细胞核内的一些重要物质及其功能

秦四哥

——Lewin's Cells.3rd

细胞核的组成成分极其复杂，除蛋白质与核酸之外，其他成分几乎都与蛋白质与核酸有关，这些组分通过对蛋白质和核酸的修饰与去修饰，实现对基因表达的调控。本文介绍细胞核内除蛋白质和核酸之外的一些重要物质及其功能。

1细胞核内的氨基酸及其功能

氨基酸要进入细胞核，首先要突破核膜屏障。核膜作为细胞质同细胞核之间的界限，对稳定核的形态和化学成分起着十分重要的作用。核膜上的核孔复合体是一个双向性的亲水性核质交换通道，相对分子量小于5000的小分子可以自由扩散进入核内。所以氨基酸可以以被动运输的方式进入细胞核内。

核内最常见的氨基酸为酰苷甲硫氨酸(SAM)，作为组蛋白与DNA甲基化的供体，在不同的甲基转移酶的催化下，将甲基向目标分子转移。例如，催化精氨酸（Arg）甲基化的酶被通称为蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMT)家族，这类酶主要催化甲基从S-酰苷甲硫氨酸向精氨酸中胍基氮的转移。不同物种之间，甲基转移酶种类各异，可催化不同的氨基酸甲基化，催化位点也存在差异。作为一种重要的表观遗传学调控机制，组蛋白甲基化修饰在多种生命过程中发挥了重要的作用。细胞内有多种组蛋白甲基化酶和去甲基化酶共同调节组蛋白的修饰状态，在组蛋白甲基化状态确定后，多种效应分子特异的读取修饰信息，从而参与基因转录调控过程。

除了SAM作为甲基供体之外，氨基酸不仅作为蛋白质合成的底物，而且还作为营养信号分子调控着许多基因的表达。氨基酸既可在转录水平，又可在转录后水平上对某些基因的表达进行调控。Jousse等人的研究表明，在肝癌细胞（HepG2)培养介质中去掉亮氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、组氨酸、天冬酰胺和半觥氨酸会诱导天冬酰胺合成酶基因的表达；而缬氨酸和其他非必需氨基酸（天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和丝氨酸）不影响该基因的表达。已发现在天冬酰胺合成酶基因的启动子区存在一个氨基酸响应元件，氨基酸缺乏所调节的基因转录是通过它来实现

2细胞核内的葡萄糖及其功能

葡萄糖作为主要的能源物质，在胞浆中经过糖酵解生成丙酮酸，再进入线粒体进行三羧酸循环和氧化磷酸化，实现能量的逐级释放。糖代谢在核外进行，但糖代谢的调控则受细胞核的控制，进入细胞核内的葡萄糖与氨基酸一样，参与基因表达的调控。在拟南芥细胞核内，己糖激酶1(HXK1)是一种葡萄糖受体。拟南芥虽然只有一小部分的HXK1存在于细胞核内，但其作用是葡萄糖依赖的基因表达和植物生长发育不可缺少的。遗传和染色质免疫沉淀分析表明，核内HXK1与VHA-B1(液泡H+-ATP酶B1)和 RPT5B(蛋白酶体亚基调节颗粒）形成一个葡萄糖信号复合体核心，该核心与靶基因的启动子直接结合，从而调节特异性靶基因的转录。除了拟南芥，在酵母菌、哺乳动物和植物中，细胞核内也存在这三种蛋白的相互作用和协同作用，以介导葡萄糖传感信号。从酵母菌到哺乳动物和植物，葡萄糖都是生理、代谢、生长和基因的表达重要的调控因子。

3细胞核内其他重要物质及其功能

3.1乙酰辅酶A

作为组蛋白乙酰化的供体，在组蛋白乙酰转移酶的催化下，乙酰辅酶A中的乙酰基转移到组蛋白的赖氨酸残基上。组蛋白乙酰化/去乙酰化可通过改变染色质周围电荷或参与染色质构型重建而影响基因表达，更重要的是组蛋白乙酰化/去乙酰化可形成一种特殊的“密码”，被其他蛋白质识别，影响多种蛋白质因子的活动或与其相互作用，参与到基因表达调控的整个网络中。

3.2 Ca2+

游离的Ca2+是细胞内重要的第二信使，参与许多重要生命活动的调节。也可作为细胞核内的信号参与DNA复制修复、基因转录、核蛋白磷酸化和细胞凋亡等过程的调节。因此，核内Ca2+跨核膜的转运及核钙稳态的精密调节，对细胞功能的维持具有重要意义。Ca2+并非被动自由地进出细胞核，而是通过细胞核上的调节系统主动调节。核Ca2+调节系统由Ca2+的转运、结合和释放等成分组成，它包括核被膜上的Ca2+-ATPase、IP3、IP4和cADPr开启的钙通道。

3.3激素与其他信号分子

部分激素或信号分子的受体并不分布在细胞膜上，而是位于细胞核中，被称之为核受体。核受体是由一大类配体激活的转录因子超家族成员组成，它们与靶基因上相关的应答元件结合从而调节基因转录，对细胞发育、分化和生理功能起着重要的调节作用。进入到核内与这些受体结合的激素与信号分子主要包括雄激素、雌激素、孕激素、糖皮质激素、盐皮质激素、维生素D、甲状腺激素、视黄酸等。

3.4 ATP

ATP除了为细胞核内的反应供能以及作为合成RNA的原料之外，还可作为组蛋白磷酸化的磷酸基团供体。组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、DNA损伤修复、DNA复制和重组过程中发挥着直接的作用。例如，组蛋白H3 N端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集：组蛋白H1的磷酸化能够影响DNA二级结构的改变和染色体凝集状态的改变，另一方面，组蛋白H1的磷酸化需要DNA的复制，并且激活DNA复制的蛋白激酶也促进组蛋白H1的磷酸化。因此，组蛋白H1磷酸化与DNA的复制存在协同发生机制。

——钱敏艳.细胞核内的一些重要物质及其功能.生物学教学.2016年第1期