- 通路就是基础研究的信号通路，或者信号转导途径signaling pathway/signal transduction
- 基础研究中的通路，意义已经大大拓展了，不限定于胞外到胞内，只要信息从一个分子到下一个分子，就叫pathway，这种感觉就像长城上的烽火台
- 通路的本质还是分子这个变量，但不是一个分子，而是一组已知的明星分子的集合，而且这些明星分子间，还有文献报道的确定的信号转导上下游关系
- 分子是一个个单独的个体，而通路是一个原始的部落，如果要征服部落，征服首领或几个强壮的战士就可以了，每个通路都有代表性的biomarkers，看到它们就能想起它们的出身（代表的信号通路）
在一个研究项目里，有且只有一个主变量，其他的都是次要的变量
- 主变量用来承担创新任务，次要变量为了说明作用机制存在
- 次要变量和主变量之间总是存在着某种调控关系，是随着主变量变化而变
- 主变量一篇文章只有一个，识别了它能解开许多逻辑上的难点
- 因变量上下游可以有好多个，它们之间不会相互独立，总是和主变量构成信号传导的链条
信号通路具有整体性
- 这一类多变量信号转导的研究，是基础科研的主流，大量的链条构成网络，网络中最经典的分子集合，上下游有调控关系的，参与各种生物学功能过程比较多的，就逐渐形成了pathway的概念
- 通路里的分子，曾经也是各种研究中的变量分子，随着研究的深入，一群分子的关系得到公认，形成了所谓的明星分子，这个偶像团队就有了一个新名字，以团队的身份出现在科研界，就成了所谓的pathway
- 偶尔团队中的部分成员会自己出单曲，也就是还有人把这些明星分子当成文章的主变量去研究，这种情况下它们还是变量分子
- 但绝大多数情况下，粉丝们追的是整个团，哪怕一个团中偶尔有更换的团员，也不影响团队的整体性
三大变量：药物、分子、通路
- 分子是全能的：长期占领各大杂志的版面
- 药物偏爱做主角：非主角不演；唯一分子做主变量，药物做因变量的耐药机制研究，我们还可以把耐药看成一种表型，把加药看作表型相对于模型的一部份，这样就和单变量的分子研究没有差别了
- 通路：天生用来做机制的，属于万年配角
通路变量的基本常识
- 人体自身的信号转导主要依赖生物信号，包括来自内分泌系统的激素，来自神经系统的神经递质，和旁分泌/自分泌的各种细胞因子
- 激素的作用时间长，作用是全身性的，效应浓度很低
- 神经递质的作用时间短，是局部作用，反应浓度很高
- 细胞因子的作用介于两者之间
- 信号作用于细胞产生的五种常见结局
- 狭义的信号通路，是指能把细胞外的分子信号，经过细胞膜， 传入细胞内发挥效应的，一系列酶促反应通路
- 配体ligand（第一信使）和受体receptor：细胞外的信号分子（激素，生长因子，细胞因子，神经递质和其他的小分子化合物）；配体结合到细胞膜上/细胞内的受体后，细胞内的一系列蛋白会依次对下游的蛋白活性进行调节，包括激活或者抑制，从而将外界信号逐步放大，最终产生综合性的细胞应答
- 可以表现在基因表达的调节，细胞内酶活性的变化，细胞骨架构型改变，DNA合成改变等不同的效应
- 这些变化当然不局限于由一种信号引起，可以由多种不同的信号组合，产生不同的反应
- 经典的信号模型里，信号分子是多肽，没办法直接穿过细胞膜，只能和细胞膜上的受体结合，受体大部份是跨膜蛋白，通过结合配体后的构象变化，把信号从细胞外的domain传到细胞内的domain，然后再和下一级的受体相作用，通过磷酸化的修饰等把信号往下传
- 执行磷酸化修饰的是信号通路的第二个元件：蛋白激酶，把ATP的磷酸基转移到某个蛋白的某个特定的氨基酸残基上去，从而快速改变下游蛋白的构象
- 酪氨酸激酶：催化亚基可以识别特定的酪氨酸残基，比较经典的是生长因子受体
- 丝氨酸/苏氨酸激酶，各自有不同的亚型：典型的像MAPK
- 在很多通路中，表示分子功能的特异性标志是磷酸化，这种磷酸化是可以被特异性的抗体检测到的，所以做通路的研究，常见数据呈现形式是用wb检测信号通路蛋白和磷酸化蛋白的表达量，来表示通路收到影响的情况
- 转录因子（第三信使）：对基因转录有调节作用的蛋白，细胞对大部份信号通路的反应，最终都会体现在对基因转录的调节上，也就是蛋白与DNA相互识别和作用
- 转录因子可以调控一系列下游蛋白的表达，像开关一样
- 信号通路经典的分子类型
- 信号通路很复杂，医生做科研不用把所有通路都背下来，但是一些明星通路还是药有所了解的，尤其是通路中的明星分子成员
- 信号通路是有两类命名方式的，分别是以关键分子命名和以表型命名，后者与表型有明确的关系，依附在表型的关系下，更多可以看作是分子标记，也就是biomarkers的作用
- 能在基础科研的世界里翻天覆地的，引起波澜的，恰恰是以分子名称命名的通路，这些通路具有百搭的特点，和很多表型疾病都有关系，参与很多机制，文献里常常看到，今天讲的属于常识
- 广义的信号通路：不限于胞外到胞内，甚至不局限于单个细胞，也包含了细胞间的交互通讯，只要是一堆分子有序列的传递信号，有上游和下游，其中还有一些明星分子就可以了
明星通路们
- 不需要钻进去深挖各种调控细节，抓住主要矛盾，认识几个主要的biomarker就可以去文献的海洋里游泳了，遇到了逐步积累就好
- 对于初学者，在文章中看到了某个通路的明星分子，不要理解成因变量出现了，而是要理解为通路的分子标志，也就是biomarker出现了，这一阶段就OK
NF-κB
- 通路里的老大哥，1980年在B细胞的细胞核里找到的转录因子
- NF-nuclear factor；κB是因为这个NF能和免疫球蛋白κ轻链基因的增强子B序列特异性结合，促进κ轻链的表达
- NF-κB其实是一个真核细胞转录因子的家族，里面有多个成员，比较出名的是p65和p50，它们的结构都包含了300个氨基酸左右的同源结构域domain， 这个高度保守的domain能够使NF-κB形成同源或者异源的二聚体，这种结构域也是NF-κB与靶基因的结构域进行转录调节时进行结合的区域
- 在细胞质中的NF-κB处于失活状态，在于二聚体会与一个抑制蛋白i-κB形成三聚体复合物，三聚体的NF-κB是没有活性的
- NF-κB已知的主要上游信号是肿瘤坏死因子TNF，TNF是一种糖蛋白，有两个亚型ɑ和β，当TNF与细胞表面的TNFR结合后，受体发生构象改变，胞内段招募下游的分子，从而传递信号给iKK，是一个激酶（i-κB kinase）
- iKK是这个信号通路中的明星分子，虽然上游信号有很多条，但是最终这些信号都会汇集到iKK；作为激酶，iKK的作用是磷酸化i-κB，磷酸化的i-κB从三聚体中脱离，NF-κB暴露出核定位序列，被转运蛋白转运进细胞核中，与核内相关基因作用，调控基因的转录
- NF-κB的下游基因包括cyclinD1，c-myc等与肿瘤密切相关的蛋白，还有MMP9，VEGF等明星分子；NF-κB通路的持续激活能够导致细胞生长失控，抑制细胞凋亡；还能促进肿瘤的转移和血管新生；在其他疾病也有相关的报道，比较万金油
- 明星分子：p65，p50，i-κB，iKK
PI3K/Akt信号通路
- 通路的内容略，见陈巍学基因部分
- 这个通路的作用是调节细胞的增殖，分化，凋亡和迁移，也是比较百搭的
- Akt也可以激活iKK，与NF-κB之间存在cross-talk
- Akt很重要，磷酸化的Akt更加重要，所以PI3K/Akt的总蛋白和磷酸化的蛋白都是通路的biomarker，一旦做到了PI3K/Akt就要检测
- PI3K/Akt的下游有一条通路是mTor，也是一个丝氨酸/苏氨酸激酶，mToR的下游转录因子有很多，其中包括大名鼎鼎的缺氧诱导因子HIF-1ɑ，c-myc，知名转录因子FOXO等
- 大名鼎鼎的抑癌基因PTEN，它是一个磷酸酶，作用和PI3K相反，抑制Akt
MAPK信号通路
- mitogen activated protein kinase，丝裂原活化蛋白激酶
- 信号通路里非常庞大的家族，神经递质，激素等都可以激活
- 三级信号传递过程：MAP3K-MAP2K-MAPK，依次激活，共同调节细胞的生长、分化、应激、炎症反应等多种重要的生理、病理过程
- 不同的分支通路使用的激酶是不一样的，其中的激酶如下
- ERK：Ras-Raf-MEK1/2-ERK，调节细胞的生长与分化
- JUK：JUK-c-JUK，与炎症，凋亡，生长有关系
- p38：与炎症，凋亡，生长有关系
- ERK5：MEK5-ERK5-…
JAK-STAT
- 万金油，和细胞的增殖、分化、凋亡都有关系
- 接受信号的：酪氨酸激酶相关的受体
- 传递信号：酪氨酸激酶JAK
- 产生效应：转录因子Stat
- 利用JAK- STAT传递信号的分子：细胞因子，生长因子：IL-2，GM-CSF，GF，EGF，PDGF，IFN等
- 这些细胞因子和生长因子在细胞膜上的受体，在胞内段是不具有激酶活性的，相对的是胞内段和酪氨酸激酶JAK有结合位点
- JAK是非跨膜的酪氨酸激酶，配体与受体结合后可以活化JAK，使其发生自身磷酸化，活化后的JAK去磷酸化下游靶蛋白的酪氨酸残基，从而传导信号
- 转录因子STAT被招募，并且被JAK磷酸化修饰后，就会形成活化的STAT，活化的STAT以二聚体的形式进入细胞核内，与靶基因相结合，启动对应的基因转录
- 磷酸化的JAK和STAT表达都是这个通路中重要的biomarker
TGF-β/SMAD
- SMAD是TGFβ信号通路的效应转录因子
- TGFβ信号通路比较复杂的点在于接受信号的TGFβ超家族有几十个成员，除了TGFβ1、2、3，还有明星分子BMP
- 可以把TGF-β超家族的配体分为两类，也就是TGF-β1-3和BMP，看到BMP通路不用慌，也就是TGFβ通路的一部份
- TGF-β和其他通路也存在很多的cross-talk
- 要检测TGF-β通路的活性，一般就是检测TGF-β和SMAD，还有TGF-βR，以及转录因子SMAD
- 对调控上皮-间质转化EMT至关重要的通路
Wnt信号通路
- “当红炸子鸡”，对调控上皮-间质转化EMT至关重要的通路
- 可以分为经典Wnt信号通路和非经典Wnt信号通路，区别在于前者是由β-catenin介导的，后者不是，一般提到的是经典信号通路
- Wnt是一类分泌型的糖蛋白，通过自分泌或旁分泌发挥作用
- 接受Wnt信号的是跨膜受体是FZD受体家族，通过下游蛋白激酶的磷酸化去影响β-catenin的降解，Wnt激活时，β-catenin的降解会收到抑制
- 胞浆中稳定积累的β-catenin进入到细胞核后，能够结合TCF/LEF转录因子家族，启动下游基因的转录
- β-catenin的检测是观察Wnt通路是否激活的重要biomarker
Notch信号通路
- 略小众
- 与前面的信号通路的不同1：Notch的受体和配体都是膜蛋白，介导的是两个细胞相互接触后的活化效应，而不是分泌型蛋白作为配体
- 与前面的信号通路的不同2：Notch信号通路不是通过激酶磷酸化和逐步活化来传递信号的，而是通过Notch蛋白被3步酶切水解，一步步地把有转录调节活性的Notch蛋白片段释放出来实现活化的
- 这个有转录调节活性的Notch蛋白片段叫做NICD或ICN，翻译过来都是Notch的胞内结构域
- NICD与转录因子CSL结合，调节下游基因的表达
Hedgehog信号通路
- 常常和上面的Wnt，还有Notch信号通路一起提，这是因为这三条通路关系非常密切，存在紧密的cross-talk
- Hedgehog通路的配体就是Hedgehog，简称为Hh蛋白，需要经过一系列的加工，这个Hh蛋白才有活性
- Hedgehog的受体有2种，一种叫PTC，另外一种叫SMO
- 这个通路的特点是内部具有反馈调节机制，正常情况下SMO是正向激活转录因子的，但是PTC会抑制SMO，抑制下游通路实现自我调节
- Hedgehog信号通路的转录因子是Gli家族，Gli有不同的蛋白亚型，Gli-1是常见的检测对象
- 这个信号通路一目了然，没有复杂的中间信号传递过程，主要是注意一下反馈调节
Hippo信号通路
- ”新宠“
- 最先在果蝇里被发现参与调节器官大小的形成，后面发现在哺乳动物中也有相似的效果
- 现在这条通路还证实Hippo参与调控干细胞的自我更新以及组织再生，和癌症的发生也有关系
- Hippo通路的结构不复杂，由一组保守的激酶组成，上游的膜蛋白受体感受到细胞外环境的信号后，经过一系列磷酸化的转导过程，最后落在两个效应因子上YAP/TAZ
- YAP/TAZ具有转录调节功能，能对细胞表型进行精细的调控
- Hippo通路调控细胞增殖、分化和凋亡的机制要么是直接作用于表型的关键分子，要么是和其他的通路发生cross-talk，Hippo和Wnt、Notch、MAPK都有交集，习惯就好
- 分子调控是网状而不是线性
总结
- 信号通路的内容包含大量的分子标记，是积累常识的重点突破内容
- 看破这些明星分子，也就熟悉了基础科研的套路
- 通路这个变量的作用是和分子、药物这两个变量去配对、组合，形成解答有分子机制的课题的模式
- 有了通路这个因变量，一个课题的因变量就升级成了某分子/某药物经过某通路调节某个疾病的某个表型，逻辑层次up到了4个因素
- 用来跨越SCI 3分的水平
