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通路, 转录因子背后的玄机

转录调节一直以来都是国际研究热点,从转录调节去理解生命的本质和进化规则的研究也常常带来令人惊喜的科研结果,而我们细胞信号通路研究的最终目的也都是汇聚到基因的表达调控层面上。


当遭遇环境变化或多细胞生物细胞因子激素等其他因素的变化后,细菌和细胞都会发生一系列的变化,最终效果是引起转录谱的变化,通过表达相应蛋白完成胞外指令或对抗外来环境压力。当然原核生物相对于真核生物的调节方式而言显得简单粗放,真核生物则是精准且多层次性的。我们不妨比较下这些转录因子的激活方式,帮助大家理解生物调节的多样性以及对环境的适应能力:



1.原核生物的乳糖操纵子


乳糖操纵子并非是一个转录因子,而是一种转录激活的调节模式。细菌相关功能结构基因常连在一起形成一个基因簇,编码同一个代谢途径中不同的酶。基因簇受到统一调控,一开俱开,一闭俱闭。乳糖分解代谢相关的三个基因,lacZ、Y、A就是很典型的是上述基因簇。它们的产物可催化乳糖的分解,产生葡萄糖和半乳糖。lacZ、Y、A基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI一般和结构基因相毗连,但它本身具有自己的启动子和终止子,成为独立的转录单位。当阻遏蛋白结合转录起始处,基因转录被抑制不能表达,而当诱导物如乳糖存在时,结合阻遏物解除其抑制,使得代谢乳糖相关的酶得以合成,代谢得以进行。


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这种调节方式经济灵活,对营养的反应也相当迅速,适合细菌这种低等生物对营养依赖的粗放型生长增殖模式。只要营养充分,就可利用以生长和繁衍。其种族的延续主要以量制胜。


2.真核生物的转录调节方式


真核生物,相较于原核生物最大的差别在于核和细胞质是不连续的,且有功能相对独立的细胞器结构。其代谢模式不仅相对于原核生物利用率高,而且对环境的抗压能力显然也得到了较大提升,当然这两点也是互为联系的。小编这里仅举几个例子来说明真核生物转录因子调节的多层次性和复杂性来理解进化获得的更强的适应能力。


A.MAPK的级联反应模式


很多刺激,如生长因子、细胞因子、射线、渗透压以及体液流过细胞表面时产生的切应力等因素都可以激活MAPK信号转导通路。这种激活的模式关键在于逐级磷酸化后的酶可以被激活,都可以磷酸化其相应底物,最终的底物是转录因子。经过磷酸化后的转录因子如c-jun,c-fos被激活后即可发挥转录功能。这种反应的关键在于信号的逐级放大,经过MAPKKK、MAPKK、MAPK的三级信号放大,显得细胞对信号或压力的动员能力非常强,可以很好的完成机体的信号指令或者能完美处理环境的危局。真核生物的这种调节模式是不是显示出了较强的适应能力?


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B.STAT/NF-κB的激活模式


本栏前面已经有对STAT和NF-κB做了较为专业的讨论。其作用模式是已经转录翻译表达的转录因子在细胞浆中随时待命,一旦信号来临可以随时被激活转运至细胞核中并转录相关靶基因,反应非常之迅速!而反应迅速对细胞的生存适应能力显然是十分关键的。试想,如果一个有害刺激对细胞造成了局部伤害,而细胞还没来及反应过来就已经受到了致命伤,在漫长的进化长河中这种早就灭绝了。




举个例子,恐龙的灭绝固然有很多说法,如气候巨变、流星雨。但其自身的因素不可忽视,这种庞大的个体除了物质和能量交换非常迟钝外,自身的反应的调节也是,当局部的伤害不能及时反馈给个体并予以处理,一旦有个外界的变化压力,都将会是致命的。这里,机智的读者可能会问,那细菌的乳糖操纵子这种模式不是也很高级吗?那么迅速!是的,不然也不会存在至今。但主要的是乳糖操纵子这种模式虽可以经济有效响应代谢物质,但可以视为无差别的调节,也缺乏真核生物的层次性。下面我们试着理解下真核生物的层次性。


C.立早基因


立早基因是一类在正常情况下不表达、受到刺激时才会被诱导表达的转录因子,如P53,Nur77等,往往这一类转录因子及其靶基因可以发挥相应的指令抵抗有害环境压力以安然度过危机。细心的观众也会发现在MAPK的那张图里也可以看到如Nur77这样的基因。这样的立早基因通常都可以被前面提到的两类转录因子所表达。立早基因的表达通常都是保护性的,可以认为是细胞应对环境变化的二重手段,是较为深层次的调节。它们的半衰期也很短,一般都是诱导表达出来发挥一波转录,自身随机降解,靶基因去发挥功能。这类基因在细胞质中也经常发挥调节作用。



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