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細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
生物學(xué)術(shù)語之一
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是指細(xì)胞通過胞膜或胞內(nèi)受體感受信息分子的刺激，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，從而影響細(xì)胞生物學(xué)功能的過程。水溶性信息分子及前列腺素類（脂溶性）必須首先與胞膜受體結(jié)合，啟動細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)，將細(xì)胞外的信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)至胞內(nèi)；脂溶性信息分子可進(jìn)入胞內(nèi)，與胞漿或核內(nèi)受體結(jié)合，通過改變靶基因的轉(zhuǎn)錄活性，誘發(fā)細(xì)胞特定的應(yīng)答反應(yīng)。
基本信息
| 中文名 | 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo) |
| 外文名 | Signal Transduction |
| 類別 | 生物反應(yīng) |
| 特點 | 高度親和力、高度特異性等 |
| 作用方式 | 生物信號 |
基本介紹
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
高等生物所處的環(huán)境無時無刻不在變化，機(jī)體功能上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一要求有一個完善的細(xì)胞間相互識別、相互反應(yīng)和相互作用的機(jī)制，這一機(jī)制可以稱作細(xì)胞通訊(Cell Communication)。在這一系統(tǒng)中，細(xì)胞或者識別與之相接觸的細(xì)胞，或者識別周圍環(huán)境中存在的各種信號(來自于周圍或遠(yuǎn)距離的細(xì)胞)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)各種分子功能上的變化，從而改變細(xì)胞內(nèi)的某些代謝過程，影響細(xì)胞的生長速度，甚至誘導(dǎo)細(xì)胞的死亡。
這種針對外源性信號所發(fā)生的各種分子活性的變化，以及將這種變化依次傳遞至效應(yīng)分子，以改變細(xì)胞功能的過程稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Signal Transduction)，其最終目的是使機(jī)體在整體上對外界環(huán)境的變化發(fā)生最為適宜的反應(yīng)。在物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)中往往涉及到神經(jīng)－內(nèi)分泌系統(tǒng)對代謝途徑在整體水平上的調(diào)節(jié)，其實質(zhì)就是機(jī)體內(nèi)一部分細(xì)胞發(fā)出信號，另一部分細(xì)胞接收信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞功能上的變化的過程。所以，闡明細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)理就意味著認(rèn)清細(xì)胞在整個生命過程中的增殖、分化、代謝及死亡等諸方面的表現(xiàn)和調(diào)控方式，進(jìn)而理解機(jī)體生長、發(fā)育和代謝的調(diào)控機(jī)理。
轉(zhuǎn)導(dǎo)受體
膜受體
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
2．蛇型受體
7個跨膜α-螺旋受體，有100多種，都是單條多肽鏈糖蛋白，如G蛋白偶聯(lián)型受體。
3．單跨膜α-螺旋受體
包括酪氨酸蛋白激酶型受體和非酪氨酸蛋白激酶型受體。
胞內(nèi)受體
位于胞液或胞核，結(jié)合信號分子后，受體表現(xiàn)為反式作用因子，可結(jié)合DNA順式作用元件，活化基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)。包括類固醇激素受體、甲狀腺激素受體等。胞內(nèi)受體都是單鏈蛋白，有4個結(jié)構(gòu)區(qū)：①高度可變區(qū)②DNA結(jié)合區(qū)③激素結(jié)合區(qū)④絞鏈區(qū)。
相互作用
特點是：①高度親和力，②高度特異性，③可飽和性
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
傳遞途徑
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
2．受體酪氨酸蛋白激酶(RTPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受體酪氨酸蛋白激酶超家族的共同特征是受體本身具有酪氨酸蛋白激酶（TPK）的活性，配體主要為生長因子。RTPK途徑與細(xì)胞增殖肥大和腫瘤的發(fā)生關(guān)系密切。配體與受體胞外區(qū)結(jié)合后，受體發(fā)生二聚化后自身具備(TPK)活性并催化胞內(nèi)區(qū)酪氨酸殘基自身磷酸化。RTPK的下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通過多種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的級聯(lián)激活：（1）激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK），（2）激活蛋白激酶C（PKC），（3）激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K），從而引發(fā)相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。
3．非受體酪氨酸蛋白激酶途徑此途徑的共同特征是受體本身不具有TPK活性，配體主要是激素和細(xì)胞因子。其調(diào)節(jié)機(jī)制差別很大。如配體與受體結(jié)合使受體二聚化后，可通過G蛋白介導(dǎo)激活PLC-β或與胞漿內(nèi)磷酸化的TPK結(jié)合激活PLC-γ，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)。
4．受體鳥苷酸環(huán)化酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）可激活鳥苷酸環(huán)化酶（GC），增加cGMP生成，cGMP激活蛋白激酶G（PKG），磷酸化靶蛋白發(fā)揮生物學(xué)作用。
5．核受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑細(xì)胞內(nèi)受體分布于胞漿或核內(nèi)，本質(zhì)上都是配體調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子，均在核內(nèi)啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并影響基因轉(zhuǎn)錄，統(tǒng)稱核受體。核受體按其結(jié)構(gòu)和功能分為類固醇激素受體家族和甲狀腺素受體家族。類固醇激素受體（雌激素受體除外）位于胞漿，與熱休克蛋白（HSP）結(jié)合存在，處于非活化狀態(tài)。配體與受體的結(jié)合使HSP與受體解離，暴露DNA結(jié)合區(qū)。激活的受體二聚化并移入核內(nèi)，與DNA上的激素反應(yīng)元件（HRE）相結(jié)合或其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，增強(qiáng)或抑制基因的轉(zhuǎn)錄。甲狀腺素類受體位于核內(nèi)，不與HSP結(jié)合，配體與受體結(jié)合后，激活受體并以HRE調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。
細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
細(xì)胞凋亡
細(xì)胞凋亡是一個主動的信號依賴過程，可由許多因素誘導(dǎo)，如放射線照射、缺血缺氧、病毒感染、藥物及毒素等。這些因素大多可通過激活死亡受體而觸發(fā)細(xì)胞凋亡機(jī)制。死亡受體存在于細(xì)胞表面。屬于腫瘤壞死因子受體超家族，它們與相應(yīng)的配體或抗體結(jié)合而活化后，其胞漿區(qū)即可與一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白結(jié)合，其中重要的是含有死亡結(jié)構(gòu)域的胞漿蛋白。它們通過死亡結(jié)構(gòu)域一方面與死亡受體相連，另一方面與下游的capase蛋白酶結(jié)合，使細(xì)胞膜表面的死亡信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)。
capase蛋白酶家族作為細(xì)胞凋亡的執(zhí)行者，它們活化后進(jìn)一步剪切底物，如多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）該酶與DNA修復(fù)及基因完整性監(jiān)護(hù)有關(guān)，PARP被剪切后，失去正常的功能，使受其抑制的核酸內(nèi)切酶活性增高，裂解核小體間的DNA，最終引起細(xì)胞凋亡。這個過程可概括為：死亡受體含有死亡結(jié)構(gòu)域的胞漿蛋白—capase蛋白酶家族—底物PARP—染色體斷裂—細(xì)胞凋亡。不同種類的細(xì)胞在接受不同的細(xì)胞外刺激后引起凋亡的形態(tài)學(xué)改變是高度保守的，但是它們并不是遵循同一種固定的或有規(guī)律的模式進(jìn)行，而是通過各自的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來傳遞胞膜上的死亡。
研究進(jìn)展
細(xì)胞信號通路出現(xiàn)故障導(dǎo)致癌癥
有2項新的研究對助長正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)?種最致命癌癥的基因組的變異進(jìn)行了描述，它們是多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（這是最常見類型的腦癌）和胰腺癌。盡管每種癌癥類型的特異性基因組變異每個腫瘤都有所不同，但這2項研究披露了一個核心組的細(xì)胞信號通路和調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)了偏差，從而導(dǎo)致了疾病的發(fā)生。在第一項研究中，D.Williams Parsons及其同事對來自22個人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤樣本的2萬多個編碼蛋白質(zhì)的基因序列進(jìn)行了分析，以期發(fā)現(xiàn)可能的變異。另外，他們還觀察那些有著腫瘤特異性變化的基因表達(dá)譜以及被拷貝基因的數(shù)量。他們發(fā)現(xiàn)了多種的影響基因的變異，而這些變異從前并沒有與這些腫瘤掛上鉤。有一種叫做IDH1的基因容易在所謂的“繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤”中發(fā)生變異，這種繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤起源于低度惡性的腫瘤，同時也出現(xiàn)于較年輕的病人中。在這一小型的研究中，病人的腫瘤如果有IDH1變異的話會有較長的生存時間，這表明IDH1基因是一種可用于篩選和治療的有用的臨床標(biāo)記，盡管這些結(jié)果還需要在一個更大的實驗分析中得到證實。在第2項研究中，同一批的科學(xué)家對胰腺癌的基因組成進(jìn)行了調(diào)查。胰腺癌是一種常常在發(fā)現(xiàn)的時候已經(jīng)處于晚期的癌癥，而且對這種癌癥的治療方法十分匱乏。
SianJones及其同事對24例人類胰腺腫瘤的樣本應(yīng)用了相同的基因組策略，他們報道說，有一核心組的12種細(xì)胞信號通路或調(diào)節(jié)過程在70-100%的這些腫瘤中都逐一出現(xiàn)了基因變異，表明這些通路的中斷是胰腺腫瘤發(fā)展的重大特征的形成原因。文章的作者得出結(jié)論：“治療研發(fā)的最大希望可能是發(fā)現(xiàn)以變異通路和過程的生理效應(yīng)作為標(biāo)靶的藥物，而不是針對它們的個別基因組分的藥物。”
美國科學(xué)家研制出了一套充滿科幻色彩的技術(shù)－－可以將大腦神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電脈沖轉(zhuǎn)換為聲音信號。研究人員借助植入大腦中的電極已經(jīng)能夠?qū)⑷艘庾R中出現(xiàn)的單個元音字母轉(zhuǎn)換為聲音。他們認(rèn)為，今后，這項技術(shù)將可以使那些全身癱瘓的人與其他人進(jìn)行正常交流。
參與試驗的志愿者是一位28歲的英國人，名叫埃里克·拉姆齊。由于受到嚴(yán)重的外傷，他已完全癱瘓長達(dá)9年的時間。他只能通過眼神與醫(yī)生和親人進(jìn)行交流。2004年，這位年輕人的大腦中被植入了一個電極。通過分析神經(jīng)細(xì)胞的活動模式，科學(xué)家們學(xué)會了如何區(qū)分患者意識中想到的單個聲音。在現(xiàn)階段的試驗中，對單個元音字母的識別準(zhǔn)確率已可以達(dá)到80%。今后，研究人員還將嘗試識別單個的字母，之后是完整的句子。據(jù)悉，整個“朗讀意識”的過程可在實時狀態(tài)下進(jìn)行，這將使得患者的想法更容易被設(shè)備所識別。
不過，這并不是科學(xué)家們首次開發(fā)出類似的技術(shù)。芝加哥大學(xué)的研究人員便曾研制出過一套名為Audeod設(shè)備，不但可以復(fù)原聲音，而且還可以幫助患者驅(qū)動安裝有馬達(dá)的輪椅。不過，Audeo只能直接讀取那些負(fù)責(zé)控制肌肉運(yùn)動的神經(jīng)纖維產(chǎn)生的信號，這就意味著，他無法幫助那些全身癱瘓的患者。直接從大腦皮層中讀取信息的方法以前也曾有人嘗試過。例如，有人便曾利用植入大腦中的電極，用意識控制過鼠標(biāo)和其他一些日常用品的運(yùn)動。
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