編輯推薦
我們期望《細胞信號轉導研究技術》能夠成為適閤我國綜閤性大學和醫學院校相關專業研究生的教科書,成為我國從事生命科學、基礎或臨床醫學研究的科學工作者的參考書。
內容簡介
目前,生物醫學研究的發展突飛猛進,繼20世紀遺傳密碼、基因轉錄、翻譯和蛋白質修飾等基本規律的研究獲得突破之後,如何控製細胞的基因錶達、增殖、分化和發育等細胞信號轉導過程將成為本世紀生物學研究領域的最大挑戰。細胞信號轉導主要以細胞感受、轉導機體內外環境信息的分子通路、生物個體發育過程中調節基因錶達和代謝生理反應等為其主要的研究內容。它不僅涉及細胞生物學、分子生物學、生物化學、生理學和免疫學等基礎學科的研究領域,而且與臨床醫學中的一些重大疾病的發病和治療密不可分。因此,近年來細胞信號轉導的研究引起瞭國內外生命科學界的廣泛關注,有關細胞信號轉導方麵的研究論文大量地齣現在與生命科學有關的期刊中。
細胞信號轉導幾乎涉及細胞內所有的生理活動。獨立的生物體,如酵母和細菌,在溫度、滲透壓和營養成分發生變化時,通過閤成所需蛋白質,來提高自身在一定條件下的生存能力;有活動能力的細胞在遇到趨化因子時,嚮源頭移動;對於動物,腎上腺素加強細胞的新陳代謝,生長素促進細胞進行基因復製與分裂;生物在多變,甚至於惡劣的環境條件下,對外界刺激的反應具有驚人的適應能力。對於這些生命現象內在的分子機製,即細胞識彆刺激並把這種識彆轉變為反應的過程的瞭解,都依賴於我們對細胞信號轉導知識的積纍。
作者簡介
李俊發,男,博士,教授、博士生導師。現任首都醫科大學神經生物係副主任、分子生物學實驗測試室主任,兼中國生理學會理事、北京生理科學會秘書長、《生理通訊》主編、《基礎醫學與臨床》常務編委和《中華眼底病雜誌》編委等學術職務。2006年6月在首都醫科大學神經生物學專業獲理學博士學位;1996~2001年,美國國立衛生研究院(NIH)做訪問學者;2005年在美國德州大學醫學部(uTMB)做訪問研究員。從事細胞信號轉導、蛋白質化學修飾,以及腦缺血/低氧性損傷和適應形成的細胞分子機製等領域的研究工作。近5年獲得國傢、部和市級科研和人纔基金等14項課題資助,其中3項國傢自然科學基金。目前已在國內外發錶論文80餘篇,其中在J Biolchem和Proc Natl Acad Sci USA等SCI雜誌上發錶論文29篇。
賀俊崎,男,博士,北京市特聘教授、教育部新世紀優秀人纔、博士生導師。1998年在中國協和醫科大學獲博士學位;1998-2003年在美國Emoryuniversity學習;2003~2004年在Emory university任職。賀俊崎教授所從事的研究方嚮為細胞信號轉導與蛋白質組學,目前著重研究PDZ蛋白細胞信號轉導通路及PDZ蛋白的生物學功能。研究工作獲國傢自然基金、教育部博士點基金、北京市自然基金、北京市教委重點課題、教育部新世紀優秀人纔奬勵計劃以及北京市優秀人纔奬勵計劃等多種基金資助。多項研究成果發錶於J Biol Chem、Oncogene等多種國際著名期刊上。
內頁插圖
目錄
第一部分 細胞信號轉導基本理論
第1章 配體與受體簡述
第2章 G蛋白及其偶聯的效應酶
第3章 蛋白激酶與蛋白磷酸酶
第4章 蛋白激酶C與細胞信號轉導
第5章 蛋白結構域與細胞信號轉導
第6章 鈣離子與細胞信號轉導
第7章 受體酪氨酸激酶與細胞信號轉導
第8章 非受體蛋白酪氨酸激酶與細胞信號傳導
第9章 受體絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶與細胞信號轉導
第10章 磷脂酰肌醇3-激酶、蛋白激酶B與細胞信號轉導
第二部分 細胞信號轉導研究技術
第11章 生物樣品采集、貯存及預處理技術
第12章 蛋白質分離純化技術
第13章 聚丙烯酰胺凝膠電泳技術
第14章 蛋白質染色技術
第15章 蛋白質印跡技術
第16章 雙嚮電泳技術
第17章 蛋白質免疫沉澱技術
第18章 染色體免疫共沉澱技術
第19章 凝膠電泳遷移率變動分析技術
第20章 免疫組織化學技術
第21章 哺乳動物細胞中基因瞬時錶達技術
第22章 RT-PCR技術
第23章 RNA乾擾技術
第24章 DNA點突變及報告基因熒光素酶技術
第25章 蛋白質半衰期檢測技術
第26章 B-0連接N-乙酰葡萄糖胺糖基化位點檢測技術
第27章 蛋白質甲基化研究技術
第28章 生物質譜技術
精彩書摘
第1章 配體與受體簡述
生物體由多種具有特殊結構和功能的細胞組成,是一個復雜的有機整體。生物體對外界刺激的反應,需要通過信號轉導係統來傳遞,從而調控機體內的特定功能,以保證機體生命活動的正常進行。細胞信號轉導(signal transduction)是指細胞外信號通過與細胞錶麵或細胞內受體的結閤,引發胞內級聯反應,進而調節胞內特定蛋白酶的活性或誘導特定基因的錶達,使細胞發生應答反應的過程。生物體細胞之間信息的傳遞,除瞭可依靠直接接觸或縫隙連接外,更主要的是通過配體與受體結閤所介導的細胞信號轉導反應來實現的。作為細胞信號轉導過程中的重要組成成分,本章主要從概念、分類及功能等方麵,對配體與受體作一簡要介紹。
1 配體
配體(ligand)是生物體內能特異結閤並激活受體的小分子化閤物或多肽,也稱為第一信使,包括激素、神經遞質、細胞因子、淋巴因子、生長因子和化學誘導劑等物質。按其來源和化學性質不同可分為胺類信使、肽類激素、生長因子和脂肪酸衍生物等(錶1.1)。按其特點和作用機製,第一信使主要包括以下幾類:
1.1 激素
激素通常由遠離靶器官的內分泌細胞分泌,隨血液循環運輸到生物體各部位而發揮作用。一旦進入血液循環,它們被大量稀釋或被相應的酶降解。在循環中,它們大多與特異的結閤蛋白形成復閤物。靶細胞周圍的激素濃度十分低,所以細胞的受體必須對激素有很高的親和力。盡管一個靶細胞可以在幾毫秒之內與激素相結閤,但總的反應時間跨度在幾秒到幾小時不等。按激素的化學組成可分為含氮激素、類固醇激素和脂肪酸衍生物等。
前言/序言
信號轉導原本為物理學專用名詞,1977年Hildebrand第一次使用該術語,用於描述生物體細胞外信號通過與細胞錶麵的受體相互作用,轉變為胞內信號並在細胞內傳遞的過程。隨後“信號轉導”被Springer、Koman和Kenny等人相繼使用。然而,直到1980年,Martin Rodbell在《Nature》雜誌上發錶一篇有關“信號轉導”的綜述後,該術語纔被廣泛地應用於生物學研究領域。同時,Martin Rodbell本人也由於開創瞭細胞信號轉導這一嶄新的研究領域,於1994年和Alfred G Gilman共同獲得瞭諾貝爾醫學或生理學奬。
目前,生物醫學研究的發展突飛猛進,繼20世紀遺傳密碼、基因轉錄、翻譯和蛋白質修飾等基本規律的研究獲得突破之後,如何控製細胞的基因錶達、增殖、分化和發育等細胞信號轉導過程將成為本世紀生物學研究領域的最大挑戰。細胞信號轉導主要以細胞感受、轉導機體內外環境信息的分子通路、生物個體發育過程中調節基因錶達和代謝生理反應等為其主要的研究內容。它不僅涉及細胞生物學、分子生物學、生物化學、生理學和免疫學等基礎學科的研究領域,而且與臨床醫學中的一些重大疾病的發病和治療密不可分。因此,近年來細胞信號轉導的研究引起瞭國內外生命科學界的廣泛關注,有關細胞信號轉導方麵的研究論文大量地齣現在與生命科學有關的期刊中。
細胞信號轉導幾乎涉及細胞內所有的生理活動。獨立的生物體,如酵母和細菌,在溫度、滲透壓和營養成分發生變化時,通過閤成所需蛋白質,來提高自身在一定條件下的生存能力;有活動能力的細胞在遇到趨化因子時,嚮源頭移動;對於動物,腎上腺素加強細胞的新陳代謝,生長素促進細胞進行基因復製與分裂;生物在多變,甚至於惡劣的環境條件下,對外界刺激的反應具有驚人的適應能力。對於這些生命現象內在的分子機製,即細胞識彆刺激並把這種識彆轉變為反應的過程的瞭解,都依賴於我們對細胞信號轉導知識的積纍。
細胞信號轉導研究技術:一部跨學科的深度探索 本書聚焦於分子生物學、生物化學和細胞生物學的前沿交叉領域,旨在為生命科學研究者提供一套全麵、深入且極具操作性的技術指南。它並非探討細胞信號轉導的理論模型,而是聚焦於如何實現、檢測和量化這些復雜過程的實驗方法學。 全書結構嚴謹,內容覆蓋瞭從基礎的分子工具構建到高通量、動態成像分析的各個層麵,力求構建一個完整的、可操作的實驗技術知識體係。 --- 第一部分:基礎分子工具與蛋白質檢測技術 本部分是理解和操縱信號通路的基礎,重點在於如何精確地識彆和量化通路中的關鍵參與者。 1. 蛋白質的提取、純化與定量 章節詳細闡述瞭細胞和組織裂解液的配製策略,區分瞭溫和裂解(用於保留蛋白間相互作用)與強力裂解(用於提取膜蛋白或核蛋白)的技術要點。重點講解瞭不同類型色譜技術(離子交換、疏水作用、親和層析)在目標蛋白純化中的應用,包括如何選擇閤適的樹脂和洗脫梯度以達到高純度。此外,還深入討論瞭基於Bradford、BCA和熒光法的蛋白質濃度測定方法的優缺點及其在不同背景下的適用性。 2. 免疫化學檢測的精細化操作 本部分是信號轉導研究的基石。Western Blotting (WB) 的內容遠超標準流程,它細緻分析瞭電泳條件(SDS-PAGE、非變性膠)對特定蛋白亞型和復閤物分離的影響。在抗體選擇上,強調瞭單剋隆與多剋隆抗體的適用場景,以及二抗的交叉反應性控製。針對磷酸化蛋白的檢測,詳細介紹瞭抗體孵育的優化策略,包括變性條件、去磷酸化的預防措施以及如何利用磷酸酶抑製劑組閤精確反映細胞的瞬時狀態。 免疫沉澱 (IP) 和共免疫沉澱 (Co-IP) 的章節是本書的亮點之一。它不僅涵蓋瞭基礎的蛋白質相互作用驗證,還引入瞭“Pull-Down”實驗(如GST/His-tag Pull-Down),用於體外篩選和驗證直接的物理接觸。針對Co-IP中常見的非特異性背景問題,本書提供瞭使用“洗滌緩衝液滲透性梯度”的精細化洗滌方案,以區分弱結閤與強結閤的相互作用。 3. 酶聯免疫吸附測定(ELISA)的應用與優化 本部分側重於可定量檢測細胞因子、內源性信號分子(如cAMP, IP3)的構建。詳細對比瞭間接ELISA、夾心ELISA和競爭性ELISA在不同分析物濃度範圍內的靈敏度和特異性。特彆探討瞭高通量篩選(HTS)中Plate Reader(酶標儀)的參數設置,包括光路校準和背景扣除的標準化流程。 --- 第二部分:基因工程與信號分子調控 本部分關注如何通過遺傳操作手段,精確地“擾動”信號通路,以探究特定組分的因果關係。 4. 瞬時轉染與穩定細胞係的構建 對於信號轉導研究而言,準確錶達外源基因至關重要。本書詳細對比瞭脂質體法、電穿孔法和病毒載體法的效率與對細胞活力的影響。在穩定細胞係構建中,重點討論瞭篩選標記的選擇(如嘌呤黴素、G418抗性)以及如何通過剋隆選擇來排除低錶達或非特異性整閤的細胞株,確保後續實驗結果的可重復性。 5. 報告基因係統在通路激活檢測中的應用 本書深入介紹瞭如何利用報告基因係統(如Luciferase, GFP)來監測特定的轉錄因子活性或通路事件。針對NF-$kappa$B、CREB或AP-1等通路,詳細說明瞭如何設計包含特定順式作用元件的報告質粒。討論瞭雙熒光素酶報告係統在標準化轉染效率中的關鍵作用,並提供瞭用於校準和數據歸一化的具體算法。 6. 基因沉默技術:siRNA/shRNA 的設計與驗證 本部分聚焦於“敲低”技術的精確性。在siRNA設計方麵,不僅僅停留在軟件推薦序列,而是深入分析瞭脫靶效應的預測方法,以及如何通過設計多個獨立靶嚮序列的“雞尾酒”組閤來增強特異性。對於shRNA,強調瞭其在慢病毒包裝後的滴度測定和轉導效率評估,確保在穩定細胞係中實現持續的、高效的基因錶達下調。 --- 第三部分:動態成像與時空分辨率分析 傳統的終點檢測方法難以捕捉信號轉導的動態變化。本部分旨在提供在時間和空間維度上解析信號流動的先進技術。 7. 熒光蛋白的生物學應用與優化 本章詳細剖析瞭FRET (Förster共振能量轉移) 技術在檢測蛋白質-蛋白質近距離相互作用(<10 nm)中的應用,包括雙嚮 FRET 策略用於區分磷酸化依賴性和非依賴性結閤。此外,對於BRET (生物發光共振能量轉移),探討瞭其在活細胞和體內研究中的優勢,以及如何選擇閤適的底物(如熒光素衍生物)以最小化光毒性。 8. 活細胞成像與高內涵篩選 (HCS) 本書側重於延時攝影(Time-Lapse Imaging) 的實驗設計,特彆是針對細胞遷移、內吞或胞吐等涉及信號重塑的過程。詳細介紹瞭用於構建活細胞成像緩衝液的配方,以及如何控製環境參數(溫度、CO2濃度)的穩定性。在高內涵篩選部分,重點講解瞭如何利用自動化顯微鏡平颱進行多參數(形態、核染色、蛋白定位)的定量分析,以及圖像去噪和特徵提取的生物信息學流程。 9. 膜電位與離子流動的測量技術 針對涉及離子通道和G蛋白偶聯受體(GPCRs)的信號通路,本部分介紹瞭膜片鉗技術(Patch-Clamp) 的基礎操作流程(從形成吉爾鬆-瓦茨連接到內嚮記錄模式)。同時,對於更側重於群體效應的檢測,詳細闡述瞭熒光鈣指示劑(如Fura-2, Fluo-4) 的使用方法,包括其最佳激發/發射波長、細胞內預加載的優化以及如何進行熒光比率成像以消除背景乾擾。 --- 第四部分:係統生物學與定量分析方法 本部分超越瞭單個組分的分析,轉嚮對整個信號網絡的理解。 10. 磷酸化蛋白質組學的前處理與質譜分析準備 針對高通量地識彆磷酸化位點,本章詳述瞭蛋白質組學樣本製備的關鍵步驟:如何通過金屬離子親和層析(如TiO2或IMAC)對磷酸化肽段進行富集,以應對磷酸化信號的低豐度問題。隨後,對酶解策略(胰酶/賴氨酸酶的選擇)和肽段純化技術進行瞭深入比較。 11. 生物信息學工具在信號通路解析中的應用 本部分指導研究者如何處理和解釋復雜的實驗數據。內容包括:如何使用網絡分析工具(如Cytoscape) 來可視化和注釋相互作用數據;如何利用統計學模型(如T檢驗、ANOVA)對多組彆間的信號強度差異進行可靠性評估;以及如何結閤時間序列數據進行簡單動力學模型的擬閤,以估算信號轉導的半衰期和反應速率。 通過這四大模塊的係統性覆蓋,本書旨在為實驗室提供一套從概念提齣到數據驗證的完整技術框架,確保研究人員能夠以最高的標準和效率,深入解析細胞內錯綜復雜的信號轉導機製。