小结

无论是单细胞生物,还是多细胞生物个体,其细胞每时每刻都在与周围的环境(包括其他细胞)发生着各种各样的联系,进行着丰富多彩的交流和协调,以保持生物体与周围世界及生物体本身的平衡与统一。细胞对胞内和胞外各种信号的传递和整合在生命过程中具有重要的作用。细胞之间联系的信号有许多种。由细胞分泌的、能够调节机体功能的化学信号分子,通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合,将信号转换后传结合,将信号转换后传给相应的胞内系统,使细胞对外界信号做出适当反应的过程称为信号转导。细胞内存在多种信号转导方式及途径,而且彼此间可交又调控,构成复杂的信号网络。

  细胞间信息传递的方式主要有细胞间隙连接、细胞膜表面分子接触通讯和化学通讯(旁分泌、内分泌、自分泌、突触信息传递)三大类。外泌体的发现使得细胞间的信息传递更加精细和全面,它的发现揭示了存在于机体自身的RNA细胞间的转移方式。细胞间信息传递的途径即信号转导。

  细胞所接受的信号很多,包括物理信号、化学信号和生物学信号,其中最重要的是由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质,它们是细胞间通讯的信号,被称为第一信使。它们携带着特定的信息,与细胞膜上或胞质内相应的受体结合,受体可将接收到的信息转导给细胞质或细胞核中的功能反应体系,启动细胞产生效应。与受体结合后能使细胞产生效应的物质为激动剂;与受体结合后不产生细胞效应,但可阻碍激动剂对细胞作用的分子为括抗剂。 

存在于细胞膜或胞内、能特异性识别并结合胞外信号分子、进而激活胞内一系列生物化学反应、使细胞对外界刺激产生相应效应的一类特殊蛋白质,称为受体。与受体结合的生物活性物质统称为配体。受体在信号转导系统中的作用非常关键,它通过识别和结合配体,触发整个信号转导过程。

受体分为膜受体和胞内受体。膜受体由三部分构成:细胞外域(与配体相互作用)、穿膜域(将受体固定在细胞膜上)和胞内域(传递信号),其配体是一些亲水的、不能直接穿过细胞膜脂质双分子层的肽类激素、生长因子和递质等。膜受体可分为离子通道型受体、G蛋白耦联受体和酶联受体三种类型。胞内受体为DNA结合蛋白,其配体为脂溶性小分子甾体类激素,这些分子可直接以简单扩散的方式或借助于某些载体蛋白穿过靶细胞膜,与位于胞质或胞核内的胞内受体结合,作为转录因子与DNA顺式作用元件结合,调节基因的表达。

受体能特异性识别和结合相应的配体,使其相互作用的信号向其他信号分子传导,产生细胞生物学效应。受体与配体的结合具有高度的选择性、极强的亲和力、饱和性、可逆性、磷酸化和去磷酸化调节等几个特点。

受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质,称为细胞内信使,又称第二信使。已知的细胞内信使有许多种,其中最重要的有:cAMP、cGMP、二酯酰甘油、三磷酸肌醇和钙离子等。

生物体在细胞信号转导过程中,除受体和第二信使分子以外,还有两类在进化上保守的胞内蛋白,这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起“分子开关”的作用。其中一类是蛋白激酶和蛋白磷酸酶,另一类是CTP结合蛋白。蛋白酪氨酸激酶为可催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化的激酶,是蛋白激酶家族中最重要的成员之一,对细胞生长、增殖和分化等过程起重要的调节作用,包括位于细胞膜上的受体型PTK和位于胞质中非受体型PTK两大类。丝氨酸/苏氨酸激酶的主要作用是通过变构而激活蛋白质,催化底物蛋白丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化,包括PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶和丝裂原激活蛋白激酶。蛋白磷酸酶是具有催化已经磷酸化的蛋白质分子发生去磷酸化反应的一类酶分子。蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应存在,共同构成磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性开关系统。GTP结合蛋白简称G蛋白,是指在信号转导过程中,与受体耦联的并能与鸟苷酸结合的一类蛋白质,通过自身构象的变化激活效应蛋白,不同的效应蛋白受不同类型的G蛋白的影响。 

G蛋白耦联受体介导的信号通路主要包括腺苷酸环化酶、磷脂酰肌醇等信号通路;具有酶活性受体介导的信号通路主要包括TPKR-Ras-MAPK、 PI3K-Akt及TGF-β受体等信号通路;细胞因子受体介导的信号转导通路属于酶连接受体介导的信号通路;蛋白质水解相关的信号通路包括泛素化降解介导的Wnt、 Hedgehog和NF-кB信号通路及通过蛋白切割激活的Notch信号通路;细胞内受体介导的信号通路包括甾体类激素和NO介导的信号通路。

信号转导过程具有信号转导分子激活机制的类同性、过程的级联式反应、途径的通用性与特异性及信号转导途径之间相互交叉等特点。 

细胞内信号转导过程是由前后相连的生物化学反应组成的,即前一个反应的产物可作为下一个反应的底物或者发动者,通过一系列蛋白质与蛋白质的相互作用,信息可从胞内一个信号分子传递到另一个信号分子,每一个信号分子都能够激起下一个信号分子的产生,直至产生代谢酶被激活、基因表达被启动和细胞骨架产生变化等细胞生理效应。细胞的信号转导是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程。生理情况下,细胞对所接受信号做出适当的应答取决于细胞对所接收的多种信号的整合及对信号有效性的调控。

信号转导在细胞的正常功能与代谢中起着极其重要的作用,从受体接受信号至细胞对信号作出反应过程中的任何环节发生异常均可导致疾病的发生。表现有受体异常性疾病(如遗传性或原发性受体疾病、自身性免疫受体疾病和继发性受体疾病)、G蛋白和蛋白激酶功能障碍性疾病等。细胞信号转导机制的研究在医学发展中的意义主要体现在两个方面:首先是对疾病发病机制的深入认识;其次可为疾病的诊断和治疗提供新的靶位。

(刘佳)