细胞信号转导( cellular signal transduction)是指细胞外信号分子通过与细胞膜上的受体(膜受体或核受体)结合，引发细胞内的一系列信号级联以及蛋白间相互作用，经过复杂的信号转导系统最终转换为细胞所需要的生物学效应。现已明确，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。

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这就要求生物体要具有一个快速、协调统一、完善的细胞间相互识别、相互反应和相互作用的机制。信号转导途径恰恰具有对环境中的信号分子瞬时识别性、胞内信号转导的连贯性和协调性、作用的特异性和效应的持久等特性，这些特性能够使细胞快速的做出增殖、分化、代谢及死亡等生物学效应，最终使机体适应外界环境的变化。所以，研究细胞信号转导的机制对于理解机体生长、发育和代谢的调控过程十分重要。

干细胞是一类具有自我更新和复制能力的多潜能细胞，在特定诱导条件下，可以分化成多种功能细胞，再生成肌肉、肝脏、血管、脂肪、心血管等人体结构性组织。随着研究深入，可以先将干细胞分化成特定类型的功能细胞(如心肌细胞、胰岛细胞、神经细胞等)，再将这些细胞移植到患者体内，替代或有助于损伤的组织实现再生出新的组织，这就是干细胞的再生分化。目前，国内外研究人员以实现人工再生神经、角膜和皮肤等结构性简单的组织，但是对于结构和功能复杂的大组织器官(如心脏、肝脏和肾脏等)的再生研究尚且十分缓慢。对于认识和掌握这些多功能和多结构的组织器官的生长、分化、发育和代谢机制需要经历大量的研究和漫长时间验证，因而实现大器官组织再生任重道远。所以研究和认识复杂的信号转导同样是解决组织再生分化的必要手段和途径。

细胞内主要细胞信号转导主要有四条途径: G蛋白介导的细胞信号转导途径、酪氨酸蛋白激酶介导的信号转导途径、鸟苷酸环化酶信号转导途径和核受体及其信号转导途径。

G蛋白是指可与鸟嘌呤核苷酸可逆性结合具有GTP酶活性的蛋白质家族，由α、β、γ三个亚基以非共价键形式组成异三聚体。G蛋白有两种构象，α与β、γ三个亚基共同存在并结合GDP，此时G蛋白处于非活化状态;当α亚基与GTP结合时构象改变使β、γ亚基脱离，此为活化状态。G蛋白偶联的信号转导系统由G蛋白偶联受体( G protein coupling receptor，GPCR)，G蛋白和效应器组成，通过信号级联引起胞内相应的生物学效应。目前发现的GPCR已达2000多种，是一类重要的细胞表面受体，它们在结构上的共同特征都是一个跨膜7次的单链多肽，通过7次跨膜受体接受并转导信号。当GPCR接受外界信号刺激(如生长因子、多肽、神经递质、激素、小分子化合物等)，α亚基上的GDP被GTP取代导致其与βγ亚基分开，形成GTP-Gα亚基和Gβγ两部分，随后分别作用于效应器，产生细胞内信号，从而引起细胞的各种反应。当Gα亚基上的GTP酶水解GTP成GDP，α与β、γ亚基再次形成无活性的异聚体，终止G蛋白介导的信号转导途径。

研究发现根据G蛋白α亚基的不同可将G蛋白分为Gs、Gi、Gp和Go四大亚族，他们通过与不同的受体结合产生不同的作用。根据G蛋白的主要效应器不同分成以下几种途径:腺苷酸环化酶途径( adenylyl cyclase，AC)、三磷酸肌醇途径( IP ₃) -钙调蛋白( CaM)和二酯酰甘油( DAG) -蛋白激酶C( PKC)途径。Gs 和Gi蛋白分别激活和抑制G蛋白介导的腺苷酸环化酶途径，在cAMP系统中发挥重要调控作用。Gp和Go分别促进和抑制质膜上的磷脂酶C( PLCβ)水解磷脂酰肌醇水解成1，4，5-三磷酸肌醇( IP ₃)和二酯酰甘油( DAG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号进一步发挥作用。

当GCRP受到信号刺激时，G蛋白α亚基结合GTP与腺苷酸环化酶结合使之活化，并将ATP转化为cAMP，通过不同类型的G蛋白增加或抑制AC活性，进而调节细胞内的cAMP浓度发挥相应生物效应。多肽，蛋白质类及儿茶酚胺激素如胰高血糖素、肾上腺激素和促肾上腺皮质激素等通过Gs蛋白介导腺苷酸环化酶途径，增加AC活性上调细胞内cAMP浓度，可激活蛋白酶A( PKA)通过磷酸化下游靶蛋白调节其活性。然而，生长素抑素、胰岛素和血管扩张素等可通过与Gi蛋白偶联，经抑制AC活性减少胞内cAMP浓度。

不以cAMP为第二信使细胞外信号与GCRP结合，首先激活细胞膜上磷脂酶C( PLCβ)水解4，5-二磷酸磷脂酰肌醇释出1，4，5-三磷酸肌醇( IP ₃)，IP3促使内质网或肌质网内储存的Ca ²⁺释放，进而激活相应的钙调蛋白( CaM)系统，引起细胞的各种生理效应。像这样的激素包括内皮激素、α ₁肾上腺素，血管紧张素等。

二酯酰甘油DAG是4，5-二磷酸磷脂酰肌醇( PIP ₂)水解的另一产物，可以与蛋白激酶C( PKC)协同作用，在降血脂和减少内脏脂肪等方面发挥重要作用。

酪氨酸蛋白激酶( tyrosine protein kinase，TPK)是一类催化ATP上γ-磷酸转移到蛋白酪氨酸残基上的激酶，能催化多种底物蛋白质酪氨酸残基磷酸化，在细胞生长、增殖、分化中具有重要作用。

蛋白酪氨酸激酶是一类具有酪氨酸激酶活性的蛋白质，它们能催化ATP分子上的γ-磷酸基转移到底物蛋白的酪氨酸残基上，使其发生磷酸化。酪氨酸激酶分为受体型( receptor tyrosin kinase，RTK)和非受体型( non-receptor tyrosin kinase，nRTKs)两种。受体酪氨酸激酶是一种单次跨膜蛋白，目前至少已有近六十种分属20个家族的受体酪氨酸激酶被识别。根据其细胞外区域结构的不同，该类受体主要分为以下几类:表皮生长因子受体( epidermal growth factor receptor，EGFR)家族、血管内皮生长因子受体( vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR)家族、血小板衍生生长因子受体( plateletderivedgrowthfactor receptor，PDGFR)家族、成纤维细胞生长因子受体( fibroblast growth factor receptor，FGFR)家族和胰岛素受体( insulinlike growth factor receptor，IGFR)家族。此外，受体酪氨酸酶激酶还包括干细胞生长因子受体( hepatocyet growth factor receptor，HGFR)、神经细胞生长因子受体( nerve growth factor receptor，HGFR)、TRK( tropmyosin related kinase receptor)和Tie受体等。不同的受体酪氨酸激酶和配体结合后，受体自身发生二聚化或结构重排，并进一步使受体胞内区特异的酪氨酸残基发生自身磷酸化或交叉磷酸化，从而激活下游的信号转导通路。它们在信号由胞外转导至胞内的过程中发挥重要的作用。

细胞外配体如EGF、VEGF、PDGF、FGF等与受体结合，触发受体的同源或异源二聚复合物的形成，激活RTKs使其发生自身磷酸化，从而再激活下游的信号分子。RTKs的主要信号转导包括Ras( retrovirus associated DNA sequences) /Raf( rapidly accelerated fibrosarcoma) /丝裂原活化蛋白激酶( mitogen activated protein kinase，MAPK)途径、磷脂酰肌醇激酶( Phosphatidylinositol3-Kinase，PI3K) /Akt( protein kinase B，PKB)途径和磷脂酶Cγ( phospholipase Cγ，PLCγ) /蛋白激酶C( protein kinase C，PKC)途径。

Ras/Raf/MAPK途径主要是调控细胞增殖和细胞生存过程。Ras蛋白是ras基因的表达产物。Ras蛋白具有GTPase活性，结合GTP时为活化状态，结合GDP时处于失活状态，与G蛋白偶联受体相似发挥分子开关的作用，是RTK介导信号通路中的一种关键组分。当配体与酪氨酸激酶受体结合，酪氨酸蛋白激酶发挥活性使受体自身磷酸化，受体磷酸化后与接头蛋白如生长因子受体结合蛋白( growth factor receptor binding protein，Grb)的Src同源结构域2( Src homology domains2，SH2)结合，Grb 的Src同源结构域3( Src homology domains3，SH3)结构域与下游的G蛋白交换因子结合，从细胞质中募集Ras-GDP转移至细胞膜，使之转化成活性的Ras-GTP，Ras依次再激活Raf( MAP kinase kinase kinase，MAPKKK)、MEK( MAP kinase kinases，MAPKK)和MAPKs如细胞外信号调节激酶( extracellular signal regulated kinase，ERK)、JNK( JunN-erminal kinase)等，活化的MAPKs进入细胞核通过磷酸化作用激活转录因子(如Elk1、Etsl、c-Myc等)，从而干扰细胞周期和细胞转化过程。

　PI3K/Akt途径涉及细胞生长、凋亡抑制、侵袭和转移过程，起着与Ras/Raf/MAPK途径同等重要的作用。PI3K是由调节亚基p85和催化亚基p110组成的异源二聚体。RTKs磷酸化后，与p85的SH2结构域结合，而把p85-p110复合物聚集到细胞膜上并使之激活，活化的PI3K促使磷脂酰肌醇二磷酸酯( PIP ₂)转化成磷脂酰肌醇三磷酸酯( IP ₃)。IP ₃作为第二信使激活下游的蛋白如Akt等; RTKs还可以通过Ras途径激活PI3K/Akt通路。Akt转移至细胞核，通过磷酸化调控多种转录因子(如NF-κB、Bcl-2等)，从而抑制凋亡基因的表达; Akt还能磷酸化糖原合成激酶-3( glycogen synthase kinase3，GSK-3)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白( mammalian target of rapamycin，mTOR)，从而上调细胞周期蛋白D( CyclinD)，以及磷酸化一系列抑制蛋白(如p21CIP1和p27KIP1)，引起细胞周期变短，从而导致肿瘤发生。

　PLCγ是磷脂酶C的异构体，它的783位酪氨酸被磷酸化就能够水解PIP2为IP3和DAG。所以，它的作用与PI3K正好相反。IP3和DAG作为重要的第二信使分别介导钙离子从钙库释放和激活PKC。

非受体酪氨酸激酶是一种胞质蛋白，它们没有细胞外结构，通常与细胞膜偶联或存在于胞质中。现已经确认的约30种，分为10大家族。细胞生存和增殖相关的nRTKs有Src激酶家族( Srcfamily kinases，SFKs)和其他酪氨酸激酶如Jak，FAK( focal adhesion kinase)，Ack，Fes，Rak，Brk等。nRTKs在细胞增殖、分化和死亡调控中起不同的作用，有些广泛表达，有些则只在特异组织中表达。在肿瘤组织中nRTKs常被激活，再激活下游的信号转导途径，促进细胞增殖、抵抗细胞凋亡，促使肿瘤发生和发展。

蛋白酪氨酸激酶在细胞信号转导通路中占据十分重要的作用，调节细胞生长、分化、死亡等一系列生理生化过程。蛋白酪氨酸激酶功能失调则引发生物体内一系列疾病。

鸟苷酸环化酶( GC)信号转导途径存在于心血管系统和脑内，一氧化氮( NO)激活胞质可溶性GC，心钠素及脑钠素激活膜颗粒性GC，增加cGMP生成，再经激活蛋白激酶G( PKG)磷酸化靶蛋白发挥生物学作用。

细胞内受体分布于胞质或核内，本质上都是配体调控的转录因子，均在核内启动信号转导并影响基因转录，故统称为核受体( nuclear receptor)。根据核受体的结构与功能可将其分为:类固醇激素受体家族包括糖皮质激素、盐皮质激素、性激素受体等;类固醇激素受体(除雌激素受体位于核内)位于胞质，未与配体结合前与热休克蛋白( HSP)结合存在，处于非活化状态。配体与受体的结合使HSP与受体解离，暴露DNA结合区。激活的受体二聚化并转移入核，与DNA上的激活反应元件( HRE)相结合或与其他转录因子相互作用，增强或抑制靶基因转录。甲状腺素受体家族包括甲状腺素、维生素D和维A酸受体等;此类受体位于核内，不与HSP结合，多以同源或异源二聚体的形式与DNA或其他蛋白质结合，配体入核后与受体结合后，激活受体并经HRE调节基因转录。