信号转导

关于信号转导研究的若干问题

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关于信号转导研究的若干问题

郑仲承

（中国科学院上海生物化学研究所）

目录

第一节 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 信号转导的生物学效应

第五节 以信号转导为靶的疾病治疗

第六节 走向未来

打信号（Signalling）是生物结间通消息的一种最基本,最原始和最重要的方式。比如，

老虎沿着一个圈撒了一泡尿。这个圈所划定的范围就成为这只老虎的"领地"。别的老虎经过

时，闻到这种味道就"识相"地悄悄离去，免遭麻烦。孙悟空用金箍棒在地上划了一个圈，让

唐僧、八戒、沙僧和小龙马待在里面。妖怪来了，想抓走唐僧，却被这个圈发出的万道金光

所逼退。又如，我国古代的烽火台，在外敌入侵时，狼烟四起，发出警报。交战双方下的战

书，包括哀的美登书，都传递了作战的消息。写信、打电话、打手电。发暗示、对口令、对

暗号、发SOS求救信号也是发消息，同情报的手段。美好的事情也要用信号来传达。如，蜜

蜂告诉伙伴什么地方有美味的花粉时，就在伙伴们面前飞舞。以各种不同的优美舞姿指示食

物的方向、方位、品种、数量和距离等等。鸟类在求偶时，相互欢快地仆翼，顶喙；蛇类在

交欢时纠缠盘结的双蛇快步舞；昆虫的鸣叫等等。愉悦的信号还有下课的铃声、睡觉的号声、

开饭的钟声、空调机的马达声等，当然，还有无线电的歌声，电视机的笑声等等。总之，生

物的生命活动离不开信号。

生物的细胞每时每刻都在接触着来自细胞内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不绝耳的喇叭声、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，

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在这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，对有些信号一关了之，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，统统死光光；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

同的细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，信号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导通路！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。

一 作用于细胞的信号

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、热、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，

并分泌出细胞的物质。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或体液运送，但是不能通过细胞膜，需要与

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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。

1，内分泌系统的激素

内分泌系统将来自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结构。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，突触前面的细胞也有受体，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分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，这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，叫自分泌作用。这样的信

号分子起着局部的化学调节剂作用。

二 信号的归宿

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，从而使细胞最终不

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

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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、整理、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

一，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，信号转导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？科学家对细胞内

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导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

明了这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物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 构成信号转导系统的要素

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的传棒手更要多得多，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、种类繁多的信号作

出协同响应。下面简要叙述其中最重要的某些要素。

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(一) 受体

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自其外界环

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。

1 膜受体

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白质；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) 本身具有酪氨酸激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，PDGF，

CSF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，并由各两条亚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) 本身没有酪氨酸激酶活性，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，从而启动细胞内信号转导的受体。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；

(3) 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。这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1，4，5-三磷酸），DAG（二酯酰甘油）等。改变第二信使的含量的化学信号可以

分为促进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一种慢速的

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；

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(5)由功能不同的几个多肽链集合形成的受体。大多数受体是这样的，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；

2 细胞内受体

与上述几种膜受体不同，甾体激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，直接进入细胞内；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。

(二) 蛋白质激酶

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。其中主要的两类是

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相关的，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组高度保守的，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。

1 蛋白质酪氨酸激酶

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激酶结构域的特异性，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

广的生理要求，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、起调节作用的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个结构

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－

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受体的专一性。哺乳动物基因组中有70个PTK家族成员(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分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，它们在配体与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，它们插在两个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

方式的最好例子就是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,GTRa 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有9个亚族：SRC 、Tec 、

Csk 、Fes 、Abl、Syk /ZAP-70、Fak和JAK。每一个结构变种看来都是特别设计的，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，是无催化功

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。虽然它们看来不具有内在的催化活性，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结构域！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域与存在于

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，即总是结合在紧挨着蛋白质的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

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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的氨基酸的识别，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

域的不同的分子可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细胞类型“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：第一是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。这个磷酸化作

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

是导致同样的最终结果，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，但是，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，并激活细胞核的转录因子，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-1，PP-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在细胞核内。

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3 其他激酶

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)P3。p85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。已经知道，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。后者是血清诱导的新蛋白质合成，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，就能够将

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释放和激活

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激活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位磷酸酪氨酸相互作用，

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。

4 连接蛋白

连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刺激之下，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

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由于与膜结合的ras鸟苷三磷酸酯酶(GTPa)相互作用而被招至质膜。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。最终导致细胞的增殖。还有ras-GTPa。

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或者增殖。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-GTPa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- GTPa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)。

1 G蛋白的分类

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蛋白所共用。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的产物在内的不

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子。与信号转导有关的主要是(1)和(2)类。

2 G蛋白的作用机制

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结合的激活型的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的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

关于信号转导研究的若干问题

11

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

作用有关。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。它的作用是激活依赖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。这样的全酶是没有活性的。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，使得底物下游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)，也会发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)，

关于信号转导研究的若干问题

12

可见，情况是很复杂的。

2 钙离子 在处于静止期的细胞内，游离钙离子的浓度是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，细胞内游离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。只有在细胞膜上的钙

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。每一个分子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

激酶为代表。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－钙调蛋白复合物直接结合，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

可以调节细胞的结构。

3 磷脂质代谢

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有关。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发现细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-4，5－二

磷酸(PIP2)。PIP，PIP2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

转导系统中起着重要作用。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－1，4，5－三磷酸(IP3)。IP3与钙通道上的受体结合，将钙离子储存库

中的钙离子释放到细胞质。IP2进一步代谢为IP4(肌醇－1，3，4，5－四磷酸)，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浓度维持高水平。

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

关于信号转导研究的若干问题

13

白质磷酸化酶(C激酶，PKC)。C激酶在微量的钙离子介导下，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和钙离子三者连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专一的磷脂酶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激活各种各样，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——信号的接受和检出，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物或者发动者。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)人们可以通过示踪技术检

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

关于信号转导研究的若干问题

14

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，一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，我们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，信号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。对细胞的刺激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 基因表达在刺激后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

结合的活性可以持续增达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 比如，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，有序地依次进行，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统一 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

钟，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

转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

关于信号转导研究的若干问题

15

地吸口毒品，对细胞，对个体，都可能造成悔之莫及的结果！要小心啊！

6，网络化 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过程。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。它也就是细胞内的信息高速公路，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，相互作用。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）线轴才能

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激作出不同的反应。

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有两个。

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）罗致到自己身边，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

的信号转导手法一定都是非常相同的。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，不仅仅在手法上相同，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结合后，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

可以进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子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-1，p21ras，GAP和

关于信号转导研究的若干问题

16

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，在细胞浆这“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，又有蛋白质丝氨酸/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，

是造成细胞内信号转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以完成。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发生了双重磷酸化，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，有人提出报告，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。他们用融合蛋

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

是巧合呢，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，才能最大程度地激

关于信号转导研究的若干问题

17

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激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

为这些通路是相互排斥的，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）它由配体、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

因多是一些多基因家族的成员；（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行交流。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

社会上复杂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，一定也是受到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，以使生命得以维系和延续。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，都涉及蛋白质与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家族都有亮氨酸拉链结构，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，来自活性转录因子(ATF)家族，

和来自与cAMP响应元件(CRE)结合的蛋白质(CREB)

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有完全

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成自由对话的局面。

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

关于信号转导研究的若干问题

18

体上说，细胞内有两类信号转导形式，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话呢？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 respon element) 。通过这种元件就可以

将两类不同的信号系统整合起来。

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作用，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，只不过是一

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） 信号转导专一性的调节 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生不同的响应呢？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

胞能够对不同的刺激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，这是生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-蛋白质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-蛋白质相互作用的一种形式是二聚作用，它可以定义为两个有关的亚单元组成一个

关于信号转导研究的若干问题

19

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

物理学和生理学结果。

(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，有一些激酶与细胞因子受体的胞内

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。

二聚作用还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合，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，胰岛素受体的两条链都有不同的,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，它们之间需要重新定位，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，又改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二聚搭档，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定谁是最主要的

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调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

关于信号转导研究的若干问题

20

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。这个聚合物将抑制MyoD转录的基因表达。

(三) 增强专一性 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-蛋白质，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个

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 结合位点偏爱性与

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，简单地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

增加了转录因子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要付出动力学的代价。

(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-细胞选

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，蛋白质的单体形式是失活的，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，二聚作用可以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

们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

体的表面。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合。与此相反，有的配体是单体型的,

关于信号转导研究的若干问题

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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。有一种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价复合物，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受体分子。

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。

相互磷酸化作用也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内部的酪氨酸上，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，它是其下游的带有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内的胞浆域结合激酶，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，把激酶激活。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，另一类是细胞质型的。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发生二聚作用的。比如几个生长因子家族的成员，包括PDNF，EGF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而使两个受体聚合。

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

关于信号转导研究的若干问题

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体-受体复合物的多聚作用。受体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。由于聚合体中的每个成

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。

二聚作用提高受体型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

环中的酪氨酸残基磷酸化。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的激活 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，不同的二聚作用

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二聚作用。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一个

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的同源或者异源二聚体之间。

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，这就是它们的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

活性调节有关，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这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，处于钝化的状态。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

关于信号转导研究的若干问题

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酸化。

总之，PTK类激酶的故事告诉我们分子内或者分子间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。它们起着关闭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转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。这种调控的主要方

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很大不同，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相互作用。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，单体型的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。与配体结合引起的受体型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，从而阻止了底物与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看来不与催化功能域相

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。

关于信号转导研究的若干问题

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由上面所述，可见PTK和PTP的激活和抑制竟然有惊人相似的机制。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行，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达的变化。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是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

细胞膜进入细胞，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

个转录因子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者二体形式与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

聚体，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。这些异源二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都结合直接重复序列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

的直接重复序列去激活转录；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；另一个在它的配体结合

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的孤儿受体，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

关于信号转导研究的若干问题

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调节剂。

2，STAT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。在配体激活受体和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。大量证据表明，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

入细胞核和与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，这个变种是显性的负

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

形成稳定的二聚体。

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蛋白的氨基末端对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，在产生细胞类型专

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够结合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，在处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

关于信号转导研究的若干问题

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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。在未分化的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；到了刺激后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 亮氨酸拉链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因子

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，它是一个拟二元对称。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家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的调节。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Fra2。c-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

关于信号转导研究的若干问题

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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递的。

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，体外实验表明，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有

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。细胞选择蛋白发挥功能需要钙。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，钙促进的二聚作用是这个蛋白

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，而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，

我们可以做下面两件事。

(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变种，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

用来阻断使得细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上装有两个结合表面，它们可以识别专一的，蛋

关于信号转导研究的若干问题

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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

透进入含有蛋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。

第一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，连带一个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。这说明，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，诱导或者控制蛋白质之间的相互接近，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，一直连续到细胞核内，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，信号转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

虽然信号转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，细胞外信号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）同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

持续时间的不同，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要的意义。

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

关于信号转导研究的若干问题

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清楚各种信号分子在各种细胞或者生物体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本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蛋

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录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合，

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，它们成为立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。大多数的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。这时，

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，但是，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，就是了解信号转导

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。

1．转录响应过程

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，转录因子必须进入细胞核。

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的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组成的肽段。

关于信号转导研究的若干问题

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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离下来，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。转录因子是一种

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结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

节控制转录因子的活性。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得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

可以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结合和激活转录。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，

它有利于转录因子与酸性的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。而信号刺激可以诱导这些位点

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，不同的信号分子，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

蛋白有两个功能域。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。

有些信号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细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蛋白相结合而失活，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因子。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。

关于信号转导研究的若干问题

31

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。

2、转录响应的负调节

因为转录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，细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：是否要继续作出响应，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，它们与信号转导的响应元件—— 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。

另一个负调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，虽然信号转导的转录响应过程繁琐，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。这个作用不仅在信号转导途

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，认识并掌握这个机制将有利

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以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）被专一激活的转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，转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

关于信号转导研究的若干问题

32

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一地对某一个特

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，发生级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，情况会复杂些。

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。许多信号分子是磷酸化激酶，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的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

蛋白起着信号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，多个信号分子相互结合，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) 参与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作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达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结合并激活转录。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元件结合。

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结合专一性。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，转录因子可以与其他蛋白质因子相互作用而改变其靶基因位点。比如，酵

母的转录因子 STE12与有细胞专一性的蛋白质因子结合，在酵母结合型变化调节中起重要作

关于信号转导研究的若干问题

33

用。上述各种因素综合起作用的结果就使得在信号转导的转录响应过程中专一性的转录因子

被激活。

2．被激活基因的专一性

为什么许多不同的信号刺激都可以诱导相同的信号转导途径，但是最终却激活了不同基

因的表达呢? 细胞的基因表达对信号转导响应的专一性是什么呢？据认为，信号转导途径和

转录因子之间的相互作用和相互协调，赋予细胞以对外部信号刺激作出专一性响应的特性。

产生这种机制的根源是：(1) 细胞发育与进化的历史遗迹。它们体现为：（A）受信号刺激调

节的转录因子的靶基因元件有容易接近的、松散的和舒展的染色质结构，或者有不容易接近

的、压缩的和致密的染色质结构。这种结构将严重影响染色质区基因的转录可能性。当然，

也对其专一性产生影响；（B）受信号刺激调节的转录因子常常需要与细胞内的蛋白质因子相

互作用才能激活基因转录。而这些细胞内的蛋白质因子常常是有细胞类型专一性的。最突出

的例子就是酵母对信息素刺激作出的细胞结合类型转变响应。其实，信息素刺激都激活了酵

母细胞中的MAPK信号转导途径。并激活转录因子 STE12。但是，STE12必须与另一个蛋白质

因子，即 MAT蛋白结合才能与 DNA相互作用和激活基因表达。而 MAT蛋白是有细胞类型专

一性的。在酵母的a 结合型细胞中，有 MATa l蛋白。STE12与这个蛋白质因子相互作用的

结果是使酵母受到信息素信号刺激后最终激活a 结合型基因的表达，使酵母细胞变成为a 结

合型。而与决定a结合型的基因的表达的蛋白质因子是 MAT a 2蛋白。STE12与这个蛋白结

合并激活a结合型专一基因表达，使酵母细胞变为 a结合型细胞。当然，从根本上说，不同

类型的酵母细胞有不同的基因表达调控蛋白，这也是细胞发育与进化的历史结果； (2) 转

录因子的相互作用。这种相互作用将增强信号转导的转录响应的专一性。由于许多基因启动

子的激活需要有多个转录因子同时存在，这就影响和决定了细胞对外界信号刺激的转录响应

有特殊的专一性。比如，如果某个启动子上有多个激活它本身所需要的、受信号转导调节的

基因调控元件。那么，这个启动子将能够与多个转录因子结合并被它们激活。于是，能够同

时激活所有这些转录因子的信号刺激将激活这个基因；而只能够激活一部分转录因子的信号

刺激将不足以激活这个基因转录。同样，如果这些转录因子来自不同的信号转导途径，那么，

这些信号将会被细胞汇集、分析和整合，通过形成细胞内的信号转导网络而起作用。这种结

合于同一个启动子的转录因子的协同相互作用还可以改变转录因子的行为，甚至决定着一个

信号转导途径激活的转录因子究竟是激活还是抑制基因转录，或者靶启动子的活性表达持续

时间是被延长还是被缩短。所以，信号转导激活的转录响应是十分复杂的，是受到许多因素

关于信号转导研究的若干问题

34

制约的。但是，也是有很强的专一性的。正是这种专一性使细胞对信号刺激能够作出不同的

响应，产生不同的生理变化。（3）不同强度的信号刺激和持续时间不同的信号刺激所产生的

转录响应差异。完全相同的信号刺激，仅仅由于它的强度或者作用持续时间的不同，或者两

者都不同，就可以使细胞作出完全不同的响应，在极端时清况下，细胞或者分裂，或者分化，

或者死亡。信号刺激的小小差异，竟然可以通过基因表达的专一性改变而造成细胞行为的大

大变化，这真是性命悠关的响应和决定!

这种专一性产生的机制还是一个迷。破究认为，至少有下列因素参与这种专一性的调节：

a，转录因子在细胞核内的浓度梯度。它可以使细胞核内的不同区间有不同的基因表达被激

活；b，转录因子在靶基因的调控元件上结合位点数量的多少。转录因子结合位点数量多的

基因在转录因子浓度低的细胞核内区间的表达就受到影响。相反，结合位点少的基因就容易

被激活；c，转录因子与基因调接元件的相对结合亲和力。可想而知，这种亲和力将严重影

响基因转录的激活。结合亲和力低的基因将只在转录因子浓度高的细胞核内区间激活；而结

合亲和力高的基因将可以在转录因子浓度低的细胞核内区间激活；和 d，转录因子与其他蛋

白质因子的相互作用。有些基因的表达除了需要专一的转录因子外，还需要其他蛋白质因子

的参与。后者的产生有时需要积累一定数量的这种专一转录因子后才能进行。所以，只有在

信号刺激进行到相当时间后，或者达到相当强度后这些基因才能表达。

综上所述，信号转导的转录响应是一个复杂的，受诸多因素影响的过程。它既受到先天

的遗传程序的调控，也受到后天的细胞内外各种因素的调控。但是，无论如何，转录响应是

细胞对信号刺激作出生理反应的根本机制。只有对这个机制深入研究，加以阐明，才能认识

和理解信号刺激的作用机制并在实践中加以利用。这是生命科学研究者们一个共同的任务。

二 信号转导与细胞增殖

生长因子刺激处于G0期的细胞时，能够使细胞开始增殖。这个现象是通过细胞内信号

转导通路实现的。在受到激素和神经递质刺激时，细胞作出的应答是短时间的细胞内代谢通

路的改变。与此不同，细胞对增殖刺激作出应答时需要合成新的蛋白质，并发挥这些蛋白质

的功能。这是一种持续时间长的过程。因此，在控制增殖时，基因表达调节系统的作用非常

重要。有一些系统对于这种研究很有帮助。

(一) 原癌基因

癌基因是在感染细胞后会造成急性白血病或肉瘤的，以RNA作为其基因组的逆转录病毒

中发现的。这些基因对病毒本身的复制来说不是必要的，但是它们有使细胞癌变的能力。后

关于信号转导研究的若干问题

35

来更明白，原来逆转录病毒的癌基因（v-onc）是来自细胞本身的，其产物起着控制细胞增

殖或分化作用的基因，叫它们为原癌基因（c-onc）。现在已经分离到60多种原癌基因，据

其产物的功能可以将它们分为6大类。A，细胞生长因子；B，具有酪氨酸激酶活性的生长因

子受体；C，非受体型的酪氨酸激酶；D，G蛋白；E，丝氨酸/苏氨酸激酶；和F，核内的蛋

白质，包括各种转录因子和转录调节因子。它们在信号转导中都起到十分重要的作用。而且，

它们需要相互协调才能发挥作用，单靠少数几个是没有用的。

(二) 通过生长因子诱导细胞内的反应

生长因子的代表是血小板源的生长因子（PDNF）。它作用于G0期的Swiss3T3成纤维细

胞时可以使它处于早期活化状态。PDNF与其靶细胞膜上的受体结合后，在几分钟到30分钟

之内就诱导出初期反应。在这个过程中发生了如下事件：A，伴随受体的二聚化，它自身具

有的酪氨酸激酶活性被激活，并使得受体自身磷酸化；B，磷脂酶C被激活，它将肌醇磷酸

酯水解，其产物二脂酰甘油和肌醇三磷酸（IP3）游离出来；C，二脂酰甘油(DAG)将PKC激

活，加速了有关蛋白质的磷酸化；D，细胞内离子浓度发生变化，在IP3作用下钙离子由细

胞内的贮存部位释放入细胞质。钠离子由细胞外流入，同时氢离子排出细胞，细胞内碱性增

加，pH由7.0～7.1增加到 7.5～7.6。细胞内钠离子浓度上升的结果是激活了钾离子/钠离

子泵，即ATPa，使细胞内钾离子浓度上升；E，花生四烯酸，一种不饱和脂肪酸的游离。

它可能是在磷脂酶A2活性作用下，由二脂酰甘油代谢产生。花生四烯酸在细胞内代谢为前

列腺素等。前列腺素E1释放出细胞后与细胞膜上的专一受体结合，使细胞内cAMP浓度上述；

F，促进c-fos和c-jun基因的转录。这种激活是在刺激后30分钟内一过性地发生的，在刺

激后1-2小时就恢复到原来的水平。可能蛋白质合成不那么顺利，激酶又将钙离子、二脂酰

甘油和cAMP等第二信使激活，转录因子被磷酸化而使转录增加，所有这一切就使得刺激后

1-2小时内c-myc的mRNA的含量一过性地大大增加。

通过细胞内信号转导网络最终激活S期的通路是很多的，这也是促使细胞增殖的必要过

程，看来，只靠一条或者少数通路是不够的，需要多方面过程的相互配合才行。其中，DAG

在信号转导调节细胞增殖中的作用引人注目。DAG是一个与膜结合的第二信使，它激活PKC。

PKC则在生长因子刺激转位到细胞核内，并将许多核内的靶分子，如核层连蛋白等磷酸化。

近来发现，PKC不仅可以被DAG激活，而它本身也有调节细胞核内DAG含量的功能。即它可

以抑制DAG激酶ζ(DGK-ζ)。而DGK-ζ的作用是减少细胞核内DAG的含量，其作用机制是将

DAG磷酸化，磷酸化的DAG就被逐出细胞核。所以，PKC起着正反馈调节作用。

关于信号转导研究的若干问题

36

细胞核内的DAG与细胞周期之间的直接联系在哪里呢？用EGF刺激细胞的实验表明，在

EGF刺激下，PKC介导的抑制DGK-ζ作用使DAG含量增加，细胞容易进入G2/M期。而细胞内

DGK-ζ含量增加时，细胞核内DAG含量大大减少，使得细胞倍增的时间明显延长，即细胞滞

留在G0/G1期。这些结果说明。DAG作为信号转导通路中的第二信使，通过作用于PKC，对

细胞增殖有直接的调节作用。但是，又发现，除了PKC外，调节DAG含量的机制有多个。例

如，在胰岛素样生长因子－1(IGF-1)刺激细胞时，细胞内信号转导通路中被激活的不是PKC，

而是磷酸肌醇酯酶C，它也可以调节DAG的含量。所以，DAG可以由多个信号转导通路产生，

它们被分别贮存在细胞核内的DAG库中。这些来源不同的DAG可能有不同的结构。在细胞周

期的不同阶段和不同作用点上，来自不同贮存库的DAG相互协同地起作用，激活PKC，调节

细胞的增殖。可见，细胞增殖的信号转导通路调节是错综复杂的过程。

三 信号转导的细胞分化响应

许多因素与细胞分化有关。比如细胞因子IL-3，GM-CSF，G-CSF，LIF，TGF，TPO等等

都是与细胞分化相关的因子。它们促使细胞分化的作用是通过介导细胞内信号转导而实现

的。以T细胞分化为例，未致敏的T细胞能够以一种灵活和多样的方式来对环境的信号作出

响应，并最终分化为Th1或者Th2细胞。这些细胞分别行使不同的免疫功能。Th1细胞产生

的细胞因子激活细胞毒性和发炎，诱导出迟发型的高敏感性反应，起着细胞免疫作用；而Th2

细胞则通过刺激IgE的产生和刺激嗜曙红细胞的增殖与发挥作用而产生强烈的抗体反应和变

态反应，起着体液免疫的作用。

为什么未致敏的T细胞在受到刺激时能够作出不同的响应，产生出不同的免疫反应呢？

研究表明，其机制在于：（1）在刺激后Th1和Th2细胞分别产生了不同的细胞因子，Th1产

生的是IL-2和IFN-g ；Th2产生的是IL4，和IL-5。也就是说，在接受刺激后这两种细胞

中被激活的基因是不同的；（2）由于基因转录因子是被信号转导激活的，看来两种Th细胞

利用了不同的信号转导通路。的确是这样，预定要分化为Th1的细胞系失去IFN-g 信号转导

通路；而预定要分化为Th2的细胞系则失去了IL-12信号转导通路。所以，它们分别对相关

的刺激不敏感；（3）两种细胞被激活的基因转录因子是不同的。在T细胞表面的T细胞受体

（TCR）接受刺激后，Th1中被激活的是蛋白质酪氨酸激酶Fyn和ZAP-70，它们在Th2中不

被激活；相反，Th2中被激活的是一个与AP-1蛋白同源的碱性亮氨酸拉链转录因子，即c-Maf

蛋白。正是它使IL-4基因在Th2中专一表达。这个转录因子在Th1细胞中不被激活；（4）

转录因子所作用的DNA元件不同，也赋予Th细胞以不同的分化前途。研究表明，小鼠EL-4

关于信号转导研究的若干问题

37

细胞在PMA刺激下可以分化为Th1或者Th2。上面讲了，Th1产生IL-2，Th2产生IL-5。其

原因就在于IL-5基因的转录调控区中有4个对PMA和cAMP响应的元件，而且必须4个元件

同时起作用，才能最大地表达这个基因。但是激活IL-2基因只需要1个元件就够了；（5）

转录因子的激活型与钝化型的比例，转录因子的不同异构型的比例也造成Th细胞有不同的

分化结果 ；（6）对信号转导通路中的第二信使的敏感性会对分化产生影响。比如Th1细胞

专一性细胞因子的产生对cAMP敏感，而Th2的则不敏感。

由上可见，T细胞分化与它受刺激后产生什么样的细胞因子有关。因此，通过控制信号

转导通路，调节NF-AT或NF-k B转录因子，调节IL-4或者IL-12受体，就可以控制细胞因

子的产生，从而控制细胞的分化。

四 信号转导和细胞凋亡

细胞凋亡是一种细胞自杀机制，它使后生生物得以控制其组织中细胞的数目，并有助于

消除个别危害生物整体生存的细胞，在个体发育和维持机体平衡中发挥重要作用。在胚胎发

育的形态发生阶段和突触生成阶段都有细胞凋亡，在成年动物的组织转换阶段和免疫应答的

结束阶段也有细胞凋亡，比如，在妊娠2个月时，人类女性胎儿的卵母细胞数目就开始增加，

到7个月时达到高峰，有700万个之多。不久，其数量却因细胞凋亡而急剧减少。残存的卵

母细胞在发育的卵胞中休眠。成年以后，受到激素刺激时，卵胞会生长和成熟。这时，卵母

细胞的体积急剧膨胀，增大约800倍。在排卵后，又发生了卵胞细胞的自杀过程。所以，女

性一生的排卵总数不会超过400个。可见细胞凋亡系统的效率有多高！此外，人类在妊娠时，

有15％的自然流产率。这对于保证产生出健康的后代和防止畸胎的发生是有好处的。因为细

胞凋亡有这样重要的生理功能，它一定受到严格的调节控制。而细胞凋亡的失控将会带来严

重的后果。比如，脑神经元不遵守“游戏规则”的细胞凋亡，会导致老年性痴呆和帕金森病。

在DNA损伤后，处于分裂状态的细胞不能及时凋亡，就会造成细胞癌变。

细胞凋亡也与细胞内信号转导有关。线虫是研究这些问题的好材料。它的细胞内细胞凋

亡机器中有三个主要成分，即促进凋亡的CED-3，CED-4和抑制凋亡的CED-9。CED-3是一个

Caspa，即一种可以在专一性的天冬氨酸残基后面切开某些蛋白质的半胱氨酸蛋白酶。

CED-4和CED-3结合后就将CED-3激活；而CED-9与CED-3结合后却使CED-3钝化。在正常

情况下，它们三个成为复合物，使得CED-3处于失活状态。在接受细胞凋亡刺激时，CED-9

从复合物上解离下来，CED-3被激活，细胞凋亡。哺乳动物中有一套类似的基因家族。其中，

Caspa与CED-3相似；Apaf-1与CED-4同源；Bcl-2家族则与CED-9起一样的作用。当然，

关于信号转导研究的若干问题

38

它们之中也有一些差异。

在细胞外则有专门的传感器，即“死亡受体”。它们接受特殊的死亡配体发来的凋亡信

号，并将信号传递给死亡机器。这些受体可以在结合配体后几秒钟内就激活死亡Caspa，

并在几小时内引起细胞凋亡。死亡受体属于肿瘤坏死因子受体基因超家族。它们有富含半胱

氨酸残基的细胞外域，还含有一个与之类似的胞内域，叫做“死亡域”，死亡域使死亡受体

能够承担死亡机器中重要成员的作用。已经知道的死亡受体有CD95(即Fas或ApoI)、TNF

RI(即p55或CD120a)、DR3(即Apo3)、DR4、DR5等，NGFR也有死亡域。它们的配体有CD95L、

淋巴毒素等等。

这些受体与其配体的结合和其后介导的信号转导通路就造成细胞凋亡。比如，CD95和

CD95L结合在三类生理性细胞凋亡中起着非常重要的作用。即（1）在免疫应答完成后，外周

血中激活的，成熟的T细胞的消除；（2）细胞毒性T细胞和天然杀伤细胞杀死病毒感染的细

胞或者肿瘤细胞；（3）在“免疫特区”，如眼睛中杀死发炎的细胞。CD95L是一个同源三聚分

子，每个三聚体可以结合三个CD95分子。二者结合后就发动了最终导致细胞凋亡的细胞内

信号转导通路。首先是这种结合使三个受体的死亡域聚集在一起；然后，一个也含有死亡域

的接头蛋白，即FADD通过自己的死亡域与成簇的受体死亡域结合。而FADD还有一个“死亡

效应域”，它与Caspa-8的同源域结合。再后，Caspa-8就激活其下游的效应Caspa，

如Caspa-9，哺乳动物中一种与CED-3功能相同的使细胞凋亡的酶，使细胞凋亡。可见，

整个过程与信号转导通路何其相似乃尔！更有趣的是，FADD在TNFR1、DR3、DR4等细胞凋亡

信号转导通路中都发挥作用，而且这些过程似乎与c-Jun 的N端激酶(JNK)的激活有关。看

来，几个死亡受体所用的信号转导元件是一样的，但是，由受体到Caspa的通路有所不同。

其中的分子组分还有待阐明。

由此可见，细胞的生也好，死也好，都要受到信号转导的调节，信号转导的作用真是无

处不在啊！

五 信号转导与记忆和学习

作为高级神经活动的记忆与学习是所有生物与生俱有的一种本领，但是，它们又是可以

诱导和训练的。记忆与学习不仅是生物适应周围环境，以求生存的一种重要能力，而且是生

物本身素质的一种反映。21世纪生命科学，乃至整个自然科学界的一个重大课题就是阐明记

忆和学习的机理。对学习和记忆机理的研究最先是用电生理方法进行的。现在用基因转染，

基因重组和基因剔除等技术，构建了各种基因有变异的动物，使这种研究可以深入到基因表

关于信号转导研究的若干问题

39

达的水平。信号转导与记忆的关系恐怕也是通过信号转导对基因表达的调节控制来实现的。

记忆一般可以分成两种：持续时间以秒或分钟计的短期记忆和持续时间以小时、日、周

或月计的长期记忆。短期记忆是细胞中已经存在的成分被磷酸化或其他化学基团修饰而建立

的。而长期记忆则必须合成新的蛋白质，这就与基因表达有关了。例如，、果蝇中有一种叫

CREB(cAMP-responsive element-binding protein)的蛋白质。如果将失去活性的creb基因

置于热休克蛋白基因启动子控制之下，并将它和热休克蛋白基因一起导入果蝇，这种果蝇在

37℃冲击下会产生无活性的CREB蛋白。然后，对突变果蝇和野生果蝇进行这样的实验：在

用香味的同时施以电击，看哪一种果蝇的记忆和学习能力更强。结果，CREB蛋白不能正

常工作时(即creb基因失活，新蛋白质合成受阻时)果蝇的记忆与学习能力也严重下降。它

们一再地被香味诱去，又一再地遭受电击却总不悔改。而含有野生型CREB蛋白的果蝇在少

数几次“上当”后就学乖了，再不受那香味的而免受电击。与此同时，还用CREB-a 和

d 亚基缺失的基因剔除小鼠进行惊吓实验和水迷宫实验，也得出了同样的结论：长期记忆需

要合成新的蛋白质。

这些实验结果怎麽样将基因表达与细胞内信号转导扯到一起呢？原来CREB是一种转录

调节因子，它调控细胞核内基因的表达及其后的蛋白质生物合成。正如本节之一“信号转导

的转录响应”所述，细胞内信号转导必然参与记忆和学习的发生与发展过程。

实际上，CREB在将细胞外刺激所诱发的细胞内信号传入细胞核的过程中起着重要的作

用。细胞外的信号(配体)与细胞表面的信号接受装置——受体相互作用，激活了AMP环化酶，

使细胞内cAMP的量大为增加。cAMP与蛋白激酶A(PKA)的调节亚基结合，PKA的催化亚基则

将向细胞核移行的CREB蛋白磷酸化。这时，CREB的第133位丝氨酸残基被磷酸化，CREB也

因而活化，并促使它的靶基因表达。与学习反射相关的感觉神经元和运动神经元需要与突触

建立联系，实验表明5-羟色胺反复刺激所引起的cAMP和CREB信号转导确与长期记忆的建立

有关。

哪些基因与记忆相关？既然信号转导与记忆有关，那麽鉴定被CREB激活的基因就很重

要。一般说，分化的细胞在受到特定的细胞外刺激时，就能活化特定基因的表达，从而合成

有功能的蛋白质，并发挥分化细胞的机能。比如，B淋巴细胞是专门产生抗体的。在抗原刺

激下，免疫球蛋白基因被活化，抗体数量增加并发挥免疫功能。据认为，神经细胞中也有类

似的情况。已经知道，突触传递是神经系统特有的对刺激作出应答的方式。可想而知，一定

有与神经功能的表现相关的基因群被活化。了解这些基因群，无疑有助于阐明神经细胞的活

关于信号转导研究的若干问题

40

动机理。有人用原代培养的神经细胞为实验材料，研究了一些在钙刺激下被激活的基因群及

其诱导机制。此外，还知道谷氨酸是一种有代表性的兴奋性氨基酸，它作为神经传递物质在

脑中起作用。最近克隆了谷氨酸受体，并证明它介导的信号转导在记忆与学习中起很大的作

用。谷氨酸受体可以分为大离子透过型和大离子代谢型两类。离子透过型以离子通道方式起

作用。它又有NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)型和非-NMDA型两种。后者又有红藻氨酸型和

AMPA(alpha-氨基-3-羟基-5-甲基-4-isoxazolepropionate)型。而代谢型则与GTP结合蛋白

有关。用谷氨酸刺激原代培养的大鼠海马神经细胞的NMDA受体(NMDA-R)和红藻氨酸受体

(KA-R)，结果，不仅c-fos，而且脑源性的神经营养因子基因群(CaRGs——对钙响应的基因)

都表达了。因此，认为CaRGs基因群的产物与谷氨酸刺激诱发的神经细胞的初始反应有关。

实际上，BDNF作为神经营养因子除了能维持神经细胞的生存外，还能促进作用于前突触部位

的神经传递物资的释放，因此与树状突起的发育有关。

细胞外的信号如何引发细胞内的基因表达级联过程的呢？原来c-fos基因被诱导后，由

c-Fos和c-Jun构成的转录调节因子AP-1就被激活，它的靶基因群就会相继受到影响。另一

方面，BDNF合成和分泌后，凡是有BDNF受体(TrkB)的神经细胞就会自动调节自身的活性。

而它诱发新的基因群激活时，更会引起各种各样的细胞反应。就这样，CaRGs基因群的一级

激活会造成二级、三级等等后期应答基因群的表达，产生各种生理反应。bdnf mRNA的半衰

期(2小时)比c-fos mRNA的要短。因此，CaRGs这类初期应答基因群的表达效果是短期的。

据认为，后期应答的基因群的mRNA有较长的半衰期，它们表达的效果应该比较长期起作用。

所谓突触传递是秒钟水平刺激所引起的神经细胞应答。而通过基因表达级联反应所活化的就

是从分钟到小时的长时间间隔的神经细胞应答了。这也是造成记忆和学习有长短不同的原

因。

在这些过程中，CREB是怎样起作用的呢？初步认为其机制为谷氨酸受体被刺激后，引起

钙离子流入细胞内，并在依赖钙和钙调蛋白的蛋白质激酶(CaMK)介导下将CREB的133位丝

氨酸残基磷酸化，被激活的CREB等转录因子就激活了CaRG基因群，包括c-fos和bdnf等。

可是，还需要进一步的证据。

鉴于转录调节因子的作用十分突出，于是有人主张CREB可以作为记忆调节器而直接起

作用。构建了过量产生活性CREB的重组果蝇来进行学习实验，看它们在香味和电刺激同时

存在下的学习能力。其目标是了解为了建立长期记忆，在一个时间间隔内（10分钟以上)给

以多少次训练是必要的，及其分子机理。所得的结果是令人惊异的。这种果蝇只需要训练一

关于信号转导研究的若干问题

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次就可以完成全部的学习过程。为了进一步验证CREB的作用，在这些重组果蝇中构建了编

码有活性的CREB(dCREB-a)和编码无活性的CREB(dCREB-b)两种异构型的基因，它们可以通

过亮氨酸拉链形成同源或者异源二聚体。实验结果表明，在最开始时，刺激促使creb 基因