干货分享 | 信号通路研究，原来如此简单

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在生物学的微观世界中，细胞并非孤立的个体，它们通过一系列复杂的信号传递机制相互沟通，以维持生命体的稳态和适应外界变化。这些信号传递机制的核心——细胞信号通路，是细胞生物学研究的热点领域之一。



今天，我们将带您走进信号通路的科学世界，从专业的角度解析其概念、生物学意义、关键组成要素，以及对关键信号通路的深入探讨。

一、信号通路是什么？


一句话总结“信号通路”：细胞外的信号分子经细胞膜传入细胞内发挥效应的一系列酶促反应通路。



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图片来源：wikipedia



信号通路（Signal Pathway）是细胞感知并响应外部刺激的生物化学过程。当细胞需要响应特定的环境变化时，会接收来自细胞外的信号，这些信号随后被传递至细胞内部，引导细胞产生相应的反应。这一概念的起源可追溯至1972年，当时被命名为信号转换（Signal Transmission）。到了1980年，M. Rodbell在一篇综述文章中首次提出了信号转导（Signal Transduction）这一术语，该术语随后被广泛采纳。



信号通路具体指的是一系列由酶催化的反应，它们负责将细胞外的信号分子（如激素、生长因子、细胞因子、神经递质以及其他小分子化合物，统称为配体，Ligand）传递至细胞内，并触发细胞内的效应。这些信号分子在细胞膜上与特定受体结合，激活细胞内的信号传递机制，从而引发细胞的特定生物学反应。信号通路的发现和理解对于生物学和医学研究具有重要意义，因为它们在细胞通讯和细胞行为调节中扮演着核心角色。

二、信号通路意义


信号通路的研究对于生物学和医学领域具有深远的意义，具体体现在以下几个方面：

分子调控机制的解析


通过文献研究，深入了解特定分子如何在细胞内发挥作用，以及它们是如何被调控的。这涉及到分子间的相互作用、信号的放大或抑制，以及这些过程如何影响细胞行为。

逻辑难点的突破


在复杂的生物学过程中，理解哪些分子是主变量（即起主导作用的分子）和因变量（受主变量影响的分子）对于解开文章或实验中遇到的逻辑难题至关重要。这有助于揭示疾病发生的分子机制和治疗靶点。

热门通路的追踪


随着研究的深入，一些信号通路因为其在多种生物学过程中的重要作用而成为研究的热点。了解这些热门通路有助于把握研究前沿，促进新知识的产生。

疾病与分子之间的联系


信号通路的研究有助于建立分子与疾病之间的联系。通过了解特定信号通路在疾病发生发展中的作用，可以为疾病诊断、治疗提供新的视角和策略。

实验设计的基础


深入理解信号通路的机制是设计实验的基础。根据已知的信号传递过程设计实验，验证假设，探索新的生物学问题或测试新的治疗方法。

治疗策略的开发


信号通路中的关键分子往往是药物开发的潜在靶点。通过研究信号通路，可以发现和开发新的药物，以调节异常的信号传递，治疗相关疾病。

个性化医疗的推进


信号通路的研究有助于个性化医疗的发展。不同个体或疾病亚型可能在信号通路的调控上存在差异，了解这些差异有助于为患者提供更精准的治疗方案。

三、信号通路构成要素




配体（Ligand）：这些是能够与细胞表面的受体或细胞内的受体结合的分子，包括激素、局部介质（如生长因子、一氧化氮NO）、神经递质以及其他小分子化合物等。配体与受体的结合是信号传递过程的起点。



受体（Receptor）：受体是能够识别并结合配体的分子，它们根据所在位置分为两大类：



细胞内受体：识别小的脂溶性分子信号，如某些激素，它们通常位于细胞基质或核基质中。



细胞表面受体：识别和结合亲水性分子，根据信号转导机制和受体蛋白类型，可进一步细分为：离子通道偶联受体（如NMDA（N-methyl-D-aspartic acid receptor）受体）、G蛋白偶联受体（如大多数神经递质受体）以及酶连受体（如受体酪氨酸激酶）



蛋白激酶（Kinase）：这类酶负责将磷酸团从ATP转移到特定蛋白质的氨基酸残基上，从而激活或抑制这些蛋白质的功能。蛋白激酶在信号通路中起到放大信号和调控下游效应分子的作用。



转录因子（Transcription Factors）：这些是能够调节基因转录的蛋白质。在信号传递的最终阶段，许多细胞反应涉及到基因表达的改变，转录因子作为信号通路的效应器，负责将信号传递到基因表达层面。



信号传递过程中的三个主要信使：

第一信使（配体）：这是信号传递过程的起始分子，如激素、神经递质、生长因子等。它们与细胞表面或细胞内的受体结合，触发细胞的响应。



第二信使：当第一信使与受体结合后，会激活胞内的信号分子，这些分子被称为第二信使。它们是小分子物质，如环磷腺苷酸（cAMP）、环磷鸟苷酸（cGMP）、钙离子（Ca²⁺）等，负责将信号从细胞外传递到细胞内，并激活下游的信号分子，如蛋白激酶。



第三信使（转录因子）：在信号传递的最后阶段，第二信使激活的蛋白激酶会进一步磷酸化转录因子，这些转录因子随后会移动到细胞核中，与特定的DNA序列结合，调节目标基因的表达。因此，转录因子有时被称为第三信使，因为它们直接参与了基因表达的调控

四、常见信号通路


01、NF-κB signaling pathway

NF-κB（核因子κB）信号通路是细胞内一个关键的调控网络，对维持细胞稳态和调控免疫反应至关重要。以下是对NF-κB信号通路的详细描述：

（1）NF-κB复合物组成：NF-κB是一种转录因子复合物，由Rel蛋白家族成员组成，如p50、p65、RelB、c-Rel等，它们可以形成不同的二聚体以调控靶基因的表达。

（2）细胞应激反应：NF-κB在细胞对多种刺激的响应中发挥作用，包括应激、细胞因子、自由基、重金属、紫外线照射、氧化低密度脂蛋白（LDL）以及细菌或病毒抗原。

（3）免疫应答的调节：NF-κB在调节对感染的免疫应答中发挥核心作用，它参与调控细胞因子的产生和细胞存活，从而影响炎症反应和免疫细胞的激活。

（4）与疾病的关系：NF-κB的异常调节与多种疾病有关，包括癌症、炎症性疾病、自身免疫疾病、感染性休克、病毒感染以及免疫发育不当。

（5）突触可塑性和记忆：NF-κB还参与神经系统的突触可塑性和记忆过程，表明其在神经系统功能中也扮演着重要角色。

（6）信号通路的激活：在静息状态下，NF-κB复合物通常与IκB蛋白家族成员结合，并保留在细胞质中。当细胞受到适当刺激时，IκB蛋白磷酸酶（IKK）复合物被激活，进而磷酸化IκB蛋白，导至其泛素化和蛋白酶体降解。

（7）NF-κB的核内转移：IκB蛋白的降解释放了NF-κB复合物，使其能够转移到细胞核内，结合到靶基因的κB增强子元件上，激活或抑制特定基因的表达。

（8）靶基因和效应：NF-κB的靶基因包括多种细胞因子、生长因子、应激蛋白和凋亡调节蛋白，其激活可以促进细胞存活、增殖、炎症反应和免疫细胞的发育和功能。



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图片来源：The NF-κB Signaling Pathway, the Microbiota, and Gastrointestinal Tumorigenesis: Recent Advances



02、PI3K/Akt signaling pathway

PI3K-Akt（也称为PKB）信号通路是细胞内一条关键的信号传导途径，它在多种生物学过程中起着至关重要的作用，包括细胞的生长、增殖、代谢和生存。这条信号通路的激活通常起始于受体酪氨酸激酶（Receptor Tyrosine Kinases, RTKs）和细胞因子受体的活化。

以下是对PI3K-Akt信号通路激活过程的详细描述：

（1）受体激活：信号传导始于细胞外配体（如生长因子）与细胞表面的RTK或细胞因子受体结合，导至受体发生二聚化或多聚化。

（2）酪氨酸残基磷酸化：受体的二聚化激活其内在的酪氨酸激酶活性，导至受体自身酪氨酸残基的磷酸化。

（3）PI3K的募集和激活：磷酸化的酪氨酸残基作为锚定位点，招募含有SH2结构域的PI3K的调节亚基p85。PI3K由p110催化亚基和p85调节亚基组成，p85的SH2结构域与受体上的磷酸酪氨酸残基结合，将PI3K募集到质膜上。

（4）PI3K的催化作用：一旦PI3K被募集到质膜，其p110催化亚基便可以接近并磷酸化膜上的磷脂酰肌醇（Phosphatidylinositol, PtdIns），生成磷酸化的磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。

（5）Akt的激活：PIP3作为第二信使，能够招募并激活Akt（PKB）。Akt含有PH结构域，该结构域与PIP3结合，导至Akt发生构型变化并暴露出其催化活性。

（6）下游效应：Akt的激活进一步触发一系列下游效应分子，包括促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、调节细胞代谢等。



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图片来源：Targeting PI3K/Akt signal transduction for cancer therapy



03、MAPK signaling pathway

MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号通路是细胞内一条关键的信号传递途径，它在调控细胞的生长、分化、应激反应以及细胞死亡等多种生物学过程中起着至关重要的作用。以下是MAPK信号通路的作用机制和主要亚家族的描述：

（1）信号传导：MAPK作为信号传递者，将细胞外的信号，如生长因子、细胞因子、神经递质、激素等，传递到细胞核，影响基因表达。

（2）MAPK的激活：MAPK信号通路的激活通常由细胞外信号触发，这些信号通过膜受体激活，进而激活一系列的激酶反应。

（3）三级激酶模式：MAPK通路的基本组成是一个保守的三级激酶模式，包括：

a.MAPK激酶激酶（MKKK）：激活MAPK激酶。

b.MAPK激酶（MKK）：被MKKK激活后，进一步激活MAPK。

c.MAPK：最终的效应激酶，可以磷酸化多种下游靶蛋白。

（4）RAS蛋白的作用：在MAPK信号通路中，RAS蛋白是一个关键的分子开关，它通过结合GTP或GDP来调节其活性，从而控制下游MAPK的激活。

（5）MAPK的亚家族：MAPK主要有四个亚家族，它们参与不同的信号转导通路，并执行不同的生物学功能：

a.ERK（细胞外信号调节激酶）：主要调控细胞的生长和分化。

b.p38 MAPK：在细胞应激反应，如炎症和细胞凋亡中发挥作用。

c.JNK（c-Jun氨基末端激酶）：同样在应激反应，特别是与炎症和细胞凋亡相关的过程中起作用。

d.ERK5：相对较新发现的MAPK亚家族成员，其功能仍在研究中，但已知它参与细胞的生长、分化和应激反应。

（6）信号传递的终止：MAPK信号通路的激活通常是暂时性的，通过多种负反馈机制和磷酸酶的作用来终止。

（7）生物学效应：MAPK通路的激活最终导至多种生物学效应，包括细胞周期的推进、细胞死亡的抑制、炎症反应的促进等。



04、JAK/STAT signaling pathway

JAK/STAT信号通路是细胞内一条重要的信号传导途径，它在调控免疫应答、细胞生长、分化和凋亡等多种生物学过程中发挥着关键作用。以下是JAK/STAT信号通路的调控机制的详细描述：

（1）信号识别：JAK/STAT信号通路的激活起始于细胞外的信号分子，如干扰素、白细胞介素、生长因子等，与细胞表面的特定受体结合。

（2）受体激活：这些信号分子的结合诱导受体发生构型变化，激活受体上与之相关联的酪氨酸激酶JAK。

（3）JAK的自磷酸化：JAK激酶的激活导至其自身磷酸化，这一过程通常涉及酪氨酸残基的磷酸化，作为蛋白质活性的“开关”。

（4）STAT蛋白的招募和磷酸化：受体的磷酸化为STAT蛋白提供了结合位点。STAT蛋白随后被JAK磷酸化，这一步骤对STAT蛋白的激活至关重要。

（5）STAT蛋白的二聚化和核内转移：磷酸化的STAT蛋白之间相互作用，形成同源或异源二聚体，这一过程称为二聚化。二聚化的STAT蛋白随后转移到细胞核内。

（6）基因表达的调控：在细胞核中，二聚化的STAT蛋白结合到DNA上的特定序列（STAT结合元件，SBEs），激活或抑制相应基因的转录。

JAK/STAT信号通路的三个主要组成部分包括：

酪氨酸激酶相关受体：它们是信号的接收者，能够识别并结合特定的细胞外信号分子。

酪氨酸激酶JAK：作为信号的传递者，JAK激酶负责对STAT蛋白进行磷酸化，从而激活STAT。

转录因子STAT：作为信号的效应器，磷酸化的STAT蛋白负责调控基因表达，产生生物学效应。



05、TGFβ/SMAD signaling pathway

TGFβ/SMAD信号通路是细胞内一条关键的信号传导途径，它在调控细胞的生长、分化、迁移和凋亡等多种生物学过程中发挥着重要作用。

（1）TGF-β的结合：TGF-β是一种多功能的细胞因子，它以二聚体的形式存在，并能结合到细胞表面的Type II受体。

（2）Type II受体的作用：Type II受体结合TGF-β后，会招募并磷酸化Type I受体（也称为ALK5）。

（3）Type I受体的激活：磷酸化的Type I受体进一步激活，它通过Ser/Thr激酶活性磷酸化下游的regulated SMADs（R-SMADs），包括SMAD1、SMAD2、SMAD3、SMAD5和SMAD8。

（4）R-SMAD的磷酸化：磷酸化的R-SMADs与common SMAD（co-SMAD，即SMAD4）结合，形成异源二聚体。

（5）核内转移与基因调控：形成的SMAD异源二聚体随后转移到细胞核内，与DNA上的特定序列结合，调控靶基因的表达。

（6）靶基因的多样性：SMAD异源二聚体可以激活或抑制多种靶基因的表达，这些靶基因参与了细胞周期控制、细胞分化、细胞迁移和细胞凋亡等过程。

（7）MAPK的激活：SMAD信号通路还能通过多种途径激活促分裂蛋白激酶（MAPK），进而影响细胞的生长和分化。

（8）负反馈调控：SMAD信号通路受到负反馈机制的调控，其中SMAD6和SMAD7可以与Type I受体结合，阻止R-SMAD与其结合，从而抑制信号通路的进一步激活。

（9）生物学效应：TGFβ/SMAD信号通路的激活最终导至多种生物学效应，包括细胞生长的抑制、细胞分化的促进、细胞外基质的产生、免疫抑制和细胞凋亡等。


06、Wnt/β-catenin signaling pathway

Wnt/β-catenin信号通路，也称为经典Wnt信号通路，是细胞信号传导中的关键途径之一，对胚胎发育、组织再生、细胞命运决定等过程具有深远影响。以下是Wnt/β-catenin信号通路的调控机制的详细描述：

（1）Wnt配体结合：Wnt信号通路的激活起始于Wnt配体与其细胞表面受体Frizzled家族成员的结合。

（2）Dishevelled (Dsh) 的激活：Wnt与Frizzled结合后，会激活膜相关蛋白Dishevelled (Dsh)。Dsh是Wnt信号通路中的关键蛋白，它参与了信号的转导。

（3）β-catenin 降解复合物的抑制：Dsh的激活导至包含axin、GSK-3（糖原合成酶激酶-3）和APC（adenomatous polyposis coli）蛋白的β-catenin降解复合物的抑制。

（4）β-catenin 的稳定和积累：由于降解复合物的抑制，细胞内的β-catenin蛋白不再被标记为降解，因此其水平在细胞质中积累。

（5）β-catenin 的核内转移：积累的β-catenin随后转移到细胞核内。

（6）转录因子的激活：在细胞核内，β-catenin与TCF/LEF（T-cell factor/lymphoid enhancer factor）转录因子家族成员结合，激活特定的靶基因。

（7）靶基因表达：这些靶基因的激活参与了细胞增殖、分化、迁移和凋亡等过程的调控。

（8）信号通路的负反馈调控：Wnt/β-catenin信号通路还存在负反馈调控机制，例如，一些靶基因的激活产物可以抑制通路的进一步激活。

（9）非经典Wnt信号通路：除了经典Wnt/β-catenin通路外，还存在不依赖于β-catenin的非经典Wnt信号通路，如Wnt/PCP（planar cell polarity）通路和Wnt-Ca2+通路，它们在细胞极性、迁移和信号传导中发挥作用。


07、Notch signaling pathway

Notch信号通路是一种保守的细胞间通信机制，它在多细胞生物的发育和组织稳态中扮演着核心角色。以下是Notch信号通路的调控机制和检测方式的详细描述：

（1）Notch受体和配体的结合：Notch信号通路的激活起始于Notch受体（一种跨膜蛋白）与其膜结合配体的结合。这些配体可以是Delta-like（Dll）或Jagged（Jag）家族成员。

（2）受体的切割和激活：Notch受体与其配体结合后，会经历一系列蛋白切割事件。首先，金属蛋白酶（如ADAM家族成员）切割Notch受体的外段，随后，γ-分泌酶复合体切割Notch受体的跨膜段，释放出Notch的胞内段（NICD，Notch Intracellular Domain）。

（3）NICD的核内转移：释放的NICD迁移到细胞核内。

（4）转录因子的激活：在细胞核内，NICD与RBPJ（Recombination Signal Binding Protein for Immunoglobulin K J region）结合，并招募其他转录共激活因子，如MAML（Mastermind），从而激活Notch靶基因的表达。

（5）靶基因表达：这些靶基因参与了细胞增殖、分化、凋亡等过程的调控。

（6）信号通路的负反馈调控：Notch信号通路通过多种机制进行自我调节，包括靶基因的表达产物对通路的负反馈抑制。

Notch信号通路的检测方式：

a. 细胞培养和转染：通过将Notch信号分子或其抑制剂转染到细胞中，可以研究Notch信号通路对细胞行为的影响。利用Western blot、RT-PCR、流式细胞术等技术可以检测Notch信号分子的表达和活性。

b. 免疫组化：使用针对Notch信号分子的特异性抗体，可以在组织样本中检测这些分子的表达和定位。

c. 基因编辑：利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可以定向敲除或敲入Notch信号通路的关键基因，从而研究这些基因的功能。

d. 生物学模型：小鼠模型和其他生物模型被广泛用于研究Notch信号通路在生物体中的生理和病理作用。


08、Hedgehog signaling pathway

Hedgehog（Hh）信号通路是一种在动物发育中起着核心作用的保守信号传导途径，它影响细胞的增殖、分化和组织的形态发生。以下是Hedgehog信号通路的调控机制的详细描述：

（1）Hedgehog配体：Hh信号通路的激活起始于Hedgehog家族配体的释放，这些配体包括Sonic Hedgehog (SHH)、Desert Hedgehog (DHH) 和 Indian Hedgehog (IHH)。

（2）受体复合物：Hh信号通路涉及两种主要的跨膜受体：Patched (Ptc) 和 Smoothened (Smo)。Patched是一个负调控蛋白，而Smoothened是一个正调控蛋白。

（3）信号抑制状态：在没有Hh配体的情况下，Patched抑制Smo的活性，从而保持信号通路的抑制状态。

（4）信号激活：Hh配体与Patched结合后，导至Patched从Smo上解离，Smo随后激活，这允许信号通路的激活。

（5）Gli转录因子：Smo的激活导至Gli转录因子（如Gli1、Gli2、Gli3）的胞内累积和激活。Gli转录因子在信号通路中起到关键的转录调节作用。

（6）负反馈调控：Gli转录因子激活后，可以促进Hedgehog靶基因的表达，包括Patched和Hedgehog配体自身，从而形成负反馈循环，调节信号的强度和持续时间。

（7）其他调控蛋白：Fused (Fu) 是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，与Suppressor of Fused (SuFu) 一起参与Gli蛋白的调控。SuFu通常与Gli蛋白结合，阻止其进入细胞核并激活靶基因。

（8）信号传递：激活的Gli转录因子进入细胞核，激活或抑制一系列下游靶基因的表达，这些靶基因参与了细胞的增殖、分化和形态发生。

（9）信号终止：信号的终止涉及到多种机制，包括蛋白降解和磷酸化事件，这些事件可以抑制Gli蛋白的活性或促进其降解。