第三节　细胞内外信号转导

一、信号分子及受体

根据信号分子作用位置的不同，将信号分子分为两类，即细胞内信号分子和细胞外信号分子。细胞外信号分子是细胞承载物理或化学信息的载体，包括疏水性（脂溶性）信号分子、气体脂溶性信号分子和亲水性（水溶性）信号分子，这些信号分子也称第一信使。细胞内的信号分子主要指一些小分子活性物质，在其上游信号转导分子的调控下可以迅速升高或降低自身浓度，进行信号的传递，也称其为第二信使，主要包括环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）、环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）、三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP₃）、二酰甘油（diacylglycerol，DAG）等。

（一）细胞外信号分子

1.疏水性（脂溶性）信号分子

该种信号分子可以直接进入靶细胞，识别并结合细胞内受体，传递信息。

2.气体脂溶性信号分子

例如，NO可直接进入靶细胞，通过cAMP和cGMP调节局部细胞的功能。

3.亲水性（水溶性）信号分子

该类信号分子不能自由透过磷脂双分子层，因此其只能通过识别和结合细胞表面的受体进行信号的传递。

（二）细胞内信号分子

细胞在进行信号转导时，具有酶活性的信号转导分子会被激活，生成小分子活性物质，细胞质中该物质的浓度升高，从而进行信号的传递。细胞内的信号分子主要包括cAMP、cGMP、IP₃和DAG等。例如，特定的G蛋白可以激活腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC），催化ATP生成cAMP；鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC）催化并水解GTP生成cGMP；特定的G蛋白激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC）催化磷脂酰肌醇4，5-双磷酸（phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP₂）水解，生成IP₃和DAG两种胞内信使。

（三）膜受体与胞内受体

受体（receptor）是细胞膜上或细胞内能与生物信息分子结合并将这些生物信息传递到效应器，引起相应生物效应的生物大分子。

1.根据膜受体作用方式的不同，目前多将其分为3型。

（1）离子通道偶联受体：受体本身即为门控离子通道，化学信号作用于膜表面的受体，改变通道蛋白的构象，导致离子通道的开启或关闭，进行信号的传递。

（2）G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptors，GPCRs）：G蛋白又称为GTP结合蛋白，GPCRs是与G蛋白相互作用的膜表面受体，在膜表面受体中占据大多数，多样性最丰富。

（3）酶联受体：该类受体包括胞外段、跨膜段和胞内段三种结构域。在有些细胞中其胞内段结构域具有潜在的酶活性，当胞外段结合信号分子以后，胞内段会产生结构的变化进行信号的传递；在有些细胞中其胞内段结构域不具有酶活性，但其可以结合一种有酶活性的蛋白进行信号的传递。

2.胞内受体是一种具有转录活性的蛋白质，其DNA结合区可与DNA分子上的激素调节元件结合，促进或者抑制基因的转录。胞内受体根据其作用位置的不同分为胞质受体和核受体（nuclear receptor，NR）。

（1）胞质受体：位于靶细胞的胞质内，例如糖皮质激素和盐皮质激素的受体等。

（2）核受体：位于靶细胞的细胞核内，例如维生素D₃及视黄酸受体（retinoic acid receptor，RAR）等。

二、信号转导通路

（一）GPCRs介导的信号转导通路

GPCRs作为细胞膜受体中最大的、多样性最丰富的膜蛋白受体家族，其不仅可以介导细胞外环境信号刺激的传递，也可介导细胞之间的信号传递。信号分子与GPCRs结合后，激活三聚体G蛋白，启动不同的信号转导通路，作用于不同的效应蛋白发挥作用。

1.GPCRs介导cAMP信号通路

G蛋白由G_α、G_β、G_γ三个亚基组成，G_β和G_γ亚基以异二聚体的形式存在，G蛋白起到的“开关”作用主要依赖于G_α亚基。在AC信号通路中，信号分子与GPCRs结合后，G_α亚基激活其效应器蛋白——腺苷酸环化酶，通过改变AC的活性，调节细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。

2.GPCRs介导PI信号通路

细胞外的信号分子与G蛋白偶联型受体结合，导致受体构象改变，从而结合三聚体的G蛋白，G蛋白被活化后可作用于磷脂酶C（phospholipase C，PLC），使细胞膜上的磷脂酰肌醇4，5-双磷酸（PIP₂）分解产生两个第二信使，其中IP₃可以扩散至细胞质，而DAG则“锚定”在细胞膜上。

（1）IP₃促进内质网中Ca2+的释放，提高胞质内Ca2+浓度：

IP₃的主要作用是将储存在内质网中的Ca2+转移到细胞质中，使细胞质基质中游离的Ca2+浓度升高。在内质网膜中存在IP₃调控的Ca2+通道，将内质网中的Ca2+释放到细胞质基质，引起下游一系列的反应。

（2）DAG在Ca2+的协同下激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）：

PKC是一种Ca2+和磷脂酰丝氨酸依赖的丝氨酸和苏氨酸激酶，静息状态时游离在细胞质中。当细胞质中Ca2+浓度升高时，PKC由细胞质移位到细胞膜上与DAG结合，PKC激活后磷酸化相应的靶蛋白发挥功能。

3.GPCRs调控离子通道

有一些受体的效应蛋白是Na+或K+通道，例如神经递质Ach可以作为配体与GPCRs结合，导致膜受体偶联的离子通道开放，促使Na+内流，改变局部电位（图3-5）。

（二）酶偶联受体介导的信号转导通路

酶偶联受体主要分为两类：一类为细胞因子受体，另一类为酪氨酸激酶受体，二者都属于单次跨膜的蛋白。细胞因子受体胞内段不具有酶活性，但其可以连接有酶活性的蛋白进行信号的传递。而酪氨酸激酶受体胞内段具有酪氨酸激酶活性，并且存在不同的酪氨酸残基自我磷酸化的位点。

1.细胞因子受体与JAK-STAT信号通路

与白介素、干扰素等细胞因子相关的受体属于酶偶联受体，受体不具有酶活性，但胞内段受体具有与酪氨酸蛋白激酶（tyrosine protein kinase，TPK）的结合位点。细胞因子与细胞膜受体特异性结合，引发受体构象改变并导致二聚化，形成同源二聚体，便于二聚体同各自的TPK结合，使彼此酪氨酸残基发生交叉磷酸化，从而激活JAK激酶。活化的JAK磷酸化受体胞内段酪氨酸残基，使活化受体上磷酸酪氨酸残基成为具有SH2结构域的STAT蛋白结合位点，STAT通过SH2结构域与受体磷酸化的酪氨酸残基结合，继而STAT的C端酪氨酸残基被JAK磷酸化，磷酸化的STAT分子随即从受体上解离下来，两个磷酸化的STAT分子形成同源二聚体转位到细胞核内与特异基因的调控序列结合，调节相关基因的表达（图3-6）。

2.Ras蛋白是受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）介导的信号通路中的关键组分

TPKR通常以单体形式存在于细胞膜上，当配体与TPKR结合后，受体的构象发生改变，形成异二聚体，激活TPKR的酪氨酸残基活性，使胞内段的酪氨酸残基磷酸化，与生长因子受体结合蛋白2（growth factor receptor-bound protein 2，GRB2）等含有SH2残基的蛋白结合，参与RTK-Ras-MAPK信号的转导。

3.PI3K/Akt信号通路是RTK介导的经典信号通路

磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）由两个亚基组成，其中p85调节亚基具有SH2蛋白结构域，表明PI3K可以结合活化的受体酪氨酸激酶定位到细胞膜的内侧，催化PIP₂生成磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸（phosphatidylinositol 3，4，5-phosphate，PIP3），为多种信号蛋白提供锚定位点。在生长因子等刺激作用下，PI3K活性增高，PIP₃水平升高，募集3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1，PDK1）和Akt至细胞膜，完全活化的Akt脱离细胞膜进入细胞核，进而磷酸化多种靶蛋白，调控细胞行为。

4.TGF-β信号通路通过Smad将细胞外信号转导到细胞核内

转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）家族有近30种成员，主要分为RⅠ、RⅡ和RⅢ三种亚型。Smad蛋白是细胞内TGF-β信号重要的传导和调节分子，可以将TGF-β信号由细胞膜直接传导进入细胞核内。在TGF-β信号传递过程中，TGF-β信号分子与RⅡ结合，招募并磷酸化激活RⅠ，活化的RⅠ型受体可以磷酸化其下游分子Smad2/3，被磷酸化的Smad2/3接着与Smad4形成三聚体复合物，进入细胞核中进行转录。TGF-β信号通路在控制细胞生长、增殖、分化以及个体与器官发育过程中发挥着重要作用（图3-7）。

（三）蛋白质水解相关的信号转导通路

除了前面提到的信号转导通路外，生物体内还存在一系列可控性的蛋白水解相关信号通路，一类为泛素化降解介导的信号通路如Wnt（wingless-type MMTV integration site family）、Hh（hedgehog）和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等信号通路，另一类是蛋白切割介导的信号通路，如Notch信号通路。

1.泛素化降解介导Wnt、Hh和NF-κB等信号通路

（1）Wnt信号通路中β-catenin扮演转录激活因子和膜骨架连接蛋白的双重角色：

Wnt信号通路在个体的发育过程中发挥重要作用，但Wnt信号通路的过度活化或失活均会导致疾病或肿瘤的发生。细胞在静息状态下，细胞质中的β-catenin可以结合支架蛋白AXIN、糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）等蛋白形成复合物，GSK-3可以磷酸化β-catenin，随后在泛素酶的作用下形成泛素标记的蛋白，最终被蛋白酶体降解，核内转录因子和阻遏蛋白结合，抑制靶基因的转录。当细胞外存在高水平的Wnt信号时，Wnt与细胞膜表面受体结合，引发膜上的辅助型受体磷酸化，并且和复合物中AXIN结合，使β-catenin从复合物中解离，进入细胞核参与转录调控（图3-8）。

（2）Hh信号通路通过Ci/Gli转录因子将信号转入细胞核：

Hh为分泌型蛋白，作用范围不超过20个细胞，在小范围内发挥作用。Hh信号分子有两种膜受体：smoothened（Smo）和patched（Ptc）。当没有Hh信号时，细胞膜上的Ptc蛋白抑制细胞内膜泡中Smo蛋白，细胞质中可以形成fused（Fu）、costal-2（Cos2）和cubitis interruptus（Ci）蛋白的复合物，复合物中的转录因子Ci被磷酸化后会通过蛋白酶体作用水解为Ci75片段，Ci75进入核内抑制下游靶基因的表达。当Hh信号存在时，Hh信号与细胞膜上的Ptc受体结合后被溶酶体消化，从而解除了Ptc对Smo的限制作用，Fu和Cos2的磷酸化水平上升导致Fu/Cos2/Ci复合物从微管上解离下来，Ci进入细胞核内进行转录，促进靶基因的表达。

（3）IκBα泛素化降解激活NF-κB信号通路：

NF-κB作为一种转录调控因子广泛存在于哺乳动物免疫系统中，在免疫、炎症反应和应急反应中发挥重要作用。在静息状态下，单分子IκBα（NF-κB的抑制物）结合p50和p65形成三聚体，抑制NF-κB的解离，使其不能进入核内发挥作用。在外界应急信号刺激下，三聚体中IκBα被磷酸化和泛素化降解，释放NF-κB调控基因的表达（图3-9）。

2.通过蛋白切割激活Notch/Delta信号通路

Notch/Delta信号通路是两个相邻细胞接触性的通信方式，信号细胞产生的信号分子Delta可直接与相邻细胞表面的受体Notch结合，先后经历基质金属蛋白酶和γ分泌酶切割，从而释放TF进入核内，调节应答细胞的分化方向，决定细胞的发育命运（图3-10）。

（四）细胞内受体介导的信号转导通路

1.类固醇激素通过细胞内核受体介导基因表达调控

核受体的配体主要是类固醇激素、甲状腺激素等脂溶性小分子。这些小分子进入细胞内，可特异性地与受体结合，激活受体，被激活的受体与DNA上的受体结合元件结合，调控基因转录，影响生物体内稳态。

2.NO以自由基的形式介导细胞独特的信号通路

当血管内皮细胞基质中Ca2+浓度增加，激活一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），将其底物精氨酸催化为胱氨酸并释放NO，产生的NO分子作为一种信号分子进入平滑肌细胞，结合并激活鸟苷酸环化酶，生成cGMP，从而导致血管平滑肌舒张。

三、细胞与细胞外基质的相互作用

（一）细胞外基质对细胞生物学行为的影响

细胞外质基质是由大分子构成的错综复杂的网络，可以为细胞提供场所进行细胞信号转导和影响细胞形状、代谢、功能、迁移、增殖和分化。

1.细胞外基质影响细胞的形态结构

细胞外基质通过与细胞表面受体的结合，影响细胞骨架成分和细胞的形态结构。

2.细胞外基质影响细胞的生存、增殖与死亡

只有细胞黏附于细胞外基质上，才可以启动细胞存活相关的信号转导途径，维持细胞的存活。细胞黏附在细胞外基质时，通过整合素介导传递多种生存和增殖信号到细胞内影响细胞的生存和增殖。当细胞脱离细胞外基质，会导致细胞骨架松散，进而线粒体释放细胞色素C，激活caspase凋亡途径进而导致细胞凋亡。

3.细胞外基质参与细胞的分化调控

细胞外基质中的多种组分可通过与细胞表面受体特异性结合，触发细胞内信号传递的某些连锁反应，影响核基因的表达，调控细胞的分化。

（二）细胞对细胞外基质的影响

不同的组织细胞或同一组织细胞的不同时期，其分泌的细胞外基质也各不相同。细胞不仅调控细胞外基质的成分，而且还通过细胞分泌蛋白水解酶参与细胞外基质成分的降解，细胞对细胞外基质成分降解的调控，在创伤修复、组织重构及细胞迁移等方面发挥重要作用。

四、细胞内信号转导

鉴于外界信号和细胞内信号转导的多样性，细胞内信号转导机制必然非常复杂，但同样也都遵守共同的规律，即细胞外信号作为第一信使与细胞表面受体结合并使之活化，活化的受体通过偶联蛋白或直接活化效应酶，产生第二信使，第二信使活化次级效应酶，如此信号逐级传递，产生级联反应，最终完成功能性应答。第二信使有cAMP、环磷酸鸟苷（cGMP）、三磷酸肌醇（IP₃）、DAG、钙离子（Ca2+）及钙调蛋白（calmodulin，CaM）等。

（一）环核苷酸系统

环核苷酸信号转导系统主要由cAMP和cGMP两个相对独立的信息系统组成，其中对cAMP信号系统研究得比较清楚。cAMP普遍存在于多种细胞中，由ATP水解而来，其本身不作为生物合成的前体，也不作为能量代谢的中间产物，仅作为第二信使参与细胞内信号转导。

1.cAMP信号系统

cAMP信号系统由受体、G蛋白及cAMP介导的级联反应组成。

（1）G蛋白偶联受体信号分子：

主要包括蛋白和多肽类激素、神经递质、化学引诱物、嗅觉信号、味觉信号和光子等。

（2）G蛋白：

G蛋白位于细胞膜的内侧，是能与GTP结合的蛋白家族，因而简称G蛋白，G蛋白的功能是偶联受体和效应器。G蛋白由G_α、G_β和G_γ 3种不同亚基组成，其中G_β和G_γ以二聚体的形式存在。当受体接受外来信号被激活后，三聚体的构象发生改变，与G_α结合的GDP被GTP置换，形成GTP-G_α复合物，激活相应的效应器蛋白，将信号向下游传递。当GTP-G_α复合物中的GTP被水解为GDP和G_α时，重新生成Gαβγ三聚体终止信号传递。

（3）cAMP：

cAMP是细胞内重要的第二信使，G蛋白激活细胞膜上的腺苷酸环化酶（AC），催化ATP生成cAMP。第一信使作用于靶细胞后在细胞质内产生第二信使，第二信使将获得的信息增强、整合，传递给效应器蛋白发挥特定的功能。

2.cGMP及其作用机制

cGMP也是一种环核苷酸，其浓度是cAMP的1/10，Ca2+对cGMP生成及cGMP生理反应的完成具有促进作用。cGMP还能激活一种cAMP依赖的磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE），参与对cAMP的代谢调节。

（二）钙调蛋白系统

钙调蛋白是第二信使系统的重要成分，其可以调控PDE、AC、磷酸化酶激酶和糖原合成酶等20余种酶的表达。CaM本身无活性，当细胞接受到刺激信号时，细胞质内Ca2+浓度上升，形成Ca2+-CaM复合物，此时CaM构象发生改变，参与信号的传递。Ca2+-CaM复合物可以活化AC、加速ATP生成cAMP、介导信号向下游传递；Ca2+-CaM复合物还可以活化磷酸化酶激酶的γ亚基，使磷酸化酶激酶的α和β亚基磷酸化。

（三）磷酸肌醇系统

磷酸肌醇是细胞膜的组成成分，多分布在细胞膜的胞质侧。其代谢过程为：受体接受细胞外信号后通过偶联蛋白激活PLC，催化PIP₂水解为IP₃和DAG，IP₃和DAG是细胞内的重要第二信使。IP₃可以激活内质网中的Ca2+通道，释放Ca2+进入细胞质中，引发一系列下游的反应。DAG可以结合PKC，在Ca2+和磷脂的作用下激活PKC。信号传递结束后，DAG可被DAG激酶磷酸化，形成磷脂酸而失活。

（四）TPK系统

TPK系统主要参与生长因子介导的细胞内信息传递，多为受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）。RTK为单次跨膜蛋白，胞内段具有酪氨酸激酶活性，且具有不同的酪氨酸残基自我磷酸化位点。

RTK-Ras-MAPKK信号途径：当细胞外配体与细胞膜上的RTK受体结合后，RTK受体通过自我磷酸化激活，接头蛋白GRB2和鸟苷酸交换因子介导Ras在细胞膜上形成复合物，随后Ras复合物上的GDP被GTP置换，Ras被活化后与Raf蛋白结合，进而逐级磷酸化下游促分裂原活化的蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MAPKK）、促分裂原活化的蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK），调控基因的表达。

（五）胞内受体信号系统

一些脂溶性信号分子介导的信号通路包括两个阶段，即初级反应和次级反应。初级反应是指当脂溶性配体透过细胞膜向细胞质中扩散，配体与胞内的受体结合，形成激素受体复合物，进入细胞核内与特异的非组蛋白结合，活化少数特殊基因转录，产生特异的mRNA，最后翻译形成某种调节蛋白行使功能。次级反应是对部分初级反应产物再活化，导致效应蛋白编码DNA，使之发生转录、翻译，产生次级反应蛋白，放大激素信号。

五、细胞间信息传递障碍相关的疾病

细胞间信息传递在维持细胞正常功能方面发挥重要作用，异常的信号转导，无论是配体、受体或受体后信号转导通路的任何一个环节出现障碍都可能会影响最终效应，使细胞增殖失控、分化异常、凋亡、代谢紊乱或功能失常，导致疾病的发生。

（一）受体异常与疾病

因受体数量、结构或调节功能的变化，导致配体与受体结合障碍，不能进行有效的信号传递，这类疾病称为受体病。例如，基因突变所致的低密度脂蛋白（LDL）受体缺失，引起血浆LDL的清除能力降低，导致家族性高胆固醇血症；重症肌无力患者胞内存在一种与烟碱型乙酰胆碱（nicotinic acetylcholine，nAch）受体结构相似的物质，其可作为一种抗原产生抗nAch受体抗体，干扰nAch受体与Ach结合，影响兴奋传递到肌肉组织，最终导致自身免疫性重症肌无力。

（二）G蛋白与疾病

G蛋白偶联受体是迄今发现的最大的受体超家族，其成员有1 000多个，对人类健康产生重要影响。当G蛋白功能异常时，可导致严重的疾病发生。例如，霍乱是由霍乱弧菌引起的肠道传染病，霍乱毒素可以激活G_α，并且可以使GTP酶活性丧失，不能将GTP分解为GDP，G_α被持续激活产生cAMP，开放离子通道，导致小肠细胞内Na+和水分子持续外流，产生严重的腹泻和脱水。

（三）细胞信号转导异常与肿瘤

正常细胞的生存和增殖受到精细化的网络调控，细胞发生癌变最显著的特点就是生长失控和分化异常。

1.生长因子受体类表达异常

某些生长因子受体蛋白在癌细胞中异常表达，影响细胞的生物学功能。例如，人表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）是表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）家族中的一员，HER2蛋白表达上调常与乳腺癌恶性进展和不良预后相关。

2.蛋白激酶表达异常

PKC在Ca2+、磷脂酰丝氨酸和DAG的共同作用下被激活，可以磷酸化靶蛋白丝氨酸或苏氨酸残基，进行信号的传递。有研究表明，在PKC缺失的结直肠癌中Wnt信号常被过度激活，促进肿瘤细胞的生长。

3.信号转导分子表达异常

Ras可通过结合GTP激活下游转导通路，在人体的肿瘤中常伴有Ras的突变，有研究表明，在非小细胞肺癌（NSCLC）患者中，大约30%的患者存在K-Ras（Ras家族成员）突变。

4.核蛋白表达异常

某些癌基因如Fos和Jun的表达产物位于核内，与DNA直接结合调节转录活性。Fra-1（Fos家族成员）在恶性肿瘤中常高表达，其可与上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）激活的TF、细胞因子相互作用，连同Fra-1的靶基因共同调控癌细胞的存活、增殖和转移。