现代分子生物学总结.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章 现代分子生物学总结【精品文档】第 8 页第八章 、基因的结构和功能实体及基因组1、 基因定义基因（遗传因子）是遗传的物质基础，是DNA（脱氧核糖核酸）分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称，携带有遗传信息的DNA序列，是具有遗传效应的DNA分子片段，是控制性状的基本遗传单位，通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。2、 DNA修复DNA修复（DNA repairing）是细胞对DNA受损伤后的一种反应，这种反应可能使DNA结构恢复原样，重新能执行它原来的功能；但有时并非能完

2、全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来（如细胞的癌变等），但如果细胞不具备这修复功能，就无法对付经常在发生的DNA损伤事件，就不能生存。对不同的DNA损伤，细胞可以有不同的修复反应。3、 DNA损伤DNA损伤是复制过程中发生的DNA核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。情况分为：substitutation （替换）deletion （删除）insertion （插入）exon skipping （外显子跳跃）。DNA损伤的改变类型：a、点突变：指DNA上单一碱基的变异。嘌呤替代嘌呤（A与G之间的相

3、互替代）、嘧啶替代嘧啶（C与T之间的替代）称为转换（transition）；嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤则称为颠换（transvertion）。b、缺失：指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。c、插入：指一个或一段核苷酸插入到DNA链中。在为蛋白质编码的序列中如缺失及插入的核苷酸数不是3的整倍数，则发生读框移动（reading frame shift），使其后所译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（frame-shift mutaion）。d、倒位或转位：（transposition） 指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置、或从一处迁移到另一处。e、双链断裂：对单倍体细胞一个双链断裂就是致死性事

4、件。4、 同源重组同源重组，（HomologusRecombination)是指发生在姐妹染色（sisterchromatin)之间或同一上含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新组合。同源重组需要一系列的催化，如原核生物细胞内的RecA、RecBCD、RecF、RecO、RecR等；以及真核生物细胞内的Rad51、Mre11-Rad50等等。同源重组反应通常根据分子或holiday结构（HolidayJunctureStructure)的形成和拆分分为三个阶段，即前联会体阶段、联会体形成和Holiday结构的拆分。a、 基因敲除（geneknockout），是指对一个结构已知但功能未知的

5、，从分子水平上设计实验，将该基因去除，或用其它顺序相近基因取代，然后从整体观察实验动物，推测相应基因的功能。这与早期生理学研究中常用的切除部分-观察整体-推测功能的三部曲思想相似。基因敲除除可中止某一基因的表达外，还包括引入新基因及引入定点突变。既可以是用突变基因或其它基因敲除相应的正常基因，也可以用正常基因敲除相应的突变基因。b、因转移法同源重组(homologousrecombination)是将外源基因定位导人受体细胞染色体上的方法，因为在该座位有与导人基因同源的序列，通过单一或双交换，新基因片段可替换有缺陷的基因片段，达到修正缺陷基因的目的。位点特异性重组是发生在两条DNA链特异位点上

6、的重组，重组的发生需一段同源序列即特异性位点(又称附着点；attachmentsite，att)和位点特异性的蛋白因子即重组酶参与催化。重组酶仅能催化特异性位点间的重组，因而重组具有特异性和高度保守性。5、 碱基错配对修复错配修复（mismatch repair，MMR）：在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式；主要用来纠正DNA双螺旋上错配的碱基对，还能修复一些因复制打滑而产生的小于4nt的核苷酸插入或缺失。MMR的过程需要区分母链和子链，做到只切除子链上错误的核苷酸，而不会切除母链上本来就正常的核苷酸。修复的过程是：识别出正确的链，切除掉不正确的部分，然后通过DNA聚

7、合酶III和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA。6、 基因组学基因组学（英文genomics），研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)，又被称为后基因组（postgenome）研究，成为系统生物学的重要方法。基因组学的主要工具和方法包括：，遗传分析，基因表达

8、测量和基因功能鉴定。第二章 、基因的结构实体1、 核酸分子核酸（Nucleic Acids）是一种主要位于细胞核内的生物大分子，其充当着生物体遗传信息的携带和传递。DNA分子含有生物物种的所有遗传信息，为双链分子，其中大多数是链状结构大分子，也有少部分呈环状结构，分子量一般都很大。RNA主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，为单链分子，分子量要比DNA小得多。核酸存在于所有动植物细胞、微生物和病毒、噬菌体内，是生命的最基本物质之一，对生物的生长、遗传、变异等现象起着重要的决定作用。核酸大分子可分为两类：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），在的复制和合成中起着储存和传递遗传信息的作用。核

9、酸不仅是基本的遗传物质，而且在蛋白质的生物合成上也占重要位置，因而在生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定性的作用。2、 DNA的结构DNA即（英文Deoxyribonucleicacid的缩写）,又称去氧核糖核苷酸，是主要组成成分，同时也是组成的材料。DNA分子的结构是相对稳定的。这是因为在DNA分子双螺旋结构的内侧,通过氢键形成的碱基对,使两条脱氧核苷酸长链稳固地并联起来。另外,碱基对之间纵向的相互作用力也进一步加固了DNA分子的稳定性。各个碱基对之间的这种纵向的相互作用力叫做碱基堆集力,它是芳香族碱基电子间的相互作用引起的。现在普遍认为碱基堆集力是稳定DNA结构的最重要的因素。再有

10、,双螺旋外侧负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键,可以减少双链间的静电斥力,因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。DNA分子由于碱基对的数量不同,碱基对的排列顺序千变万化,因而构成了DNA分子的多样性。例如,一个具有4 000个碱基对的DNA分子所携带的遗传信息是4种,即10种。不同的DNA分子由于碱基对的排列顺序存在着差异,因此,每一个DNA分子的碱基对都有其特定的排列顺序,这种特定的排列顺序包含着特定的遗传信息,从而使DNA分子具有特异性。3、 DNA的拓扑学首先以一260 bp线形B-DNA为例，此DNA在松弛时，螺旋数为25（260/10.4），首尾连接成环形后，为一

11、松弛环形DNA，并处于最。若将此线形DNA先拧松2个连环再连成环形，则可以形成两种环形DNA，一种称为松弛环形DNA；另一种环形DNA称为超螺旋DNA，其螺旋周数为25，有2个。由此引入拓扑学参数：1.（Linking number）：在DNA中，一条链以绕另一条链缠绕的次数，以L 表示（或以表示），其计数方法为处于松弛环形DNA时的螺旋周数，肯定为整数，右手螺旋为正、左手螺旋为负。2.（Twisting number）：即DNA分子中的Watson-Crick螺旋周数，以T 表示(或以表示)，其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形（或超螺旋形式）DNA中的实际螺旋周数计数得到，不一定是整数

12、，右手螺旋为正，左手螺旋为负。但必须注意T仅针对于形成双螺旋区域而言，解链部分的bp数就不涉及T的计算。对于一定长度的DNA双链，一旦出现解链T值就减少。如260bp B-DNA双链下T=25，解链20%时的T=20 。3.超螺旋数 或 纽数（Writhing number）：其数值有公式L=T+W 计算得到，以W表示（或以表示），不一定为整数。左手超螺旋为正，右手超螺旋为负（此点解释见后）。4.比连环差：为双链DNA的超螺旋密度。用表示，由公式 = L - T / T得到，或以 = - / 表示。4、 染色体和核小体染色体（Chromosome ），是细胞内具有遗传性质的物体，易被碱性染料染

13、成深色，又叫染色质。其本质是脱氧核甘酸，是细胞核内由核蛋白组成、能用碱性染料染色、有结构的线状体，是基因的载体。在无性繁殖物种中，生物体内所有细胞的染色体数目都一样；而在有性繁殖大部分物种中，生物体的体细胞染色体成对分布，称为二倍体。性细胞如精子、卵子等是单倍体，染色体数目只是体细胞的一半。哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为XY，雌性则为XX。鸟类和蚕的性染色体与哺乳动物不同：雄性个体的是ZZ，雌性个体为ZW。染色体是中载有遗传信息的物质，在下呈圆柱状或杆状，主要由和组成，在细胞发生时期容易被碱性染料（例如龙胆紫和醋酸洋红）着色，因此而得名。在无性繁殖物种中，生物体内所有细胞的染色体数目都一样

14、；而在有性繁殖大部分物种中，生物体的体细胞染色体成对分布，称为二倍体。性细胞如精子、卵子等是单倍体，染色体数目只是体细胞的一半。哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为XY，雌性则为XX。鸟类和蚕的性染色体与哺乳动物不同：雄性个体的是ZZ，雌性个体为ZW。核小体（英语：Nucleosome，也译作核体或核仁小体等）是组成真核生物染色质（除精子染色质外）的基本单位。核小体是由DNA与四对组织蛋白（共8个）的复合物，其中有H2A和H2B的二聚体两组以及H3和H4的二聚体两组。另外还有一种H1负责连结两个核小体之间的DNA。核小体假说是在1974年，由DonOlins、AdaOlins与罗杰科恩伯格等人首

15、次提出的。核小体是染色体的基本结构单位，由和（histone）构成，是染色质（染色体）的基本结构单位。由4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4，每一种组蛋白各二个分子，形成一个组蛋白八聚体，约200bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面，形成了一个核小体。5、 染色质的构象状态(chromosome conformation capture，3C)通过一种定量手段(PCR产物的有和无、产量的高和低)对DNA之间是否存在相互作用这一定性问题进行研究。主要经过甲醛交联、限制性酶切、稀释和连接、解交联、DNA纯化与PCR鉴定。通过一对分别与选定的2段DNA配对的引物进行PCR扩增，通过P

16、CR产物的有无、产量的高低等，就可以对是否存在相互作用进行判断。6、 常染色质和异染色质常染色质：常染色质是指间期核内染色质纤维折叠压缩程度低，处于伸展状态，用碱性染料染色时着色浅的那些染色质。在常染色质中，DNA包装比约为1/2000-1/1000，即DNA实际长度为染色质纤维长度的1000-2000倍。构成常染色质的DNA主要是单一序列DNA和中度重复序列DNA（如组蛋白基因和tRNA基因）。常染色质并非所有基因都具有转录活性，处于常染色质状态只是基因转录的必要条件，而不是充分条件。异染色质：在细胞中，间期、早期或中、晚期，某些染色体或染色体的某些部分的固缩常较其他的染色质早些或晚些，其较

17、深或较浅，具有这种固缩特性的染色体称为异染色质（heterochromatin）。具有强嗜碱性，染色深，染色质丝包装折叠紧密，与常染色质相比，异染色质是转录不活跃部分，多在晚S期复制。异染色质分为结构异染色质和功能异染色质两种类型。结构异染色质是指各类细胞在整个细胞周期内处于状态的染色质，多定位于着丝粒区、端粒区，含有大量高度重复顺序的脱氧核糖核酸（DNA），称为卫星DNA（satel-liteDNA）。第三章 、基因的功能实体1、 基因的功能基因有控制遗传性状和活性调节的功能。基因通过复制把遗传信息传递给下一代，并通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物的个体性状表现。基因还可以通过控制

18、结构蛋白的成分，直接控制生物性状。、生物体细胞中的DNA分子上有很多基因，但并不是每一基因的特征都表现出来。即使是由同一受精卵发育分化而来的同一人体不同组织中的细胞，如肌肉细胞、肝脏细胞、骨细胞、神经细胞、红细胞、和胃黏膜细胞等。它们的细胞形状都是各不相同的。为什么会出现这种现象呢？原来，细胞核中的基因在细胞的一生中并非始终处于活性状态，它们有的处于转录状态，即活性状态，这时基因打开，有的处于非转录状态，即基因关闭。在生物体的不同发育期，基因的活性是不同的，而且基因的活性有严格的程序。基因活性的严格程序是生命周期稳定的基础。各种不同的生物因其细胞内的基因具有独特的活性调节而呈现不同的形态特征。

19、2、 顺反因子顺式作用元件（cis-acting element）能影响基因表达，但不编码RNA和蛋白质的DNA序列反式作用因子（trans-actingfactor）能识别和结合特定的顺式作用元件,并影响基因转录的一类蛋白质或RNA3、 顺式调控元件有顺式调控元件(cis-regulatory element)，或顺式作用元件是调节位于相同的DNA分子(通常是一个染色体)的基因的表达的DNA或RNA的区域。这个词是从拉丁词顺，这意味着“在同一侧的”构建。可能有顺式元件位于控制(或什至更上游的区域)的基因的编码序列的上游，在一个内含子，或该基因的编码序列的下游，无论是在非翻译或未转录区域。4、

20、 非编码RNA分子的调控作用非编码RNA（Non-coding RNA）是指不编码蛋白质的RNA。其中包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA 和microRNA 等多种已知功能的 RNA，还包括未知功能的RNA。这些RNA的共同特点是都能从基因组上转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA 水平上就能行使各自的生物学功能了。非编码RNA 从长度上来划分可以分为3类:小于50 nt，包括microRNA，siRNA，piRNA；50 nt到500 nt，包括rRNA，tRNA，snRNA，snoRNA，SLRNA，SRPRNA 等等；大于500 nt，包括长的mRNA-like 的非编码RN

21、A，长的不带polyA 尾巴的非编码RNA等等。5、 基因在细胞核内的地域分布第四章 、基因组的组织结构1、 基因组在生物学中，一个生物体的基因组是指包含在该生物的DNA（部分病毒是RNA）中的全部，又称(genome)。基因组包括基因和非编码DNA。1920年，德国汉堡大学植物学教授汉斯.（HansWinkler）首次使用基因组这一名词。更精确地讲，一个生物体的基因组是指一套染色体中的完整的DNA序列。2、 原核生物基因组的特点a、基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子。b、基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短。c、功能相关的序列常串连在一起，由共同的调控元件

22、调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多种蛋白质的合成，这种结构称操纵子。3、 真核生物基因组的特点a、基因组较大。真核生物的基因组由多条线形的染色体构成，每条染色体有一个线形的DNA分子，每个DNA有多个复制起点。b、不存在结构。真核生物的同一个基因簇的基因，不会像原核生物的操纵子结构那样，转录到同一个mRNA上。c、存在大量的重复序列。真核生物的基因组里存在大量重复序列，通过其重复程度可将其分成高度重复序列、中度重复序列、低度重复序列和单一序列。d、有断裂基因。大多数真核生物为编码的基因都含有“居间序列”，即不为多肽编码，其转录产物在mRNA前体的加工过程中被切除的成分。4、 基因的拷贝数

23、拷贝数就是指某基因（可以是质粒）在某一生物的基因组中的个数. 单拷贝就是该基因在该生物基因组中只有一个,多则指有多个。(一) 在细菌细胞中，某种特定质粒的数目。根据复制特性，质粒分严紧型和松弛型两类，前者在细胞中只含12个，而后者含1015个以上。恒定的拷贝数与质粒复制控制系统、宿主细胞遗传背景及生长条件有关。质粒复制控制系统首先通过调节复制的起始点来控制拷贝数，调节因素包括阻遏蛋白、反义RNA和某些顺向重复序列。有些质粒还有其他控制系统，如有分配功能的par系统和确保质粒稳定遗传的ccd系统。一旦质粒上与调控有关的基因或位点突变，可使拷贝数明显增加或减少。(二) 在细菌细胞中，某种特定基因的

24、数目。5、 线粒体DNA中的遗传物质，线粒体能为细胞产生能量，是在细胞线粒体内发现的特殊形态。线粒体DNA（mtDNA）呈双链环状，在中大小一般在15kb18kb之内。一个线粒体中一般有多个DNA分子。与核基因组相比，线粒体基因组有如下有趣的性质：所有的基因都位于一个单一的环状DNA分子上。遗传物质不为核膜所包被。DNA不为蛋白质所压缩。基因组没有包含那么多非编码区域（垃圾DNA或“内含子”）。一些与通用密码子不同。相反，与一些紫色非硫细菌相似。一些碱基为两个不同基因的一部分：某碱基作为一个基因的末尾，同时作为下一个基因的开始。线粒体DNA比DNA存活时间长得多，而且遗传自母亲，因此用来确认家

25、庭关系十分理想。第五章 、基因的自身维护1、 DNA复制DNA复制是指DNA双链在以前的分裂间期进行的复制过程，复制的结果是一条双链变成两条一样的双链（如果复制过程正常的话），每条双链都与原来的双链一样。这个过程通过边解旋边复制和半保留复制机制得以顺利完成。DNA复制主要包括引发、延伸、终止三个阶段。2、 DNA复制的特点A、半保留复制：DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制。DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。

26、B、有一定的复制起始点：DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点（复制子）。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。C、需要引物（primer)：DNA聚合酶必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。D、双向复制：DNA复制时，以复制起始点为中心，向两个方向进行复制。但在低等生物中，也可进行单向复制。E、半不连续复制：由于DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，因此两条亲代DNA链作为模板聚合子代D

27、NA链时的方式是不同的。以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在聚合时基本上是连续进行的，这一条链被称为领头链（leading strand)。而以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在聚合时则是不连续的，这条链被称为随从链（lagging strand)。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段（Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。3、 DNA复制的忠实性维护DNA聚合酶高度选择性、DNA聚合酶的自我校对、错配修复4、 连接体和去连接体5、 几种特殊形式的DNA合成诱导型稳定DN

28、A复制、DNA重组依赖的DNA复制、组成型稳定DNA复制、DNA的跨损伤复制。6、 DNA复制的多种形式滚环复制：滚环式复制(rolling circle replication)是中常见的DNA复制方式。滚环式复制的一个特点是以一条环状单链DNA为模板，进行新的DNA环状分子合成。噬菌体的双链DNA环状分子先在一条单链的复制起点上产生一个切口(nick)，然后以另一条单链为模板不断地合成新的单链。释放出的新合成的单链或是先复制成双链，被酶切割成单位长度后，再形成环状双链DNA分子；或是释放出的新合成的单链DNA，先被酶切割成单位长度形成单链环状DNA分子后再复制成双链环状DNA分子。D环复制

29、：双螺旋的两条链并不同时进行复制，重链先开始复制，稍后轻链再开始复制，当复制沿轻链开始时，重链上产生了D环，随环形轻链复制的进行，D环增大，轻链后亦开始复制，最后两条链完成复制形成两条新的DNA双螺旋。第六章 、综合1、 DNA的损伤和修复DNA损伤修复是在细胞中多种酶的共同作用下，使DNA受到损伤的结构大部分得以恢复，降低了突变率，保持了DNA分子的相对稳定性。DNA分子的损伤类型有多种。UV照射后DNA分子上的两个相邻的胸腺嘧啶 (T)或胞嘧啶(C)之间可以连结形成环丁酰环，这种环式结构称为二聚体。胸腺嘧啶二聚体的形成是 UV对DNA分子的主要损伤方式。射线、照射细胞后，由细胞内的水所产生

30、的自由基既可使DNA分子双链间氢键断裂,也可使它的单链或双链断裂。物中的博莱霉素、甲基磺酸等烷化剂也能造成链的断裂。C可造成DNA分子单链间的交联，这种情况常发生在两个单链的对角的鸟嘌呤之间。链的交联也往往带来DNA分子的断裂。DNA分子还可以发生个别碱基或核苷酸的变化。例如碱基结构类似物5-溴尿嘧啶等可以取代个别碱基，亚硝酸能引起碱基的氧化脱氨反应，原黄素（普鲁黄）等吖啶类染料和甲基氨基偶氮苯等芳香胺致癌物可以造成个别核苷酸对的增加或减少而引起移码突变（见基因突变）。一种 DNA损伤剂往往可以同时引起几种类型的损伤，其损伤效应的大小和类型与剂量及细胞所处的周期状态有关。2、 基因重组与重排重

31、排是指通过基因的，的断裂错接而使正常基因顺序发生改变。基因组重排技术结合了传统诱变技术和细胞融合技术,是一项对整个微生物基因组重排的新型育种技术。基因组重排技术通过多亲本原生质体递归融合,可以使工程菌快速获得多样复杂优良表型,并且无须了解其基因组学、代谢组学等具体背景。介绍了组重排技术的过程及应用,展现了基因组重排技术的优点,并给出了基因组重排技术的发展在未来的应用情景。3、 细胞周期控制及细胞死亡控制细胞周期分为：合成DNA的时期称为DNA合成期（S期），进行DNA拷贝分配和细胞分裂的时期称为有丝分裂期（M期），在M期结束后和S期开始前的一段间隙称为G1期，而在S期结束后和M期开始前的间隙则

32、称为G2期。真核细胞内有一个调控机构，使细胞周期能有条不紊地依次进行。细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的，细胞周期各时相中有各自特异性的细胞周期蛋白控制细胞周期有序地进行。细胞是有机体的基本结构单位和功能单位，而细胞周期则是保证细胞进行生命活动的基本过程。细胞周期分为：合成DNA的时期称为DNA合成期（S期），进行DNA拷贝分配和的时期称为期（M期），在M期结束后和S期开始前的一段间隙称为G1期，而在S期结束后和M期开始前的间隙则称为G2期。真核细胞内有一个调控机构，使细胞周期能有条不紊地依次进行。细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的，细胞周期各时相中有各自特异性的细胞周期蛋白控制细胞周期有序地进行。细胞死亡是生命现象不可逆停止及生命的结束，正常的组织中经常发生细胞死亡，是维持组织机能和形态所必须的，包括细胞主动死亡-程序性死亡和细胞被动死亡即细胞坏死、细胞凋亡。细胞的死亡方式有两种A被动死亡细胞坏死，它是指细胞受到环境因素的影响，导致细胞死亡的病理过程。B主动死亡（细胞编程性死亡）即细胞凋亡，为了维持机体内环境的稳定，细胞发生主动的，由基因控制的自我消亡过程，此过程需要消耗能量。