細胞生物學/細胞的主要信號轉導通路

細胞間信息傳遞 - 細胞間信息傳遞的方式和途徑 - 細胞的信號轉導及其關鍵分子 - 細胞的主要信號轉導通路 - 細胞信號轉導通路的整合與調控 - 細胞間信息傳遞障礙與疾病

G蛋白耦聯受體介導的信號轉導通路

G蛋白耦聯受體(GPCR)是細胞膜受體中的最大家族，所有真核細胞均使用G蛋白耦聯受體，其不僅介導大多數來自環境信號的刺激， 也可介導細胞之間的信號傳遞，包括激素、神經遞質和局部化學介質。人類的視覺、嗅覺和味覺（酸味除外）均依賴於G蛋白耦聯受體介導的信號轉導通路。人體中存在700多種G蛋白耦聯受體。作用於G蛋白耦聯受體的信號分子在結構和功能上多種多樣，而且相同的信號分子能激活許多不同種類的G蛋白耦聯受體，這些受體通常表達於不同類型的細胞中，與細胞的功能相關。信號分子（配體）與G蛋白耦聯受體結合後，激活G蛋白，啟動不同的信號轉導通路，產生各種生物學效應。G蛋白的下游效應蛋白比較複雜，主要是離子通道或與膜結合的酶包括腺苷酸環化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2及磷酸二酯酶。一般認為以離子通道為效應蛋白的配體-受體作用(G蛋白效應）快速而短暫，而以酶分子為效應蛋白的配體-受體作用(G蛋白效應）緩慢而持久。

G蛋白耦聯受體介導腺苷酸環化酶信號通路

在腺苷酸環化酶信號通路中，信號分子與G蛋白受體結合後，Gα亞基的首要效應是腺苷酸環化酶(adenylate cyclase, AC)，通過腺苷酸環化酶活性的變化，調節靶細胞內第二信使cAMP的水平，進而影響信號通路的下游事件。AC可以催化A TP分解形成cAMP，cAMP的主要作用是激活cAMP依賴性蛋白激酶A(PKA)，進而使下游靶蛋白磷酸化，從而調節細胞的新陳代謝。
信號分子通常是激素，如胰高血糖素、腎上腺素及去甲腎上腺素等。以腎上腺素為例介紹G蛋白耦聯受體介導的腺苷酸環化酶信號通路。腎上腺素的主要功能是調節糖代謝，促進肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中乳酸含量。腎上腺素由腎上腺分泌後通過血液到達肝細胞，與肝細胞膜表面的腎上腺素受體結合， 腎上腺素受體分為α及β兩個類型。腎上腺素對α及β兩型受體均起作用。受體與腎上腺素結合後，促進耦聯三聯體G蛋白構象改變，形成具有活性的GTP-Gsa,而GTP-Gsa激活腺苷酸環化酶，催化ATP環化形成cAMP(在細胞內濃度可達到10^-6mol/L),激活cAMP依賴性蛋白激酶A啟動下游信號通路。在腎上腺素介導的信號轉導通路中，雖然腎上腺素的濃度極低(10^-10～10^-8mol/L), 卻能產生5mmol/L的葡萄糖，激素的信號被逐級放大約300萬倍，即腎上腺素與受體結合後可以在極短的時間內使磷酸化酶的活性達到最大值。
依賴cAMP的蛋白激酶A在不同的組織中作用的底物不同，cAMP 通過活化或抑制不同的酶系統，使細胞對外界不同的信號產生不同的反應。例如，在肝臟和肌肉組織中，腎上腺素通過對這兩種細胞中合成和降解糖原的酶的詢控來調控糖代謝過程；而在脂肪細胞中，腎上腺素通過激活PKA促進磷脂酶的磷酸化，磷酸化的磷脂酶可水解甘油三酯，產生甘油和游離的脂肪酸分子，脂肪酸釋放到血液中，被其他組織攝取，為其提供能量。

G蛋白耦聯受體介導磷脂醯肌醇信號轉導通路

磷脂醯肌醇信號通路中細胞外的信號分子與細胞表面G蛋白耦聯型受體結合，通過膜上特定的G蛋白激活磷脂酶C(phospholipase C, PLC)，使細胞膜上的4,5-二磷脂醯肌醇(PIP₂)水解成1,4,5-三磷酸肌醇(IP₃)和二醯基甘油(DAG)兩個重要的細胞內第二信使，細胞外信號轉換為細胞內信號，IP₃擴散入細胞質中，DAG仍繼續留在細胞膜中，這一信號系統又稱為「雙信使系統」(double messenger system)。
1、IP₃動員細胞內質網中Ca²⁺的釋放，使胞內Ca²⁺濃度升高 IP₃是一種水溶性分子，產生後即可從細胞膜擴散至細胞質，與內質網膜上的受體結合，致使內質網膜上的Ca²⁺通道開放，Ca²⁺從內質網釋放入細胞質，啟動細胞內Ca²⁺信號系統，引發多種細胞反應。細胞內大部分Ca²⁺儲存在線粒體和內質網腔及其他細胞小囊中，細胞質中Ca²⁺濃度通常在極低水平(～10^-7mol/L)，細胞質中Ca²⁺濃度的輕微升高即能誘導多種細胞反應，因此細胞內Ca²⁺的水平是經過精確調控的。
當細胞外液中缺乏Ca²⁺時，肝臟及脂肪等組織細胞表面的受體與相關激素結合後通過IP₃誘導細胞質中Ca²⁺水平升高。細胞質中低濃度的Ca²⁺能夠提高通道受體與IP₃之間的結合力，從而增強IP₃門控的Ca²⁺通道的開放，導致儲備的Ca²⁺進一步釋放；然而，細胞質中如果存在高濃度的Ca²⁺，通道受體與IP₃之間的結合力卻降低，進而抑制IP₃誘導的細胞內儲備Ca²⁺的釋放。
2、DAG在Ca²⁺的協同下激活蛋白激酶C 脂溶性的DAG生成後仍留於細胞膜上，在有Ca²⁺磷脂醯絲氨酸存在的情況下，激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)。PKC是單一肽鏈的蛋白質，在未受外界信號刺激的細胞中主要分布在細胞質中、呈非活性結構；當細胞質中Ca²⁺水平升高時導致PKC結合至細胞膜的胞質面、受到DAG的作用而活化。因此PKC的激活依賴於Ca²⁺和DAG水平的升高，說明IP₃/DAG通路之間相互交叉。PKC的激活可以磷酸化的方式對胞內多種蛋白質進行修飾，啟動細胞的一系列生理和生化反應，在細胞生長和代謝等方面發揮著至關重要的作用。
3、Ca²⁺-CaM複合物介導多種細胞反應細胞外的信號分子除了能與G蛋白耦聯受體結合外，還能與其他幾種受體結合激活PLC的同工酶，導致IP₃介導的細胞質中Ca²⁺水平的升高。在一些特殊類型的細胞中，這些細胞質中游離的Ca²⁺是重要的第二信使，對細胞功能的影響舉足輕重。
在有些細胞中，細胞外信號分子與受體結合後，激活受體，經IP₃途徑使得細胞質中游離的Ca²⁺水平升高，直接活化一些轉錄因子。其中的機制為Ca²⁺與CaM形成複合物既能通過激活蛋白酶使得一些轉錄因子磷酸化，也能激活一些磷酸酶使另外一些轉錄因子的磷酸基團解離，從而改變這些轉錄因子的活性，進而調控基因的轉錄。

G蛋白耦聯受體調控離子通道

許多神經遞質受體如穀氨酸和5-羥色胺受體是配體門控離子通道，但也有一些神經遞質受體是G蛋白耦聯受體。其中一些受體的效應蛋白是Na⁺或K⁺通道，當神經遞質與這些受體結合後引起相關離子通道的開啟或關閉，導致細胞膜電位的改變。鼻腔中的嗅神經受體、眼睛中的光感受器也屬於 G蛋白耦聯受體，它們是通過激活細胞內第二信使間接調節離子通道的活性。
細胞內的信號轉導通路對細胞有兩種效應：①短期效應：幾秒到幾分鐘，對於已經存在的酶或蛋白質的活性進行調節，從而引起細胞代謝或功能的改變，大多數G蛋白耦聯受體介導的信號通路屬於這一類；②長期效應：數小時到數分鐘，有一些G蛋白耦聯受體主要通過激活或抑制基因轉錄引起細胞增殖或向不同類型的細胞進行分化，這類受體介導的信號通路具有長期效應。
細胞外配體與G蛋白耦聯受體結合後，激活G蛋白及其下游的效應蛋白如腺苷酸環化酶和磷脂酶C等，進而調節酶（或蛋白）的活性或基因的轉錄，實現信號的轉導過程。

具有酶活性受體介導的信號轉導通路

像G蛋白耦聯受體(GPCR)一樣，具有酶活性的受體也是跨膜蛋白，具有與配體結合的胞外結構域，但與GPCR不同的是，酶活性受體通常是單次跨膜， 其胞內部分具有酶的催化活性。這類受體主要包括酪氨酸蛋白激酶受體、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶受體、鳥苷酸環化酶受體和酪氨酸磷酸酶受體等。

Ras蛋白是酪氨酸蛋白激酶受體介導的信號通路中的關鍵組分

大多數酪氨酸蛋白激酶受體(TPKR)以單體形式存在於細胞膜上，當配體與TPKR結合後，能導致受體二聚體化，從而激活TPKR的酪氨酸激酶活性，使受體胞內段的酪氨酸殘基發生磷酸化。磷酸化的酪氨酸殘基可以與含有SH2結構域的蛋白質分子結合，啟動下游信號轉導。其中一種蛋白是生長因子受體結合蛋白2(growth factor receptor-bound protein 2, GRB2)，其能耦聯活化的受體和其他信號蛋白，參與諸如Ras-MAPK信號通路中；另一種蛋白是GPCR信號通路中的PLC，其下游的信號均與GPCR-PLC通路完全一致。
在真核細胞中，Ras蛋白是TPKR介導的信號通路中的一種關鍵組分。Ras蛋白是一種GTP結合蛋白，具有GTPase活性，Ras-GTP是其活化形式而Ras-GDP是其失活形式。

PI3K-Akt信號通路是酪氨酸蛋白激酶受體介導的經典信號通路

在TPKR介導的信號通路中，與TPKR受體結合的另一個重要分子是磷脂醯肌醇-3-激酶(PI3K)。PI3K是一種細胞膜結合酶，其不僅具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，還具有磷脂醯肌醇激酶活性，能使細胞膜上的磷脂醯肌醇發生磷酸化，磷酸化的磷脂醯肌醇是許多蛋白激酶的描定位點，可活化下游的蛋白激酶，啟動下游的信號通路。其中一條最典型的下游信號通路PI3K-Akt信號通路。活化的Akt能磷酸化多種靶蛋白，從而對細胞產生廣泛的影響，如細胞存活、細胞代謝和細胞骨架的調控等。
在PI3K-Akt信號通路中，當PI3K被TPKR激活後能夠磷酸化PI-4,5-P₂生成PI-3,4,5-P₃, PI-3,4,5-P₃能夠招募具有PH結構域的PDK1( 磷脂醯肌醇依賴性激酶1)和Akt轉位到細胞膜上。隨後PDK1磷酸化Akt活性位點上的蘇氨酸，胞質內的mTOR磷酸化Akl上的絲氨酸位點，使Akt完全活化，活化的Akt從細胞膜中解離進入細胞質和細胞核，進一步調控下游靶蛋白，產生生物學效應。
綜上所述，TPKR信號通路的下游信號通路根據招募的蛋白的不同至少包括3條重要的衍生信號通路：TPKR-PLC、TPKR-Ras-MAPK和TPKR-PBK-Akt信號通路，這些通路之間都存在相互交叉的聯繫，形成複雜的信號網絡。

TGF-β受體信號通路通過Smad將細胞外信號轉導到細胞核內

轉化生長因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)家族是一類在結構上相似的分泌型多肽生長因子，有近30種成員，包括TGF-β、BMP (bone morpho genetic protein)、activin等多個亞家族。TGF-β家族分子在合成後被分泌到細胞外，其活性形式大多為二聚體。TGF-β受體的胞內段均含有絲氨酸/蘇氨酸酶結構域，根據分子量大小可分為RⅠ、RⅡ和RⅢ受體3類。其中RⅢ受體負責結合和富集成熟的TGF-β, RⅠ和RⅡ受體為二聚體化的跨膜蛋白， 直接參與信號轉導。每種TGF書信號分子與相應的RⅡ結合後，RⅡ進一步招募RⅠ受體並與之結合，形成四聚體，從而將激酶結構域靠近，RⅡ受體磷酸化RⅠ受體胞內段的絲氨酸/蘇氨酸殘基， 激活RⅠ受體。活化的RⅠ受體直接結合併磷酸化下游的基因調節蛋白Smad家族。
Smad分子作為細胞內信號分子，將細胞外的TGF書信號轉導到細胞核內。根據功能不同，細胞內的Smad分子分為三類，即受體激活型Smad(R-Smad, 包括Smad1/2/3/5/8)、通用型Smad(Smad4)和抑制型Smad(Smad6/7)。TGF-β與細胞表面的受體結合，使受體活化，活化的受體進一步磷酸化細胞內的R-Smad分子。磷酸化的R-Smad分子在細胞質內與Smad4組成複合體，轉運到細胞核，發揮轉錄因子的作用，調控下游靶基因的表達。Smad分子由MHl和MH2兩個結構域以及連接它們的鉸鏈區組成，MHl結構域具有DNA結合能力，MH2結構域可與多種其他轉錄因子相互作用。由於細胞的生理狀態和分化情況不同，在不同的細胞中相同的TGF-β信號可以引起截然相反的調節作用。TGF-β還可以激活包括MAPK信號通路在內的其他信號通路，共同調節細胞的生命活動。TGF-β信號通路在控制細胞生長、增殖、分化以及個體與器官發育過程中起著重要作用。

酶連接受體介導的信號轉導通路

與具有酶活性的受體一樣，酶連接受體也是跨膜蛋白，但通常是單次跨膜，它們本身不具有酶的催化活性，而是直接與酶相關聯。細胞因子受體即屬於此類受體。
細胞因子受體介導的信號轉導通路在機體的許多生理反應中發揮著重要的調控作用。細胞因子是由細胞分泌並作用於其他細胞的一類小分子蛋白，能調控細胞的增殖及分化等行為，包括白介素(interleukin, IL)、干擾素(interferon, IFN)和促紅細胞生成素(erythropoietin, Epo)等。細胞因子受體的胞內段與細胞質酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)穩定結合，JAK家族包括4個家族成員JAKl、JAK2、JAK3和Tyk2。JAK能磷酸化並活STAT(signal transducers and activation of transcription)基因調控蛋白。STAT家族包含7個成員，存在於細胞質中，並且僅在被激活時才會遷移入細胞核，進一步調控下游基因表達。

蛋白質水解相關的信號轉導通路

除了前面提到的信號轉導通路外，生物個體內還存在一系列可控性的蛋白水解相關信號通路，一類為泛素化降解介導的信號通路如Wnt、Hedgehog和NF-κB等信號通路，另一類是蛋白切割(cleavage)介導的信號通路如Notch等信號通路。

泛素化降解介導Wnt、Hedgehog和NF-κB等信號通路

1、Wnt信號通路中β-catenin扮演轉錄激活因子和膜骨架連接蛋白的雙重角色 Wnt信號通路在個體的發育過程中發揮重要作用，但Wnt信號通路的過度活化或失活均會導致疾病或腫瘤的發生。Wnt信號通路有兩種細胞表面受體蛋白：①Frizzled(Fz)：含有7次跨膜α螺旋，能直接與Wnt結合；②共受體LRP：以Wnt信號依賴的方式與Fz受體結合。
當沒有Wnt信號時，細胞膜上的β-catenin發揮連接蛋白的作用，細胞質中的β-catenin結合由支架蛋白Axin介導的包含APC等蛋白的降解複合物。靜息狀態下，複合物中的兩個激酶CK1和GSK3能磷酸化β-catenin。隨後β-catenin中被磷酸化的一些基團招募泛素化連接酶TrCP, 泛素化的β-catenin 最終被26S蛋白酶體降解。細胞質內僅有低水平的β-catenin, 無法進入細胞核激活下游基因。
當細胞外存在高水平的Wnt信號時，Wnt與細胞膜表面受體Fz和LRP結合，磷酸化LRP受體的胞質結構域。複合物中的支架蛋白Axin結合到LRP磷酸化的胞質結構域，同時釋放出CK1和GSK3，導致β-catenin無法被GSK3和CK1磷酸化。因此，β-catenin不會被泛素化降解，在胞質中維持穩定。在這個過程中，還需要Dishevelled(Dsh)蛋白結合到Frizzled受體的胞內結構域以幫助游離的β-catenin維持穩定。游離的β-catenin進入細胞核，結合轉錄因子TCF並作為共激活子誘導下游靶基因的表達。
2、Hedgehog信號通路通過Ci/Gli轉錄因子將信號轉入細胞核 Hedgehog信號通路在胚胎發育過程中的異常可導致嚴重的發育異常或畸形，而且Hedgehog信號通路的異常激活與多種腫瘤的發生相關。Hedgehog(Hh)為分泌型蛋白，作用範圍一般為1～20個細胞，擴散距離越遠，濃度越低。不同濃度的Hh信號對靶細胞的效應不同，其產生受時間和空間的嚴格調控。Hh信號分子有兩種膜受體：Smoothened(Smo)和Patched(Ptc)。Smo是7次跨膜蛋白，Ptc是12次跨膜蛋白。在Hh信號不存在時，Ptc主要富集於細胞膜上，將Smo限制在細胞內膜泡中。Hh信號通路胞內蛋白複合物包含Fused(Fu)、Costal-2(Cos2)和Cubitis interruptus (Ci)蛋白，該複合物在細胞內主要結合在微管上。複合物中的轉錄因子Ci(脊椎動物中對應的同源基因為Gli)能被3種蛋白激酶磷酸化，磷酸化的Ci在泛素化連接酶和蛋白酶體作用下水解為Ci75片段，Ci75進入細胞核抑制下游靶基因的表達。
當Hh信號與細胞膜上的Ptc受體結合後，Ptc的活性被抑制並誘發內吞被溶酶體消化，從而解除了Ptc對Smo的限制作用，使Smo通過膜泡融合移位至質膜上並被CK1和PKA兩種激酶磷酸化。Fu和Cos2的磷酸化水平上升導致Fu/Cos2/Ci複合物從微管上解離下來。Cos2攜帶Fu結合到Smo的C端，Ci形成穩定形式並進入細胞核內與轉錄激活子CREB結合蛋白(CBP) 結合，促進靶基因的表達。
3、IκBα泛素化降解激活NF-κB信號通路 核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)是哺乳動物免疫系統的主要轉錄調控因子，能促進中性粒細胞遷移到炎症組織，也能在細菌刺激下誘導iNOS(一氧化氮合酶）的表達，以及產生一些抗凋亡蛋白抵抗細胞死亡。NF-κB信號通路的受體主要包括TNF α受體、Toll樣受體和IL-1受體。組成NF-κB異二聚體的p50和p65兩個亞基通過其N端的同源區形成二聚體並與DNA結合。在細胞沒有應急或感染的靜息狀態下，NF-κB和其抑制子IκB(inhibitors of NF-κB)α結合處於失活狀態。單分子IκBα結合到p50和p65異二聚體的N端同源區，核定位序列被隱藏。細胞在感染源或炎症細胞因子的短時間刺激下，胞內異三聚體複合物IκB激酶中的IKKβ亞基激活並被磷酸化。活化的IKKβ亞基進一步磷酸化IκBαN端的絲氨酸殘基，E3泛素化連接酶結合到這些磷酸絲氨酸位點對IκBα進行多泛素化修飾並誘導其被蛋白酶體降解。IκBα降解後，NF-κB的抑制被解除，其上的核定位序列暴露，引導NF-κB進入細胞核激活靶基因的轉錄。

通過蛋白切割(cleavage)激活Notch信號通路

在Notch信號通路中，受體是Notch, 與其對應的配體是Delta, 兩者皆是位於細胞膜表面的單次跨膜蛋白。一個細胞上的Delta與鄰近細胞上的Notch受體結合，Notch被激活，其胞外部分首先被MMP家族蛋白ADAM1O切割，釋放Notch受體的胞外段。隨後γ-secretase四蛋白複合體中的nicastrin亞基結合到Notch被切割後的殘餘部分，複合體中的蛋白酶Presenilin 1催化膜內切割並釋放Notch胞質片段。Notch胞質片段進入細胞核與轉錄因子相互作用影響基因表達。

細胞內受體介導的信號轉導通路

細胞內受體的配體大多為脂溶性小分子，它們可以透過細胞膜，進入細胞與細胞內受體結合而傳遞信號。

甾體類激素通過細胞核心受體介導基因表達調控

核受體的配體主要是類固醇激素、甲狀腺激素、視黃酸及維生素隊等脂溶性小分子甾體類激素。這些小分子進入細胞內，與其特異性的核受體結合改變其構象從而激活受體。被激活的受體與DNA上的受體結合元件結合，影響基因轉錄，從而調節生物體內平衡。甾體類激素誘導的基因活化分為兩個階段：①直接活化少數特殊基因轉錄的初級反應階段，發生迅速；②初級反應的基因產物再活化其他基因產生延遲的次級反應，對初級反應起放大作用。

NO以自由基的形式(NO·)介導細胞獨特的信號通路

1998年，美國科學家Robert F. Furchgott、 Louis J. Ignarro和Ferid Murad因發現NO(nitric oxide, NO)在心血管系統中起信號分子作用而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。NO以自由基的形式(NO·)介導細胞獨特的信號通路。NO可以快速地通過細胞膜，實現細胞與細胞間的彌散，使血管平滑肌舒張或作為神經遞質傳遞信號。NO的半衰期很短，在細胞外極不穩定，只能在組織中局部擴散，它的生成需要一氧化氮合成酶的催化。一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)催化L-精氨酸和氧分子，分解合成瓜氨酸和NO。NO的主要受體是可溶性的鳥苷酸環化酶，NO與鳥苷酸環化酶血紅素基團中鐵可逆性結合，引發其構象改變從而激活鳥苷酸環化酶，生成cGMP，而cGMP通過cGMP依賴的蛋白激酶G的活化從而使血管舒張。在運動過程中，刺激骨骼肌收縮的Ca²⁺反覆釋放，Ca²⁺與CaM結合，並激活NOS生成NO, NO彌散出骨骼肌，進入圍繞血管壁的平滑肌細胞，再通過激活GC生成cGMP使血管舒張。硝酸甘油可以治療心絞痛的原因就在於它可以在體內轉化為NO, 從而使血管舒張，減輕心臟負荷和心肌的缺氧量。