2008年10月14日

簡介訊號傳遞


細胞與細胞之間需要團結合作,各盡本分,一個個體才能夠正常運作。可是,細胞,它不會說話呀?細胞與細胞之間要如何溝通呢?

細胞與細胞間的溝通靠的是化學物質 - 一些小分子 - 來傳遞訊息給彼此。比如以單細胞生物酵母菌為例;酵母菌要進行有性世代的生殖時,兩類細胞 : a 細胞和 alpha細胞,會釋放出訊息給彼此。a  細胞釋放出a factor,而alpha 細胞的膜上則有a factor的接受器;同樣的,alpha細胞會釋放出 alpha factor,而a 細胞的膜上則有alpha factor的接受器。鄰近的兩種細胞一但接收到這些化學訊號,細胞內會有一連串的訊號傳遞以及生化反應進行,兩種細胞便會向彼此靠近,然後互相結合,成為二倍體而進入有性生殖。





由以上的例子顯示出,細胞間的訊息傳遞分為三大步驟 - 接收訊息(Reception),細胞內訊息傳遞(Transduction),反應(Response)。

而細胞間的訊息傳遞依照訊息釋放者和訊息接收這的距離可以分成三大類。第一類是極短距離的訊息傳遞;這種訊息傳遞的模式發生在細胞直接接觸彼此的情況下,例如,動物細胞間的Gap junctionc或相鄰植物細胞間的Plasmodesmata;或者,相鄰細胞間會靠著細胞膜上的特殊醣蛋白藉著細胞辨識(Cell-cell recognition)來傳遞訊息給對方。

第二類是區域性的訊息傳遞(Local signaling)。這種訊息傳遞的方式非常常見,發生於鄰近但彼此沒有直接接觸的細胞之間。這種訊息傳遞的方式,在免疫系統中,神經訊號傳遞,生物胚胎發育的過程中扮演著重要的角色。

以果蠅的生長發育為例來和區域性訊息傳遞在發育過程中的重要性。

果蠅是一種必須經過蛹期(Pupa stage)才會由幼蟲發育為成蟲的昆蟲。果蠅幼蟲的體內存在有數個映像盤(Imaginal disc),包括將來會發育為口器的口盤,發育為眼睛和觸角的觸角 - 眼盤等等,這些映像盤在果蠅三齡幼蟲時開始進行分化(differentiation),持續到蛹期結束,果蠅成蟲的各個重要器官(口器,觸角,複眼,腳,背板,翅膀,平衡桿,生殖器)才由映像盤分化完成。

在這些映像盤之中,眼盤(eye disc)是一個被用來研究細胞分化常見的材料。

果蠅成蟲的複眼有600 - 800個小眼所構成;每一個小眼之中包含了八個感光細胞(R1 - R8)。在果蠅的三齡幼蟲之前,果蠅眼盤上的細胞均未分化為感光細胞。而在三齡幼蟲開始之後,眼盤的後端會出現一道形態溝(Morphogenetic furrow);此形態溝由後端往前端移動,形態溝中第八號(R8)感光細胞首先分化,接著依序是R2/R5,R3/R4,R1/R6,最後是第七號(R7)感光細胞。

為什麼會有這樣的依序分化呢?原來,R8分化成感光細胞之後,便會釋出訊號,周邊的細胞接收到此訊號之後便開始分化為R2及R5兩個感光細胞。R2和R5分化完成後,也一樣會釋出訊號給周邊的細胞,R3和R4接著分化完成,接著是R6和R7,而最後,R8又再度釋出訊號,讓旁邊的細胞分化為R7感光細胞。

相對於區域性訊號傳遞的是遠距離訊號傳遞(Long-distance signaling)。這種情況發生在一個訊號的源頭(source)能夠將訊息藉由特殊的系統或組織將訊號送到遠端的目標細胞(target)。在大部分的動物體內,荷爾蒙扮演著遠距離訊號傳遞的要角,荷爾蒙可以藉由血液被運輸到遠端的目標上。植物體內也有一些小分子扮演著遠端訊號傳遞的角色。比方說開花激素FT,葉子受到刺激而表現FT基因,FT蛋白質最終被送到莖頂的目標細胞,促使頂端分生組織停止製造葉子而開始製造花苞。

前面說過訊號傳遞的三步驟,接受,細胞內訊息傳遞,反應。我們從第一步驟開始仔細看。

一個細胞接受訊息可以分成兩種情況。一種是在細胞膜上經由受體(Receptor)與配體(Ligand)結合後,將訊息傳遞到細胞內。另一種情況是,當訊息分子是一些較小的非極性分子時,這些分子可以藉由擴散作用穿過細胞膜,而與細胞質中特定的蛋白質結合,再將訊息傳遞到細胞核中。比如如雄性荷爾蒙Testosteron便是藉由者種方式傳遞訊息給目標細胞。

在細胞膜上的受體可以分為三大類:G Protein-coupled Receptors,Receptor Tyrosine Kinases,Ion Channel Receptors。

G Protein-coupled Receptors是一群在細胞膜上的蛋白質,這些蛋白質在膜的外側具有一個特殊的可以與特定配體結合的位置(Ligand binding site),並且以七個alpha螺旋的二級結構穿過細胞膜;蛋白質的內側(面向細胞質的那一面)具有一個特殊的區域會與G Protein產生交互作用(Interaction)。這些蛋白質受體在與配體結合後,會活化細胞膜上的G Protein。G Protein與GDP結合使其處在不活化的狀態下;一但膜上的蛋白質受體與配體結合,受體的立體結構改變會使與其作用的G Protein將其上的GDP置換為GTP;被活化後的G Protein或繼續活化其下游的酵素,而將訊息傳達到細胞內部。至於G Protein本身會將GTP再水解為GDP,如此,G Protein會回到不活化的狀態。

簡而言之,G Protein-coupled Receptors是藉由活化G Protein來達成訊號傳遞的目的。

RTK(Receptor Tyrosine Kinases)是一群具有酵素活性位在膜上的蛋白質受器。RTK在未與配體結合的時候處於未活化的狀態。一但它們與配體結合,會兩兩成對聚合(Dimerization)而具有酵素活性,將蛋白質受氣上的Tyrosine磷酸化(Phosphorylation)- 亦即將ATP分子上的磷酸根轉移到蛋白質受器上的Tyrosine。磷酸化之後的蛋白質受器完全活化,細胞質內特定的蛋白質會與受器上磷酸化的Tyrosine結合而被活化。這些蛋白質會更進一步的將訊號傳遞給其他的蛋白質。

Ion Channel Receptors則是一些會與特定配體結合的離子閘道。當特定的配體與閘道結合後,離子閘道便會打開或關上,讓特定的離子進出或者防止特定離子進出。這些會與配體結合而受到調控的離子閘道在神經系統中是非常重要的。比方神經突觸的末端釋放了神經傳導物(Neurotransmitter)會與相連神經細胞的離子通到受器蛋白結合,促使離子經由通道流進(流出)而造成膜電位的改變。

訊號在細胞膜上由接受器接受了以後便開始往下游傳遞訊息。這種訊息的傳遞方式有兩大類,一種是藉由蛋白質的磷酸化/去磷酸化的方式,利用蛋白質接力活化的方式傳遞訊息。另一種是藉由二級訊息傳遞者(Second Messengers)將訊號傳遞給下游分子。

再以果蠅的複眼發育為例來說明蛋白質的磷酸化/去磷酸化訊號傳遞;R8感光細胞分化之後會分泌出Spitz蛋白質,Spitz作為配體會與周遭細胞的EGFR(Epithelial Growth Factor Receptor)受器結合。EGFR的訊號傳遞刺激R2/R5感光細胞分化。R8同時也會製造出Boss蛋白質,這也是一個配體,他會與Sevenless(Sev)受器結合,Sev被活化之後他會傳遞訊息給該細胞使其分化為R7感光細胞。不管是EGFR或是Sev的下游都是透過Ras -   Raf - Mek -Mrk 這些蛋白質來傳遞訊息的。Ras被磷酸化之後再活化(磷酸化)Raf,而Raf則再磷酸化下游的蛋白質。被磷酸化的蛋白質之後會再被去磷酸化(需要Phosphatase作用)使其失去活性,而不至於過度傳遞訊號。

除了蛋白質外,二級訊息傳遞者也是細胞中常用來進行訊息傳遞的小分子。這些分子由於體積小,同時也易溶於水,在細胞中能夠很容易的擴散,因此能夠把訊息迅速的傳遞到細胞內。在細胞中有兩種重要的二級訊息傳遞者:cAMP和Ca2+。

以腎上腺激素(Epinephrine)為例說明cAMP的訊號傳遞。腎上腺激素與肝細胞表面的G protein coupled receptor結合後,會活化G protein。而被活化後的G Protein會進一步活化一個細胞膜上的酵素 - Adenylyl cyclase,這個酵素的受質是ATP,它使ATP脫去兩個磷酸根形成cAMP(cyclic AMP),cAMP會更進一步活化細胞中的Protein Kinase A,而Protein Kinase A則在對其受質磷酸化。當受器與配體(腎上腺激素)分離之後, cAMP則很快被另外一個酵素 Phosphodiesterase 轉化為AMP。

Ca2+在細胞質中一般都維持在低濃度,細胞會靠著鈣離子幫浦主動的將Ca2+一到細胞外或是ER內以及粒腺體內的空腔。細胞質中Ca2+濃度的升高會引起細胞內的化學反應。因此,Ca2+在細胞中被用來當作一種二級訊息傳遞者。

細胞中Ca2+濃度的改變,經常是經由特定的訊號引起ER釋放其儲存的鈣離子。這些訊號的傳遞包含了其他的二級訊號傳遞分子:Inositol triphosphate(IP3)和Diaclglycerol(DAG)。

被活化的G Protein除了能夠活化Adenylyl cyclase外,某些會活化其他細胞膜上的酵素 - Phospholipase C,這個酵素針對細胞膜上的磷脂PIP2作用,PIP2被這個酵素切割成DAG和IP3兩個分子。IP3會擴散到細胞中而與ER上的IP3-gated calcium channel而使鈣離子由ER中擴散到細胞質內,造成細胞質內鈣離子濃度的升高而引起後續的反應。

訊號傳遞至此會引起細胞的生化反應而造成細胞行為的改變(如分化成為具有特定功能的細胞,酵母菌融合,等等)。訊號傳遞若是傳至細胞核中,往往造成基因表現的改變:某些基因會被“打開“,某些基因會被“關閉“。除了調控基因的表現外,訊號傳遞也可能靠著改變蛋白質的活性,而達到生化上的目的(在這種情況下,基因的表現並沒有改變)。以腎上腺激素造成肝細胞中的肝糖水解為葡萄糖為例,在這個訊號傳遞的過程中則是只有改變酵素的活性而沒有改變基因的表現。