第四节 细胞信号转导的整合与控制
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。在许多情况下，细胞的适当反应依赖于接收信号的靶细胞对多种信号的整合以及对信号有效性的控制。
细胞对信号的应答反应具有发散性或收敛性特征
对特定胞外信号产生多样性细胞反应的机制通常有三种情况：
(1)细胞外信号的强度或持续时间的不同控制反应的性质。例如，在体外培养条件下，神经生长因子(NGF)诱导PCI2细胞分化为神经细胞；而上皮生长因子(EGF)则诱导PCI2细胞分化为脂肪细胞。通过延长生长因子刺激时间来强化EGF信号强度，则又转而引起神经细胞分化。虽然两种生长因子NGF和EGF都是RTK的配体，但与EGF相比，NGF是Ras-MAPK信号转导通路更强的激活子( activator)，而EGF受体只有延长刺激时间才可能激活这条信号通路。
(2)在不同细胞中，具有同样受体，但因不同的胞内信号蛋白，可引发不同的下游通路。在线虫(C elegans，)研究中已经证明，RTK受体介导的下游通路具有细胞类型特异性。EGF信号在不同的细胞类型中至少可诱发5种不同的反应，其中4种反应是由共同的Ras-MAPK信号通路介导的，而第5种反应涉及雌雄同体的排卵作用，则是利用一种不同的下游途径，该途径产生第二信使IP3，与内质网膜上IP3受体(IP3R)结合，动员Ca2释放，细胞质中Ca2水平升高，引发排卵。
(3)细胞通过整合不同通路的输入信号调节细胞对信号的反应。不同类型的受体特异性识别并结合各自配体，这些信号通过两条或多条信号途径，在向下游传递时经整联蛋白( Integrator protein 在细胞内汇聚、收敛( onvergence)去激活一个共同的效应器(如Ras或Raf蛋白)，从而引起细胞生理、生化反应和细胞行为的改变(图11-39)；来自细胞表面同一类受体(如Epo受体)激活Jak也可引发多种信号途径，导致信号传播的发散( divergence)，调节不同的基因表达，产生不同生理效应(见图11-32)。
二、蛋白激酶的网络整合信息
细胞各种不同的信号通路，主要提供了信号途径
本身的线性特征，然而细胞需要对多种信号进行整合和精确控制，最后作出适宜的应答。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)，它具有高度的非线性特点。人们对信号网络系统中各种信号通路之间的交互关系，形象地称之为交叉对话”( (cross talk)。或许可以把细胞信号转导比喻为电脑的工作，细胞接受的外界信号如同键盘输入的不同的字母或符号，细胞内各种信号通路及其组分如同电脑线路中的各种集成块，信号在这些集成块中流动经分析、整合，最后将结果显示在荧光屏上。在细胞中，这些经信号网络系统分析、整合后的信号最终表现为特定的生理学功能。但是最复杂的电脑恐怕也无法和最简单的细胞相比，电脑作为无生命的机械装置，简单的操作失误或线路故障，都可导致整个系统的瘫痪；而细胞则有一定的自我修复和补偿能力。
虽然我们对细胞信号系统的研究有了长足进展，但对其复杂关系的了解仍然是初步的。细胞信号系统的网络化相互作用是细胞生命活动的重大特征，也是细胞生命活动的基本保障之一。今后对以调节基因表达为主线的信号网络研究，将会愈来愈受到重视。根据已有事实发现，通过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(图11-40)。
图11-40概括了从细胞表面到细胞内的主要信号通路，从5条平行信号途径的比较不难发现：磷脂酶C既是GPCR信号途径的效应酶，又是RTK信号途径的效应酶，在两条信号通路中都起中介作用；尽管4条信号通路彼此不同，但在信号转导机制上又具有相似性，最终都是激活蛋白激酶，由蛋白激酶形成的整合信息网络原则上可调节细胞任何特定的过程。据最近统计，人类基因组编码蛋白激酶多达560种。因此不难理解蛋白激酶的网络整合信息是不同信号通路之间实现“交叉对话”的一种重要方式。
事实上，细胞信号网络的复杂性远比我们所了解的多。首先，还有许多信号途径不为人们所了解；其次，对主要途径的相互作用，我们只涉及了蛋白激酶，其他的正负调控及“交叉对话”却没有述及。对细胞信号转导过程中这些内容的研究和对信号传递过程非线性内涵的认识，将对我们深入了解多基因表达调控机制、发育机理、病理过程及疾病控制等方面产生重要的影响。
三、信号的控制：受体的脱敏与下调典型哺乳类细胞针对某种特殊配体的细胞表面受
体，只占质膜总蛋白的0.1%~5.0%，但是靶细胞对信号分子的最大细胞反应通常并不需要所有受体都被激活，细胞对胞外信号的敏感性既取决于表面受体的数量，又取决于受体与它们配体的亲和性( (affinity)。受体与配体的亲和性常常用受体一配体复合物的解离常数(K)来估量，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。因此K值越大，表明亲和性越小；相反，K值越小，则表明亲和性越大。
细胞对外界信号作出适度的反应既涉及到信号的有效刺激和启动，也依赖于信号的解除与细胞的反应终止，特别值得注意的是信号的解除与终止和信号的刺激与启动对于确保靶细胞对信号的适度反应来说同等重要。解除与终止信号的重要方式是在信号浓度过高或细胞长时间暴露某一种信号刺激的情况下，细胞会以不同的方式致使受体脱敏( desensitization)，这种现象又称之为适应( adaptation)，这是一种负反馈调控机制。以视杆细胞对周围光强度变化的适应为例，由光激活的视蛋白( opsIn，o)是视紫红质激酶( (rhodopsin kinase)的底物，活化的视蛋白其胞质面三个丝氨酸残基恰是视紫红质激酶的磷酸化位点，视蛋白的磷酸化一方面显著降低O分子激活Ga的能力，另一方面视蛋白胞质面磷酸丝氨酸位点又为胞质抑制蛋白 B-arrestin的结合提供了锚定位点， B-arrestin的结合完全阻断Ga与磷酸化O的相互作用，由于阻断G-GTP复合物的形成，从而关闭所有视杆细胞的活性。这种引发靶细胞对信号刺激的脱敏(适应)机制也是其他GPCR在高配体水平条件下引发脱敏反应的普遍机制，导致受体磷酸化的激酶包括PKA、PKC或G蛋白偶联受体激酶(GRK)家族(包括视紫红质激酶)。GRK只是结合已被激活的受体，使其C端胞质域特定氨基酸(丝氨酸/苏氨酸)残基磷酸化，从而为结合 3-arrestin提供锚定位点，这是GPCR脱敏的重要方式之一(图11-41)。随后的研究发现，β -arrestin不仅与磷酸化的受体结合，而且作为接头蛋白与两种包被蛋白组分—网格蛋白和AP2蛋白结合，介导细胞内吞作用；另外还通过结合并激活几种胞质蛋白激酶参与信号转导功能。
细胞可以适应刺激强度或刺激时间的变化，正是因为细胞可以校正对信号的敏感性。概括起来，靶细胞对信号分子的脱敏机制有如下5种方式
(1)受体没收( (receptor sequestration)细胞通过
配体依赖性的受体介导的内吞作用( (receptor- mediated endocytosis，)减少细胞表面可利用受体的数目，以网格蛋白/AP包被小泡形式摄入细胞，内吞泡脱包被形成无包被的早期内体，受体被暂时扣留，受pH降低的影响(pH5.0)，受体配体复合物在晚期内体解离，扣留的受体可返回质膜再利用(如LDL受体)，配体进入溶酶体被消化。这是细胞对多种肽类或其他激素受体发生脱敏反应的一种基本途径。有时即使缺乏配体结合的情况下，细胞通过批量膜流( (bulk membrane flow)也会使细胞表面受体以相对较低的速率被内化( (internalization)，然后再循环利用，从而减少细胞表面可利用受体的数目。
(2)受体下调( (receptor down- regulation)通过受体介导的内吞作用，受体一配体复合物转移至胞内溶酶体被消化降解而不能重新利用，因此细胞通过表面自由受体数目减少和配体的清除导致细胞对信号敏感性下调。受体激素复合物的内吞作用和它们在溶酶体内被消化，是细胞表面减少RTK和细胞因子受体种最基本的方式，从而降低细胞对胞外多肽类激素的敏感性。
(3)受体失活( (receptor inactivation))如前所述，GRK使结合配体的受体丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化，再通过与胞质抑制蛋白 I B-arrestin结合而阻断与G蛋白的偶联作用，这是一种快速使受体脱敏的机制。
(4)信号蛋白失活( inactivation of signaling protein)致使细胞对信号反应脱敏的原因不在于受体本身，而在于细胞内信号蛋白发生改变，如去磷酸化或者泛素化并降解，从而使信号级联反应受阻，不能诱导正常的细胞反应。
(5)抑制型蛋白质产生( (production of inhibitory proteIn)受体结合配体而被激活后，在下游反应中(如对基因表达的调控)产生抑制型蛋白质并形成负反馈环从而降低或阻断信号转导途径。
