本节介绍了信号转导的基本概念和基本原理，简要概述一些经典的细胞内信号通路，如：cAMP、肌醇磷脂、Ca ²⁺/钙调蛋白等信使系统。细胞内信号转导具有四种显著的特征。信号转导的机制涉及膜受体与配体的相互作用、翻译后的磷酸化、乙酰化、甲基化、糖基化、泛素化及蛋白酶裂解、异戊烯化等结构修饰和化学修饰、蛋白质间及蛋白质与DNA之间相互作用、基因转录与蛋白质翻译的调控。细胞内信号转导的主要通路有：G蛋白偶联受体家族、受体酪氨酸激酶、非受体酪氨酸激酶、受体丝/苏氨酸激酶、细胞因子、核受体等。

生物体在长期进化过程中，形成了对外界刺激特定的应答方式。对细胞来说，周围环境变化是触发细胞内信号转导的刺激源，是刺激细胞启动内在特有应答反应的一级信使。当它们作用于细胞后，通过细胞膜受体、离子通道等接受这些刺激信号并做出适应性改变，随后通过细胞内一系列信号分子（二级信使），调节多种蛋白质、脂质、离子等的功能，形成了特有的信号传递的级联反应，从而将这些外在信号顺序在细胞内至胞核中传递，调控相关靶基因的转录，以适时调整细胞的新陈代谢和相应的生物学行为（图13-1）。这一应答过程最主要的目的是使细胞保持内稳态（homeostasis），包括细胞本身的生存、代谢和功能的发挥。然而，这些生物应答过程的异常可影响细胞的新陈代谢和生物学行为，如增殖、分化、凋亡及死亡等，这就构成了各种疾病病理发展的细胞学基础，而由此衍生的各种病理过程决定了疾病的发生与发展。

传统上将那些细胞外能结合并激活受体的天然配体（ligand）称之为第一信使（first messenger），如肽、激素、神经递质、细胞因子、生长因子、炎症介质等。广义上，许多天然化学小分子、气体分子、离子、光、声波、氨基酸、胺、核苷酸、核苷以及机械刺激等也是启动细胞内信号传递的重要刺激源，因此也具有一级信使的作用。它们作用于细胞有其固有方式，如大多数水溶性激素并不能自由通过细胞膜的脂质双层，而是借助其表面的特异性受体，与之结合后介导细胞内相应的信号分子（二级信使）产生，从而启动细胞内的信号转导。而甾体类激素和甲状腺素等亲脂性分子，可以直接透过细胞膜进入细胞，与细胞内的特异性受体结合形成复合物，再进入细胞核与DNA顺式作用元件结合进而启动特异的基因转录、蛋白质翻译，发挥相应的生物学效应。

细胞接受细胞外刺激后（如受体与配体结合并激动后），通过调节特定的效应酶或离子通道直接诱发细胞内一些小分子物质浓度急剧变化，从而将胞外刺激信号传递到细胞内，如环腺苷酸（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），环 鸟 苷 酸 （cyclic guanosine monophosphate，cGMP），Ca ²⁺，二酰甘油（diacylglycerol，DAG）及 肌 醇 三 磷 酸 （inositol triphosphate，IP ₃）等。传统上将这些细胞内小分子物质定义为第二信使（second messenger）。但是由于这些小分子在信号转导级联反应中所处的位置，用“第二”来定义并不准确，因此越来越多被细胞内信号分子这一概念所替代。这些信号分子通过其浓度的变化，以浓度依赖方式调节细胞内相应效应器，从而行使信号的进一步转导，产生相应的生物学效应。这些胞内信使顺序地作用于下游底物，以级联反应方式将信号依次传递形成信号转导通路。

cAMP是 1957年由Earl W.Sutherland（1971年获诺贝尔生理学或医学奖）证实的首个细胞内信使。通常，配体如肾上腺素、胰高血糖素、甲状腺刺激激素等与细胞表面的特异性受体结合后，激活异源三聚体鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）。G蛋白是G蛋白偶联受体信号通路中的重要分子，自身具有GTP酶活性，由α、β和γ三个亚基组成，失活状态下三个亚基紧密结合。一旦G蛋白被激活，GTP置换出与G蛋白结合的GDP形成 GTP-G _α，从而释放 G _βγ二聚体，G _α 以及 G _βγ亚单位便可分别调节细胞内相应的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase，AC）。激活的 AC便以 ATP为底物催化生成cAMP，从而形成 cAMP信号，通过cAMP依赖性蛋白激酶即蛋白激酶 A（protein kinase A，PKA）、cAMP直接激活的交换蛋白（exchange protein directly activated by cAMP，Epac）及一些离子通道等来调节下游底物的生物学功能，从而发挥对细胞生物学反应的调节，如促进糖原分解、蛋白质合成、甘油三酯水解、抑制脂肪合成以及调控细胞的分裂与分化等。细胞内升高的cAMP可被磷酸二酯酶特异性降解为 5′-AMP而及时终止cAMP信号反应。此外，Gβγ异源二聚体不仅协同G α调节下游信号通路，还能够调控一系列独立的、非常重要的信号途径。由于G蛋白自身具有的 GTP酶水解活性，GTP-G α可被降解为GDP-G α而重新与 G _βγ结合，从而失去对 ACs的催化活性。

该信号系统是以肌醇磷脂代谢循环为基础形成的又一重要的胞内信号系统。受体激动后激活G _q，通过激活磷脂酶 C _β，从而将磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸（PIP ₂）分解为肌醇三磷酸（IP ₃）和二酰甘油（DAG），其中 IP ₃作用于内质网上特异的受体使其内钙释放增加，使细胞内Ca ²⁺快速升高（通常在数秒内达到峰值）后迅速下降，随后，IP ₃及其代谢产物 IP ₄还可作用于胞膜的受体或Ca ²⁺通道诱发胞外的Ca ²⁺内流（即外钙内流），缓慢诱导细胞内Ca ²⁺水平的增加，从而启动细胞内Ca ²⁺信号系统；而DAG则通过激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）来启动 DAG/PKC信号通路，对胞内相应的蛋白进行磷酸化修饰来发挥相应的生物学效应。当胞外刺激信号消失后，DG从PKC上脱落而使酶失活，与IP ₃分别进入各自的代谢途径而被进一步分解代谢，其最终代谢产物可作为肌醇磷脂的再生原料，重新生成PIP ₂，从而再次进入肌醇磷脂代谢循环。除此之外，肌醇磷脂、PIP及PIP ₂也可作为磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）的底物，通过进一步磷酸化产生IP ₃而启动PI3K信号通路。PI3K是由 p85调节亚单位和p110催化亚单位组成的异二聚体，在细胞存活、增殖、迁移与代谢的调节中具有重要作用。

静息状态下，胞内 Ca ²⁺为 0.1μmol/L，远远低于胞内钙库（如内质网、线粒体）及胞外的浓度（100～1000μmol/L）。因此，细胞在受到刺激后，无论是钙库的动员还是外钙内流都可显著增加细胞内钙水平。胞内Ca ²⁺浓度的增加，促进了胞内与Ca ²⁺具有高度亲和力的蛋白质和酶的结合，从而调控下游的蛋白激酶、蛋白磷酸酶、钙通道和钙泵等发挥相应的生物学效应。在众多与Ca ²⁺结合的蛋白中，有的可起到缓冲Ca ²⁺浓度和运载Ca ²⁺的作用，如肌集钙蛋白（calsequestrin）、钙网织蛋白（calreticulin）等。更为重要的是，一些蛋白质在与Ca ²⁺结合后可诱发自身构象变化而促进与下游靶酶的结合，从而调控其活性，例如CaM、肌钙蛋白及S100蛋白家族等。其中，CaM是一个高度保守、高表达的Ca ²⁺结合酸性蛋白。Ca ²⁺-CaM复合物本身并不具有内在催化活性，一旦胞内 Ca ²⁺显著升高后，可使 CaM 中心的α-螺旋暴露而以高亲合力（～10 ^-9mol/L）结合许多重要的靶酶，这种多分子复合体之间的相互作用有利于进一步改变靶酶的分子构象，如钙调蛋白依赖性激酶、钙调神经磷酸酶（calcineurin，CN）等，使得靶酶自身的酶活性抑制作用消失而激活，从而调控下游信号靶标而发挥生物学效应。当Ca ²⁺浓度下降，CaM与靶酶通常会迅速解离，使得靶酶的分子构象重新转变回到了无活性状态。目前已发现受CaM调节的酶多达100余种，这些酶参与环核苷酸代谢、蛋白质磷酸化、蛋白质脱磷酸化、钙转运及细胞骨架重排等，在胚胎发育、细胞分裂、凋亡、细胞分泌及肌肉收缩等生命活动中发挥重要作用。

除上述经典细胞内信号分子以外，活性氧（reactive oxygen species，ROS）、神经酰胺（ceramide）、双环二聚鸟苷酸（cyclic diGMP）、花生四烯酸、一氧化氮（nitric oxide，NO）、硫化氢（hydrogen sulfide，H ₂S）、K ⁺和 Zn ²⁺等都是调控细胞内信号通路的重要信号分子。例如Zn作为一种微量元素，参与维持胞内许多酶的生物活性及核内重要转录因子的构象。研究发现它不仅可作为一种信号分子参与抑制蛋白质酪氨酸磷酸酶，调控金属硫蛋白等基因的表达等细胞内信号转导过程，而且在肥大细胞，高亲合力免疫球蛋白E受体1（high affinity immunoglobin E receptor，Fc ε RⅠ）可直接诱导核周区包括内质网游离锌的释放而形成锌波（zinc wave），通过抑制磷酸酶而调节细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）的活性，从而作为一种新型的胞内信号分子参与调控白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）及 肿 瘤 坏 死 因 子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）基因的表达。这些发现不仅丰富了人们对生物学效应与信号通路关系的纵向认识，更巨大地拓展了对细胞内各种信号通路交互作用的横向理解。

作为一种生物反应通路，细胞内信号转导通路具有许多特点：①级联放大效应。各种生物信号在不同信号分子间的传递通常伴有信号强度的逐级放大效应，同时在不同水平和层次上具有特异性精细反馈调控机制。②胞内信号通路的网络化效应。生物长期进化的结果是，细胞通常利用有限的功能效应分子行使多样性生物学功能，因此，一方面，胞内一个效应分子可同时接受多种信号进行处理，另一方面，同一刺激可诱导胞内许多效应分子的共同应答，从而出现同一条信号通路可同时调节多种生物学功能，而同样的生物学效应又可同时接受细胞内多条信号通路的共同调节，这便形成了胞内各种信号通路之间相互作用以及信号通路与生物学效应之间的网络化效应。③非线性化。为了便于理解，人们常常愿意将胞内信号通路中各种效应分子简单地理解为上下游关系而将信号传递链直线性化，实际上，这仅仅是基于人们对现有知识的了解而形成的简单模型，因为效应通路中很多效应分子的功能多样性往往使得信号通路变得非常复杂。此外，许多效应分子之间的相互作用常常在时间和空间尺度上也并无明确的线性关系，例如刺激受体所诱导的细胞内cAMP增加往往在不同区域同时发生，分别行使不同的功能。④信号通路的细胞特异性。不同物种、组织或细胞可利用长期生物进化而形成的特有的（有时为共同的或相似的）胞内信号通路对相应的生物学功能进行调节。信号通路的特异性取决于通路中上下游效应分子的可用性，而后者则由以下因素来决定：作为效应分子的基因表达产物表达的分布特异性；来源相同基因的不同剪切产物效应的时空特异性；蛋白翻译后共价修饰的细胞组织特异性和相同效应分子不同的亚细胞定位的特异性。

将细胞胞外刺激信号传递到细胞内是一个复杂过程，它涉及了众多物理、化学及生物化学反应。在这里，主要以胞内各种信使效应分子间作用的生物反应过程为基本线索来介绍信号传导的一些基本机制。细胞内一条特定信号通路的形成正是这些信使与效应分子以及效应分子与效应分子之间作用的有机组合。

关于受体与配体的定义可参阅第七章。通常，对于那些离子通道受体来说，通道总是处于“关”和“闭”两种状态，而对于大多数膜受体来说则复杂得多。比如，七次跨膜受体在特异性配体结合后，通过受体的构象变化，增加了受体与胞质内相关信号分子如G蛋白的偶联，通过招募胞内一些重要的信使蛋白分子来启动胞内信号转导通路，从而发挥相应的生物学效应。与此同时，受体本身也可通过“受体减敏”“内化”，转录下调等方式适时终止来自配体的持续刺激，从而形成了精细的负反馈调控机制。

研究发现，许多膜受体与配体的结合所启动信号转导并非单体形式，而是受体与配体结合后诱发协同效应受体以“聚体”的形式来发挥作用，然而，受体“二聚化”或“寡聚化”，甚至与其他受体共同形成“异源聚体”受体的生物学意义并不完全清楚，近来受到人们格外的关注。此外，许多跨膜受体其游离的胞质片段以其特有的结构域提供了与许多效应分子相互作用的平台。在配体激动下，这些效应分子与受体的结合可以不完全依赖于受体的构象变化。

细胞内蛋白质是生命活动的重要执行者。它在核糖体翻译后，许多新合成的蛋白质都需要经过进一步特定的翻译后修饰才能发挥相应的生物学功能。这些修饰既包括蛋白质自身结构的修饰，也包括对原有结构的共价修饰。对于某些蛋白质来说，具有的特定空间构象是其行使生物学功能所必需的，尤其是含有亚基的蛋白质，其功能往往是通过构象的变化来调节。蛋白质在接受一定刺激后，自身构象发生的适应性变化，其目的有的是为了暴露或遮蔽其活性位点，有的是为了增加或减少与靶蛋白的结合。变构效应（allosteric effect）就是指某些分子或离子在与蛋白质分子某一部位结合后，可导致该蛋白质分子另一部位构象变化，进而改变蛋白质活性的现象。因此，具有变构效应的蛋白质称为变构蛋白，而将能诱导蛋白质产生变构效应的分子或离子称为变构效应物。

共价修饰也是调节酶、结构蛋白及转录因子活性的重要机制。在各种共价修饰中，最常见的包括磷酸化、乙酰化、甲基化、糖基化、异戊烯化及蛋白酶性裂解（proteolytic cleavage）。而值得一提的是，一些氨基酸残基可同时有多种共价修饰方式，如丝苏氨酸残基，除主要的磷酸化修饰外，也可有糖基化及乙酰化的共价修饰，再如组蛋白的赖氨酸残基既可进行乙酰化修饰，也可进行甲基化修饰，这些不同的共价修饰之间的相互作用也可参与蛋白质功能的调节。目前已知需要进行共价修饰调节的酶已达100余种，它们对调控胞内信号转导、细胞生命活动具有非常重要的作用。此外，共价修饰也可有助于某些蛋白质在细胞内发挥功能时的靶向定位。

蛋白质的可逆性磷酸化过程是调节其功能，尤其是酶活性的关键机制。所谓磷酸化就是蛋白质在蛋白激酶作用下，将磷酸基团转移到底物蛋白质特定氨基酸残基的共价修饰过程。胞质中1/3以上的蛋白质含有共价结合的磷酸基。通过磷酸化修饰，可使蛋白质氨基酸链上的丝氨酸、苏氨酸以及酪氨酸残基带有一个负电荷。由于这些带中性电荷的氨基酸残基通常都位于表面以及调节性蛋白亚单位之间的界面上，磷酸化的结果改变了蛋白质的化学性质，结果可使该蛋白能识别、结合、激活/失活，磷酸化/脱磷酸化其底物，经过多步这种蛋白质之间磷酸化/脱磷酸化过程，形成了胞内信号传递的级联反应，最终可影响一些转录因子的活性，调节基因的转录。在这个系统中，通常至少包括两种基本成分，即蛋白激酶催化磷酸化反应，磷酸酶催化脱磷酸化反应。通过磷酸化修饰，不仅为细胞内信号转导的特异性提供了重要的基础，更为重要的是，它可使胞内信号在不断的传递中得到进一步放大和维持。例如，通过酶的级联反应，最终的输出信号较原始信号的强度可增加千万倍。据估计，人类至少存在 1000种以上的蛋白激酶，由此也可知磷酸化修饰对细胞生命活动的重要性。根据磷酸化靶氨基酸种类的不同，可分为两大类：即丝/苏氨酸蛋白激酶和酪氨酸蛋白激酶。

真核细胞内蛋白质的乙酰化是一个很普遍的现象，在蛋白质翻译过程中，大约85%的蛋白质可在 N末端乙酰基转移酶作用下进行 N ^α-端的乙酰化修饰，这种修饰对蛋白质的功能影响不一。大量研究证实，组蛋白在组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）的作用下，可在赖氨酸的ε-氨基团上添加一个乙酰基而中和赖氨酸残基上的阳性电荷，通过这种对组蛋白静电学特性的影响来改变组蛋白与DNA的相互作用，使染色体结构变得更为松散开放，从而促进靶基因的转录、复制、DNA修复、调控细胞周期和干细胞分化等，成为了细胞表观遗传的一个重要机制。目前发现细胞内至少有30种以上的组蛋白乙酰转移酶，如 CBP/p300、Gcn5/PCAF及 SRC-1等，它们对组蛋白赖氨酸残基的修饰具有一定的底物特异性。与蛋白质 N ^α-端的翻译性乙酰化修饰不一样的是，这种赖氨酸残基的乙酰化修饰是一个高度可逆的过程，这种去乙酰化过程主要由组蛋白去乙酰酶来调节。已经证实至少存在18种脱乙酰基酶，包括组蛋白去乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）1～11以及SIRT1～SIRT7，与 HAT相似的是，这些脱乙酰基酶对组蛋白赖氨酸残基也具有一定的特异性。

除组蛋白外，许多非组蛋白，包括酶、细胞骨架蛋白（如α-tubulin）、分子伴娘（如热休克蛋白 90）、入核因子（如importin-α），尤其是一些转录因子，如p53、NF-κB、STATs及 GATAs等，以及核受体，如雄激素受体、雌激素受体利用特异性乙酰基转移酶进行乙酰化修饰，调节蛋白质的稳定性、蛋白质与蛋白质之间的相互作用，以及与DNA的结合活性及转录活性，从而参与许多生物学过程。

对蛋白质甲基化修饰的研究最早可追溯到 1939年 Schoenheimer的工作。20世纪80年代就发现，精氨酸、赖氨酸以及二羧氨基酸等残基在高度特异的甲基转移酶（methyltransferase）作用下可伴有甲基化修饰，甲基转移酶的特异性不仅体现在氨基酸残基上，还包括底物蛋白质的三级结构，但是对其生物学意义的认识并不清楚。直到20世纪 90年代，随着分子生物学技术的快速发展，对蛋白质甲基化修饰的研究才逐渐增多，对其功能也有了新的认识，目前成为了研究的热点。

已证实可进行精氨酸残基甲基化修饰的蛋白质有：组蛋白、纤维蛋白（fibrillarin）、核仁素、脚手架连接因子 A（scaffold-attachment factor A）、STATs、髓磷脂碱蛋白以及hnRNP蛋白。对于精氨酸甲基化修饰，PRMT即原先称之为蛋白质甲基化酶Ⅰ，可特异性识别Gly-Arg-Gly和Gly-Ala-Arg基本序列，这个家族根据其基本序列及对底物的特异性的不同至少有 9种甲基转移酶亚型，即 PRMT1～9。它们可根据甲基化活性进一步分为两大类，Ⅰ类可形成N ^G单个不对称二甲基-L-精氨酸，Ⅱ类可形成单个对称性二甲基-L-精氨酸。ε-N-甲基-赖氨酸残基以及N ^G-甲基-L-精氨酸残基可去甲基化形成瓜氨酸残基，这可指导带有瓜氨酸残基的蛋白质进行降解或者是再生，但对其机制尚不清楚。相比之下，已证实可进行赖氨酸残基甲基化修饰的蛋白有组蛋白、钙调蛋白、细胞色素C，二磷酸核酮糖氧合酶/羧化酶（Rubisco）、热休克蛋白、核糖体蛋白以及肌动蛋白等。对赖氨酸甲基化修饰的研究目前主要集中在组蛋白上。

甲基化蛋白在细胞内水解后，可形成游离的N ^G-甲基-精氨酸以及ε-N-甲基-赖氨酸，前者可作为NO合酶的竞争性抑制剂抑制精氨酸向瓜氨酸的转化，调节NO的生成；而后者可转化为肉毒碱参与细胞内脂肪酸的运输，相比之下，对于蛋白质结合状态的甲基-精氨酸以及甲基-赖氨酸来说，甲基化修饰的结果使其参与了细胞内多种生物学过程，包括信号转导、mRNA剪切、NAD激酶调节、生物矿化、蛋白质稳定、蛋白质与蛋白质间相互作用、染色质重构、细胞增殖、神经发生等。

据估计，人体内一半以上的蛋白质都有糖基化修饰，它们是细胞表面的主要标志物以及主要的分泌性蛋白质。 N-糖基化修饰是哺乳动物最常见的糖基化形式，是在内质网中蛋白质的Asn-Xaa-Ser/Thr序列的天（门）冬酰胺残基上共价结合一个低聚糖的前体，再由糖苷酶Ⅰ、Ⅱ及内质网甘露糖苷酶修剪，随后在UDP-葡萄糖依赖的葡萄糖基转移酶作用下进行再糖基化以协助糖蛋白的折叠，最后在高尔基体内进一步修饰而成。而 O-糖基化修饰相对少见，是在 N-乙酰氨基半乳糖苷酶的作用下，在丝、苏氨酸残基的羟基上直接添加聚糖而成。作为一种重要的翻译后修饰，目前发现许多胞质、胞核蛋白如转录因子、激酶、磷酸酶、细胞骨架蛋白、核激素受体、核孔蛋白、肌动蛋白调节蛋白都具有这种修饰。糖基化修饰对于蛋白质的稳定性、构象、介导受体与配体以及与其他蛋白质（包括糖结合蛋白）的相互作用，因此在细胞内信号转导也具有十分重要的作用，参与了细胞生长、发育、免疫反应、肿瘤生长及迁移、抗凝、微生物感染等许多生物学过程。然而，由于葡聚糖所固有的异质多样性和修饰的复杂性，以及单个糖基转移酶浓度的改变可同时影响许多蛋白质的糖基化程度，在不同物种、细胞以及疾病发生的各个时期都有明显的不同，因此，这些都大大增加了糖基化研究的难度。质谱技术对糖基化修饰的研究十分重要，近年来逐渐兴起的糖组学（glycoproteome）可望加快研究进程。

蛋白质的生命期为数小时到数天。一个蛋白质功能发挥的程度与其合成速率、翻译后修饰的程度以及降解速率密切相关。除经典的溶酶体内非特异性降解外，蛋白质可利用一些特异性机制如泛素-蛋白酶体通路进行靶向降解，使蛋白质功能的发挥具有严格的时空特异性。该通路是在靶蛋白的赖氨酸残基上，先后经三种酶即泛素活化酶E1、泛素运载蛋白E2以及泛素连接酶E3的顺序作用以共价结合的形式添加一个或多个泛素后（即泛素化），即可被多亚单位蛋白酶体，26S蛋白酶体特异性降解，由于该蛋白酶体含有脱泛素酶，在泛素化蛋白进入多蛋白酶体核心前可分解泛素链使泛素进入新的循环而不被降解。泛素是一个高度保守仅由76个氨基酸组成的小分子蛋白，其有7个赖氨酸残基，一旦结合在底物蛋白上，其余的泛素会依次在其赖氨酸48和63位点上继续添加泛素，形成与底物蛋白相连的泛素链。近来研究证实，带有赖氨酸48位点泛素链的底物蛋白主要指导进行蛋白酶体降解，而带有赖氨酸63位点泛素链的底物蛋白则可通过非蛋白酶体通路启动激酶反应级联而激活NF-κB、参与DNA修复及受体内化等。此外，与其他翻译后修饰不同的是，泛素化蛋白可使底物蛋白具有新的三级结构，这种三级结构的多样性对蛋白质-蛋白质之间相互作用的形成十分有益，从而使泛素化具有了新的生物学功能。

在真核细胞，有一些蛋白质在蛋白质异戊烯转移酶（包括法尼酰基转移酶，二牛龙牛儿基转移酶Ⅰ型和Ⅱ型）作用下可在其C末端连有一个15碳的法尼基（即法尼基化，farnesylation）或者一个20碳的二牛龙牛儿基（即二牛龙牛儿基化，geranylgeranylation）。类异戊二烯属于脂类，因此这些异戊二烯基有疏水性，有助于蛋白质对质膜的锚定，而且也可作为一种分子把手与一些可溶性蛋白质的疏水沟结合而有助于这些脂化蛋白质与其他蛋白质之间的相互作用，这种翻译后修饰即蛋白质的异戊烯化。有的异戊烯化蛋白还可进一步在C末端进行蛋白水解、甲基化以及连接一个16碳的棕榈酰进行进一步修饰，从而增加该蛋白与膜的锚定作用以及调节该蛋白在不同的质膜区域的运动。目前研究主要集中在G蛋白以及小G蛋白如Ras、Rho及Rac家族。前者是连接细胞膜受体与胞内效应分子的重要媒介，而Ras是质膜上作为一个控制从膜受体到转录因子的生长信号分子开关，其突变参与了许多肿瘤的发生与发展。此外，研究证实，异戊烯化对一些蛋白质的亚细胞定位也具有重要作用，通过调节细胞内信号转导通路，参与调控细胞黏附、增殖、恶性转化及增殖。有趣的是，他汀类药物除降脂以外，它对蛋白质异戊烯化的调节可能是其免疫调节作用的一种重要机制。

翻译后修饰还有棕榈酰化（palmitoylation），即在半胱氨酸残基上在棕榈酰酰基转移酶作用下共价结合脂肪酸棕榈酸酯。目前发现至少可修饰100种以上蛋白质，涉及信号转导通路的多个环节，如脂筏内高度富集、指导底物蛋白的膜定向与结合，调节许多跨膜蛋白如离子通道、七次跨膜受体及整合素的运输，酶的活性及底物选择性等。肉豆蔻酰化（myristoylation）是在 N-肉豆蔻酰基转移酶催化下将肉豆蔻酯共价结合到许多信号转导蛋白分子的N末端的甘氨酸残基上，以此来调节其生物学功能，如 G _{α s}、ADP核糖基化因子、丝/苏、酪氨酸蛋白激酶及某些钙结合蛋白。SUMO化，即在底物蛋白上利用泛素活化酶E1及泛素运载蛋白E2样酶使底物蛋白的赖氨酸残基添加了一个小分子蛋白SUMO而成，其调节机制并不清楚。但比泛素化可能具有更为广泛的生物学效应，如参与调控p53及NF-κB的转录活性等。ADP核糖基化（ribosylation）尽管相对于其他翻译后修饰少见，但在信号转导、DNA修复、转录控制、基因组稳定性、细胞死亡及转化中也扮演重要角色。

蛋白质的相互识别及有序的相互作用，参与细胞内纷繁复杂的信号转导通路的形成，主要机制包括：①蛋白质之间相互作用引起的构象变化参与调控蛋白质生物活性；②直接的物理结合可增加效应酶与底物的结合；③信号复合体中的一些蛋白质有助于相关蛋白效应分子的细胞内靶向定位；④为信号传递过程中其他效应分子的结合提供物理平台，如细胞内大量存在的接头蛋白（adaptor）等。信号转导过程中，蛋白复合体通常是由多种蛋白质利用其分子内结构域的相互作用以多种方式结合而形成的。它们的结合模式大致可分为两类：一类是“结构域-结构域”模式，即相互作用蛋白利用各自的未折叠的结构域形成的界面进行结合；另一类是“结构域-肽”模式，即复合体中一种组分是借助一段短基序（motif）与另一组分的结构域结合而成。此外，由于这种肽序列不需要具有能预先形成三维折叠的结构，而且可以插入到结构域的末端，有助于实现亚细胞的靶向定位。通常，发生相互作用的蛋白质的表面都具有良好的形状和电荷互补性，由此形成的相互作用结合具有可逆性。例如在受体激动后，有些效应分子预先形成了与GTP-G蛋白互补的界面，从而可以招募其他的效应分子来传递信号，而另外一些蛋白质效应分子则通过构象变化的方式来传递信号，而在上游信号终止后，它们这些效应分子间的结合也随之消失。此外，许多蛋白质还具有多结构域的分子转换，以应对上游的多个信号并对输出信号进行整合。目前已知的结构域包括：SH2、SH3、PH、PTB以及PDZ等。

细胞内信号传递的最终目的大多数与调控目的基因的转录有关，而胞质内许多由蛋白质携带的生物信号正是通过蛋白质与DNA的相互作用将胞质信号进一步向核内传递的。与DNA结合的蛋白质通常有酶（如聚合酶、解螺旋酶、核酸酶、异构酶、连接酶等）、组蛋白、转录因子及甾体激素受体等。研究发现，蛋白质与DNA的主链和碱基均可结合，这是基于它们在结构上的互补性，利用静电相互作用、氢键、范德华力以及疏水性相互作用来完成。但不同蛋白质与DNA结合的特异性却有很大差别。研究证实，DNA与蛋白质结合在复制、转录、重组、包装、DNA修复、辅激活因子（coactivator）及阻遏物（repressor）的形成都具有十分重要的作用。

染色质重塑（chromatin remodeling）的过程便是在转录起始及延长过程中，核小体构象变化，这种非共价修饰可导致组蛋白-DNA连接的重排并动员核小体到DNA模板。而RNA聚合酶、转录因子及辅助因子共同形成的转录起始复合体可协助染色质的重塑并结合到靶基因转录起始位点，启动基因转录。转录合成的前体mRNA（pre-mRNA）通过进一步PolyA、剪切等转录后修饰形成编码各种特定蛋白的最终转录本，再从胞核运输到核糖体进行蛋白质翻译，再经翻译后修饰等最终成为成熟蛋白质而发挥相应的生物学功能。在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但可通过基因修饰，改变蛋白质间、DNA和其他分子的相互作用，而影响和调节遗传基因的功能和特性，并通过细胞分裂和增殖周期影响遗传。DNA甲基化（DNA methylation）就是指在DNA甲基转移酶的催化下，以S-腺苷蛋氨酸为甲基供体，将甲基转移到特定碱基上，参与基因转录调控。

在哺乳动物，目前已发现G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor，GPCR）家族有 1000 个以上的成员，其中200余种受体的内源性配体是已知的，其余受体因其配体不明确被称之为孤儿受体（orphan receptor）。GPCR是机体感受细胞外刺激最为主要的一类受体，因其具有7次α螺旋跨膜区也称之为七次跨膜受体。GPCR的分类可参见第七章。GPCR参与许多生理和病理过程，是目前临床上一半以上药物作用靶点。一旦配体与受体激动后，引起G蛋白的各种翻译后修饰，随后便可与受体胞内段相互作用而使G蛋白活化。同时，一些调控G蛋白信号的效应分子也参与了G蛋白GTP酶活性的调节。相互分离的G _α亚基及G _βγ亚单位二聚体则可分别激活/抑制细胞内的信号分子改变胞内信使的含量及分布，而这些胞内的信使作用于相应的靶分子，进而改变细胞的代谢过程和基因表达以及功能的改变。可见G蛋白是调控GPCR信号转导的重要开关分子。根据G _α亚基的特性可将G蛋白分为四类，G _{α s}、G _{α i}/G _{α o}、G _{α q}/G _{α 11}及 G _{α 12}/G _{α 13}。它们所调控的信号通路如下：

_s/AC/cAMP G _{α s}由 GNAS 基因编码，可同时产生多个转录剪切本，如XL _α及 Nesp55，具有组织分布特异性。G _{α s}主要介导受体依赖的AC激活导致细胞内 cAMP升高，从而调节下游信号通路。

G _{α i}及 G _{α o}表达量较高，激活后以及由此产生大量的游离G _βγ都可调节多种AC而抑制细胞内cAMP的产生。百日咳毒素可特异性诱导大多数 G _{α i}及 G _{α o}成员（除 G _{α z}）的 C 末端的ADP-核糖基化，从而阻止它们与受体的结合而发挥对G _i/o的抑制。

₁/PLC /DAG、IP ₃、Ca ²⁺ G _q/11家族中 G _q和 G ₁₁广泛表达，另外一些成员如 G _{α 14}、G _{α 15/16}表达有组织特异性。它们都可激活PLCβ _1/3/4型而诱导大量胞内第二信使产生来发挥生物学效应。

由于缺乏特异型G _12/13抑制剂，而且G _q/11偶联受体也可激活 G _12/13，因此它的信号通路较为复杂。通过表达构造型激活G _{1 2/1 3}证实了该家族可调节大量的效应分子，如磷脂酶 A ₂、Na ⁺/H ⁺交换体等。例如，通过鸟苷酸交换因子如 p1 1 5-RhoGEF，PDZ-RhoGEF及 LARG可诱导RhoA的激活。此外，通过胞质段可结合大量蛋白，如与Ⅰ/Ⅱ类钙黏素结合而诱导β连环蛋白释放，其他包括 Bruton酪氨酸激酶、Ras GTPase活化蛋白 Gap1 m、根蛋白（radixin）、热休克蛋白90等。

除G _α以外，G _βγ也参与调控大量的下游效应分子。包括：某些类型的 AC、PLC、PI3K、离子通道等。因此，G蛋白介导信号转导具有非常显著的多样性特点，可归纳为：①受体可同时偶联2种G蛋白；②G _α及G _βγ对下游信号分子调节的差异性；③受体激动后转换与另一种G蛋白偶联，如β ₂-肾上腺素受体激动后的G _s/G _i转换；④受体的异二聚体化改变其对原G蛋白偶联特性及效应；⑤某些信使分子作用的区域化效应（compartmentalization），如cAMP；⑥受体激活后转位激活其他膜受体传递信号，如G _q偶联受体家族转位激活表皮生长因子受体。此外，受体的非G蛋白依赖信号转导，如β-抑制蛋白在参与调节受体内化的同时，也可启动新的信号转导级联。过去的理论认为GPCR是在细胞膜上通过G蛋白偶联来传导信号，β-抑制蛋白的募集和受体的内化是受体减敏和终止信号传递的机制。现已证明β-抑制蛋白还可以通过G蛋白非依赖的途径激活 ERK、P38等信号通路，而内化囊泡上的GPCR也有活性，可以介导信号的转导。因而GPCR与配体结合后有至少三种方式传递信号转导：经典的 G蛋白依赖信号通路、β-抑制蛋白（β-arrestin）依赖信号通路和胞内体（endosome）途径。GPCR激活后可以依次激活三条途径，也可只通过一条途径传递信号（图13-2）。

据估计，人类大约有 400种酪氨酸蛋白激酶（protein tyrosine kinase，PTK），可分为两大类，一类是受体型 PTK（receptor tyrosine kinase，受体酪氨酸激酶），另一类是位于胞质或与质膜相连的非受体PTK。

至今在脊椎动物中发现的受体型酪氨酸激酶已有50多种，在结构上，它们都具有一个胞外的配体结合区，是其与相应配体特异性结合的结构基础；一个跨膜区和位于C端的细胞内结构区，后者具有高度保守的酪氨酸蛋白激酶活性，是调节受体酪氨酸激酶活性及与底物特异性结合的关键区。当配体与受体结合后，由于单体型的受体酪氨酸激酶基础活性很弱，需借助同源/异源二聚化来增强。有些配体本身就可诱导这类受体二聚化，如血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）受体，表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）受体等。这种配体单体型含有两个与受体结合的位点，因此可以交联两个与之相邻的受体而使两个受体聚合。而另外一些配体如成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF），则借助某些辅助分子促进配体-受体复合物的二聚化。受体酪氨酸激酶的信号传递方式主要有两种：蛋白磷酸化和蛋白质与蛋白质之间的相互作用。在受体发生酪氨酸磷酸化后，可与一些含 SH2结构域的接头蛋白结合，如Grb2、c-Crk、Nck，例如，Grb2的 SH2 结构域能识别磷酸化的酪氨酸残基，而利用SH3结构域则同细胞内其他蛋白质结合。值得一提的是，有的接头蛋白本身就具有某种酶活性或功能，如胞质内的一些酪氨酸激酶 Src、Abl、Ayk、Csk、PLC _γ、Ras-GAP 及磷酸酪氨酸蛋白等。

非受体型的酪氨酸蛋白激酶，是一组位于胞质或与质膜相连的、具有内在PTK活性的蛋白质，但没有内源性的催化活性，需借助某些受体的激活而活化，从而催化相应蛋白的酪氨酸磷酸化而传递信号。由于某些受体酪氨酸激酶可直接调节转录因子的酪氨酸磷酸化，因此它们可直接参与基因转录调控，如干扰素受体介导的信号转导及转录激活因子1（signal transducer and activator of transcription 1，STAT1）激活。已证实，这类非受体酪氨酸激酶在细胞增殖、分化、死亡调控中有重要作用。目前发现非受体酪氨酸激酶大致可分为 9个亚族：Src、Tec、Csk、Fes、Abl、Syk/ZAP-70、Fak 和 JAK。在结构上大多具有SH2和SH3结构域。

是由20号染色体q122p13的Src原癌基因编码，目前至少有14个Src蛋白激酶家族成员在不同的组织以不同的剪接体形式存在，如 Src、Luc、Fyn、Yes及 Lyn 等。其 N 末端的肉豆蔻酰化有助于它们的质膜内侧定位，借助SH3等结构域与胞质内许多蛋白质结合形成大信号转导复合体参与信号转导，其活性受另外一类非受体酪氨酸激酶Csk负性调节，参与调控细胞骨架的重排、细胞黏附与运动、增殖、存活、血管收缩和胞内运输等。

包括c-Abl和Arg。c-Abl可同时存在于细胞质及细胞核中，而Arg则仅分布于细胞质中，参与调控细胞分裂、细胞黏附和应激反应，而通过染色体重排或病毒转化改变Abl，可导致恶性肿瘤的发生，如慢性粒细胞性白血病。SH3结构域可负性调节 c-Abl蛋白活性，SH3结构域的缺失可使Abl转变为癌基因。该家族参与调控的信号通路包括 Ras/MAPK、PI3K/Akt、JAK/STAT 等。

FAK 即黏着斑激酶，广泛分布于成纤维细胞、血小板、表皮细胞、内皮细胞、T细胞、B细胞、中性粒细胞、单核细胞和滋养层细胞，是介导整合素信号通路的重要信号分子。整合素和配体结合后，FAK能够直接与整合素β亚基的胞质端结合或通过踝蛋白（talin）、纽蛋白（vinculin）和桩蛋白（paxillin）等细胞骨架蛋白间接地与整合素β亚基发生联系，参与形成黏着斑，并通过自身磷酸化而激活。活化的FAK进而通过桩蛋白、Src激酶、PI3K等，激活多条信号转导通路，从而在细胞与细胞间以及细胞与细胞外基质黏附中起关键作用，参与调控细胞生存、细胞周期、增殖、凋亡、铺展、迁移、侵袭、转移、血管生成及胚胎发育等过程。FAK编码基因也同时编码两种同源蛋白，即富含脯氨酸酪氨酸激酶（Pyk2）和FAK相关性非激酶（FAK-related nonkinase，FRNK）两种。后者是 FAK的 C末端片段，无催化活性，可作为FAK活性的负调控物。Pyk2富含脯氨酸的钙依赖性酪氨酸激酶，主要分布于中枢神经系统和造血细胞。

该家族包括Jakl、Jak2、Jak3和Tyk2等，Jak激酶具有一个TPK结构域和一个激酶样结构域，没有SH2与SH3结构域；C末端具有两个相连的激酶区。Jak激酶的底物为STAT。

这是近几年研究较活跃的胞质内酪氨酸蛋白激酶分子，它们主要在淋巴细胞和髓样细胞中表达。该家族成员有 Btk、Itk、Tsk、Emt、Tec、Txk和 Bmx，其结构具有高度同源性，均由PH、SH3、SH2及激酶结构域组成，其 N端缺乏疏水性跨膜结构，而C端缺乏负性调节区。它们所介导的信号转导主要在免疫细胞的分化、发育、增殖和凋亡过程中起着重要的作用。

丝/苏氨酸激酶是调控细胞内磷酸化共价修饰的最为主要的一类激酶。受体丝/苏氨酸激酶（receptor serine/threonine kinase，也称为丝/苏氨酸激酶偶联受体）也是一次跨膜受体，激活后胞质段自身具有丝/苏氨酸激酶活性，进而调节相应下游蛋白质上丝/苏氨酸位点的磷酸化来传递信号。在哺乳动物，这类受体主要是指转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad 信号通路。目前已明确，TGF-β属于一个很大的受体超家族，该家族包括TGF-β、激 活 素 （activin）、抑 制 素（inhibin）、骨形态发生蛋白、GDF等多种亚族。目前研究最多的就是 TGF-βs，包括 TGF-β1～6。其受体为单次跨膜结构，胞质区内含有蛋白丝/苏氨酸激酶催化结构域。该受体超家族根据结构和功能特点分为三类：TGF-βⅠ、Ⅱ及Ⅲ型受体。其中，TGF-βs主要与Ⅰ、Ⅱ型受体结合发挥效应，而Ⅲ型受体也是跨膜糖蛋白，但缺乏丝/苏氨酸激酶活性，主要调节TGF-β与其受体的结合。通常，TGF-β以无活性的方式分泌，在TGF-β激活激酶的作用下而有活性，此过程在胞外发生。细胞受刺激后，有活性的TGF-β首先与膜表面的 TGF-βⅡ型受体结合，诱导受体发生构象变化，从而与Ⅰ型受体形成异二聚体，由于Ⅱ型受体的酪氨酸激酶活性属于构造型激活，因此它可以使Ⅰ型受体的苏氨酸残基GS结构域发生磷酸化而激活自身丝氨酸/苏氨酸激酶活性，从而催化Smad发生磷酸化，形成同源或者异源寡聚体后的Smad进入细胞核，行使转录因子的功能。

Smad蛋白家族成员目前发现至少有 9种，即Smad 1～9。在结构上由3部分组成，分别是保守的氨基端MH1、羧基端MH2以及连接二者富含脯氨酸高度可变的绞链区。其中MH1是DNA的结合区，MH2是结合受体及转录因子的区域，中央绞链区具有多个磷酸化位点，受上游激酶的调控，ERK激活可以抑制Smad蛋白的核转移。Smad可分为3类：受体激活型 Smad（R-Smad），如 Smad1、2、3、5、8，伴侣型 Smad（Co-Smad）即 Smad4，以及抑制型Smad，即Smad6和 7。不同的R-Smad与不同的Ⅰ型受体结合，其特异性是由Ⅰ型受体中位于Ⅳ结构域与Ⅴ结构域之间由9个氨基酸组成L3环所决定，因此，Smad2、Smad3识别TGF-β及activin的Ⅰ型受体，Smad被磷酸化后可与Smad4结合形成异三聚体，携带信号转位进入细胞核内调节基因转录。

细胞因子（cytokine）是多种细胞所分泌的能调节细胞生长分化、调节免疫功能、参与炎症发生和创伤愈合等小分子多肽的统称。根据其主要的功能可分为：①白细胞介素类；②集落刺激因子（colonystimulating factor，CSF），如 G-CSF、M-CSF、GM-CSF、IL-3、SCF、EPO 等；③干扰素，可分为 IFN-α、IFN-β和 IFN-γ，它们分别由白细胞、成纤维细胞和活化T细胞所产生；④TNF，根据其产生来源和结构不同，可分为 TNF-α和TNF-β两类，前者由单核巨噬细胞产生，后者由活化 T细胞产生；⑤TGF-β家族；⑥趋化因子家族：包括三个亚族，一是C-X-C/α亚族，主要趋化中性粒细胞，如 IL-8、血小板因子-4、血小板碱性蛋白、蛋白水解来源的产物 CTAP-Ⅲ和ENA-78等；第二类是C-C/β亚族，主要趋化单核细胞，这个亚族的成员包括巨噬细胞炎症蛋白、RANTES、单核细胞趋化蛋白等；而γ亚族氨基端只有一个半胱氨酸，也称C趋化性细胞因子；⑦其他类，如 EGF、PDGF及IGF-Ⅰ等。

细胞因子必须通过与靶细胞表面相应的受体结合才能发挥相应的生物学效应，如调控细胞的死亡与存活、增殖及分化等。根据细胞因子受体cDNA序列以及受体胞膜外区氨基酸序列的同源性和结构特征，可将细胞因子受体大致分为四种类型：Ⅰ型即造血细胞因子受体超家族，是最大的一类，如IL-2、IL-4及催乳素生长激素等。这类受体含有两个同源的胞外区结构域，形成了折叠，形成桶状的配体结合袋，一个跨膜区及一个胞质结构域，其胞质段有的具有内在激酶活性，有的含有与一些接头蛋白结合的结构域，借此与相应的激酶相互作用。具有高亲和力受体含有两条链，即α、β链，后者为各细胞因子受体所共有，但自身并不能结合受体，它必须与α链结合才能形成高亲合力受体。Ⅱ型受体与Ⅰ型结构相似，但不同的是其胞外区结构域有1对半胱氨酸，如干扰素受体。Ⅲ型即TNF受体家族。其特点是其胞外区结构域富含半胱氨酸，大多数成员有可溶性受体的存在，受体的胞外段是能与膜受体竞争性结合的配体。一旦配体结合后，尽管其胞质段没有激酶活性，但可借助接头蛋白如 TRADD及TADD而启动下游信号通路。第四类即免疫球蛋白超家族类，如IL-1受体。它们的胞外区含有三个免疫球蛋白样区。细胞因子的生物学效应具有重叠性、高效性及多样性的特点，并且它们之间可有着复杂的相互调节作用，从而形成复杂的细胞因子网络。

核受体是一类配体调控的转录因子，在核内启动信号转导并调节基因转录，调节机体的生长发育、新陈代谢、细胞分化及体内许多生理过程。核受体超家族是转录因子中最大的一个家族，源于同一个祖先。目前已发现成员不下 150个，主要包括类固醇激素受体家族、甲状腺素受体家族、类维生素 A和维生素D的受体，以及一些未知配体的孤儿受体。这类受体的典型结构分为六个部分，即A、B、C、D、E和F区。N端（A/B区）高度可变且含有配体非依赖的转录激活域，C区为DNA结合区，D区为绞链区，且含有核定位信号肽，E区即配体结合区，为核受体中最大的结构域，其序列高度保守，且含有一个配体依赖性的转录激活域，在转录调节中非常重要。有些核受体还包含一个F区，其序列高度可变，其功能意义目前不清楚。

通常，甾体激素核受体如糖皮质激素、盐皮质激素、性激素受体等多位于胞质，而雌激素受体位于核内，与热休克蛋白HSP90、HSP70和HSP56等分子伴侣结合呈非活化状态。一旦配体进入胞内与受体结合后可使HSP解离，暴露了DNA结合区而得以激活。激活的受体二聚化并转移入核，与DNA上的激素反应元件（hormone response element，HRE）相结合或与其他转录因子相互作用，增强或抑制靶基因转录。近来研究发现，雌激素受体也可有膜分布，并启动相应的信号转导通路，但其生物学意义不是很清楚。一些非甾体激素核受体没有配体结合的情况下就可与DNA特异序列结合，对相应基因的转录起抑制作用。非甾体激素核受体有单体、同源二聚体及异源二聚体存在，但大多数是异二聚体，是由一种核受体与9-顺式类视黄醇X受体（retinoid X receptor，RXR）构成。根据它们与配体的相互作用状况，这种异二聚体可分为三种类型：配体未占领型，包括起沉默作用的异二聚体；非容许型，如RXR/TR及RXR/VDR等，它们的RXR只能由分子伴侣与配体结合而激活；容许型，如PPAR/RXR等，它们可由其中任意单体与相应配体结合而激活，但它们各自结合相应的配体后可表现出协同效应。

激素反应元件是核受体与靶基因所结合的特异性DNA序列。常位于靶基因的 5′端，靠近核心启动子，有时可位于增强子区。通过与HREs结合，核受体超家族成员通过影响转录起始复合物的组装和活性，从而调控靶基因转录。这个过程需要多种辅调节因子（coregulators）参与，包括辅激活因子（coactivators）及辅抑制因子（corepressores）。其中，辅激活因子包括：p60家族，PPARγ激活因子-1、RNA辅激活因子，其他辅助因子。而相比之下，目前已确定的辅抑制因子较少，如核辅抑制因子N-CoR、维A酸和甲状腺激素受体沉默作用介导因子（silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptor，SMRT）。