宋曉越

(西安海棠學(xué)院 陜西西安 710038)

自基因重組技術(shù)出現(xiàn)以來,細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合越來越緊密,研究細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)和其在生命活動中的作用成為主要任務(wù),其中基因調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、腫瘤生物學(xué)、細(xì)胞分化和凋亡是目前的研究熱點(diǎn)。

1 基因調(diào)控

1.1 基因表達(dá)調(diào)控的類型

生物體的所有細(xì)胞都包含相同的DNA,但其結(jié)構(gòu)和功能卻明顯不同。這是由于細(xì)胞內(nèi)存在復(fù)雜而有序的調(diào)控機(jī)制,能特異性表達(dá)基因。真核表達(dá)受細(xì)胞核及核外多層次的調(diào)節(jié),主要包括遺傳調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控。遺傳調(diào)控又包括:(1)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控:調(diào)控基因表達(dá)的時(shí)間與速率;(2)轉(zhuǎn)錄后加工調(diào)控:特別是調(diào)控mRNA前體選擇性剪接;(3)翻譯調(diào)控:選擇特定RNA翻譯成蛋白質(zhì);(4)RNA降解調(diào)控:干擾細(xì)胞中部分RNA的穩(wěn)定性;(5)蛋白質(zhì)活性調(diào)控:蛋白質(zhì)的激活、滅活、降解及區(qū)室化。表觀遺傳調(diào)控指轉(zhuǎn)錄前在染色質(zhì)水平上的結(jié)構(gòu)調(diào)整,是真核基因組一種獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制［2］。目前,表觀遺傳學(xué)研究已越來越成為基因表達(dá)調(diào)控的研究熱點(diǎn)之一。

1.2 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可表征細(xì)胞內(nèi)所有基因間復(fù)雜的相互關(guān)系。目前,發(fā)展了若干建模方法,主要包括布爾網(wǎng)絡(luò)模型、線性網(wǎng)絡(luò)模型及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型等。布爾網(wǎng)絡(luò)模型[1]把基因定量為兩種不同狀態(tài)(“開”及“關(guān)”)。分別表示基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)和未轉(zhuǎn)錄。如該模型進(jìn)一步推廣,可轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)序布爾網(wǎng)絡(luò)模型TBN［3］,有利于處理多個(gè)單位時(shí)間跨度的基因間關(guān)系。線性組合模型[4]是連續(xù)網(wǎng)絡(luò)模型,但目前測量均限于基因數(shù)要遠(yuǎn)超過時(shí)間點(diǎn)數(shù),因此其解集不是唯一,從而難有生物學(xué)意義。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[1]是種重要的概率模型,由條件概率分布及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。優(yōu)點(diǎn)是使用條件獨(dú)立的數(shù)學(xué)概念,把聚合概率分布問題分解為若干局部條件概率分布問題;具良好學(xué)習(xí)能力;能很好地處理隱變量及數(shù)據(jù)缺失問題。不足是不能明顯表現(xiàn)出基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)特征。微分方程模型優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)大靈活,有利于描述基因網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜關(guān)系,特別適用周期性表達(dá)基因[1]。缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)中蛋白質(zhì)含量較難獲得,也忽略了其他調(diào)控物影響。

2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

細(xì)胞及細(xì)胞間信息交流由上百種不同信號分子介導(dǎo),包括肽類、核酸、甾體、視黃素類、脂肪酸類等。信號分子可被特異性受體識別并激活受體,通過對下游效應(yīng)分子的修飾將信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)各部位。研究細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本方法和研究成果已對現(xiàn)代生命科學(xué)的各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生了深刻影響和巨大的推動作用,成為現(xiàn)代生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。

此外,對細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理的研究能在細(xì)胞及分于水平闡明許多人類疾病產(chǎn)生的原因,并據(jù)此研制新藥。目前,國際暢銷的前100種藥中約2／3以上是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子或其靶向是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。因此,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究成果的應(yīng)用不僅直接造福于人同時(shí)且也創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 空間細(xì)胞生物學(xué)

空間飛行可致肌肉萎縮、心血管功能障礙、內(nèi)分泌紊亂、免疫力下降、空間運(yùn)動病等。近年來,人們把注意力集中于這些變化發(fā)生機(jī)理的研究中,尤其是空間環(huán)境對細(xì)胞、分子及其表達(dá)的影響。空間環(huán)境特別是微重力環(huán)境對細(xì)胞影響的研究可追溯到20世紀(jì)60年代,本世紀(jì)90年代后,空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不斷建立使空間細(xì)胞生物學(xué)研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。

3.1 微重力條件下的細(xì)胞形態(tài)功能

空間飛行實(shí)驗(yàn)中,重力方向同細(xì)胞位置長時(shí)間內(nèi)保持相對不變,隨重力增加,細(xì)胞由最初球形變?yōu)闄E球形[5~6]。且重力值小,球形越規(guī)則。在微重力下的細(xì)胞易聚集,能產(chǎn)生更高密度[7]。同時(shí),細(xì)胞骨架系統(tǒng)對微重力環(huán)境十分敏感。比如微管及微絲聚合、解聚,骨架形態(tài)異常,有序性降低,微管變短,彌散性變化等[8]。

3.2 微重力條件下的基因表達(dá)

微重力可影響有機(jī)體的基因表達(dá):微重力能使與成骨活性相關(guān)蛋白表達(dá)下降。Hughes－Fulford在飛行實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),隨著c－fos mRNA上升,COX－2下降,但肌動蛋白的mRNA不變,認(rèn)為重力因素在細(xì)胞和分子水平有直接的效應(yīng)[9]。

[1]劉化鋒,王文燕.基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版,2006,41(6):103-108.

[2]GELENBEE.Bio-Inspired Computing and Communication[M].Berlin:Springer 2008,19-23.

[3]金志超,吳騁,高青斌等.基于時(shí)間序列表達(dá)數(shù)據(jù)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型的研究進(jìn)展[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(9):1106-1109.

[4]HAESELEER P,WEN X,FUHRMAN S,et al.Linear modeling of mRNA expression levels during CNS development and injury[J].Pacific Symposium on Biocomputing,1999,4:41-52．

[5]R. Hung,Y. Tsao,S. Gonda. Effect of Gravity on the Mammalian Cell Deformation[J].AIAA-95-1052.

[6]R.J. Hung,Y.D. Tsao,G.F.Spaulding etal.Time Sequence Evolution of Human Cell Deformation in Microgravity[J].

[7]Unsworth BR,Lelkes PI.Growing Tissues in Microgravity[J].Nat Med,1998,4:901-907.

[8]宋克東,劉天慶,李香琴等.新型旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器內(nèi)三維組織工程骨的構(gòu)建[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展,2004,31(11):996-1005.

[9]Carmeliet G,Nys G,Bouillon R.Microgravity reduces the differentiation of human osteoblastic MG263 cells[J].J Bone Miner Res,1997,12(5):78-94.