细胞信号传导是细胞与环境以及细胞彼此沟通以协调生长、代谢、分化和凋亡的基本过程。信号转导通过一系列分子事件将细胞外信号转化为细胞内反应。

细胞信号传导类型

内分泌信号涉及分泌到血液中作用于远处靶细胞的激素，例如胰岛素、甲状腺激素和皮质醇。旁分泌信号涉及作用于附近细胞的信号分子，例如突触处的神经递质、组织发育中的生长因子和炎症细胞因子。在自分泌信号中，细胞对其自身产生的信号做出反应，这在免疫反应和产生自身生长因子的癌细胞中很常见。近分泌信号传导涉及通过膜结合配体和受体的直接细胞与细胞接触（例如，Notch-Delta 信号传导和整合素介导的粘附）。通过间隙连接的接触依赖性信号传导允许小信号分子（cAMP、IP₃、离子）在相邻细胞之间直接通过。

信号分子和受体

信号分子（配体）包括蛋白质（生长因子、细胞因子、激素）、肽、氨基酸衍生物（肾上腺素、甲状腺素）、类固醇（雌激素、睾酮）、气体（NO、CO）和脂质（前列腺素）。受体类型包括G蛋白偶联受体(GPCR)、受体酪氨酸激酶(RTK)、离子通道偶联受体和细胞内受体(核激素受体)。受体-配体结合是特异性的、可逆的，并以亲和力（Kd）为特征；结合诱导构象变化，从而启动细胞内信号传导。

G 蛋白偶联受体 (GPCR)

GPCR 是与异源三聚体 G 蛋白（α、β、γ 亚基）偶联的七次跨膜结构域受体，是拥有 800 多个成员的最大受体家族。配体结合激活 G 蛋白：GDP 在 α 亚基上交换为 GTP，后者与 β-γ 解离并调节效应酶。主要效应器包括腺苷酸环化酶（cAMP 产生）、磷脂酶 C（IP₃ 和 DAG 产生）和离子通道。第二信使包括 cAMP（激活 PKA）、IP₃（从 ER 释放 Ca²⁺）、DAG（激活 PKC）和 Ca²⁺（激活钙调蛋白和 CaM 激酶）。信号终止是通过 α 亚基 (GTPase) 水解 GTP、GRK 介导的磷酸化和 β-arrestin 结合使受体脱敏以及磷酸二酯酶降解 cAMP 来实现的。

受体酪氨酸激酶 (RTK)

RTK 是具有内在酪氨酸激酶活性的单次跨膜受体，例如胰岛素受体、EGF 受体、PDGF 受体和 VEGF 受体。配体结合诱导受体二聚化和细胞质结构域中酪氨酸残基的自磷酸化。磷酸化酪氨酸可作为含有 SH2 结构域的蛋白质的对接位点，包括 Ras-GEF (SOS)、PI3K 和 PLC-γ。 Ras-MAPK 级联涉及 SOS 激活 Ras（一种 GTP 酶），Ras 招募 Raf (MAPKKK)，Raf (MAPKKK) 磷酸化 MEK (MAPKK)，Raf 磷酸化 ERK (MAPK)，最终调节 Elk-1、c-Myc 和 c-Fos 等转录因子。 PI3K-Akt 通路涉及 PI3K 生成 PIP₃，后者招募 PDK1 和 Akt； Akt 促进细胞存活（抑制 Bad、Caspase-9）、新陈代谢（激活 mTOR）和生长。

细胞内受体

核激素受体是配体激活的转录因子，包括类固醇激素受体（糖皮质激素、雌激素、孕激素、雄激素）和甲状腺激素受体。亲脂性激素穿过质膜并结合细胞质或核受体，诱导暴露 DNA 结合域的构象变化。然后受体-激素复合物易位到细胞核，结合 DNA 中的激素反应元件 (HRE)，并招募共激活子或共抑制子来调节转录。

离子通道耦合受体

烟碱乙酰胆碱受体是一种配体门控离子通道，在乙酰胆碱结合时打开，允许神经肌肉接头中 Na+ 流入和膜去极化。 GABA-A 受体是配体门控的 Cl- 通道和主要的抑制性神经递质受体，是苯二氮卓类药物和巴比妥类药物的靶标。与 GPCR 和 RTK 信号传导（秒到分钟）相反，离子通道介导快速突触传递（毫秒）。

信号放大和集成

信号放大发生在多个水平：单个配体-受体复合物可以激活许多G蛋白，每个腺苷酸环化酶产生许多cAMP分子，每个PKA磷酸化许多靶蛋白。信号整合反映了细胞同时接收多个信号的事实，整合反应取决于激活和抑制途径的平衡（例如胰岛素与胰高血糖素、生长因子与肿瘤抑制因子）。不同信号通路之间的串扰很常见，例如，PKA 可以磷酸化并抑制 Raf，从而连接 GPCR 和 RTK 信号传导。支架蛋白将信号成分组织成复合物，提高效率和特异性（例如 KSR 支架 Raf-MEK-ERK）。

疾病失调

RTK 的组成性激活（例如肺癌中的突变 EGFR 和乳腺癌中的 HER2 扩增）会导致不受控制的增殖。 GPCR 突变可导致甲状腺功能亢进症中 TSH 受体的组成性激活或色素性视网膜炎中视紫红质的功能丧失。 Ras 突变（G12V、G13D）将 Ras 锁定在 GTP 结合的活性状态，并存在于 30% 的人类癌症（胰腺癌、结直肠癌、肺癌）中。 PI3K-Akt 通路过度激活在癌症中很常见，原因是 PTEN 缺失、PIK3CA 突变或 Akt 扩增。