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生命启示录–生命信息

已有 3039 次阅读 2021-11-20 11:37 |个人分类:My Ideas|系统分类:观点评述

目前比较被人们确信的生命密码有三套,分别是位于“中心法则”中的“碱基三联体密码”(常说的“遗传密码”Genetical Code)、组蛋白密码(加上DNA修饰和小核糖核酸microRNA,统称“表观遗传密码”)和多肽折叠成三维空间结构的Anfisen's Code。其中,“碱基三联体密码”研究最清楚。

碱基三联体密码

"碱基三联体密码"是上个世纪六十年代最重要的生命科学研究进展之一。它是随着生命机制在分子水平上的解析而发现的一套经核糖体生产多肽的信息指令密码,其“密码指令的实体是信使RNA(mRNA),来自“基因转录”,依据各自编码DNA上的碱基线型排列顺序的酶催化过程。DNA–>RNA(编码RNA(mRNA)和非编码RNA(noncoding RNA,ncRNA)或不准确地称为功能RNA)–>肽(非编码RNA执行其他功能),被分子遗传研究者称为“中心法则”(Central Dogma)所传递的生命密码信息。

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碱基三联体密码

(DNA上碱基排列决定的一套多肽链氨基酸排列的指令)

表观遗传密码

  表观遗传密码(Epigenetical Code)涉及组蛋白修饰所依附的“组蛋白密码”,以及DNA修饰和非编码RNA作用行为所依据的“密码指令”。

   “组蛋白密码”(Histone Code, Histone Modification Code,06年前后出现的认知)发生在组蛋白“不具结构的氨基端肽链”(Unstructured)的“碱性氨基酸”侧基上的多种化学修饰(见下图),这些修饰主要在赖氨酸和精氨酸的侧基上进行(碱性氨基酸还包括组氨酸,但这个碱性氨基酸在人婴儿期属于人的“必需氨基酸”,因为它合成量不足以满足自身需要。需要通过食物补充,而到了成人,这个组氨酸供应不足问题会得到缓解。因此被理解为“半必需氨基酸”,同样精氨酸也属于人体的半必需氨基酸,但组氨酸在组蛋白密码形成过程中没有确定的贡献),多见发生赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸侧基的甲基化、去甲基、乙酰基化、去乙酰基以及泛素化修饰等等,除此之外,也见在其丝氨酸、苏氨酸和络氨酸等羟基氨基酸侧基发生的磷酸化修饰等等。

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组蛋白N端无序肽段上的化学修饰

这些修饰和去修饰均为酶催化过程。比如甲基化和去甲基化修饰所需要的多种酶已经成为研究热点酶。甲基转移酶把S–腺苷甲硫氨酸的一碳单位转移至赖氨酸或精氨酸的侧基(甲基这个一碳单位,来自四氢叶酸(绿色蔬菜)参与的代谢,这个过程中的甲基最终以甲酰甲硫氨酸的形式参与组蛋白某些赖氨酸和精氨酸残基的甲基化修饰)。细胞内有一大类“甲基”识别蛋白(Methyl-binding protein,MBP),可以“阅读” 组蛋白N端肽链中氨基酸“甲基” 编码...

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          表观遗传密码指令作用于减数分裂重组

        (人和小鼠等哺乳动物性细胞产生过程中需要在减数分裂前完成减数分裂重组,研究发现这类重组需要PRDM9在组蛋白H3的第4和36位赖氨酸进行甲基化修饰,这个减数分裂重组位点的表观遗传标记可以被ZCWPW1解读)

多肽折叠密码

   这套“密码”又称Anfinsen 法则(Anfinsen's Dogma), 主要内容是说至少对于一个球蛋白而言,在标准的生理环境中,其三维空间结构的形成取决于其未折叠的多肽上氨基酸的排列顺序。

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多肽到三维空间结构的形成取决于多肽中氨基酸的排列顺序


显然,中心法则中“三联体密码”取决于碱基在DNA序列上的排列,而多肽链上的氨基酸排列顺序取决于碱基排列顺序,而碱基排列顺序并非随机(我们曾经用一个随机排列软件进行分析,希望看一下多少次随机排列组合出的DNA序列编码一条自然存在的肽,概率太低)。

遗传密码和表观遗传密码

  以碱基三联体组成的遗传密码主要是对核糖体合成肽过程中氨基酸残基在肽链上的的排列顺序进行“规定”,因为依据Anfinsen规则,这样的氨基酸排列顺序决定了一个蛋白质的三维空间结构,而蛋白质的功能取决于其三维空间结构。因此可以理解为“一个生命体(蛋白体)的“结构模块”是其“基因组”自带的”。“特定的读码方式依据三联体密码指令可以翻译出不同的肽链,可以折叠成不同三维空间结构的蛋白质分子,体现不同的功能”。“遗传密码”具有“刚性”和“不可变性”,任何碱基和碱基排列顺序的改变都会改变一条肽链(基因突变),造成一个分子实体功能缺陷(Loss of function),或形成一类具有新增功能的分子(Gain of function)。与“遗传密码”不同,“表观遗传密码”更多地负责一个“基因组的三维空间组织和其中特定染色质区段的“活跃”或“沉浸”,以及“在维持等位基因多型性过程中一个个体中的两个基因组之间的交换和重组”以增加等位基因的多型性。因此,遗传密码更多在分子水平决定蛋白质种类和功能RNA种类,不能有更多的可塑性或弹性,而表观遗传密码提供基因组的空间组织和基因表达的模式,因此与细胞的分化关系更直接,也因此具有更多的可塑性和弹性。



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