肽类激素主要作用于靶细胞表面(胞质膜)的激素受体(膜受体,membrane receptor)。一般将膜受体分为4类:①G-蛋白耦联受体(G-protein coupled receptor,GPCR);②含激酶活性受体(receptor kinases,RK);③激酶交联受体(receptor-linked kinases,RLK);④配体控闸离子通道(receptors of ligand-gated ion channels,RLGIC)受体。肽类激素-受体结合时,主要有下列特点:

  1. 激素-受体的相互作用迅速而可逆。
  2. 靶细胞表面的受体数目最多,但非靶细胞表面也可存在数目不等的受体。例如,胰岛素受体主要分布于肝、骨骼肌和脂肪细胞膜上,但也存在于淋巴细胞、性腺细胞和脑细胞膜上。又如,除甲状腺细胞外,脂肪细胞上也可发现TSH受体。
  3. 多数肽类激素的血浓度在10-12~10-9mmol/L的范围内,只有高亲和力受体才能从血液或细胞外液中“捕获(capture)”特异的激素。多数受体具有两种结合位点,即高亲和力-低结合力位点和低亲和力-高结合力位点。
  4. 具有受体与激素结合的特异性。这里所指的特异性主要是指活性激素及其类似物与受体结合亲和力的高低。例如,胰岛素受体促进脂肪细胞代谢的作用是胰岛素原的50倍,而IGF-1的微弱胰岛素样作用是由于其与胰岛素受体的结合亲和力更低所致。

GPCR是介导肽类激素生物活性的主要受体类型

GPCR 7次穿膜并在胞膜内外各形成3个环袢,GPCR的N末端位于细胞外,C末端位于细胞内并含有磷酸化区。细胞外环袢与激素结合,这类激素包括肾上腺素能激素、PTH、AT-2、AT-3、胰高血糖素、LH、FSH、TSH、多巴胺、血清素、前列腺素等。受体的基本结构相同,不同的是氨基酸残基序列和糖基。GPCR是目前发现的最大类激素受体超级家族,GNAS1基因突变可引起G蛋白病。膜受体作用机制(以腺苷环化酶/cAMP系统为例)。

G蛋白的一般结构

G蛋白由α、β和γ等3种亚基组成,总分子量约100Da,其中与三磷酸鸟苷(GTP)/二磷酸鸟苷(GDP)结合的Gα亚基分子量39~45kD。G蛋白超家族的成员很多,各种G蛋白的主要差异在α亚基。人们习惯地将Gα亚基分为4个亚族(表1-1-3)。由于编码Gα产物的剪接方式不同,可生成多种Gα亚型。目前已确定结构的Gα有20多种,Gβ有5种,Gγ有12种。因此,组织中的G蛋白异三聚体的组合方式可超过1000种以上,这是保持G蛋白信号转导特异性的重要原因,详见此处及后续篇章

G蛋白循环

GPCR与配体结合后,激素-受体复合物使兴奋性G蛋白(Gs)或抑制性G蛋白(Gi)中的α亚基与GTP结合到复合物上,后者促进(或抑制)腺苷酸环化酶转变为cAMP,cAMP再与cAMP依赖性调节蛋白激酶中的调节亚基结合,蛋白激酶被激活,蛋白磷酸化并改变细胞的功能。另一方面,激活的催化性蛋白激酶进入细胞核,使与cAMP反应元件结合的蛋白磷酸化。完成信号转导后,磷酸二酯酶(phosphodiesterase)降解cAMP为5′-AMP。由此可见,G蛋白的功能通过其α亚基与GDP或GTP的结合而完成对效应体的调节作用,GPCR激活与失活的循环性变化称为G蛋白循环(图1-1-9)。G蛋白的主要功能很像“变构开关”,通过Gα亚基与GTP的“开”与“关”完成上游信号的下传。因此,尽管GPCR的种类很多,GPCR的配体更多达数千种,但从G蛋白的功能变化看,其“工作”原理是十分简单的。

异三聚体G蛋白是耦联GPCR与受体的效应体。G蛋白的α亚基(Gsα)突变(如R321H、R265H、S250R等)导致Gs耦联信号转导途径活化,体细胞Gs的这类活化性突变常常是一些内分泌肿瘤、骨纤维性增生不良症和McCune-Albright综合征的病因;相反,杂合子失活性突变常导致Albright遗传性骨营养不良症(Albright hereditary osteodystrophy,AHO)、进行性骨异常增生症(progressive osseous heteroplasia)。奇怪的是,由父方遗传的GNAS1突变仅表现为Albright遗传性骨营养不良症,并主要见于假-假性甲旁减(pseudo-pseudo-hypoparathyroidism),详见此处及后续篇章

膜受体作用机制(以腺苷环化酶/cAMP系统为例)

膜受体作用机制(以腺苷环化酶/cAMP系统为例)

注:AC酶:腺苷环化酶(adenylate cyclase);Gs:兴奋性G蛋白;Gi:抑制性G蛋白;Rs:兴奋性受体; Ri:抑制性受体

G蛋白循环

G蛋白循环

注:基础状态下,G蛋白以异三聚体形式存在,GDP与α亚基结合紧密。激动剂与受体结合后,GDP被GTP置换,并使α亚基与βγ复合物分离,与GTP结合的α亚基调节效应体活性。当调节作用完成后,α亚基中的GTP酶活性终止α亚基的调节活性,并使GTP与α亚基结合,恢复基础状态时的异三聚体形式,完成1次循环。GPCR(G protein-coupled receptor):G蛋白偶联受体;GTP(guanosine triphosphate):三磷酸鸟苷;GDP(guanosine diphosphate):二磷酸鸟苷

GPCR配体

据估计,人体内的GPCR种类超过2000种,现已克隆出100多种,其配体主要为蛋白质,但也可以是胺类、多肽类、糖蛋白类、脂质类、核苷酸类、离子或蛋白酶类化合物。此外,外源性刺激物如光、气味的作用亦以GPCR为介导物。

GPCR分为3个亚族

一般将GPCR分为A、B和C等3个亚族。

  1. A族:A族GPCR又称为光受体(light receptors)族或视紫红蛋白(rhodopsin)/β2肾上腺素能受体族,并可再分为6个次亚族:①生物胺受体(如肾上腺素、血清素、多巴胺、毒碱、组胺等);②小分子肽类受体(如CCK、内皮素、速激肽、神经肽Y、TRH、神经降压肽、蛙皮素、GHRH等);③opsin类和缓激肽类受体;④腺苷类(黑色素皮质素、腺苷、大麻酮及嗅觉受体等);⑤GnRH、白三烯类、FSH、LH、TSH、甘丙肽、核苷酸、吗啡肽、催产素、AVP、生长抑素及蛋白酶活化性受体;⑥褪黑素受体。
  2. B族:包括4个次亚族受体类型:①降钙素、降钙素基因相关肽、CRH;②PTH和PTHrP;③胰高血糖素、胰高血糖素样肽-1、GIP、GHRH、PACAP、VIP、胰泌素等;④latrotoxin。
  3. C族:为神经递质受体,可再分为5个次亚族类型:①谷氨酸受体;②GABA受体;③钙受体;④信息素(pheromone)受体;⑤味觉受体。

G蛋白偶联受体亚族结构比较

G蛋白偶联受体亚族结构比较

注:GPCR超家族可分为A、B、C 3个亚族。A亚族(A)的特点是含有较多保守氨基酸残基(如N、D、P、W、Y、C等);另一特点是第7穿膜段后的C末端二硫键形成第4个胞内环袢。B亚族(B)的胞外N端肽段较长,肽段中含有3对以上的二硫键,使胞外N端序列折叠如网状,但无胞内的第4个小环袢和第3环袢的DRY基序。C亚族(C)的胞外N端肽段最长(约600个氨基酸残基),但却无A、B亚族的其他结构特点。

GPCR的激活途径不尽相同

自动激活假说认为,许多GPCR含有自动激活活性,在缺乏配体情况下,可将GPCR激活。用人工方法将肾上腺素能受体第3胞内环袢的C端部分替代,可引起体质性(constitutive)受体活化,以后又发现自然和人工发生的活化性GPCR突变部位并不局限于此区,其他很多位点的突变也引起受体自动激活。在GPCR分子中,存在1个或多个限制受体分子自动激活的结构域或位点,一旦这个(些)结构域或位点的功能丧失,即可改变分子的自限能力,导致受体激活,这一(些)限制位点一般是分子中的关键氨基酸残基,但也可能涉及某些片段;其作用是阻滞分子内部各片段的相互作用,只有当配体与受体结合时,才可解除它们对分子激活的阻滞作用。同理,GPCR活化性突变的分子机制之一是突变型受体丧失了这种能力,使受体分子在缺乏配体的情况下,也处于持续激活状态。

GPCR自动激活与“极性袋”(polar pocket)和精氨酸“贯笼”(arginine cage)结构有关。GPCR分子中的组氨酸与Zn2+形成交链对(cross-linking pairs),防止信号转导。这种现象主要见于视紫红受体、β2肾上腺素能受体和PTH受体。有些激素受体的拮抗剂具有负性抑制的内源性活性,在一定条件下可起到激动剂作用,这种激素受体配体称为反转性激动剂(inverse agonists)。激动剂和反转性激动剂与GPCR结合后,受体分子出现的变构效应是受体分子激活的关键反应。有些突变使受体分子处于变构效应(allosteric effect)状态,出现GPCR自动激活,或者在配体的作用下,较野生型受体更易变构为活化状态。参与变构效应的氨基酸残基很多,其中二硫键的作用十分重要,变构的关键部位一般发生在第3和第6号穿膜段。A亚族各种受体的变构过程十分相似,是GPCR的基本激活方式。

GPCR被激活后,如何将信号转导给G蛋白的机制仍未阐明。一些研究表明,第2、第3胞内环袢及C端近段氨基酸残基是信号转导(即与G蛋白耦联)的结构基础,其中第3胞内环袢主要决定耦联的特异性,而第2环袢主要决定耦联的效应强弱。在M5毒蕈碱受体中,α-螺旋扩展肽与受体的激活有关,而对侧残基与G蛋白耦联(激活G蛋白)有关。此外,GPCR信号向G蛋白的转导还与DRY基序、受体胞内第2环袢的α-螺旋及环袢中的微结构域(microdomain)等有关。

GPCR被激活后的信号传导模式并非人们以前认为的“简单线性途径(simple linear pathway)”,而是具有多级联扩增-多位点反馈(manifold bifurcations and multiple regulatory and feedback pathways)的网络途径,其表现是:①一种受体可通过G蛋白与多个信号途径耦联;②一种G蛋白可激活多种效应体(effectors);③GPCR可转导非G蛋白依赖性信号。

GPCR的下游信号途径各异。如腺苷酸环化酶-cAMP-蛋白激活A通路、G蛋白-MAPK通路、磷脂酰肌醇-Ca2+信号通路、DAG-蛋白激酶C通路等。因而,G蛋白下游的信号转导有4个显著特点:①相对GPCR和GPCR配体的数目来说,G蛋白下游的信号通路要少得多,激素-受体的特异性是相对的,有时由于效应与信号转导分子相互作用而出现激素特异性丢失现象。②GPCR和生长因子、细胞因子之间通过各自和共同的信号转导系统相互“对话”,其中最明显的例子是引起ERK/MAPK磷酸化级联反应的激活和生长因子受体的反式激活。③GPCR被激活后先形成同(异)二聚体,使信号被G蛋白“接收”(G蛋白激活),但也存在一些例外情况。目前已能用GPCR的特异性cDNAs、抗体技术及生物物理技术(如生物发光或生物荧光法与能量转移法等)揭示GPCR的激活机制。GPCR被激活后的多价螯合(sequestration)是受体被再次“致敏(sensibilization)”的前提,同时也是受体“内陷”的基础步骤,而GPCR激酶(G proteincoupled receptor kinase,GRK)和SS-arrestin为GPCR的“脱敏(desensibilization)”因子。这些过程由一系列的辅因子进行调节。因此,经典的G蛋白下游途径只是信号转导体系中的共有通路之一,它们可能是信号转导的“主干”,而在主干之外,这些辅因子组成“旁支”,共同形成复杂的信号调节网络。④许多药物直接或间接作用于GPCR本身或其下游的信号分子。

非GPCR肽类激素的受体作用原理不一

1. 含激酶活性受体

其N端位于细胞外而C端位于细胞内,受体分子可在细胞膜双脂质层内移动,其外侧部通过二硫键与另一受体的外侧部相接,细胞内区含酪氨酸激酶活性(tyrosine kinase activity,如胰岛素、上皮生长因子、血小板衍化生长因子)或丝氨酸/苏氨酸激酶活性(serine/threonine kinase activity,如抑制素、活化素)或鸟苷酸环化酶活性(guanylate cyclase activity,如心房利钠肽)。

2. 激酶交联受体

借二硫键形成二聚体,激酶交联受体亦称为GH/PRL/细胞因子受体超级家族,受体分子有细胞外侧的配体结合区和膜内区。单分子可借二硫键形成二聚体。GM-CSF、G-CSF、IL(白细胞介素)和leptin受体也属于激酶交联受体。这类受体的特点是受体分子本身不含激酶活性,但与配体结合后,可使膜内蛋白或胞质内蛋白中的酪氨酸残基磷酸化。其中细胞质的激酶(Janus kinase,JAK)家族介导信号转导物(signal transducers)和转录激活物(transcription activators)磷酸化,在细胞核结合特异性DNA元件,转录mRNA,后者被翻译成活性蛋白质。

3. 配体把闸离子通道受体

含酪氨酸激酶活性受体的信号传导机制

含酪氨酸激酶活性受体的信号传导机制

注:A:酪氨酸磷酸化导致非受体底物蛋白激活(或灭活),启动其下游的级联反应。B:受体的酪氨酸残基磷酸化形成非受体蛋白结合位点,二者结合后启动下游的级联反应。C:非受体蛋白酪氨酸磷酸化与底物结合,启动下游级联反应

激酶交联受体模式(以生长激素为例)

注:生长激素与受体结合导致生长激素受体二聚化,激活JAK2胞浆酪氨酸激酶,使STAT蛋白磷酸化,通过与巯基化磷酸酪氨酸功能区互相作用后,磷酸化的STAT蛋白二聚化,后者进入核内,调节基因转录。Tyr-P:磷酸化酪氨酸;P:磷酸根;JAK:Janus Kinase,一种非受体型酪氨酸激酶;STAT(signal transducers and activators of transcription):信号传导和转录激活因子

穿膜次数不一。配体把闸离子通道受体的一种亚族受体分子穿膜4次,肽段在膜内形成由配体管制的离子通道,当配体与受体结合后,通道开放,Na+、K+、Ca2+和一些阴离子的交换被激活。位于细胞内的肽段可被磷酸化并产生激素作用信号(如5-羟色胺、γ-氨基丁酸、色氨酸、ATP和乙酰胆碱)。另一种亚族受体的肽链穿膜6次,受体由多个亚基组成,形成同多聚体(homomultimers)或异多聚体(heteromultimers)。

上述的激素受体并不包括一些离子转运蛋白、离子感受器蛋白或其他一些活性膜蛋白。例如,Na+/I-同转运蛋白(Na+/I- symporter,NIS)的直链肽段穿膜13次,而有些膜活性蛋白为8次穿膜。事实上,这些活性蛋白也起着类似于受体的作用,因为它们的主要功能是将细胞外信息传递至细胞内。

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