細胞核內的一些重要物質及其功能

錢敏艷

(江蘇省錫山高級中學 無錫 214154 )

細胞核的組成成分極其復雜，除蛋白質與核酸之外，其他成分幾乎都與蛋白質與核酸有關，這些組分通過對蛋白質和核酸的修飾與去修飾，實現對基因表達的調控。本文介紹細胞核內除蛋白質和核酸之外的一些重要物質及其功能。

1 細胞核內的氨基酸及其功能

氨基酸要進入細胞核，首先要突破核膜屏障。核膜作為細胞質同細胞核之間的界限，對穩定核的形態和化學成分起著十分重要的作用。核膜上的核孔復合體是一個雙向性的親水性核質交換通道，相對分子量小于5000的小分子可以自由擴散進入核內[1]。所以氨基酸可以以被動運輸的方式進入細胞核內。

核內最常見的氨基酸為S-酰苷甲硫氨酸(SAM)，作為組蛋白與DNA甲基化的供體，在不同的甲基轉移酶的催化下，將甲基向目標分子轉移。例如，催化精氨酸(Arg)甲基化的酶被通稱為蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMT) 家族，這類酶主要催化甲基從S-酰苷甲硫氨酸向精氨酸中胍基氮的轉移。不同物種之間，甲基轉移酶種類各異，可催化不同的氨基酸甲基化，催化位點也存在差異[2]。作為一種重要的表觀遺傳學調控機制，組蛋白甲基化修飾在多種生命過程中發揮了重要的作用。細胞內有多種組蛋白甲基化酶和去甲基化酶共同調節組蛋白的修飾狀態，在組蛋白甲基化狀態確定后，多種效應分子特異的讀取修飾信息，從而參與基因轉錄調控過程[3]。

除了SAM作為甲基供體之外，氨基酸不僅作為蛋白質合成的底物，而且還作為營養信號分子調控著許多基因的表達。氨基酸既可在轉錄水平, 又可在轉錄后水平上對某些基因的表達進行調控。Jousse等人的研究表明，在肝癌細胞(HepG2)培養介質中去掉亮氨酸、蛋氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸、天冬酰胺和半胱氨酸會誘導天冬酰胺合成酶基因的表達；而纈氨酸和其他非必需氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和絲氨酸)不影響該基因的表達。已發現在天冬酰胺合成酶基因的啟動子區存在一個氨基酸響應元件，氨基酸缺乏所調節的基因轉錄是通過它來實現的[4]。

2 細胞核內的葡萄糖及其功能

葡萄糖作為主要的能源物質，在胞漿中經過糖酵解生成丙酮酸，再進入線粒體進行三羧酸循環和氧化磷酸化，實現能量的逐級釋放。糖代謝在核外進行，但糖代謝的調控則受細胞核的控制，進入細胞核內的葡萄糖與氨基酸一樣，參與基因表達的調控。在擬南芥細胞核內，己糖激酶I(HXK1)是一種葡萄糖受體。擬南芥雖然只有一小部分的HXK1存在于細胞核內，但其作用是葡萄糖依賴的基因表達和植物生長發育不可缺少的[5]。遺傳和染色質免疫沉淀分析表明，核內HXK1與VHA-B1(液泡H+-ATP酶B1)和RPT5B(蛋白酶體亞基調節顆粒)形成一個葡萄糖信號復合體核心，該核心與靶基因的啟動子直接結合，從而調節特異性靶基因的轉錄。除了擬南芥，在酵母菌、哺乳動物和植物中，細胞核內也存在這三種蛋白的相互作用和協同作用，以介導葡萄糖傳感信號。從酵母菌到哺乳動物和植物，葡萄糖都是生理、代謝、生長和基因的表達重要的調控因子。

3 細胞核內其他重要物質及其功能

3.1 乙酰輔酶A 作為組蛋白乙酰化的供體，在組蛋白乙酰轉移酶的催化下，乙酰輔酶A中的乙酰基轉移到組蛋白的賴氨酸殘基上。組蛋白乙酰化/去乙酰化可通過改變染色質周圍電荷或參與染色質構型重建而影響基因表達，更重要的是組蛋白乙酰化/去乙酰化可形成一種特殊的“密碼”，被其他蛋白質識別，影響多種蛋白質因子的活動或與其相互作用，參與到基因表達調控的整個網絡中[6]。

3.2 Ca2+游離的Ca2+是細胞內重要的第二信使, 參與許多重要生命活動的調節。Ca2+也可作為細胞核內的信號參與DNA復制修復、基因轉錄、核蛋白磷酸化和細胞凋亡等過程的調節。因此，核內Ca2+跨核膜的轉運及核鈣穩態的精密調節，對細胞功能的維持具有重要意義。Ca2+并非被動自由地進出細胞核, 而是通過細胞核上的Ca2+調節系統主動調節。核Ca2+調節系統由Ca2+的轉運、結合和釋放等成分組成，它包括核被膜上的Ca2+-ATPase、IP3、IP4和cADPr 開啟的鈣通道[7]。

3.3 激素與其他信號分子 部分激素或信號分子的受體并不分布在細胞膜上，而是位于細胞核中，被稱之為核受體。核受體是由一大類配體激活的轉錄因子超家族成員組成，它們與靶基因上相關的應答元件結合從而調節基因轉錄，對細胞發育、分化和生理功能起著重要的調節作用。進入到核內與這些受體結合的激素與信號分子主要包括雄激素、雌激素、孕激素、糖皮質激素、鹽皮質激素、維生素D3、甲狀腺激素、視黃酸等[8]。

3.4 ATP ATP除了為細胞核內的反應供能以及作為合成RNA的原料之外，還可作為組蛋白磷酸化的磷酸基團供體。組蛋白磷酸化在有絲分裂、細胞死亡、DNA損傷修復、DNA復制和重組過程中發揮著直接的作用。例如，組蛋白H3 N端的磷酸化可能促進染色質在有絲分裂期間的凝集；組蛋白H1的磷酸化能夠影響DNA二級結構的改變和染色體凝集狀態的改變，另一方面，組蛋白H1的磷酸化需要DNA的復制，并且激活DNA復制的蛋白激酶也促進組蛋白H1的磷酸化。因此，組蛋白H1磷酸化與DNA的復制存在協同發生機制[9]。