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第三章Chapter3细胞信息转导CellularSignalTransduction ThebiochemistryandmolecularbiologydepartmentofHUST 1 细胞通讯 cellcommunication 是体内一部分细胞发出信号 另一部分细胞 targetcell 接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程 细胞间隙连接 gapjunction 膜表面分子直接接触化学信号联系细胞针对外源信息所发生的细胞内生物化学变化及效应的全过程称为信号转导 signaltransduction 2 细胞间隙连接 3 膜表面分子直接接触 4 vessel messenger Targetcell Receptor 化学信号联系 5 6 7 第一节 细胞信号转导概述 TheGeneralInformationofSignalTransduction 8 9 一 细胞外化学信号有可溶性和膜结合型两种形式 生物体可感受任何物理 化学和生物学刺激信号 但最终通过换能途径将各类信号转换为细胞可直接感受的化学信号 chemicalsignaling 化学信号可以是可溶性的 也可以是膜结合形式的 10 一 化学信号通讯存在从简单到复杂的进化过程 化学信号通讯是生物适应环境不断变异 进化的结果 单细胞生物 直接作出反应 多细胞生物 通过细胞间复杂的信号传递系统来传递信息 从而调控机体活动 11 二 可溶性分子信号作用距离不等 多细胞生物与邻近细胞或相对较远距离的细胞之间的信息交流主要是由细胞分泌的可溶性化学物质 蛋白质或小分子有机化合物 完成的 它们作用于周围的或相距较远的同类或他类细胞 靶细胞 调节其功能 这种通讯方式称为化学通讯 12 化学通讯根据体内化学信号分子作用距离 可以将其分为三类 作用距离最远的内分泌 endocrine 系统化学信号 称为激素 属于旁分泌 paracrine 系统的细胞因子 主要作用于周围细胞 有些作用于自身 称为自分泌 autocrine 作用距离最短的是神经元突触内的神经递质 neurotransmitter 13 endocrine paracrine autocrine vessel Fashionofactivation 14 GASMOLECULE 15 化学信号的分类 16 三 细胞表面分子 膜结合型 也是重要的细胞外信号 细胞通过细胞膜表面的蛋白质 糖蛋白 蛋白聚糖与相邻细胞的膜表面分子特异性地识别和相互作用 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 也是一种细胞间直接通讯 细胞与细胞直接相互作用也属于细胞外信号 17 属于这一类通讯的有 相邻细胞间粘附因子的相互作用 T淋巴细胞与B淋巴细胞表面分子的相互作用等 18 二 细胞经由特异性受体接收细胞外信号 受体 receptor 是细胞膜上或细胞内能识别外源化学信号并与之结合的成分 其化学本质是蛋白质 个别糖脂 受体的作用 一是识别外源信号分子 即配体 ligand 二是转换配体信号 使之成为细胞内分子可识别的信号 并传递至其他分子引起细胞应答 一 化学信号通过受体在细胞内转换和传递 19 二 受体既可以位于细胞膜也可以位于细胞内 细胞表面受体细胞内受体 20 存在于细胞质膜上的受体 绝大部分是镶嵌糖蛋白 根据其结构和转换信号的方式又分为三大类 离子通道受体 G蛋白偶联受体和单跨膜受体 酶偶联受体 1 膜受体 membranereceptor 21 1 离子通道受体 cyclicreceptor ligand receptor ionchannelopenorclose ionconcentrationchange 22 23 2 G蛋白偶联受体 guanylatebindingproteincoupledreceptor GPCR 又称七跨膜 螺旋受体 蛇型受体 serpentinereceptor 24 G蛋白 guanylatebindingprotein 是一类和GTP或GDP相结合 位于细胞膜胞浆面的外周蛋白 由 三个亚基组成 有两种构象 非活化型 活化型 25 26 27 两种G蛋白的活性型和非活性型的互变 28 R H AC GDP GTP 腺苷酸环化酶 AC ATP cAMP 29 信息传递过程中的 蛋白 30 此类受体的信息传递可归纳为 31 Catalyticreceptorwithenzymeactivity 受体本身具有酶活性 Noncatalyticreceptorlinkedwithenzyme 受体本身没有酶活性 但偶联酶分子 3 单跨膜受体 Singletransmembrane helixreceptor 酶偶联受体 Enzyme linkedreceptor 32 具有各种催化活性的受体 33 受体含有蛋白酪氨酸激酶 含TPK结构域的受体EGF 表皮生长因子IGF 1 胰岛素样生长因子PDGF 血小板衍生生长因子FGF 成纤维细胞生长因子 34 与配体结合后有酪氨酸蛋白激酶活性 IGF R EGF R 酪氨酸蛋白激酶受体型 自身磷酸化 autophosphorylation 当配体与受体结合后 催化型受体 catalyticreceptor 大多数发生二聚化 二聚体的酪氨酸蛋白激酶 tyrosineproteinkinase TPK 被激活 彼此使对方的某些酪氨酸残基磷酸化 这一过程称为自身磷酸化 35 表皮生长因子受体作用机制 36 单跨膜螺旋受体蛋白的下游常含有 SH2结构域 srchomology2domain 能与酪氨酸残基磷酸化的多肽链结合SH3结构域 srchomology3domain 能与富含脯氨酸的肽段结合PH结构域 pleckstrinhomologydomain 识别具有磷酸化的丝氨酸和苏氨酸的短肽 并能与G蛋白的 复合物结合 还能与带电的磷脂结合 PTB结构域 proteintyrosinebindingdomain 37 38 蛋白酪氨酸激酶偶联受体 39 TGF 的 型和 型受体 受体型蛋白丝 苏氨酸激酶 40 具有鸟嘌呤环化酶活性的受体 具有鸟苷酸环化酶活性的受体结构PKH 激酶样结构域GC 鸟苷酸环化酶结构域 41 受体的结构 2 胞内受体 intracellularreceptor 位于细胞浆和细胞核中的受体 全部为DNA结合蛋白 转录调节蛋白 高度可变区 位于N端 具有转录活性 DNA结合区 含有锌指结构 激素结合区 位于C端 结合激素 热休克蛋白 使受体二聚化 激活转录 铰链区 42 43 相关配体类固醇激素 甲状腺素和维甲酸等 功能多为反式作用因子 当与相应配体结合后 能与DNA的顺式作用元件结合 调节基因转录 44 3 受体与信号分子结合的特性 配体 受体结合曲线 45 4 受体活性的调节Controlofreceptoractivity PhosphorylationordephosphorylationofR受体磷酸化与去磷酸化Phospholipidofmembrane膜磷脂Enzymecatalyzedhydrolysis酶催化水解GproteinregulationG 蛋白调节 46 Recognizethespecialligand识别配体Bindingtospecialligand结合配体Signaltransductionbiologicaleffect信号转导生物学效应 5 受体的功能Functionofreceptor 47 三 细胞内信号分子 Intracellularmolecule 负责信号在胞内传递与转换 Ca2 ions 离子 DG ceramidelipidderivatives 脂类衍生物 IP3carbohydratederivatives 糖衍生物 cAMPcGMPnucleotides 核苷酸 Ras JAK Rafproteins 蛋白质 48 在细胞内传递信息的小分子物质 如 Ca2 DAG IP3 Cer cAMP cGMP 花生四烯酸及其代谢产物等 第二信使 secondarymessenger 49 第二信使的特点 在完整细胞中 该分子的浓度或分布在细胞外信号的作用下发生迅速改变 该分子类似物可模拟细胞外信号的作用 阻断该分子的变化可阻断细胞对外源信号的反应 作为别位效应剂在细胞内有特定的靶蛋白分子 浓度和分布变化 信号转导 50 第三信使 thirdmessenger 负责细胞核内外信息传递的物质 又称为DNA结合蛋白 是一类可与靶基因特异序列结合的核蛋白 能调节基因的转录 如立早基因 immediate earlygene 的编码蛋白质 51 蛋白质作为细胞内信号转导分子 蛋白质分子作为信号转导分子转换和传递信号的原理是发生构象变化 增强或抑制酶类信号转导分子的催化活性 许多分子在构象变化后暴露出潜在的亚细胞定位区域 转位 translocation 至细胞膜或细胞核 募集新的相互作用的蛋白质分子 原有的相互作用分子解离 构象变化主要引起3种效应 52 引起信号转导分子发生构象变化的因素有3种 化学修饰改变蛋白质构象 如磷酸化与去磷酸化 乙酰化 甲基化等 小分子信使作为别位效应剂引起靶分子构象变化 如cAMP激活PKA 蛋白质相互作用可导致信号转导分子构象变化 53 信号转导分子浓度的改变将影响信号传递和细胞应答 信号转导分子的细胞内定位改变也是信号转导调节的重要方式 定位变化既可以是位于细胞质的分子转位至细胞膜 也可以是向细胞核或其它细胞器的转位 从而将信号传递至相应的应答部位 54 1 蛋白激酶 蛋白磷酸酶是信号通路开关分子 酶的磷酸化与脱磷酸化 H2O Pi 磷蛋白磷酸酶 ATP ADP 蛋白激酶 O PO32 磷酸化的酶蛋白 55 蛋白激酶是催化ATP 磷酸基转移至靶蛋白的特定氨基酸残基上的一大类酶 蛋白激酶的分类 56 MAPK的磷酸化与活化示意图 MAPKKK MAPKK MAPK Thr Tyr Thr Tyr P P phosphatase off on MAPK 57 Effectbymembranereceptors Effectbyintracellularreceptors Intracellularmolecules Extracellularmolecules Signalmolecules cAMP cGMP IP3 DG Ca2 proteins Proteinsandpeptides Hormones cytokines Aminoacidderivatives Catecholamines Fattyacidderivatives Prostaglandins Steroidhormones Thyroxine VD3 58 第二信使的产生和再分布信号转导子变构激活或抑制byligandBysecondmessengerByupstreamtransducerbytheinteractionofproteinBycovalentmodification信号转导子转位信号转导子浓度改变信号转导分子复合物的形成或解聚 Basicmannersofsignaltransductionincell信号在细胞内的转换和传递机制 59 在细胞中 各种信号转导分子相互识别 相互作用将信号进行转换和传递 构成信号转导通路 signaltransductionpathway 不同的信号转导通路之间发生交叉调控 crosstalking 形成复杂的信号转导网络 signaltransductionnetwork 系统 信号转导分子signaltransducer 蛋白质 第二信使secondmessenger 小分子活性物质 60 NH2 AAAAA m7G Translation 信号转导网络 细胞信号转导的基本方式示意图 61 第二节 各种受体介导的基本信号转导通路SignalPathwaysMediatedbyDifferentReceptors 62 第一信使 受体的类型 第二信使及产生的机制 信号的跨膜转导 效应分子及生物学效应 胞内信息传递 63 离子通道受体G 蛋白偶联受体单次跨膜受体 细胞内受体 细胞膜受体 受体 64 三种膜受体的特点 65 66 一 细胞内受体多属于转录因子 胞内受体多为转录因子 与相应配体结合后 能与DNA的顺式作用元件结合 在转录水平调节基因表达 配体 类固醇激素 甲状腺素 维甲酸 维生素D等 67 核受体结构及作用机制示意图 68 69 激素反应元件举例 70 71 72 73 二 离子通道型膜受体是化学信号与电信号转换器 离子通道型受体是一类自身为离子通道的受体 它们的开放或关闭直接受化学配体的控制 被称为配体 门控受体通道 ligand gatedreceptorchannel 配体主要为神经递质 74 乙酰胆碱受体的结构与其功能 75 76 离子通道受体信号转导的最终作用是导致了细胞膜电位改变 即通过将化学信号转变成为电信号而影响细胞功能的 离子通道型受体可以是阳离子通道 如乙酰胆碱 谷氨酸和五羟色胺的受体 也可以是阴离子通道 如甘氨酸和 氨基丁酸的受体 77 78 三 G蛋白偶联受体通过G蛋白 第二信使 靶分子发挥作用 79 一 G蛋白的活化启动信号转导 信号转导途径的基本模式 配体 受体 G蛋白 效应分子 第二信使 靶分子 生物学效应 80 G蛋白循环 81 哺乳动物细胞中的G 亚基种类及效应 82 1 AC cAMP PKA通路转导信号 组成 胞外信息分子 受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 cAMP 蛋白激酶A 83 利用AC cAMP PKA转导信号的部分化学信号 84 cAMP ATP AMP 磷酸二酯酶 phosphodiesterase PDE 腺苷酸环化酶 adenylatecyclase AC cAMP的合成与分解 85 萨瑟兰 EarlW Sutherland Jr 1915 11 9 1974 3 9 1971年获诺贝尔生理学和医学奖 86 AC结构 87 活化AC的协同因子GTP 是维持G蛋白活化所必需的成分 Mg2 在G蛋白亚基的解离 G蛋白上GTP与GDP的置换以及AC的催化活性中都起重要的作用 88 2020 1 9 89 AC亚型及调节因素 90 蛋白激酶A是cAMP的靶分子 cAMP作用于cAMP依赖性蛋白激酶 cAMP dependentproteinkinase cAPK 即蛋白激酶A proteinkinaseA PKA PKA活化后 可使多种蛋白质底物的丝氨酸或苏氨酸残基发生磷酸化 改变其活性状态 底物分子包括一些糖 脂代谢相关的酶类 离子通道和某些转录因子 91 PKAstructurePKAholoenzyme R2C2 type andtype Csubunit C C C PKXATPbindingsite catalyticsite substratebindingsiteandautophosphorylationsite 自主磷酸化位点 Rsubunits R R R R dimerizationdomain pseudosubstratedomainandcAMPbindingsite 92 RsubunitofPKA 93 themechanismofPKAactivation 94 PKA底物举例 1 对代谢的调节作用 95 胰高血糖素 受体 胰高血糖素 受体复合物 激活 蛋白 激活AC ATP cAMP PKA HSL 脂肪动员 糖原合成抑制 糖原分解加速 96 受cAMP调控的基因中 在其转录调控区有一共同的DNA序列 TGACGTCA 称为cAMP应答元件 cAMPresponseelement CRE 可与cAMP应答元件结合蛋白 cAMPresponseelementbindingprotein CREB 相互作用而调节此基因的转录 2 对基因表达的调节作用 97 C C 结构基因 CREB CREB 细胞核 DNA 蛋白质 98 99 cAMPsignaltransductionpathway 100 101 cAMPsignalinactivation cAMPspecificPDEMechanismsofcAMPsignalinactivation 1 receptordown regulation受体下调 2 ACinactivationAC失活 degradationbytype PDE 102 PDE超家族 103 影响cAMP水平的胞外信号分子 104 SummaryofcAMP PKApathway1 细胞膜上存在受体 G蛋白 AC 2 胞外的信号被受体接受 通过Gs或Gi传递给AC 使其活化或抑制 3 AC被激活后 产生cAMP cAMP激活PKA 使蛋白质磷酸化 产生细胞反应 代谢调节和基因表达 4 cAMP被PDE水解而信号终止 105 胞外信号 受体 G蛋白 AC cAMP PKA 5 AMP PDE 蛋白质磷酸化 生物学效应 106 2 PLC IP3 DAG PKC通路和PLC IP3 Ca2 CaM PK通路 胞外信息分子 G蛋白 蛋白激酶C proteinkinaseC PKC 磷脂酶C phospholipaseC PLC 甘油二脂 diacylglycerol DAG 三磷酸肌醇 inositol1 4 5triphosphate IP3 PLC IP3 DAG PKC通路组成 107 利用PLC IP3 DG PKC转导信号的部分化学信号 108 DAG IP3的生物合成和功能 PIP2 PLC DAG IP 109 PLC 肌醇磷脂的水解 PO4 PO4 PI PIP PIP2 110 PI3K参与三种肌醇磷脂相互间的转变 PI3K PI PI 3 P PI4K PI 4 P PI3K PI 3 4 P2 PI4K PI 4 5 P2 PIPK PI3K PI 3 4 5 P3 111 磷脂酶和磷脂酰肌醇激酶催化脂类第二信使的生成 112 DAG IP3的功能 DAG 在磷脂酰丝氨酸和Ca2 协同下激活PKC IP3 与内质网和肌浆网上的受体结合 促使细胞内Ca2 释放 113 钙离子在细胞中的分布具有明显的区域特征 细胞外液游离钙浓度高 1 12 1 23mmol L 细胞内液的钙离子含量很低 且90 以上储存于细胞内钙库 内质网和线粒体内 胞液中游离Ca2 的含量极少 基础浓度只有0 01 0 1mol L 114 导致胞液游离Ca2 浓度升高的反应有两种 一是细胞质膜钙通道开放 引起钙内流 二是细胞内钙库膜上的钙通道开放 引起钙释放 胞液Ca2 可以再经由细胞质膜及钙库膜上的钙泵 Ca2 ATP酶 返回细胞外或胞内钙库 以消耗能量的方式维持细胞质内的低钙状态 115 H R PIP2 Gprotein PLC IP3 DG ER PKC Ca2 PS Biologicaleffects PhosphorylationofEsorfunctionalproteins 116 催化结构域 Ca2 DAG 磷脂酰丝氨酸 调 节 结 构 域 催化结构域 底物 Ca2 DAG 磷脂酰丝氨酸 调节结构域 假底物结合区 DAC活化PKC的作用机制示意图 117 调节基因表达 PKC对基因的活化分为早期反应和晚期反应 PKC的生理功能 调节代谢 活化的PKC引起一系列靶蛋白的丝 苏氨酸残基磷酸化 靶蛋白包括 质膜受体 膜蛋白和多种酶 118 PKC对基因的早期活化和晚期活化 119 受体 G蛋白 PLC IP3 Ca2 钙调蛋白 CaM激酶 钙调蛋白 calmodulin CaM 有四个Ca2 结合位点 与Ca2 一起激活CaM激酶 磷酸化多种功能蛋白质 丝 苏氨基酸残基 组成 PLC IP3 Ca2 CaM PK通路 120 H R Gprotein PLC IP3 Ca2 CaM CaMK Biologicaleffects PhosphorylationofEsorfunctionalproteins 121 122 123 四 单跨膜受体依赖酶的催化作用传递信号 酶偶联受体指那些自身具有酶活性 或者自身没有酶活性 但与酶分子结合存在的一类受体 这些受体大多为只有1个跨膜区段的糖蛋白 亦称为单跨膜受体 酶偶联受体种类繁多 但是以具有PTK活性和与PTK偶联的受体居多 酶偶联受体大部分是生长因子和细胞因子的受体 它们所介导的信号转导通路主要是那些调节蛋白质的功能和表达水平 调节细胞增殖和分化 124 1 cGMPresearchhistory1963年Goldberg在大鼠尿中发现cGMP 几年后发现GC 1970年发现PKG 1977年发现NO可激活GC而使cGMP升高 近年发现尿钠肽可激活cGMP信号通路 1 GC cGMP PKG通路 125 Biologicaleffects PhosphorylationofEsorfunctionalproteins ANP NO CO SolubleGC PKG cGMP Receptor linkedGC GC cGMP PKG通路 126 2 cGMPproductionanddegradation1 cGMPproduction GCGC有两类 可溶性GC solubleGC sGC 膜结合GC membraneGC mGC或ParticulateGC pGC 127 mGC种类及功能 128 NO合酶介导NO生成 NO合酶 胍氨酸 精氨酸 NO 129 三种形式的NO合酶 nitricoxidesynthase NOS 组成型NOS cNOS 可诱导型NOS iNOS NOS NOS NOS 130 NOS 主要分布于外周神经 中枢神经系统和肾 致密斑和髓质内集合管 其中外周神经主要为非肾上腺能 非胆碱能神经和肾上腺能神经末梢 NOS 分布最广泛 包括肝细胞 心肌细胞 血管平滑肌细胞 免疫细胞 成纤维细胞等 NOS 的分布于内皮细胞 心肌细胞和脑 131 钙调蛋白是NOS的主要调节分子 3种NOS均含有钙调节蛋白结合位点 凡是引起细胞内Ca2 升高的信号均有可能作用于NOS 132 2 cGMPdegradation PDE分解cGMP的PDE有1 2 5 6亚型 特别是PDE 6 3 targetmoleculesofcGMP 133 PKG在多数细胞中 cGMP作用的主要靶分子是PKG 哺乳动物中有三种PKG PKG PKG 为可溶性蛋白 PKG 为膜结合蛋白 134 PKGbelongstoSer Thrproteinkinasefamilyandhasthreedomains N terminaldomain leuzipmotif self inhibitionregionandtargetingbindingregionRegulationdomain twocGMPbindingsitesCatalyticdomain 135 cGMP激活PKG示意图 136 PKG作用的底物底物磷酸化位点的共有序列为RKXS T或KRKKS T 底物种类 环化核苷酸信号 细胞骨架相关肽 钙信号调节蛋白 离子通道及GTP结合蛋白等 137 138 cGMP可通过激活PDE 2或抑制PDE 3来调节cAMP的浓度及cAMP PKA信号通路 139 4 cGMP调节的生理功能1 cGMP在视觉信号转导中的作用 140 视觉信号转导途径 光信号 Rh激活 Gt活化 cGMP PDE激活 胞内cGMP减少 Na Ca2 离子通道关闭 Na Ca2 离子浓度下降 膜超极化 神经递质释放减少 视觉反应 141 2 NO cGMP PKG信号通路调节平滑肌舒张 NO sGC cGMP 血管舒张 血小板凝集 神经传导 142 NO 143 3 cGMP对神经系统功能的调节PKG参与了复杂的中枢神经系统调节过程 GABAA受体是由 亚基构成的四聚体 在控制神经元兴奋性与高级神经功能中具有重要作用 其 亚基受PKG磷酸化 使GABAA受体功能降低 144 4 cGMP PKG 信号调节的生理过程 肠分泌 肾素释放与骨生长肠分泌 Sta或guanylin 肠黏膜上的GC cGMP升高 PKG CFTR磷酸化 水 Na Cl HCO3 等离子分泌增加 NO可调节肾素释放 BNP可调节骨生长 145 2 受体型TPK ras MAPK途径 Grb2 growthfactorreceptorbindingprotein2 SH2域 srchomology2domain 细胞内某些连接物蛋白共有的氨基酸序列 与原癌基因src编码的酪氨酸蛋白激酶区同源 该区域能识别磷酸化的酪氨酸残基并与之结合 组成 催化性受体 Grb2 SOS Ras蛋白 Raf蛋白 MAPK系统 146 SOS GEF guanosineexchangefactor 富含脯氨酸 可与SH3结合 促使Ras的GDP换成GTP Ras蛋白 原癌基因产物 类似与G蛋白的G 亚基 Raf蛋白 具有丝 苏氨酸蛋白激酶活性 MAPK系统 mitogen activatedproteinkinase 包括MAPK MAPK激酶 MAPKK MAPKK激酶 MAPKKK 是一组酶兼底物的蛋白分子 147 表皮生长因子受体作用机制 148 RTK的激活和信号转导的一般模式 受体与配体结合 受体构象改变 二聚化 胞浆段内的PTK域激活 自身磷酸化 募集接头分子 149 150 151 Ras 152 2 JAKs STATpathway ligand nonTPKreceptor JAKs STAT geneexpression 153 JAK与其他PTK有什么不同 不同之处是有两个激酶域 所以又被重新命名为 Januskinase Janus是古罗马的双面神 2个激酶域中JH1域具有激酶活性 JH2虽然与激酶域高度同源 但缺少几个关键氨基酸 所以没有酶活性 可能起调节作用 154 JH1是激酶域 Kinasedomain KD JH2是假激酶域 pseudokinasedomain PKD JH3与SH2同源N 端的JH4 7是组成FERM域 具有结合受体胞浆段的疏水性 螺旋区的作用 JAKs 155 WhatisSTAT STAT SignalTransducersandActivatorsofTranscription 信号转导及转录活化子 是JAK的底物 哺乳动物已发现由7个STAT基因编码 STAT1 2 3 4 5a 5b及6 其结构高度保守 156 STAT的结构及其作用 STATs类似其他转录因子 已确定有5个结构域 N端的N域 ND 在二聚体与二聚体相互作用中起作用 卷曲 卷曲域负责蛋白质间相互作用 DNA结合域 TAD是转录活化域 SH2域与受体结合及二聚化 Y S代表可磷酸化的酪氨酸及丝氨酸 157 DimerizationofReceptor Interferon AutophosphorylationofJAK PhosphorylationofSTAT NucleartranslocationofSTAT Interferonresponseelement Expressionofgene 158 白介素介导的信号转导通路 159 4 NF Bpathway 160 161 5 TGF pathway 162 五 细胞信号转导过程的特点和规律 对于外源信息的反应信号的发生和终止十分迅速 信号转导过程是多级酶反应 具有级联放大效应 细胞信号转导系统具有一定的通用性 不同信号转导通路之间存在广