举一反三,分子变量的变化规律

2023-05-10 14:56:27

纵然分子有七十二般变化,但只要有举一反三的能力,就能和其愉快地玩耍。


文/子非鱼


基础科研中,变量之间叠加和变量内部拓展形成了两个不同维度,一个是“横向”,如多元变量论证,建立上下游调控关系;一个是“纵向”,包括分子类型、分子修饰、不同转录本的分子功能等问题。

 

分子作为三变量里的灵魂角色,其形式复杂多变,着实让人眼花缭乱。但考虑到分子及其修饰形式是一个不可分割的整体,且分子修饰也只是分子变量的具体变化,因而修饰后的分子并非是一个新的变量。

 

因而,本策“举一反三”则将细述分子变量纵向展开的细节模式,并会从DNA、RNA和蛋白三种分子类型来探讨分子修饰的问题。


DNA水平变化


DNA甲基化是最早发现的表观修饰形式,可通过甲基转移酶将DNA胞嘧啶进行甲基化修饰,可使基因组遗传信息表现出更丰富的多样性和可塑性。这个过程是可逆的,可通过去甲基化酶实现去甲基过程。

 

DNA甲基化可沉默基因表达。通常当启动子DNA甲基化后,可阻止转录因子结合DNA,进而抑制转录。再者,甲基化的DNA可招募特异的蛋白复合物,结合组蛋白的甲基化修饰,形成致密的异染色质结构,也可抑制表达。

 

此外,DNA还可发生突变(Mutation):1)点突变,一个碱基发生改变引起核苷酸序列变化。生殖细胞突变会导致遗传性疾病,而体细胞突变导致恶性肿瘤;2)插入性或缺失性突变,碱基多了或者少了。

 

SNP(Single Nucleotide Polymorphism)则是一种天然存在的单个核苷酸变化引起的DNA序列多态性,也是人类个体间存在差异的基因学基础。SNP跟突变虽然都是DNA序列上的变化,但两者最显著区别是,在群体中发生频率高于1%才能定义为SNP,而致病突变发生频度远低于1%。

 

RNA水平变化


RNA编辑是指在mRNA水平上改变遗传信息,如核苷酸的缺失、插入或置换,可导致翻译生成的蛋白质氨基酸序列改变,确保细胞更迅速、灵活地对环境变化做出响应的机制。

 

其中,可变剪切或选择性剪切(Alternative Splicing),可删除前体mRNA中的内含子,拼接外显子形成成熟的mRNA。因拼接的方式多种多样,一条mRNA前体链可形成多个成熟体mRNA。

 

而最常见的编辑类型是腺嘌呤(A)脱氨基转化为次黄嘌呤(I),即A-to-I editing。次黄嘌呤在翻译过程中会被识别为鸟嘌呤(G),可导致密码子改变、氨基酸变异。已有研究表明A-to-I editing对神经系统以及肿瘤具有重要的调控作用。

 

另外,RNA的腺嘌呤甲基化(m6A)也非常常见,也是近年来的研究热点。通常m6A位于mRNA终止密码子附近和3’非翻译区,可在转录后水平上调控RNA的稳定性、定位、运输、剪切和翻译等过程。

 

一般有三类分子参与RNA甲基化:1)Writer,如METTL3和METTL14,可在体外和体内促进RNA甲基化;2)Eraser,如FTO和ALKBH5,可介导RNA的去甲基化修饰过程;3)Reader,识别并结合RNA甲基化,参与下游RNA的翻译、降解等生物学过程。

 

蛋白水平变化


蛋白主要通过翻译后修饰来调节活性,比较典型的是“五个化”:磷酸化、糖基化、泛素化、乙酰化和甲基化。

 

甲基化和乙酰化主要的修饰对象是组蛋白,可从转录角度研究基因表达调控机制。染色体中,DNA是以超螺旋的形式缠绕在组蛋白组装的核小体上的,当组蛋白发生修饰时会改变相应区域的染色质结构,从而增加或减少基因的表达。

 

其中,蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)是乙酰化过程中关键酶。此外,乙酰化还参与了代谢酶的调控以及各种生理过程,因而近年来也成为了科研热点。

 

磷酸化是蛋白活化和钝化(失活)的一个重要调节开关,是研究中非常成熟的一种蛋白修饰方式,大部分通路的信号传递就依赖于激酶对底物蛋白的磷酸化,可用特异性的抗体进行WB检测。

 

糖基化是在糖基转移酶作用下将不同类型的糖分子转移到蛋白质上,形成糖苷键,对于蛋白质的正确折叠和定位有重要作用。其中参与了分子识别、细胞通信、信号转导等生物学过程的大部分膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白,因而糖基化跟很多疾病都密切相关。

 

不同于上述修饰方式,泛素化并非给目的蛋白添加单个基团,而是将一种由76个氨基酸组成的小分子蛋白质作为标签来标志蛋白,可使泛素化蛋白以蛋白酶体途径进行内源性降解,缩短了蛋白的半衰期,降低蛋白的稳定性(Stability)。

 

泛素化也是可逆的,并广泛存在于所有真核细胞中, 且序列高度保守, 从酵母到人仅相差3个氨基酸。

 

而其他相对小众的蛋白修饰形式有亚硝基化、苏木化、棕榈酰化、琥珀酰化等一百多种。其中,蛋白质的酪氨酸硝基化与氧化应激密切相关;苏木化类似泛素化,参与蛋白质的降解;棕榈酰化与蛋白和脂质的结合有关,调控膜上的受体和信号转导分子,进而调节膜融合和转运;琥珀酰化则针对赖氨酸,对细胞代谢和酶活性有明显的调控影响。

 

综上,本策“举一反三”从分子修饰的角度来理解分子这个变量本身的丰富变化,帮助大家掌握横向和纵向两个维度的思考逻辑。而下一讲“见微知著”,则将详细讲述miRNA的研究套路,敬请期待。


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