信號轉導是分子細胞生物學的核心主題，從 Sutherland 發現 cAMP 作為第二信使（Nobel 1971）到現代的單細胞信號動態研究，這個領域已從線性路徑觀發展為網路系統觀。
信號路徑的定量框架
信號轉導的放大效應可定量描述。以 cAMP 路徑為例：一個腎上腺素分子可活化一個受體，一個受體在其活化壽命內可活化 ~100 個 Gs 蛋白，每個 Gs 活化的 AC 可產生 ~1000 個 cAMP/秒，每個 PKA 可磷酸化 ~10 個底物——因此總放大倍數可達 10⁶ 以上。然而，Earl & Bhatt 等人的定量模型指出，實際的放大倍數受限於各級分子的表現量、空間分佈和去活化速率。
Ras-MAPK 路徑的信號編碼
MAPK 路徑不只是簡單的「開/關」開關——它能編碼不同的信號強度和持續時間為不同的細胞命運。Marshall（1995, Cell）的經典實驗在 PC12 細胞中展示：EGF 引起暫態的 ERK 活化（~15 分鐘）→ 細胞增殖；NGF 引起持續的 ERK 活化（>1 小時）→ 細胞分化為神經元。持續活化的 ERK 進入細胞核累積到閾值，誘導 immediate-early genes（如 c-Fos），c-Fos 蛋白的穩定性依賴 ERK 的持續磷酸化——這構成了一個分子計時器。
Neves & Bhatt（2008, Science Signaling）的系統生物學分析揭示 MAPK 路徑中的超敏感性（ultrasensitivity）來源：(1) MEK 對 ERK 的雙重磷酸化產生 Hill 係數 ~5 的開關行為；(2) 正回饋迴路（ERK 活化 Raf 透過 KSR scaffold）可將漸變信號轉為全有或全無（all-or-none）的雙穩態開關。
PI3K/Akt/mTOR 信號網絡
PI3K 催化 PIP₂ → PIP₃ 的磷酸化是細胞存活信號的中心事件。Akt（PKB）的完全活化需要兩步磷酸化：T308（PDK1 在膜上磷酸化）和 S473（mTORC2 磷酸化）。活化的 Akt 磷酸化 >100 個底物，核心功能包括：(1) 磷酸化 Bad 解除其對 Bcl-2 的抑制 → 抗凋亡；(2) 磷酸化 TSC2 解除其對 mTORC1 的抑制 → 促進蛋白質合成和細胞生長；(3) 磷酸化 GSK3β → 促進 glycogen 合成和 β-catenin 穩定。
PTEN 腫瘤抑制基因的失能是僅次於 p53 的最常見癌症驅動事件。PTEN 的 dual-specificity 磷酸酶活性將 PIP₃ 去磷酸化為 PIP₂，但它也有不依賴脂質磷酸酶活性的核內功能（維持基因組穩定性）。
信號路徑的時空調控
信號不只是「有或沒有」——空間上在哪裡活化、時間上持續多久，都編碼了不同的細胞命運。近年的 FRET 和 optogenetic 工具（如 OptoSOS, Toettcher et al., 2013, Cell）允許研究者用光精確控制 Ras-MAPK 路徑的活化模式，發現脈衝式（pulsatile）ERK 活化驅動增殖，而持續活化驅動分化或衰老——將 Ras-MAPK 的信號編碼從類比觀提升到頻率調制觀。
靶向治療的系統挑戰
癌症治療中，單靶點抑制劑常因路徑 rewiring 而失效——例如 MEK 抑制劑解除 ERK 對 Ras-GEF 的負回饋，反而增加 Ras-GTP 水平。理解信號網絡的全局結構（包括回饋迴路和 crosstalk）是設計有效組合療法的前提。KRAS G12C 抑制劑 sotorasib 結合 KRAS 的非活化態（GDP-bound）——這種「突變選擇性共價抑制」策略打破了 Ras「不可藥化」（undruggable）的三十年困境。
信號路徑的演化保守性與多樣性
核心信號模組在後生動物中高度保守——Notch、Wnt、Hedgehog、TGF-β 和 RTK-Ras-MAPK 路徑在果蠅和人類中使用幾乎相同的分子組分。然而，相同的路徑在不同的細胞情境中產生截然不同的輸出——這種「路徑重用」（pathway reuse）是發育生物學的核心主題。Perrimon 等人的系統性 RNAi 篩選揭示，信號特異性很大程度上由 scaffold 蛋白和回饋迴路的細胞型特異性表現決定，而非路徑核心組分的差異。