第二十一章 细胞通讯与细胞信号转导的分子机理
Cell Communication and Cell Signal Transduction
高等生物所处的环境无时无刻不在变化，机体功能上的协调统一要求有一个完善的细胞间相互识别、相互反应和相互作用的机制，这一机制可以称作细胞通讯(Cell Communication)。在这一系统中，细胞或者识别与之相接触的细胞，或者识别周围环境中存在的各种信号(来自于周围或远距离的细胞)，并将其转变为细胞内各种分子功能上的变化，从而改变细胞内的某些代谢过程，影响细胞的生长速度，甚至诱导细胞的死亡。这种针对外源性信号所发生的各种分子活性的变化，以及将这种变化依次传递至效应分子，以改变细胞功能的过程称为信号转导(Signal Transduction)，其最终目的是使机体在整体上对外界环境的变化发生最为适宜的反应。在物质代谢调节一章中曾涉及到神经－内分泌系统对代谢途径在整体水平上的调节，其实质就是机体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞接收信号并将其转变为细胞功能上的变化的过程。所以，阐明细胞信号转导的机理就意味着认清细胞在整个生命过程中的增殖、分化、代谢及死亡等诸方面的表现和调控方式，进而理解机体生长、发育和代谢的调控机理。近年来，随着分子生物学技术手段的改进，人们对细胞内信号转导机理的认识也日益深入。现已知道，细胞内存在着多种信号转导方式和途径，各种方式和途径间又有多个层次的交叉调控，是一个十分复杂的网络系统。科学家们相信，将来他们会绘制出一个类似于代谢网络图的细胞信号传递的网络图，不过这个网络图可能较代谢图更为复杂。
第一节 细胞通讯方式
单细胞生物仅与环境交换信息，高等生物则根据自然需求进化出一套精细的调控通讯系统，以保持所有细胞行为的协调统一。细胞间主要以如下三种方式进行联络(图21-1)。
图21-1 三种细胞通讯的基本方式
(一)细胞间隙连接
细胞间隙连接(Gap Junction)是一种细胞间的直接通讯方式。两个相邻的细胞间存在着一种特殊的由蛋白质构成的结构－连接子(Connexon)，其结构见图21-2和图21-3。连接子两端分别嵌入两个相邻的细胞，形成一个亲水性孔道。这种孔道允许两个细胞间自由交换分子量为1500道尔顿以下的水溶性分子。这种直接交换的意义在于，相邻的细胞可以共享小分子物质，因此可以快速和可逆地促进相邻细胞对外界信号的协同反应。
连接子为一个多基因家庭，现已发现12个成员。在肿瘤生长和创伤愈合等过程中都观察到某些类型连接子表达的变化。因此，连接子可能对细胞的生长、分化、定位及细胞形态的维持具有重要意义。
(二)膜表面分子接触通讯
每个细胞都有众多的分子分布于膜的外表面。这些分子或为蛋白质，或为糖蛋白。这些表面分子作为细胞的触角，可以与相邻细胞的膜表面分子特异性地相互识别和相互作用，以达到功能上的相互协调。这种细胞通讯方式称为膜表面分子接触通讯(Contact signaling by plasmamembranebound molecules)。膜表面分子接触通讯也属于细胞间的直接通讯，最为典型的例子是T淋巴细胞与B淋巴细胞的相互作用(图21－4)。
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图21-2 间隙连接功能示意图，荧光标记
的不同大小的分子注入细胞后，依靠间隙
连接进入另外一个细胞，图中数字表示分子量。 |
图21-3 间隙连接结构示意图 |
图21-4 膜表面分子接触通讯举例
图21-5 化学信号的三种形式
(三)化学通讯
细胞可以分泌一些化学物质－蛋白质或小分子有机化合物至细胞外，这些化学物质作为化学信号(chemical signaling)作用于其它的细胞(靶细胞)，调节其功能，这种通讯方式称为化学通讯。化学通讯是间接的细胞通讯，即细胞间的相互联系不再需要它们之间的直接接触，而是以化学信号为介质来介导的。根据化学信号分子可以作用的距离范围，将其分为三类(图21－5)。
1.内分泌(endocrine)系统以激素为主，它们是由内分泌器官分泌的化学信号，并随血流作用于全身靶器官。
图21-6 水溶性和脂溶性化学信号的转导
2.旁分泌(paracrine)系统以细胞因子为主，它们主要作用于局部的细胞，作用距离以毫米计算。
3.自分泌(autocrine)系统神经介质为主，其作用局限于突触内，作用距离在100nm以内。
化学信号还可以根据其溶解性分为脂溶性化学信号和水溶性化学信号两大类。所有的化学号都必须通过与受体结合方可发挥作用，水溶性化学信号不能进入细胞，其受体位于细胞外表面。脂溶性化学信号可以通过膜脂双层结构进入胞内，其受体位于胞浆或胞核内(图21－6)。下面分别介绍这两种受体转导生物信号的特点。