生物化学与分子生物学/细胞内信号转导分子

细胞信号转导的分子机制 - 细胞信号转导概述 - 细胞内信号转导分子 - 细胞受体介导的细胞内信号转导 - 细胞信号转导的基本规律 - 细胞信号转导异常与疾病
细胞外的信号经过受体转换进入细胞内，通过细胞内一些蛋白质分子和小分子活性物质进行传递，这些能够传递信号的分子称为信号转导分子(signal transducer)。这些分子是构成信号转导途径的基础。依据作用特点，信号转导分子主要有三大类：小分子第二信使、酶、调节蛋白。受体及信号转导分子传递信号的基本方式包括：①改变下游信号转导分子的构象；②改变下游信号转导分子的细胞内定位；③信号转导分子复合物的形成或解聚；④改变小分子信使的细胞内浓度或分布等。

第二信使结合并激活下游信号转导分子

配体与受体结合后并不进入细胞内，但能间接激活细胞内其他可扩散、并调节信号转导蛋白活性的小分子或离子，这些在细胞内传递信号的分子称为第二信使(second messenger) , 又称细胞内小分子信使。如钙离子、环腺苷酸(cAMP)、环鸟苷酸(cGMP)、环腺苷二磷酸核糖、甘油二酯(diglyceride, DAG）、肌醇1,4,5-三磷酸(inositol triphosphate, IP₃）、花生四烯酸、神经酰胺、一氧化氮和一氧化碳等。

小分子信使传递信号具有相似的特点

上游信号转导分子使第二信使的浓度升高或分布变化 多数小分子信使的上游信号转导分子是酶类。这些酶被其上游信号转导分子激活，从而催化小分子信使的生成，使其浓度在细胞内迅速升高。如cAMP、cGMP、DAG、IP₃等都是以这种方式产生。Ca²⁺则是由其上游分子改变其在细胞内的分布。
小分子信使浓度可迅速降低 第二信使的浓度变化是传递信号的重要机制，其浓度在细胞接收信号后变化非常迅速，可以在数分钟内被检测出来。而细胞内存在相应的水解酶，可迅速将它们清除，使信号迅速终止，细胞回到初始状态，再接受新的信号。只有当其上游分子（酶）持续被激活，才能使小分子信使待续维持在一定的浓度。
小分子信使激活下游信号转导分子 小分子信使大都是蛋白质的别构激活剂，当其结合于下游蛋白质分子后，通过改变蛋白质的构象而将其激活，从而使信号进一步传递。

环核苷酸是重要的细胞内第二信使

目前已知的细胞内环核昔酸类第二信使有cAMP和cGMP两种。
1、cAMP和cGMP的上游信号转导分子是相应的核苷酸环化酶 cAMP的上游分子是腺苷酸环化酶(adenylate cyclase, AC), AC是膜结合的糖蛋白，哺乳类动物组织来源的AC至少有8型同工酶。cGMP的上游分子是鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase, GC), GC有两种形式，一种是膜结合型的受体分子；另一种存在于细胞质。细胞质中的GC含有血红素辅基，可直接受一氧化氮(NO)和相关化合物激活。
2、环核苷酸在细胞内调节蛋白激酶活性，但蛋白激酶不是cAMP和cGMP的唯一靶分子 cAMP的下游分子是蛋白激酶 A(protein kinase A, PKA)。PKA属于蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶类，是由2个催化亚基(C)和2个调节亚基(R)组成的四聚体。R亚基抑制C亚基的催化活性。cAMP特异性结合R亚基，使其变构，从而释放出游离的、具有催化活性的C亚基。
cGMP的下游分子是蛋白激酶G(protein kinase G, PKG)。PKG是由相同亚基构成的二聚体。与PKA不同，PKG的调节结构域和催化结构域存在于同一个亚基内。PKG 在心肌及平滑肌收缩调节方面具有重要作用。
环核苷酸作为别构效应剂还可以作用于细胞内其他非蛋白激酶类分子。一些离子通道可以直接受cAMP或cGMP的别构调节。
3、磷酸二酯酶催化环核苷酸水解 细胞中存在多种催化环核苷酸水解的磷酸二酯酶(phosphodiesterase, PDE)。在脂肪细胞中，胰高血糖素在升高cAMP水平的同时会增加PDE活性，促进cAMP的水解这是调节cAMP浓度的重要机制。PDE 对cAMP和cGMP的水解具有相对特异性。

脂质也可衍生出细胞内第二信使

磷脂酰肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使 磷脂酰肌醇激酶(PI kinase, PI-K)催化磷脂酰肌醇(phosphatidyl inositol, PI)的磷酸化。根据肌醇环的磷酸化轻基位置不同，这类激酶有 PI-3K、PI-4K和PI-5K等。而磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C(phospholipase C, PLC)可将磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP₂)分解成为 DAG和IP₃。
脂质第二信使作用于相应的靶蛋白分子 DAG是脂溶性分子，生成后仍留在质膜上。IP₃是水溶性分子，可在细胞内扩散至内质网或肌质网膜上，并与其受体结合。Ca²⁺通道是IP₃的受体，结合IP₃后开放，促进细胞钙库内的Ca²⁺迅速释放，细胞中局部Ca²⁺浓度迅速升高。 DAG和钙离子在细胞内的靶分子之一是蛋白激酶C(PKC)。PKC属于蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶。目前发现的PKC同工酶有12种以上，不同的同工酶有不同的酶学特性、特异的组织分布和亚细胞定位，对辅助激活剂的依赖性亦不同。

钙离子可以激活信号转导相关的酶类

钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征 细胞外液游离钙浓度远高于细胞内钙浓度，而细胞内的Ca²⁺则有90%以上储存于细胞内钙库（内质网和线粒体内），胞质内的钙浓度很低。如果细胞质膜或细胞内钙库的Ca²⁺通道开启，可引起胞外钙的内流或细胞内钙库的钙释放，使胞质内Ca²⁺浓度急剧升高。而Ca²⁺进入胞质后，又可再经细胞质膜及钙库膜上的钙泵(Ca²⁺-ATP酶）返回细胞外或细胞内钙库，维待细胞质内的低钙状态。
钙离子的下游信号转导分子是钙调蛋白 钙调蛋白(calmodulin, CaM)是一种钙结合蛋白，分子中有4个结构域，每个结构域可结合一个Ca²⁺。细胞质中Ca²⁺浓度低时，钙调蛋白不易结合Ca²⁺；随着细胞质中Ca²⁺浓度增高，钙调蛋白可结合不同数量的Ca²⁺,形成不同构象的Ca²⁺/CaM复合物。钙调蛋白本身无活性，形成Ca²⁺/CaM复合物后则具有调节功能，可调节钙调蛋白依赖性蛋白激酶的活性。
钙调蛋白不是钙离子的唯—靶分子 除了钙调蛋白，Ca²⁺还结合PKC、AC和cAMP-PDE等多种信号转导分子，通过别构效应激活这些分子。

NO等小分子也具有信使功能

细胞内一氧化氮(nitrogen monoxide, NO)合酶可催化精氨酸分解产生瓜氨酸和NO。NO可通过激活鸟苷酸环化酶、ADP-核糖转移酶和环氧化酶等而传递信号。除了NO以外，CO和H₂S的第二信使作用近年来也得到证实。

多种酶通过酶促反应传递信号

细胞内的许多信号转导分子都是酶。作为信号转导分子的酶主要有两大类。一是催化小分子信使生成和转化的酶，如腺苷酸环化酶、鸟苷酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶D(PLD)等；二是蛋白激酶，作为信号转导分子的蛋白激酶主要是蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶和蛋白质酪氨酸激酶。

蛋白激酶和蛋白磷酸酶可调控信号传递

蛋白激酶(protein kinase, PK)与蛋白磷酸酶(protein phosphatase, PP)催化蛋白质的可逆磷酸化修饰，对下游分子的活性进行调节。蛋白质的磷酸化修饰可能提高其活性，也可能降低其活性，取决于构象变化是否有利于反应的进行。它们对特定底物的催化作用特异性及其在细胞内的分布特异性决定了信号转导途径的精确性。
1、蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶和蛋白质酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶 蛋白激酶是催化ATP的γ-磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一类酶。迄今发现的蛋白激酶已超过800种。目前对蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶和蛋白质酪氨酸激酶类的结构与功能研究较多。
2、蛋白磷酸酶拮抗蛋白激酶诱导的效应 蛋白磷酸酶使磷酸化的蛋白质发生去磷酸化，拮抗蛋白激酶的作用，两者共同构成了蛋白质活性的调控系统。
蛋白磷酸酶的分类也是依据其所作用的氨基酸残基。目前已知的蛋白磷酸酶包括蛋白质丝氨酸／苏氨酸磷酸酶和蛋白质酪氨酸磷酸酶两大类。有少数蛋白质磷酸酶具有双重作用，可同时去除酪氨酸和丝氨酸／苏氨酸残基上的磷酸基团。

许多信号途径涉及蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶的作用

细胞内重要的蛋白质丝氨酸／苏氨酸激酶包括受环核苷酸调控的PKA和PKG、受DAG/Ca²⁺调控的PKC、受Ca²⁺/CaM调控的Ca²⁺/CaM-PK、受PIP₃调控的PKB及受丝裂原控制的丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)等。

蛋白质酪氨酸激酶转导细胞增殖与分化信号

蛋白质酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase, PTK)催化蛋白质分子中的酪氨酸残基磷酸化。酪氨酸磷酸化修饰的蛋白质大部分对细胞增殖具有正向调节作用，无论是生长因子作用后正常细胞的增殖、恶性肿瘤细胞的增殖，还是T细胞、B细胞或肥大细胞的活化都伴随着快速发生的多种蛋白质分子的酪氨酸磷酸化。

部分膜受体具有PTK活性 这些受体被称为受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase, RTK)。它们在结构上均为单次跨膜蛋白质，其胞外部分为配体结合区，中间有跨膜区，细胞内部分含有 RTK 的催化结构域。RTK与配体结合后形成二聚体，同时激活其酶活性，使受体胞内部分的酪氨酸残基磷酸化（自身磷酸化）。磷酸化的受体募集含有SH2结构域的信号分子，从而将信号传递至下游分子。
细胞内有多种非受体型的PTK 这些PTK本身并不是受体。有些PTK是直接与受体结合，由受体激活而向下游传递信号。有些则是存在于细胞质或细胞核中，由其上游信号转导分子激活，再向下游传递信号。

信号转导蛋白通过蛋白质相互作用传递信号

信号转导途径中的信号转导分子主要包括G蛋白、衔接体蛋白质和支架蛋白，其中许多信号转导分子是没有酶活性的蛋白质，它们通过分子间的相互作用被激活或激活下游分子。

G蛋白的GTP/GDP结合状态决定信号的传递

鸟苷酸结合蛋白(guanine nucleotide-binding protein, G protein)简称G蛋白，亦称GTP结合蛋白。分别结合GTP和GDP时，G蛋白处于不同的构象。结合GTP时处于活化形式，能够与下游分子结合，并通过别构效应而激活下游分子。G蛋白自身均具有GTP酶活性，可将结合的GTP水解为GDP, 回到非活化状态，停止激活下游分子。
1、三聚体G蛋白介导G蛋白偶联受体传递的信号 以αβγ三聚体的形式存在于细胞质膜内侧的G蛋白，目前已发现20余种。三聚体G蛋白的α亚基具有多个功能位点，包括与G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)结合并受其活化调节的部位、与防亚基相结合的部位、GDP或GTP结合部位以及与下游效应分子相互作用的部位等，α亚基具有GTP酶活性。在细胞内，β和γ亚基形成紧密结合的二聚体，其主要作用是与α亚基形成复合体并定位于质膜内侧。三聚体G蛋白是直接由G蛋白偶联受体激活，进而激活其下游信号转导分子，调节细胞功能。
2、低分子量G蛋白是信号转导途径中的转导分子 低分子量G蛋白(21kD)是多种细胞信号转导途径中的转导分子。Ras是第一个被发现的低分子量G蛋白，因此这类蛋白质被称为Ras超家族。目前已知的 Ras家族成员已超过50种，在细胞内分别参与不同的信号转导途径。例如，位于MAPK上游的Ras, 在其上游信号转导分子的作用下成为GTP结合形式Ras-GTP时，可启动下游的MAPK级联反应。
在细胞中存在些专门控制低分子量G蛋白活性的调节因子。有的可增强其活性，如鸟嘌呤核苷酸交换因子，促进G蛋白结合GTP而将其激活；有的可以降低其活性，如GTP酶活化蛋白等，可促进G蛋白将GTP水解成GDP。

衔接蛋白和支架蛋白连接信号转导网络

1、蛋白质相互作用结构域介导信号转导途径中蛋白质的相互作用 信号转导途径中的一些环节是由多种分子聚集形成的信号转导复合物(signaling complex)来完成信号传递的。信号转导复合物的形成是一个动态过程，针对不同外源信号，可聚集成不同成分的复合物。信号转导复合物形成的基础是蛋白质相互作用。蛋白质相互作用的结构基础则是各种蛋白质分子中的蛋白质相互作用结构域(protein interaction domain)。这些结构域大部分由50～100个氨基酸残基构成，其特点是: ①一个信号分子中可含有两种以上的蛋白质相互作用结构域，因此可同时结合两种以上的其他信号分子；②同一类蛋白质相互作用结构域可存在于不同的分子中。这些结构域的一级结构不同，因此选择性结合下游信号分子；③这些结构域没有催化活性。目前已经确认的蛋白质相互作用结构域已经超过40种。
蛋白质相互作用结构域是通过相应的结合位点而介导蛋白质分子间的相互作用。例如，一个蛋白分子中有SH2结构域，另一个蛋白质分子经磷酸化作用而产生SH2结合位点，两个蛋白质分子就可以通过SH2结构域和SH2结合位点相互作用。
2、衔接蛋白连接信号转导分子 衔接蛋白(adaptor protein)是信号转导途径中不同信号转导分子之间的接头分子，通过连接上游信号转导分子和下游信号转导分子而形成信号转导复合物。大部分衔接蛋白含有2个或2个以上的蛋白质相互作用结构域。例如表皮生长因子受体信号转导途径中的衔接蛋白Grb2就是由1个SH2结构域和2个SH3结构域构成的衔接蛋白，通过SH2和SH3结构域连接上下游分子EGFR和S0S1。
3、支架蛋白保证特异和高效的信号转导 支架蛋白(scaffold protein)一般是分子量较大的蛋白质，带有多个蛋白质结合域可将同一信号转导途径中相关蛋白质组织成群的蛋白质。支架蛋白结合相关的信号转导分子，使之容纳于一个隔离而稳定的信号转导途径内，避免与其他信号转导途径发生交叉反应，以维待信号转导途径的特异性；同时，它也增加了调控的复杂性和多样性。