生物化學與分子生物學/細胞內信號轉導分子

細胞信號轉導的分子機制 - 細胞信號轉導概述 - 細胞內信號轉導分子 - 細胞受體介導的細胞內信號轉導 - 細胞信號轉導的基本規律 - 細胞信號轉導異常與疾病
細胞外的信號經過受體轉換進入細胞內，通過細胞內一些蛋白質分子和小分子活性物質進行傳遞，這些能夠傳遞信號的分子稱為信號轉導分子(signal transducer)。這些分子是構成信號轉導途徑的基礎。依據作用特點，信號轉導分子主要有三大類：小分子第二信使、酶、調節蛋白。受體及信號轉導分子傳遞信號的基本方式包括：①改變下游信號轉導分子的構象；②改變下游信號轉導分子的細胞內定位；③信號轉導分子複合物的形成或解聚；④改變小分子信使的細胞內濃度或分布等。

第二信使結合併激活下游信號轉導分子

配體與受體結合後並不進入細胞內，但能間接激活細胞內其他可擴散、並調節信號轉導蛋白活性的小分子或離子，這些在細胞內傳遞信號的分子稱為第二信使(second messenger) , 又稱細胞內小分子信使。如鈣離子、環腺苷酸(cAMP)、環鳥苷酸(cGMP)、環腺苷二磷酸核糖、甘油二酯(diglyceride, DAG）、肌醇1,4,5-三磷酸(inositol triphosphate, IP₃）、花生四烯酸、神經醯胺、一氧化氮和一氧化碳等。

小分子信使傳遞信號具有相似的特點

1. 上游信號轉導分子使第二信使的濃度升高或分布變化 多數小分子信使的上游信號轉導分子是酶類。這些酶被其上游信號轉導分子激活，從而催化小分子信使的生成，使其濃度在細胞內迅速升高。如cAMP、cGMP、DAG、IP₃等都是以這種方式產生。Ca²⁺則是由其上游分子改變其在細胞內的分布。
2. 小分子信使濃度可迅速降低 第二信使的濃度變化是傳遞信號的重要機制，其濃度在細胞接收信號後變化非常迅速，可以在數分鐘內被檢測出來。而細胞內存在相應的水解酶，可迅速將它們清除，使信號迅速終止，細胞回到初始狀態，再接受新的信號。只有當其上游分子（酶）持續被激活，才能使小分子信使待續維持在一定的濃度。
3. 小分子信使激活下游信號轉導分子 小分子信使大都是蛋白質的別構激活劑，當其結合於下游蛋白質分子後，通過改變蛋白質的構象而將其激活，從而使信號進一步傳遞。

環核苷酸是重要的細胞內第二信使

目前已知的細胞內環核昔酸類第二信使有cAMP和cGMP兩種。
1、cAMP和cGMP的上游信號轉導分子是相應的核苷酸環化酶 cAMP的上游分子是腺苷酸環化酶(adenylate cyclase, AC), AC是膜結合的糖蛋白，哺乳類動物組織來源的AC至少有8型同工酶。cGMP的上游分子是鳥苷酸環化酶(guanylate cyclase, GC), GC有兩種形式，一種是膜結合型的受體分子；另一種存在於細胞質。細胞質中的GC含有血紅素輔基，可直接受一氧化氮(NO)和相關化合物激活。
2、環核苷酸在細胞內調節蛋白激酶活性，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屬於蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶類，是由2個催化亞基(C)和2個調節亞基(R)組成的四聚體。R亞基抑制C亞基的催化活性。cAMP特異性結合R亞基，使其變構，從而釋放出遊離的、具有催化活性的C亞基。
cGMP的下游分子是蛋白激酶G(protein kinase G, PKG)。PKG是由相同亞基構成的二聚體。與PKA不同，PKG的調節結構域和催化結構域存在於同一個亞基內。PKG 在心肌及平滑肌收縮調節方面具有重要作用。
環核苷酸作為別構效應劑還可以作用於細胞內其他非蛋白激酶類分子。一些離子通道可以直接受cAMP或cGMP的別構調節。
3、磷酸二酯酶催化環核苷酸水解 細胞中存在多種催化環核苷酸水解的磷酸二酯酶(phosphodiesterase, PDE)。在脂肪細胞中，胰高血糖素在升高cAMP水平的同時會增加PDE活性，促進cAMP的水解這是調節cAMP濃度的重要機制。PDE 對cAMP和cGMP的水解具有相對特異性。

脂質也可衍生出細胞內第二信使

1. 磷脂醯肌醇激酶和磷脂酶催化生成第二信使 磷脂醯肌醇激酶(PI kinase, PI-K)催化磷脂醯肌醇(phosphatidyl inositol, PI)的磷酸化。根據肌醇環的磷酸化輕基位置不同，這類激酶有 PI-3K、PI-4K和PI-5K等。而磷脂醯肌醇特異性磷脂酶C(phospholipase C, PLC)可將磷脂醯肌醇-4,5-二磷酸(PIP₂)分解成為 DAG和IP₃。
2. 脂質第二信使作用於相應的靶蛋白分子 DAG是脂溶性分子，生成後仍留在質膜上。IP₃是水溶性分子，可在細胞內擴散至內質網或肌質網膜上，並與其受體結合。Ca²⁺通道是IP₃的受體，結合IP₃後開放，促進細胞鈣庫內的Ca²⁺迅速釋放，細胞中局部Ca²⁺濃度迅速升高。 DAG和鈣離子在細胞內的靶分子之一是蛋白激酶C(PKC)。PKC屬於蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶。目前發現的PKC同工酶有12種以上，不同的同工酶有不同的酶學特性、特異的組織分布和亞細胞定位，對輔助激活劑 的依賴性亦不同。

鈣離子可以激活信號轉導相關的酶類

1. 鈣離子在細胞中的分布具有明顯的區域特徵 細胞外液游離鈣濃度遠高於細胞內鈣濃度，而細胞內的Ca²⁺則有90%以上儲存於細胞內鈣庫（內質網和線粒體內），胞質內的鈣濃度很低。如果細胞質膜或細胞內鈣庫的Ca²⁺通道開啟，可引起胞外鈣的內流或細胞內鈣庫的鈣釋放，使胞質內Ca²⁺濃度急劇升高。而Ca²⁺進入胞質後，又可再經細胞質膜及鈣庫膜上的鈣泵(Ca²⁺-ATP酶）返回細胞外或細胞內鈣庫，維待細胞質內的低鈣狀態。
2. 鈣離子的下游信號轉導分子是鈣調蛋白 鈣調蛋白(calmodulin, CaM)是一種鈣結合蛋白，分子中有4個結構域，每個結構域可結合一個Ca²⁺。細胞質中Ca²⁺濃度低時，鈣調蛋白不易結合Ca²⁺；隨着細胞質中Ca²⁺濃度增高，鈣調蛋白可結合不同數量的Ca²⁺,形成不同構象的Ca²⁺/CaM複合物。鈣調蛋白本身無活性，形成Ca²⁺/CaM複合物後則具有調節功能，可調節鈣調蛋白依賴性蛋白激酶的活性。
3. 鈣調蛋白不是鈣離子的唯—靶分子 除了鈣調蛋白，Ca²⁺還結合PKC、AC和cAMP-PDE等多種信號轉導分子，通過別構效應激活這些分子。

NO等小分子也具有信使功能

細胞內一氧化氮(nitrogen monoxide, NO)合酶可催化精氨酸分解產生瓜氨酸和NO。NO可通過激活鳥苷酸環化酶、ADP-核糖轉移酶和環氧化酶等而傳遞信號。除了NO以外，CO和H₂S的第二信使作用近年來也得到證實。

多種酶通過酶促反應傳遞信號

細胞內的許多信號轉導分子都是酶。作為信號轉導分子的酶主要有兩大類。一是催化小分子信使生成和轉化的酶，如腺苷酸環化酶、鳥苷酸環化酶、磷脂酶C、磷脂酶D(PLD)等；二是蛋白激酶，作為信號轉導分子的蛋白激酶主要是蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶和蛋白質酪氨酸激酶。

蛋白激酶和蛋白磷酸酶可調控信號傳遞

蛋白激酶(protein kinase, PK)與蛋白磷酸酶(protein phosphatase, PP)催化蛋白質的可逆磷酸化修飾，對下游分子的活性進行調節。蛋白質的磷酸化修飾可能提高其活性，也可能降低其活性，取決於構象變化是否有利於反應的進行。它們對特定底物的催化作用特異性及其在細胞內的分布特異性決定了信號轉導途徑的精確性。
1、蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶和蛋白質酪氨酸激酶是主要的蛋白激酶 蛋白激酶是催化ATP的γ-磷酸基轉移至靶蛋白的特定胺基酸殘基上的一類酶。迄今發現的蛋白激酶已超過800種。目前對蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶和蛋白質酪氨酸激酶類的結構與功能研究較多。
2、蛋白磷酸酶拮抗蛋白激酶誘導的效應 蛋白磷酸酶使磷酸化的蛋白質發生去磷酸化，拮抗蛋白激酶的作用，兩者共同構成了蛋白質活性的調控系統。
蛋白磷酸酶的分類也是依據其所作用的胺基酸殘基。目前已知的蛋白磷酸酶包括蛋白質絲氨酸／蘇氨酸磷酸酶和蛋白質酪氨酸磷酸酶兩大類。有少數蛋白質磷酸酶具有雙重作用，可同時去除酪氨酸和絲氨酸／蘇氨酸殘基上的磷酸基團。

許多信號途徑涉及蛋白質絲氨酸/蘇氨酸激酶的作用

細胞內重要的蛋白質絲氨酸／蘇氨酸激酶包括受環核苷酸調控的PKA和PKG、受DAG/Ca²⁺調控的PKC、受Ca²⁺/CaM調控的Ca²⁺/CaM-PK、受PIP₃調控的PKB及受絲裂原控制的絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)等。

蛋白質酪氨酸激酶轉導細胞增殖與分化信號

蛋白質酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase, PTK)催化蛋白質分子中的酪氨酸殘基磷酸化。酪氨酸磷酸化修飾的蛋白質大部分對細胞增殖具有正向調節作用，無論是生長因子作用後正常細胞的增殖、惡性腫瘤細胞的增殖，還是T細胞、B細胞或肥大細胞的活化都伴隨着快速發生的多種蛋白質分子的酪氨酸磷酸化。

1. 部分膜受體具有PTK活性 這些受體被稱為受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase, RTK)。它們在結構上均為單次跨膜蛋白質，其胞外部分為配體結合區，中間有跨膜區，細胞內部分含有 RTK 的催化結構域。RTK與配體結合後形成二聚體，同時激活其酶活性，使受體胞內部分的酪氨酸殘基磷酸化（自身磷酸化）。磷酸化的受體募集含有SH2結構域的信號分子，從而將信號傳遞至下游分子。
2. 細胞內有多種非受體型的PTK 這些PTK本身並不是受體。有些PTK是直接與受體結合，由受體激活而向下游傳遞信號。有些則是存在於細胞質或細胞核中，由其上游信號轉導分子激活，再向下游傳遞信號。

信號轉導蛋白通過蛋白質相互作用傳遞信號

信號轉導途徑中的信號轉導分子主要包括G蛋白、銜接體蛋白質和支架蛋白，其中許多信號轉導分子是沒有酶活性的蛋白質，它們通過分子間的相互作用被激活或激活下游分子。

G蛋白的GTP/GDP結合狀態決定信號的傳遞

鳥苷酸結合蛋白(guanine nucleotide-binding protein, G protein)簡稱G蛋白，亦稱GTP結合蛋白。分別結合GTP和GDP時，G蛋白處於不同的構象。結合GTP時處於活化形式，能夠與下游分子結合，並通過別構效應而激活下游分子。G蛋白自身均具有GTP酶活性，可將結合的GTP水解為GDP, 回到非活化狀態，停止激活下游分子。
1、三聚體G蛋白介導G蛋白偶聯受體傳遞的信號 以αβγ三聚體的形式存在於細胞質膜內側的G蛋白，目前已發現20餘種。三聚體G蛋白的α亞基具有多個功能位點，包括與G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor, GPCR)結合併受其活化調節的部位、與防亞基相結合的部位、GDP或GTP結合部位以及與下游效應分子相互作用的部位等，α亞基具有GTP酶活性。在細胞內，β和γ亞基形成緊密結合的二聚體，其主要作用是與α亞基形成複合體並定位於質膜內側。三聚體G蛋白是直接由G蛋白偶聯受體激活，進而激活其下游信號轉導分子，調節細胞功能。
2、低分子量G蛋白是信號轉導途徑中的轉導分子 低分子量G蛋白(21kD)是多種細胞信號轉導途徑中的轉導分子。Ras是第一個被發現的低分子量G蛋白，因此這類蛋白質被稱為Ras超家族。目前已知的 Ras家族成員已超過50種，在細胞內分別參與不同的信號轉導途徑。例如，位於MAPK上游的Ras, 在其上游信號轉導分子的作用下成為GTP結合形式Ras-GTP時，可啟動下游的MAPK級聯反應。
在細胞中存在 些專門控制低分子量G蛋白活性的調節因子。有的可增強其活性，如鳥嘌呤核苷酸交換因子，促進G蛋白結合GTP而將其激活；有的可以降低其活性，如GTP酶活化蛋白等，可促進G蛋白將GTP水解成GDP。

銜接蛋白和支架蛋白連接信號轉導網絡

1、蛋白質相互作用結構域介導信號轉導途徑中蛋白質的相互作用 信號轉導途徑中的一些環節是由多種分子聚集形成的信號轉導複合物(signaling complex)來完成信號傳遞的。信號轉導複合物的形成是一個動態過程，針對不同外源信號，可聚集成不同成分的複合物。信號轉導複合物形成的基礎是蛋白質相互作用。蛋白質相互作用的結構基礎則是各種蛋白質分子中的蛋白質相互作用結構域(protein interaction domain)。這些結構域大部分由50～100個胺基酸殘基構成，其特點是: ①一個信號分子中可含有兩種以上的蛋白質相互作用結構域，因此可同時結合兩種以上的其他信號分子；②同一類蛋白質相互作用結構域可存在於不同的分子中。這些結構域的一級結構不同，因此選擇性結合下游信號分子；③這些結構域沒有催化活性。目前已經確認的蛋白質相互作用結構域已經超過40種。
蛋白質相互作用結構域是通過相應的結合位點而介導蛋白質分子間的相互作用。例如，一個蛋白分子中有SH2結構域，另一個蛋白質分子經磷酸化作用而產生SH2結合位點，兩個蛋白質分子就可以通過SH2結構域和SH2結合位點相互作用。
2、銜接蛋白連接信號轉導分子 銜接蛋白(adaptor protein)是信號轉導途徑中不同信號轉導分子之間的接頭分子，通過連接上游信號轉導分子和下游信號轉導分子而形成信號轉導複合物。大部分銜接蛋白含有2個或2個以上的蛋白質相互作用結構域。例如表皮生長因子受體信號轉導途徑中的銜接蛋白Grb2就是由1個SH2結構域和2個SH3結構域構成的銜接蛋白，通過SH2和SH3結構域連接上下游分子EGFR和S0S1。
3、支架蛋白保證特異和高效的信號轉導 支架蛋白(scaffold protein)一般是分子量較大的蛋白質，帶有多個蛋白質結合域可將同一信號轉導途徑中相關蛋白質組織成群的蛋白質。支架蛋白結合相關的信號轉導分子，使之容納於一個隔離而穩定的信號轉導途徑內，避免與其他信號轉導途徑發生交叉反應，以維待信號轉導途徑的特異性；同時，它也增加了調控的複雜性和多樣性。