細(xì)胞核內(nèi)的一些重要物質(zhì)及其功能

錢敏艷

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué) 無錫 214154 )

細(xì)胞核的組成成分極其復(fù)雜，除蛋白質(zhì)與核酸之外，其他成分幾乎都與蛋白質(zhì)與核酸有關(guān)，這些組分通過對(duì)蛋白質(zhì)和核酸的修飾與去修飾，實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控。本文介紹細(xì)胞核內(nèi)除蛋白質(zhì)和核酸之外的一些重要物質(zhì)及其功能。

1 細(xì)胞核內(nèi)的氨基酸及其功能

氨基酸要進(jìn)入細(xì)胞核，首先要突破核膜屏障。核膜作為細(xì)胞質(zhì)同細(xì)胞核之間的界限，對(duì)穩(wěn)定核的形態(tài)和化學(xué)成分起著十分重要的作用。核膜上的核孔復(fù)合體是一個(gè)雙向性的親水性核質(zhì)交換通道，相對(duì)分子量小于5000的小分子可以自由擴(kuò)散進(jìn)入核內(nèi)[1]。所以氨基酸可以以被動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)。

核內(nèi)最常見的氨基酸為S-酰苷甲硫氨酸(SAM)，作為組蛋白與DNA甲基化的供體，在不同的甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，將甲基向目標(biāo)分子轉(zhuǎn)移。例如，催化精氨酸(Arg)甲基化的酶被通稱為蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMT) 家族，這類酶主要催化甲基從S-酰苷甲硫氨酸向精氨酸中胍基氮的轉(zhuǎn)移。不同物種之間，甲基轉(zhuǎn)移酶種類各異，可催化不同的氨基酸甲基化，催化位點(diǎn)也存在差異[2]。作為一種重要的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制，組蛋白甲基化修飾在多種生命過程中發(fā)揮了重要的作用。細(xì)胞內(nèi)有多種組蛋白甲基化酶和去甲基化酶共同調(diào)節(jié)組蛋白的修飾狀態(tài)，在組蛋白甲基化狀態(tài)確定后，多種效應(yīng)分子特異的讀取修飾信息，從而參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程[3]。

除了SAM作為甲基供體之外，氨基酸不僅作為蛋白質(zhì)合成的底物，而且還作為營養(yǎng)信號(hào)分子調(diào)控著許多基因的表達(dá)。氨基酸既可在轉(zhuǎn)錄水平, 又可在轉(zhuǎn)錄后水平上對(duì)某些基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。Jousse等人的研究表明，在肝癌細(xì)胞(HepG2)培養(yǎng)介質(zhì)中去掉亮氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸、天冬酰胺和半胱氨酸會(huì)誘導(dǎo)天冬酰胺合成酶基因的表達(dá)；而纈氨酸和其他非必需氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和絲氨酸)不影響該基因的表達(dá)。已發(fā)現(xiàn)在天冬酰胺合成酶基因的啟動(dòng)子區(qū)存在一個(gè)氨基酸響應(yīng)元件，氨基酸缺乏所調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄是通過它來實(shí)現(xiàn)的[4]。

2 細(xì)胞核內(nèi)的葡萄糖及其功能

葡萄糖作為主要的能源物質(zhì)，在胞漿中經(jīng)過糖酵解生成丙酮酸，再進(jìn)入線粒體進(jìn)行三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化，實(shí)現(xiàn)能量的逐級(jí)釋放。糖代謝在核外進(jìn)行，但糖代謝的調(diào)控則受細(xì)胞核的控制，進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)的葡萄糖與氨基酸一樣，參與基因表達(dá)的調(diào)控。在擬南芥細(xì)胞核內(nèi)，己糖激酶I(HXK1)是一種葡萄糖受體。擬南芥雖然只有一小部分的HXK1存在于細(xì)胞核內(nèi)，但其作用是葡萄糖依賴的基因表達(dá)和植物生長發(fā)育不可缺少的[5]。遺傳和染色質(zhì)免疫沉淀分析表明，核內(nèi)HXK1與VHA-B1(液泡H+-ATP酶B1)和RPT5B(蛋白酶體亞基調(diào)節(jié)顆粒)形成一個(gè)葡萄糖信號(hào)復(fù)合體核心，該核心與靶基因的啟動(dòng)子直接結(jié)合，從而調(diào)節(jié)特異性靶基因的轉(zhuǎn)錄。除了擬南芥，在酵母菌、哺乳動(dòng)物和植物中，細(xì)胞核內(nèi)也存在這三種蛋白的相互作用和協(xié)同作用，以介導(dǎo)葡萄糖傳感信號(hào)。從酵母菌到哺乳動(dòng)物和植物，葡萄糖都是生理、代謝、生長和基因的表達(dá)重要的調(diào)控因子。

3 細(xì)胞核內(nèi)其他重要物質(zhì)及其功能

3.1 乙酰輔酶A 作為組蛋白乙?；墓w，在組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的催化下，乙酰輔酶A中的乙?；D(zhuǎn)移到組蛋白的賴氨酸殘基上。組蛋白乙?；?去乙?；赏ㄟ^改變?nèi)旧|(zhì)周圍電荷或參與染色質(zhì)構(gòu)型重建而影響基因表達(dá)，更重要的是組蛋白乙酰化/去乙?；尚纬梢环N特殊的“密碼”，被其他蛋白質(zhì)識(shí)別，影響多種蛋白質(zhì)因子的活動(dòng)或與其相互作用，參與到基因表達(dá)調(diào)控的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中[6]。

3.2 Ca2+游離的Ca2+是細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使, 參與許多重要生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)。Ca2+也可作為細(xì)胞核內(nèi)的信號(hào)參與DNA復(fù)制修復(fù)、基因轉(zhuǎn)錄、核蛋白磷酸化和細(xì)胞凋亡等過程的調(diào)節(jié)。因此，核內(nèi)Ca2+跨核膜的轉(zhuǎn)運(yùn)及核鈣穩(wěn)態(tài)的精密調(diào)節(jié)，對(duì)細(xì)胞功能的維持具有重要意義。Ca2+并非被動(dòng)自由地進(jìn)出細(xì)胞核, 而是通過細(xì)胞核上的Ca2+調(diào)節(jié)系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)節(jié)。核Ca2+調(diào)節(jié)系統(tǒng)由Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)、結(jié)合和釋放等成分組成，它包括核被膜上的Ca2+-ATPase、IP3、IP4和cADPr 開啟的鈣通道[7]。

3.3 激素與其他信號(hào)分子 部分激素或信號(hào)分子的受體并不分布在細(xì)胞膜上，而是位于細(xì)胞核中，被稱之為核受體。核受體是由一大類配體激活的轉(zhuǎn)錄因子超家族成員組成，它們與靶基因上相關(guān)的應(yīng)答元件結(jié)合從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，對(duì)細(xì)胞發(fā)育、分化和生理功能起著重要的調(diào)節(jié)作用。進(jìn)入到核內(nèi)與這些受體結(jié)合的激素與信號(hào)分子主要包括雄激素、雌激素、孕激素、糖皮質(zhì)激素、鹽皮質(zhì)激素、維生素D3、甲狀腺激素、視黃酸等[8]。

3.4 ATP ATP除了為細(xì)胞核內(nèi)的反應(yīng)供能以及作為合成RNA的原料之外，還可作為組蛋白磷酸化的磷酸基團(tuán)供體。組蛋白磷酸化在有絲分裂、細(xì)胞死亡、DNA損傷修復(fù)、DNA復(fù)制和重組過程中發(fā)揮著直接的作用。例如，組蛋白H3 N端的磷酸化可能促進(jìn)染色質(zhì)在有絲分裂期間的凝集；組蛋白H1的磷酸化能夠影響DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的改變和染色體凝集狀態(tài)的改變，另一方面，組蛋白H1的磷酸化需要DNA的復(fù)制，并且激活DNA復(fù)制的蛋白激酶也促進(jìn)組蛋白H1的磷酸化。因此，組蛋白H1磷酸化與DNA的復(fù)制存在協(xié)同發(fā)生機(jī)制[9]。