蛋白激酶信号转导通路

在AC-cAMP-蛋白激酶A信号转导通路中，激素、神经递质等细胞外信号分子与相应膜受体结合，激活G蛋白，使α与βγ亚基解离。Gα激活腺苷酸环化酶，使ATP生成cAMP。调节腺苷酸环化酶活性，通过第二信使cAMP水平变化和激活蛋白激酶A，将细胞外信号转变为细胞内信号，是激素调节物质代谢的主要途径。

（一）cAMP的生成与分解

cAMP可以作为多种胞外化学信号的细胞内信使。催化它生成的酶是腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）。在Mg2＋或Mn2＋的存在下，AC催化ATP脱去一个焦磷酸生成cAMP（图12-1）。

1．腺苷酸环化酶活化 当细胞没有受到激素刺激时，Gs处于非活化态，α亚基与GDP结合，此时腺苷酸环化酶没有活性；当激素配体与受体结合后，导致受体构象改变，暴露出与Gs结合的位点，使激素-受体复合物与Gs结合，Gs的α亚基构象改变，从而排斥GDP，结合GTP而活化，使三聚体Gs蛋白解离出α亚基和βγ复合物，并暴露出α亚基与腺苷酸环化酶的结合位点；结合GTP的α亚基与腺苷酸环化酶结合，使之活化，并将ATP转化为cAMP作用于下游的各种效应分子。这种活化状态将一直持续到GTP被α亚基自身具有的GTP酶水解为GDP，α亚基恢复原来的构象并导致与腺苷酸环化酶解离，终止腺苷酸环化酶的活化作用（图12-2）。α亚基与βγ亚基重新结合，使细胞回复到静止状态。由此可以看出，G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用。

图12-1　cAMP的生成与水解

2．腺苷酸环化酶的生理功能 腺苷酸环化酶是膜结合糖蛋白，在20世纪60年代被Sutherland分离鉴定出来。在哺乳动物组织中至少有9型AC同工酶，分别是ACⅠ～Ⅸ型。除成熟红细胞外，几乎存在于所有组织。有时一种组织或细胞可同时表达几种AC，这是调节不同生理功能及不同的细胞内定位的需要。AC的氨基端和羧基端都朝向细胞质。组成AC的多肽链含有1 165个氨基酸残基，相对分子量120ku。在膜的胞质面两个跨膜疏水区（M1和M2），每个疏水区分别有6个跨膜的α螺旋结构域，类似离子通道结构，能感受膜电位，但没有离子通道活性。还有两个催化结构域，一个在M1和M2之间，含有350个氨基酸残基，称为C1。另一个含有300个氨基酸残基，位于羧基末端，称为C2（图12-3）。C1、C2肽段是酶与核苷酸结合的部位，只有在两者相互作用后，酶才能发挥催化作用。而M1和M2的相对位置可能与C1、C2肽段的相互作用及酶的催化作用有关。除了哺乳动物中发现的9种AC同工酶外，在酿酒酵母（S．cerevisiae）、大肠杆菌、锥虫（trypanosoma）等细胞膜上也发现了AC。另外，哺乳动物精细胞及精子中还存在相对分子量为48ku的可溶性AC（soluble AC，sAC），在精子获能过程中起作用。

3．Gi对腺苷酸环化酶的抑制作用途径 可通过两个途径。

（1）通过α亚基与腺苷酸环化酶结合，直接抑制酶的活性。

（2）通过βγ亚基复合物与游离Gs的α亚基结合，阻断Gs的α亚基对腺苷酸环化酶的活化。

4．霍乱毒素或百日咳毒素的修饰作用 各种G蛋白的α亚基均有一个可被霍乱毒素或百日咳毒素进行ADP-核糖基化修饰的部位。霍乱毒素能催化ADP核糖基共价结合到Gs的α亚基上，致使α亚基丧失GTP酶的活性，结果GTP永久结合在Gs的α亚基上，使α亚基处于持续活化状态，腺苷酸环化酶永久性活化。导致霍乱病患者细胞内Na＋和水持续外流，产生严重腹泻而脱水。百日咳毒素催化Gi的α亚基ADP-核糖基化，结果降低了GTP与Gi的α亚基结合的水平，使Gi的α亚基不能活化，从而阻断了Ri受体对腺苷酸环化酶的抑制作用，但尚不能解释百日咳症状与这种作用机制有关。

图12-2　腺苷酸环化酶的活化

A．非活化的AC；B．活化的AC；C．AC回到非活化状态

图12-3　腺苷酸环化酶分子结构

5．磷酸二酯酶家族成员及其结构与功能 细胞中cAMP或cGMP浓度的增加往往是短暂的，受信号灭活机制的严格调控。这种调控包括受体下调、AC失活以及cAMP或cGMP的分解。催化环核苷酸水解的酶是磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE），能将3′，5′-环磷酸核苷分解为5′-磷酸核苷。

（1）家族成员：已知哺乳动物PDE超家族共有12个亚型，各亚型的调控模式、细胞内分布、相对活性及Km值不同，但功能相似，各有1～6个成员（表12-1）。

表12-1　PDE超家族

注：CaM为钙调素；UCR为上游保守结构域；PKA为cAMP依赖性蛋白激酶；PKG为cGMP依赖性蛋白激酶；GAF为神经胶质细胞激活因子；ERK为细胞外信号调节激酶

（2）结构：PDE家族成员具有相似的结构，均包含调控区域和催化区域。

（3）功能：各型PDE催化区的氨基酸序列75%以上同源，并决定着对底物或抑制药的专一性。PDE对底物具有不同的专一性，PDEs 4、7、8专一作用于cAMP，而PDEs 5、6、9则选择性地作用于cGMP。PDE3与cAMP和cGMP的亲和力相似，但相对较少地水解cGMP，因而在功能上被认为对cAMP专一，cGMP通过与酶作用部位的竞争性结合而起负调控作用。PDE 1和PDE 2既能水解cAMP，又能水解cGMP，但PDE1因其亚型不同，对两种底物的水解效能不同。PDE的氨基端调控区域具有高度异源性，反映PDE家族成员的不同的辅助因子，此区域可与Ca2＋／CaM（PDE1）、非催化的cGMP（PDE2、5、6）和转导素（transducin）（PDE6）结合。另外，PDE3和PDE4氨基端还包括膜上的靶区域，PDE1、3、4、5包含蛋白激酶磷酸化部位。这些磷酸化部位能够调节催化活性和（或）亚细胞定位底物和辅助因子的特异性组合使得cAMP和cGMP系统间的交互作用成为可能。

（二）cAMP的作用机制

cAMP对细胞的调节作用是通过激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）实现的。PKA是依赖cAMP的蛋白激酶。由两个催化亚基（catalytic subunit，C）和两个调节亚基（regulatory subunit，R）组成。R亚基是cAMP的靶蛋白，每个R亚基上有两个cAMP结合位点，在缺乏cAMP时能与C亚基结合并抑制其活性。当4分子cAMP与R亚基结合时，R亚基构象改变，无活性的全酶解离为一个R亚基的二聚体和两个有活性的C亚基，PKA被激活（图12-4）。

图12-4　蛋白激酶A的激活

R为调节亚基；C为催化亚基

（三）PKA的作用

激活后的PKA能在ATP存在的情况下使许多蛋白质的丝氨酸／苏氨酸残基磷酸化，从而调节细胞的物质代谢并进一步影响相关基因的表达。

1．对代谢的调节作用 糖原代谢是研究最为清楚的代谢过程，在第二信使学说的建立过程中起重要作用。肾上腺素及胰高血糖素调节糖原分解时，首先与膜受体结合，通过Gs活化AC，促进cAMP生成，后者激活PKA。PKA可以使无活性的磷酸化酶激酶b磷酸化而转变为有活性的磷酸化酶激酶a，后者催化磷酸化酶b磷酸化为有活性的磷酸化酶a。磷酸化酶a能使糖原非还原端葡萄糖基脱下，生成1-磷酸-葡萄糖。同时，PKA使糖原合酶磷酸化，使其活性丧失，抑制糖原合成（图12-5）。因此，肾上腺素、胰高血糖素通过AC-cAMP-PKA信号转导通路，可促进糖原分解、抑制糖原合成，最大限度增加肌肉细胞中葡萄糖浓度，满足运动需求。

通过AC-cAMP-PKA信号转导通路传递信号的分子有很多，如激素、神经递质、细胞因子等（表12-2）。在信号转导的过程中，受体可活化多个G蛋白，进而激活AC，催化大量cAMP生成，使信号放大。血浆中cAMP的基础浓度为0．1～1pmol／L，在激素的作用下，在短时间内迅速增加1 000倍。而cAMP通过PKA以及随后的磷酸化级联放大反应，将信号进一步放大数千倍。这样，整个信号转导通路不仅能将胞外信号跨膜传递至胞内，还可将信号扩增，有效地将少量胞外信号分子转化为大量胞内效应分子，产生明显生物学效应。

表12-2　cAMP变化对部分激素和神经递质信号分子的影响

图12-5　胰高血糖素调节血糖

2．对基因表达的调节作用 顺式作用元件、反式作用因子及它们的相互作用对真核细胞基因表达调控起着重要作用。cAMP与PKA的调节亚基结合，使C亚基与之解离并进入细胞核，一方面C亚基可催化核蛋白磷酸化，如使组蛋白H1、H2A、H3磷酸化，磷酸化的组蛋白带电状态及构象发生改变，与DNA结合疏松而分离，从而解除了对基因的抑制，使转录得以进行。另外，C亚基还能通过磷酸化作用激活转录因子，如cAMP反应元件结合蛋白（cAMP responsive element binding protein，CREB）。CREB是DNA结合转录因子家族的成员，定位于细胞核内。PKA的C亚基在进入细胞核后，使CREB氨基端转录活性区附近的Ser133磷酸化而活化。DNA分子上转录调控区中有一类的cAMP应答元件（cAMP responsive elementn，CRE），能通过与CREB相互作用来调节基因转录。磷酸化的CREB形成二聚体，一方面与CRE结合，激活受CRE调控的基因转录。另一方面可与CREB结合蛋白（CREB binding protein，CBP）相互作用，后者具有组蛋白乙酰转移酶活性，共同调节基因转录（图12-6）。

PKA还可通过磷酸化细胞核内的组蛋白、酸性蛋白及胞质中的核蛋白体蛋白、膜蛋白、微管蛋白、受体蛋白等影响其功能（表12-3）。

图12-6　AC-cAMP-PKA信号转导通路对基因表达的调控

表12-3　PKA对底物蛋白磷酸化作用的影响