌缺血 v心脏多普勒检查显示主动脉壁增厚 /狭窄 /异常光斑 Clinical example 进一步病史： 7岁时每于剧烈运动即心绞痛发作 8岁时奔跑后突发前室间隔心肌梗死 10岁于冠脉搭桥术后猝死 IMMU Quiz: v 该患者患有何种疾病？ v 其信号转导障碍的分子机制是什么？ FH是由于基因突变引起的 LDL受体缺陷 症，为常染 色体显性遗传，易伴发冠心病、动脉粥样硬化等症。 70年代初由 Brown 和 Goldstein 报道的第一例受体病，二人在受体 病理学研究方面的开创性工作，双获 1985年诺贝尔医学奖。 家族性高胆固醇血症家族性高胆固醇血症 Brown Goldstein IMMU Endoplasmic reticulum Golgi Mutation Synthesis Transport Binding Clustering Recycling class I X II X III X IV X V X Endosome II III IV V Classification of LDL receptor mutation I LDL受体突变的类型及分子机制 LDL 受体合成障碍 （占 50以上） 受体转运障碍 受体与配体结合障碍 受体内吞缺陷 受体再循环障碍 IMMU （人群发病率为百万分之一）（人群发病率为百万分之一） 家系调查家系调查 患儿为患儿为 FH纯合子，在患儿一代及父母和纯合子，在患儿一代及父母和 祖父母祖父母 3代中共检查了代中共检查了 22人，血脂测定结果人，血脂测定结果 有有 11人血浆胆固醇达到人血浆胆固醇达到 FH杂合子标准，其杂合子标准，其 中中 1人（人（ 64岁）有高血压和冠心病史。岁）有高血压和冠心病史。 IMMU 眼肌型重症肌无力患者 轻症患者受累横纹肌轻症患者受累横纹肌 稍行活动后即疲乏无稍行活动后即疲乏无 力，休息后恢复。力，休息后恢复。 IMMU Quiz: v 该类患者患有何种疾病？ v 其发病机制是什么？ 重症肌无力是一种神经肌肉间传递功能障碍的自 身免疫病，特征为受累横纹肌稍行活动后即迅速疲 乏无力。轻者仅眼肌，重者可全身肌肉，严重则呼 吸肌受累而危及生命。 重症肌无力重症肌无力 IMMU 重症肌无力 v 发病机制 为患者的胸腺上皮细胞及淋 巴细胞内含有一种与 n-Ach受体结构类似 物，其可能作为自身抗原而引起胸腺产 生抗 n-Ach受体的抗体。 v 在实验性重症肌无力动物或临床重症 肌无力患者的血清中可检测到抗 n-Ach受 体的抗体，其含量与疾病的严重程度呈 平行关系。 IMMU 发病机制 肌纤维 重症肌无力 （有机磷中毒者则痉挛、抽搐 ) Ach受体 运动神经末梢 Ach Na+内流 抗 n-Ach受体抗体 IMMU 1.我感到乏力，常犯困，体力和精力都不足。 2.我的大脑思维迟钝，注意力难集中，记忆力下降，行动反应慢。 3.体重突然增加许多。 4.皮肤干燥、指甲很脆、灰白，易折断。 5.常常会觉得冷（即使其他人觉得很舒服的时候也是如此）。 6.我有很多负面的想法，感到情绪低落抑郁。 7.肠道和代谢好像都慢，时常会便秘。 8.感到肌肉和骨骼僵硬酸痛，手感到麻木。 9.我的血压增高或者心跳变慢了。 10.胆固醇水平增高。 下述情况表明什么器官出了问题？ IMMU 颜颜 面面 部部 蜡样蜡样 水肿水肿 突突 眼眼 发病面容 发病前 IMMU TSH TSH受体 AC PLC cAMP DAG/IP3 甲状腺素分泌 甲状腺细胞增殖 Gs Gq TSH signal transduction IMMU 自身免疫性甲状腺病 v因抗 TSH 受体的自身抗体引起的甲状腺功能紊乱。 v 刺激性抗体 v 阻断性抗体 刺激性刺激性 TSH抗体：抗体： 其与 TSH受体结合后能模拟 TSH作用，通过激活 G蛋白，促进甲状腺素分泌 ， 引起甲状腺功能亢进和甲状腺肿大。在 Graves病 (弥漫性甲状腺肿 )患者血中可检出 。 (在胞外区与 TSH受体 30-35位 aa残基结合 )。 IMMU v刺激性抗体模拟 TSH 的作用 v促进甲状腺素分泌和甲状腺腺体生长 v女性 男性 v甲亢、甲状腺弥漫性肿大、突眼 弥漫性甲状腺肿 (Gravesdisease) Graves病病 IMMU 阻断性阻断性 TSH抗体：抗体： “占坑性 ”抗体，可存在 于桥本病 (慢性淋巴细胞性甲状腺炎 )和特发性粘 液性水肿患者血中，造成甲低功（与受体 295- 302和 385-395位氨基酸残基结合）。 这种 受体结合部位受体结合部位 的不同的不同 为解释 Graves病和桥 本病临床特征的差异提供了分子基础。 自身免疫性甲状腺病 IMMU Effect site of anti-TSH antibody on TSH receptor IMMU v阻断性抗体与 TSH受体结合 v减弱或消除 了 TSH的作用 v抑制甲状腺素分泌 v甲状腺功能减退、 黏液性水肿 桥本病 (Hashimotos thyroditis) 黏液性水肿 (myxedema) 发病前面容发病面容 桥本氏甲状腺炎 甲状腺萎缩 （大体） IMMU 二、 受体异常与疾病 v因受体的数量、结构或调节功能变化，使之不 能介导配体在靶细胞中应有的效应所引起的疾 病称为 受体病 或受体异常症。 受体病 ： 受体病类别 ： v遗传性 受体病 v自身免疫性受体病 v继发性受体病 部分受体信号转导障碍相关性疾病部分受体信号转导障碍相关性疾病 分 类 累及的受体 主要临床特征 1、遗传性受体病 膜受体异常 家族性高胆固醇血症 LDL受体 血浆 LDL升高，动脉粥样硬化 家族性肾性尿崩症 ADH V2型受体 男性发病，多尿、口渴和多饮 视网膜色素变性 视紫质 进行性视力减退 遗传性色盲 视锥细胞视蛋白 色觉异常 严重联合免疫缺陷症 IL-2受体 链 T细胞减少或缺失，反复感染 II型糖尿病 胰岛素受体 高血糖，血浆胰岛素正常或升高 核受体异常 佝偻病性骨损害，秃发； VitD抵抗性佝偻病 VitD受体 继发性甲状旁腺素增高 雄激素抵抗综合征 雄激素受体 不育症，睾丸女性化 甲状腺素抵抗综合征 甲状腺素受体 甲状腺功能减退，生长迟缓 雌激素抵抗综合征 雌激素受体 骨质疏松，不孕症 糖皮质激素抵抗综合征 糖皮质激素受体 多毛症，性早熟，低肾素性高血压 分 类 累及的受体 主要临床特征 2、自身免疫性受体病 重症肌无力 Ach受体 活 动 后肌无力 自身免疫性甲 状 腺病 刺激性 TSH受体 甲亢和甲 状 腺 肿 大 抑制性 TSH受体 甲 状 腺功能 减 退 II型糖尿病 胰岛 素受体 高血糖，血 浆胰岛 素 N或 艾迪生病 ACTH受体 色素沉着，乏力，血 压 低 3、继发性受体异常 心力衰竭 肾 上腺素能受体 心肌收 缩 力降低 帕金森病 多巴 胺 受体 肌 张 力增高或强直僵硬 肥胖 胰岛 素受体 血糖升高 肿 瘤 生 长 因子受体 细 胞 过 度增殖 IMMU 细胞信号转导系统的调节 1、受体数量的调节、受体数量的调节 (受体的 细 胞 内 化 /内吞 再循 环 ) 2、受体亲和力的调节、受体亲和力的调节 ( RP&RdP重要 ) 受体下调 (down regulation)或 减敏 (desensitization): 前者指受体数量减少，后者指靶细胞对配体刺激 的反应性减弱或消失。 受体上调 (up regulation)或 增敏 (hypersensitivity): 是指受体数量增多或使靶细胞对配体的刺激反应 过度。 IMMU PGs Gs P抑制蛋白 P P 抑制蛋白 P 受体去磷酸化 PKA GRK 内吞再循环 降解 受体磷酸化与脱磷酸化受体磷酸化与脱磷酸化 溶酶体 低 pH IMMU 缅甸重灾区缅甸重灾区 大雨倾盆大雨倾盆 难以施救难以施救 霍乱爆发霍乱爆发 巴基斯坦洪水已造巴基斯坦洪水已造 成成 3000人死亡人死亡 灾区爆发霍乱灾区爆发霍乱 2010/8/5 2010.10 2014 南苏丹 在安全和人道危机外又添新忧 霍乱肆虐 危及数千人生命 霍乱弧菌 IMMU Quiz: v 霍乱弧菌引起何种疾病？ v 该疾病有何临床表现 ？ v 其信号转导障碍的分子机制是什么？ 霍乱是 G蛋白异常的典型疾病，是由霍乱弧菌引起 的烈性肠道传染病。 霍乱霍乱 （ Cholera） IMMU 肠细胞膜受体 GM1（神经节苷酯） 霍乱毒素霍乱毒素 (A、 B亚基 ) B Gs (Arg201核糖化 ) A Gs-GTP (处于不可逆激活状态 ) AC 持续激活 cAMP （ 100倍 ） 持续作用持续作用 肠液持续肠液持续 大量分泌大量分泌 严重吐泻及 水电酸碱紊乱 抑制 GTP酶 无法水解 GTP GDP 霍乱毒素的作用机制 让肠道细胞 “过劳死 ” ! IMMU IMMU 孙明明（ 2.33米）巨人与记者 (1.75米 )合影 什什 么么 情情 况况 ？ 为什么这样？ IMMU 患者 X线表现 IMMU Quiz: v 这些患者患有何种疾病？ v 其发病机制相同吗？ v 其发病的分子机制是什么？ 这 是 GH的过度分泌所致，如在 GH的垂体腺瘤 中，有 30 -40是由于编码 Gs的基因点突变。 巨人症与肢端肥大症巨人症与肢端肥大症 IMMU Gs的基因点突变的特征是： 精氨酸 201为半胱或组氨酸所取代，或 谷氨酰胺 227为精氨酸或亮氨酸所取代。 这些突变抑制了 GTP酶活性，使 Gs处于持续 激活状态， AC cAMP GH 垂体腺瘤中，信号转导障碍的关键环节： Gs过度激活导致的 GH释放激素和生长抑素对 GH分泌的调节失衡。 Gs 肢端肥大症和巨人症 IMMU G 蛋白介导的细胞信号转导途径蛋白介导的细胞信号转导途径 G蛋白（ GTP-binding protein）是指可与鸟嘌 吟核苷酸可逆性结合的蛋白质家族。它是 G蛋白 偶联受体与效应蛋白间的信号转换器 (分子开关 ), 可分为两类： 由 、 和 亚单位组成的异三聚体，在膜受 体与效应器之间的信号转导中起中介作用； 小分子 G蛋白（ 21-28KD） ,只具有 G蛋白 亚 基的功能，在细胞内进行信号转导。 三、 G蛋白异常与疾病 IMMU G-protein Coupled Receptors (GPCR) IMMU 又称 II型糖尿病，患者除血糖升高外，血中 胰岛素含量可增高、正常或轻度降低， 80患 者伴有肥胖。胰岛素受体前、受体和受体后异 常是造成细胞对胰岛素反应性降低的主要原因 ，其中与信号转导障碍有关的是： 四、多个环节细胞信号转导四、多个环节细胞信号转导 异常与疾病异常与疾病 1.非胰岛素依赖性糖尿病非胰岛素依赖性糖尿病 (NIDDM) IMMU (1)遗传性遗传性 ： 基因突变所致 ,包括： 受体数量减少； 受配体亲和力降低， 受体 PTK活性降低，如甘 1008 缬， PTK结构 异常，磷酸化酪氨酸的能力减弱。 (2)自身免疫性自身免疫性 ： 血中有胰岛素受体抗体。 (3)继发性继发性 ： 任何原因所致高胰岛素血症均可使胰 岛素受体继发性 ,引起胰岛素抵抗综合征。 1）胰岛素受体异常）胰岛素受体异常 IMMU 目前认为 PI3K作为一个传递受体 PTK活性到调节 丝 /苏氨酸蛋白激酶的级联反应的分子开关，在胰 岛素上游信号转导中具有重要作用。在 II型糖尿病 的动物或患者中观察到 有两个环节的障碍： v PI3K-PKB通路活性受抑、表达通路活性受抑、表达 PI3K基因突变可产生胰岛素抵抗，目前已发现在 p85基因有突变。 v IRS-1和和 IRS-2的下调的下调 使胰岛素经 PI3K介导的信号转导 过程受阻。 2）受体后信号转导异常）受体后信号转导异常 IMMU 胰岛素作用信号转导胰岛素作用信号转导 (signal transduction of insulin) I I IRS PI3K P P Ras Grb2 胰岛素胰岛素 受体受体 TPK磷酸化磷酸化 在在 IRS-1 及及 IRS-2参与下参与下 与与 Grb2和和 PI3K 结结 合合 启动下游信号转导启动下游信号转导 Grb2：是生 长 因子受体 结 合蛋白 2 Ras蛋白：能 与 GTP结 合信 号转导 蛋白， 大鼠肉瘤病毒字头缩写 (rat sarcoma) IMMU PI3K IRS1 Insulin pathway IMMU VSMC生物学 变化可引起血管壁增厚、管腔 狭窄、血管顺应性降低和血管重构，在高血 压病的发生与发展中起重要作用。长期高血 压致心肌肥厚引起心肌重构，与细胞内信号 转导异常有关，其机制如下： 2、高血压病、高血压病 心肌肥厚心肌肥厚 IMMU 机械信号机械信号 心肌细胞因心腔内压力升高， 心肌细胞肌纤维拉长，此机械刺激改变了细胞内 信号转导，诱导心肌细胞 RNA和蛋白质合成。此 使血流的剪切应力等也可通过信号转导引起细胞 内 c-sis等与细胞增生有关的原癌基因表达增强 化学信号化学信号 指由内分泌、旁分泌或自分泌 作用 于 VSMC的激素、细胞因子及生长因子，如 Ag 、 NA、 ET、 PDGF等 ，刺激心肌细胞肥大 、增殖。 1）促增殖信号增多）促增殖信号增多 IMMU -12 IMMU 细胞内 Na+、 Ca2+ PKC激活 PLC-PKC系统参加压力负荷所致的 左心室肥厚信号转导。高血压可致 CA、 PKC、 IP3 活性升高；血管紧张素 刺激血管紧张素受体活化 ，引起 PKC激活。 PKC是多种生长因子信号转导中的一个重要酶， 它可通过多种机制促进基因表达 (c-myc、 c-fos、 c- jun)引起心肌细胞增生及左心室肥厚。 2) 细胞内信号转导改变细胞内信号转导改变 IMMU PLC PKC c-myc, c-fos c-jun 表达 Ras IP3 IP3 Ca2+ Na+内流 交互加强 R 机 械 刺 激 CA ET AgII PDGF 细胞膜 心肌细胞内 RNA转录 刺激细胞肥大增殖 Grb2 Sos Ras Raf MEK ERK 心肌细胞增殖肥大的信号转导 IMMU 恶性肿瘤有三个重要特征恶性肿瘤有三个重要特征 : 增殖失控增殖失控 分化异常分化异常 凋亡异常凋亡异常 绝大多数的癌基因表达产物都是细胞信号转绝大多数的癌基因表达产物都是细胞信号转 导系统的组成成分。它们可以从多个途径介入导系统的组成成分。它们可以从多个途径介入 和干扰细胞内的信号转导过程。和干扰细胞内的信号转导过程。 3、肿瘤 IMMU 负调控 TGF- 信号转 导 障碍 表达核 内蛋白 类 表达蛋 白激酶 及信息 分子类 表达生 长因子 受体类 表达生 长因子 样物质 1）细胞癌变的具体过程）细胞癌变的具体过程 IMMU 2）癌基因产物导致细胞信号转导障碍的特点）癌基因产物导致细胞信号转导障碍的特点 （ 1）多途径：受体前，受体后等。 （ 2）多方式：催化 PTK/模拟配体受体结合等。 （ 3）正负调节协同作用： 如抑癌基因产物作用 减弱起负调节作用。 IMMU 炎症细胞活化及炎症介质泛滥的机制示意图 4、炎症、炎症 TNF/ 趋化因子 /粘附分子 IMMU CD14 TLR4 MyD88 IRA K TOLLIP TRAF6 MAPKK TAK p IKK p MAPK IB TNF IL-1 单核巨噬细胞 MD-2 NFB CREB AP-1 LBP LPS IMMU 所谓 靶向信号转导治疗靶向信号转导治疗 ，就是是以纠正信号转 导障碍为目的、以信号转导链上的蛋白为靶点的 生物疗法和药物设计方案。 1、新疗法和药物作用靶点的设计思路 现代药物研发策略是在阐明疾病机制和获得高 效干预靶点基础上再进行药物设计。其中药靶的 筛选与验证是和新药研发的起始和最关键步骤！ 目前发现的 500多种药靶多为蛋白质分子 (受体 45% ，酶类 28% ，离子通道 2%) 。 五、细胞信号转导治疗五、细胞信号转导治疗 IMMU 一种疾病可以涉及多个环节 ,故可有多个靶点。 例如，肿瘤治疗药物的靶点可为： GFR/癌基因 /抑癌基因 /肿瘤转移关键分子和途径 /血管形成关 键分子和途径 /耐药基因及其产物等。 五、细胞信号转导治疗五、细胞信号转导治疗 反之，某一靶点也可是多种疾病共同治疗靶点。 例如，环氧化酶 -2是 AA PG的关键酶，与炎症 /肿瘤 /阿尔茨海默病 /动脉粥样硬化等密切相关从 而成为与多种疾病相关的药物作用靶点。 IMMU 确定药靶 筛定 “先导化合物 ” 化学修饰其结构 获得具基本母核的大量类结构化合物 再行定向筛选 最后敲定目标新药 针对关键信号分子的药物研发基本思路针对关键信号分子的药物研发基本思路 Q: 信号转导过程中涉及蛋白质分子过百信号转导过程中涉及蛋白质分子过百 Pr-Pr间相互作用发生在信号传递的所有阶段间相互作用发生在信号传递的所有阶段 疾病时