在肿瘤、纤维化、免疫调控和组织修复等研究领域，TGF-β信号通路几乎是绕不开的“经典主角”。它机制看似清晰，却在不同细胞类型、不同疾病阶段和不同微环境中呈现出高度复杂甚至相反的生物学效应。
正因如此，越来越多科研工作者发现：研究TGF-β，已经不能只停留在检测几个经典分子或验证一条单一路径上，而是需要从更系统的层面去理解其调控网络。随着转录组、单细胞组学、表观组学等技术的快速发展，我们正在从“看到通路激活”走向“看清通路如何塑造细胞命运与疾病进程”。对于希望提升课题深度、挖掘关键机制和发表高质量成果的研究团队而言，围绕TGF-β开展系统性组学研究，正在成为一种越来越重要的研究策略。
一 TGF-β超家族
转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族是一类结构相关、功能广泛的多效性细胞因子家族，在进化上高度保守。该家族成员众多，主要包括：
① TGF-β1/2/3
② 激活素（Activins）
③ 骨形态发生蛋白（BMPs）
④ 生长分化因子（GDFs）
该超家族配体通过保守而复杂的受体-胞内转导体系介导信号传递，其信号识别主要依赖 7种I型受体（激活素样激酶，activin receptor-like kinases，ALK1–ALK7）及5种II型受体（TβRII、ActRII、ActRIIB、AMHRII和BMPRII）。在配体与受体结合后，可进一步激活下游经典Smad依赖性信号通路及非经典Smad非依赖性通路，从而调控细胞增殖、分化、迁移、凋亡、细胞外基质重塑及免疫应答等多种生物学过程。
二 TGF-β信号通路的基本组成与传导机制
01经典Smad依赖性通路
狭义TGF-β通路的经典传导过程相对清晰。TGF-β配体与细胞膜表面的TGF-βRII结合后，后者招募并磷酸化TGF-βRI（ALK5），从而激活其激酶活性。随后，TGF-βRI磷酸化受体调节型Smads（如Smad2和Smad3）；被激活的Smad2/3与共同介导型Smad4形成复合物并转位入核，结合转录因子和其他转录辅因子共同调控靶基因表达。与此同时，抑制性Smads，如Smad7，可通过负反馈方式抑制受体活化和Smad磷酸化，从而限制通路输出强度。该通路下游靶基因具有较强的情境依赖性。
这一经典轴可概括为：
TGF-β配体→TGFBRII/TGFBRI→p-Smad2/3→Smad4复合物→入核→靶基因转录
图：SMAD与非SMAD信号通路示意图[1]
02 非经典Smad非依赖性通路
除经典Smad通路外，TGF-β还可通过多种非经典信号网络影响细胞状态，包括蛋白激酶（MAPK）通路、细胞外信号调节激酶1/2（Erk1/2）通路、类Rho信号通路、磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/AKT通路、c-Jun氨基末端激酶（JNK）以及p38丝裂原活化蛋白激酶（p38/MAPK）信号通路[1]。
因此，TGF-β的生物学效应并不是单一线性的，而是一个高度依赖细胞类型、组织背景、力学环境、刺激时间和剂量的动态调控网络。这也是TGF-β研究长期复杂且富有挑战性的原因之一。
三 TGF-β信号通路的主要生物学功能
TGF-β并非单一功能的细胞因子，而是一个在细胞命运调控与组织重塑中发挥系统性作用的核心枢纽。在生理健康状态下，TGF-β的生物学功能可高度概括为四大维度：驱动胚胎发育与细胞分化、促进伤口愈合与组织修复、维持组织稳态（抑制增殖与诱导凋亡）、塑造免疫稳态与免疫抑制微环境。
图：TGF-β信号传导在生理条件下发挥着至关重要的作用[2]。
四 TGF-β研究中的组学技术
传统实验方法能够回答很多基础问题，例如通路是否被激活、某些标志分子是否上调、抑制受体后某种表型是否减弱。但对于TGF-β这类高度情境依赖的信号网络来说，仅依赖单个或少数分子指标往往难以解释其真实作用机制。这个时候组学技术就可以发挥作用，TGF-β研究中可用到的组学技术有：
01 转录组
RNA-seq是研究TGF-β通路最常用、也最具普适性的组学技术之一。通过比较刺激组与对照组、抑制组与激活组、野生型与敲除组之间的转录差异，可以系统识别：
· TGF-β直接或间接调控的基因集合
· 通路激活后的生物学过程变化
· 早期响应基因与晚期响应基因
· 不同处理条件下的功能输出差异
对于纤维化、EMT和肿瘤研究而言，RNA-seq不仅能够验证经典靶基因是否变化，更重要的是能够揭示完整的转录重编程图谱。结合差异表达分析、GO/KEGG富集分析、GSEA、GSVA等方法，可以从单个基因层面上升到通路和功能模块层面。
02 单细胞转录组（scRNA-seq）
TGF-β最显著的特点之一就是异质性强。即使在同一组织中，不同细胞群对TGF-β的响应也可能完全不同。因此，单细胞转录组技术在TGF-β研究中的价值日益突出。
scRNA-seq可用于：
· 识别真正响应TGF-β的细胞亚群
· 分析不同细胞类型的通路活化差异
· 揭示肿瘤细胞、成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞之间的功能分层
· 构建TGF-β相关细胞状态谱系
· 联合配体-受体分析推断细胞通讯网络
对于肿瘤微环境、纤维化组织和复杂器官模型而言，单细胞组学已经成为理解TGF-β生物学效应的重要工具。
03 表观组学
TGF-β在不同细胞类型中常呈现截然不同的转录输出，而这往往与染色质开放状态、转录因子协同作用及组蛋白修饰密切相关。因此，表观组学是理解TGF-β情境依赖性的关键技术层面。
常见技术包括：
· ATAC-seq：分析染色质可及性变化
· ChIP-seq/CUT&Tag：分析Smad2/3、Smad4及共转录因子的DNA结合位点，以及H3K27ac、H3K4me3等组蛋白修饰
· DNA甲基化分析：研究持续刺激后的稳定表观改变
结 语
TGF-β 信号通路之所以长期受到关注，不仅因为它是教科书式的经典通路，更因为它位于发育、修复、纤维化、肿瘤和免疫调控等多个核心生物学过程的交汇点。其真正的复杂性，不在于通路框架本身，而在于它高度依赖细胞背景、组织结构、刺激强度和微环境状态。
随着单细胞组学、空间组学和多组学整合分析的持续发展，TGF-β研究将进一步从“经典通路研究”迈向“复杂系统解析”，也将为纤维化、肿瘤和免疫相关疾病的机制研究与靶向干预提供更深层次的理论基础。
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参考文献
[1] Peng D, Fu M, Wang M, et al. Targeting TGF-β signal transduction for fibrosis and cancer therapy[J]. Molecular cancer, 2022, 21(1): 104.
[2] Deng Z, Fan T, Xiao C, et al. TGF-β signaling in health, disease and therapeutics[J]. Signal transduction and targeted therapy, 2024, 9(1): 61.
