信號通路

當配體特異性地結合到細胞膜或細胞內的受體（receptor）后，在細胞內的信號又是如何傳遞的呢？

細胞內各種不同的生化反應途徑都是由一系列不同的蛋白組成的，執行著不同的生理生化功能。各個信號通路中上游蛋白對下游蛋白活性的調節（包括激活或抑制作用）主要是通過添加或去除磷酸基團，從而改變下游蛋白的立體構象完成的。所以，構成信號通路的主要成員是蛋白激酶和磷酸酶，它們能夠快速改變和恢復下游蛋白的構象。從細胞受體接收外界信號到最後做出綜合性應答，不僅是一個信號轉導過程，更重要的是將外界信號進行逐步放大的過程。受體蛋白將細胞外信號轉變為細胞內信號，經信號級聯放大、分散和調節，最終產生一系列綜合性的細胞應答，包括下游基因表達的調節、細胞內酶活性的變化、細胞骨架構型和DNA合成的改變等。這些變化並非都是由一種信號引起的，也可以通過幾種信號的不同組合產生不同的反應。

一是當信號分子是膽固醇等脂質時，它們可以輕易穿過細胞膜，在細胞質內與目的受體相結合；

二是當信號分子是多肽時，它們只能與細胞膜上的蛋白質等受體結合，這些受體大都是跨膜蛋白，通過構象變化，將信號從膜外domain傳到膜內的domain，然後再與下一級別受體作用，通過磷酸化等修飾化激活下一級別通路。

1. NF-κB信號

NF-kB（nuclear factor-kappa B）是1986年從B淋巴細胞的細胞核抽提物中找到的轉錄因子，它能與免疫球蛋白kappa輕鏈基因的增強子B序列GGGACTTTCC特異性結合，促進κ輕鏈基因表達，故而得名。它是真核細胞轉錄因子Rel家族成員之一，廣泛存在於各種哺乳動物細胞中[1]。迄今為止，在哺乳動物細胞內共發現5種NF-kB/Rel家族成員，它們分別是RelA（即p65）、RelB、C-Rel、p50/NF-kB1（即p50/RelA）和p52/NF-kB2。這些成員均有一個約300個氨基酸的Rel同源結構域（Rel homology domain, RHD）。這個高度保守的結構域介導Rel蛋白形成同源或異源二聚體，該結構域也是NF-kB與靶基因DNA序列的特異性結合區域。細胞內NF-kB的活化過程受到精細調控。通常情況下，在細胞質中的NF-kB處於失活狀態，與抑制蛋白IkB（inhibitory protein of NF-kB）結合成三聚體複合物。當出現TNF-a信號、炎症因子以及LPS、紫外線等外界刺激時，細胞因子與細胞膜表面的TNF受體結合后，TNF受體發生多聚化並與細胞質中TRADD分子發生相互作用。TRADD招募TRAF（TNFR-associated factor）和激酶RIP（receptor interacting protein），由RIP將信號傳遞給IKK（IkB kinase）。在NF-kB信號通路中IKK扮演了非常重要的角色，儘管上游信號路徑的不同，但是最終都彙集到IKK。IKK由a、b和g三個亞基組成，作為激酶的IKK能使IkB的a亞基的Ser32和Ser36殘基和b亞基的Ser19和Ser23殘基磷酸化。IkB隨即從p50/p65/IkB異源三聚體中解離出來，經泛素化修飾后通過蛋白酶體降解。於是，受到IkB抑制的NF-kB得以暴露其核定位序列（nuclear localization signals, NLS），迅速從細胞質進入細胞核內，與核內DNA上的特異序列相結合，從而啟動或增強相關基因的轉錄[2]。

2.JAK-STAT信號通路

1) JAK與STAT蛋白

JAK-STAT信號通路是近年來發現的一條由細胞因子刺激的信號轉導通路，參與細胞的增殖、分化、凋亡以及免疫調節等許多重要的生物學過程。與其它信號通路相比，這條信號通路的傳遞過程相對簡單，它主要由三個成分組成，即酪氨酸激酶相關受體、酪氨酸激酶JAK和轉錄因子STAT。

2) JAK-STAT信號通路

與其它信號通路相比，JAK-STAT信號通路的傳遞過程相對簡單。信號傳遞過程如下：細胞因子與相應的受體結合后引起受體分子的二聚化，這使得與受體偶聯的JAK激酶相互接近並通過交互的酪氨酸磷酸化作用而活化。JAK激活后催化受體上的酪氨酸殘基發生磷酸化修飾，繼而這些磷酸化的酪氨酸位點與周圍的氨基酸序列形成“停泊位點”（docking site），同時含有SH2結構域的STAT蛋白被招募到這個“停泊位點”。最後，激酶JAK催化結合在受體上的STAT蛋白髮生磷酸化修飾，活化的STAT蛋白以二聚體的形式進入細胞核內與靶基因結合，調控基因的轉錄。值得一提的是，一種JAK激酶可以參與多種細胞因子的信號轉導過程，一種細胞因子的信號通路也可以激活多個JAK激酶，但細胞因子對激活的STAT分子卻具有一定的選擇性。例如IL-4激活STAT6，而IL-12卻特異性激活STAT4[3]。

3.Ras、PI(3)K和mTOR信號

隨著人類基因組測序的完成，目前已發現了幾百種蛋白激酶。根據它們結構上的相似性，這些激酶可分為多個蛋白家族，在細胞的增殖、生長、分化和凋亡等過程中發揮重要的生物學功能。Ras、PI(3)K和mTOR就是一類與細胞增殖緊密相關的蛋白激酶。真核細胞的正常生長受到周圍環境所提供的養分的限制。Ras和PI(3)K信號通過調控下游分子mTOR，在調控細胞生長方面起著關鍵作用。在絕大多數的人腫瘤細胞中，Ras和PI(3)K信號通路中的關鍵調控因子都發生了明顯的突變。究其原因，人們發現這條信號通路如果發生突變，就會導致細胞的存活和生長不再受到養分等環境條件的限制，進而誘導細胞癌變。值得注意的是，一些腫瘤抑制因子，如TSC1、TSC2和LKB1在營養匱乏的條件下減弱了mTOR信號通路的強度。相應地，TSC1、TSC2或者LKB1的失活突變，就會導致相似的癌症癥狀，並具有共同的臨床表現。因此，這條確保細胞在環境適宜條件下發生增殖的信號通路，在被癌細胞利用后就可以使癌細胞在養料匱乏的條件下存活並生長。在篩選激酶抑製劑的過程中，人們設計了一系列針對mTOR、PI(3)K、RTKs和Raf等激酶的藥物。在癌症的分子機理研究中，儘管這條信號通路研究得最透徹，但這些激酶在細胞和生物體內的生理功能遠比我們想象的要複雜[4]。

4.Wnt信號

Wnt信號通路廣泛存在於無脊椎動物和脊椎動物中，是一類在物種進化過程中高度保守的信號通路。Wnt信號在動物胚胎的早期發育、器官形成、組織再生和其它生理過程中，具有至關重要的作用。如果這條信號通路中的關鍵蛋白髮生突變，導致信號異常活化，就可能誘導癌症的發生[5]。1982年，R. Nusse和H.E. Varmus在小鼠乳腺癌細胞中克隆得到第一個Wnt基因，最初它被命名為Int1（integration 1）。後來的研究發現小鼠Int基因與果蠅的無翅基因wg（wingless）為同源基因，因而將兩者合稱為Wnt。H.E. Varmus 本人也因他在癌症研究中的傑出貢獻而獲得1989年的諾貝爾生理醫學獎。Wnt是一類分泌型糖蛋白，通過自分泌或旁分泌發揮作用。Wnt信號通路的主要成分包括：分泌蛋白Wnt家族、跨膜受體Frizzled家族、CK1、Deshevelled、GSK3、APC、Axin、β-Catenin、以及轉錄因子TCF/LEF家族。Wnt信號通路是一個複雜的調控網路，目前認為它包括三個分支：經典Wnt信號通路，通過β-Catenin激活基因轉錄；Wnt/PCP通路（planner cell polarity pathway），通過小G蛋白激活JNK（c-Jun N-terminal kinase）來調控細胞骨架重排；Wnt/Ca2+通路，通過釋放胞內Ca2+來影響細胞粘連和相關基因表達。一般提到Wnt信號通路主要指的是由β-Catenin介導的經典Wnt信號通路。

5. BMP信號通路

BMP（bone morphogenetic protein，骨形態發生蛋白）是TGF-β（轉化生長因子，transforming growth factor-β）超家族中的重要成員[6]。通過調節一系列下游基因的活性，控制著諸如中胚層形成、神經系統分化、牙齒和骨骼發育以及癌症發生等許多重要的生物學過程。BMP信號的傳遞主要通過配體BMP與細胞膜上的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體（BMP receptor, BMPR）特異性結合，形成配體受體二元複合物。同時，Ⅱ型受體（BMPR2）能夠活化I型受體（BMPR1），並進一步將信號傳遞給細胞內的Smad分子。在BMP和TGF-β信號由細胞膜傳遞至細胞核的過程中，Smad蛋白起到了關鍵性的作用。活化的I型受體（BMPR1）進一步磷酸化Smad蛋白（Smad1、Smad5和Smad8），促使Smad分子從細胞膜受體上脫離下來，並在胞質內結合Smad4分子（common Smad，Co-Smad）後進入細胞核。在細胞核內，Smad多元複合物在其它DNA結合蛋白的參與下作用於特異的靶基因，調控靶基因的轉錄。

6. Ras2MAPK信號轉導途徑

1) Ras上游通路

Ras能被複雜的網路激活。首先，被磷酸化激活的受體，如PDGFR,EGFR直接結合生長因子受體結合蛋白(Grb2), 這些受體也可以間接結合併磷酸化含有src同源區2(SH2) 結構域的蛋白質(例如Shc,Syp)后，再激活Grb2.另外,Grb2的src同源區3(SH3)結構域與靶蛋白如mSos1, mSos2,C3G及發動蛋白(dynamin)結合.C3G與連接蛋白 Crk的SH3結構域結合后耦聯酪氨酸磷酸化而激活Ras. Crk也能結合mSos1激活Ras.Grb2與激活的受體結合促 進鳥苷酸交換因子(Sos)蛋白定位在與Ras相鄰的細胞膜上。這樣,Sos與Ras形成複合體,GTP取代GDP與Ras結合后,Ras被激活，當GTP水解成GDP后Ras失活.Ras具有內在GTPase活性，它的活性可被RasGAPs調節，因而 RasGAPs扮演Ras活性調節劑的角色。另外,Ras失活也受 到高度調節。目前，有三種蛋白質能水解GTP使Ras失活, 它們分別是P120GAP, neurofibromin和GAP1m,統稱為RasGAPs[7].

2) Ras下游通路

目前，Ras/Raf通路是最明確的信號轉導通路。當GTP取代GDP與Ras結合,Ras被激活后, 再激活絲蘇氨酸激酶級聯放大效應，招集細胞漿內Raf1絲 蘇氨酸激酶至細胞膜上,Raf激酶磷酸化MAPK激酶 (MAPKK), MAPKK激活MAPK. MAPK被激活后，轉至細胞核內，直接激活轉錄因子。另外,MAPK刺激Fos,Jun轉錄因子形成轉錄因子AP1,該因子與myc基因旁的特異 的DNA序列結合，從而啟動轉錄.myc基因產物也是轉錄 因子，它能激活其他基因。最終，這些信號集中起來誘導D 型Cyclin的表達和活性.D型Cyclin與Cyclin依賴性激酶 (如CDK4和CDK6)形成複合體，該複合體的形成促使細胞 從G1期進入S期。因此,Ras/Raf通路在受體信號和G1期 進展之間起著關鍵作用，然而, Ras/Raf通路不是調控G1 期進展的惟一通路.Ras與Raf單獨結合不能促進Raf激酶活性，同時,Raf能被不依賴Ras的機制所激活(例如能被Src酪氨酸激酶和PKC所激活),MAPK也能被不依賴Ras機制(如通過調節整合素的活性)所激活。表明級聯反應每一個信號蛋白質都能被多個上游蛋白質所激活，而它們也可能有另外的靶蛋白[8]。

1. Sen R, Baltimore D. Inducibility of kappa immunoglobulin enhancer-binding protein Nf-kappa B by a posttranslational mechanism. Cell.1986, 26;47(6):921-8.

2. Lenardo MJ, Baltimore D. NF-kappa B: a pleiotropic mediator of inducible and tissue-specific gene control. Cell. 1989 Jul 28;58(2):227-9.

3. Darnell JE Jr, Kerr IM, Stark GR.Jak-STATpathways and transcriptional activation in response to IFNs and other extracellular signaling proteins. Science. 1994, 264(5164):1415-21.

4. Shaw RJ, Cantley LC. Ras,PI(3)KandmTORsignalling controls tumour cell growth. Nature. 2006. 441(7092):424-30.

5. Moon RT, DeMarais A, Olson DJ. Responses toWntsignals in vertebrate embryos may involve changes in cell adhesion and cell movement. J Cell Sci Suppl. 1993;17: 183-8.

6. BMPsignaling turns up in fragile X syndrome: FMRP represses BMPR2. Broihier HT. Sci Signal. 2016; 9(431):fs12.

7. Mazzucchelli C, Brambilla R. Ras-related andMAPKsignalling in neuronal plasticity and memory formation. Cell Mol Life Sci. 2000;57(4):604-11.

8. Avruch J, Zhang XF, Kyriakis JM. RafmeetsRas: completing the framework of a signal transductionpathway.Trends Biochem Sci. 1994.19(7):279-83.