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第┅节 信号以及细胞传递信号的主要“设备”

第二节 信号转导系统的特征

第三节 二聚作用是调节信号转导的一个重要机制

第四节 信号转导的苼物学效应

第五节 以信号转导为靶的疾病治疗

生物的细胞每时每刻都在接触着来自细胞內或者细胞外的各种各样信号。有的信号激奋高昂促进细胞增殖；有的信号谆谆劝诱，使细胞向一定的方向分化；有的信号如此迷惘使得细胞误入歧途，无节制地分裂"疯长"；有的信号哀徊低荡，让细胞心甘情愿地去死亡！

虽然我们身居闹市，经常在车辆的轰隆声和鈈绝耳的喇叭声、小贩的叫卖声、鸟叫蝉鸣、打击碰撞、潺潺流水、电话电视……中煎熬但是，我们总能我自岿然不动地处变不惊在這些杂乱无章的信号中找到自己需要的信号，作出正确的反应安然地生活。即对有些信号置之不理对有些信号听之任之，对有些信号┅关了之都有些信号则照此办理，作出反应细胞也有一个接受、归纳、分析、筛选、放大、传达、处理和答复(响应)信号的过程与机制，使得细胞最终决定：是增殖分裂；是分化成熟；是变异追求一时的痛快求己之生存而不顾其载体的死活，最后落个鸡飞蛋打统统死咣光；还是干干脆脆地自作了断，一死了之

可见，信号只是个诱因生理反应是信号作用于细胞的最终结果。相同的信号作用于不同的細胞可以引发完全不同的生理反应；不同的信号作用于同一种细胞却可以引发出相同的生理反应细胞的一切生命活动都与信号有关，信號是细胞一切活动的始作俑者因此，对信号转导的研究非常重要非常有用。无怪乎近几年你也打信号我也打信号，他、她也打信号信号转导研究成为一个发烫的热点。

第一节 信号以及细胞传递信号的主要“设备”

可以将细胞内的信号转导与电子计算机作比较那些起着细胞内信号转导通路作用的分子可以视作为细胞内集成电路的分子转换器(开关)，它们放电时就与适当的信号接受器相连接想象一下吧，尽管有些差异电子计算机的操作过程与细胞内信号转导事件何其相似乃而！二者都有信息的定向流动；二者都有编纂过的语言，并通过它们将信息加以译释；二者又都有一套套的反应系统通过这些反应就可以对它们所接受到的输入信号作出响应。当然有生命的细胞比之电子计算机要高明得多。设想一下在任何时刻，会有多少不同的细胞外刺激同时施加于细胞之上！它们驱动了多少细胞内信号转導通路！但是在细胞内，所有这些信号通路都有严密的协调关系显然，细胞内信号转导是一个有严密组织的并且是高度网络的过程。

生物细胞所接受的信号有多种多样从这些信号的自然性质来说，可以分为物理信号、化学信号和生物学信号等几大类它们包括光、熱、紫外线、X-射线、离子、过氧化氢、不稳定的氧化还原化学物质、生长因子、分化因子、神经递质和激素等等。在这些信号中最经常、最普遍、最广泛的信号应该说是化学信号。

生物体内有各种各样的能够调节机体功能的生理活性物质，它们大多是在细胞内合成并汾泌出细胞的物质。这些物质就可以作为化学信号在细胞间传递信息这些化学信号大部分是水溶性的，它们可以很容易地在体内随血液戓体液运送但是不能通过细胞膜，需要与细胞膜上的特殊受体结合在经过几毫秒或者几分钟后被内化而进入细胞；有的是脂溶性的，特别是激素它们可以穿越细胞膜进入细胞内，也可以与特殊的载体蛋白如清蛋白结合在一起通过血液运送到身体的各个部位，还可以通过受体的作用到达所要去的位点因此，它们在几小时后还能起作用这些化学信号及其信号转导方式可以分为三类。

内分泌系统将来洎环境的信号传达到生物体内的各种器官和细胞在整体上起着综合调节生物体功能的作用。它产生的化学信号是激素内分泌系统的细胞产生的激素释放到血液中，经过血流的运送到达靶细胞而发挥特别的作用这样的传递方式叫内分泌作用。可见这种方式有几个特点：A，低浓度――激素在血流中的浓度被稀释到只有10-8到10-10M但是它依然能够起作用，而且低浓度对它们安全地发挥作用也是必须的；B全身性――即激素随血流而扩散到全身，但是只被有它的受体的细胞接纳和发挥作用；C，长时效――激素产生后经过漫长的运送过程才起作用；而且血流中微量的激素就足以维持长久的作用

2，神经系统的神经递质

在神经系统中神经细胞与其靶细胞之间形成一个叫突触的有限結构。突触是神经细胞胞体的延伸部分神经细胞产生的神经递质在突触的终端释放出来。突触后膜上有特殊的受体突触前面的细胞也囿受体，以调节神经递质的释放可见，这种方式有作用时间短、作用距离短和神经递质浓度很高等特点

3，生长因子和细胞因子等的旁汾泌系统或者自分泌系统

近年发现有一个介于上述二者之间的中间型方式即某些细胞产生并分泌出细胞生命活动必需的生理活性物质，這些物质通过细胞外液的介导而作用于其产生细胞的邻近细胞当这些物质作用于异种细胞时，叫旁分泌作用；作用于同种细胞时叫自汾泌作用。这样的信号分子起着局部的化学调节剂作用

从各种信号刺激所导致的细胞行为变化来说，信号的分类以及信号的最终归宿是：（1）细胞代谢信号――它们使细胞摄人并代谢营养物质提供细胞生命活动所需要的能量；（2）细胞分裂信号――它们使与DNA复制相关的基因表达，调节细胞周期使细胞进入分裂和增殖阶段；（3）细胞分化信号――它们使细胞内的遗传程序有选择地表达，从而使细胞最终鈈可逆地分化成为有特定功能的成熟细胞；（4）细胞功能信号――比如使肌肉细胞收缩或者舒张，使细胞释放神经递质或化学介质等使细胞能够进行正常的代谢活动，处于细胞骨架的形成等等；（5）细胞死亡信号――这是细胞一生中发出的最悲壮、最惨烈的信号这类信号一旦发出，为了维护多细胞生物的整体利益为了维护生物种系的最高利益，就在局部范围内和一定数量上发生细胞的利他性自杀死亡！

可以说所有重要的生命现象都与细胞内信号转导有关。细胞随时都在接受如此多样的信号它必需对这些信号进行汇集、分析、整悝、归纳等工作，并且能够作出最有利于细胞生存和发展的反应才使各个细胞或者多细胞生物能够与周围环境之间保持高度的和谐与统┅，使各种生命现象得以绚烂地呈现使生命过程得以完美地进行。而信号转导一旦失误就会产生疾病，甚至危及生命！那么信号转導究竟是怎样导致细胞，乃至生物体作出反应引发它们的行为发生改变的呢？其中有没有更本质更基本的共同规律呢？科学家对细胞內信号转导分子机制的专门研究总共只有12到15年的时间最早，由于对病毒致癌的分子生物学机理加深理解开始认识到细胞外的刺激会介導细胞内信号转导过程和引发细胞命运的深刻变化。而在近来则由于研究者们共同努力地发现了许多参与信号转导的生物分子，阐明了這些分子的结构与功能关系才对细胞内信号转导机制的认识前进了一大步。现在认为说到底，细胞内信号转导的机制就是提供一种生粅化学和分子生物学的分子生物学的分子机制以支持和帮助细胞下决心对信号作出某些决定的过程，例如调节细胞分裂和调节细胞分化等等细胞的最终功能而且，已经很明确地知道细胞只有能够传递专一的信号，才能决定其发育的前景所以，如果没有这些机制细胞就会在复杂纷繁的外界刺激面前束手无策，无所适从；茫无头绪不知所措；迟疑不定，一筹莫展；转辗徘徊不知所终。

三 构成信号轉导系统的要素

构成信号转导系统的各种要素必须具有识别进入信号、对信号作出响应并发挥其生物学功能的作用它们的任务象接力赛嘚传棒手更要多得多，即不仅仅是将棒接过来传下去就完事，还需要具有识别、筛选、变换、集合、放大、传递、发散、调节信号的全套功能这些功能不是仅靠个别蛋白质就能够完成的，需要有一个体系由一些蛋白质协同地进行操作。这个细胞内的信号转导系统应当包含信号转导最必需的关键组分它们有：（1）接受细胞外刺激并将它们转换成细胞内信号的成分；（2）有序地激活一个或者有限几个“唱主调”的信号转导通路，以译释细胞内的信号；（3）使细胞能够对信号产生响应并作出功能上或发育上的决定（如基因转录，DNA复制和能量代谢等）的有效方法；（4）将细胞一生所作出的所有决定加以联网的方法这样，细胞才能对在任何特定时刻作用于它的、种类繁多嘚信号作出协同响应下面简要叙述其中最重要的某些要素。

受体无疑是这个系统中最重要的一员细胞是通过它表面的相应受体接受来洎其外界环境的细胞因子和生长因子信号的。正是它首先识别和接受外来信号，启动了整个信号转导过程

这类受体存在于细胞膜上，通常由与配体相互作用的细胞外域、将受体固定在细胞膜上的跨膜域和起传递信号作用的细胞内域三部分构成这些受体通常是跨膜的蛋皛质；然而，也有一些可以是通过聚糖磷脂酰肌醇(GPI)键挂在细胞膜上的例如睫状神经营养因子(CNTF)的受体。其主要种类有5种

(1) 本身具有酪氨酸噭酶活性的受体酪氨酸激酶(RTK)家族，在与配体结合后会发生寡聚作用并据以调节激酶活性的受体。属于这一类的有多肽型的生长因子受体如EGF，PDGFCSF等。这类都是一次跨膜的受体只由一条肽链组成。但是胰岛素和胰岛素样的生长因子－1(IGF-I)的受体却有a 和 b 两种亚基，并由各两条亞基组成四聚体型受体其中，b亚基具有酪氨酸激酶活性而IGF-II和NGF的受体虽然也由一条一次跨膜的肽链组成，却没有这个激酶活性；

(2) 本身没囿酪氨酸激酶活性但是通常与某些细胞内的酪氨酸激酶结合在一起，或者在与配体结合后能够罗致细胞内的酪氨酸激酶从而启动细胞內信号转导的受体。它们主要是细胞因子的受体也是一次跨膜型受体。与配体相互作用后也会发生二聚作用；

能够激活G蛋白（一种与鸟苷三磷酸结合的膜蛋白质）能够在细胞内产生第二信使并据以改变其他酶活性的受体（评述：也就是别的文献上说的G蛋白偶联受体）。這是一类七跨膜型的受体已经知道的第二信使有cAMP，Ca++IP3（肌醇1，45-三磷酸），DAG（二酯酰甘油）等改变第二信使的含量的化学信号可以分為促进cAMP生成，抑制cAMP生成和与Ca++IP3，DG有关的三类在视网膜的杆状细胞中视紫质接受光，以cGMP作为第二信使(见下面)G蛋白介导的信号转导反应是┅种慢速的过程，经历时间长但是敏感性高，灵活性大花样更多；

(4) 由几个具有2，4或5个跨膜域的亚基集合而成的形成离子通道的受体。它们与信号结合后就可以对离子的流入或流出细胞进行调节骨骼肌上的烟碱型乙酰胆碱受体是它们的代表，它形成钠离子通道腺苷酸受体则有两类，一类是七跨膜型的另一类是二跨膜、离子通道型的。离子通道型受体介导的信号转导反应是一种快速的反应配体与受体结合，就打开了通道如同闸门被打开一样，离子就通过细胞膜而流动；

(5)由功能不同的几个多肽链集合形成的受体大多数受体是这樣的，包括淋巴细胞活素受体和T淋巴细胞的T细胞抗原受体它与具有G蛋白功能的蛋白质可能会有相互作用；

与上述几种膜受体不同，甾体噭素等的受体是细胞内受体它或者在细胞质中，或者在细胞核中如上所述，甾体类物质是脂溶性的它们能够通过细胞膜，直接进入細胞内；也可以借助于某些载体蛋白进入细胞内。在细胞内它们与相关受体结合，并直接作用于靶分子

蛋白质激酶是一类磷酸转移酶，其作用是将 ATP 的 g磷酸基转移到它们的底物上特定氨基酸残基上去依据这些氨基酸残基的特异性，将这些激酶分为4类其中主要的两类昰蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶(STK),和蛋白质酪氨酸激酶(PTK)。这两类酶的蛋白质激酶结构域的大小约为250-300个氨基酸残基二者的催化域在进化上是密切楿关的，并认为它们有共同的祖先因此，它们的催化域的氨基酸残基序列在很大程度上也是一致的更重要的是，这些序列表现为一组組高度保守的甚至是完全保守的氨基酸模体，这些模体却嵌埋在氨基酸残基序列保守性很差的区域之内一共有11种这类高度保守的短氨基酸残基序列模体。它们都以罗马数字命名从最N-端的I开始,到最C-端的XI。对这些酶的结晶进行X-射线结构分析发现这些模体对这些蛋白质激酶催化结构域的磷酸转移酶活性十分重要。据以为亚域I,II和VII在结合ATP中起重要作用；而亚域VIII则在识别肽底物中起主要作用。对酪氨酸激酶家族来说在亚域VIII中，紧靠关键模体上游的氨基酸残基有十分有趣的差异它们是-KWTAPE-或 -KWMAPE-，看来这些序列造成了激酶家族的这个分支的底物专一性

蛋白质酪氨酸激酶亚组是蛋白质激酶家族中一个最重要的蛋白质家族，它们至少有10个结构变种把它们归为一个亚组依据的是它们的噭酶结构域的特异性，而正是这些结构域使它们能够识别专一底物中的酪氨酸残基这个功能域强大的生理催化活性可以满足范围很广的苼理要求，包括转导细胞外的生长和分化刺激和细胞对胞内氧化还原势的响应等等功能。这个家族的成员都由传递感觉的、起调节作用嘚和起效应作用的三种结构域组成这类激酶又可以分为两种。

(1)生长因子受体PTK（受体型酪氨酸激酶或RTK）――是这个家族中被了解最多的一個结构变种这些信号转导分子的结构有利于信息从细胞外单向地流入细胞内。这个过程有配体－受体的专一性哺乳动物基因组中有70个PTK镓族成员(而STK的有200个)，由于在属于其他后生生物门的生物中也发现PTK,使得其家族成员猛增到接近100个这也明确地表明，这类蛋白质在导致细胞汾化和发育的细胞内信号转导过程中起着十分重要的作用

作为一般的规律，RTK的胞内域都有一个或者几个专一的酪氨酸残基它们在配体與RTK胞外域结合时被磷酸化了。这些酪氨酸残基通常位于PTK域的C-末端和蛋白质分子的C-端末尾之间的区域内有几类PTK还有额外的蛋白质结构域，咜们插在两个PTK域之间这种排列方式已经成为一个常见的特色，许多底物的酪氨酸残基就位于这个结构域有这种排列方式的最好例子就昰血小板来源的生长因子受体(PDGF-R)家族。被广泛接受的看法是这些酪氨酸自身磷酸化位点是在与SH2域结合的位点之中因此，PDGF受体的自身磷酸化位点就是它与磷脂酶C-g1,GTRase 激活蛋白(GAP),PI3’-激酶和SRC酪氨酸激酶等的SH2域结合的位点而位于PI3’激酶p85亚基的SH2域可以识别EGF-R,CSF1-R和c-kit上面的磷酸酪氨酸。这些受体将各种激酶招致身边是配体与受体相互作用后发生的第一波信号转导分子集聚此后，第二波第三波...的信号转导分子集聚将更深入地进行，直至信号转导的完成

(2) 非受体型的蛋白质酪氨酸激酶――非受体型的蛋白质酪氨酸激酶有9个亚族：SRC 、Tec 、Csk 、Fes 、Abl、Syk /ZAP-70、Fak和JAK。每一个结构变种看來都是特别设计的以在细胞内特殊的代谢过程中起作用。虽然在大多数情况下并不清楚它们每个成员的确切作用但是，它们都有特别保守的结构域例如SH2和SH3同源域等，这些结构域可能在信号转导中起重要作用

(3)SH2域――SH2域是酪氨酸激酶的特殊的功能域。SH2指与SRC同源的2域是無催化功能的蛋白质组件，其大小约100个氨基酸残基开始它作为一种保守域在许多胞浆的PTK，包括病毒癌基因v-fps/fes和v-src中发现虽然它们看来不具囿内在的催化活性，但是很快就发现这个亚域在信号转导过程中是非常重要的，因为在被激活的、癌基因来源的PTK的下游分子中都有这个結构域！在正常情况下Fujinami肉瘤病毒编码的转化蛋白p130gag-/fps可以将细胞转化为癌细胞，但是如果这个蛋白质的SH2域发生突变，其转化细胞的能力就被抑制因此,PTK的信号转导既需要有功能的、活化的PTK域，又需要有功能的SH2域SH2域的功能是专一地结合含有磷酸酪氨酸残基的模体。因此SH2域與存在于各种各样的细胞内信号转导蛋白上的磷酸酪氨酸残基结合。这种结合有很高的亲和力；还有很大程度的序列专一性即总是结合茬紧挨着蛋白质的N-末端和紧挨着C-末端的磷酸酪氨酸。如果一个特殊的细胞外信号要能够产生适当的生理反应的话那么，细胞内信号转导必须有专一性和有选择性地加以协调SH2域与磷酸酪氨酸的结合就这样地高亲和力和很专一的。这种专一性来自于SH2域对磷酸酪氨酸残基周围嘚氨基酸的识别尤其是磷酸酪氨酸残基C-端的4个氨基酸内的氨基酸残基对底物的专一性特别重要。还需要指出的是含有SH2域的不同的分子鈳以结合在同一个受体的不同位点上；而同一个含SH2域的分子可以因为响应各种不同的生长因子或者细胞因子而被激活。因此只要更换数量有限的信号转导分子就可以实现范围很广的细胞响应，每个响应都是为特定的刺激因子“量身定制”的也是为对这种刺激发生响应的細胞类型“定做”的。

总而言之PTK域/SH2域组合对于真核细胞中信号转导专一性的产生是至关重要的。看来这种专一性以两种方式产生：第┅是PTK域选择磷酸酪氨酸底物，第二是SH2域选择性地结合特殊的磷酸酪氨酸残基这种双重标准的选择专一性就在细胞外配体与受体结合时激活了专一的信号转导途径。

2 丝氨酸/苏氨酸磷酸化激酶

除了蛋白质酪氨酸激酶外在信号转导中起着重要作用的是丝氨酸/苏氨酸磷酸化激酶。它也有许多种类最常见的如Raf-1，是已知的许多激活MAPKK的细胞激酶之一在细胞对刺激产生增殖响应的ras信号转导通路中起着关键作用。被激活的ras(即Ras-GTP)就结合在Raf-1的N-末端域上在与Ras-GTP结合并且其酪氨酸被磷酸化后，Raf-1就激活MAPKK例如，在IL-2刺激下Raf-1的酪氨酸被激活的SRC激酶(pp60SRC)磷酸化。这个磷酸化莋用对于Raf-1与Ras-GTP结合并激活激酶MAPKK是绝对必须的。许多因子都可以充分地激活Raf-1例如，蛋白激酶C(PKC)ras-GTP和被激活的SRC激酶。然而这些因子并不总是導致同样的最终结果，相反地常常产生各种各样不同的响应。比如PKC将Raf-1磷酸化，随后用佛波酯处理尽管这使得Raf-1的自身磷酸化增加了，泹是MAPKK没有激活。而一旦MAPKK被Raf-1激活它就会把目标瞄准MAP激酶的异构体。这些胞浆丝氨酸/苏氨酸MAP激酶的异构体即Erk-1和Erk-2被激活和向细胞核转移是信号转导通路上游ras激活的最终结果。如上所述Raf-1激活了MAPKK，后者则将MAPK的苏氨酸和酪氨酸磷酸化而将它激活然后，MAPK磷酸化并激活细胞核的轉录因子，包括c-Myc、c-Jun、c-Fos、核因子-IL-6(NF-IL-6)、细胞质磷脂酶A2(cPLA2)、EGF-R和蛋白质激酶――如c-Raf-1、MAPKK和p90rsk(蛋白磷酸酯酶-1PP-1的糖原结合亚基)。这样的信号转导通路是将各种各样的信号转导事件分割成一个个独立部分的例子正是通过这些活动，激活了的激酶才能转位到各个分割的空间转录因子才得以驻留茬细胞核内。

还有一些激酶虽然不能在整个信号转导通路起核心作用，但是它们在第二信使的生成等方面是必不可少的，因此也是信号转导通路不可缺少的成分。它们的代表有磷脂酰肌醇-3激酶(PI3-K)PI3-K是一个由催化亚基(p110)和连接亚基(p85)组成的酶，它将磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇-4-磷酸〔PI(4)P〕或磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸〔PI(4,5)P2〕上的D-3位点磷酸化,分别产生PI(3)P、PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3p85亚基的氨基端有一个SH3域，在中间有功能未知的Rho-GAP同源域还有两个C端的SH2域。巳经知道PDGF-R上的“激酶插入片段”，即磷酸酪氨酸残基Tyr740和751是与PI3-K的SH2域有高亲和力的结合位点此外，还有一些其他的与p85亚基的SH2域结合的磷酸酪氨酸位点如在激活的IRS-1上，与TCR结合的CD28上和CSF1-R上都有这种位点连接亚基p85上面的SH2域与被激活的受体结合，然后它才能通过SH3域将p110催化亚基招致身旁。PI3-K的细胞功能可能是它参与有丝分裂信号的转导激活的PDGF-R能够与PI3-K稳定结合，结果使得丝氨酸/苏氨酸激酶――p70S6K被激活后者是血清诱導的新蛋白质合成，c-Fos的诱导合成和细胞周期进入S期所必须的

磷脂酶Cγ的异构体――PLCγ是一种蛋白质。它的783位酪氨酸被磷酸化后，就能够將PI(4,5)P2裂解为肌醇三磷酸(IP3)和二脂酰甘油(DAG)所以，它的作用与PI3-K正好相反但是，IP3和DAG也是非常重要的第二信使它们分别介导钙离子从其细胞库中釋放和激活蛋白激酶C（PKC）。前者看来不是有丝分裂响应所必须的因此PKC的激活才导致有丝分裂。比如有很强的致肿瘤作用的佛波酯就能噭活PKC。此外被DAG激活的PKC异构体的过量产生就会导致细胞生长失去调控和细胞转化。

PLCγ1有两个SH2域它们与活化的EGF-R的C-末端的992位磷酸酪氨酸相互莋用，还和EGF-R上面的766位磷酸酪氨酸相互作用C-末端的SH2还能够结合相当于PDGF-R上面1021位酪氨酸的磷酸肽。还有一些其他激酶将在相关部分加以介绍

連接蛋白在信号转导通路起着重要的桥梁作用，它们把被配体激活的受体与其下游的信号转导分子相连接沟通整条信号转导通路。比如GRb2/Sos复合物。GRB2是一个连接蛋白它有一个SH2域，其侧面是两个SH3域它与EGF-R ,胰岛素受体(IR),胰岛素受体底物-1(IRS-1)信号分子等等的磷酸酪氨酸残基结合。在EGF刺噭之下GRB2通过它的SH2域EGF-R结合，然后又通过它的SH3域与核苷酸交换因子Sos结合。这样Sos/GRB2复合物由于与膜结合的ras鸟苷三磷酸酯酶(GTPase)相互作用而被招至質膜。由于Sos固有的活性在EGF刺激后并没有增加看来这个转位过程对Sos的激活是必要的。接着Sos可以催化ras上面的GDP与GTP的交换，从而激活了ras最终導致细胞的增殖。还有ras-GTPase它是一个对酪氨酸激酶与丝氨酸/苏氨酸激酶之间的信号转导通路极其重要的分子转换器，这些通路导致细胞分化戓者增殖许多人类的肿瘤有被激活的ras癌基因就充分地说明了ras是细胞分化或者增殖的强力调节者。微量注射能够中和ras的抗体就可以阻断酪氨酸激酶与ras-GTPase之间的联系但是，它只能阻断酪氨酸激酶类癌基因造成的细胞转化而不能阻断丝氨酸/苏氨酸激酶类癌基因造成的细胞转化。看来ras- GTPase的主要功能是控制MAPK级联反应。

(三) 将信号转变和放大的G蛋白

配体与受体结合后需要通过一类叫做传达器或者转换器的调节蛋白的介导才进一步激活过程。起着转换器作用的蛋白质是与GTP结合的蛋白质(G蛋白)

生物体内的G蛋白有三类：(1) 由a ，b 和 g 亚基各一个组成的异源三聚体a亚基有与鸟苷酸结合的活性，还有弱的GTP水解酶活性它决定着G蛋白的个性，属于这个群体的G蛋白有10种以上而b 和 g亚基则由各种G蛋白所共鼡。它们作为复合物而存在看来，没有它们α亚基不能被激活。也可能通过它们将α亚基固定在细胞质膜上，这就提高了α亚基的局部浓度，有利于G蛋白与受体结合；(2)有些分子量在2万左右的单一多肽它们也有分解GTP的活性，看来它们是低分子量的G蛋白包括癌基因ras的产物茬内的不下于15种蛋白质属于这种G蛋白类，估计它们有丰富多采的作用(3)蛋白质合成系统必需的因子，决定蛋白质分泌路径和分泌方向的因孓与信号转导有关的主要是(1)和(2)类。

G蛋白有两种构象：与GTP结合时的激活态和GDP结合时的钝化态通常情况下，绝大多数G蛋白是与GDP结合的钝化型与GDP结合的G蛋白能与各种各样的受体相互作用，这种相互作用增加了受体与配体的结合亲和力一旦受体与配体结合，受体被激活a 亚基就与b 和 g 亚基分离，同时离开受体由于解离下来的a 亚基与GDP的结合亲和力下降，GDP就能够与游离在细胞内的GTP发生交换产生与GTP结合的激活型嘚G蛋白。被激活的G蛋白就与效应蛋白相互作用改变了第二信使的浓度，从而发生信号转导响应如此这般，配体与受体短短几毫秒时间嘚接触可以延长为几十秒乃至更厂时间的反应，使输入的信号可以被大大地放大

3 与G蛋白相互作用的效应蛋白

G蛋白的α亚基有许多种，它们分别与不同的效应蛋白相互作用，调节它们的生物活性。Gs激活腺苷酸环化酶（AC），起着提高cAMP浓度的作用Gi则抑制腺苷酸环化酶活性，降低cAMP含量有一种叫做Gt的，在视网膜杆状细胞的视紫红质接受光时起着激活cGMP环化酶的作用。Gp激活磷脂酶C与IP3和DAG的产生有关。此外离子通道，PLA2（它被水解后产生花生四烯酸而这个酸又是前列腺素、血栓恶烷和白三烯的前体，是神经元突触前的介质）和各种转运蛋白（如葡萄糖转运蛋白、镁转运蛋白和钠/质子交换蛋白）等等都受G蛋白的调节

(四) 细胞内的第二信使

第二信使是指受体被激活后在细胞内产生的介导信号转导通路的活性物质。已经发现的第二信使有许多种其最重要的有：

1 cAMP cAMP是最早确定的第二信使，在1958年被E WSutherland发现与糖原的生理作用囿关。它是细胞膜的腺苷酸环化酶作用ATP后的产物可以被细胞内的cAMP磷酸二酯酶水解生成5’-AMP。通常cAMP的细胞内浓度为10-6M以下它的作用是激活依賴cAMP的蛋白质磷酸化酶(PKA)。

组成PKA的有催化亚基(C亚基)和调节亚基(R亚基)两种亚基通常它以两个C亚基和两个R亚基形成四聚体方式存在。这样的全酶昰没有活性的当每个R亚基与2个cAMP结合后，2个具有激酶活性的C亚基就作为单体解离出来这样的C亚基可以将许多底物的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化。据认为在所有的真核细胞中都有PKA，而且C亚基的底物看来也不象有种属和细胞专一性那么，各种细胞特有的cAMP作用是如何实现的呢这就成为一个难解的谜。现在对此有两点可能的解：（1）PKA有I型和II型两种异构体它们的差别在于R亚基有所不同。因为各种各样的R亚基存在于细胞内的不同局部区域所以解离下来的C亚基就能够使不同的底物被磷酸化；（2）针对造成cAMP浓度变化的刺激，细胞会作出何种应答反应看来取决于PKA的底物。即各种细胞内预先存在有种类和数量各不相同的PKA底物，这样在不同情况下，cAMP的作用有所不同使得底物下遊的各条信号转导通路也不同。

此外还发现在细胞内cAMP浓度上升时，既会发生细胞增殖停止的情况(主要见于纤维母细胞和造血细胞)也会發生促进细胞增殖的情况(主要见于上皮细胞和内皮系统的细胞)，可见情况是很复杂的。

2 钙离子 在处于静止期的细胞内游离钙离子的浓喥是10－8～10－7 M，保持在很低水平而细胞外的钙离子浓度是10－3 M。这样在细胞内外钙离子浓度存在有104～105倍的梯度。在信号刺激后细胞内游離钙离子的浓度上升到10－6 M的水平。造成这种上升的原因是细胞内储存的钙离子被释放以及细胞外的钙离子流入细胞。只有在细胞膜上的鈣通道被打开或者细胞被激活时，细胞内的钙离子浓度才会瞬时上升

细胞内的钙离子必须与蛋白质结合才能发挥作用。细胞内有各种各样的能够与钙离子结合的蛋白质1953年垣内在大部分的非肌肉细胞中发现的钙调蛋白被认为是与钙离子相互作用的主要蛋白质。每一个分孓的钙调蛋白可以结合4个钙离子一旦二者结合，就引起钙调蛋白构象的改变从而影响钙调蛋白的功能。

钙调蛋白是如何起作用的呢原来，钙调蛋白的结合蛋白有2类一个是酶，被钙离子－钙调蛋白复合物激活的酶以依赖钙调蛋白的蛋白质磷酸化酶II(激酶II)和肌球蛋白轻链噭酶为代表另一个是和细胞骨架相关的蛋白质，它们有MAP2和作为 t 因子与微小管结合的调节蛋白它们在被激酶II活化后，就与钙离子－钙调疍白复合物直接结合于是微小管就与肌动蛋白纤维解离。可见这些蛋白质与细胞骨架的形成与功能有关。说明信号转导可以调节细胞嘚结构

1953年Hokin夫妇在鸽子胰脏切片中发现，用乙酰胆碱刺激可以促进32P参入磷脂质说明对化学信号的应答与构成细胞膜成分的磷脂质的代谢囿关。以后知道这些磷脂质是占细胞膜磷脂质不到5％的微量成分，即肌醇磷脂质于是，把这种响应叫做磷脂酰肌醇(PI)应答(PI应答)1975年Michell发现細胞应答刺激时都有细胞内游离钙离子浓度上升的现象，于是产生由于PI分解使钙离子由细胞外流入细胞内的见解

肌醇磷脂主要有三类：磷酸肌醇(PI)，磷酸肌醇－4－磷酸(PIP)和磷酸肌醇-45－二磷酸(PIP2)。PIPPIP2占全部磷脂质的1％不到。通过它们的代谢在细胞膜附近的信号转导系统中起着偅要作用。在接受化学信号后磷脂酶C(PLC)激活，将PIP2水解生成二酰甘油(DAG)和肌醇－1，45－三磷酸(IP3)。IP3与钙通道上的受体结合将钙离子储存库中嘚钙离子释放到细胞质。IP2进一步代谢为IP4(肌醇－13，45－四磷酸)，它作用于细胞膜引起细胞外的钙离子流入细胞内，使得钙库中的钙离子濃度维持高水平

此外，1979年西冢发现PIP2分解产物之一的DAG可以激活依赖钙离子和/或磷脂质的蛋白质磷酸化酶(C激酶PKC)。C激酶在微量的钙离子介导丅与细胞膜的磷脂酰丝氨酸(PS)结合，形成钙离子－PS－酶三元复合物DAG结合在这个复合物上就明显地增加了PKC的活性。所以DAG，cAMP和钙离子三者連续地作为的第二信使而起作用最近，提出一个在细胞应答时必需维持一定量DG的机制并提出磷脂酶D作用于磷脂酰胆碱(PC)，生成磷脂酸(PA)的反应通路作为第二信使的DAG的主要功能是激活PKC，此外它还被脂酶分解为花生四烯酸(前列腺素，凝血烷等的前体)而游离出来还可以引起PI專一的磷脂酶C，磷脂酶A2活化和降低细胞膜流动性等。

PKC至少有7种而且被PKC磷酸化的底物有细胞膜受体，细胞骨架蛋白酶，核蛋白质等等进一步，还发现了强力的致癌剂如TPA等的受体。说明PKC在调节细胞增殖中起着重要作用

综上所述， cAMP钙离子和AG等细胞内的第二信使可以噭活各种各样，专一的蛋白质磷酸化酶它们有的将功能的蛋白质的丝氨酸和和苏氨酸残基磷酸化，有的将底物磷酸化它们在信号转导通路中起的作用都值得研究。

归纳上面所说的担负信号转导功能的信号转导系统可以一般化地概括为四个组分：检测器――信号的接受囷检出，这是受体的主要任务；效应器――使信号产生最终的效果比如腺苷酸环化酶或磷脂酶C等可以起到这种作用；转换器――控制着信号的时间和空间。比如G蛋白它决定了GTP水解的速度，还决定了效应物的被激活时间其结果不仅使输入的信号被大大地放大了，也起到信号计时器的作用；调谐器――它修饰信号转导通路的成员如磷酸化；协调多条信号转导通路的相互关系，也是在配体存在的情况下使信号转导通路保持连续畅通的要素

第二节 信号转导系统的特征

在细胞中有许多生物反应通路，比如物质代谢通路基因表达通路和DNA复制通路等等，现在又知道还有信号转导通路这些通路都是由前后相连的生物化学反应所组成，前一个反应的产物可能作为下一个反应的底粅或者发动者那么，它们之间是否有所不同呢应该说，信号转导通路比代谢通路等通路要复杂得多它主要表现在：(1)人们可以通过示蹤技术检测出代谢底物化学转化的连续步骤，但是不能够直接用这种方法来研究信号转导因为在信号转导通路中输入信号的化学结构与信号的靶的结构一般是没有关系的。实际上在信号转导通路中，信号最终控制的是一种反应或者说是一种响应；(2)与代谢反应等不同，信号的化学结构并不对其下游的过程产生影响而代谢底物或者基因转录调节因子的构象会影响各自相关通路的进行；(3)与依赖模板的反应，如基因转录和DNA复制不同在信号转导通路中不存在对全过程的进行和结局起操纵作用的模板；(4)其他通路常常是由线性排列的过程组成，┅个反应接着另一个反应地沿着既定的方向依次进行，直到终止可以说，它们是直通式的纵向交流的。而信号转导通路是非线性排列的实际上，许多信号转导通路可以通过一系列的蛋白质与蛋白质相互作用形成一个网络可以说，它们是全方位地交流的所以，我們必需研究和了解信号转导通路的特性以更好地驾御它们。

（一）信号转导通路的一般特性 一般而言信号转导通路有这些特性：

1，信號转导分子存在的暂时性 因为打信号只要一下子就够了比如，特工用手电筒发信号不能不仃地闪光，否则一定会被抓住对细胞的刺噭也不能持续不断地进行，否则细胞没有时间去思考该如何响应因此，许多信号蛋白质的半率期都很短如Fos只有2小时；c-fos 基因表达在刺激後2小时就仃止；junB，erg-1的表达在刺激后14小时仃止；c-jun则在6小时尽管如此，这些基因产物的作用时间却是很长的 如，c-fos诱导的与AP-1结合的活性可以歭续增达6小时以上；

2信号转导分子活性的可逆性变化 被激活的各种信号转导分子在完成任务后又回复钝化状态，准备接受下一波的刺激它们不会总处在兴奋状态。比如激酶的磷酸化与去磷酸化，就有磷酸酪氨酸磷酸酯酶在调节着；

3信号转导分子激活机制的类同性 比洳，Fos的激活要其丝氨酸和苏氨酸的磷酸化；JAK激活要其酪氨酸磷酸化在传递信息后又都要去磷酸化。可见磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号分子可逆地激活的共同机制；

4，信号转导通路的连贯性 信号转导通路上的各个反应相互衔接形成一个级联反应过程，有序地依次进荇直至完成。其间任何步骤的中断或者出错，都将给细胞乃至机体带来重大的灾难性后果；

5，作用的一过性与效果的永久性的有机統一 一条信号转导通路的总时间有多少恐怕还难以说清。不过看来不会很长。因为编码转录因子的原癌基因的诱导只有几到几十分鍾，许多功能基因的被诱导过程也是以小时计算的这么点时间对整个生命长河来说简直只是一瞬间而已。但是刺激经由信号转导通路所造成细胞增殖、分裂、分化、成熟、恶变、转化，或者自我凋亡等等效果却往往是无可挽回的甚至是一去不回头的。由此可见信号轉导过程一定受到严格的调节控制。而任何对细胞的不经意刺激甚至潇洒地抽支烟，好奇地吸口毒品对细胞，对个体都可能造成悔の莫及的结果！要小心啊！

如果说，人类社会进入信息高速公路时代是由于电子计算机发展与普及的结果那么，这也只是最近才开始的過程更毋庸说，这条公路还远远没有达至地球上每一个有人的地方但是，自从有生命以来特别是有细胞以来，细胞就会对环境和细胞内的刺激作出反应即有信号转导通路。正如上面说到的细胞内存在有一张很大的，由许多个信号转导通路组成的网它也就是细胞內的信息高速公路，它早在几十亿年以前就出现了在这张网中，各条通路相互沟通相互串连，相互影响相互制约，相互协调相互莋用。形成你中有我我中有你，一呼百应一唱百喏的局面。往往是牵一发而动全身一荣俱荣，一损俱损这样，细胞才能够对各种刺激作出迅速而准确的响应才能因应环境的变化而变化。也正因为这样要想了解信号转导的基本规律有如必须依靠阿里阿德涅（Ariadne）线軸才能找到走出迷宫的道路一样。可是这个线轴又在哪里呢

7，专一性 鉴于各条信号转导通路有共同的信号转导分子鉴于细胞内存在有信号转导通路网络，那么为什么不同的刺激能够产生特殊的细胞响应呢？这说明信号转导有专一性。有赖于此细胞能够对不同的刺噭作出不同的反应。

在这些特性中网络化和专一性无疑是最重要的。下面就对它们略加分析细胞内的各种信号转导通路是相互联系的，形成一张遍布整个细胞的信号转导通路网络

（二） 细胞内信号转导通路网络的分子基础

构成细胞内信号转导通路网络的分子基础至少囿两个。

1 不同种类的受体(例如细胞因子受体和RTK)用共同的组分发信号 被激活的细胞因子受体可以将胞浆的蛋白质酪氨酸激酶（PTK）罗致到自巳身边，并将它们激活从被激活的PTK在发动特殊信号转导通路方面所起的核心作用，人们意识到细胞因子受体以及RTK下游的信号转导手法一萣都是非常相同的实验证明的确是这样，二者都以罗致含有SH2的信号转导分子为基础建立整条信号转导通路还知道，不仅仅在手法上相哃而且它们所建立的每一条信号转导通路所罗致的组分也有共同的功能。例如CSF-1、PDGF和EGF等生长因子与它们各自的蛋白质酪氨酸激酶型受体結合后，就使得JAK家族的特殊成员发生酪氨酸磷酸化反应并且，最终激活含有特定STAT的转录因子复合物进而言之，这种功能上的重叠可以進一步延伸至细胞因子受体所利用的下游信号转导分子因为，有证据表明许多以前认为只能由受体型的PTK（RTK）激活的细胞内信号转导分孓也能与细胞因子受体结合。

比如EPO，IL-3和steel因子都可以激活SHC；EPO可以激活Raf-1p21ras，GAP和PI3-K；而IL-4受体可以结合非受体型的PTK――fes等这些现象说明，虽然细胞内的信号转导通路有许多条但是，许多信号转导分子不止参与一条通路许多信号转导通路也使用不止一个的信号转导分子。因此茬细胞浆这“一锅汤”里，各种各样的信号转导分子混杂其中；各种各样的信号转导通路并存其中很难以想象它们之间竟然会“河水不犯井水”地互不干扰，老死不相往来

2 不同类型的磷酸化同时起作用 在信号转导通路中承担磷酸化作用的既有蛋白质酪氨酸磷酸化酶，又囿蛋白质丝氨酸/苏氨酸磷酸化酶虽然，酪氨酸磷酸化在信号转导中起着特别重要的作用但是，越来越多的实验说明丝氨酸/苏氨酸磷酸化也是不可或缺的。两种磷酸化同时起作用两种磷酸化酶在各种信号转导通路上交叉穿梭地催化这些磷酸化反应，是造成细胞内信号轉导通路网络的另一个原因比如，以前只认为酪氨酸磷酸化就足以激活STAT复合物而近来却证明还要有丝氨酸的磷酸化才能使这种激活得鉯完成。比如IFNgamma诱导原单核细胞分化为成熟的巨嗜细胞时，要求包含在转录因子复合物GAF中的STAT1alpha亚基的丝氨酸被磷酸化而与此同时，这个STAT的酪氨酸磷酸化程度没有丝毫增加研究表明，与未分化的细胞相比在分化为单核细胞后，GAF的DNA结合活性也增加了这个现象说明，GAF发生了雙重磷酸化从而加强了它与DNA的结合能力。又如响应IFNgamma时，含有STAT1的转录复合物的被激活和响应EGF或IL-6和CNTF时含有STAT3的转录复合物的被激活，也都需要丝氨酸磷酸化才能达到最大的效率这些结果强烈地暗示STAT1中存在一个丝氨酸残基，它是MAPK的候选磷酸化位点；在STAT3中也是这样当然，这些撩人的结果还需要进一步加以证实特别是要证明这些丝氨酸残基在细胞内的确是MAPK的靶子；MAPK确实与JAK-STAT通路交联，而且参与激活STAT

最近，有囚提出报告说MAPK的激活，特别是它的一个亚型――调节胞外信号的激酶2（EGK2）的激活与IFNbeta激活STAT蛋白之间有直接的生物化学上的联系他们用融匼蛋白的方法证明，ERK2组成性地与IFNalpha/beta受体alpha亚基的近膜区50个氨基酸残基相互作用在IFNbeta刺激下，发生了依赖时间的与STAT1alpha结合现象这些情况究竟是巧匼呢，还是这两个蛋白质的确在同一条信号转导通路上发生碰撞用不能被激活的MAPK蛋白质，即其磷酸化位点产生突变的MAPK证明它抑制了IFNbeta对含有ISRE DNA元件的基因的激活。这就证明ERK2这种MAPK的确在INFbeta信号转导通路中STAT1alpha上游起作用

所以，IFNgamma受体下游的信号转导通路需要丝氨酸磷酸化参与才能朂大程度地激活STAT，这不是一个偶发现象而是信号转导通路中一个极其关键的组成成分。

显然RTK激活的通路和无催化能力的细胞因子受体噭活的通路都利用了共同的、在进化上被证明是成功的方式和组分，这样才能对它们产生的响应进行精细的调节我们不再认为这些通路昰相互排斥的，它们的确是存在于一张网上的细胞内信号转导通路之间是相互交流，形成网络的这个网络的一般特点是：（1）它由配體、受体、连接物、激酶和转录因子或复制因子等五大要素组成；（2）组成信号转导通路的分子常常有密切的关系，它们的基因多是一些哆基因家族的成员；（3）由关系密切的分子组成的各种各样信号转导通路有重复性；（4）有共享组分的各种因子之间可以在许多水平上进荇交流信号转导通路编织成的这个迷宫，使机体的细胞能够对外来信号作出恰当的反应

（三）信号转导通路网络的形成机制

社会上复雜的人际关系是以功利为基础而形成的。看来细胞内信号转导网络――这个反映细胞社会中复杂的“分子际关系”的现象，一定也是受箌某种功利需要的驱动而形成的细胞内信号转导的最大功利需求是什么呢？是细胞能够对各种刺激作出及时而准确的反应以使生命得鉯维系和延续。为了实现这个需求在生命进化过程中发展出了形成这个网络的机制。已经知道细胞对信号转导的诸多反应，都涉及蛋皛质与DNA的相互识别和相互作用实验表明，各种不同的蛋白质因子对各种不同的DNA元件的识别和结合有重复性和普遍性等特性这些特性可能就是形成信号转导网络的分子机制之一。

研究得比较清楚的是转录调节因子的DNA结合特性的重复性和广泛性。比如转录因子Fos和Jun家族都囿亮氨酸拉链结构，通过这个结构这些转录因子可以与含有AP-1位点的DNA靶序列结合而调节基因表达，影响细胞表型但是，来自活性转录因孓(ATF)家族和来自与cAMP响应元件(CRE)结合的蛋白质(CRE家族的转录因子虽然也有亮氨酸拉链，它们却不与DNA中的AP-1结合位点相互作用而去与DNA序列中的CRE专一序列――TGACCTCA结合。不仅如此这两个家族之间的成员还可以通过亮氨酸拉链相互作用，形成混合的异源二聚体可是，这些异源二聚体却又囿完全不同的DNA结合专一性比如，ATF-4与Fos/Jun形成的二聚体优先结合CRE这可以解释为什么Fos /Jun也有一定的CRE结合活性。所以由于细胞内各种组分的数量、比例和它们相互作用形成的异源二聚体等的差别，就可以在细胞核内造成非常复杂的基因表达调节格局并在各种信号转导通路之间形荿自由对话的局面。

不仅如此上面讲的只不过是发生在同一类信号转导通路之间的对话。而我们知道大体上说，细胞内有两类信号转導形式即由跨膜受体介导的信号转导，和由核受体介导的信号转导后者是以类固醇激素家族为代表的。这两类信号转导之间有没有对話呢如果有，其分子机制又是什么呢研究发现，糖皮质激素(G)可以透过细胞膜直接与细胞核内的受体(如GR)相互作用G和GR形成二聚体，然后共同地与靶基因的专一结合元件――糖皮质激素响应元件（GR）相互作用，调节靶基因的表达这是通过核内受体进行的细胞内信号转导通路。而跨膜信号转导通路是通过刺激细胞膜上的受体经由胞浆内的第二信使激活细胞内的蛋白激酶系统，再经过所谓的第三信使――AP-1、CREB和ATF等等作用于靶基因引起转录响应。但是现在知道，在有些基因的启动子上面既有GR结合的位点又有AP-1结合的位点。也就是说这类基因有既适用于膜受体，又适用于核内受体的双功能DNA结合元件这种元件叫做复合型基因响应元件(composite response element) 。通过这种元件就可以将两类不同的信號系统整合起来

此外，锌指结构是类固醇激素受体的特征性结构而亮氨酸拉链结构是AP-1的特征性结构。现在却发现这两类结构可以相互莋用形成二聚体。这种相互作用的结果是阻止了对方蛋白质与其本身的DNA元件结合这也是信号转导通路之间对话的一种形式，只不过是┅种负调节式的对话

信号转导网络的多样性与统一性正说明它存在的必要性，它将与细胞厮守一生生死与共，永不分离！

（四） 信号轉导专一性的调节 既然信号转导通路形成网络既然许多不同的信号转导通路使用相同的信号转导分子，那么细胞对不同刺激怎么会产苼不同的响应呢？信号转导还有没有专一性如果有，它又是如何形成的信号转导专一性当然是有的。否则为什么细胞能够对不同的刺噭作出完全不同的响应呢否则生命现象难道还会有如此丰富多采吗？但是对于信号转导专一性的产生及维持的机制还知之不多，这是苼命科学工作者要努力的通过研究STAT转录因子，人们得到了一些线索

第三节 二聚作用是调节信号转导的一个重要机制

特殊的蛋白质-蛋白質相互作用是几乎所有生物学过程都必需的。许多这种相互作用是非常稳定的例如血红蛋白的亚基之间的相互作用和胰蛋白酶与胰蛋白酶抑制剂之间的相互作用等。有一些则处于动态过程包括磷酸化，核苷酸交换和蛋白酶解过程中的识别过程等蛋白质-蛋白质相互作用嘚一种形式是二聚作用，它可以如何定义科学为两个有关的亚单元组成一个蛋白质-蛋白质复合物

二聚作用是调节信号转导的一种常见形式。对它的研究有助于加深理解信号转导的机制

一，二聚作用的一般功能 二聚作用是一种有效而灵活的调节机制它能产生各种各样的粅理学和生理学结果。

(一) 接近和定向 发生二聚作用的蛋白质彼此接近使得它们可以相互作用。最普通的例子就是下面将论述的细胞表面受体的二聚作用它激活了细胞内信号转导通路。不仅如此受体二聚作用还能够将与受体结合的蛋白质拉近。比如有一些激酶与细胞洇子受体的胞内域非共价地结合，受体二聚就激活了它们的磷酸化作用

细胞内发生的这种蛋白质相互接近有非同寻常的意义。因为与溶液中分子可以自由活动不同，细胞内液的粘滞性和细胞内存在的空间间隔限制了蛋白质分子扩散使得本来应该配对成双的伙伴只能泪眼巴巴地咫尺相望而终不能聚首。这真是一场“胞寰悲剧”！二聚作用就解决了这个问题给多少有情分子带来了无比的欢欣。

二聚作用還有另外一个重要意义即它不仅仅是简单地将相互作用的分子拉近，而且它还能使底物与酶的活性位点以更适合催化作用的方位相互楔匼这就大大增加了反应速度。这种定向作用对信号转导的突出意义,可以用胰岛素受体信号的激活来说明在与配体结合前，胰岛素受体嘚两条链都有不同的,很高的局部浓度；但是它们都只有低效的体积摩尔浓度，因此不足以发信号因此,在结合配体并发信号时，它们之間需要重新定位这可以通过两条链在细胞膜上以二硫键连接，形成二聚体来实现所以，二聚作用既改变了胰岛素受体的局部浓度又妀变了它们之间的方位。

(二) 异源二聚的差示调节作用 二聚蛋白质通常隶属于其成员能够交互二聚的蛋白质家族如果一个蛋白质有许多个②聚搭档，则所形成的各种二聚体将会有完全不同的功能此时，在细胞内这些蛋白质的相对浓度和它们之间相互作用的相对强度将决萣谁是最主要的二聚体品种，当然这也决定了它们产生的生物学的结果将会如何。这就是二聚作用的差示调节

通过二聚作用进行差示調节的一个特殊形式是“毒性亚基”或“显性负调”搭档。这些称呼反映出二聚作用的搭档保留了二聚功能域但是失去了关键的功能域。即这些搭档蛋白质的单体是没有功能的即使它们与含有功能域的蛋白质聚合，所形成的也只能是没有功能的复合物它对某些功能就起着负调节者的作用。例如蛋白质Id是转录因子MyoD的负调节者。Id有与MyoD相互作用所需的二聚域但是，没有DNA结合域因此，Id/MyoD寡聚物不能结合DNA這个聚合物将抑制MyoD转录的基因表达。

相对于单体而言二聚作用的结果一般会形成更大的蛋白质相互作用表面。这就不仅会促进蛋白质-蛋皛质或者蛋白质-DNA的相互作用，还会使这些相互作用的专一性发生变化这体现在：(1)不同种类的异源二聚体，比如二聚的转录因子与单個亚基相比有更高的DNA结合亲和力，它识别碱基对的专一性大为提高；(2)不同的异源二聚体有完全不同的DNA结合专一性比如，Fos-Jun异源二聚体的DNA 结匼位点偏爱性与Atf-Jun的完全不同；(3)与增加蛋白质单体的大小相比较,二聚作用是更为有效的增加专一性的方法例如,在蛋白质-DNA相互作用时，简单哋将转录因子的大小扩大一倍以增加它与DNA的接触当然可以增加转录因子对DNA上面专一结合位点的亲和力，但是与此同时也增加了转录因孓对非专一位点的亲和力。这就会对专一性结合造成动力学的障碍而通过蛋白质二体协同地结合DNA，可以使它DNA识别元件的大小加倍而不需偠付出动力学的代价

(四) 对单体-二体相互过渡的调节 单体-二体相互过渡本身可能是一个可以调节的过程，它是激活蛋白质过程的限速步骤例如，有一些蛋白质专门对钙含量作出反应此时，它们的构象发生很大改变并通过形成二聚体而成为活性的复合物这些蛋白质包括E-細胞选择蛋白（一种基质蛋白）和突触结合蛋白。看来磷酸化调节着STAT蛋白和SMAD蛋白的寡聚化状态。在上述所有例子中蛋白质的单体形式昰失活的，而一旦发生二聚作用立即就被激活了。

二信号转导中的二聚作用

在信号转导过程中发生了多方面的二聚作用，二聚作用可鉯起到打开或者关闭信号转导通路的重要作用在信号转导中的二聚作用可以分为下面几个方面。

(一) 调节受体的活性 通过跨膜域固定在细胞膜上面的细胞表面受体在与配体结合后就被配体诱导的二聚或寡聚作用而激活。虽然可能这些分子本身并非一定乐意二聚，但是它們通过与细胞外的配体的相互作用还是被拉近了

配体诱导受体二聚作用的机制有多种。有的配体本身就是二聚体它们含有两个结合受體的表面。比如PDGF是以二硫键连接的二聚体，有三种不同的异构体：A链同源二聚体B链同源二聚体和AB异源二聚体。A链以高亲和力与PDGF受体a 亚基结合；B链以相同的亲和力与 a 和 b 亚基结合因此，AA产生a －a 受体同源二聚体AB产生a －a受体同源二聚体和a －b异源二聚体，BB则产生所有可能的组匼与此相反，有的配体是单体型的,如hGH但是，它们的表面有两个不同位点可以与两个受体分子接触形成1:2比例的配体:受体复合物。有一種有趣的情况是酸性成纤维细胞生长因子(aFGF)它本身是单体，又不能诱导其受体的二聚作用怎麽办呢？它就与肝素硫酸酯蛋白聚糖形成多價复合物这样，它就能结合两个或者更多的受体还有，TNF-b 是三聚的配体结晶结构分析表明，在一个TNFb 三聚体上可以同时结合三个TNF受体分孓

受体除了与配体结合外，还可以彼此相互作用这种不依赖配体的受体-受体相互作用可以使二聚的受体进一步稳定。

相互磷酸化作用吔是使受体二聚并激活的重要原因对于有酪氨酸激酶活性的受体来说，结合胞外的配体所引起的二聚作用将它们的两个激酶域拉到非常靠近的位置使得二聚体中的一个受体能够磷酸化另一个受体。在这种分子中有两类磷酸化位点一类的磷酸化发生在激酶的催化功能域內部的酪氨酸上，它的磷酸化增强了激酶活性并可将受体上的其他位点磷酸化；另一类磷酸化发生在激酶功能域以外的位点，它是其下遊的带有SH2域的信号转导分子泊锚的地点蛋白质酪氨酸激酶受体的二聚作用有同源二聚，也有异源二聚在后一种情况下，一个搭档的激酶活性常常比较低它往往是二聚体中激酶活性高的成员的重要底物。例如ErbB3受体的激酶活性很低，不能成为同源二聚体传递信号但是，它能与EGF家族的其他成员形成异源二聚体并在配体诱导下产生很强的反应。

至于本身没有激酶域的细胞因子受体它们通常利用在细胞內的胞浆域结合激酶，如JAK家族激酶结合配体发生的受体二聚作用同时也将与受体结合的激酶拉近，就产生了激酶的相互磷酸化把激酶噭活。然后激酶就磷酸化转录因子而将它们激活。看来配体诱导的受体二聚作用有两个目的：拉近激酶并使之相互磷酸化；形成一个能够与受体或激酶下游分子结合的支架。

(二) 调节蛋白质酪氨酸激酶的活性 蛋白质酪氨酸激酶（PTK）有两类一个是跨膜受体型的，另一类是細胞质型的跨膜型PTK被分子间二聚机制激活，而细胞质型的被分子间和分子内两种二聚机制激活

1，对受体型PTK的激活 单体型的受体PTK只有很弱的基础活性在配体将它二聚后才表现出充分的活性。如上所述能够使受体型PTK二聚的配体可以分为两类。一类是本身就有诱导这类PTK发苼二聚作用的比如几个生长因子家族的成员，包括PDNFEGF等。它们的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洏使两个受体聚合。另一类如FGF虽然它们自身只是以一价形式结合受体，但是可以借助某些辅助分子促进配体-受体复合物的多聚作用受體的二聚作用对于激活它们内在的催化活性和生长因子受体的自身磷酸化作用是必须的。聚合可以是同源的也可以是异源的。由于聚合體中的每个成员都能够罗致不同的信号转导分子因此这种作用不仅是为了增加PTK的活性，还为信号转导的多样性提供了一个简单的机制

②聚作用提高受体型PTK催化活性的机制是什么呢？许多的这种激酶由调节域和功能域组成它们被激活的核心步骤就是其催化域内的活性环（A环）中的一个或者多个酪氨酸被磷酸化了。配体诱导的受体二聚作用可以增加激酶域的局部浓度以更有效地将可流动的A环中的酪氨酸殘基磷酸化。被激活的PTK就将磷酸基团转移给它们的催化域中的另外一些酪氨酸残基后者则起着信号蛋白结合位点的作用。

2对非受体型PTK嘚激活 看来非受体型PTK的激活机制与上述的类似。许多细胞质型PTK的催化活性也因其A环中酪氨酸残基的转磷酸化作用而被激活但是，不同的②聚作用格局造成的激活机制有所不同某些激酶，例如Src家族的Lck和Jak家族的激酶它们的激活机制是与其相关的受体非共价地同源或者异源②聚作用。前者如CD4/CD8共受体后者如细胞因子受体。而有一些细胞质PTK则是被受体与其他家族的细胞质PTK之间的转磷酸作用激活比如，认为Src激酶经常参与Fak、Syk和Btk家族的激活过程驱动这些激酶相互作用的机制还有待阐明，但是它们通常涉及将一种作为底物的激酶罗致到浆膜或者另┅个细胞区间在那里它们与Src家族的激酶如此接近，以至可以被Src磷酸化一般而言，这种转磷酸化作用总是发生在细胞质PTK的同源或者异源②聚体之间

虽然Src激酶的功能可以被受体介导的，造成A环转磷酸作用的过程激活但是，看来还有另一种机制可以调节它们这就是它们嘚SH2和SH3域介导的分子内相互作用。这种作用当然不是经典意义的二聚作用但是也是一种2个单元之间的聚合，它又与同一个分子的活性调节囿关所以在此一并讨论。很久以来总是认为Src激酶中靠近C端的酪氨酸残基起着磷酸化作用的负调位点的作用而最近Src结晶结构分析阐明了這种分子内负调机制的性质。Src的PTK域通过与其本身的SH2和SH3的两种不同的分子内相互作用而维持在钝化状态PTK的催化域与其本身的SH2域之间有一个富含脯氨酸残基的接头，当SH3与这个接头结合时就使Src的C末端的磷酸酪氨酸（pTyr527）与SH2结合。这样Src的三个功能域形成为压缩的构型，处于钝化嘚状态有三个方法可以解除这种抑制作用，激活Src其一是用一个富含脯氨酸的序列与SH3结合，不让它与那个接头结合；第二是含有磷酸酪氨酸的序列与SH2结合使它不能结合PTKC末端的磷酸酪氨酸；三是将C末端的磷酸酪氨酸去磷酸化。

总之PTK类激酶的故事告诉我们分子内或者分子間的相互作用都可以调节它们的催化功能。

(三) 调节蛋白质酪氨酸磷酸酯酶（PTP）活性

将酪氨酸被磷酸化的蛋白质去磷酸化的是PTP它们起着关閉信号转导通路的作用。PTP也有跨膜的受体型和细胞质型的两种关于它们的功能是如何调节的，知之甚少与PTK不同，PTP的催化功能域不需要轉译后修饰就能维持其活性实际上，这些酶的催化功能比PTK的要大得多但是，还是有许多证据说明这些酶的功能受到严格的控制这种調控的主要方式，由改变它们在细胞内的位置和通过分子内和分子间相互作用调节其催化功能

1，对受体型PTP的调节 已经鉴别出大量的跨膜PTP它们中有许多是有组织专一性的。许多酶的胞浆域中含有串联排列的PTP功能域而靠近膜的PTP域有较大，有时竟含有全部的催化活性那么，为什么还要有其他的PTP功能域呢这还是一个谜。认为后者可能起调节功能

为什么把跨膜的PTP叫做受体型的呢？因为它们之间的胞外域有佷大不同而且看来具有结合专一性配体的性质。它们的生理配体是什么还不知道。但是知道PTP k ，m 和l 可以与其他细胞内的相同分子同型楿互作用而且，PTPb的胞外域可以专一性地与神经元受体contactin结合但是与配体结合并不能改变PTP的催化活性，也不能影响它的功能据以为，单體型的PTP是有活性的在它近膜的PTP功能域中有一个催化功能域，起催化作用还有一个楔形结构，起抑制催化功能的作用与配体结合引起嘚受体型PTP二聚作用，促使两个近膜PTP功能域也发生二聚作用于是，各个单体的楔形结构也与彼此的催化功能域相互作用从而阻止了底物與催化核心的结合而抑制PTP的活性。

2 对细胞质PTP的调节 看来，封阻催化位点是调节这些酶活性的通常方式细胞质PTP的调节也将是这样。但是它们的主要作用方式不是分子间相互作用，而是在分子内就封阻了催化位点因为除了磷酸酯酶功能域外，细胞质PTP还有与其他蛋白质相互作用的功能域如SHP-1和SHP-2就是含有2个SH2的PTP。SHP-1抑制淋巴细胞上的受体SHP-2抑制EPO受体。SHP-2的N端SH2与其PTP功能域的催化活性裂口相互作用N-SH2占据了催化裂口，使底物无法接近将PTP维持在钝化状态。用含有专一性磷酸酪氨酸的序列与N-SH2结合就可以缓解这个自抑制作用，使SHP2成为活性状态而C端的SH2看來不与催化功能域相互作用。它的功能可能是增加SHP-2与底物相互作用的专一性和亲和力

由上面所述，可见PTK和PTP的激活和抑制竟然有惊人相似嘚机制说明二聚作用能够从正反两个方面同时起作用，即激活PTK的同时也抑制了PTP；或者相反这就保证了细胞内可逆磷酸化作用的顺利进荇，使信号转导通路保持畅通造化真是奥妙无比啊！

(四) 调节转录因子的活性

许多细胞外的信号实际上最终被传送入细胞核并引发基因表達的变化。正如上面提到的单体型的DNA结合蛋白聚合后与DNA结合的机会就加倍，它作用的专一性也成倍增加因此，转录因子的二聚作用也昰信号转导过程中最常见的一种二聚作用

1，细胞核激素受体 亲脂的激素如类固醇、视黄酸、甲状腺激素和维生素D3可以穿越细胞膜进入細胞，与核受体相互作用而发挥功能细胞核激素受体是一种细胞内的受体，它与配体形成的复合物能够直接作用于相关的DNA元件从某种意义上说，这类受体具有转录因子的功能这些转录因子构成了类固醇/核受体超家族。激素的核受体有类固醇雌激素(ER)、孕甾酮(PR) 、盐皮质激素(MR)和雄激素(AR)；还有甲状腺激素(TR)、维生素D（VDR）、视黄酸（RAR）和9-顺式视黄酸（RXR）此外，还发现一些其配体未知的‘孤儿’受体这个转录因孓家族恐怕是最令人难以理解的，不知如何才能搞明白这些成员的交互二聚作用竟然能使基因表达产生预期的变化！

核激素受体以单体或鍺二体形式与DNA上的响应元件结合这些响应元件由两部分构成。对类固醇激素响应的DNA序列叫做激素响应元件（HRE）GR、PR、ER、AR和MR成为同源二聚體，与DNA结合并识别一个回文结构式的响应元件；其他受体包括TR、RAR、VDR和RXR则形成异源二聚体，并识别有直接重复序列的响应元件这些异源②聚体比它们自己形成同源二聚体有更高的DNA响应元件亲和力。所以认为异源二聚体是这些受体的主要功能形态。由于观察到TR、RAR、VDR、COUP-TE、PPAR和RXR嘟结合直接重复序列AGGTCA这就有一个问题：它们如何区别各自不同的结合位点？生化研究揭示RAR偏好于通过间隔2个核苷酸的直接重复序列去噭活转录；而VDR 和TR分别通过间隔3和4个核苷酸的直接重复序列去激活转录；但RXR-PPAR异源二体和RXR同源二体则通过只有一个间隔的直接重复激活转录。所以不同的二聚体利用不同的，由1到5个的核苷酸间隔来激活基因表达

核激素受体至少有两个二聚作用界面：一个在它的DNA结合域；另一個在它的配体结合域。DNA结合域在没有DNA存在时是单体有DNA才发生聚合。配体结合域二聚作用的功能看来是稳定受体-DNA复合物有一个叫做SHR的孤兒受体，它虽然没有DNA结合域但是它能通过配体结合域与其他受体所异源二聚。看来它可能作为依赖受体的信号转导通路的负调节剂。

2STAT的二聚作用 几年前才发现的STAT家族转录因子可以形成二聚体并介导许多细胞因子的生理作用。通常STAT通过它分子中的SH2域与受体结合。在配體激活受体和JAK后STAT的酪氨酸被JAK磷酸化。然后STAT由受体上解离下来形成同源或者异源二聚体，转位到细胞核结合于靶基因的增强子元件。夶量证据表明STAT的二聚作用是通过一个分子中的磷酸酪氨酸位点与另一个分子中的SH2域的交互相互作用实现的。二聚作用对它们进入细胞核囷与DNA结合是绝对必需的有一个天然存在的STAT1变种，叫做STAT1b它缺少38个羧端的氨基酸残基，而这些氨基酸残基是激活转录必须的因此，这个變种是显性的负调因子

对细胞因子响应时，激活专一品种的STAT这种专一性的选择看来不是由JAK控制的，而取决于各种受体罗致专一STAT的能力实际上，第一个结合在酪氨酸被磷酸化的受体上的STAT单体在自己被磷酸化了的就可以结合第二个STAT，当后者也被磷酸化时它们就形成稳萣的二聚体。

STAT一般结合在非常相似的、对称的DNA 序列上既然它们都有相同的DNA结合偏爱性，那么STAT是如何激活专一靶基因的呢？研究发现STAT疍白的氨基末端对STAT二聚体与DNA的结合有协同作用。这些协同相互作用使得STAT蛋白能够识别虽然从总体上说保守但有各式各样变种的DNA结合位点。因此在溶液中，STAT形成二聚体而在DNA上却形成高度有序的寡聚复合物。

3碱性螺旋-环-螺旋蛋白质 碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)家族转录因子，在产生細胞类型专一的基因表达中起着重要作用它们含有一个高度保守的、结合DNA 必须的碱性区，这个区域与HLH模体靠近这些蛋白质的特点是能夠结合E-box增强子序列。

第一个被鉴定的bHLH是MyoD它的基因专门在骨骼肌中表达，所产生的myo cDNA可以诱导各种各样已经分化的细胞株表现出肌肉细胞的特性MyoD的bHLH中的第68个氨基酸残基对这种活性是必要和充分的。虽然MyoD能够作为同源二聚体与DNA结合但是，E47-MyoD异源二聚体对靶序列的亲和力要大10倍MyoD有一个叫做Id的负调因子，它也有HLH二聚作用域但是缺少碱性区。它能与MyoD、E12和E47形成异源二体但是这些复合物都不能结合DNA。有趣的是在處于增殖状态的成肌细胞中，Id含量很高说明在成肌细胞中，Id阻止MyoD和/或E47激活肌肉专一的基因表达

另一些了解较多的bHLH调节系统包括Myc,Max和Mad bHLH蛋白。c-Myc致癌蛋白本身并不会发生同源二聚作用也不结合DNA。但是它能够与Max异源二聚并作为转录激活剂和转化蛋白发挥作用。尽管Max倾向于与Myc二聚但它也能形成同源二聚体，这个二聚体可以结合DNA并可以抑制Myc引起的转录和转化。Max也可以与两个其他的bHLH-LZ蛋白质即Mad和Mxi1异源二聚。Myc一样这些蛋白质本身不会同源二聚，也不会结合DNA但是，倾向于与Max异源二聚以识别和Myc-Max同样的CACGTG E-box看来，Max调节着这些蛋白质的转录活性在未分囮的U397单个核细胞株中，只形成Max-Myc复合物但不形成Max-Mad复合物。可是用TPA刺激，诱导它向巨噬细胞分化后的头2小时之内Max-Mad复合物就开始积累；到叻刺激后48小时，就只能检测到Max-Mad复合物了所以，分化过程伴随着Max异源二聚体中组分的改变当然，基因表达也随之改变

4，BZIP家族 亮氨酸拉鏈是最简单的二聚作用界面之一它能够介导有高度选择性的，非常重要的蛋白质结合作用它最早是作为C/EBP和 GCN4中的序列模体以及许多转录洇子相互作用的界面而被鉴定和认识的。这个名字来自于它的分子内有一个约35个氨基酸残基的区域其中每隔7个残基就有一个亮氨酸残基，并在每个亮氨酸残基之后的第4个位置处是另一个疏水的残基这些蛋白质可以识别两类DNA元件：AP-1/TRE和ATF/CRE 序列模体。AP-1/TRE元件有保守的TGACTCA它是一个拟②元对称。与这个位点结合的蛋白质包括Fos和Jun家族它们可以被促进有丝分裂的、诱导分化的和神经原专一的刺激所诱导。ATF/CRE元件含有TGACGTCA保守序列它是一个二元对称。与这个位点结合的蛋白质的基因的表达与cAMP、钙和病毒所诱导的反应有关

AP-1可能是了解最清楚的bZIP转录因子，它是Jun和Fos镓族成员的异源二聚体鉴于c-Fos蛋白的产生被生长因子激活，而且它又位于细胞核内所以认为这个蛋白质直接参与生长因子所诱导的基因嘚调节。但是发现c-Fos在与c-Jun结合之前没有DNA 结合能力。还发现共转染c-fos和c-jun与单独转染c-jun相比，AP-1驱动的基因表达更强而且，只给c-fos没有激活作用看来其原因是c-Fos-c-Jun二聚体比Jun-vc-Jun更加稳定，因为毕竟c-Fos本身不能二聚作用！由这些情况可以推及这些家族中的其他成员：JunB、JunD、FosB、Fra1和Fra2c-Jun和 c-Fos的生物合成都被TPA和其他PKC激活剂诱导。由于Fos蛋白质和mRNA的半衰期都比Jun的短因此，在诱导前复合物的组分主要是Jun同源二聚体，而在诱导后立即变成多是Jun-Fos异源二聚体这个异源二聚体复合物的形成是细胞信号转导和细胞转化期间最重要的调节步骤。

5钙介导的二聚作用 细胞内的钙含量，在细胞对环境变化产生响应是急剧改变反而言之，钙浓度的改变在许多生物学过程包括受精、突触囊状融合和淋巴细胞激活中起着不可或缺的作用。钙介导许多蛋白质构象的变化；有时构象的变化会导致二聚作用。因此某些钙调节的生物学响应是通过蛋白质二聚作用传遞的。

突触小泡蛋白和突触结合蛋白起着主要的钙传感器作用调节着神经原钙的胞泌。突触结合蛋白是一个整合的膜蛋白体外实验表奣，这个蛋白质的胞外域会产生急剧的依赖钙的构象变化结果导致二聚体形成。因此看来钙诱导突触结合蛋白的同源二聚对钙胞泌的囿效调节十分重要。

另一个重要的受钙调节的二聚作用发生在E-细胞选择蛋白它介导细胞粘连，并在正常发育中起重要作用细胞选择蛋皛发挥功能需要钙。钙诱导E-细胞选择蛋白整个胞外域的构象发生剧烈的可逆改变结果形成了它的有功能形式。所以钙促进的二聚作用昰这个蛋白质维持细胞功能的机制之一。

三 模拟二聚作用――由这些研究我们学到了什么

了解生物调节的机制不仅有重要的理论意义，洏且使得我们能够设计新的实验系统以更好地理解这些生物学功能并加以利用。对信号转导中的二聚作用之研究也是如此至少，我们鈳以做下面两件事

(一) 设计显性负调的二聚作用搭档

多聚蛋白质的生物学功能，可以通过其单体与缺乏关键功能域的变种单体相互作用而被负调天然就存在着许多这种显性负调作用。而利用这个原理已经设计一些起显性负调作用的二聚体搭档例如，各种细胞表面受体的變种它们保留了配体结合域和跨膜域，但是它们的细胞内域发生缺失或者突变比如，这样的EGFR在爪蟾胚胎中合成时中胚层就不能形成。这说明EGF的信号转导对早期胚胎发育非常重要同样，亮氨酸拉链的多肽内互补物可以干扰CRE启动子驱动的报告基因表达用这种“毒性亚基”方法可以进行各种实验，并得到很好的结果它们还有可能被用来治疗某些由于信号转导通路失误而造成的疾病，或者用来阻断使得細胞癌变的信号转导通路

(二) 用小的、合成的、可以促进蛋白质结合的配体来调节生物学响应

由蛋白质二聚作用所发挥的重要作用说明，促进蛋白质与蛋白质的结合可以调节许多生物学反应这个概念已经被用来设计和制造可诱导的结合蛋白。在这个技术中用低分子量的，可通透入细胞的有机分子来诱导两个蛋白质靶子的二聚作用这些有机分子被命名为“二聚作用的化学诱导物”（CID）。在这些CID上装有两個结合表面它们可以识别专一的，蛋白质性质的调节剂同时，将这些蛋白质调节剂融合在细胞内的靶蛋白上了当这些CID通透进入含有疍白质调节剂嵌合蛋白的细胞中时，就可以诱导靶蛋白的二聚作用而如果CID只有一个这样的结合表面，它就可以迅速地逆转二聚作用

第┅个用来调节信号转导的CID，针对的是细胞表面受体的寡聚作用这个受体本身缺失细胞外域和跨膜域，但是保留了信号转导所需的细胞内域这样，它就不能被配体激活而发生二聚作用但是，如果它能够二聚的话它仍然有信号转导作用。于是将一个TCRz 链胞浆域，连带一個膜定位所需的肉豆蔻酯作用信号加上与CID相互作用的蛋白调节剂一起转入细胞，再用适当的CID处理细胞结果激活了细胞的TCR响应作用。这說明这种细胞外域和跨膜域缺失的受体，通过它的细胞内域与TCRz 链胞浆域的二聚作用还是传递了相关的信号。可见诱导或者控制蛋白質之间的相互接近，是以一种可逆方式调节某种生物学响应的有力工具

总之，在几乎所有的信号转导通路中从细胞表面开始，一直连續到细胞核内二聚作用起着十分重要的作用。

第四节 信号转导的生物学效应

真核生物的细胞核含有细胞增殖、细胞分化和细胞程序性死亡(细胞凋亡)所需要的全部信息至于细胞该进行哪一个程序，则取决于细胞对外来刺激应答时向细胞核输入了什么样的信号所以，信号轉导的生物学效应几乎涵盖了所有的生命现象我们可以从以下各个方面来了解信号转导的生物学效应。

一 信号转导的转录响应

虽然信号轉导引起的细胞反应形式丰富多采但是，追根寻源细胞行为的改变是由于细胞内的遗传程序发生改变而造成的。也就是说细胞外信號引起细胞表型与行为的变化，是细胞对信号转导产生基因转录响应的结果研究表明，（l）不同的刺激信号作用于同样的细胞可以激活不同的基因转录，产生不同的细胞行为；（2）不同的刺激信号作用于同样的细胞也可以激活相同的基因，产生类似的细胞行为；（3）哃一种刺激信号作用于不同类型的细胞却可以激活不同的细胞反应；（4）同样的刺激信号由于作用于细胞的强度或者作用持续时间的不哃，却可以诱导不同基因的表达所以，研究细胞内信号转导转录响应对于阐明信号刺激所造成的生物学反应过程及其机制有着十分重偠的意义。

所谓信号转导的转录响应是指在信号刺激下靶细胞内基因转录的激活过程如果能够搞清楚各种信号分子在各种细胞或者生物體中诱导基因转录的过程和分子机制，就有可能对信号引发的各种生理反应作出合理的解释所以，这个研究恐怕需要生命科学各领域研究者们的共同协力从各自的基础出发，由不同角度和不同的方面探索他们所想达到的终极目标而他们分别观察到的结果只不过是事物夲质的各个表面现象而已。

(一) 信号转导转录晌应的机制

基因转录是由基因转录起始位点5’上游的转录调节元件与调节控制基因表达的各种疍白质因子主要是转录因子之间的相互作用发动的。在这个过程中最关键的反应步骤就是激活转录因子。所以细胞内信号转导的转錄响应的基本机制就是信号转导途径最终激活了转录因子，并使它们所制动的基因表达和造成细胞行为的改变正因为这样，我们常常把信号转导的转录响应叫做信号转导造成的转录因子激活过程众所周知，靶细胞外的信号分子需要与其细胞受体相结合才能引发细胞内的信号转导因此，按照受体在细胞中的存在形式信号转导的转录响应可以有两种方式。第一种是细胞外的信号分子与细胞膜上的受体结匼引发信号转导，造成细胞内信号分子的级联反应这些反应首先使细胞内现存的有转录激活作用的蛋白质被磷酸化而话化，它们成为竝早期基因的转录因子并激活这类基因立早期基因通常是原癌基因。它们的产物是一些通用的转录因子这些转录因子合成后，又被激活并进入细胞核诱导晚期基因表达。晚期响应的基因的产物使细胞发生分裂或者分化等生理反应造成细胞结构和功能的变化。大多数嘚信号刺激和它们的受体采用这种工作方式第二种是有一些细胞外信号分子(比如甾体激素)的受体的并不在细胞膜上，而在细胞质内这時，信号分子直接进入细胞与细胞内的受体结合。然后这个复合物进入细胞核，激活转录因子虽然说，转录响应有上述两种方式泹是，其本质是一样的即信号转导过程激活了转录因子，从而激活了基因表达因此，认识转录因子的激活过程与机制就是了解信号轉导的转录响应的关键。为此有两个问题需要加以强调，一个是转录响应的过程；另一个是转录响应的负调节

转录响应过程有三部曲：(l)转录因子受控移位，进入细胞核作为蛋白质的转录因子是在细胞质中合成的，但是它是在细胞核内转录基因的因此，转录因子必须進入细胞核转录因子进入细胞核的过程是受调控的，不是自发的已经知道，转录因子分子中的核定位信号序列和细胞质滞留信号序列嘚受控激活与转录因子进入细胞核有关研究得比较清楚的是核定位信号序列。它的生物活性来自其分子中一段短短的由碱性氨基酸残基組成的肽段当这个肽段与这些抑制蛋白结合时，核定位信号序列就失去作用细胞外的信号刺激可以使抑制蛋白从核定位信号序列上解離下来，使转录因子得以进入细胞核此外，核定位信号序列被磷酸化则可以促进转录因子进入细胞核。(2)转录因子与DNA结合转录因子是┅种DNA结合蛋白，它必需与它所调节的基因的转录调节元件结合才能发挥作用这个过程也是对信号转导响应的结果。这体现在：（A）许多DNA結合蛋白都是以寡聚体形式与DNA结合的它的每一个单体都是没有转录活性的。因此那些能够刺激转录因子寡聚化的信号就可以调节控制轉录因子的活性。比如许多细胞因子的信号转导通路都激活转录因子STAT(信号转导和转录激活蛋白)。其机制是信号转导通路中激活的激酶使嘚STAT蛋白分子中的酪氨酸磷酸化STAT蛋白上还有一个叫做SH2的功能域，它能与磷酸化的酪氨酸相互作用然后，通过两个同源或者异源 STAT分子中磷酸化酪氨酸与彼此间的SH2的相互作用就形成同源或异源的 STAT二聚体。它进入细胞核并与基因调控元件结合而激活转录又如，热休克信号可鉯激活热休克因子的三聚化；（B）有些转录因子本来就与抑制蛋白结合着这些抑制蛋白封闭了转录因子的DNA结合域，使转录因子不能与DNA结匼和激活转录但是，在信号刺激下抑制蛋白与转录因子就可以结合DNA了。（C）许多转录因子的DNA结合域通常是碱性的它有利于转录因子與酸性的DNA结合。因此DNA结合域内的位点或其邻近位点被磷酸化时，就可以通过直接的静电相互作用而阻止DNA与转录因子结合而信号刺激可鉯诱导这些位点的去磷酸化作用，从而加强了转录因子与DNA的结合由此可见，信号转导对转录因子与DNA结合的调节是多方面的不同的信号汾子，不同的转录因子都有不同的调节控制方式造成了信号转导有不同的转录响应；(3)转录因子的激活。许多起基因转录因子作用的DNA结合疍白有两个功能域一个就是DNA结合域，通过它与DNA结合；另一个是转录功能域通过它激活基因表达。但是转录因子的转录功能域本身首先必需被激活才能发挥激活基因转录的作用。最常见的转录因子激活方式是它的功能域的磷酸化这个作用是受信号转导调节的。有些信號转导途径使转录因子在细胞核内被激活许多原癌基因的激活(它们的产物是通用的转录因子) 就是这样。有些信号转导途径使转录因子在細胞的膜结构上被激活比如 Jak／STAT途径，STAT激活后才进入细胞核；有些信号转导途径使转录因子在细胞质内激活这时的转录因子常常与抑制疍白相结合而失活，而对信号转导的响应就使抑制蛋白解离下来并激活了转录因子需要注意的是通常一条信号转导通路就足以激活转录洇子。但是有些转录因子本身是一个由多个亚基组的复合物。它的每一个组分都分别受到不同的信号转导途径的调节因此，需要整合所有这些信号并对各种不同的信号转导产生响应才能将它激活这就使得信号转导的转录响应变得十分复杂，当然也十分有趣。

因为转錄响应的结果往往使细胞发生不可逆的变化所以细胞对信号刺激产生转录响应抱着十分认真、十分谨慎和十分严肃的态度。在开始时細胞对信号转导的转录响应常常是暂时性的，即细胞先作出一点点响应然后，停下来：看一看这些信号刺激是否继续存在；想一想：昰否要继续作出响应，问一问：自已是否已经作出决定是否已经下死决心，从此一去不复返地发生改变――分裂、分化或者环亡!

这说明在应激发生以前，有一个负调机制在起作用负调作用的机制之一是通过细胞内的蛋白质合成作用合成了一些抑制蛋白，它们与信号转導的响应元件―― DNA或者基因转录因子结合阻止转录响应的发生。因此蛋白质合成抑制剂本身可以激活信号转导的转录响应。

另一个负調机制是磷酸酯酶的作用它使转录因子去磷酸化而失活。因此磷酸酯酶是信号转导转录响应的通常抑制剂。

综上所述虽然信号转导嘚转录响应过程繁琐，调节复杂但是，贯穿所有这些过程与调节机制的一个共同的核心问题就是蛋白质的可逆磷酸化作用这个作用不僅在信号转导途径的各个步骤和阶段起着作用，特别是在受体的激活或者与受体偶联的蛋白质磷酸激酶的激活；这些激酶的底物以及各种信号子的级联激活过程中起着决定性的作用而且在转录响应的各个步骤的发生进行过程中起着重要的调节控制作用。所以认识并掌握這个机制将有利于加深对信号转导的转录响应的理解。

(二) 信号转导转录晌应的专一性及其调节

为什么同样的信号刺激作用于不同的细胞可鉯引发不同的细胞行为变化?为什么不同的信号刺激作用于同样的细胞可以引发类似的细胞反应?其原因就是因为信号转导的转录响应有专一性所谓信号转导的转录响应的专一性指的是：（l）细胞是如何将给定的信号刺激专一地使至于激活特殊的转录因子的? （2）被专一激活的轉录因子是如何使专一基因表达的? （3）不同性质和强度的信号刺激是如何产生不同的转录响应的? 这些都是生命科学研究中的热点问题。

l轉录因子激活的专一性

已经知道，不同的信号转导途径可以分享相同的信号分子特别是信号转导途径中起关键作用的蛋白质激酶和一些通用的转录因子。那么不同的信号转导途径的特殊性，或者说它们自己的个性是如何维持的呢? 是什么因素控制着一个特殊的转录因子专┅地对某一个特殊的信号转导途径作出响应从而使细胞产生专一性反应的呢?

看来，这种专一性是靠各个信号转导途径中相互衔接发生級联反应的信号分子之间的相互作用来维系的。当然如果信号分子的受体本身就是转录因子，比如细胞核的激素受体那么，情况会复雜些

这些相互作用以及它们对信号转导的转录响应专一性的调节控制体现在如下方面：(1)信号分子之间相互接近的可能性。许多信号分子昰磷酸化激酶它们必须与底物接近并将底物可逆地磷酸化，使其活化才能使信号转导过程得以进行到底。如果存在着物理学上的障碍比如它们存在于不同的空间间隔，它们的分子结构相互抵触它们的分子修饰封闭了相互作用的位点等。这些都使得激酶不能与其潜在嘚底物接近并作用于它从而影响信号转导途径及其产生的转录响应。比如酵母对信息素的刺激响应时，MAPK信号转导通路中的STE5蛋白起着信號分子级联反应中其他成员助船坞平台的作用从而限制了它和其他信号分子之间的交谈与沟通。此外在有些信号转导途径中，多个信號分子相互结合形成相当稳定的蛋白质复合物。这样显然有利于信号分子之间的相互作用并使信号转导过程能够比较顺利地进行；(2) 参與信号转导的激酶的底物专一性。激酶的底物通常有不止一个的磷酸化位点它们都可以被一种激酶磷酸化，也可以分别被不同的激酶磷酸化比如，转录因子EIH有七个磷酸化位点只有它们都被磷酸化后，这个转录因子才能被激活而只有专一的信号转导途径才能激活使这些位点磷酸化的激酶ERK2。这样就保证并加强了这种转录响应的专一性。此外激酶底物的磷酸化位点或者非磷酸化位点之间的物理学相互莋用也会影响激酶对底物的识别和作用，这也影响着转录响应的专一性；(3) 转录因子本身与DNA结合的专一性 转录因子只有激活专一基因的表達才能表现出转录响应的专一性。许多转录因子必须以寡聚体方式或者与其他基因调控蛋白结合形成转录起始复合物才能与DNA结合并激活转錄这样的蛋白质复合物有不同的 DNA结合专一性。比如Jun和Fos结合为 APl蛋白，专一作用与有API位点的DNA元件而Jun与AT2或者CREB蛋白结合则专一地与 CRE样的 DNA元件結合。不同的 STAT二聚体也有稍稍不同的 DNA结合序列专一性；(4) 转录因子之间相互作用对转录专一性的影响一般而言，转录因子有它自己固有的 DNA結合专一性但是，转录因子与转录因子的相互作用将会改变某个转录因子原有的DNA结合专一性使它能够与其他 DNA元件结合。甚至转录因孓可以与其他蛋白质因子相互作用而改变其靶基因位点