酶联受体及其信号转导
受体酪氨酸激酶与Ras/MAPK信号通路
受体酪氨酸激酶
结构
大多数受体酪氨酸激酶（RTK）为单亚基受体，但也有部分以多聚体复合物形式存在，例如胰岛素受体在激素（胰岛素）存在时形成二硫键连接的二聚体。此外，配体与胞外结构域结合可诱导受体二聚体的形成。
每个单体均含有一个由25至38个氨基酸组成的疏水性跨膜螺旋结构域、一个胞外N端区段和一个胞内C端区段。
- 胞外N端区段：多种保守结构元件，包括免疫球蛋白（Ig）样结构域、表皮生长因子（EGF）样结构域、纤连蛋白Ⅲ型重复序列或富含半胱氨酸区；这些结构域主要包含配体结合位点，能够结合特定的胞外配体，如某种生长因子或激素。
- 胞内C端区段：最高程度的保守性，包含催化功能区，负责该类受体的激酶活性，可催化受体自身的自磷酸化及其底物的酪氨酸磷酸化。
激酶活性
当生长因子与受体酪氨酸激酶（RTK）的胞外结构域结合时，会诱导相邻RTK分子的二聚化。二聚化进一步迅速激活蛋白质胞质区的激酶结构域，其第一个底物即为受体自身。结果，受体在多个特定的胞内酪氨酸残基上发生自身磷酸化（autophosphorylation）。
-
磷酸 -
ATP -
酪氨酸 -
磷酸酪氨酸
信号转导
胞外配体的结合引发或稳定受体的二聚化。这使得每个受体单体胞质区内的酪氨酸残基能够被其配对受体的激酶结构域发生“反式磷酸化”（trans-phosphorylation），从而将信号传递到质膜内。
受体上特定位点的酪氨酸残基被磷酸化后，形成了Src同源2（SH2）结构域和磷酪氨酸结合（PTB）结构域蛋白的结合位点。包含这些结构域的典型蛋白有Src和磷脂酶Cγ。它们在与受体结合后被磷酸化和激活，进而启动信号转导通路。还有一些与活化受体相互作用的蛋白被称为 衔接蛋白（adaptor proteins），自身不具备内在酶活性。这些衔接蛋白将RTK的激活与下游信号转导通路（如MAP激酶信号级联反应）连接起来。
受体家族
表皮生长因子受体家族
ErbB蛋白家族（亦称表皮生长因子受体，EGFR，家族）由4种结构相关的受体酪氨酸激酶组成。人类中，ErbB信号不足与多发性硬化、阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发生相关。
纤维母细胞生长因子受体（FGFR）家族
纤维母细胞生长因子（FGF）是成员数量最多的生长因子家族，共23种四个FGFR基因经天然可变剪接可产生超过48种受体异构体。这些异构体在配体结合特性和激酶结构域上各异，但都具有由三个免疫球蛋白样结构域（D1–D3）组成的共同胞外区，因此归属于免疫球蛋白超家族。FGFs主要通过受体的D2与D3结构域结合；每个受体可被多种FGF激活，许多FGF亦能激活多个受体。
血管内皮生长因子受体（VEGFR）家族
血管内皮生长因子（VEGF）是促进内皮细胞增殖及血管通透性的主要因子之一。细胞表面有两种RTK可结合VEGF：VEGFR-1（Flt-1）和VEGFR-2（KDR/Flk-1）。
VEGFR的胞外段由七个免疫球蛋白样结构域组成（故同属免疫球蛋白超家族），同时具有单条跨膜螺旋与含“分裂型”酪氨酸激酶域的胞质段。VEGF-A可同时结合VEGFR-1和VEGFR-2，而几乎所有已知细胞反应均由VEGFR-2介导。
RET 受体家族
RET 基因的可变剪接产生三种不同的蛋白异构体：RET51、RET43 与 RET9，分别在 C 端尾部包含 51、43 和 9 个氨基酸残基。\[19] 其中 RET51 与 RET9 的体内功能研究最为深入，因为它们是最常见的异构体。
RET 是神经胶质细胞系来源神经营养因子（GDNF）家族配体（GFLs）的受体。 要激活 RET，首先需 GFL 与一类带有糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定的共受体结合；这些共受体属于 GDNF 受体-α（GFRα）蛋白家族，不同成员（GFRα1-GFRα4）对特定 GFL 具有专一性结合活性。当 GFL-GFRα 复合物形成后，它将两条 RET 分子聚合在一起，诱导其酪氨酸激酶域中特定酪氨酸的“反式自身磷酸化”，从而启动细胞内信号转导过程。
Ras GTP酶
Ras（名称来源于“鼠肉瘤病毒”，Rat sarcoma virus）是一类在所有动物细胞谱系和器官中表达的相关蛋白家族。所有Ras家族成员都属于小GTP酶这一类蛋白，参与细胞内信号的传递。Ras是Ras超家族蛋白的原型成员，该超家族蛋白在三维结构上具有相关性，并调控多种细胞行为。
Ras超家族
Ras超家族是一类小GTP酶的蛋白质超家族。五个主要家族包括：Ras、Rho、Ran、Rab和Arf GTP酶。其中Ras家族本身又分为6个亚家族：Ras、Ral、Rap、Rheb、Rad和Rit。每个亚家族都拥有共同的核心G结构域（G domain），该结构域提供基本的GTP酶活性和核苷酸交换活性。
一般而言，Ras家族主要负责细胞增殖；Rho家族调控细胞形态；Ran家族参与核转运；Rab和Arf家族则主要参与囊泡运输。
结构
Ras蛋白包含六条β链和五条α螺旋。它由两个结构域组成：一个由166个氨基酸组成的G结构域，可结合鸟苷核苷酸；另一个是C端的膜定位区（CAAX box），该区可进行脂质修饰。
G结构域含有五个G基序，直接与GDP/GTP结合。G1基序（P-loop）结合GDP和GTP的β磷酸。G2基序（SW1）包含Thr35，该残基结合GTP的末端γ-磷酸和活性位点中的二价镁离子。G3基序（SW2）具有DXXGQ基序，其中D为Asp57，决定了对鸟嘌呤与腺嘌呤的特异性结合；Q为Gln61，是催化水分子、将GTP水解为GDP的关键残基。G4基序含有LVGNKxDL基序，参与与鸟嘌呤的特异性相互作用。G5基序包含SAK保守序列，其中A为Ala146，保证了对鸟嘌呤而非腺嘌呤的特异性识别。
其中G2（SW1）和G3（SW2）是G蛋白在GTP水解为GDP时主要发生构象变化的部分。这两个“开关”基序的构象变化决定了Ras作为分子开关蛋白的基本功能。当Ras结合GTP时处于“开”（on）状态，结合GDP时则为“关”（off）状态。两组开关基序在结合GTP、GDP或无核苷酸（如与SOS1结合时）时，会呈现多种不同构象。
此外，Ras还结合一个镁离子，帮助协调核苷酸的结合。
激活和失活
G蛋白以“开关”形式在信号转导中发挥作用。在“关”状态下，Ras与GDP结合；而在“开”状态下，Ras结合的是GTP。这个额外的磷酸基团使得两个“开关”区（Thr-35和Gly-60）保持在“紧绷”构象。当这一磷酸基团被释放后，开关区松弛下来，导致蛋白转变为失活状态。
结合核苷酸的交换过程由鸟苷核苷酸交换因子（GEFs）和GTP酶激活蛋白（GAPs）调控。
- GAP强化Ras的GTPase活性水解GTP。Ras本身虽具有内在GTP酶活性，但这一过程自身效率较低，因此Ras的GAP可与其结合，并稳定Ras的催化装置，提供额外的催化残基，加速Ras催化水解GTP。随着无机磷酸根的释放，Ras转为GDP结合型。
- GEF则催化GDP从Ras中释放出来。它们插入到P-loop和Mg2+结合位点附近，并抑制其与γ-磷酸的相互作用。SW2中的酸性残基“拉”走P-loop中的赖氨酸，从而“推”开SW1，使其远离鸟嘌呤。保持GDP的接触被破坏，GDP被释放到细胞质中。由于胞内GTP浓度相对于GDP约高十倍，GTP优先重新进入Ras的核苷酸结合口袋，重新“开启”Ras。
GEF与GAP活性的平衡决定了Ras结合的鸟苷核苷酸类型，从而调节Ras的活性状态。
在GTP结合构象下，Ras对多种效应蛋白具有高亲和力，从而行使其功能，包括PI3K等。其他小GTP酶可结合衔接蛋白（如arfaptin）或第二信使系统（如腺苷酸环化酶）。
此外，还有其他蛋白可调节Ras家族蛋白的活性。例如GDI（GDP解离抑制因子），通过延缓GDP向GTP的交换，从而延长Ras家族成员的失活状态。
Raf/MAPKKK/MAP3K
RAF激酶即MAPKKK（有丝分裂原活化蛋白激酶激酶激酶），是一类丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶家族，共有三种成员，均与逆转录病毒致癌基因相关。
RAF在RAS-RAF-MEK-ERK信号转导级联（即MAPK级联反应）中发挥核心作用。RAF激酶的激活需要与RAS-GTP酶的相互作用。作为丝氨酸/苏氨酸激酶，RAF通过在底物的丝氨酸/苏氨酸残基上添加磷酸基团来激活下游信号分子，而它们本身则可以被磷酸酶（如PP5）去磷酸化、失活。
MAPKKK（RAF）蛋白通常含有一个与其催化活性位点不同的对接域，使其能够识别和结合特定的底物。此外，MAPK信号级联中常有多种支架蛋白参与调节，这些支架蛋白分别具有MAPKKK（RAF）、MAPKK（MEK）和MAPK（ERK）的结合位点，从而确保信号的特异性传递和迅速激活。
Mek/MAPKK/MAP2K
丝裂原活化蛋白激酶激酶（也称为MAP2K、MEK、MAPKK）属于双特异性蛋白激酶家族，是一种有丝分裂原活化蛋白（MAP）激酶激酶。该蛋白激酶位于MAPK的上游，在受到多种胞外和胞内信号激活后，能够刺激MAPK的酶活性。作为MAPK信号转导通路的关键组成部分，这种激酶参与了包括细胞增殖、分化、转录调控和发育在内的多种细胞过程。
Erk/MAPK
丝裂原活化蛋白激酶（MAPK或MAP激酶）是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶，参与指导细胞对多种刺激（如有丝裂原、渗透压、热休克和促炎细胞因子）的反应。MAPK 属于 CMGC (CDK/MAPK/GSK3/CLK) 激酶组。与 MAPK 关系最近的是细胞周期依赖性蛋白激酶（CDK）。
激活和失活
在经典MAP激酶中，激活环包含一个特征性的TxY（苏氨酸-x-酪氨酸）基序。该基序上的苏氨酸和酪氨酸残基均需被磷酸化，才能将激酶结构域“锁定”在具备催化活性的构象中。哺乳动物MAPK据此分为三个亚家族：
- 胞外信号调节激酶（ERK，p42/44MAPK）：ERK1,ERK2，活性位点TEY
- 应激激活的MAPK（JNK）：JNK1,2,3，活性位点TPY
- 丝裂原激活的蛋白激酶（p38MAPK）：p38α/β/γ/δ，活性位点TGY
MAPK的失活由多种磷酸酶介导。其中保守性最高的一类专属磷酸酶是所谓的MAPK磷酸酶（MKPs），属于双特异性磷酸酶（DUSPs）亚族。顾名思义，这些酶能够同时水解磷酪氨酸和磷苏氨酸残基上的磷酸基团。由于去除任一磷酸基团都会极大地降低MAPK活性，甚至基本阻断信号传导，因此部分酪氨酸磷酸酶（如哺乳动物的HePTP、STEP和PTPRR）也参与MAPK的失活调控。
蛋白识别和互作
典型的SP/TP位点：和CMGC激酶家族的典型特征一样，MAPK的催化位点对于底物的共识序列要求非常宽松。它们只要求目标丝氨酸/苏氨酸（S/T）氨基酸后紧跟一个小型氨基酸，最理想的是脯氨酸（因此又称为“脯氨酸导向型激酶”）。但由于SP/TP位点在所有蛋白中都极为常见，为了保证信号传导的特异性，MAPK进化出了额外的底物识别机制。
对D-motif的特异性识别：MAPK通过其激酶结构域上的疏水对接槽和带负电的CD区，共同识别MAPK对接基序或D-motif（也称KIM）。D-motif通常由一到两个带正电氨基酸后接交替的疏水残基（多为亮氨酸）组成，通常位于磷酸化位点上游10–50个氨基酸处。D-motif并不限于底物：MAP2K的N端也含有此类基序，是MAP2K与MAPK结合及激活MAPK所必需的。同样，双特异性MAPK磷酸酶以及MAPK特异性酪氨酸磷酸酶也通过同一对接位点与MAPK结合。D-motif甚至可见于某些MAPK通路的调节蛋白和支架蛋白（例如哺乳动物的JIP蛋白）中。
DEF口袋-FxFR基序[1]：活化型MAPK的DEF-pocket（F-recruitment site, FRS） ，由MAPK激活环及其下方的特异性插入区共同构成，仅在MAPK激活后才形成。该口袋位于催化中心附近，能够专一识别并结合底物或支架蛋白中的FxFP共识序列肽段（即DEF基序）。值得注意的是，DEF基序（DEF motif / F-site, consensus FxFP） 几乎只出现在需要选择性识别活化型 MAPK 的底物和支架蛋白上。不同基序间还可协同作用，例如Elk家族转录因子既有D-motif，也有FxFP基序。KSR1支架蛋白中FxFP基序的存在，也使其成为ERK1/2的底物，进而为ERK1/2信号提供一种负反馈调节机制，以确保激活水平的精确调控。
Ras-MAPK磷酸化级联反应
MAPK/ERK通路（也称为Ras-Raf-MEK-ERK通路）是一条细胞内的蛋白级联反应链，负责将细胞表面受体接收到的信号传递到细胞核中的DNA。
启动MAPK/ERK通路的信号是胞外有丝分裂原与细胞表面受体结合。这一过程使Ras蛋白能够将结合的GDP分子置换为GTP分子。激活后的Ras蛋白随后可以激活MAP3K（如Raf），进而激活MAP2K，最终激活MAPK。MAPK最终可激活下游的转录因子，如Myc。该过程的具体机制如下所述：
Ras的激活
受体型酪氨酸激酶（如EGFR）通过胞外配体（如EGF）激活。EGF与EGFR结合后，激活受体胞质区的酪氨酸激酶活性，使EGFR的酪氨酸残基发生磷酸化。GRB2等对接蛋白含有SH2结构域，可结合已磷酸化受体上的磷酪氨酸残基。GRB2通过其两个SH3结构域与鸟苷酸交换因子SOS结合。当GRB2-SOS复合物对接到磷酸化的EGFR时，SOS被激活。激活后的SOS促进Ras亚家族成员（主要是H-Ras或K-Ras）上的GDP释放，使Ras蛋白能够结合GTP并激活。
除了EGFR之外，其他可通过GRB2激活该通路的细胞表面受体还包括Trk A/B、纤维母细胞生长因子受体（FGFR）和血小板衍生生长因子受体（PDGFR）。
激酶级联反应
激活的Ras进一步激活RAF激酶的蛋白激酶活性。RAF激酶对MAPK/ERK激酶（MEK1或MEK2）进行磷酸化并激活，MEK又进一步磷酸化并激活MAPK。
RAF和MAPK/ERK都是丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶，MEK则是一种丝氨酸/酪氨酸/苏氨酸激酶。
翻译与转录调控
MAPK可磷酸化多种蛋白，其中三种为代表性例子。MAPK激活的一个效应是调节mRNA到蛋白的翻译。MAPK可磷酸化40S核糖体蛋白S6激酶（RSK），使RSK活化，进而对核糖体蛋白S6进行磷酸化。最早被分离出来的MAPK家族成员正是能磷酸化核糖体蛋白S6的激酶。
MAPK还可调节多个转录因子的活性。例如，MAPK可以磷酸化C-myc，也可磷酸化并激活MNK，MNK进一步磷酸化CREB；MAPK还能调控C-Fos基因的转录。通过调控转录因子的水平和活性，MAPK进一步影响细胞周期相关基因的转录。
22q11、1q42和19p13等基因通过影响ERK信号通路，与精神分裂症、分裂情感性障碍、双相情感障碍和偏头痛有关。
细胞因子受体与JAK/STAT信号通路
细胞因子与细胞因子受体
I型细胞因子受体（Type I cytokine receptors）
典型配体： 白细胞介素-2（IL-2）、IL-4、IL-6、IL-7、IL-9、IL-11、IL-12、IL-15、IL-21、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、促红细胞生成素（EPO）、生长激素（GH）、促乳素（PRL）等。 结构特征： 跨膜区外有保守的WSXWS基序，通常含有多个受体亚基。
II型细胞因子受体（Type II cytokine receptors）
典型配体： 干扰素（IFN-α、IFN-β、IFN-γ）、白细胞介素-10（IL-10）等。 结构特征： 不含WSXWS基序，这些受体主要通过其胞外部分的序列相似性而相互关联，这些部分由串联的免疫球蛋白样结构域组成，通常为异二聚体或多聚体。
Janus激酶/JAK
STAT
- ↑ 注：文献对DEF和FxFP的命名关系有歧义，本篇认可DEF-motif，即DEF基序就是FxFP，位于底物上；DEF-pocket，即DEF口袋，位于MAPK上，识别并结合DEF位点（FxFP）