第一节 细胞通信与信号转导
细胞通信( cell communication)是指细胞产生的胞外信号与靶细胞表面相应的受体结合，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，最终调解靶细胞的代谢、结构功能或基因表达，并表现为靶细胞整体的生物学效应。细胞信号转导( ( signal transduction)是实现细胞间通信的关键过程，它是协调细胞功能，控制细胞生长和分裂、组织发生与形态建成所必需的，也是细胞感知并应对外界环境刺激而进行生理学反应的基础。细胞内信号通路在演化上是高度保守的。
一、细胞通信
细胞通信可概括为三种类型：①信号细胞通过分泌胞外化学信号进行细胞间通信，这是多细胞生物普遍采用的通信方式；②细胞间接触依赖性通信( (contact.
dependent signaling) 细胞直接接触，通过信号细胞跨膜信号分子(配体)与相邻靶细胞表面受体相互作用；③动物相邻细胞间形成间隙连接( gap junction)、植物细胞间通过胞间连丝 (plasmodesma)使细胞间相互沟通，通过交换小分子来实现代谢偶联或电偶联，从而实现功能调控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：①内分泌( (endocrine)，在动物中由内分泌细胞分泌胞外信号分子(如激素)，通过血液或其他细胞外液运送到体内各相应组织，作用于靶细胞而发挥作用(图11-1A)。②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而发挥作用(图11-1B)，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；旁分泌方式对创伤或感染组织刺激细胞增殖以恢复功能也具有重要意义。③自分泌( (autocrine)，释放信号分子的细胞也是发挥效应的靶细胞，即对自身分泌的信号分子产生反应(图11-1C)。
自分泌信号常存在于病理条件下，如肿瘤细胞合成并释放生长因子刺激细胞自身，导致肿瘤细胞的增殖；此外，通过分泌信息素( pheromone)传递信息也属于通过化学信号进行细胞间通信，作用于同类的其他个体。④突触信号传递( synaptic signaling)，通过化学突触传递神经信号(图11-1D)，从作用范围来讲，也当属短距离局部作用，当神经细胞接受刺激后，神经信号以动作电位的形式沿轴突快速(100m/s)传递至神经末梢电压门控的Ca2通道将电信号转换为化学信号，即刺激突触前化学信号(神经递质或神经肽)小泡的分泌，在不到1ms的时间内化学信号通过扩散经过相距不足100mm的突触间隙到达突触后膜，再通过后膜上配体门控通道将化学信号转换回电信号，实现电信号一化学信号一电信号的快速转导。
细胞间另一种通信方式是接触依赖性通信，细胞直接接触而无需信号分子的释放，通过信号细胞质膜上的信号分子与靶细胞质膜上的受体分子相互作用来介导细胞间的通信(图11-1E)。这种通信方式包括细胞-细胞黏着、细胞-基质黏着等，这种接触依赖性通信在胚胎发育过程中对组织内相邻细胞的分化命运具有决定性影响。在胚胎发育过程中，部分胚胎上皮细胞层将发育成神经组织。最初相邻的上皮细胞是彼此相同的，但在发育过程中，某些单个上皮细胞通过独立分化成为神经细胞，而与其相邻的周边细胞则受到抑制保持非神经细胞状态。这是因为预分化形成神经细胞的细胞通过膜结合的抑制性信号分子(称为 Delta)与其相接触的周边细胞的膜受体( Notch，见 Notch信号通路)相互作用，阻止它们也分化为神经细胞。控制这一过程的信号是通过细胞间接触而传递的。这类膜表面的信号分子与受体基本类似，它们所介导的信号转导机制也基本相同。在接触依赖性通信缺陷的突变体中，有些细胞类型(如神经细胞)会过量发生。
动物细胞间的间隙连接或植物细胞间的胞间连丝同属通信连接，详见第十六章。
二、细胞的信号分子与受体
(一)细胞的信号分子
信号分子( signal molecule)是细胞的信息载体，种类繁多，包括化学信号诸如各类激素、局部介质( local mediator)和神经递质( neurotransmitter)等，以及物理信号诸如声、光、电和温度变化等。各种化学信号根据其性质通常可分为四类：①气体性信号分子( gaseous signal molecule)，包括NO、CO，可以自由扩散，进入细胞直接激活效应酶(鸟苷酸环化酶)产生第二信使(cGMP)，参与体内众多的生理过程，影响
细胞行为。②疏水性信号分子，主要是甾类激素和甲状腺素，是血液中长效信号( long lasting signal)，这类亲脂性分子小、疏水性强，可穿过细胞质膜进入细胞，与细胞内核受体( nuclear receptor)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，包括神经递质、局部介质和大多数蛋白质类激素，它们不能透过靶细胞质膜，只能通过与靶细胞表面受体结合，经信号转换机制，在细胞内产生第二信使或激活蛋白激酶或蛋白磷酸酶的活性，引起细胞的应答反应。④膜结合信号分子，表达在细胞质膜上的信号分子，通过与靶细胞质膜上的受体分子相互作用，引起细胞应答。表11-1列出了一些激素、局部介质、神经递质和接触依赖性信号分子(膜结合信号分子)。
二)受体
受体( ( receptor)是一类能够识别和选择性结合某种配体(信号分子)的分子，已经鉴定的绝大多数受体都是蛋白质且多为糖蛋白，少数受体是糖脂(如霍乱毒素受体和百日咳毒素受体)，有的受体是糖蛋白和糖脂组成的复合物(如促甲状腺素受体)。根据靶细胞上受体存在的部位，可将受体区分为细胞内受体( (intracellular recepor)和细胞表面受体cl- urface receptor)。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( (retinoic acid)，以及细胞或病原微生物的代谢产物、结构分子或者核酸物质；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(如神经递质、多肽类激素、生长因子)或膜结合型信号分子(细胞表面抗原、细胞表面黏着分子等)。根据信号转导机制和受体蛋白类型的不同，细胞表面受体又分属三大家族(图11-2)：
(1)离子通道偶联受体( ion channel-. coupled receptor)，是指受体本身既有信号(配体)结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤，又称配体门控通道( (ligand- -gated channel)或递质门控通道 ( transmitter-gated channel)
(2)G蛋白偶联受体(G- protein- coupled receptor，GPCR)，是细胞表面受体中最大的家族，普遍存在于各类真核细胞表面，根据其偶联效应蛋白的不同，介导不同的信号通路。
(3)酶联受体( enzyme-linked receptor)，一类是受体胞内结构域具有潜在酶活性，另一类是受体本身不具酶活性，而是受体胞内段与酶相联系。
不管哪种类型的受体，一般至少有两个功能域，结合配体的功能域及产生效应的功能域，分别具有结合特异性和效应特异性。细胞信号转导始于胞外信号分子与靶细胞表面受体的结合，受体结合特异性配体后而被激活，通过信号转导途径将胞外信号转换为胞内信号，结果诱发两类基本的细胞应答反应：一是改变细胞内特殊的酶类和其他蛋白质的活性或功能，进而影响细胞代谢功能或细胞运动等；二是通过修饰细胞内转录因子刺激或阻遏特异靶基因的表达，从而改变细胞特异性蛋白的表达量。一般而言，前一类应答反应比后一类反应发生得更快些。故前者称为快反应(短期反应)，后者称为慢反应(长期反应)(图11-3)。
对多细胞生物而言，一个细胞经常暴露于以不同状态存在的上百种不同信号分子的环境中，靶细胞对外界特殊信号分子的特异反应取决于细胞具有的相应受体。细胞对外界信号分子的敏感性既取决于细胞表面受体的数量，也取决于受体对配体的亲和性( (affinity)。通常，用受体与配体的结合试验来检测和决定其亲和性和特异性。对于完整细胞或细胞片段，受体的检测和估量通常根据它与放射性或荧光标记的配体的结合来进行。受体与配体是通过非共价键结合的，因此受体与配体的结合可以描述为可逆性的双分子相互作用的热动力学平衡反应，以R和[R]分别表示自由受体及其浓度，以L和[L]分别表示自由配体及其浓度，以RL和[RL]分别表示受体配体复合物及其浓度，则解离常数K值表
示受体与配体的结合亲和性高低，以下列公式表述
K：=RL/RL
K值代表细胞表面受体达到50%被占据时所需的配体分子浓度。K值低代表受体与配体的结合亲和性高K值高代表受体与配体的结合亲和性低。例如有两个受体：对受体1而言，Ka=10-7molL，对受体2而言，Ka=10-molL；则同样配体对受体2比受体1具有较高的亲和性。
受体与信号分子空间结构的互补性是二者特异性结合的主要因素，但并不意味受体与配体之间是简单的对一关系。不同细胞对同一种化学信号分子可能具有不同的受体，因此，不同的靶细胞以不同的方式应答于相同的化学信号；例如同为乙酰胆碱，作用于骨骼肌细胞引起收缩，作用于心肌细胞却降低收缩频率，作用于唾腺细胞则引起分泌。另外也有不同的细胞具有相同的受体，当与同一种信号分子结合时，不同细胞对同一信号产生不同的反应，或同一细胞不同的受体应答于不同的胞外信号产生相同的效应；如肝细胞肾上腺素或胰高血糖素受体在结合各自配体被激活后，都能促进糖原降解而升高血糖。绝大多数细胞同时具有多种类型的受体，应答多种不同的胞外信号从而启动不同的生物学效应，如存活、分裂、分化或死亡。由此可见，靶细胞一是通过受体对信号结合的特异性，二是通过细胞本身固有的特征对外界信号产生反应。
(三)第二信使与分子开关
20世纪50年代， Sutherland通过体外实验证明，向肝组织切片加入肾上腺素时，可明显导致糖原磷酸化酶活性增加，并促进糖原分解为葡萄糖，从而导致cAMP的发现。70年代初提出激素作用的第二信使学说 ( second messenger theory)，即胞外化学信号(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。 Sutherland正是通过阐明cAMP的功能并提出第二信使学说而获得1971年诺贝尔生理学或医学奖。他的研究结果一直作为基本模式指导着细胞信号系统的研究，并不断发展完善。第二信使( (second messenger)是指在胞内产生的非蛋白类小分子，其浓度变化(增加或减少)应答胞外信号与细胞表面受体的结合，调节细胞内酶和非酶蛋白质的活性，从而在细胞信号转导途径中行使携带和放大信号的功能。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，- -inositol trisphosphate，，)等(图11-4)。1987年，以色列科学家M. Benziman发现细菌可将两分子的GTP通过3，5-磷酸二酯键连接而成第二信使c-di-gMP，在细菌纤维素的合成中起重要调节作用。此后，c-di-gMP和c-i-AMP也被发现在细菌中起重要的第二信使作用。2012年，在霍乱弧菌中发现环化GMP-AMP( CGAMP，此为3，3- CGAMP)对于调节细菌的趋化性及毒性有重要作用。2013年，我国科学家陈志坚发现哺乳动物细胞也能够生成 CGAMP(此为2，3- CGAMP)，并作为第二信使激活天然免疫反应。
在细胞信号转导过程中，除细胞表面受体和第二信使分子以外，还有两类在演化上保守的胞内蛋白，其功能作用依赖于细胞外信号的刺激，这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起分子开关( molecular switch)的作用。
(1)GTP酶分子开关调控蛋白GTP酶分子开关调控蛋白构成细胞内GTP酶超家族，包括三聚体GTP结合蛋白和如Ras和类Ras蛋白的单体GTP结合蛋白。所有GTP酶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。GTP酶开关蛋白通过两种状态的转换控制下游靶蛋白的活性。信号诱导的开关调控蛋白从失活态向活化态的转换，由鸟苷酸交换因子( guanine nucleotide-exchange factor， GEF)所介导，GEF引起GDP从开关蛋白释放，继而结合GTP并引发开关调控蛋白(G蛋白)构象改变使其活化；随着结合的GTP的水解形成GDP和Pi，开关调控蛋白又恢复成失活的关闭状态；GTP的水解速率又被GTP酶促进蛋白( GTPAse- -accelerating protein，gaP)和G蛋白信号调节子( (regulator of G protein-signaling，gs)所促进，被鸟苷酸解离抑制物( guanine nucleotide dissociation inhibitor，gd所抑制(图11-5)。
(2)蛋白激酶/蛋白磷酸酶另一类最普遍存在的分子开关机制是通过蛋白激酶( protein kinase)使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸酶( protein phosphatase)使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性，E.g. Krebs和E.h. Fischer因为发现蛋白质磷酸化与去磷酸化作为种生物学调节机制而获得1992年诺贝尔生理学或医学奖。虽然这两种反应基本上是不可逆的，但综合蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性，蛋白质磷酸化和去磷酸化可为细胞提供一种“开关”机制，使各种靶蛋白处于“开启”或“关闭”的状态(图11-6)。蛋白质磷酸化和去磷酸化可以改变蛋白质的电荷并改变蛋白质构象，从而导致该蛋白质活性的增强或降低，是细胞内普遍存在的种调节机制，蛋白激酶和蛋白磷酸酶在几乎所有的信号通路中被普遍使用。在代谢调节、基因表达、周期调控中具有重要作用。据最近统计，人类基因组大约编码蛋白激酶560种，编码不同的蛋白磷酸酶有100种。在不同的细胞类型中，每种蛋白激酶在一套靶蛋白中磷酸化特殊的氨基酸残基，在动物细胞中有两种类型的蛋白激酶一类是将磷酸基团加在酪氨酸残基的羟基上，称为酪氨酸激酶，另一类是将磷酸基团加在靶蛋白丝氨酸或/和苏氨酸残基的羟基上，称为丝/苏氨酸激酶；并且所有蛋白激酶还结合磷酸化残基周围的特异性氨基酸序列。这两种酶的靶蛋白的活性变化都是通过蛋白激酶/蛋白磷酸酶开关调节的，并且具有靶蛋白特异性。
(3)钙调蛋白Ca2作为胞内第二信使，在调控细胞对多种信号的应答反应中发挥基本作用，许多GPCR和其他类型的受体是通过影响细胞质Ca2浓度而发挥作用的。在细胞处于静息状态下，细胞质中游离Ca浓度维持在亚微摩尔每升水平(约0.2μmol/L)，这是靠ATP驱动的钙泵持续工作的结果，即将游离Ca2不断运出胞外和运进内质网和其他膜胞腔内；若细胞质中游离Ca2浓度的小量升高，便会诱发各类细胞反应，包括内分泌细胞激素的分泌、胰腺外分泌细胞消化酶的分泌和肌肉的收缩等。钙调蛋白 (calmodulin，CaM)是细胞质中普遍存在的小分子蛋白，有148个氨基酸残基，每个CaM分子具有4个Ca2+结合位点，它作为行使多种功能的分子开关蛋白介导多种Ca2的细胞效应，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。
三、信号转导系统及其特性
(一)信号转导系统的基本组成及信号蛋白的相互作用
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(图11-7)：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由于激活受体构象改变，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( (signaling cascade)。④细胞应答反应。这种级联反应如果是通过酶的逐级激活，其结果可能改变细胞代谢活性；如果是通过表达基因调控蛋白，其结果可能影响发育；如果是通过细胞骨架蛋白的修饰，其结果则改变细胞形状或运动。⑤由于受体的脱敏( (desensitization)或受体下调(own- -regulation)，终止或降低细胞反应。
细胞信号转导系统是由细胞内多种行使不同功能的信号蛋白所组成的信号传递链。受体通过细胞内信号蛋白的相互作用而传播信号，这必然涉及信号蛋白之间靠何种机制保障彼此的精确联系。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，多种模式结合域经多重相互作用极大地拓展了细胞内信号网络的多样性。这些模式结合域通常由40~120个氨基酸残基组成，一侧有较浅凹陷的球形结构域、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H2( Src homology2 domain)是研究蛋白质互作的原型模式结构域，由约100个氨基酸残基组成，其定义源于逆转录病毒癌蛋白( oncoprotein)v-ps。具有SH2结构域的蛋白质家族，具有相似的三维结构，但每成员可特异性结合围绕磷酸酪氨酸残基的氨基酸序列(图11-8)。
1991年，进一步阐明了SH2结构域的基本功能，人类基因组大约编码115种SH2结构域，该蛋白质家族包括多种功能性成员：①酶，含有一或两个与催化序列相联系的SH2结构域，如蛋白激酶或蛋白磷酸酶结构域、磷脂酶C、 RaS GAP结构域、Rho家族GEF结构域；②癌蛋白和致病性互作( oncogenic protein and pathogenic interaction)，如人慢性粒细胞白血病BcrAb癌蛋白；③锚定蛋白( (docking protein)，如哺乳类ShcA(C端具SH2结构域，N端具PTB结构域)、胰岛素受体底物()等；④接头蛋白( adaptor)，含单个SH2和多个SH3结构域，如哺乳类的生长素受体结合蛋白2(Grb2)等；⑤调节蛋白( regulator)，许多SH2蛋白家族成员具有调节功能，如STAT介导的细胞因子信号通路；⑥转录因子。此外，人类基因组还大约编码253个SH3结构，结合富含脯氨酸序列(PXXP)。由于技术的进步和方法的完善，现在已有多种手段研究细胞内蛋白质-蛋白质之间的互作，为研究细胞内大分子互作及其复合物的组成提供了有力的工具，特别是包括人类在内的动物基因组序列的发现为研究细胞内分子间相互作用提供了条件。现在需要解决的问题是要利用计算学和统计学的原理来归纳已知的分子间相互作用信息，并且利用他们来推测未知分子间的相互作用，从而更深入地研究细胞的生命活动。此外还陆续发现许多其他蛋白质模式结构域及其结合基序的特异性(表112，图11-8)。
(二)细胞内信号蛋白复合物的装配
细胞内信号蛋白复合物的形成是信号蛋白间相互作用的结果，是实现细胞表面受体所介导的各种细胞内信号通路的重要结构基础。从细胞接受信号刺激到产生应答反应的过程中，信号蛋白复合物的形成有其重要生物学意义，即在时空上增强细胞应答反应的速度、效率和反应的特异性。概括起来，细胞内信号蛋白复合物的装配可能有三种不同策略：
(1)细胞表面受体和某些细胞内信号蛋白通过与大的支架蛋白结合预先形成细胞内信号复合物，当受体结合胞外信号被激活后，再依次激活细胞内信号蛋白并向下游传递(图11-9A)。
(2)依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合物，即表面受体结合胞外信号被激活后，受体胞内段多个氨基酸残基位点发生自磷酸化( autophosphorylation)作用，从而为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，形成短暂的信号转导复合物分别介导下游事件(图11-9B)。
(3)受体结合胞外信号被激活后，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(图11-9C)
(三)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以非共价键结合，形成受体配体复合物，简称具有“结合”特异性( binding specificity)，受体因结合配体而改变构象被激活，介导特定的细胞反应，从而又表现出“效应器”特异性( effector specificity)。此外，受体与配体的结合具有饱和性和可逆性的特征。
(2)放大效应( ( amplification)胞外信号分子(通常称为第一信使)与细胞表面受体结合，导致细胞内某些低分子量细胞内信号分子(称为第二信使)浓度的增加或减少(如Ca2+、cAMP)，例如肾上腺素在血液的浓度约10-1molL，当与细胞表面受体(GPCR)结合，激活胞内效应酶(腺苷酸环化酶)产生第二信使cAMP，其浓度可以快速升高10000倍达到10-mol/L转而与下游酶或其他蛋白质结合，修饰它们的活性，引发细胞内信号放大的级联反应，如果级联反应主要是通过酶的逐级激活，结果将改变细胞代谢活性。最常见的级联放大作用是通过蛋白质磷酸化实现的。
(3)网络化与反馈( feedback)调节机制每一个细胞都处于错综复杂的信号环境之中，包括各种激素生长因子、相邻细胞的表面蛋白，甚至危险信号等。这些信号分子相互作用，构成细胞信号的网络，激活不同的转录因子并调节不同的蛋白质表达，最终使细胞产生种有条理的生物学反应。细胞信号网络中的不同信号通路之间的相互作用，主要通过一系列正反馈( positive feedback)和负反馈( (negative feedback)来校正反应的速率和强度，把外界纷繁复杂的，甚至相互矛盾的信号进行归纳整理。细胞信号系统网络化及反馈调节是细胞生命活动的重要特征。
(4)整合作用( Integration)多细胞生物的每个细胞都处于细胞“社会”环境之中，大量的信息以不同组合的方式调节细胞的行为。因此，细胞必须整合不同的信息，对细胞外信号分子的特异性组合作出程序性反应，甚至作出生死抉择，这样才能维持生命活动的有序性。
