磷脂代谢与细胞信号转导.ppt
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参见附件(3960KB)。
磷脂代谢
与
细胞信号转导
第一部分引言
第二部分肌醇磷脂代谢
第三部分与细胞信号转导相关的
磷脂代谢研究的历史变迁
第四部分参与磷脂代谢，在细胞
信号转导中发挥重要作用
的酶类的研究进展
第一部分
引言
磷脂的一般作用可归纳为以下几点：
? 构成生物膜的重要组成成分
? 提供必需脂肪酸，如花生四烯酸
? 作为脂类第二信使，参与细胞信号转导
? 直接与细胞内蛋白相互作用，影响它们
的定位和/或活性
? 通过静电作用，影响局部膜的拓扑结构
这部分内容对于研究、探讨许多细胞生物学功能、细胞活动过程，特别是细胞受到刺激作出应答、信号转导等，是十分重要的。
第二部分
肌 醇 磷 脂 代 谢
肌醇 (inositol):
是一种糖醇，为环己烷6价醇的总称。有9种立体异构体，天然存在的有5种，但只有myo-肌醇具有生理活性。
磷脂酰肌醇的几种磷酸化衍生物总称为肌醇磷脂(phosphoinositides)。
已知存在于晡乳动物细胞中的肌醇磷脂：
磷脂酰肌醇一磷酸
磷脂酰肌醇二磷酸
磷脂酰肌醇三磷酸
在细胞中
? 磷脂酰肌醇：总磷脂的5%-10%
? 磷脂酰肌醇-4-磷酸：
总肌醇磷脂的60%
? 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸：
总肌醇磷脂的30%
第三部分
磷脂代谢研究
的历史变迁
1953年 Hokin夫妇的实验
磷脂代谢参与细胞分泌 --
磷脂效应
(phospholipid effect)
1955年 鉴定出变化的磷脂为
磷脂酰肌醇 (PI) 和磷脂酸 (PA)
将细胞刺激时所引起的应答称为PI应答(phosphatidyl inositol response) 。
将PI→DG→PA→PI 的代谢循环称为PI cycle。
这就明确了分泌等细胞应答过程中PI分解的意义。
此后，人们在瞳孔睫状肌和肝细胞中又发现，PI(4,5)P2或 PIP先于PI减少。
这样，取代PI迎来了 PIP2时代。
二十世纪80年代末，长达30多年的肌醇磷脂时代结束，又迎来了PC时代。
与膜微量成分的酸性磷脂PI 和PIP2相比，主要膜成分的中性磷脂PC、SM的代谢变化意义深刻。
神经鞘磷脂在神经鞘磷脂酶的作用下，生成神经酰胺 (N-脂酰鞘氨醇)。
脂类第二信使的多样性：
IP3:[Ca2+]i↑
DG:激活PKC
PA:激活PKC、GAP
LPC: 激活PKC
AA: 激活PKC 、PLCγ 、SMase
Cer: 激活PP2A
Sph-1-P: PLD
第四部分
细胞信号转导中磷脂酶的研究进展
磷脂酶 C
(phospholipase C, PLC)
研究得较为清楚的是PI-PLC。
在哺乳类已鉴定出13种PLC同工酶亚型，根据其结构和活化调节机制，分为六种类型：
β (1~4)、 γ (1~2)、 δ (1,3,4)、ε (1) 、 ζ (1) 、 η (1~2)
每一种亚型都是由亚型特异的区域和保守域组成的。
PLC亚型的结构
所有PLC亚型含有催化域X和Y及各种调节域，如C2域、EF-hand域、PH域。亚型特异的区域与特异调节机制有关，如PLCγ含有SH域、PLCε含有Ras-associating (RA)域和Ras - GDP - GTP exchange factor (Ras GEF) -like域。
SH2域 (Src homology 2domain) ：
约由100个氨基酸残基组成。主要作用是识别磷酸酪氨酸(pY)并与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。
SH3域(Src homology 3 domain) ：
识别富含脯氨酸的PXXP，并与含该模体的蛋白结合。含SH3的蛋白把受体与细胞内的多种效应体系联系再一起，确定信息通路种类，放大信号和反馈调节，对信息从细胞膜到胞浆直到核的传递都有影响。
PH (pleckstrin homology)域：
由约120个氨基酸残基组成，广泛存在于从酵母到人类的信号转导蛋白(已知见于500多种)中。某些PH域以高亲和力结合肌醇磷脂(如PI-4,5-P2、PI-3,4-P2、PI-3,4,5-P3),并重新定位在细胞膜。C-末端的PH域还可与异三聚体G蛋白结合。
C2(protein kinase C homology-2)域：
首先是在Ca2+依赖性PKC中发现的一个保守序列模体。现已鉴定含C2域的蛋白质有100多种，主要参与信号转导和囊泡转运。
以Ca2+依赖性和Ca2+非依赖性的方式结合磷脂。
EF-hand 域：
是由约40个(两个10~12残基构成α-螺旋和一个含12个残基的环,helix-loop-helix)氨基酸残基所组成，是钙结合部位 。Ca2+结合到含EF-hand 域的调节蛋白，引起该蛋白构象变化，与底物蛋白结合；结合到结构蛋白，并不引起蛋白的构象变化，只是起一个缓冲细胞内Ca2+水平的作用。
PX (Phox homology)域：
是近年鉴定出的磷脂结合域的新成员，约由120个氨基酸残基组成，见于100多个蛋白质中。其主要作用是与肌醇环3位磷酸化的肌醇磷脂[PI(3)P]结合，使含PX域的蛋白靶向细胞膜。
调节机制
PLC β：异三聚体G蛋白(Gq)家族
PLC δ ：Ca2+
PLC γ ：受体或胞质酪氨酸蛋白激酶
(TPK)
PLC ε ：Ras
PLC η：Ca2+
G蛋白中能够活化PLC的称为Gq。GTP-αq和βγ二聚体对PLC-β的调节作用是不同的。 GTP-αq激活的顺序为：
β1>β3 > β2
而βγ二聚体激活的顺序为：
β3>β2> β1
PLC β4 不被激活。
PI代谢转换途径
PI PIPPIP2 IP3
Ins InsP InsP2
磷脂酶D
(phospholipase D, PLD)
最初是从卷心菜中分离、纯化的，很长一段时间把它看作植物酶。直到20世纪70年代，从大鼠脑中分离纯化这种酶后，才打破了PLD是植物酶这一传统观念。
PLD广泛地分布于细菌、真菌、植物和动物，催化PC和其他磷脂水解产生PA。
PLD基因超家族
真核细胞水解PC的PLD首先从植物、然后从酵母，最后从哺乳类中克隆出来。
植物 (如拟南芥) PLD：
PLDα、PLDβ 和 PLDγ
酵母 (酿酒酵母) PLD：
PLD1
人的PLD：
hPLD1a、hPLD1b、hPLD2
PLD超家族成员都具有共同的模体：HXKX4DX6GG/S (HKD)，参与催化活性。
所有真核PLD的催化核心由Ⅰ~Ⅳ结构域组成。在酵母、人和线虫的PLD氨基酸序列中保守的还有PH域、PX域，但在植物、细菌中缺少PH域、PX域。植物PLD的N端有C2域。
需要特别说明的是
? 当ARF(ADP-核糖基化因子)激活PLD
时，需要PIP2作为辅激活因子。
? 在细胞应答中，表现有DG双相性，而第
二相DG的生成来自于PC受PLD的催化水
解作用：
PCPA DG
磷脂酶 A2
(phospholipase A2, PLA2)
哺乳类PLA2根据其结构特点、分子大小、细胞内定位以及酶学特性(钙依赖性)大体上可分为：
分泌型 (sPLA2)
胞质型 (cPLA2)
钙非依赖型 (iPLA2)
sPLA2 的分子量小于18kDa,而cPLA2和iPLA2为85kDa,称为高分子量PLA2。
sPLA2:
已知有10个亚型。具有高度保守的催化部位、钙结合环、6个绝对保守的-S-S-，MW：14~19kDa(除个别外)。
cPLA2:
高分子量(85kDa)，由3个亚型组成，即cPLA2α (ⅣA)、β (ⅣB)、γ (ⅣC)。
这三种酶含有保守的两个催化域(A和B)，α和β中存在有1个C2域，γ中的C-末端被异戊二烯化。
cPLA2α中的两个残基可分别被MAPK和MAPKAPK磷酸化。
iPLA2：
含有2种：ⅥA和ⅥB。
ⅥA至少存在5种不同的剪接体，其中ⅥA-1和 ⅥA -2具有1个完整的催化域，而其他3个缺少催化域，具有独特短的C-末端。
ⅥB具有催化域，但缺少ankyrin重复序列。
PLA2的活化机制
研究较多的是cPLA2,是受Ca2+浓度和磷酸化调节。当细胞内Ca2+的浓度为10-6mol/L水平时，胞液中的PLA2向膜移动，成为膜结合形式的活化状态。再有，EGF可使cPLA2磷酸化发生膜转位，激活cPLA2；MAPK也能使cPLA2磷酸化，使其活化。
PLA2的生理意义
不仅在代谢过程中分解磷脂分子，而且在信号传导过程中也起重要作用。
PLA2与炎症有关，主要是由于水解作用产生的花生四烯酸 (AA)，后者是前列腺素E (PGE) 的前体。
PLA2对MAPK有激活作用。
PI3-K
(phosphoinositide 3-kinase)
PI3-K于1988年被发现，此后受到广泛、深入的研究源于以下几个发现：
? 其活性与两种病毒癌基因产物mT抗原和
pp60v-Src有关(1988)。
? 其突变可增加线虫的寿命(1990)
? 其激活可防止细胞死亡(1997)
? 与逆转录病毒癌基因转化有关(1998)
PI3-K的分类与结构：
ClassⅠ: 异二聚体蛋白，由催化亚基(110kDa)
和连接物/调节亚基组成。
分为两个亚型：
ClassⅠA: p110亚基与含有2个SH2域的p85结
合的形式存在，受TPK的调节。
ClassⅡ:为p170 分子，C-末端含有一个C2域
以Ca2+非依赖方式结合磷脂。
Class Ⅲ: 为酵母VPS34的同源序列，只含有
PIK域和催化域
磷脂代谢
与
细胞信号转导
第一部分引言
第二部分肌醇磷脂代谢
第三部分与细胞信号转导相关的
磷脂代谢研究的历史变迁
第四部分参与磷脂代谢，在细胞
信号转导中发挥重要作用
的酶类的研究进展
第一部分
引言
磷脂的一般作用可归纳为以下几点：
? 构成生物膜的重要组成成分
? 提供必需脂肪酸，如花生四烯酸
? 作为脂类第二信使，参与细胞信号转导
? 直接与细胞内蛋白相互作用，影响它们
的定位和/或活性
? 通过静电作用，影响局部膜的拓扑结构
这部分内容对于研究、探讨许多细胞生物学功能、细胞活动过程，特别是细胞受到刺激作出应答、信号转导等，是十分重要的。
第二部分
肌 醇 磷 脂 代 谢
肌醇 (inositol):
是一种糖醇，为环己烷6价醇的总称。有9种立体异构体，天然存在的有5种，但只有myo-肌醇具有生理活性。
磷脂酰肌醇的几种磷酸化衍生物总称为肌醇磷脂(phosphoinositides)。
已知存在于晡乳动物细胞中的肌醇磷脂：
磷脂酰肌醇一磷酸
磷脂酰肌醇二磷酸
磷脂酰肌醇三磷酸
在细胞中
? 磷脂酰肌醇：总磷脂的5%-10%
? 磷脂酰肌醇-4-磷酸：
总肌醇磷脂的60%
? 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸：
总肌醇磷脂的30%
第三部分
磷脂代谢研究
的历史变迁
1953年 Hokin夫妇的实验
磷脂代谢参与细胞分泌 --
磷脂效应
(phospholipid effect)
1955年 鉴定出变化的磷脂为
磷脂酰肌醇 (PI) 和磷脂酸 (PA)
将细胞刺激时所引起的应答称为PI应答(phosphatidyl inositol response) 。
将PI→DG→PA→PI 的代谢循环称为PI cycle。
这就明确了分泌等细胞应答过程中PI分解的意义。
此后，人们在瞳孔睫状肌和肝细胞中又发现，PI(4,5)P2或 PIP先于PI减少。
这样，取代PI迎来了 PIP2时代。
二十世纪80年代末，长达30多年的肌醇磷脂时代结束，又迎来了PC时代。
与膜微量成分的酸性磷脂PI 和PIP2相比，主要膜成分的中性磷脂PC、SM的代谢变化意义深刻。
神经鞘磷脂在神经鞘磷脂酶的作用下，生成神经酰胺 (N-脂酰鞘氨醇)。
脂类第二信使的多样性：
IP3:[Ca2+]i↑
DG:激活PKC
PA:激活PKC、GAP
LPC: 激活PKC
AA: 激活PKC 、PLCγ 、SMase
Cer: 激活PP2A
Sph-1-P: PLD
第四部分
细胞信号转导中磷脂酶的研究进展
磷脂酶 C
(phospholipase C, PLC)
研究得较为清楚的是PI-PLC。
在哺乳类已鉴定出13种PLC同工酶亚型，根据其结构和活化调节机制，分为六种类型：
β (1~4)、 γ (1~2)、 δ (1,3,4)、ε (1) 、 ζ (1) 、 η (1~2)
每一种亚型都是由亚型特异的区域和保守域组成的。
PLC亚型的结构
所有PLC亚型含有催化域X和Y及各种调节域，如C2域、EF-hand域、PH域。亚型特异的区域与特异调节机制有关，如PLCγ含有SH域、PLCε含有Ras-associating (RA)域和Ras - GDP - GTP exchange factor (Ras GEF) -like域。
SH2域 (Src homology 2domain) ：
约由100个氨基酸残基组成。主要作用是识别磷酸酪氨酸(pY)并与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。
SH3域(Src homology 3 domain) ：
识别富含脯氨酸的PXXP，并与含该模体的蛋白结合。含SH3的蛋白把受体与细胞内的多种效应体系联系再一起，确定信息通路种类，放大信号和反馈调节，对信息从细胞膜到胞浆直到核的传递都有影响。
PH (pleckstrin homology)域：
由约120个氨基酸残基组成，广泛存在于从酵母到人类的信号转导蛋白(已知见于500多种)中。某些PH域以高亲和力结合肌醇磷脂(如PI-4,5-P2、PI-3,4-P2、PI-3,4,5-P3),并重新定位在细胞膜。C-末端的PH域还可与异三聚体G蛋白结合。
C2(protein kinase C homology-2)域：
首先是在Ca2+依赖性PKC中发现的一个保守序列模体。现已鉴定含C2域的蛋白质有100多种，主要参与信号转导和囊泡转运。
以Ca2+依赖性和Ca2+非依赖性的方式结合磷脂。
EF-hand 域：
是由约40个(两个10~12残基构成α-螺旋和一个含12个残基的环,helix-loop-helix)氨基酸残基所组成，是钙结合部位 。Ca2+结合到含EF-hand 域的调节蛋白，引起该蛋白构象变化，与底物蛋白结合；结合到结构蛋白，并不引起蛋白的构象变化，只是起一个缓冲细胞内Ca2+水平的作用。
PX (Phox homology)域：
是近年鉴定出的磷脂结合域的新成员，约由120个氨基酸残基组成，见于100多个蛋白质中。其主要作用是与肌醇环3位磷酸化的肌醇磷脂[PI(3)P]结合，使含PX域的蛋白靶向细胞膜。
调节机制
PLC β：异三聚体G蛋白(Gq)家族
PLC δ ：Ca2+
PLC γ ：受体或胞质酪氨酸蛋白激酶
(TPK)
PLC ε ：Ras
PLC η：Ca2+
G蛋白中能够活化PLC的称为Gq。GTP-αq和βγ二聚体对PLC-β的调节作用是不同的。 GTP-αq激活的顺序为：
β1>β3 > β2
而βγ二聚体激活的顺序为：
β3>β2> β1
PLC β4 不被激活。
PI代谢转换途径
PI PIPPIP2 IP3
Ins InsP InsP2
磷脂酶D
(phospholipase D, PLD)
最初是从卷心菜中分离、纯化的，很长一段时间把它看作植物酶。直到20世纪70年代，从大鼠脑中分离纯化这种酶后，才打破了PLD是植物酶这一传统观念。
PLD广泛地分布于细菌、真菌、植物和动物，催化PC和其他磷脂水解产生PA。
PLD基因超家族
真核细胞水解PC的PLD首先从植物、然后从酵母，最后从哺乳类中克隆出来。
植物 (如拟南芥) PLD：
PLDα、PLDβ 和 PLDγ
酵母 (酿酒酵母) PLD：
PLD1
人的PLD：
hPLD1a、hPLD1b、hPLD2
PLD超家族成员都具有共同的模体：HXKX4DX6GG/S (HKD)，参与催化活性。
所有真核PLD的催化核心由Ⅰ~Ⅳ结构域组成。在酵母、人和线虫的PLD氨基酸序列中保守的还有PH域、PX域，但在植物、细菌中缺少PH域、PX域。植物PLD的N端有C2域。
需要特别说明的是
? 当ARF(ADP-核糖基化因子)激活PLD
时，需要PIP2作为辅激活因子。
? 在细胞应答中，表现有DG双相性，而第
二相DG的生成来自于PC受PLD的催化水
解作用：
PCPA DG
磷脂酶 A2
(phospholipase A2, PLA2)
哺乳类PLA2根据其结构特点、分子大小、细胞内定位以及酶学特性(钙依赖性)大体上可分为：
分泌型 (sPLA2)
胞质型 (cPLA2)
钙非依赖型 (iPLA2)
sPLA2 的分子量小于18kDa,而cPLA2和iPLA2为85kDa,称为高分子量PLA2。
sPLA2:
已知有10个亚型。具有高度保守的催化部位、钙结合环、6个绝对保守的-S-S-，MW：14~19kDa(除个别外)。
cPLA2:
高分子量(85kDa)，由3个亚型组成，即cPLA2α (ⅣA)、β (ⅣB)、γ (ⅣC)。
这三种酶含有保守的两个催化域(A和B)，α和β中存在有1个C2域，γ中的C-末端被异戊二烯化。
cPLA2α中的两个残基可分别被MAPK和MAPKAPK磷酸化。
iPLA2：
含有2种：ⅥA和ⅥB。
ⅥA至少存在5种不同的剪接体，其中ⅥA-1和 ⅥA -2具有1个完整的催化域，而其他3个缺少催化域，具有独特短的C-末端。
ⅥB具有催化域，但缺少ankyrin重复序列。
PLA2的活化机制
研究较多的是cPLA2,是受Ca2+浓度和磷酸化调节。当细胞内Ca2+的浓度为10-6mol/L水平时，胞液中的PLA2向膜移动，成为膜结合形式的活化状态。再有，EGF可使cPLA2磷酸化发生膜转位，激活cPLA2；MAPK也能使cPLA2磷酸化，使其活化。
PLA2的生理意义
不仅在代谢过程中分解磷脂分子，而且在信号传导过程中也起重要作用。
PLA2与炎症有关，主要是由于水解作用产生的花生四烯酸 (AA)，后者是前列腺素E (PGE) 的前体。
PLA2对MAPK有激活作用。
PI3-K
(phosphoinositide 3-kinase)
PI3-K于1988年被发现，此后受到广泛、深入的研究源于以下几个发现：
? 其活性与两种病毒癌基因产物mT抗原和
pp60v-Src有关(1988)。
? 其突变可增加线虫的寿命(1990)
? 其激活可防止细胞死亡(1997)
? 与逆转录病毒癌基因转化有关(1998)
PI3-K的分类与结构：
ClassⅠ: 异二聚体蛋白，由催化亚基(110kDa)
和连接物/调节亚基组成。
分为两个亚型：
ClassⅠA: p110亚基与含有2个SH2域的p85结
合的形式存在，受TPK的调节。
ClassⅡ:为p170 分子，C-末端含有一个C2域
以Ca2+非依赖方式结合磷脂。
Class Ⅲ: 为酵母VPS34的同源序列，只含有
PIK域和催化域
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