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本文聚焦细胞内运输在信号传导中的关键作用。细胞内运输通过调节配体释放、形成形态发生素梯度等，影响信号起始、传递与解读，进而决定细胞命运。其与信号传导相互调控，影响发育进程。新研究方法为理解该机制带来突破，具有重要意义。
引言
多细胞生物的发育是个精密调控的过程，从一群未分化的多能细胞逐步形成各种细胞和器官系统。在这个过程中，细胞会依据信号线索沿着三条谱系分化，产生多样的细胞。因此，精确的时空信号对于触发细胞分化的信号解读极为关键。细胞内运输作为细胞信号传导的重要调节者，既能控制信号发送细胞释放信号线索，又能影响接收细胞摄取这些线索。运输与信号传导之间的相互作用和调节，共同决定了细胞命运的特化。在这篇综述中，我们将探讨细胞内运输在发育调控相关信号通路中的最新研究进展，特别是内吞途径如何在信号起始、传播、接收和解读的各个步骤中发挥调控作用。
信号起始
分泌细胞内的配体运输
细胞信号传导的首要步骤是源细胞或分泌细胞产生配体。配体翻译后，通常会被运往质膜（PM）释放，但并非均匀地从细胞各个部位释放。分泌配体的细胞一般是极性细胞，其顶端和基底外侧存在明显差异。以果蝇（Drosophila）翅膀发育为例，Wg 配体可以从细胞的顶端或基底外侧分泌，不过多数情况下从基底外侧分泌，也能被运往顶端。目前，调控 Wg 在分泌细胞内运输，实现定向、可控释放的精确机制尚未明确。近期研究发现，含有 Eps15 同源结构域的蛋白结合蛋白 1（Ehbp1），能通过与衔接蛋白复合体 1（AP-1）相互作用，将 Wnt/Wg 分选到果蝇幼虫翅膀上皮细胞的顶端表面。缺乏 Ehbp1 会导致 Wnt 在细胞基底外侧积累。类似地，Hh 配体主要从翅膀上皮细胞的基底外侧分泌，翻译后先被运往顶端膜，然后被内吞，再转运回基底外侧膜释放。配体从细胞不同端释放，能够在特定微环境中实现对配体释放的精确调控，进而对细胞信号传导进行空间调节，凸显了配体运输在信号起始阶段的重要性。不过，细胞内实现极化配体释放的精确机制，仍有待进一步深入研究。
形态发生素梯度的生成
配体到达分泌细胞质膜后，会形成具有特定浓度的梯度分布。虽然简单扩散能形成形态发生素梯度，但在发育中的胚胎这种高度动态的环境里，仅靠扩散难以维持其精确性，还需要其他调节机制，内吞作用就是其中之一。内吞作用可通过两种方式调节形态发生素梯度：一是调节配体释放细胞附近细胞上受体的存在情况。比如 FGF8，其附近细胞受体的表达水平会影响配体梯度的形成，配体摄取量则决定了下游信号传导和细胞命运。二是通过不同的运输途径释放配体，这会影响梯度范围。以 Wnt 信号通路为例，Wnt 配体从高尔基体运输到质膜时与共受体 WLS 结合，分泌到细胞外后与可溶性卷曲相关蛋白（sFRPs）结合，从而实现长距离运输。分泌的 Wnt 与卷曲受体结合后可被内吞，进入多囊泡体（MVBs），再以胞外体形式释放。Wnt3A 与 sFRP2 结合，会增强其通过胞外体的再分泌。高尔基体分泌的 Wg 扩散距离较长，而胞外体分泌的 Wg 扩散距离较短，梯度更陡峭，因为胞外体相关的 Wg 会被金属蛋白酶切割，其 C 末端结构域与附近细胞结合并诱导信号传导；而高尔基体分泌的 Wg 未被切割，能在更长距离诱导信号传导。在果蝇翅膀盘的 Hh 分泌细胞中，Hh 与受体 DISP 结合，启动近距离 “短程” 信号级联反应。为实现长程信号传导，DISP 结合的 Hh 会被内吞回分泌细胞，然后重新释放到质膜。研究还发现，果蝇翅膀盘中存在两种不同的 Hh 池，与 DISP 结合的 Hh 启动低水平短程信号，而内吞后通过 “赫里体（Hherisomes）” 重新释放的 Hh 启动高水平长程信号。不过，DISP 结合的 Hh 需要内吞再运输回细胞表面才能启动长程信号的原因，目前还只是猜测，可能是运输过程中 Hh 发生了修饰，使其能够远距离传递信号。传统观点认为，形态发生素梯度的形成受分泌细胞在微环境中的位置和受体浓度影响，而上述研究表明，内吞机制在形态发生素的释放和组织内短长程分布调节中也起着关键作用。
跨细胞运输配体：转胞吞作用
通常认为，配体只有释放到细胞外空间才能实现长距离运输，但细胞内的运输，如转胞吞作用，也会对其产生影响。转胞吞作用是指分子以膜结合囊泡的形式从质膜内化，然后从细胞的另一区域分泌出去。配体内化可分为受体介导和吸附介导两种方式，取决于配体的性质。受体介导的运输主要通过网格蛋白（Clathrin）和小窝蛋白（Caveolae）依赖的途径进行。转胞吞作用对于大分子或膜不可渗透的货物运输至关重要，在许多生理过程中发挥作用，如上皮组织的发育和维持。在 Notch 信号传导、Decapentaplegic（Dpp）运输、血脑屏障运输和轴突顺向运输中，都有转胞吞作用的参与。近期研究揭示了其在神经元发育中的作用，例如神经生长因子受体 TrkA 通过转胞吞作用运输到轴突，依赖于与蛋白酪氨酸磷酸酶 PTP1B 的相互作用，调节小鼠交感神经元的发育和靶标神经支配。转胞吞作用主要发生在血管通透性受限的部位，如中枢神经系统和视网膜上皮。Wnt 信号通路通过控制转胞吞抑制蛋白 MFSD2A 的表达，维持血视网膜屏障（BRB）的完整性；Dll4-Sox17 信号通路则通过调节小窝介导的分子转胞吞作用，参与 BRB 的维持。此外，转胞吞作用不仅发生在不同细胞之间，也可在同一细胞内进行。神经元中，配体可先运输到树突质膜，再内化并运输到轴突和突触前末端；EGF 样配体 Neuregulin 3（NRG3）的 N 末端片段从反式高尔基体网络（TGN）运输到胞体 - 树突质膜，再内吞并通过 Rab4+囊泡运输到轴突，与突触后 GABA 能中间神经元上的 ErbB4 相互作用并保留在突触处。在果蝇上皮细胞中，ESCRT 复合体在将隔膜连接成分从顶端运输到基底连接中起重要作用，该复合体受损会导致隔膜连接蛋白 Megatrachea（Mega）定位错误。在极化细胞（如肠细胞和神经元）中，通过细胞运输疏水性配体较为常见，转胞吞作用可能有助于在无需共受体或包装到细胞外囊泡的情况下运输配体。
细胞内运输调节信号解读与整合
配体 - 受体相互作用：质膜上的调节
在早期发育过程中，接收细胞精确的信号输出与源细胞控制配体释放同样重要。这主要受细胞表面受体分布及其与配体相互作用后激活情况的控制。配体 - 受体相互作用后，信号通路会激活下游蛋白质，这些蛋白质对于配体和受体的内化及运输到特定区域至关重要。在运输过程中，会形成许多瞬时多蛋白复合物（如信号小体，Signalosomes）来增强局部信号传导。信号小体根据信号强度快速组装和解聚，还能根据蛋白质结合位点的局部密度增强信号输出。例如，在 Wnt 信号通路中，LRP6 和 Frizzled 在质膜上形成信号小体复合物，隔离破坏复合物，使 β - 连环蛋白（β - catenin）进入细胞核，启动靶基因转录。Dishevelled 相关形态发生激活剂 2（Daam2）、Rac1 和 PIP5K 对于 Wnt 受体信号小体的组装至关重要，且需要肌动蛋白聚合来实现膜上的聚集。此外，Wnt 去泛素化酶 USP46、UAF1 和 WDR20 能增强 LRP6 的局部水平，促进其组装成信号小体。在其他信号通路中也存在信号小体，如 Hippo 通路中的 LATS2 激酶，能在癌细胞中感知肌动蛋白动力学变化，促进凝聚物形成。肠道干细胞的增殖和再生需要 Wnt 和 Yap 信号通路，它们的相互作用调节肠道上皮细胞的增殖，内体蛋白 MAMDC4 通过与 Wnt 信号小体相互作用，调节 YAP 和 β - 连环蛋白的关联。
部分内吞蛋白会在质膜聚集形成长期存在的平台，调节信号传导。例如，随着底物硬度增加，网格蛋白会形成一种称为网格蛋白斑块（clathrin plaques）的结构，它作为机械转导结构，通过整合素（特别是 α5整合素）调节细胞信号传导，响应生长因子（如 EGF）而形成。虽然网格蛋白斑块在体内的作用尚未完全明确，但推测其可能作为信号平台，使细胞通过整合素感知细胞外环境，进而调节下游激酶（如 Src）。此外，网格蛋白斑块还参与调节细胞黏附和迁移，在迁移细胞中，网格蛋白负责解聚黏着斑并内化整合素，然后将其重新分布到细胞前沿。由于该区域膜张力较高，膜出芽受到抑制，使得网格蛋白斑块能够稳定存在。上述例子充分说明了内吞作用在控制配体 - 受体相互作用、促进信号小体等多蛋白复合物形成以及调节下游信号通路方面的重要作用。
内体区室的配体摄取与信号传导
配体摄取完成后，内吞结构成为细胞内整合多种信号的平台。不同的内体区室具有独特的调节信号输出机制。例如，PI3K - Akt 信号通路在不同内体区室的时空组织会导致 Akt 信号传导产生不同结果；G 蛋白偶联受体（GPCRs）的信号传导也会因其所在的细胞内区室不同而改变。在 Notch 信号通路中，配体（如 Delta）与跨膜 Notch 受体结合，导致受体依次切割，Notch 细胞内结构域（NICD）进入细胞核，启动下游靶标的转录激活。Notch 信号通路在许多关键发育事件中起重要作用，如脊椎动物肢体和果蝇翅膀的发育、果蝇胸部感觉刚毛和脊椎动物毛细胞的间距调节以及神经发生等。内吞作用对 Delta/Notch 信号传导的调节作用已得到充分证实，配体和受体呈递细胞中内吞基因的缺失会阻碍信号传导。
Notch 通路调节因子 Deltex（Dx）能与受体结合的 Wg 相互作用，促进 Wg 的细胞内摄取，有助于 Wg 梯度的形成。除 Wg 外，Dx 还调节其他配体（如 Dpp）的运输。Dpp 是果蝇翅膀发育中重要的形态发生素，与 Tkv 受体结合。Dx 和 Rab7 共同作用，通过调节 Tkv 结合的 Dpp 的内吞作用，扩大 Dpp 及其靶标 Spalt 的梯度。Dpp 的内吞作用还受一类称为磷脂酰肌醇蛋白聚糖（glypicans）的分子调控。在果蝇中，Dally 和 DLP 这两种磷脂酰肌醇蛋白聚糖被认为是 Dpp 的冗余共受体，有助于维持和调节 Dpp 梯度。研究发现，Dally 通过稳定 Dpp 结合的 Tkv 受体在质膜上的存在，拮抗其内化，从而维持果蝇翅膀盘中的 Dpp 梯度。
目前，研究人员正在开发新方法来专门研究特定细胞内区室的信号传导。如基于 LOCKR 的 Ras 活性传感器（Ras - LOCKR - S）可用于测定内源性 Ras GTP 酶的活性，基于 LOCKR 的 Ras 活性依赖性邻近标记物（Ras - LOCKR - PL）能识别 Ras 在其周围环境中的相互作用蛋白；单粒子追踪技术广泛用于研究生物分子动力学；生物发光共振能量转移（BRET）分析可用于研究 G 蛋白在质膜和特定内吞区室的激活情况。利用 BRET 分析，研究人员发现 GPCR 依赖的 Gq 在质膜的激活会诱导其转移到内体，Gq 在内体的活性依赖于受体内吞依赖和非依赖机制。此外，类似的基于荧光共振能量转移（FRET）的分析表明，GPCR 依赖的 ERK 激活发生在内体而非质膜。配体 - 受体相互作用后的信号输出还受它们所经过的内吞区室的调节，这使得细胞能够在受体离开质膜后，从细胞内区域控制信号传导，这些中间区域就像调节信号结果的检查点。例如，Eyes Absent 与 retromer 复合体相互作用，影响 WLS 从内体到反式高尔基体网络的逆向运输，这对 Wnt 分泌至关重要，且该过程在脊椎动物中具有特异性，暗示了随着复杂组织的出现，基于运输的信号传导调节机制也在共同进化。
细胞信号传导对内吞途径的调节
前文阐述了内吞途径及其成分对信号通路输出的调节作用，而近期研究也关注到一些信号通路对内吞活性的调节作用。网格蛋白介导的内吞作用（CME）的关键参与者是 AP2 四聚体复合物。最初，处于封闭构象的 AP2 在与磷脂酰肌醇 4,5 - 二磷酸相互作用的帮助下被招募到质膜。以往研究认为 muniscins 能激活 AP2，但近期研究表明，muniscins 只是使 AP2 处于预激活状态。膜稳定后，AP2 转变为开放构象，并在 μ 亚基上发生磷酸化。未被充分研究的激酶 BMP2K 负责磷酸化 AP2 的 μ 亚基，其功能受损会导致网格蛋白包被小窝（CCP）形态异常和货物内化缺陷，缺失 BMP2K 会影响胚胎发育，其表型与 AP - 2 缺失时相似。
胰岛素受体信号传导可触发网格蛋白重链的磷酸化。在 GLUT4 内吞作用中，胰岛素的存在会使 GSK3β 失活，从而阻止动力蛋白的磷酸化，进而抑制 GLUT4 转运体的内吞。肌动蛋白细胞骨架在内吞作用进展中的作用已被广泛认知，神经退行性疾病（如亨廷顿病）会导致肌动蛋白细胞骨架组织改变，进而出现 CME 缺陷和停滞。通过外源性提供肌动蛋白结合蛋白来恢复细胞骨架，能够挽救这些细胞的 CME 缺陷。在小窝蛋白介导的内吞作用中，收缩性肌动蛋白结构与磷酸化形式的 Caveolin1 之间存在负反馈。抑制收缩性肌动蛋白组装会导致 Caveolin1 在 Tyr14 位点的磷酸化减少，同时改变 Caveolin1 囊泡的大小和运动性。此外，Caveolin1 的磷酸化还会影响 AMPK 的磷酸化、RhoA - 肌球蛋白 II 和 Rac1 - PAK1 - Cofilin 的活性，最终导致应力纤维调节异常。由此可见，内吞作用可以调节信号通路的输出，而信号通路的输出反过来也能调节内吞途径的活性，这体现了活细胞中存在的复杂反馈机制。
结论与展望
高等生物从单个细胞发育成为功能复杂的多细胞个体，需要精确控制细胞分裂、基因表达、信号传导以及细胞内外的运输等活动。这些活动依赖于细胞内和细胞外环境的信号线索，进而调节细胞通路和整个发育过程。内吞作用是调节早期发育的关键因素之一，在生长、细胞命运决定和模式形成等方面发挥着重要作用。内吞机制就像细胞内外环境之间的通信媒介，不断感知环境线索并反馈调节细胞内环境的稳定。
不同的信号通路具有保守机制，以促进配体的长距离分布，从而调节信号输出。在 Wnt 信号通路中，细胞外受体介导和外泌体介导的分泌途径已被明确；在 Hedgehog 信号通路中，也发现了类似机制，疏水性的 Hh 通过特殊囊泡重新内吞并运输回质膜，确保长距离分布。在一些特殊情况下，如跨血脑屏障运输，会发生配体的转胞吞作用，保证配体到达特定区域并受到保护。配体到达后，信号级联反应被激活，配体经过的细胞区室以及其他信号通路的效应分子都会调节信号输出。因此，内吞机制不仅在细胞运输管理中发挥关键作用，还在信号结果的解读中具有重要意义。反之，信号输出也能直接或间接影响内吞机制，形成反馈回路，最终决定细胞的命运。
近期出现的许多技术，如基于 BRET 的分析方法，有助于研究特定内吞区室的信号激活，为深入理解调节细胞信号传导的潜在机制开辟了新途径。开发能够特异性调节特定细胞内区室运输或信号输出的工具，有望成为治疗多种难治性疾病的有效手段，为生命科学和医学研究带来新的突破和希望。
