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Cell子刊:挑战传统的基因表达观点

2016.5.13

  基因表达是用遗传信息生产蛋白质的过程,这对于细胞正常运行和实现它们的许多目的,是至关重要的。基因表达发生在两个不同的步骤:首先是转录,这发生在细胞核中,然后是翻译,这发生在细胞质中。控制基因表达,对于细胞产生在正确时刻所需的确切蛋白质,是至关重要的。到目前为止,基因转录和翻译成蛋白质,都被认为是两个独立的过程。现在,瑞士日内瓦大学(UNIGE)和德国欧洲分子生物学实验室的微生物学家,进一步证实,这两个过程在本质上是相关的,并表明一个称为Ccr4-Not的蛋白复合物,通过充当细胞核和细胞质之间的一个信使,在基因表达中发挥着关键的作用。这些结果发表在《Cell Reports》,揭示了控制着我们生与死的基因表达这个过程的调节机制。

  基因表达指的是生化过程,通过这些过程,储存在我们基因中的信息,读起来就像是一本生产蛋白质的说明书,这些蛋白质可使我们的细胞正常运行。到目前为止,基因表达被认为发生在两个独特的步骤:第一个转录,这发生在细胞核中,然后是翻译,发生在细胞质中。现在,由UNIGE和欧洲分子生物学实验室带领的研究表明,转录和翻译本质上是相关的,并且不断地相互影响。为此,在细胞内,细胞核和细胞质之间进行一种非常有效的沟通,是至关重要的。这个对话是通过一个叫做Ccr4-Not蛋白质复合体促成的,该蛋白全面决定着细胞的翻译能力。

  基因表达:一条双行道

  2014年,Martine Collart和她在UNIGE医学院的团队发现,在翻译过程中,Ccr4-Not复合体可使得细胞质给细胞核提供信息。今天,他们证明,这是一种双向的沟通,因为在基因表达的所有阶段,细胞核也传达信息给细胞质,这得益于Ccr4-Not。这个复合体作为细胞核和细胞质之间的一个信使,确保转录和翻译水平都是最适合的。也能够提高翻译,以补偿转录压力,从而确保基因表达仍然是均衡的。

  事实上,越来越多的证据表明,不同程度的基因表达相互连接形成一个网络。因此,产生功能性蛋白质的各种细胞机器的组件,会产生持续的反馈。这有助于确保基因表达保持稳定。Collart教授详细揭示了这个过程:“在细胞核内的转录过程中,这一复合体控制着产生细胞质中蛋白质的机器生产。基本上,它在细胞核中控制着蛋白质如何可以作为一个整体。我们能够表明,Ccr4-Not复合体通过将细胞质和细胞核连接在一起,是基因表达的一个总体调节因子,在从基因到蛋白质生产的所有步骤中起作用。因此这个复合体构成了一个主要元素,可让细胞对外部事件做出反应,并控制蛋白质的生产。”

  本文第一作者Zoltan Villanyi指出:“以前,细胞核被认为充当一个指挥杆,控制着细胞内发生的一切。然而,在2014年我们表明,细胞核实际上是受到细胞质的影响,在那里首先出现环境信号。现在我们的研究还强调,Ccr4-Not通过在细胞核中与信使RNAs联系在一起,也调节细胞的翻译能力,信使RNAs是将来自DNA的遗传信息传递给核糖体的分子,从而让核糖体产生蛋白质。现在这幅画面是完整的:基因表达实际上取决于细胞核和细胞质之间的持续对话,Ccr4-Not复合体是协调这些不同组件内和之间的调控过程的一个关键因子。”

  Ccr4-Not复合物调控因子,对于所有动物胚胎的发展至关重要,并参与了生命所需的许多生理机制所,如心脏功能、精子形成和脂质代谢。因子该调控因子直接控制基因的表达,因此任何突变都会产生戏剧性的后果,从胚胎死亡到生命后期癌症的发展,以及各种代谢的失败。Collart教授指出:“现在,我们已经完全确定了这个调控因子影响mRNAs的步骤多样性,我们可以开始研究疾病相关的特定靶标。这将为理解调控我们基因表达与否的最基本细胞机制,打开新的途径。”

  对于基因表达这个重要的过程,科学家们一直都在进行不断的探索。2015年7月,康奈尔大学华人教授陈鹏带领的研究小组,通过在纳米级的精密度上追踪蛋白质在活细胞中的运动,对细胞调节其基因表达的方式,获得了新的认识。相关研究结果发表在《Nature Communications》。相关阅读:华人教授:细胞基因表达调控新见解。

  2015年8月,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验和理论生物学家,描述了一种控制基因表达的新方法。这种方法的关键是一个可调的开关,由一个对于医疗、甚至生物燃料生产都很有价值的小非编码RNA分子制成。相关研究结果发表在国际期刊《ACS Synthetic Biology》。相关阅读:科学家开发出控制基因表达的新方法。

  2015年9月,来自瑞士苏黎世联邦理工学院、华东师范大学等处的研究人员,在国际著名学术期刊《Nucleic Acids Research》发表的一项研究中,通过化学物质苯甲酸酯(是常见的皮肤护理产品成分)来打开和关闭转基因。

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