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第九章第九章 丝裂原活化蛋白激酶 信号转导通路 丝裂原活化蛋白激酶丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinase,MAPK)Ser/Thr蛋白激酶蛋白激酶 受细胞外刺激而激活受细胞外刺激而激活 在所有真核细胞中高度保守在所有真核细胞中高度保守 通路组成通路组成 三级激酶模式三级激酶模式 调节多种重要的细胞生理调节多种重要的细胞生理/病理过程病理过程 本章主要内容：本章主要内容：MAPK 信号通路的成员信号通路的成员 MAPK的蛋白结构的蛋白结构 MAPK通路模式通路模式 MAPK的激活的激活 MAPK信号转导通路间的关系信号转导通路间的关系 一、一、MAPK 信号通路的成员信号通路的成员 MAPK是信号从是信号从细胞表面细胞表面核内核内的重的重要要转递者转递者。已鉴定的已鉴定的(据据1999的统计的统计)：MAPK激酶激酶激酶激酶(MKKK)14种种 MAPK激酶激酶(MKK)7种种 MAPK 12种种 MKKK(MAP Kinase Kinase Kinase)亚族：亚族：MKK(MAP Kinase Kinase)亚族：亚族：MEK5MEK2MEK1MKK7MKK4MKK6MKK3MKKMAPK(MAP Kinase)亚族：亚族：ERK2ERK1ERK4ERK3ERK5JNK2JNK3JNK1JNK2JNK3JNK1p38p38p38p38二、二、MAPK的蛋白结构的蛋白结构（一）（一）MAPK的一级结构的一级结构 苏氨酸磷酸化位点与其他蛋白激酶同苏氨酸磷酸化位点与其他蛋白激酶同源，酪氨酸磷酸化位点是源，酪氨酸磷酸化位点是MAPK独特的。独特的。磷酸化位点的三肽模体磷酸化位点的三肽模体 TXY ERK和和ERK5 TEY p38 TGY JNK TPY 三肽模体位于三肽模体位于L12 各亚族各亚族L12长度不同长度不同 活化唇活化唇(activation lip)各亚族都具有各亚族都具有12个保守亚区个保守亚区 真核细胞蛋白激酶超家族区分标志之一真核细胞蛋白激酶超家族区分标志之一 家族成员之间具有较高的同源性家族成员之间具有较高的同源性 MAPK 其他名称其他名称 与与ERK2的的同源性同源性%同一亚族成员同一亚族成员序列相似性序列相似性%ERK1 p44 MAPK 88 ERK2 p42 MAPK 100 ERK3 p62 rat ERK3 43 100 ERK3 human ERK3 42 74 JNK1 SAPK 40 87 JNK2 SAPK 41 100 JNK3 SAPK 40 88 哺乳动物哺乳动物MAPK 哺乳动物哺乳动物MAPK MAPK 其他名称其他名称 与与ERK2的的同源性同源性%同一亚族成员同一亚族成员序列相似性序列相似性%ERK2 p42 MAPK 100 p38 p38 CSBP 50 100 p38 p38-2 47 75 p38 ERK6 SAPK3 44 62 p38 SAPK4 42 64 ERK5 BMK1 51 ERK7 41 （二）（二）MAPK的二级结构和超二级结构的二级结构和超二级结构 以以ERK2为例为例 N端域端域 主要由主要由折叠和折叠和2个个螺旋组成螺旋组成 （1109和和320358位氨基酸残基）位氨基酸残基）C端域端域 螺旋，含螺旋，含磷酸化唇磷酸化唇和和MAPK插插 入，入，催化环催化环（Arg-147152)（110319位氨基酸残基）位氨基酸残基）交界处的裂隙交界处的裂隙 ATP结合位点结合位点（三）三）MAPK的空间结构特征的空间结构特征 大体结构：大体结构：非常相似非常相似 底物结合口袋的结构特征：底物结合口袋的结构特征：无活性时被阻断，有活性时暴露出。无活性时被阻断，有活性时暴露出。ATP结合位点的结构特征：结合位点的结构特征：大小、形状、疏水性和电荷等不同大小、形状、疏水性和电荷等不同 磷酸基团结合位点：磷酸基团结合位点：4个保守位点个保守位点 三、三、MAPK通路模式通路模式 生长因子生长因子、细胞因子细胞因子、射线射线、渗透压渗透压MAP3K、MEKKMAP2K、MEKERK,JNK/SAPK,p38,ERK5/BMK转录因子转录因子、蛋白激酶蛋白激酶、细胞骨架蛋白等细胞骨架蛋白等刺激刺激MKKKMKKMAPK反应底物反应底物四、四、MAPK的激活的激活 MAPK激活机制的发现激活机制的发现 重要的实验观察：重要的实验观察：20世纪世纪80年代，观察到当年代，观察到当GF刺激时，刺激时，Tyr被磷酸化的主要蛋白为被磷酸化的主要蛋白为42kDa 佛波酯醇刺激时，产生同样的蛋白佛波酯醇刺激时，产生同样的蛋白 胰岛素胰岛素RTK催化催化Ser/Thr蛋白激酶蛋白激酶 胰岛素刺激，产生胰岛素刺激，产生Thr和和Tyr双磷酸化的双磷酸化的42kDa蛋白蛋白 MAPK的激活机制的激活机制 活性部位位于两个折叠域的界面活性部位位于两个折叠域的界面 是通过是通过Thr和和Tyr的双位点同时磷酸化的双位点同时磷酸化而被激活而被激活 例：例：ERK2 Tyr-185,Thr-183 pY185 解除解除L L12对底物结合的阻断对底物结合的阻断 MAPK是是Pro指导的蛋白激酶指导的蛋白激酶 对于对于ERK2来说，其底物的一般保守性来说，其底物的一般保守性序列为序列为 Pro-X-Ser/Thr-Pro 活化环中活化环中Tyr-185 和和Thr-183的磷酸化，的磷酸化，引起该环重新折叠，与引起该环重新折叠，与Arg结合位点相结合位点相互作用互作用 酸性氨基酸替代，不导致组成性活化酸性氨基酸替代，不导致组成性活化 MAPK的点突变不影响其活性的点突变不影响其活性 五、酵母五、酵母MAPK通路通路 酿酒酵母酿酒酵母 已鉴定出已鉴定出5条条 单倍体的交配途径单倍体的交配途径 浸润性生长通路浸润性生长通路 细胞壁重构通路细胞壁重构通路 双组分渗透压感受器通路双组分渗透压感受器通路 Sho1渗透压感受器通路渗透压感受器通路 （一）酵母菌中（一）酵母菌中MAPK模式的组成和作用模式的组成和作用 酿酒酵母酿酒酵母：4种种MKKK 4种种MKK 6种种MAPK 其中，其中，4种参加明确的种参加明确的5种种MAPK通路通路 2种种(SMK1,YKL161C)参加未知参加未知的的MAPK通路通路 3个成员通过与支架蛋白结合而联在一起个成员通过与支架蛋白结合而联在一起（二）单倍体酵母与交配有关的通路二）单倍体酵母与交配有关的通路 酿酒酵母的酿酒酵母的2种交配型种交配型(单倍体单倍体)：a a细胞型和细胞型和 细胞型细胞型 2种性信息素：种性信息素：a a因子和因子和 因子因子 7次跨膜受体：次跨膜受体：Ste3和和 Ste2 异三聚体异三聚体G蛋白：蛋白：Gpa1 亚基亚基 Ste4 亚基亚基 Ste18 亚基亚基 Ste2 receptor 酿酿酒酒酵酵母母的的交交配配通通路路 ste：不育基因不育基因 Ste5：支架蛋白支架蛋白 Ste12：转录因子转录因子 支架蛋白支架蛋白(Scaffold protein)其主要功能是将其他蛋白质结合在一其主要功能是将其他蛋白质结合在一起，促进它们相互作用起，促进它们相互作用。将细胞信号通路中的各种信号分子结将细胞信号通路中的各种信号分子结合在一起，形成复合物合在一起，形成复合物 起生理性隔室化的效应起生理性隔室化的效应,从而防止该通从而防止该通路与其他通路发生交联路与其他通路发生交联 含有许多蛋白结合域含有许多蛋白结合域（三）浸润通路（三）浸润通路 缺乏氮源缺乏氮源 形态改变形态改变 假菌丝：假菌丝：缺乏氮源时，椭圆型的双倍酵母进行缺乏氮源时，椭圆型的双倍酵母进行不对称的细胞分裂以产生一个细而长的子不对称的细胞分裂以产生一个细而长的子细胞，后者又不断产生长的子细胞。由于细胞，后者又不断产生长的子细胞。由于母细胞与子细胞仍然相连，因此这种单级母细胞与子细胞仍然相连，因此这种单级分裂方式的不断重复将产生由延长的细胞分裂方式的不断重复将产生由延长的细胞组成的丝状物组成的丝状物。KSS1：丝状生长所需要丝状生长所需要(单倍体，双倍体单倍体，双倍体)注：注：未被未被Ste7激活时，激活时，是浸润生长的抑制是浸润生长的抑制物，被物，被Ste7激活时，激活时，刺激浸润生长。刺激浸润生长。FUS3和和KSS1的鉴别：的鉴别：刺激激活的条件不同刺激激活的条件不同 FUS3 信息素信息素 KSS1 缺乏氮源缺乏氮源 表达不同表达不同 FUS3 单倍体细胞中单倍体细胞中 KSS1 单倍体细胞和双倍体细胞中单倍体细胞和双倍体细胞中 对浸润生长的调节作用对浸润生长的调节作用 FUS3 抑制抑制 KSS1 刺激刺激（四）细胞壁重构通路（四）细胞壁重构通路 酵母的酵母的生长依赖于生长依赖于有效的细胞壁重构有效的细胞壁重构 PKC1：MKKKK MKK1和和MKK2的的重叠作用意义不清重叠作用意义不清（五）渗透压感受器和应激通路（五）渗透压感受器和应激通路 酿酒酵母的酿酒酵母的2种渗透压感受器：种渗透压感受器：“双组分”双组分”渗透压感受器渗透压感受器 低低渗透压条件下激活渗透压条件下激活 膜膜渗透压感受器渗透压感受器 高高渗透压条件下激活渗透压条件下激活 2种渗透压感受器对种渗透压感受器对MAPK通路的调节通路的调节 作用不同作用不同 1.“双组分”双组分”渗透压感受器渗透压感受器 “双组分”双组分”转导体系通常见于原核细胞转导体系通常见于原核细胞 “双组分”双组分”转导体系的组成转导体系的组成 感受器分子感受器分子 胞外区胞外区 +胞质胞质His激酶域激酶域 +反应反应-调节分子调节分子 接受接受域域+DNA结合域结合域 是一种是一种His-Asp磷酸化体系磷酸化体系 “双组分”双组分”转导体系在哺乳类尚未鉴定转导体系在哺乳类尚未鉴定出出 “双组分”双组分”转导过程转导过程 感受器蛋白活化感受器蛋白活化 胞质胞质激酶域的激酶域的His磷酸化磷酸化 反应反应-调节分子接受调节分子接受域域 的的Asp磷酸化磷酸化 启动输出功能，即启动输出功能，即转录激活作用转录激活作用 酵母酵母“双组分”“双组分”渗透压感受器：渗透压感受器：由由3种蛋白组成种蛋白组成 Sln1+Ypd1+Ssk1 两个相连的“双组分”体系两个相连的“双组分”体系 第一个第一个 Sln1(His激酶域激酶域和和接受域接受域)第二个第二个 Ypd1(His激酶域激酶域)+Ssk1(接受域接受域)在在低渗透压低渗透压条件下条件下 Sln1 是有活性的是有活性的 Ssk1是无活性的是无活性的 HOG1也无活性也无活性 在在高渗透压高渗透压条件下条件下 Sln1 是无活性的是无活性的 Ssk1是有活性的是有活性的 HOG1也有活性也有活性 2.Sho1依赖的依赖的渗透压感受器渗透压感受器 Sho1：跨膜蛋白：跨膜蛋白渗透压感受器渗透压感受器 结构结构：4个跨膜区个跨膜区 +C-末端胞质区末端胞质区(含含SH3域域)在在高渗透压高渗透压条件下条件下 Sho1 感受高渗透感受高渗透 Sho1激活激活Ste11 Pbs2发挥支架蛋白发挥支架蛋白的作用的作用 Pbs2含有多聚脯氨含有多聚脯氨酸富集区酸富集区 3.裂殖酵母菌中的裂殖酵母菌中的渗透压感受通路和渗透压感受通路和 应激通路应激通路 环境应激时激活环境应激时激活2个相关的个相关的MAPK通路通路 WIK/WIS/SPC1通路通路 WIN1/WIS/SPC1通路通路 (在在渗透压应激时渗透压应激时起主要作用起主要作用)上游调节因子上游调节因子Mcs4是是Ssk1蛋白的同源物蛋白的同源物 ATF1是是SPC1的主要核内底物的主要核内底物 SPC1只有经磷只有经磷酸化后才能入核酸化后才能入核 热休克和氧热休克和氧应激应激时时SPC1磷酸化磷酸化激活，但不需要激活，但不需要WIS的作用。的作用。Pyp1使使SPC1脱脱磷酸化磷酸化（六）芽孢形成通路（六）芽孢形成通路 芽孢形成：芽孢形成：是指将单倍体核包装入芽孢的过