TGF-β信号转导首先由TGF-β配体结合到细胞表面的TGF-β的II、I型受体，形成异源三聚体，II型受体磷酸化I型受体的丝氨酸／苏氨酸激酶区而激活I型受体，I型受体再磷酸化而激活Smad蛋白，激活的Smad蛋白进入细胞核，和其他的核内转录调节因子结合，调节目的基因的转录 。

配体与受体结合

配体与受体结合有两种不同作用模式，一种是BMP亚家族，一种是TGF-β/Activin亚家族。BMP亚家族中，BMP配体如BMP2、 4，对BMP I型受体的胞外配体结合域有很高的亲和力，而对II型受体亲和力很低，BMP与I型受体结合后对II型受体则有很高的亲和力。从形成的复合物结构看，BMP2二聚体的两个单体在疏水键作用下形成一个“口袋”样结构，I型受体上有Phe85链，Phe85链上的芳香氨基酸形成“球”状结构。I型受体的胞外配体结合域与BMP2二聚体结合，犹如“球”进入“口袋”中，和BMP2的单体形成广泛的紧密结合。几乎所有的I型受体中均有Phe85链或是被相似的残基取代；形成BMP2二聚体“口袋”样结构的残基也存在于所有的TGF-β配体中；在TGF-β配体和I型受体结合中，“球”、“口袋”样结构对配体、受体结合也起关键作用。

TGF-β/Activin则和II型受体有很高的亲和力。II型受体的胞外配体结合域首先和TGF-β结合，再与I型受体结合，形成由I个配体二聚体、4个受体分子组成的受体配体复合物。Hart等人发现在TGF-βII型受体和TGF-β3形成的复合物结构中，结合发生在配体二聚体的远端。每个受体只同一个单体结合，这样在复合物表面形成了两个对称的凹陷，推测是为I型受体的胞外结合域准备的。另外有两个模型用来解释TGF-β复合物的形成。一是变构模型，在这个模型中，II型受体与配体结合，诱导配体产生变构，暴露出结合I型受体的特殊位点。二是协同模型，在这个模型中，I、II型受体之间不直接结合，两个受体相互协同与配体结合形成复合物。

2受体活化

配体和受体的结合诱导受体胞内激酶结构域的结构发生变化，从而磷酸化激活。Ⅱ型受体被认为可自磷酸化，处于持续活化状态，目前机制不明。活化的II型受体磷酸化I型受体GS区域的TTSGSGSG模体内的多个丝氨酸／苏氨酸残基，使其活化。

Smad活化

在静息状态下，R-Smad在细胞质中。未磷酸化的Smad 2、3和4通过β微管蛋白与细胞内微管紧密相连，存在于胞质中；当细胞受到TGF-β刺激或由于细胞骨架改变引起微管结构发生变化时，Smad蛋白与β微管蛋白分离，Smad 2、3就会与SARA (Smad anchor for receptoractivation）蛋白结合，Smad2和Smad3被SARA固定在细胞膜附近，促进其磷酸化。SARA包含一个PYVE的磷脂结合域，它的多肤和Smad2、Smad3表面疏水区相作用，加速Smad2或Smad3与受体的结合及磷酸化。

R-Smad的MH2区有“基袋”样结构，磷酸化的I型受体GS区与R-Smad有很高的亲和力，R-Smad的“基袋”样结构就与活化的I型受体GS区结合，导致R-Smad的MH2区C端SSXS模体的两个丝氨酸残基磷酸化，使R-Smad激活。I型受体磷酸化并不是增加了激酶的活性，而是为结合Smad蛋白提供位点。需要指出的是，TGF-βI型受体磷酸化的GS区与R-Smad的高亲和力、R-Smad的磷酸化对决定TGF-β信号转导的方向作用不大。起作用的是TGF-βI型受体GS区邻近的L45环和R-Smad上”环的相互识别，在TGF-β与BMP I型受体的L45环间有4个氨基酸不同，L45环和L3环的配对决定信号的转导方向。

活化后的R-Smad发生变构，从I型受体及SARA上脱离出来，自身间或与CO-Smad相互作用形成同源聚合物或异源聚合物。在机制上，Wu等人认为是由于活化后的R-Smad的C端Pser-X-Pser与邻近的Smad蛋白的“基袋”样结构的作用要强于与I型受体磷酸化的GS区的作用，另外Smad2活化后降低了与SARA的结合力。聚合物可为二聚体也可为三聚体，取决于其他转录因子的作用，如Fsat-1作用下，Smad2、4聚合；c-Jun作用下，Smad3 、4聚合形成二聚体；Fast-3作用下，则Smad2、2、 4聚合形成三聚体。

Smad的核质穿梭

在静息状态下，R-Smad在细胞质中，I-Smad在细胞核中，Smad4在两者中都有分布。对于Smadl、3、MHI区H2螺旋结构上有核定位信号NLS，在静息状态时，MH1和MH2区相互抑制，NLS被掩盖；当Smadl 、3活化后其NLS暴露出来，同importinβ结合，进入细胞核内。对Smad2的研究发现，Smad2的MHI区H2螺旋与β发夹结构间由于插入了30个独特的氨基酸残基，使其与DNA结合的能力很弱。但磷酸化后，在FG ( Phe-GLY）介导下，Smad2的MH2区能直接和核孔复合物上的核孔蛋白CAN/Nup214、Nup153结合，结合后的Smad2能直接进出胞核；Xu等人还发现Smad2在没有入核因子importin和出核因子CRM-1时也能进出胞核；Smad2的出入决定于细胞质和细胞核中信号转导的竞争。Smad4进入核中需要同活化的R-Smad结合，Smad4也能独立于TGF-β信号而进行质核穿梭，Smad4蛋白MH1区的H2螺旋上有核定位信号NLS，此外β发夹结构上的Arg 81残基的也起入核作用；其连接区linker上有出核信号NES (nuclear export signal)，常由于Smad4和R-Smad形成异源复合物而被掩盖，当异源复合物被破坏后NES暴露出来，Smad4转出核外；这需要出核因子CRM-1的协助。I-Smad在静息状态时常在核内，当有TGF-β信号时I-Smad转位到胞质中；TGF-β信号诱导Smad7出核；而BMP信号则诱导Smad6出核，这需要胞质中滞留蛋白的协助。

Smad与DNA的结合及目的基因的选择

在胞核内，Smad4和所有的R-Smad ( Smad2例外）都能与DNA结合，Smad蛋白首先与SBE (Smad binding element）结合。SBE含有4个碱基，5’-AGAC-3'，在人类基因组中大约每隔1024个碱基对就出现一次。Smad蛋白MH1区的β发夹结构能与SBE蛋白的3个碱基结合，然后与许多其他的Smad蛋白协同因子或抑制因子结合，再与DNA结合，就开始了基因的转录调节。比较Smad 1、3、4发现，SBE并不能决定信号的特异性，而是参与协同及抑制因子决定目的基因的转录和信号方向，即Smad蛋白的伴侣分子（partner)。不同Smad蛋白的伴侣分子组合介导不同的信号，如Fsat-1作用下，介导Smad2、 4聚合，OAZ介导Smadl 、4聚合，其他的如Mixer、E-box、Jun/Fos、Runx、CREBP, TGIF、c-Ski、SnoN等都显示出Smad蛋白的伴侣分子的功能，正是它们的相互作用才决定了TGF-β的信号方向。同一TGF-β信号在不同的细胞、同一细胞的不同状态时会诱导出不同的反应，这些是由细胞及亚型的不同和所处的状态不同引起的，其具体机制目前尚不明确。

Smad蛋白转导信号的中止

活化的R-Smad在磷酸酶作用下去磷酸化而失活，通过泛素化和蛋白酶介导的降解来中止Smad蛋白转导的信号，这些过程主要涉及I-Smad、Smurfl、2与蛋白酶等。活化的Smadl 、5主要被Smurfl泛素化，Smad2则主要以蛋白酶方式降解。静息状态下，Smad7在核内与乙酰转移酶p300结合，使其64、70位的赖氨酸乙酰化，防止被Smurf介导的泛素化，当它转移到胞质中时，与p300分离，在Smad蛋白被降解时一起泛素化及降解。当有TGF-β信号时，Smad7移位到胞质中，直接结合到TGF-β1型受体上，阻止R-Smad的磷酸化，它还和Smurfl , 2共同介导TGF-β受体的泛素化和蛋白酶降解。Smad6则主要是与活化的Smadl竞争性地结合Smad4来抑制BMP的信号转导。实际上，Smad2、3在胞核内激活转录后与Smurf2结合，只有少部分被泛素化降解，大部分是去磷酸化后被转移到细胞核外，重新参与信号的转导。