植物分子学重点Word格式.docx
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●组蛋白的特性
进化上极端保守性
无组织特异性
肽链上氨基酸分布的不对称性
组蛋白的修饰作用
富含赖氨酸的组蛋白H5
非组蛋白
染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。
非组蛋白的组织专一性和种属专一性
几类常见的非组蛋白
高速泳动蛋白（HMG蛋白
DNA结合蛋白
A24非组蛋白
真核细胞基因组最大的特点是有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开，这就是著名的“C值反常现象
C值：
一种生物单倍体基因组DNA的总量
一般情况，真核生物C值是随着生物进化而增加，高等生物的C值一般大于低等生物。
某些两栖类C值大于哺乳动物，而且在两栖类中C值变化也很大，可相差100倍。
由此推断，许多DNA序列不编码蛋白质，是无生理功能的
根据对DNA的动力学研究，真核生物DNA序列大致可分为3类：
不重复序列、中度重复序列、高度重复序列
不重复序列在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40%－80%。
不重复序列长约750－2000bp，相当于一个结构基因的长度
单拷贝基因通过基因扩增仍可合成大量的蛋白质。
如蚕丝心蛋白基因。
中度重复序列这类重复序列的重复次数在10－104之间，占总DNA的10%－40%。
各种rRNA、tRNA及组蛋白基因等都属这一类。
高度重复序列--卫星DNA是另一类高度重复序列，这类重复顺序的重复单位一般由2-10bp组成，成串排列。
由于这类序列的碱基组成不同于其他部份，可用等密度梯度离心法将其与主体DNA分开，因而称为卫星DNA或随体DNa.这类DNA只在真核生物中发现
染色质和核小体
由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构
Beadsonastring”structure证据
染色质DNA的Tm值比自由DNA高，说明在染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用
在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应
DNA酶I（DNaseI）对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。
用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳，便可以得到一系列片段，这些被保留的DNA片段均为200bp基本单位的倍数。
染色质电镜显示核小体连成的念珠状结构
核小体单元的产生
核小体由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成
八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而每个核小体只有一个H1，分布在核小体的外面。
核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bpDNA，该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp
许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。
四级分别为：
核小体
螺线管
超螺旋圆筒
染色单体
螺线管是由10nm染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为30nm纤维。
螺线管每一螺旋包含6个核小体，压缩比为6。
这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分
染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。
真核生物基因组结构特点总结
基因组庞大
存在大量的重复序列
大部分为非编码序列
转录产物为单顺反子
是断裂基因、有内含子
存在大量的顺式作用元件。
包括启动子、增强子、沉默子等
存在大量的DNA多态性
具有端粒结构
原核细胞染色体
一般只有一条大染色体且大都带有单拷贝基因，除少数基因外（如rRNA基因）。
整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。
几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系
原核生物基因组
原核生物基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。
从基因组的结构来看，原核细胞DNA有如下特点：
结构简练。
非编码序列极少，这与真核细胞DNA冗余现象完全不同
存在转录单元。
多顺反子mRNA。
有重叠基因。
同一段DNA含有两种不同蛋白质的信息。
DNA作为遗传物质的主要优点：
信息量大，可以缩微
表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理
核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好
可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）
有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。
（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。
DNA的一级结构即是指四种
核苷酸的连接及排列顺序，
表示该DNA分子的化学构成
脱氧核苷酸之间由3’→5’磷酸二酯键连接成DNA链，两条链的碱基通过氢键实现AT、GC配对。
DNA一级结构特点
DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成。
DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。
两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，
DNA二级结构是指两条多核苷酸链反相平行盘绕所生成的双螺旋盘绕结构。
DNA的二级结构分两大类：
一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA；
另一类是左手螺旋，即Z-DNA
B-DNA特点
螺旋直径2nm
链间有螺旋形凹槽，较小的为小沟（1.2nm），较大的为大沟（2.2nm）
碱基间距0.34nm
每轮碱基数10
碱基平面与纵轴垂直
A型、Z型
A型、Z型可能具有不同的生物活性。
A-DNA构象对基因表达有重要意义（P35）。
Z-DNA调控基因转录（P36）
在邻近调控系统中，与调节区相邻的转录区被Z-DNA抑制，只有当Z-DNA转变为B-DNA后，转录才得以活化
在远距离调控系统中，Z-DNA可通过改变负超螺旋水平，决定聚合酶能否与模板链相结合而调节转录起始活性
还存在其他构型:
B,-DNA、C-DNA、D-DNA
DNA的高级结构指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构。
超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋和负超螺旋两类，它们在不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变
天然状态下该DNA以负超螺旋为主
DNA的超螺旋结构形成的意义
使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；
推动DNA结构的转化以满足
功能上的需要。
如负超螺旋
分子所受张力会引起互补链
分开导致局部变性，利于复
制和转录。
DNA双螺旋化核小体螺线管超螺旋圆筒染色单体
生命的遗传实际上是染色体DNA自我复制的结果，而染色体DNA的自我复制主要是通过半保留复制（Semi-conservative）来实现的，是一个以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。
双链DNA的复制在复制的起始、延伸和终止三个阶段，需要多种酶和蛋白质的协同参与
在复制时首先两条链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。
DNA半保留复制的生物学意义
DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。
复制的起点、方向和速度
复制时，双链DNA要解开成两股链进行，使复制起点呈叉状，被称为复制叉
DNA的复制是由固定的起始点开始的。
一般把生物体的复制单位称为复制子一个复制子只含一个复制起点。
复制子为生物体DNA的复制单位
复制时，复制叉从复制起点开始沿着DNA链连续移动，起始点可以启动单向复制或者双向复制。
这取决于复制起点形成一个复制叉还是两个复制叉
细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的；
真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子
无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。
复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。
DNA复制时，复制方向:
由5’向3’复制，前导链连续合成，另一条是3’→5’方向，两个模板极性不同。
而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’，两条链无法同时进行复制
后随链合成不连续，形成冈崎片段
总之复制起点是固定的，表现为固定序列，并识别参与复制起始的特殊蛋白质。
复制叉移动的方向和速度虽多种多样，但以双向等速为主
DNA复制的共性与个性
共性：
生物体内DNA复制大都是以半保留方式进行。
个性：
DNA分子存在形式、功能状态不同反映在复制方式上也有差别。
线性DNA双链的复制
不需RNA引物，在正链3‘－OH上延伸。
只有一个复制叉
①单一起点的单向复制。
（如腺病毒）
②单一起点的双向复制（如T7噬菌体）
③多个起始点的双向复制（如真核生物）
环状DNA双链的复制
θ型复制（如大肠杆菌）---单一起点的双向等速复制
②滚环型滚环型：
单向复制的特殊方式复制（单向）—ΦX174
③D-环型复制（单向）-----线粒体单向复制的特殊方式
原核生物DNA复制的特点
DNA双螺旋的解旋
首先在拓扑异构酶I（DNAtopoisomerase）的作用下解开负超螺旋，并由解链酶（DNAhelicase）解开双链;
接着由SSB蛋白来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链
DNA复制的引发。
首先由引发酶（primase,一种RNA聚合酶）在DNA模板上合成一段RNA链。
接着由DNA聚合酶从RNA引物3’端合成新DNA链。
后随链的引发过程由引发体（primosome）来完成
冈崎片段与半不连续复制
已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’，这使得后随链无法连续合成;
后随链以5’→3’的方式先合成片段（冈崎片段），再由连接酶连接为完整的链
复制的终止
当复制叉前移，遇到约22个碱基的重复性终止序列（Ter）时，Ter-Tus复合物能阻止DNA的解链，阻挡复制叉的前移。
复制停止后，仍有50-100bp未被复制，将由修复方式填补空缺，而后两链解开
DNA聚合酶
现已知大肠杆菌存在DNA聚合酶I、II、III、IV和V。
DNA聚合酶I:
非主要聚合酶，可确保DNA合成的准确性，并可切除紫外线照射产生的嘧啶二聚体。
DNA聚合酶II:
主要生理功能为修复DNA。
DNA聚合酶III:
为主导聚合酶。
DNA聚合酶IV和V:
主要在SOS修复中起作用。
真核生物DNA复制的特点
真核生物每条染色体上可以有多个复制起点。
真核生物DNA在完成复制前不能开始新的复制，而原核生物则可以连续开始新的DNA复制，一个复制单元多个复制叉。
DNA复制只能在分裂期进行。
复制起点为自主复制序列（ARS）。
复制叉移动速度慢，仅50bp/s，不到大肠杆菌的1/20。
真核生物DNA聚合酶有15种以上，
DNA复制的调控
原核细胞内复制叉的多少决定了复制起始频率的高低，复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA。
大肠杆菌染色体DNA复制起点编码复制调节蛋白质、复制起点与调节蛋白质相互作用并启动复制。
ColE1质粒DNA的复制调控。
其复制不依赖本身编码的蛋白质，而完全依靠宿主DNA聚合酶I
真核细胞DNA的复制调控。
DNA复制只发生在分裂期，其有3个水平的调控。
细胞生活周期水平的调控。
也称限制点调控，即决定细胞停留在G1还是进入S期。
染色体水平调控。
决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期进行复制。
复制子水平调控。
决定复制的起始与否，这种调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的。
错配修复恢复错配
切除修复（碱基、核苷酸）切除突变的碱基和核苷酸片段
重组修复复制后的修复
DNA直接修复修复嘧啶二体
SOS系统DNA的修复，导致变异
DNA的突变分为两大类：
单碱基改变和DNA结构畸变
DNA结构畸变
嘧啶二聚体
鸟嘌呤甲基化
腺嘌呤脱嘌呤作用
DNA修复系统错配修复切除修复重组修复DNA直接修复SOS系统
错配修复一旦在DNA复制过程中发生错配，通过该系统几乎能完全修正。
修复过程：
识别错配，
复合物的形成，甲基化及非甲基化链的切开，
DNA外切酶切除含错配的部分DNA链，
DNA聚合酶III合成新链
切除修复
AP位点：
所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异性切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点.
切除修复分为两种：
碱基切除修复
形成去AP位点
AP核酸内切酶切除受损片段
DNA聚合酶I和DNA连接酶修复DNA链
核苷酸切除修复
DNA切割酶切割移去12-13个核苷酸（原核）或27-29个核苷酸（真核）的单链DNA，再由DNA聚合酶和DNA连接酶修复DNA链
重组修复又被称为“复制后修复”，修复的对象是子代DNA
跳过损伤的DNA先进行复制，在子代DNA损伤互补的部位出现缺口，通过分子间重组，将另一个子代完好的片段移至缺口处，再填补重组产生的缺口。
模板上的伤疤始终留着。
只能随着重组修复次数↑，伤疤占的比例↓。
DNA的直接修复
直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。
如在DNA光解酶的作用下修复嘧啶二聚
SOS反应
SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的经济状况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。
SOS反应包括诱导DNA损伤的修复、诱变效应、细胞分裂的抑制等。
SOS反应广泛存在于原核和真核生物中，可产生两方面的作用：
DNA的修复、DNA的变
DNA的转座，或称位移，是由可位移因子介导的遗传物质重排现象
转座子（transposon,Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位
转座子分为两大类：
插入序列（insertionalsequence,IS）
复合型转座子（compositetransposon）
插入序列（IS因子）最简单的转座子，不含任何宿主基因。
特征：
很小的DNA片段
末端具有倒置重复序列
复制宿主靶位点DNA（4-15bp）
转座频率10-4-10-3/世代
恢复频率10-10-10-6/世代
复合型转座子
复合型转座子是一类带有某些抗药性基因（或其它宿主基因）的转座子。
复合型转座子两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。
说明IS序列插到功能基因的两端就可能产生复合型转座子。
复合型转座子的转座能力由IS序列决定和调节的
复合型转座子还有一类无IS序列、体积庞大的的转座子（5000bp以上）——TnA家族
TnA特征：
携带3个基因，其中
一个为编码β-内酰胺
酶基因（AmpR）
两翼都有38bp的倒置
重复序列（
Ac-Ds系统
染色体的断裂或解离（dissociation）有一个特定位点（Ds）。
Ds不能自行断裂，受一个激活因子（activator）Ac所控制。
Ac可以像普通基因一样进行传递，但有时表现很特殊，可以离开原座位→转移到同一个或不同染色体的另一座位。
Ds也能移动，不过只有在Ac存在时才能发生。
McClintock把Ac和Ds称为控制因子或转座因子→“控制因子”假说
转座作用的机制
限制性内切酶切开靶序列
转座子插入，形成具有单链粘性末端的转座子
修补缺刻，形成直接重复序列。
转作可分为复制型和非复制型两大类
复制型（TnA类）
非复制型（IS序列、Mu及Tn5
转座的遗传效应
引起插入突变，可导致基因表达失活。
产生新的基因。
产生的染色体畸变，引起DNA缺失或倒位。
引起的生物进化，可产生新的生物学功能的基因。
第3章
转录（transcription）——生物体以DNA为模板合成RNA的过程。
转录后得到的RNA要经过加工才能变成成熟的mRNA。
转录产物还可以变为rRNA和tRNA。
参与转录的物质：
底物:
4种NTP（ATP,UTP,GTP,CTP）
模板:
DNA
酶:
RNA聚合酶
其他蛋白质因子
无论在原核还是真核细胞中，RNA链的合成都具有以下几个特点：
RNA按5’→3’方向合成
以DNA双链中的反义链为模板
不需要引物参与
合成的RNA有与DNA编码链相同的序列（A-U）
转录的基本过程包括：
模板的识别，转录起始，转录延伸，转录终止
模板的识别阶段主要指RNA聚合酶与启动子DNA双链相互作用并与之相结合的过程
启动子是基因转录起始所必需的一段DNA序列，是基因表达调控的上游顺式作用元件之一
真核细胞中的模板识别与原核细胞有所不同，需要一些转录调控因子（辅助蛋白），RNA聚合酶才能识别启动子并形成转录前起始复合物（PIC
转录起始即是RNA链上第一个核苷酸链的产生
无需引物。
起始后直到形成9个核苷酸的过程是通过启动子阶段，此时RNA聚合酶一直在启动子处，之后进入正常延伸
RNA聚合酶结合到启动子上以后，使启动子附近的DNA解旋并解链，形成转录泡以促使核糖核苷酸与模板DNA配对。
转录延伸即是RNA聚合酶释放σ因子离开启动子后，核心酶沿着模板DNA移动并使新生RNA链不断伸长的过程。
当RNA链延伸到终止位点时，RNA将停止合成，转录泡瓦解，DNA链复原，新生RNA链和RNA聚合酶将被释放下来。
这即是转录终止
转录机器即是转录复合物，其最核心成分是RNA聚合酶。
1原核生物RNA聚合酶
在细菌中，一种RNA聚合酶几乎负责所有mRNA、rRNA和tRNA的合成;
大多数原核生物RNA聚合酶相同;
大肠杆菌RNA聚合酶：
2个α亚基
1个β亚基
1个β’亚基
1个ω亚基
1个σ亚基
转录的起始过程需要全酶，延伸过程仅需要核心酶
各亚基的功能：
β亚基和β’亚基组成了聚合酶的催化中心，它们在序列上与真核生物RNA聚合酶的两个大亚基同源。
β亚基能与模板DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合
α亚基可能与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用。
σ因子的作用是负责模板链的选择与转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别启动子
真核生物RNA聚合酶特点
有3类RNA聚合酶
结构比大肠杆菌RNA聚合酶复杂；
在细胞核中的位置不同
负责转录的基因不同，对α-鹅膏蕈碱的敏感性也不同。
真核生物RNA聚合酶主要结构特点
真核生物RNA聚合酶一般有8-16个亚基所组成,相对分子质量超过5×
105
存在两条普遍遵循的原则
聚合酶中有两个相对分子质量超过1×
105的大亚基；
同种生物3类聚合酶有“共享”小亚基的倾向，即有几个小亚基是其中3类或2类聚合酶所共有的
其它RNA聚合酶
T3和T7噬菌体RNA聚合酶线粒体RNA聚合酶叶绿体RNA聚合酶
转录复合物在转录的不同阶段，RNA聚合酶将同DNA结合，形成不同的复合物
在识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭二元复合物。
接着，结合处DNA双链解开，封闭复合物变为开放二元复合物。
转录开始，由RNA聚合酶、DNA和新生RNA形成三元复合物
一般情况下，三元复合物进入以下两条途径：
合成并释放2-9nt的短RNA转录物，即流产式转录。
尽快释放σ亚基，转录起始复合物通过启动子区域形成转录延伸复合物。
除RNA聚合酶外，真核生物转录还需要至少7种辅助因子参与。
这些蛋白辅助因子统称转录因子（TF）
大肠杆菌RNA聚合酶与启动子的相互作用主要包括：
启动子区的识别酶与启动子的结合σ因子的结合与解离
启动子是一段位于结构基因5’端上游区的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确地结合，并具有转录起始的特异性
启动子的结构影响了它与RNA聚合酶的亲和力，从而影响了基因的表达水平
转录单元（transcriptionunit）是一段从启动子开始至终止子结束的DNA序列，RNA聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条RNA链。
转录起点是指与新生RNA链第一个核苷酸相对应DNA链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤
常把起点前面，即5’末端的序列称为上游（upstream），而把其后而即3’未端的序列称为下游（downstream）。
10区（Pribnow区）的发现
在被保护区内有一个由5个核苷酸组成的保守序列，是聚合酶结合位点，称为Pribnow区，其中央大约位于起点上游10bp处，所以又称为–10区。
-10序列（Pribnowbox）
其保守序列为TATAAT，位于-10bp左右，其中3′端的“T”十分保守。
A.T较丰富，易于解链。
它和转录起始位点I一般相距5bp
功能:
RNApol紧密结合;
形成开放启动复合体；
使RNApol定向转录
-35序列（Sextamabox
其保守序列为TTGACA，
与-10序列相隔16-19bp。
（1）为RNApol的识别位点。
（2
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