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细胞生物学课程论文

细胞信号转导的途径、特点与研究进展

摘要：细胞信号转导是细胞间实现通讯的关键过程，是目前生命科学研究的一个重要内容。细胞信号转导途径包括细胞表面受体介导的信号转导途径和胞内受体介导的信号传导途径，并存在着各自的特点。本文阐述了细胞信号转导的主要途径、特点以及当前在此领域的研究进展，并对今后的一个研究方向作出展望。

关键词：细胞信号转导；途径；特点；研究进展；展望

信号分子是细胞的信息载体，分为亲脂性和亲水性两大类，亲脂性信号分子如甾类激素可穿过细胞质膜进入细胞与受体结合成复合物进而调节基因表达。亲水性信号分子如神经递质，只能通过与靶细胞表面受体结合，依靠细胞内产生的第二信使或酶引起细胞应答反应。细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信息分子的刺激，经细胞内信号转导系统转换，从而影响细胞生物学功能的过程，是细胞间实现通讯的关键过程。它对于多细胞生物间功能的协调、控制细胞的生长和分裂、组织发生与形态建成是必需的，已成为目前生命科学研究的一个重要内容。2O余年来其研究已取得重大进展，它已成为生物学最重要、发展最迅速的领域之一。 1．细胞信号转导的途径

1.1 通过细胞表面受体介导的信号转导途径

受体是一种能够识别和选择性结合信号分子的大分子，细胞表面受体主要有三类，分别是离子通道耦联受体，G蛋白耦联受体和酶连受体。受体结合特异性配体被激活后，通过信号转导途径将细胞外信号转换为胞内化学或物理信号，引发细胞反应。其中离子通道耦联受体是由多亚基组成的受体，本身既有信号结合位点，又是离子通道，其跨膜信号转导无需中间步骤。

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1.1.1 G蛋白耦联受体介导的信号传导

G蛋白偶联受体,又称为7个α螺旋跨膜蛋白受体,是人体内最大的蛋白质家族。

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在G蛋

白耦联受体介导的信号传导信号传递过程中，配体-受体复合物与靶蛋白的作用要通过与G蛋白的耦联，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。第二信使是指胞外信号分子与受体结合后,在胞内最早产生或发生浓度变化的信号分子,如cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+等,在激素作用中起信息传递和放大作用。由G蛋白耦联受体所介导的细胞信号主要包括以cAMP为第二信使的信号通路、磷脂酰肌醇双信使信号通路和G蛋

白耦联离子通道的信号通路。前者主要是通过cAMP激活的蛋白激酶A所介导的，通过调节cAMP的浓度，将细胞外信号转变为细胞内信号。该信号转导途径可表示为：激素→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→cAMP依赖的蛋白激酶A→基因调控蛋白磷酸化→基因转录。通过G蛋白耦联受体介导的另一条信号通路是磷脂酰肌醇双信使信号通路，其信号转导是通过效应酶磷脂酶C完成的。信号被质膜受体接受后，以G蛋白为中介，由质膜中的磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2产生肌醇－3－磷酸(IP3)和甘油二酯(DG)两种信号分子，又可称双信使系统。IP3通过调节Ca2+变化、DG通过激活蛋白激酶C(PKC)进行信息传导。 1.1.2 酶连受体介导的信号传导

酶连受体大多数都是单次跨膜蛋白，且结合配体后会发生二聚化，起动下游信号转导。受体酪氨酸激酶介导的信号转导途径主要有RAS途径、PI3K途径、磷脂酰肌醇途径等。其中RTK-Ras信号途径可概括如下：配体→RTK→接头蛋白→GEF→Ras→Raf（MAPKKK）

→MAPKK→MAPK→进入细胞核→转录因子→基因表达。受体酪氨酸磷酸酯酶信号转导途径为：配体→受体鸟苷酸环化酶→cGMP→依赖cGMP的蛋白激酶G(PKG)→靶蛋白的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化而活化。受体鸟苷酸环化酶信号转导途径为JAK－STAT或RAS途径。 1.2 胞内受体介导的信号传导

细胞内受体介导的信号通路的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白影响基因表达。 所以细胞内受体相当于是激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白（如Hsp90）结合形成复合物，处于非活化状态。信号分子与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，从而使受体暴露出DNA结合位点而被激活。这类受体一般都有三个结构域：位于C端的激素结合位点，中部结构域是DNA或Hsp90的结合位点，N端是转录激结构域。 1.2.1 甾类激素

甾类激素分子是化学结构相似的亲脂性小分子，分子相对质量为300Da左右，可以通过简单扩散跨越质膜进入细胞内与细胞质内各自的受体蛋白结合，形成激素-受体复合物，并能穿过核孔进入细胞核内。激素和受体的结合导致受体蛋白构象的改变，促使抑制性蛋白从复合物上解离，提高了受体与DNA的结合能力。激活的受体通过结合于特异的DNA序列调节基因表达。信号途径可概括为：配体（激素）结合→受体蛋白构象发生改变→抑制性蛋白解离→受体DNA结合位点暴露（受体被激活）→调节基因表达。 1.2.2 NO

NO是被发现的第1个气体信号分子，它是没有极性的分子, 因此不需要载体即可穿过质膜进行扩散至邻近细胞。内血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞。NO没有专门的储存

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及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NO的合成有关。NO的作用机理：乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。 2.细胞信号转导的特点

细胞信号转导系统是由细胞内多种不同的信号蛋白组成的信号传递链，通常包括4步反应：①细胞通过特异性受体识别细胞外信号分子。②信号跨膜转导。③通过胞内联级反应实现信号放大作用，并终致细胞活性改变。④由于信号分子失活，细胞反应终止或下调。根据受体在细胞上不同的定位，分为细胞表面受体介导和细胞内受体介导两大类信号转导途径。其中任何一种途径都必需先通过受体与配体结合，细胞内受体为胞外亲脂性信号分子所激活，而细胞表面受体为胞外亲水性信号分子所激活。受体与配体的作用具有高度亲和力，高度特异性和可饱和性的特点。在细胞内受体介导的途径中，信号分子直接进入细胞与相应受体结合，而在细胞表面受体介导的途径中，表面受体接受细胞外信号后要在胞内转换为第二信使进行信号的传递与放大。 3.细胞信号转导的研究进展

关于细胞信号转导的研究正在快速进展，已成为生命科学研究和医学研究中的一个热点领域。气体信号分子NO在心血管系统、神经系统等多方面的研究中都其着重要作用，已成为“明星分子”。在植物中，NO作为重要的信号分子, 与其它信号分子广泛参与植物抗逆防御反应、植物生长发育等许多信号转导过程。ROS、JA、SA 等信号途径可以分别作用于NO 的下游并介导NO诱发植物次生代谢产物合成。

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最新的一些研究结果也显示, NO信号转导途

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径与MAPK级联系统，ROS信号途径之间存在复杂的交叉调控。还有研究发现小鼠Bax可以激活长春花细胞中NO 信号转导事件并依赖NO信号途径介导长春花碱等次生代谢产物合成。

细胞信号转导的研究对更多疾病的发生机理有了新的解释。如霍乱或百日咳的发生是由于G蛋白功能异常所导致,蛋白激酶C的活性变化与高血压等疾病相关。现在已经证明癌症的发生也是由于信号途径的异常所致,许多癌基因以及抑癌基因都是细胞信号转导中的成分,正是由于它们的功能变异后细胞信号通路出现故障而导致癌症的发生。细胞信号转导的研究还为一些疾病的治疗提供了新的方法。如美国新技术可直接将神经信号变为声音，将大脑神经系统产生的电脉冲转换为声音信号。科学家在一位英国瘫痪青年的大脑中植入了一个电极，对单个元音字母的识别准确率已可以达到80％。随着研究的深入,目前的研究很多事关于多个信号通路之间的相互关系,而细胞信号转导网络的研究将使我们很好地认识到细胞交流时物质的相互作用。

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3.1 PI3K/Akt/mTOR信号转导研究进展

mTOR信号转导途径在细胞的增殖、生长、分化和生存的调节中起到重要作用,是肿瘤治疗的一个重要靶点。当刺激因子与细胞膜表面的受体结合后, P I3K被激活并聚集到细胞膜上将底物磷酸化。第二信使P IP3使Akt蛋白聚集到胞膜上,并将其激活。激活的Akt又激活其下游的mTOR，,之后与mTOR的调节相关蛋白结合形成一个对雷帕霉素敏感的复合物,调节两条不同的下游通路。在mTOR 信号通路中, 生长因子受体、PI3K、AKT等都是癌基因所编码的蛋白。现已发现许多肿瘤都伴有mTOR信号通路的调控异常,与肿瘤发生密切相关的细胞生长增殖、细胞周期调控、细胞迁移等都受到mTOR的调控。雷帕霉素及其衍生物通过与FK506 的结合蛋白FKBP12结合形成复合物,该复合物抑制mTOR的活性,从而能制肿瘤的发生。 3.2 信号转导通路与细胞凋亡研究进展

p38MAPK信号途径是MAPK 家族中的重要组成部分，在细胞分化、凋亡、迁移和增殖等反应中起着重要作用。近期研究表明p38MAPK 在细胞凋亡中起重要作用。有研究显示,p38MAPK参与了神经细胞凋亡过程中的信号转导,其表达的强弱预示神经细胞的存活与否,是细胞对不同损伤的应激反应表现。由于此通路对细胞凋亡的调控具有目标明确,效果明显和反应迅速的优势,有望成为调控细胞凋亡的关键通路之一。目前研究较多的细胞凋亡通路有凋亡受体通路、内质网通路、线粒体通路粒酶B介导途径和Anoika介导途径，其中凋亡受体通路是一条主要的细胞凋亡调控途径。研究发现绝大部分细胞凋亡通路最终都汇合成一个可激活caspase的中心死亡信号,正是caspase的激活才导致细胞死亡的最终事件。4. 展望

信号细胞转导是细胞代谢及细胞增殖、分化、衰老和调亡的基本调控途径。从以往的研究结果可以看出，对细胞信号转导的主要途径已经有了比较全面的了解。我们根据受体的位置将信号转导途径分为细胞表面受体介导的信号转导途径和胞内受体介导的信号转导途径两大类，并且已通过研究发现了很多分别属于两大类途径的更详细的完整途径。但是仍有许多问题有待我们通过进一步研究解决。首先，生物体中存在的各种信号途径肯定远远多于我们已经确定的途径，各大类途径还要经过长期的研究不断补充完善。尤其是在植物信号转导的研究中，此领域相对较新，一些在动物中已知道的信号途径，在植物的研究中都还需要发现与完善。再者，我们所知道的信号转导途径只是一个大体的转导步骤，而没有深入到其中更细致的物质间的相互作用与调节。信号系统实际上是一种信号网络，各信号通路之间是互相关联，互相作用的，而我们对细胞中这种信号网络的形成和各条通路中信号分子的相互作还知之甚少。所以我们可以采取新的研究技术与方法，通过不断的研究逐步完善信号途径，

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了解信号网络的形成以及信号分子之间的相互作用。

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