18世纪中后期和19世纪早期的研究发现体内存在分泌激素的腺体（肾上腺、胸腺等），并逐步鉴定了所分泌激素的类别并对其功能进行了相关的研究。其中最重要的发现之一就是胰岛素（insulin），在对其机制进行初步探索的过程中，提示了内在的分子信号传递的存在。直到20世纪70年代，M.罗德贝尔发现三磷酸腺苷（GTP）参与了胰高血糖素与受体的结合，并且发现G蛋白是作为“转换器”参与胰高血糖素分子与受体的结合，进而调节细胞的功能。该研究促使了信号转导这个概念的形成。信号转导这个名词在1979年首次被提及，罗德贝尔在1980年发表了关于“激素受体以及G蛋白在膜转导中的作用”的综述文章，此后这个术语被广泛使用。

信号转导原理示意图

细胞受到外界环境刺激后会通过一系列生化分子反应将信号传递到需要的位置，以实现细胞对外界刺激的应答。负责识别刺激的蛋白质通常称为受体，又称传感器(sensor)。受体与配体结合（或信号传感）引起的变化会产生信号级联放大效应，形成信号通路。信号通路之间相互作用形成网络以协调细胞应答。在分子水平上，这些细胞应答包括对基因转录和蛋白翻译的调节，蛋白质翻译后的修饰（包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等）、构象及细胞中定位的变化，这些分子反应是控制细胞生长、增殖、代谢以及其他生命过程的基本机制。在多细胞生物中，信号转导途径也以多种方式调节细胞之间的通信。

信号转导是通过信号通路进行传递，信号通路的组成（或节点）是根据其相对于初始刺激所起的作用进行分类，主要包括配体（ligand）、受体（receptor）和第二信使（second messenger）。配体也被称为第一信使，信号转导的基础是将某种刺激（配体）转化为生物化学信号。这种刺激的性质可以有很大差异，从细胞外信号，如机械力、渗透压、温度、光照以及一些配体（如生长因子、细胞因子和神经递质等），到细胞内的信号，如由复制端粒导致的DNA损伤。而受体是信号转换器，受体可粗略地分为细胞外受体和细胞内受体两大类。细胞外受体是完整的跨膜蛋白，大多数受体都为细胞外受体，其包括G蛋白偶联受体、酪氨酸、丝氨酸/苏氨酸和组氨酸特异性蛋白激酶、整合素蛋白家族、Toll样受体以及配体门控离子通道等；细胞内受体是位于其各自区域内的可溶性蛋白质，如核受体和细胞质受体等。配体和受体的结合引起信号转换从而激活主要的效应器。而这种效应器通常与第二信使相连，第二信使是进入细胞质并在细胞内起作用以引发反应的物质。实质上，第二信使是从质膜到细胞质的化学继电器，从而完成细胞内的信号转导。常见的第二信使有钙离子、脂质信使、一氧化氮以及氧化还原信号等。第二信使可以激活二级效应器（以蛋白激酶为主）等。信号可以根据节点的效率被放大（信号增益），以便一个信号分子产生数百甚至数百万个分子的响应。与其他信号相同，生物信号的转导可通过延迟、噪声、信号反馈以及前馈和干扰等参数来表征，其范围是从可忽略状态到病态。

随着生物医学研究的飞速发展，越来越多的信号通路和组分被发现，并且信号通路之间的交叉转导也愈渐复杂，研究较为全面的细胞内的主要信号通路包括G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路、酶联受体介导的信号通路（如RTK-Ras信号通路、PI3K-PKB信号通路和TGF-β信号通路等）以及其他细胞表面受体介导的信号通路（如Notch信号通路、Wnt-β-catenin信号通路等）。不同信号通路对基因表达以及细胞代谢过程均起着至关重要的作用。

信号转导与疾病的发生发展、干预以及预后紧密相关。以阿片受体为例，该受体是一类抑制性G蛋白偶联受体，阿片类药物（脑啡肽、β-内啡肽、强啡肽等）作为配体特异性结合阿片受体，发挥镇痛以及呼吸抑制等作用。除此之外，研究表明Notch信号通路、Wnt信号通路、PI3K/Akt等信号通路的异常激活均与肿瘤的发生发展紧密相关。特别是针对激酶的靶向治疗为肿瘤的精准治疗奠定了基础。以肺癌为例，EGFR的高频突变与肺癌的发生有着紧密的关系，在中国人群中，19号外显子缺失和L858R突变是两个高频突变，可以导致下游信号通路的异常激活。针对两个突变的特异性药物可以有效控制疾病的进展，长期使用后会产生新的突变，如T790M以及最新的C797S与肺癌靶向治疗后的复发和耐药等紧密相关。在乳腺癌中，HER2过表达和异常激活是导致肿瘤发生、复发和转移的主要原因之一。利用抗体类（赫赛汀）对HER2阳性乳腺癌分子进行的靶向治疗已经成为治疗乳腺癌的一种有效手段。