浅谈细胞生物学研究进展

宋晓越

(西安海棠学院 陕西西安 710038)

自基因重组技术出现以来,细胞生物学与分子生物学的结合越来越紧密,研究细胞分子结构和其在生命活动中的作用成为主要任务,其中基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是目前的研究热点。

1 基因调控

1.1 基因表达调控的类型

生物体的所有细胞都包含相同的DNA,但其结构和功能却明显不同。这是由于细胞内存在复杂而有序的调控机制,能特异性表达基因。真核表达受细胞核及核外多层次的调节,主要包括遗传调控和表观遗传调控。遗传调控又包括:(1)基因转录调控:调控基因表达的时间与速率;(2)转录后加工调控:特别是调控mRNA前体选择性剪接;(3)翻译调控:选择特定RNA翻译成蛋白质;(4)RNA降解调控:干扰细胞中部分RNA的稳定性;(5)蛋白质活性调控:蛋白质的激活、灭活、降解及区室化。表观遗传调控指转录前在染色质水平上的结构调整,是真核基因组一种独特的调控机制［2］。目前,表观遗传学研究已越来越成为基因表达调控的研究热点之一。

1.2 基因调控网络

基因调控网络可表征细胞内所有基因间复杂的相互关系。目前,发展了若干建模方法,主要包括布尔网络模型、线性网络模型及贝叶斯网络模型等。布尔网络模型[1]把基因定量为两种不同状态(“开”及“关”)。分别表示基因转录表达和未转录。如该模型进一步推广,可转变为时序布尔网络模型TBN［3］,有利于处理多个单位时间跨度的基因间关系。线性组合模型[4]是连续网络模型,但目前测量均限于基因数要远超过时间点数,因此其解集不是唯一,从而难有生物学意义。贝叶斯网络[1]是种重要的概率模型,由条件概率分布及网络结构组成。优点是使用条件独立的数学概念,把聚合概率分布问题分解为若干局部条件概率分布问题;具良好学习能力;能很好地处理隐变量及数据缺失问题。不足是不能明显表现出基因调控网络的动力学特征。微分方程模型优点在于强大灵活,有利于描述基因网络中复杂关系,特别适用周期性表达基因[1]。缺点在于实验中蛋白质含量较难获得,也忽略了其他调控物影响。

2 信号转导

细胞及细胞间信息交流由上百种不同信号分子介导,包括肽类、核酸、甾体、视黄素类、脂肪酸类等。信号分子可被特异性受体识别并激活受体,通过对下游效应分子的修饰将信号传递到细胞内各部位。研究细胞信号转导的基本方法和研究成果已对现代生命科学的各个学科领域发展产生了深刻影响和巨大的推动作用,成为现代生命科学的重要基础之一。

此外,对细胞信号转导机理的研究能在细胞及分于水平阐明许多人类疾病产生的原因,并据此研制新药。目前,国际畅销的前100种药中约2／3以上是信号转导分子或其靶向是信号转导分子。因此,细胞信号转导研究成果的应用不仅直接造福于人同时且也创造了极大的经济效益。

3 空间细胞生物学

空间飞行可致肌肉萎缩、心血管功能障碍、内分泌紊乱、免疫力下降、空间运动病等。近年来,人们把注意力集中于这些变化发生机理的研究中,尤其是空间环境对细胞、分子及其表达的影响。空间环境特别是微重力环境对细胞影响的研究可追溯到20世纪60年代,本世纪90年代后,空间实验系统不断建立使空间细胞生物学研究进入快速发展时期。

3.1 微重力条件下的细胞形态功能

空间飞行实验中,重力方向同细胞位置长时间内保持相对不变,随重力增加,细胞由最初球形变为椭球形[5~6]。且重力值小,球形越规则。在微重力下的细胞易聚集,能产生更高密度[7]。同时,细胞骨架系统对微重力环境十分敏感。比如微管及微丝聚合、解聚,骨架形态异常,有序性降低,微管变短,弥散性变化等[8]。

3.2 微重力条件下的基因表达

微重力可影响有机体的基因表达:微重力能使与成骨活性相关蛋白表达下降。Hughes－Fulford在飞行实验中发现,随着c－fos mRNA上升,COX－2下降,但肌动蛋白的mRNA不变,认为重力因素在细胞和分子水平有直接的效应[9]。

[1]刘化锋,王文燕.基因转录调控网络模型[J].山东大学学报:理学版,2006,41(6):103-108.

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

[3]金志超,吴骋,高青斌等.基于时间序列表达数据基因调控网络模型的研究进展[J].第二军医大学学报,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]宋克东,刘天庆,李香琴等.新型旋转壁式生物反应器内三维组织工程骨的构建[J].生物化学与生物物理进展,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.