【重点提要】

细胞通信方式；信号分子与受体；第二信使与分子开关；信号转导系统及其特性；G蛋白偶联受体及其介导的信号转导；介导并调控细胞基因表达的受体及其信号通路；细胞内信号蛋白之间相互作用、装配与基序；信号转导对细胞代谢及基因表达水平的调控机制。

【基本概念】

1.  细胞通信（cellcommunication）：是指细胞产生的胞外信号与靶细胞相应的受体结合，引发受体构象改变而激活，进而导致细胞内信号转导通路的建立，，最终调节靶细胞的代谢、结构功能或基因表达，并表现为靶细胞整体生物学效应的过程。

2.  内分泌（endocrine）：由内分泌细胞分泌信号分子（如激素）到血液中，通过血液循环运送到体内各个部位，作用于靶细胞。

3. 旁分泌（paracrine）：细胞通过分泌局部化学介质到细胞外液中，经过局部扩散作用于邻近靶细胞，在多细胞生物中调节发育的许多生长因子往往是通过短距离而起作用的。

4. 自分泌（autocrine）：是指细胞对自身分泌的信号分子产生反应。

5. 信号转导（signaltransduction）：外界信号与细胞表面受体识别，转换并启动细胞信号通路，进而引起细胞生理反应所需基因开始表达、各种生物学效应形成的过程。

6. 受体（receptor）：一类能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子，当与配体结合后，通过信号传递作用将胞外信号转换为胞内化学或物理的信号。

7.  第二信使（secondmessenger）：是指信号分子与其受体进行信号转导，随之在胞内产生的非蛋白类小分子（第二信使），可调节细胞内酶和非酶蛋白的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。

8. 钙火花（Ca²⁺spark）：钙火花是钙信号传导单元。Ca²⁺从发放源放出，向周围扩散，并通过不同的分子机制回收或清除，以恢复细胞质中正常的Ca²⁺浓度。以此方式在细胞水平上形成了Ca²⁺浓度的震荡。

9. 分子开关（molecularswitches）：在细胞内信号级联传递中，有正负两种相辅相成的反馈机制进行精确调控方式，这类调控因子称为分子开关。一类是开关蛋白的活性由蛋白激酶磷酸化而开启；第二类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化；第三类开关蛋白是Ca²⁺依赖的钙调蛋白。

10. 离子通道偶联受体（ionchannel-coupled receptor）：离子通道偶联受体是由多亚基组成的受体/离子通道复合体，本身既有信号结合位点，又是离子通道，并借此将信号传递至细胞内。

11. 酶联受体（enzyme-linkedreceptors）：受体胞内结构域具有潜在酶活性，或受体本身不具酶活性，而是受体胞内段与酶相联系，并将胞外信号传递到胞内。

12. G蛋白偶联受体（G-protein-coupledreceptor）：是指配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与G蛋白的偶联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内，影响细胞的行为。

13. SH2结构域（srchomology domain）：src 产物同源区，SH2结构域是一种可特异性结合氨基酸序列中的磷酸酪氨酸残基，由约100个氨基酸残基组成，蛋白家族中的每一个成员具有相似的三维结构。

14. 钙调蛋白（calmodulin,CaM）：真核细胞中普遍存在的Ca²⁺应答蛋白，含有4个结构域，每个结构域可结合一个Ca²⁺。Ca²⁺与CaM结合形成Ca²⁺-CaM复合物，然后再与靶酶结合将其活化。

15. GRB2（growthfactor receptor-bound protein 2）：生长因子受体结合蛋白2，其作用是偶联活化受体与下游信号蛋白，是一类重要的接头蛋白，具有SH2结构域，可以直接与活化受体中特异的磷酸酪氨酸残基结合，同时含有两个SH3结构域，能够结合并激活另一种胞质蛋白Sos。

16. Sos蛋白（sonof sevenless，Sos）：具有鸟苷酸交换因子活性，在细胞中可以被Grb2的SH3识别和活化。与Ras结合引起活化Ras的构象改变，使无活性的Ras-GDP转换成有活性的Ras-GTP。

17. 蛋白激酶A（proteinkinase A， PKA）：由2个调节亚基和2个催化亚基组成。当两个调节亚基与2分子cAMP结合时，2个催化亚基被释放而使激酶被激活，激活的PKA可入核磷酸化细胞核内转录因子而调控基因表达或直接磷酸化细胞质基质内蛋白而引发细胞生物学反应。

18.  蛋白激酶C（proteinkinase C，PKC）：是Ca²⁺和磷脂酰丝氨酸依赖性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在DAG-PKC的信号通路中广泛作用于底物，参与众多生理过程。

19. 蛋白激酶B（proteinkinase B，PKB）：是与PKA和PKC具有高度同源性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，又称为PKA与PKC的相关蛋白。N端有一个PH结构域，能紧密结合PI-3,4-P₂和PI-3,4,5-P₃分子的3位磷酸基团。该激酶是反转录病毒癌基因v-akt的编码产物的同源物，又称Akt。

20.  STAT蛋白（signaltransducer and activator of transcription，STAT）：指在信号转导通路中，既是激酶的直接底物，又是基因转录调节因子的一类衔接子蛋白。STAT蛋白N端具有SH2结构域和核定位信号（NLS），中间为DNA结合域，C端有一个保守的、对其活化至关重要的酪氨酸残基。 

【知识点解析】

一、     细胞通信与信号转导

1、细胞通信

细胞通信可概括为3 种类型：①信号细胞通过分泌胞外化学信号进行细胞间通信；②细胞间接触依赖性通信；③动物相邻细胞间形成间隙连接、植物细胞间通过胞间连丝。

信号细胞分泌胞外信号，按其对靶细胞发挥效应的空间距离和作用方式，又可分为：内分泌、旁分泌、自分泌和突触信号传递。

2、细胞的信号分子与受体

信号分子包括化学信号以及物理信号等。各种化学信号根据其性质通常可分为3类：①气体性信号分子，包括NO、CO，可以自由扩散进入细胞直接激活效应酶。②疏水性信号分子，这类亲脂性分子可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞内核受体结合形成激素- 受体复合体，调节基因表达。③亲水性信号分子，不能透过靶细胞质膜，只能与靶细胞表面受体结合。

受体可分为细胞内受体和细胞表面受体。细胞内受体位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性信号分子，如甾类激素、甲状腺素、维生素D 和视黄酸。细胞表面受体主要识别和结合亲水性信号分子，包括分泌型信号分子或膜结合型信号分子。细胞表面受体分属三大家族：①离子通道偶联受体；②G蛋白偶联受体；③酶联受体。

第二信使学说（second messenger theory）:胞外化学信号（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，导致产生胞内信号（第二信使），从而引发靶细胞内一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。目前公认的第二信使包括cAMP、cGMP、Ca2+、二酰甘油（1，2-diacylglycerol，DAG）和1，4，5-三磷酸肌醇（1，4，5-inositoltrisphosphate，IP3）等。

分子开关是两类在演化上保守的胞内蛋白，在引发信号转导级联反应中起相反的作用，其功能作用的发挥依赖于细胞外信号的刺激。主要有三种类型：（1）GTPase分子开关调控蛋白，包括三聚体GTP 结合蛋白和单体GTP 结合蛋白。所有GTPase开关蛋白都有两种状态：一是与GTP 结合呈活化（开启）状态，进而改变特殊靶蛋白的活性；二是与GDP 结合，处于失活（关闭）状态。（2）蛋白激酶/ 蛋白磷酸酶，通过蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸酶使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性。（3）钙调蛋白，每个CaM分子具有4 个Ca2+ 结合位点，CaM可通过与Ca2+ 的结合或解离而分别处于活化或失活的“开启”或“关闭”状态。形成的Ca2+-CaM 复合物可结合多种酶及其他靶蛋白，并修饰其活性。

 

3.信号转导系统及其特性

通过细胞表面受体介导的信号通路通常由下列5个步骤组成：①细胞表面受体特异性识别并结合胞外信号分子（配体），形成受体- 配体复合物，导致受体激活；②受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白；③通过胞内第二信使或细胞内信号蛋白复合物的装配，起始胞内信号放大的级联反应；④细胞应答反应，主要是通过酶的逐级激活改变细胞代谢活性，或者通过基因表达调控蛋白影响细胞基因表达和影响发育，或者通过细胞骨架蛋白的修饰改变细胞形状或运动；⑤受体的脱敏或受体下调终止或降低细胞反应。

细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结合域（modular binding domain）所特异性介导的。这些模式结合域不具酶活性，但能识别特定基序或蛋白质上特定修饰位点，它们与识别对象的亲和性较弱，因而有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控。这些模式结合域极大地拓展了细胞信号网络的多样性。

细胞内信号蛋白复合物的装配可能有三种策略：（1）细胞表面受体和胞内信号蛋白通过与支架蛋白结合预先形成胞内信号复合物，当受体被激活后，再依次激活胞内信号蛋白并向下游传递。（2）细胞表面受体被激活后装配信号蛋白复合物，即表面受体被胞外信号激活后，受体胞内段多个氨基酸残基位点发生自磷酸化作用，从而为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，形成信号转导复合物介导下游事件。（3）受体被胞外信号激活后，在邻近质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子，从而募集具有PH 结构域的信号蛋白，装配形成信号复合物。

信号转导系统的主要特性：①特异性（specificity）：细胞受体与胞外配体通过结构互补机制以非共价键结合，形成受体－配体复合物。②放大效应（amplification）：信号传递至胞内效应器蛋白，引发细胞内信号放大的级联反应。③网络化与反馈调节机制：细胞信号系统网络化的相互作用是细胞生命活动的重要特征；反馈环路对于及时校正反应的速率和强度是最基本的调控机制。④整合作用（integration）：大量的信息以不同组合的方式调节细胞的行为；细胞整合不同的信息后，对细胞外信号分子的特异性组合作出程序性反应。

二、         G蛋白偶联受体及其介导的信号转导

1、G蛋白偶联受体

G蛋白偶联受体为7次跨膜的α螺旋结构，配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与三聚体GTP 结合蛋白，在细胞内产生第二信使。

2、 G蛋白偶联受体介导的信号通路

（1）      激活离子通道的G蛋白偶联受体

当受体与配体结合被激活后，通过偶联G 蛋白的分子开关作用，调控跨膜离子通道的开启与关闭，进而调节靶细胞的活性。例如：M乙酰胆碱受体在心肌细胞膜上与Gi 蛋白偶联，引发三聚体Gi蛋白解离，G_βγ亚基释放致使心肌细胞质膜上K⁺通道开启，引发细胞内K⁺外流；在视杆细胞中，光的吸收激活视蛋白，活化的视蛋白与无活性的GDP-Gt三聚体蛋白偶联，游离的Gt_α与cGMP磷酸二酯酶抑制性亚基结合导致PDE活化，cGMP被降解，使得cGMP门控非选择性阳离子通道关闭。

（2）          激活或抑制腺苷酸环化酶，以cAMP为第二信使的G蛋白偶联受体

G_α亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，调节细胞内第二信使cAMP水平，进而影响信号通路的下游事件。这个调控系统涉及5种蛋白组分：①刺激性激素的受体（Rs），②抑制性激素的受体（Ri），③刺激性G蛋白（Gs），④抑制性G蛋白（Gi），⑤腺苷酸环化酶（AC）。

刺激性激素与相应刺激性激素受体（Rs）结合，偶联刺激性G蛋白，腺苷酸环化酶活化，提高靶细胞cAMP 水平；抑制性激素与抑制性激素的受体（Ri）结合，与此相反，降低cAMP水平。胞内cAMP的作用是使无活性蛋白激酶A释放催化亚基，磷酸化细胞质中的靶蛋白，介导信号向下传递。当腺苷酸环化酶被激活后，产生快速应答，环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE），可降解cAMP生成5′-AMP，终止信号反应。

该信号通路涉及的反应链可表示为：激素→G蛋白偶联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP →cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA）→基因调控蛋白→基因转录。

（3）激活磷脂酶C，以IP₃和DAG 作为双信使的G 蛋白偶联受体

G 蛋白开关机制引起质膜上磷脂酶C的β异构体（PLC_β）活化，使质膜上磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP₂）被水解生成IP₃和DAG 两个第二信使。

IP3-Ca²⁺ 信号通路：IP₃引发内质网中Ca²⁺转移到细胞质基质中，使胞质中游离Ca²⁺浓度提高，Ca²⁺与钙调蛋白（calmodulin，CaM）结合活化靶酶。

Ca²⁺-NO-cGMP- 活化的蛋白激酶G信号途径：作为血管内皮细胞应答乙酰胆碱的GPCRs被激活，进而激活细胞内磷酸酯酶C, 通过IP₃-Ca²⁺/CaM激活NO 合酶（NOS），在血管内皮细胞生成NO，扩散至血管平滑肌细胞激活鸟苷酸环化酶，生成cGMP 并作用于PKG，导致血管平滑肌舒张。

DAG-PKC信号途径：DAG位于质膜，胞质中蛋白激酶C（PKC）可与Ca²⁺结合并移位至膜内表面。DAG的积累可活化与质膜结合的PKC，使不同底物蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。

三、  介导并调控细胞基因表达的受体及其信号通路

（一）酶联受体及其介导的细胞信号转导通路

催化性酶联受体分属两大类，即受体酪氨酸激酶（RTK）和细胞因子受体（cytokinereceptor）。再进一步细分至少包括五类：①受体酪氨酸激酶；②受体丝氨酸/苏氨酸激酶；③受体酪氨酸磷酸酯酶；④受体鸟苷酸环化酶；⑤酪氨酸蛋白激酶偶联受体。

受体酪氨酸激酶（RTK）和细胞因子受体这两大家族：（1）具有类似的结构，绝大多数是单次跨膜蛋白，其N 端位于细胞外，是配体结合域，C 端位于胞内，中间是疏水的跨膜α螺旋。（2）具有基本相同的活化机制，二聚化是单次跨膜的酶联受体被激活的普遍机制。（3）受体胞内段的激酶活性或胞内段结合激酶的活性被激活后，在二聚体内特定的酪氨酸残基位点发生彼此交叉磷酸化，又称之受体的自磷酸化。

1、 受体酪氨酸激酶介导的Ras-MAK 激酶信号通路

所有受体酪氨酸激酶都具有酪氨酸激酶结构域，绝大多数是单次跨膜受体。配体包括多种生长因子、胰岛素和胰岛素样生长因子等。配体的结合导致受体二聚化，激活受体的蛋白酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化，即所谓受体的自磷酸化。活化的RTK通过磷酸酪氨酸残基可以结合多种含有SH2结构域的蛋白，其中一类是接头蛋白，另一类是信号通路中有关的酶。Ras是活化受体RTK下游的重要功能蛋白，二者之间通过接头蛋白和Ras 蛋白－鸟苷酸交换因子（Ras-GEF）联系起来。活化的Ras蛋白与Raf（MAPKKK）结合并使其激活，从而介导信号向下传导。

RTK-Ras可以简单表示为：配体→RTK→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰，对基因表达产生多种效应。

2、细胞因子受体与JAK-STAT信号通路

细胞因子受体是细胞表面一类与酪氨酸蛋白激酶联系的受体。也就是说，其活性依赖于非受体酪氨酸蛋白激酶。受体的活化机制与RTK非常相似，受体所介导的胞内信号通路也多与RTK 介导的胞内信号通路重叠。JAK-STAT信号通路：细胞因子与受体结合，导致受体二聚化；各自结合的JAK相互靠近发生交叉磷酸化；具有SH2的STAT与之结合，并被磷酸化；磷酸化的STAT从受体上解离下来，以二聚化的形式转位到核内与特异基因调控序列结合。

3、PI3K-PKB（Akt）信号通路

RTK和细胞因子受体的活化可以产生磷酸化的酪氨酸残基，为募集PI3K转运至膜提供了锚定位点。PI3K既具有Ser/Thr激酶活性，又具有磷脂酰肌醇激酶的活性。利用其磷脂酰肌醇激酶催化膜脂生成PI-3-P，PKB凭借PH结构域与PI-3-P的结合转位到膜上。PKB转位到膜后经另两种激酶PDK1和PDK2活化，从质膜上解离，进入细胞质和细胞核磷酸化靶蛋白。

PI3K-PKB（Akt）信号通路的生物学作用：①对细胞生存具有促进作用；②促进胰岛素刺激的葡萄糖摄取与储存；③PI3K是蛋白分选或内吞/内化过程中重要的调节因子。

4、TGF-β受体及其TGF-β-Smad信号通路

TGF-β受体分为RⅠ、RⅡ和RⅢ受体。TGF-β受体在本质上属于受体Ser/Thr激酶。胞外TGF-β与RⅢ受体结合后，RⅢ将TGF-β递交给RⅡ受体。RⅡ受体募集并磷酸化RⅠ受体胞内段Ser/Thr残基，使RⅠ受体被激活。活化的RⅠ受体磷酸化下游转录因子Smad。

有三种Smad转录因子起调控作用，包括受体调节的R-Smad（Smad2、Smad3）、辅助性co-Smad（Smad4）和抑制性I-Smad（imp-β）。R-Smad是RⅠ受体激酶的直接作用底物，非磷酸化时NLS被掩盖，处于非活化状态。当RⅠ受体被激活后，磷酸化R-Smad使其NLS暴露，两个磷酸化的R-Smad与co-Smad和imp-β结合形成细胞质复合物，进入细胞核。在核内Ran-GTP作用下imp-β与NLS解离，Smad2/Smad4 或Smad3/Smad4复合物再与其他核内转录因子结合，激活特定靶基因的转录。

（二）其他调控基因表达的细胞表面受体及其介导的信号通路

1、Wnt受体和Hedgehog受体介导的信号通路

Wnt-β-catenin信号通路：Wnt是一组富含半胱氨酸的分泌性糖蛋白，β-catenin是哺乳类中与果蝇Arm蛋白同源的转录调控蛋白。β-catenin结合在由Axin介导形成的胞质复合物上，并被GSK3 磷酸化，后被蛋白酶体识别和降解，维持细胞质中β-catenin低水平。当细胞外存在Wnt信号时，支架蛋白Axin与辅助受体LRP胞质域结合，导致含有GSK3和β-catenin的胞质蛋白复合物解离，β-catenin不能被GSK3磷酸化，使β-catenin在细胞质中维持稳定。游离的β-catenin转位到核内，与核内转录因子TCF结合，调控特殊靶基因的表达。

Wnt-β-catenin信号通路对多细胞生物体轴的形成和分化、组织器官建成、组织干细胞的更新与分化等至关重要。

Hedgehog受体介导的信号通路：Hedgehog 在细胞内是以前体（precursor）形式合成与分泌的，作用范围小，一般不超过20个细胞。Hedgehog 的受体蛋白有3种： Ptc、Smo和iHog。静息状态下，受体Ptc蛋白抑制胞内膜泡上的Smo蛋白，而胞质调节蛋白形成复合物并与微管结合。在复合物中转录因子Ci被各种激酶磷酸化，磷酸化的Ci水解形成Ci75片段，进入核内抑制靶基因表达。在有Hh信号时，Hh与Ptc结合抑制Ptc的活性，使得Smo从抑制状态中被释放。Smo通过膜泡融合移位到膜，胞质调节蛋白复合物中的Cos2 和Fu 蛋白被PKA和CK1超磷酸化，致使Fu/Cos2/Ci复合物从微管上解离下来，从而形成稳定形式的Ci。Ci 进入核内并与CREB结合蛋白（CBP）结合，作为靶基因的转录激活子而发挥作用。

Hedgehog信号通路控制细胞命运、增殖与分化，该信号通路被异常激活时，会引起肿瘤的发生与发展。

2、NF-κB和Notch信号通路

NF-κB信号通路：NF-κB是一种核转录因子，能特异性结合免疫球蛋白κ轻链基因的上游增强子序列并激活基因转录。在细胞处于静息状态时，NF-κB在细胞质中与一种抑制物I-κBα 结合，处于非活化状态，同源区的NLS 也因抑制物的结合被掩盖。当细胞收到刺激时，胞质中异三聚体I-κB 激酶被激活并磷酸化I-κB抑制物。E3泛素连接酶快速识别I-κB的磷酸化丝氨酸残基并泛素化，通过泛素依赖性蛋白酶体降解I-κB。I-κB的降解使NF-κB解除束搏并暴露NLS。然后NF-κB转位进入核内激活靶基因的转录。

NF-κB信号通路可调控多种参与炎症反应的细胞因子、黏附因子和蛋白酶类基因的转录过程，产生免疫、炎症和应激反应，并影响细胞增殖、分化及发育。

Notch信号通路：Notch信号通路是一种细胞间接触依赖性的通信方式。信号分子及其受体均是膜整合蛋白。Notch 受体蛋白的胞外区包含多个EGF样的重复序列及其与配体的结合位点，胞内区含多种功能序列。当配体（Delta）与之结合，效应细胞的Notch 蛋白便发生两次蛋白切割过程，切割后释放Notch胞质片段，转移至核内与其他转录因子协同作用，调节基因表达，影响发育中细胞命运的决定。

四、         细胞信号转导的整合与控制

1、细胞对信号的应答反应具有发散性或收敛性特征

收敛与发散：收敛体现在许多信号通路激活一个共同的效应器；发散表现在来自相同配体的信号，激活各种不同的效应器，导致多样性的细胞应答。

2、蛋白激酶的网络整合信息

细胞信号转导最重要的特征之一是构成复杂的信号网络系统（signal network system），不同信号通路之间相互影响，也存在共同部分，具有高度的非线性特点。人们将信号网络系统中各种信号通路之间的交互关系形象地称为“交叉对话”（crosstalk）。蛋白激酶的网络整合信息调控复杂的细胞行为是不同信号通路之间实现“交叉对话”的一种重要方式。

3、信号的控制：受体的脱敏与下调

靶细胞对信号分子的脱敏机制有5种方式：①受体没收：细胞通过配体依赖性的受体介导的内吞作用减少细胞表面可利用受体的数目。②受体下调：通过受体介导的内吞作用，受体－配体被消化降解，受体数目减少和配体的清除导致细胞对信号敏感性下调。③受体失活：如G 蛋白偶联受体激酶（GRK）使结合配体的受体磷酸化，再通过与胞质抑制蛋白β-arrestin结合而阻断与G蛋白的偶联作用；④信号蛋白失活：细胞内信号蛋白发生改变，从而使信号级联反应受阻，不能诱导正常细胞反应。⑤抑制性蛋白产生：下游反应产生抑制性蛋白并形成负反馈环从而降低或阻断信号转导途径。