- 变化是分子这个变量的特征，分子这个变量伪装很多，各种修饰形式会 让你忘了它的本质
- 不管它怎么变，我们应该始终把分子，包括基因DNA、基因的转录产物mRNA、以及基因的表达产物蛋白，还有在 DNA、RNA和蛋白三个层面上所有的修饰变化，看成是一个变量的具体变化，而不是不同的变量
- 分子及其修饰形式是一个不可分割的整体，分子修饰是分子这个变量的具体变化，不能把修饰后的分子看成一个新的变量
- 在恒量、变量的维度讨论问题时，我们只把分子看作一个变量的形式，具体的分子类型和修饰作用会折叠起来，化繁为简。
- 只有转换到针对分子这个变量进行进一步调控研究时， 思维上才会穿梭至另一个维度。这个维度里，分子从DNA到RNA到蛋白到各种修饰变化，都是不同的研究对象。
变量的不同维度
变量的X轴：数量
- 比如单变量代入五恒量
- 或者多个变量一起代入五恒量，形成多元变量，建立上下游的调控关系
- 多个分子串在一起形成珠链的形式在逻辑上称之为横向展 开
变量的Y轴：修饰
- 分子是什么类型
- 基因怎么在DNA、RNA和蛋白水平被修饰
- 同一个基因的孪生兄弟分子各自有什么功能
- 在某个特定的珠子上镂空雕花等等一系列操作称之为纵向展开
复习功能基因研究套路与延伸
- 一旦蛋白确认了有表达的差异，有掌管的功能表型，接下来就该考虑它的表达在疾病中发生变化的原因了
- 问题切入点：中心法则，研究蛋白调节的功能改变，可以关注DNA 有什么修饰调控，RNA有什么修饰调控，蛋白有什么修饰调控，这些变化最终都有可能影响到蛋白的功能。一个信号传递的过程中任何一个节点产生阻碍，都能干扰信号向终端的释放
DNA的修饰
DNA甲基化
- DNA甲基化是最早发现的修饰形式，是分子修饰的老祖宗
- DNA甲基化过程是可逆的，DNA甲基转移酶能够加上甲基，还有DNA 去甲基化酶去掉甲基。
- 简单理解DNA甲基化过程：把DNA甲基化看成一把锁，凡是当前不太需要表达的基因，可以加上甲基化印记锁起来，不表达。
- 锁起来的具体机制是首先转录是需要转录因子这一类蛋白结合在启动子上的，启动子的DNA 发生甲基化会影响转录因子的结合，这样就抑制转录了。
- 有了甲基化标记后，这些DNA可以招募到特异的蛋白复合物，加上构成染色质结构的组蛋白也能发生甲基化，这样会形成致密的异染色质结构，双重锁死，DNA 链盘在一起解不开，也就不能转录了。
DNA突变
DNA突变的分类
- 按照突变的类型分类
- 点突变：一个碱基发生改变引起核苷酸序列变化叫点突变
- 插入/缺失性突变：碱基多了或者少了的情况
- 还有很多，不一一列举
- 按照突变发生的位置分类
- 生殖细胞突变，导致遗传性疾病，比如白血病，血友病，色盲，但是大部分人都不研究遗传病，这样的研究创新比较难，可能更加依赖运气
- 体细胞突变，导致恶性肿瘤
肿瘤与基因突变
- 对于肿瘤来说，突变已经确认是一个重要的发病因素
- Driver Mutation/Driver Gene，即驱动突变或驱动基因的概念，指的是，在经过了对各种肿瘤的二代测序-全基因组关联分析之后，发现肿瘤的发生会伴随一系列的高频突变
- 而且，这些突变形成了几类pattern，可以对病人进行分子分型，不同的patteen患者，预后是不同的，对治疗方案的敏感性也不一样。
- DNA发生突变的原因很多，有些来自自发性损伤，是DNA复制过程中产生，可修复，修复不过来就产生疾病。更多DNA突变来自外因，是诱变剂作用。物理因素有紫外、辐射，化学因素包括化工原料、工业排放、农药、食品防腐剂、 添加剂等等。
DNA的SNP现象
- SNP，single nucleotide polymorphism，这是一种天然存在的，单个核苷酸的变化引起的，DNA序列多态性。SNP是人类个体与个体间存在差异的基因学基础。
- SNP非常普遍，人类基因组30亿碱基，平均每1000个核苷酸就有一个SNP，总数有300万以上的SNP。
- SNP和突变虽然都是DNA 序列上的变化，但是有一个显著的区别，在群体中发生频率高于 1%才能定义为SNP，而致病突变的发生频度远低于1%
- 举例：不同人酒量不一样，是因为酒精代谢酶酶活性不一样，这个活性的差异就体现在编 码乙醛脱氢酶的SNP位点比变化上
RNA编辑概述
- 对于DNA、RNA和蛋白的变化，常用的术语不太一样
- 蛋白主要变化形式是修饰 (modification)，氨基酸链不会变，加各种基团。
- DNA和RNA变化会涉及序列变化，序列变了才会影响蛋白功能。DNA 序列变化叫Mutation，RNA序列改变既不叫修饰，也不是突变，习惯于叫editing，编辑。
- 我们说RNA编辑是指在mRNA水平上改变遗传信息，由基因转录产生的mRNA分子可以发生变化，比如核苷酸的缺失、插入或置换，这样就导致翻译生成的蛋白质的氨基酸组成编码信息改变。
RNA的可变剪接/选择性剪接
- alternative splicing
- 一个基因编码一条前体mRNA链（学名hnRNA，核不均一RNA链），经过转录后加工形成多个成熟体mRNA 的过程就叫可变剪切。
- 一条刚转录出来新鲜出炉的前体mRNA，要经过加工摆盘的操作才能上桌，要把序列里面的内含子去除，把外显子拼接起来，形成成熟的mRNA。
- 关键问题是，这种拼接的方式不是唯一的，比如有123456 六个外显子，可以135拼接起来成为一个mRNA，也可以246拼接，还可以1245等等形式
- 可变剪切普遍存在，人有2万多个基因，十几万个蛋白，这中间不是一一对应的关系，一个基因可以编码几个蛋白，靠的就是可变剪切
- 可变剪切跟疾病是否有关联，是在RNA水平经常会考虑到的一个问题，尤其是选的Candidate，发现有表型，在NCBI Gene数据库检索背景信息的时候发现还有不同的剪切变异体，又叫转录本(isoform)；做完表型在设计机制的时候你就可以考虑，看看不同的isoform是否有不同功能。
- 这类研究中一个很著名的分子是丙酮酸激酶PK，它是代谢途径中一个重要的酶。
- 哺乳动物PK已知有4种转录本，PKL主要表达与肝和肾，PKR主要表达于血红细胞，PKM1广泛表达于心脏、肌肉和脑组织，而 PKM2主要表达于增殖性的细胞，如胚胎和肿瘤。
- 不同转录本在不同组织中分布是不同的，这就提示了功能上可能有差别。研究发现PKM2除了激酶活性之外还有蛋白酶活性，在肿瘤中能调控下游基因表达和促进肿瘤增殖和转移。
- 如果能原创发现一个基因的不同转录本用来执行不同功能，这是一个很有水平的研究成果
RNA的”编辑”
A to I editing
- 在人类中，最常见的RNA编辑类型是把腺嘌呤(A)脱氨基，转化为次黄 嘌呤( I )， 即A-to-I editing。
- 连修饰都被称为editing，这是因为这种editing导致了翻译时蛋白质序列 的变化。A-to-I是酶催化的，造成的结果是次黄嘌呤在翻译过程中被识别为鸟嘌呤(G)，密码子改变，氨基酸也发生改变。
- 研究表明，A-to-I editing对神经系统的功能具有重要的调控作用，与神经性疾病、精神障碍发生有关，它跟肿瘤的关系也很密切
RNA甲基化
- DNA的甲基化修饰是发生在胞嘧啶(C)上的，而最常见的RNA的甲基化修饰是发生在腺嘌呤上，修饰的产物为m6A(N6-methyladenosine，6-甲基腺嘌呤)。
- m6A甲基化可以发生在mRNA上也可以发生在lncRNA上，在哺乳动物中，发生m6A修饰的腺嘌呤比例平均下来，频度落在每条mRNA有3-5 个位点。
- 通常 m6A位于mRNA终止密码子附近和3’-非翻译区。 这种RNA甲基化修饰能够在转录后水平上调控RNA的稳定性、定位、运输、剪切和翻译， 几乎是方方面面都有用。
mRNA甲基化的主要分子
- writer——将甲基化写入RNA
- 也就是促进RNA的甲基化啦
- 最常见的分子是METTL3和METTL14，这两个酶都可以在体外和体内催化RNA的m6A甲基化
- Eraser——将RNA的甲基化修饰信号擦除
- 也就是介导RNA的去甲基化修饰过程
- FTO和ALKBH5是两个去除RNA上m6A甲基化的关键分子
- Reader——读取RNA甲基化修饰的信息
- 可以参与下游RNA的翻译、降解等生物学过程
- 这些Reader一般具有识别并结合mRNA中的m6A位点的特异性结构域，结合之后的经典作用为减少mRNA的半衰期，促使其降解
蛋白的翻译后修饰概述
- 蛋白水平的活性调节主要表现在修饰上，因为是蛋白翻译完了之后再修饰，所以也称作翻译后修饰
- 比较经典的“五化”: 蛋白的磷酸化，糖基化，泛素化，乙酰化和甲基化，其中乙酰化和甲基化限定在组蛋白上
组蛋白修饰与基因转录调节
- 当研究一个基因的转录调节机制时，可以考虑有启动子DNA甲基化或者组蛋白甲基化的机制，也可能涉及组蛋白乙酰化的调控。
- 组蛋白甲基化是组蛋白修饰起源的地方，乙酰化是近几年的研究热点。如果不是从转录角度研究，就重点关注磷酸化、糖基化和泛素化
蛋白磷酸化修饰
- 复习Lesson 6的内容
- 大部分通路的信号传递就依赖于激酶对底物蛋白的磷酸化
- 大批分子以它的磷酸化形式作为通路 Biomarker，这种磷酸化可以用特异性的抗体在Western中进行检测
- 在基础科研里，如果提到一个蛋白存在磷酸化位点和形式，那么往往磷酸化和去磷酸化的状态在功能上会存在区别
蛋白糖基化修饰
- 曾经有段时间糖基化是研究热点，现阶段算是已经过了热度，这是一位老大哥，江湖地位稳稳的
- 糖基化是在糖基转移酶作用下，将不同类型的糖分子转移到蛋白质，形成糖苷键的过程。蛋白质经过糖基化作用，可以改变多肽链的构象，增加蛋白质的稳定，糖基化修饰对于蛋白质的正确折叠和定位有重要作用
- 大部分膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白，膜蛋白和分泌蛋白都是参与分子识别、细胞通信、信号转导等生物学过程的关键分子，这种修饰跟磷酸化一样，既普遍又重要
- 肿瘤、糖尿病、炎症性疾病、心血管疾病、神经退行性疾病等都与蛋白糖基化密切相关
蛋白泛素化修饰
- 当研究的蛋白存在减少趋势的时候，第一反应应该想到”会不会有泛素化水平的改变”
- 泛素化影响的是蛋白的半衰期也就是稳定性 (Stability)，一个蛋白被贴上泛素化的标签就会通过蛋白酶体途径导致内源性降解
- 泛素化跟磷酸化一样是可逆的
- 泛素化和磷酸化、甲基化以及乙酰化是添加单个基团不一样在于，泛素 ubiquitin是一种76个氨基酸组成的小分子蛋白质, 广泛存在于所有真核细胞中, 且序列高度保守, 从酵母到人仅相差3个氨基酸
- 如果研究的分子恰好有报道过存在像泛素化、 糖基化、磷酸化这样的经典翻译后修饰形式，那就意味着你做完分子有表型的内容之后，还可以进一步分析它的特定修饰方式对表型是否也有影响
组蛋白乙酰化修饰
- “当红小生”，关于乙酰化大量工作集中在组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase， HDAC)上
- 染色体中，DNA是以超螺旋的形式缠绕在组蛋白组装的核小体上的，就像项链一样。组蛋白是珠子，DNA是链子，当组蛋白发生修饰时会改变相应区域的染色质结构，从而增加或减少基因的表达
代谢酶的乙酰化修饰
- 乙酰化对于代谢酶的调控也受到了很多关注，能够参与各种生理过程
- 从研究趋势看， 蛋白质组近几年的热点已经从发现新分子转移到了发现分子的翻译后修饰调控，从实验技术上说，这些……化的检测都会用抗体或者质谱鉴定技术
其他的小众修饰形式
- 相对小众的修饰形式有亚硝基化、苏木化、棕榈酰化、琥珀酰化、巴豆酰化等一百多种
- 蛋白质巯(qiu)基亚硝基化，简称亚硝基化或硝基化，一般是指蛋白质中的酪氨酸硝基化，是与氧化应激密切相关的蛋白质翻译后修饰。
- 苏木化类似泛素化，参与蛋白质的降解。
- 酰基化里面最明星的是乙酰化，而棕榈酰化与蛋白和脂质的结合有关，调控的分子主要是膜上的受体和信号转导分子，功能是调节膜融合和转运。细胞膜是脂质结构的，膜上的蛋白与脂质是发生交互关系的。
- 另一种酰化——琥珀酰化是针对赖氨酸的，对细胞代谢和酶活有明显的调控影响。
