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結構生物化學/基因和基因產物的功能歸屬

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基因和基因產物功能的不同視角
將功能概念應用於基因和基因產物時,人們往往認為理所當然。人們往往誤解或簡化了基因和基因產物功能的概念,以適應不同的情況。Neil S. Greenspan 為我們提供了幾種井井有條的方式,以區分基因和基因產物在不同方面的功能歸屬。
生化功能與遺傳功能
生化功能:生化功能歸屬的基礎僅僅是真實基因產物的行為,而不考慮生物環境。例如,分離蛋白質 X(即“不考慮生物環境”)以檢測其特定的催化活性(即“真實基因產物的行為”)。生化功能是指對基因產物功能的較狹隘的看法,因為它僅由基因產物直接介導的影響決定(Greenspan 293)。
遺傳功能:遺傳功能歸屬的基礎是整個系統(通常稱為細胞或生物體系統)在有或沒有野生型基因產物存在的情況下表現出的行為。例如,當修改 DNA 序列(即“有或沒有野生型基因產物的存在”)時,我們可能可以改變單個細胞的表型,甚至改變整個生物體的表型(即“整個系統的行為”)。在這個例子中,需要生物學背景,這與生化功能歸屬相反。遺傳功能是對基因產物功能的相對廣泛的看法,因為它是在觀察有或沒有野生型基因的整個系統時決定的。遺傳功能通常見於基因工程中。例如,在研究 IFN-γ 對炎症的行為時,野生型小鼠和具有不同濃度 IFN-γ 的小鼠在炎症水平方面進行了比較。這是一個典型的遺傳功能歸屬示例,因為實驗需要生物環境,並且比較了有或沒有野生型基因產物的整個系統的行為。
歸因於基因或基因產物的其他功能意義
意義 1. 功能應該是對細胞或生物體功能的積極貢獻。根據這種意義,歸因於基因或基因產物的功能應該有利於相關細胞或生物體的生存和繁殖。換句話說,這種積極的功能歸屬應該與有利於進化適應相一致。
意義 2. 功能應由特定基因產物對細胞或生物體的淨效應決定。此外,這種功能歸屬分為兩個部分:(i)與沒有基因產物相比(ii)與等位基因形式相比。這種意義類似於遺傳功能的概念。例如,在研究 β-珠蛋白基因座上的鐮狀細胞等位基因時,我們不僅要觀察雜合子形式,還要觀察純合子形式,鐮狀細胞雜合子形式和純合子形式組合的這種淨效應決定了編碼 β-珠蛋白基因座上的鐮狀細胞等位基因的基因產物的功能。
分子功能的關係性質
基因和基因產物功能的分類可能更復雜。Greenspan 指出,歸因於給定蛋白質或 RNA 分子的影響可能在不同的細胞環境中有所不同。(294) 例如,取決於細胞型別和細胞接收到的刺激範圍,NF-kB 的啟用會產生不同的反應。當人們簡化分子功能時,他們往往會犯“基本歸因錯誤”,只考慮內在屬性而不考慮細胞環境,因為不同的生物環境可能會導致完全不同的影響。這也解釋了為什麼遺傳功能比生化功能更常被使用,因為它考慮了整個系統的效應,而不是分離的單個基因產物的功能。
分子功能的關鍵點是“分子之間或能量形式與分子之間的相互作用”(Greenspan 295)。因此,孤立的基因產物的功能屬性與特定環境中的基因產物的功能屬性(當與其他分子相互作用時)之間存在差異。例如,當修改編碼 XR 受體的基因以形成不同的結構時,激素或生長因子 X 不再起作用,儘管分離的 X 沒有改變結構,並且分離的 X 的功能屬性沒有改變。整個系統(當 X 與 XR 相互作用時)的功能屬性發生了變化。因此,分子功能也發生了變化。
蛋白質熱力學與功能
蛋白質熱力學技術可以幫助我們確定單個等位基因對細胞或生物體表型的功能貢獻。基本上,該技術需要蛋白質-配體結合,當應用誘變改變配體識別時。親和力和自由能會發生變化,從不同氨基酸性質的資料庫中,蛋白質熱力學可以評估我們以確定感興趣的功能或表型。蛋白質熱力學最重要的優勢是它允許我們透過查閱定量資料庫來獲得不同位置的不同氨基酸。
透過使用熱力學貢獻,科學家確定了“單個氨基酸的熱力學貢獻會隨著同一多肽鏈中其他位置的單點突變而改變”(Greenspan 295)。這個想法說明了當我們改變某些基因序列的氨基酸時,儘管基因型發生改變,但表型可能不會改變。此外,Lim 和 Sauer 發現為了保持某些氨基酸的正常功能,另一個位置需要另一個氨基酸。然而,這種氨基酸不需要是野生型中的氨基酸。例如,為了使 36 位的甲硫氨酸正常發揮功能,異亮氨酸需要佔據 51 位,而野生型中的苯丙氨酸不是必需的。這是一個很好的例子,說明即使某些氨基酸被取代,仍然存在功能上的靈活性。蛋白質熱力學允許我們透過跟蹤不同位置的不同氨基酸的性質來確定給定結構元素的功能貢獻。
基因的數學函式與基因產物的數學函式
基因和基因產物的功能通常不是由單一因素決定的,因此需要多個因素。因此,基因產物的功能可以被視為多個變數的數學函式。這些變數可以是溫度、離子強度、pH 值等等。
從數學函式的角度來看,基因的功能比基因產物的功能更復雜,因為一個基因可以透過 mRNA 剪接(即不同內含子的去除和不同外顯子的重組)產生不同的基因產物。

參考文獻

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1. Greespan, N.S. (2011) Opinion-Attributing functions to genes and gene products. Trends in Biochemical Sciences Vol.36, No.6

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