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結構生物化學/將功能歸因於基因和基因產物

來自華夏公益教科書

儘管中心法則對於表達物理性狀很重要,但它缺乏現代生物化學家/物理學家和生物學家所需要的深度。對於現代科學家來說,僅僅知道蛋白質從RNA翻譯而來,而RNA從DNA轉錄而來是不夠的。相反,現代生物學研究領域的科學家努力瞭解某些功能或性狀可以歸因於DNA的特定結構,尤其是涉及特定基因的結構。

基因中心性和RNA

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基因表達的中心法則在 50 多年前就已出現,從那時起,人們對 DNA 如何在生物化學上表達有了進一步的瞭解。由於我們瞭解了其他型別的 RNA,並將其分為不同的類別,我們現在不再侷限於簡單的法則,即 DNA -> RNA -> 蛋白質;用於翻譯的 RNA 和用於調節的 RNA。經典研究將 mRNA、rRNA 和 tRNA 主要歸類為基因表達中翻譯機制的一部分,而小的 microRNA (miRNA) 則作為調節 RNA。

將功能對映到結構

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在本例中,我們將“功能”定義為由基因或 DNA 結構介導的行為。重要的是將功能歸因於特定結構/基因的科學方法。

假設您分離出一種特定蛋白質,該蛋白質可以檢測到特定的催化活性。如果您將這種特定蛋白質與給定的底物反應,並發現發生了特定的催化活性,那麼將催化活性歸因於特定蛋白質(我們將稱之為“生化功能”)是合理的。這可以透過演繹推理得到證實。(注意:在本例中,所有這些都發生在隔離狀態。這不是在現實生活中進行的生物學情景。這是在化學實驗室進行的)。現在,如果另一位研究人員透過修改編碼形成您蛋白質的氨基酸的 DNA 序列來研究同一種特定蛋白質的功能,那麼該研究人員很可能會發現,改變給定細胞中的 DNA 以使其編碼特定蛋白質也會改變細胞的其他特徵。(注意:在本例中,實驗在生物系統中進行)。然後,隨後歸因的是細胞的改變特徵是由基因改變和隨後的基因產物(編碼的特定蛋白質)引起的。由於基因被改變以產生特定蛋白質,因此還假設細胞的改變特徵是蛋白質的功能,我們可以稱之為遺傳功能。

在第一種情況下,我們觀察到蛋白質與某些底物在隔離狀態下的功能。該功能直接由蛋白質介導,沒有其他因素。在第二種情況下,我們看到了蛋白質及其在細胞中的相互作用的功能,以及作為改變遺傳序列的混雜變數。這兩種情況的意義在於表明,將功能歸因於基因取決於研究該基因的方法。在第一種情況下,透過觀察基因編碼的蛋白質的影響間接研究基因。在第二種情況下,我們觀察到改變遺傳序列以產生特定蛋白質的影響,換句話說,遺傳序列被改變為我們想要研究的序列。這兩種情況遵循不同的方法,並且獨立地傳達了深奧的資訊。但是,如果將它們結合在一起,可以看出生化和遺傳功能歸因是連續統一體上的兩個因素。

非編碼RNA

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有大量的長轉錄 RNA 轉錄本不編碼蛋白質。這些被稱為長非編碼 RNA (lncRNA)。儘管這些 RNA 不編碼蛋白質,但它們在基因表達中仍然具有很大影響,從而破壞了簡單的遺傳法則。新興研究表明,lncRNA 透過與染色質調節因子形成廣泛的核糖核蛋白 (RNP) 複合物網路,在基因組中使用特定的酶活性,這可以用來靶向基因組中的特定/適當位置。因此,lncRNA 可以用作模組化支架,類似於一種調節 RNA,透過指定 RNP 複合物和染色質狀態的組織,影響基因控制,進而影響基因表達。

關聯罪責:在確定 lncRNA 的可能功能和調節方式時,建立了一種方法,透過 lncRNA 與 mRNA(蛋白質編碼 RNA)的共表達來生成 lncRNA 功能的假設。透過這樣做,lncRNA 可以與它們可能調節的途徑分組,根據它們與相應 mRNA 的共表達情況。這是一種相關方法,也就是說,觀察的是是否存在統計學意義,並且據此推測共調節和共表達的機制。使用這種方法,已經透過它們與不同 RNA 表達途徑的關聯模式(無論是否關聯)揭示了幾個 lncRNA 家族。例如,一種特定的 lncRNA,稱為 lincRNA-p21(與 p53 相關)被發現直接受 p53 調節,隨後形成具有核因子的 lncRNA-RNP,該核因子充當全域性轉錄抑制因子,所有這些都有助於 p53 介導的凋亡。這表明 lncRNA 可能發揮著重要的作用,因為在給定示例中,它發揮著重要的生物學功能(凋亡)。

參考文獻

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Greenspan NS. “將功能歸因於基因和基因產物。”趨勢生物化學科學。2011 年 6 月;36(6):293-7。<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000411000028>。

Rinn JL. Chang HY. “長非編碼 RNA 對基因組的調節。”年度評論。2012 年 7 月;81:146-166。<http://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev-biochem-051410-092902?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%3dpubmed&>。

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