分子细胞生物学

分子细胞生物学（Molecular Cell Biology）

一、分子基础：DNA、RNA与蛋白质

1. DNA结构与复制

   • 双螺旋结构：碱基配对（A-T、G-C），磷酸二酯键连接核苷酸。

   • 半保留复制：DNA聚合酶沿母链合成子链，引物酶启动，拓扑异构酶解旋。

   • 修复机制：错配修复（MMR）、碱基切除修复（BER）、双链断裂修复（同源重组/非同源末端连接）。

2. RNA类型与功能

   RNA类型	功能	示例
   mRNA	携带遗传信息，指导蛋白质合成	血红蛋白mRNA
   tRNA	转运氨基酸，参与翻译	携带苯丙氨酸的tRNA
   rRNA	核糖体组成成分，催化肽键形成	28S rRNA（真核生物）
   非编码RNA	调控基因表达（miRNA、lncRNA）或结构支持（snRNA）	miRNA-21（癌症相关）

3. 蛋白质合成与修饰

   • 翻译：核糖体读取mRNA密码子，tRNA反密码子配对，延伸多肽链。

   • 翻译后修饰：磷酸化（激酶）、糖基化（内质网）、泛素化（标记降解）。

二、基因表达调控

1. 表观遗传调控

   • DNA甲基化：CpG岛甲基化抑制转录（如肿瘤抑制基因沉默）。

   • 组蛋白修饰：乙酰化（激活染色质）、甲基化（H3K4me3激活，H3K27me3抑制）。

   • 染色质重塑：SWI/SNF复合体改变核小体排列，暴露启动子。

2. 转录因子与启动子

   • 顺式元件：TATA框、增强子、沉默子。

   • 反式因子：NF-κB（炎症应答）、p53（DNA损伤应答）。

   • 动态调控：信号通路激活后，转录因子入核结合DNA（如STAT蛋白）。

3. 非编码RNA调控

   • miRNA：结合mRNA 3'UTR抑制翻译或降解RNA（如let-7抑制癌基因RAS）。

   • lncRNA：作为支架招募染色质修饰复合物（如XIST介导X染色体失活）。

三、细胞信号转导网络

四、细胞周期与调控

1. 周期检查点

   • G1/S检查点：评估DNA损伤与营养状态（p53依赖）。

   • G2/M检查点：确保DNA复制完成（Chk1/Chk2激酶）。

   • 纺锤体检查点：监测染色体-纺锤体连接（Mad2蛋白）。

2. 调控蛋白

   • Cyclin-CDK复合物：Cyclin D-CDK4（G1期）、Cyclin B-CDK1（M期）。

   • CKI（CDK抑制剂）：p21（p53下游）、p16（抑制CDK4/6）。

3. 癌基因与抑癌基因

   • 癌基因：突变后持续激活（如EGFR、MYC）。

   • 抑癌基因：失活后丧失调控（如Rb、BRCA1）。

五、细胞器动态与功能

1. 线粒体

   • 能量工厂：三羧酸循环、氧化磷酸化（ATP合成）。

   • 凋亡调控：释放细胞色素C激活Caspase。

   • 线粒体自噬：PINK1/Parkin通路清除受损线粒体。

2. 内质网（ER）

   • 蛋白质折叠：分子伴侣（如BiP）辅助折叠。

   • 未折叠蛋白反应（UPR）：IRE1、PERK通路缓解ER应激，过度激活诱导凋亡。

3. 高尔基体

   • 蛋白质分选：添加糖基化标记，导向溶酶体、细胞膜或分泌途径。

4. 溶酶体

   • 降解中心：酸性水解酶分解大分子，自噬体-溶酶体融合清除废物。

六、技术应用与前沿研究

1. 基因编辑

   • CRISPR-Cas9：靶向DNA切割（修复依赖NHEJ或HDR），应用于基因治疗（如镰刀型贫血）。

   • 碱基编辑：Cas9-脱氨酶融合体（如BE4），实现C→T或A→G单碱基替换。

2. 单细胞分析

   • scRNA-seq：揭示细胞异质性（如肿瘤微环境中的免疫细胞亚群）。

   • 空间转录组：保留组织原位信息，绘制基因表达空间图谱。

3. 蛋白质互作研究

   • 免疫共沉淀（Co-IP）：验证已知互作。

   • 酵母双杂交/AP-MS：发现新互作网络。

4. 前沿方向

   • 相分离（Phase Separation）：生物分子浓缩形成无膜细胞器（如核仁、应激颗粒）。

   • 合成生物学：人工设计基因回路（如光控基因表达系统）。

七、疾病中的分子机制

1. 癌症

   • 驱动突变：EGFR扩增（肺癌）、BRCA1/2缺失（乳腺癌）。

   • 表观异常：DNMT3A突变（白血病）、全局低甲基化（基因组不稳定）。

2. 神经退行性疾病

   • 蛋白质错误折叠：β-淀粉样蛋白（阿尔茨海默病）、α-突触核蛋白（帕金森病）。

   • 自噬缺陷：溶酶体贮积症（如戈谢病）。

3. 代谢疾病

   • 胰岛素抵抗：PI3K-AKT通路失调（2型糖尿病）。

   • 线粒体病：mtDNA突变（如Leber遗传性视神经病变）。

总结

分子细胞生物学从分子层面解析生命的本质，核心涵盖 基因表达调控、信号网络、细胞周期、细胞器功能 及 技术应用。其研究不仅揭示基础生命规律，更为疾病机制解析与精准治疗提供理论支持（如靶向药物设计、基因编辑疗法）。未来，多组学整合、人工智能预测（如AlphaFold）与合成生物学将推动该领域迈向更高维度。