細胞信號傳送

在生物學中，細胞信號傳送（cell signaling）又稱細胞訊息傳導、細胞傳訊，是指細胞與自身、其他細胞及環境相互作用的過程。細胞信號傳送是所有原核生物和真核生物細胞生命的基本特性。

通常，信號傳送過程涉及三個組成部分：信號、受體和效應器（動器）。

在生物學中，信號大多是化學性質的，但也可以是壓力、電壓、溫度或光等物理線索。化學信號是能夠結合併激活特定受體的分子。這些分子，也稱為配體，具有化學多樣性，包括離子、脂質（例如類固醇、前列腺素）、肽類（例如胰島素、ACTH）、碳水化合物、糖基化蛋白質（蛋白多糖）、核酸等。肽類和脂質配體尤為重要，因為大多數激素屬於這些化學物質類別。肽通常是極性的、親水性分子。因此，它們無法自由擴散穿過質膜的雙脂層，所以它們的作用是通過細胞膜上的受體介導的。另一方面，親脂性化學物質，如類固醇激素，可以被動地擴散穿過質膜並與細胞內受體相互作用。細胞信號可以在短距離或長距離發生，並且可以進一步分類為自分泌、內分泌、旁分泌、旁分泌或內分泌。自分泌信號傳送發生在產生信號化學物的同一細胞上。內分泌信號傳送發生在細胞產生的化學信號作用於同一細胞的細胞質或細胞核內的受體上。旁分泌信號傳送發生在物理上相鄰的細胞之間。旁分泌信號傳送發生在相鄰的細胞之間。內分泌作用發生在遠距離的細胞之間，化學信號通常由血液攜帶。

受體是複雜的蛋白質或緊密結合的蛋白質多聚體，位於質膜或細胞內部，如細胞質、細胞器和細胞核。受體具有通過結合特定化學物或與物理因子相互作用時發生構象變化來檢測信號的能力。特定配體與其受體之間的化學相互作用的特異性，賦予了觸發特定細胞反應的能力。受體可以廣泛分類為細胞膜受體和細胞內受體。

細胞膜受體可以進一步分類為離子通道聯接受體、G蛋白偶聯受體和酶聯接受體。

離子通道受體是具有配體激活門功能的大型跨膜蛋白。當這些受體被激活時，它們可能允許或阻止特定離子穿過細胞膜。大多數由壓力或溫度等物理刺激激活的受體屬於這一類別。

G蛋白受體是嵌入質膜中的多聚蛋白。這些受體具有細胞外、跨膜和細胞內域。細胞外域負責與特定配體的相互作用。細胞內域負責啟動一系列化學反應的級聯，最終觸發受體控制的特定細胞功能。

酶聯接受體是具有細胞外結合特定配體的域和細胞內具有酶活性或催化活性的域的跨膜蛋白。激活後，酶部分負責促進特定的細胞內化學反應。

細胞內受體的作用機制不同。它們通常結合能夠被動擴散穿過質膜的親脂性配體，如類固醇激素。這些配體結合到特定的細胞質轉運蛋白上，將激素-轉運蛋白複合物運送到細胞核內，激活特定基因，促進特定蛋白質的合成。

信號傳送途徑的效應器組成部分始於信號轉導。在這個過程中，信號通過與受體的相互作用，啟動細胞內一系列分子事件，導致信號傳送過程的最終效果。通常，最終效果包括激活離子通道（配體門控離子通道）或啟動第二信使系統級聯，將信號在細胞內傳播。第二信使系統可以放大或調節信號，其中少量受體的激活會導致多個次級信使被激活，從而放大初始信號（第一信使）。這些信號通路的下游效應可能包括額外的酶活性，如蛋白水解切割、磷酸化、甲基化和泛素化。

信號分子可以通過各種生物合成途徑合成，並通過被動或主動運輸釋放，甚至通過細胞損傷釋放。

每個細胞都被編程來響應特定的細胞外信號分子，這是發育、組織修復、免疫和穩態的基礎。信號傳送相互作用中的錯誤可能導致癌症、自身免疫性疾病和糖尿病等疾病。

## 細胞外信號

### 合成與釋放

許多細胞信號由一個細胞釋放並移動到另一個細胞與之接觸的分子承載。信號分子可以屬於幾種化學類別：脂質、磷脂、胺基酸、單胺、蛋白質、糖蛋白或氣體。與表面受體結合的信號分子通常是大分子且親水性的（例如促甲狀腺激素、抗利尿激素、乙醯膽鹼），而進入細胞的信號分子通常是小分子且疏水性的（例如糖皮質激素、甲狀腺激素、膽鈣化醇、維甲酸），但兩者都有重要的例外，同一分子可以通過表面受體或以內分泌方式作用產生不同的效果。在動物細胞中，專門的細胞釋放這些激素並通過循環系統將它們發送到身體的其他部分。然後它們到達目標細胞，這些細胞可以識別並響應激素並產生結果。這也被稱為內分泌信號傳送。植物生長調節劑或植物激素通過細胞內移動或通過氣體擴散到空氣中以到達它們的目標。硫化氫由人體的某些細胞以少量產生，並具有許多生物信號功能。目前只有另外兩種氣體被知道在人體中作為信號分子：一氧化氮和一氧化碳。

#### 胞吐

胞吐是指細胞將分子如神經遞質和蛋白質運輸出細胞的過程。作為一種主動運輸機制，胞吐需要使用能量來運輸物質。胞吐及其對應過程胞吞，後者是將物質帶入細胞的過程，被所有細胞所使用，因為對它們來說大多數化學物質是大型極性分子，無法通過細胞膜的疏水性部分進行被動運輸。胞吐是大量分子被釋放的過程，因此是一種批量運輸的形式。胞吐通過細胞質膜上稱為胞口體的分泌門進行。胞口體是細胞質膜上永久性的杯狀脂蛋白結構，在這裡分泌囊泡暫時對接並融合，以將囊泡內的內容物從細胞中釋放。

在胞吐過程中，膜結合的分泌囊泡被運送到細胞膜，在那裡它們在胞口體處對接並融合，其內容物（即水溶性分子）被分泌到細胞外環境中。這種分泌是可能的，因為囊泡與質膜暫時性地融合。在神經傳導的背景下，神經遞質通常通過胞吐從突觸囊泡釋放到突觸間隙中；然而，神經遞質也可以通過反向運輸通過膜運輸蛋白被釋放。

### 細胞信號傳送的形式

#### 自分泌

自分泌信號傳送涉及細胞分泌激素或化學信使（稱為自分泌劑），這些自分泌劑與同一細胞上的自分泌受體結合，導致該細胞自身的變化。這與旁分泌信號傳送、內分泌信號傳送或經典的內分泌信號傳送形成對比。

#### 內分泌

在內分泌信號傳送中，信號化學物質在細胞內產生並結合到細胞質或核受體上，而無需從細胞中分泌出來。在內分泌信號傳送中，信號在不被分泌出細胞的情況下被傳遞。內分泌信號不被分泌到細胞外是內分泌信號傳送與自分泌等其他細胞信號機制的區別。在自分泌和內分泌信號傳送中，信號對產生它的細胞產生影響。

#### 近分泌

旁分泌信號傳送是多細胞生物中細胞與細胞或細胞與細胞外基質之間的信號傳送類型，需要緊密接觸。旁分泌信號傳送有三種類型：

- 兩個相鄰細胞的膜配體（蛋白質、寡糖、脂質）和膜蛋白通過相互作用。
- 一個通訊連接連接兩個相鄰細胞的細胞內部分，允許相對較小的分子通過。
- 一個細胞外基質 糖蛋白和膜蛋白相互作用。

此外，在單細胞生物如細菌中，旁分泌信號傳送意味著通過膜接觸進行的相互作用。旁分泌信號傳送已在一些生長因子、細胞因子和趨化因子細胞信號中觀察到，它在免疫反應中發揮重要作用。通過直接膜接觸的旁分泌信號傳送也存在於神經元細胞體和小膠質細胞發育過程中及成年大腦的運動過程中。

#### 旁分泌

在旁分泌信號傳送中，一個細胞產生信號以誘導附近細胞的變化，改變這些細胞的行為。被稱為旁分泌因子的信號分子在相對較短的距離上擴散（局部作用），與通過內分泌因子、激素（通過循環系統傳播相當長的距離）的細胞信號傳送；旁分泌相互作用；以及自分泌信號傳送形成對比。產生旁分泌因子的細胞將它們分泌到直接的細胞外環境中。然後，因子傳播到附近的細胞中，其中因子接收的梯度決定了結果。然而，旁分泌因子能夠傳播的確切距離尚不確定。

旁分泌信號如維甲酸只針對發出細胞附近的細胞。神經遞質是旁分泌信號的另一個例子。

一些信號分子可以同時作為激素和神經遞質。例如，腎上腺素和去甲腎上腺素在從腎上腺釋放並通過血液傳輸到心臟時可以作為激素。去甲腎上腺素也可以由神經元產生，在大腦內作為神經遞質。雌激素可以由卵巢釋放，作為激素或通過旁分泌或自分泌信號在局部作用。

儘管旁分泌信號傳送在誘導的細胞中引發多樣化的反應，但大多數旁分泌因子使用一套相對簡化的受體和途徑。實際上，身體中的不同器官 - 即使在不同物種之間 - 都已知在差異性發育中使用一套類似的旁分泌因子。這些高度保守的受體和途徑可以基於相似結構分為四個主要家族：成纖維細胞生長因子（FGF）家族，刺蝟家族，Wnt家族，和TGF-β超家族。旁分泌因子與其相應受體的結合啟動信號轉導級聯，引發不同的反應。

## 計算模型

用系統生物學的方法可以更好地幫助我們去理解參與信號通路之間交流的那些組成成分、複雜的配體和受體之間的結合以及動態的信號網路。計算模型通常會將發表了文章中報導的某些信號通路中的元件之間的相互作用整合起來，然後將不同的元件聚到一個大類中，並描述這些元件之間存在的相互作用。計算模型的發展能夠讓我們從全局，更加深入地探究細胞內的信號通路，比如操縱不同的變量和系統地對響應的結果進行評估。

使用分析模型來學習信號轉導已經被廣泛地應用到了藥物學、新藥的發現（評估配體和受體間的相互作用）、藥物代謝動力學以及代謝產物在大尺度網路下的流動。目前被廣泛應用於細胞內信號通路建模的策略是使用常微分方程（ordinary differential equation, ODE）進行建模，比如，在時間尺度上，用公式來表示某一個信號分子的濃度是信號通路內上游或者（和）下游其他的分子的函數。常微分方程模型也已經被廣泛地應用於分裂素激活的蛋白激酶、雌激素受體𝛂和mTOR等信號通路的動力學研究。

## 外部連結

- Signaling Gateway Free summaries of recent research and the Molecule Pages database.
- Protein signaling domains
- NCI-Nature Pathway Interaction Database: authoritative information about signaling pathways in human cells.
- Intercellular+Signaling+Peptides+and+Proteins
- Cell+Communication