中山大学分子生物学复习总结.docx

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中山大学分子生物学复习总结

1.原核基因组与真核基因组（prokaryoticgenomesandeukaryoticgenomes）

大小（size）：

原核生物的一般都比较小，且变化范围也不大（最大/最小约为20）。

真核生物的一般要比原核生物的大很多，且变化范围也很大（最大/最小可达8万）

⏹基因结构（genestructure:

continuouscodingsequences,splitgenes）

原核基因组：

环状，较小；通常由单拷贝或低拷贝（low-copy）的DNA序列组成；基因排列紧密，较少非编码序列——“streamlined”

真核基因组：

多线状；大小一般要比类核基因组大好几个数量级，且变化范围很大；有大量的非编码序列（重复序列、内含子等）

⏹非编码序列（non-codingsequences:

repeatedsequences,introns）

局部分布的重复序列（localizedrepeatedsequences）：

串联式（tandem）的高度重复序列（highlyrepeatedsequences）：

重复单位的长度从几bp到几百bp，可重复几十万次或更多，常见于着丝粒、端粒和异染色质区域

散布的重复序列（dispersedrepeatedsequences）：

短的散布式重复序列（shortinterspersedelements,SINEs）：

500bp以下，可重复10^5次或更多，很多SINEs都是反转录转座子（retroposon）；长的散布式重复序列（longinterspersedelements,LINEs）：

5kb以上，可重复10^4次或更多，很多LINEs也是与反转录转座子相关的序列

内含子（intron）：

I类（groupIintron）、II类（groupIIintron）、III类（groupIIIintron）、核mRNA内含子（nuclearmRNAintron），即剪接体内含子（spliceosomalintron）、核tRNA内含子（nucleartRNAintron）、古细菌内含子（archaebacterialintron）

⏹细胞器基因组（organellegenomes:

mitochondrialgenomes,chloroplastgenomes）

线粒体基因组：

在不同类型的生物中变化很大

多细胞动物：

细小、致密，没有或很少非编码序列

高等植物：

复杂、不均一，比动物的大得多

原生动物、藻类、真菌：

或偏向于动物型，或偏向于植物型，但又有其各自的独特之处

叶绿体基因组：

比较均一，85~292kb（大部分都在120~160kb之内）

2.转录（transcription）

（1）RNA聚合酶（RNApolymerase）

原核生物：

1种，全酶（holoenzyme）由核心酶与σ亚基组成，σ亚基的作用

真核生物：

3种，由多个亚基组成

cis-顺式、同一分子trans-反式、不同分子

invivo体内、细胞内invitro体外、无细胞体系

insitu原位insilico基于生物信息学的研究体系

sensestrand有义链）=nontemplatestrand

antisensestrand（反义链）=templatestrand

（2）顺式作用元件与反式作用因子（cis-actingelementsandtrans-actingfactors）

启动子（promoters）、增强子（enhancers）为顺式作用元件

原核启动子：

-10box（Pribnowbox）,-35box

真核启动子：

I类，II类，III类

RNA聚合酶I识别的启动子（I类启动子，classIpromoters）

RNA聚合酶II识别的启动子（II类启动子，classIIpromoters）

RNA聚合酶III识别的启动子（III类启动子，classIIIpromoters）

增强子：

较多在真核生物中存在；能增强转录的元件，但又不是启动子的一部分（无位置、方向的限制），增强子常在启动子的上游，但也可以在基因内部（如内含子中）

转录因子（transcriptionfactors）为反式作用因子，真核基因的转录需反式作用因子

通用转录因子能使聚合酶结合到启动子上，形成预起始复合物（preinitiationcomplex），包括形成开启的启动子复合物（openpromotercomplex），但只能导致基础水平的转录

通用转录因子：

I类，II类，III类

II类因子：

PolymeraseII转录所需的通用转录因子

II类预起始复合物:

包含有RNA聚合酶II及6种通用转录因子：

TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH。

TFIID在TFIIA的协助下，首先结合到TATAbox，形成DA复合物，然后TFIIB再结合上去。

TFIIF协助PolymeraseII结合到DNA链上（-34至+17区域）

TFIIHE、TFIIH结合到复合物体中，形成DABPolFEH预起始复合物

TFIID的结构及功能：

TFIID本身是一个复合物，含1个TATAbox结合蛋白（TATAbox-bindingprotein,TBP）和8~10个TBP相联因子（TBP-associatedfactors,TAFs,orTAFIIs）TATAbox结合蛋白（TBP）：

序列非常保守的一种蛋白质（约38kD），包含180个氨基酸的羧基末端，该末端是TATAbox结合域（bindingdomain）、TBP是马鞍形的，结合到DNA双螺旋的小沟上，能使TATAbox弯曲80°

TBP相联因子（TAFIIs）：

至少有8种，序列上也相当保守

主要功能：

促进转录、与启动子的元件相互作用（起始子、下游元件）、与基因特异转录因子相互作用、TAFIIs中的TAFII250还有酶的功能，如作为组蛋白乙酰转移酶

TFIIA：

在酵母中有2个亚基，在果蝇和人中有3个亚基；TFIIA可以看成是一种TAFII（与TBP结合，能稳定TFIID与启动子之间的结合）；在体外体系中，TFIIA并非必不可少

TFIIB：

单亚基的因子（35kD）；能把TFIID与TFIIF/PolII相连在一起，即是聚合酶II结合到预起始复合物所必需的；能与一些基因特异转录因子相互作用，促进转录

TFIIF的结构及功能：

由2条多肽构成：

RAP30与RAP70（RAPstandsforRNApolymeraseII-associatedprotein）；RAP30与E.coli的σ因子有一定的同源性，能使TFIIF结合到PolII；FIIF与PolII结合后，能减少聚合酶与DNA之间非特异的相互作用，引导聚合酶到已结合有TFIID、TFIIA和TFIIB的启动子上

TFIIE：

有2个亚基（56kD,34kD），每个亚基在TFIIE中都有2个拷贝（总分子量约为200kD）；能结合到DABPolF的复合体上，对转录有促进作用

TFIIH：

最后一个结合到预起始复合物的通用转录因子，结构、功能均复杂

功能之一是使PolII最大一个亚基的羧基末端域（CTD）磷酸化，即使PolIIA变为PolIIO，从而导致转录起始到转录延伸过渡；具有DNA解螺旋酶（helicase）的活性，这是聚合酶离开启动子往前转录（promoterclearance）所需的

I类因子（classIfactors）：

PolymeraseI转录所需的通用转录因子

I类预起始复合物:

RNA聚合酶I和2种通用转录因子（I类因子）：

SL1、UBF（上游结合因子，upstream-bindingfactor）

SL1

由TBP（TATAbox结合蛋白）与3种TAFs（TAFIs，TBP相联因子）组成的复杂蛋白质

SL1并不直接与启动子结合，但它能加强UBF与启动子的结合，促进预起始复合物的形成

SL1还是rRNA基因转录的物种特异性的决定因素之一

UBF

由2条多肽构成（97kD和94kD），而97kD的多肽即具UBF的活性

能与I类启动子的核心元件及UCE（上游控制元件）的位点结合，再与SL1一起，促进转录

III类因子（classIIIfactors）：

PolymeraseIII转录所需的通用转录因子，有TFIIIA、TFIIIB、TFIIIC

TFIIIB和TFIIIC是所有在基因内部有III类启动子的基因的转录所需的，5SrRNA基因的转录还需要TFIIIA

TFIIIA

一类含“锌指”（zincfinger）的DNA结合蛋白的成员；锌指是4个氨基酸与1个Zn离子结合，再加上其他的氨基酸，构成手指状；在TFIIIA中，4个氨基酸是cys-cys-----his-his，一连9个锌指；锌指能使蛋白质与DNA紧密结合

TFIIIB和TFIIIC：

两者是一起共同起作用的

TFIIIC结合到基因内部的启动子中（如果是5SrRNA基因，则先有TFIIIA结合到启动子区），再帮助TFIIIB结合到启动子上游区（转录起始位点上游），而TFIIIB则帮助PolIII结合在起始位点周围；转录开始后，TFIIIC（或TFIIIA和C）被除去，而TFIIIB留在原位，可促进另一轮的转录

具外部启动子的基因的转录因子

TFIIIB含有TBP（TATAbox结合蛋白）及一些TAFIIIs，可结合到启动子的TATAbox，从而促进转录，可能还需要其他一些通用转录因子

TBP在3类转录因子中的作用

与TATAbox结合，组织预起始复合物（特别是对于没有TATAbox的启动子），促进转录

基因特异转录因子（激活子）

（1）基本结构：

一般有2个功能域即DNA结合域（DNA-bindingdomain）和转录激活域（transcription-activatingdomain）；许多激活子还有二聚体化域（dimerizationdomain）

DNA结合域的结构

锌指（zincfingers）：

不少激活子（如Sp1）都有该结构，锌指结构一般连续出现多次，由1个α-螺旋与1反向平行的β层片构成，α-螺旋上的2个AA和β层片上的2个AA与1个Zn离子结合，“指”上（α-螺旋上）的某些AA就决定了其与DNA结合的特异性

GAL4蛋白质（theGAL4protein）：

酵母中的一种激活子，DNA结合域与锌指相似，但含有6个半胱氨酸和2个锌离子，有一个与DNA进行识别的区域（α-螺旋），决定其与DNA结合的特异性

核受体（thenuclearreceptors）：

与甾体激素相互作用，组成激素-受体复合物，起激活子的作用，核受体的DNA结合域含有2个锌离子，每一个锌离子分别与4个半胱氨酸结合，参与形成一指状结构，其中一“指”（氨基末端的“指”）上有专门用于识别DNA特异序列的α-螺旋

同源异形域（homeodomains）：

在很多激活子中都存在，由基因中的同源异形框（homeobox）编码，而同源异形框一般是基因中的一个外显子，约180nt，编码60AA，十分保守;同源异形框最初在果蝇的发育调节基因中发现，这些基因的突变称为同源异形突变（homeoticmutation），会引起躯体结构的重大改变;含同源异形框的基因又称为同源异形基因（homeoticgenes,homeobox-containinggenes）

每个同源异形域含3个α-螺旋，第二、第三个形成一种“螺旋-转折-螺旋”（helix-turn-helix）结构，而第三个螺旋起到识别DNA特异序列的作用;另外，同源异形域的氨基末端也插入到DNA的小沟中

bZIP和bHLH域：

又称碱性域（thebasicdomain），能与DNA结合及形成二聚体；b表示碱性区；ZIP表示亮氨酸拉链（leucinezipper）；HLH表示“螺旋-环-螺旋”（helix-loop-helix）

bZIP：

每个单体构成亮氨酸拉链的一半：

在一条α-螺旋中，每7个AA就有1个leucine，因而leucine都在螺旋的一面；2个单体相互作用，就可构成一条“拉链”；与DNA结合的部分是“拉链”下的碱性区，它们必须在bZIP形成二聚体后，才能与DNA特异识别、结合

bHLH：

与DNA的复合体结构和bZIP-DNA复合体相似；helix-loop-helix为二聚体化域；较长的螺旋有碱性区，能与DNA特异结合

转录激活域似乎无特定且明显的结构，但可分3类：

酸性域（acidicdomains）：

富含酸性氨基酸，如酵母GAL4的激活域

富含谷氨酰胺域（glutamine-richdomains）：

富含谷氨酰胺，如Sp1中的2个激活域

富含脯氨酸域（proline-richdomains）：

富含脯氨酸，如CTF中的激活域

（2）激活子的功能

1、促进通用转录因子结合到启动子上（促进TFIID结合到启动子（预起始复合物）、促进TFIIB结合到预起始复合物、促进TFIIF/PolII、TFIIE结合到预起始复合物）

2、促进RNA聚合酶II的全酶（holoenzyme）结合到启动子，形成完整的预起始复合物

3、至少在一些基因中，激活子通过促进整个全酶结合到启动子区域而激活转录

4、激活子是使增强子能远距离作用的原因

4种可能性（第三、四种可能性较符合实际情况）：

Coiling（changeintopology）、Sliding、Looping、Facilitatedtracking（loopingandtracking）

（3）多顺反子转录与单顺反子转录

多顺反子转录是原核生物的转录方式：

操纵子（operons）Operon:

Agroupofcontiguous,coordinatelycontrolledgenes

经典模型：

乳糖操纵子（thelacoperon）有：

lacZ:

β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）基因、lacY:

半乳糖苷透过酶（galactosidepermease）基因、lacA:

半乳糖苷乙酰基转移酶（galactosidetransacetylase）基因、lacI:

调节基因（regulatorygene）、Operator:

操纵区、Repressor:

阻遏子（阻遏物）、Inducer:

诱导物（异构乳糖，allolactose）

通过阻遏基因（阻遏物）与操纵区，lacZ、lacY、lacA这3个结构基因是一起被调控的，它们组成了一个操纵子（thelacoperon）

阻遏的机制（两种假说）

聚合酶与阻遏物可一起结合在lacoperon的启动子区，阻遏物的作用只是阻止转录从起始状态进入延伸状态

阻遏物的作用是不让RNA聚合酶进入lacoperon的启动子（得到最新实验数据的支持）

阻遏物的调控是负调控（代谢物阻遏效应（cataboliterepression））

乳糖操纵子的调控还需正调控因子

cAMP在细胞中的浓度与葡萄糖的含量成反比，它与一种称为代谢物激活蛋白（cataboliteactivatorprotein，又称CAP）一起，起到正调控作用。

CAP-cAMP的结合位点在启动子的上游（与启动子紧密相邻），该位点称为激活物位点。

CAP-cAMP结合到激活物位点后，就会促进RNA聚合酶与DNA形成openpromotercomplex（CAP-cAMP能加快closedpromotercomplex的形成，从而提供了更多形成openpromotercomplex的机会），结果是促进转录。

乳糖操纵子的正调控

乳糖操纵子的启动子实际上是一种弱启动子，其-35box与原核启动子相应的共同序列相差甚大，因此才需要CAP-cAMP进行正调控；如果是强启动子（与共同序列十分相近），则不需要正调控，但这种情况会使得即使葡萄糖存在，乳糖操纵子也一样运作。

弱化作用的调控：

色氨酸操纵子（thetrpoperon）

合成代谢的操纵子，所编码的酶能把色氨酸前体分枝酸（chorismicacid）转化为色氨酸。

色氨酸浓度高，则关闭；色氨酸浓度低，则开启；具弱化子（attenuator），无CAP-cAMP调控

色氨酸操纵子有5个结构基因（EDCBA）及1个调节基因（R）；启动子（trpP）与操纵区（trpO）在结构基因的上游，且操纵区完全在启动子里面；在调控中，色氨酸的作用是帮助阻遏物结合到操纵区，从而使操纵子关闭

弱化作用（attenuation）

在阻遏作用的基础上（色氨酸操纵子的阻遏作用较弱），能再降低转录水平10倍

前导区与弱化子转录物的第一种较稳定的结构有一终止子（ρ-independentterminator），能使弱化作用发生，转录终止

转录物的第二种较不稳定的结构没有终止子，转录能继续

色氨酸的多寡决定形成哪一种结构（在转录与翻译偶联的情况下）

在细菌中，当色氨酸操纵子的前导区转录后，翻译就开始

核糖体到达色氨酸密码子时，若色氨酸缺乏，核糖体不能前进，翻译受阻，前导区与弱化子转录物只能形成第二种结构；结构基因能转录；若色氨酸充足，前导肽的翻译能顺利完成，前导区与弱化子转录物能形成第一种较稳定的结构，导致弱化作用发生

调控能达成的必要条件

转录与翻译偶联，且速率大致相等

每个结构基因的转录产物都有其起始密码子，核糖体从各个基因的mRNA的起始信号（密码子）开始翻译，即结构基因的翻译与前导序列的翻译无关

细菌能符合这样的要求，说明其体系中各组分的协调性

单顺反子转录是真核生物的主要转录方式

（4）转录起始、延伸及终止

起始所需条件

原核生物：

RNA聚合酶全酶，启动子

RNA聚合酶（RNApolymerase）：

α（40kD）、β（150kD），β‘（160kD）、σ（70kD）：

specificityfactor

核心酶（coreenzyme）：

β，β‘，2α，全酶（holoenzyme）：

β，β‘，2α，σ

σ:

specificityfactor

全酶（holoenzyme）由核心酶与σ亚基组成

启动子（promoter）：

聚合酶的结合位点（bindingsite），一般位于转录起始位点上游

Promoterstructure

共同序列（consensussequence）：

Pribnowbox（-10box,DavidPribnow发现）、-35box（-10box与-35box的最佳距离为17±1bp）

下调突变（downmutation）上调突变（upmutation）

强启动子还有一些额外的元件，如E.coli编码rRNA的rrngene中的UPelement（上游元件），可提高表达数十倍

转录起始（transcriptioninitiation）Foursteps:

Formationofaclosedpromotercomplex

Conversionoftheclosedpromotercomplextoanopenpromotercomplex

Polymerizingthefirstfewnucleotides（upto10）whilethepolymeraseremainatthepromoter

Promoterclearance

真核生物：

RNA聚合酶，启动子，转录因子，染色质的合适结构（启动子区无核小体）

RNA聚合酶I（PolymeraseI）：

largerRNAprecursor，位于核仁

RNA聚合酶II（PolymeraseII）：

mRNAprecursors,snRNAs，位于核质

RNA聚合酶III（PolymeraseIII）：

tRNAprecursors,5SrRNAprecursor,U6,etc位于核质

PolymeraseI、II、III都由多个亚基组成：

均有两个较大的亚基（>100kD）、另有多个较小的亚基（大部分<50kD），三种聚合酶都有一些共有亚基（commonsubunit）

RNA聚合酶II的结构：

研究得比较清楚的一种，有12个亚基（Saccharomycescerevisiae中）即Rpb1、Rpb2、Rpb3、Rpb4、Rpb5、Rpb6、Rpb7、Rpb8、Rpb9、Rpb10、Rpb11、Rpb12

核心亚基（coresubunits）：

Rpb1,Rpb2,Rpb3，对聚合酶的活性必不可少，分别与原核RNA聚合酶的β’,β和α亚基同源，且功能也基本相同（Rpb3在聚合酶中也是有2个拷贝）

核心亚基Rpb1的特殊之处-------不均一性（heterogeneity）：

在细胞内，有210kD和240kD两种形式（IIa和IIo）；在体外，还有180kD这种形式（IIb）

共有亚基（commonsubunits）：

与Rpb5,Rpb6,Rpb8,Rpb10,Rpb12相应的亚基，在3种RNA聚合酶中都存在，在3种聚合酶中都存在，说明它们是起着十分重要的作用，但具体的功能不很清楚

非必需亚基（nonessentialsubunits）：

Rpb4,Rpb9，其基因的突变体在正常温度下仍有活力，但在较高或较低温度下则失去活力；Rpb4和Rpb7（必需的亚基）与启动子的识别有关（有点像σ因子）、Rpb9的功能不甚清楚

Rpb7和Rpb11：

另类亚基（不属于上述3类）、RNA聚合酶的活性所需（Rpb7与启动子的识别有关）

RNA聚合酶II的全酶（thepolymeraseIIholoenzyme）：

RNA聚合酶II的所有亚基+部分通用转录因子+其他一些蛋白质因子

真核生物的启动子：

II类启动子：

与原核基因的启动子最相似，可含有四类元件（TATA区（TATAbox）、起始子（initiator）、下游元件（downstreamelement）、上游元件（upstreamelement）），前三类是核心启动子（corepromoter）的元件

TATA区（theTATAbox）：

位于转录起始位点上游约25bp（以中部计，在酵母中可达50~70bp），共同序列为TATAAAA（inthenontemplatestrand,similartoprokaryotic-10box）

功能：

确定转录起始位点（一般是TATA区的第一个核苷酸后30bp）；有时甚至是决定整个启动子是否有作用

有些基因的TATA区序列与其共同序列相差较大，而只在某些类型的细胞中才表达的基因则有明显的TATA区

有些基因甚至没有TATA区（看家基因（housekeepinggenes）、控制发育的基因）

起始子（initiator）：

转录起始位点前后的保守序列，共同序列为：

PyPyANT/APyPy（Py:

pyrimidine、N:

anynucleotide、A:

transcriptionstartpoint）

有些基因仅有起始子序列作为其启动子

下游元件（downstreamelement）：

某些基因的启动子中存在、位于转录起始位点下游，无共同序列

上游元件（upstreame