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分子生物学期末复习资料（总22页）

分子生物学期末复习资料

检疫1111班

考试题型：

1、单项选择（1分/题，共50题）；2、多项选择（分/题，共10题）；3、名词解释（2分/题，共5题）；4、问答题（共15分，4题）；5、论述题（共10分，1题）

第二章基因与基因组

一、基因的概念

（一）基因概念的发展

1、孟德尔：

一个因子决定一种性状。

2、摩尔根：

性状单位，突变单位和交换单位。

3、顺反子：

功能单位，决定一条多肽链的表达

4、操纵子：

基因表达调控单元（原核）

•结构基因、调节基因（可表达）

•控制基因（启动基因和操纵基因）

（二）现代基因概念的发展

1、重叠基因：

一个基因包含或部分包含另一基因

2、断裂基因：

内部含间隔区，即由外显子和内含子互相间隔组成的嵌合体

3、跳跃基因：

转座元件，可移动遗传元件

4、假基因：

拟基因，没有功能，序列与功能基因相似。

（三）基因的分子生物学定义

是编码多肽链或RNA的DNA片段，包括编码序列：

外显子（exon）、插入序列：

内含子（intron）、侧翼序列：

含有调控序列

（四）基因组

基因组：

一个细胞或病毒的全部遗传信息

二、病毒基因组

1、病毒基因组核酸的类型（7种）

双链DNA（dsDNA）病毒；单链DNA（ssDNA）病毒；双链RNA（dsRNA）病毒；单链正链RNA病毒；单链正链RNA病毒；逆转录RNA病毒；逆转录DNA病毒

2、病毒基因组的特点

•一种核酸，DNA/RNA，线性或环形

•大小相差很大；

•一般为单拷贝；

•一条或几条核酸链；

•连续或间隔；

•编码序列大于90%；

•相关基因往往丛集形成一个功能单位或转录单元；

•有重叠基因。

三、原核生物基因组

1、原核生物基因组特点

（1）一般由一条环状双链DNA分子组成；

（2）通常只有一个DNA复制起点；

（3）结构基因大多组成操纵子；

（4）编码序列不重叠

（5）没有内含子

（6）编码序列（结构基因）在基因组中所占比例较大，基因密度非常高（非编码—调控序列）

（7）结构基因多为单拷贝，rRNA基因为多拷贝；

（8）有编码同工酶的同基因（isogene）

（9）转座现象：

插入序列和转座子等

（10）具有多种功能识别区域（往往具有特殊的序列，并且含有反向重复序列。

）

2、质粒（Plasmid）

（1）质粒是存在于细菌染色体外的（也可整合），具有自主复制能力的环状双链DNA分子；大小为2-3kb。

（2）质粒的特性

在宿主细胞内可自主复制；细胞分裂时恒定地传给子代；所携带的遗传信息能赋予宿主特定的遗传性状；质粒可以转移。

四、真核生物基因组

（一）真核生物基因组的组成

1、基因和基因相关DNA序列：

包括编码的DNA序列和非编码的DNA序列（如内含子、基因片段和假基因等）

2、基因外DNA序列：

包括各种重复序列以及非编码的单拷贝、低拷贝序列

（二）真核生物基因组DNA序列的分类

1、高度重复序列（重复次数>106次,约占5％）

（1）卫星DNA：

大卫星DNA；小卫星DNA；微卫星DNA。

（2）反向重复序列

2、中度重复序列（短散在重复片段；长散在重复片度）

3、低度重复序列（单拷贝序列，大多数编码蛋白质的结构基因属于单拷贝单拷贝序列）

（三）真核生物基因组的结构特点

1基因组庞大

2大部分为非编码序列

3大量重复序列

4转录产物为单顺反子

5断裂基因

6功能相关的基因构成基因家族

7存在逆转录转座子

8大量顺式作用元件

9DNA多态性⑩端粒结构

五、基因组学

1、人类基因组计划

“四图”：

遗传图、物理图、转录图、序列图

2、结构基因组与功能基因组学

3、后基因组学研究的重要领域

第四章基因表达调控（重点）

★本章考试重点考的内容：

（只是一些重点，其他还得看书！

）

1、名词解释：

操纵子；启动子；组成型基因（管家基因）；弱化子（衰减子）；顺式作用元件；反式作用因子等

（1）操纵子：

原核生物中为功能相关的几个蛋白质编码的一组结构基因，加上启动序列、操纵序列以及其它调节序列串联组成的转录单位。

（2）启动子（启动序列）：

DNA聚合酶结合位点周围的一组转录调控组件，至少包括一个转录起始点以及一个以上的功能组件。

（3）组成型基因（管家基因）：

控制代谢过程中必须的、其合成速率不受环境变化或代谢途径影响的蛋白质即组成型蛋白质合成的相关基因。

或在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达得基因。

（4）弱化子（衰减子）：

一些操纵子中位于操纵区和结构基因之间的一段能终止转录作用的DNA序列。

这种终止作用是可以被调节的。

（5）顺式作用元件：

真核生物中对基因表达有调节活性的DNA序列，其活性只影响与其自身同处一个DNA分子上的基因。

（6）反式作用因子：

真核生物中编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列不在同一个DNA分子上的一类蛋白质调节因子，也称为转录因子。

2、问答题或论述题：

（1）原核生物基因表达调控特点。

①原核生物的转录和翻译过程几乎同步进行；

②原核基因表达得调控可以在DNA、转录和翻译三个不同层次进行，主要的调节方式为转录水平上的调控，有正负调控两种机制；

③原核生物的转录及其调控主要以操纵子为单位进行。

（2）论述乳糖操纵子的结构及正负调控机制。

①乳糖操纵子的结构（看书）；

②阻遏蛋白的负性调节：

lacⅠ表达的阻遏蛋白与lacO结合，阻止RNA聚合酶起始转录结构基因，异乳糖可结合阻遏蛋白，使其变构而与lacO解离。

③CAP的正性调节：

cAMP与CAP结合，启动正性调节，CAP-cAMP复合物结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，促进结构基因转录。

④协调调节：

当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用；但如果没有CAP来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解离仍几无转录活性。

有葡萄糖而没有乳糖的调节下：

在葡萄糖代谢的影响下cAMP浓度低，CAP-cAMP复合物少而无法启动正调节。

没有乳糖二无法产生异构乳糖，阻遏蛋白与lacO结合，乳糖操纵子不表达。

乳糖和葡萄糖都存在的条件下：

在葡萄糖代谢的影响下cAMP浓度低，CAP-cAMP复合物少而无法启动正调节。

有乳糖可产生异构乳糖，异乳糖可结合阻遏蛋白，使其变构而与lacO解离，而乳糖操纵子不表达。

有乳糖而无葡萄糖的条件下：

无葡萄糖cAMP浓度高，CAP-cAMP复合物结合在乳糖启动序列附近的CAP位点，有乳糖可产生异构乳糖，异乳糖可结合阻遏蛋白，使其变构而与lacO解离，乳糖操纵子表达。

（3）论述色氨酸操纵子的结构与调控机制。

①色氨酸操纵子包括：

启动子、调节基因及五个结构基因，分别编码色氨酸合成有关的五种酶。

②色氨酸操纵子具有负控阻遏调节系统：

环境中有色氨酸时，色氨酸与阻遏蛋白结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合关闭色氨酸mRNA的转录。

③色氨酸操纵子还具有弱化子调节系统：

弱化子是具有终止作用的DNA序列，这种终止作用是可以被调节的。

弱化子调控的过程：

色氨酸操纵子具有前导序列，弱化子位于前导序列上。

前导序列可分为1、2、3、4区，其中可出现1区和2区配对，3区和4区配对或2区与3区配对的两种情况。

当出现1区与2区配对，3和4区配对时是终止转录信号，而2区与3区配对是可以继续转录下去。

当环境中色氨酸浓度高时，形成1区与2区配对，3和4区配对，当环境中色氨酸浓度低时，形成2区和3区配对，RNA聚合酶可以通过弱化子，使转录继续进行。

这个阶段的调控是trp操纵子的细微调控。

一、概述

1、基因表达调控

（1）基因表达过程内受到精密的调控，以保证功能的有序性。

（2）对环境的适应，相关的应答

（3）时间特异性

（4）空间特异性/细胞特异性

（5）多层次：

基因水平；转录水平；转录后水平；翻译水平；翻译后。

2、原核与真核生物

最常见的调控：

转录过程的调控

3、基因表达方式（组成型表达&诱导和阻遏表达）

（1）组成性基因表达（基本的基因表达）

管家基因的表达，它只受启动子与RNA聚合酶相互作用的影响

管家基因/持家基因（housekeepinggene）：

①指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行表达的基因；

②其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。

（2）诱导和阻遏表达

诱导（induction）：

是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。

这类基因称为可诱导基因。

DNA损伤→修复酶基因激活

乳糖→利用乳糖的三种酶表达

阻遏（repression）：

是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。

这类基因称为可阻遏基因。

色氨酸—色氨酸合成酶系

4、调控特点

（1）原核生物

①转录水平调节为主；

②σ因子决定RNA聚合酶识别特异性；

③多个翻译起始区：

一条多顺反子mRNA,多个SD序列

④操纵子（元）模型的普遍性（on-off）：

多顺反子转录，通过调控单个启动基因的活性来完成协调表达

5操纵子类型：

诱导型：

乳糖操纵子（阻遏蛋白与阻遏机制，负性调节主导）；阻遏型

（2）真核生物

①活性染色体结构变化：

对核酸酶高度敏感、拓扑结构变化、DNA碱基修饰、组蛋白减少；

2正性调节占主导；

3转录与翻译分隔进行；

4转录后修饰、加工。

二、原核生物基因表达调控

（一）基本概念

1、结构基因&调节（控）基因

①结构基因:

编码蛋白质或RNA的任何基因。

原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。

2调节基因：

编码基因调节物（RNA或蛋白质）的编码基因。

其编码产物与DNA上的特定位点结合调控基因表达。

2、操纵基因&阻遏蛋白

操纵基因（operatorgene，O）：

调节蛋白特异性结合的一段DNA序列；调节蛋白（阻遏蛋白）结合在操纵基因的序列上，会影响其下游基因转录的强弱

3、组成型蛋白&调节蛋白

（1）组成型蛋白

（2）调节蛋白：

可影响基因的表达

正调节蛋白（激活蛋白）；负调节蛋白（阻遏蛋白）；

阻遏蛋白（repressor）:

调节基因编码，阻止基因表达的蛋白质，可与操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质的翻译。

（二）原核生物操纵子模型

（1）操纵子学说---转录水平的调控

操纵子（operon）：

原核生物基因表达和调控的一个完整单元，包括调节基因，启动子和操纵基因（Operator）及相邻的结构基因。

操纵基因受调节基因产物的控制。

（2）操纵子特性：

①操纵子转录、翻译出的蛋白质通常是：

在一个代谢途径中催化不同反应步骤的酶；

②操纵子转录的频率随着细胞生长环境的不同而改变；

③操纵子分为结构区和调控区两部分。

调控区包括聚合酶结合的启动基因（promoter,P）与阻遏蛋白结合的操纵基因。

（3）正调控系统和负调控系统

操纵子调控系统的基本类型：

负性调控：

减弱或阻止其调控基因转录，

可诱导负调控系统；可阻遏负调控系统

正性调控：

增强或起动其调控基因转录，

可诱导正调控系统；可阻遏正调控系统

（4）基本概念（具体的看课本！

）

操纵子；结构基因；调节基因；启动子；操纵基因；诱导物/效应物；

辅阻遏物：

使阻遏蛋白具有活性或使活性蛋白失去活性的物质；

正调控；负调控。

（三）乳糖操纵子模型（lacoperon）（具体看课本123--127！

）

1、乳糖操纵子（lacoperon）的结构

⏹Z编码β-半乳糖苷酶：

将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖

⏹Y编码β-半乳糖苷透过酶：

使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。

⏹A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：

乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。

结构基因：

三个

调控序列

•调节基因（lacI）

•操纵基因lacO（operator）:

回文序列，提供给阻遏蛋白识别的位点

•启动子：

lacP（promotor）

•CAP结合位点：

代谢基因激活蛋白；原核生物，分解代谢都有此位点

乳糖为诱导物

2、乳糖操纵子的调节机制

阻遏蛋白和CAP的双重调控

⏹阻遏蛋白的负性调节

⏹CAP的正性调节

⏹协调调节

（四）色氨酸操纵子（具体看课本127—131！

）

1、负责色氨酸的生物合成

足够的色氨酸时，操纵子自动关闭；缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达；

色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。

由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。

2、色氨酸操纵子的结构

3、色氨酸操纵子的特点

（1）trpR（89’）和trpABCDE（25’）不连锁；

（2）操纵基因在启动子内

（3）有衰减子（attenuator）

前导区内，类似终止子的一段DNA序列，辅助阻遏作用的转录调控

（4）启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序（Leader）所隔开

4、色氨酸操纵子表达的调控方式

阻遏系统：

通过阻遏蛋白的负调控

弱化系统：

通过衰减子作用

前导肽/衰减子的序列结构

转录的弱化效应（转录衰减机制

（五）阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon）

1、Ara操纵子模型

（1）基因组成

结构基因：

araA、araB和araD

分别编码L－阿拉伯糖异构酶、核酮糖激酶和L－核酮糖－5－磷酸－4－差向异构酶。

基因E、F：

负责转运阿拉伯糖进入细胞。

2、AraC蛋白的正、负调节作用

（1）AraC蛋白的负调节作用

没有阿拉伯糖时，AraC蛋白同时与araC位点及远距离的-280区结合，造成DNA链的扭曲，不能起始mRNA的转录。

（2）AraC蛋白的正调节作用

正调节蛋白是激活蛋白，它存在时，被控制的基因表达。

Ara存在时，AraC蛋白与阿拉伯糖形成C蛋白·阿拉伯糖复合物，复合物与启动子区的AraC位点结合，激活PBAD，活化RNA聚合酶，使结构基因mRNA正常转录，产生上述3种酶，完成调控。

★有葡萄糖，cAMP↓，没有cAMP-CAP

●AraC蛋白：

抑制形似（Pr），与AraC位点结合

●RNA聚合酶很少再与Pc结合，araC基因受到抑制

●整个系统几乎处于静止状态。

●没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖

●有cAMP-CAP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBADmRNA转录。

●无葡萄糖，有阿拉伯糖时，大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。

●没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有cAMP-CAP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBADmRNA转录。

●无葡萄糖，有阿拉伯糖时，大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。

（3）ara操纵子的调控有三个特点：

●第一，araC表达受到AraC的自动调控。

●第二，AraC既可充当阻遏物，也可作为激活剂。

●第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。

三、真核生物基因表达的调控

（一）真核生物表达调控的特点

1.多层次调控（5个水平）；

2.顺式作用元件/反式作用因子的转录调节模式；

3.基因表达以正调控为主；

4.细胞特异性/组织特异性表达；

5.转录与翻译在不同的区域进行；

6.无操纵子和衰减子；

7.个体发育复杂；

8.受环境影响较小。

★真核生物的调控也主要发生在转录水平上

›顺式作用元件（cis-actingelement）

v定义：

真核生物中对自身基因表达有调节活性的DNA序列。

包含启动子、增强子、沉默子和绝缘子等类型；通常不编码蛋白质，多位于基因旁侧或内含子中。

›反式作用因子（trans-actingfactor）

v定义：

指真核生物中一类可通过与特异的顺式作用元件相互作用，使邻近基因开放开放或关闭，即对转录起促进或阻遏作用的蛋白质因子，也称转录因子

（二）DNA和染色体水平调控

1、DNA的甲基化

2、组蛋白的修饰

3、染色质的结构变化

4、基因丢失和基因扩增

5、基因重排

（三）转录水平上的调控

真核生物的调控也主要发生在转录水平上：

顺式作用元件（cis-actingelement）；反式作用因子（trans-actingfactor），转录调控是通过两者的相互作用来实现的。

1、顺式作用元件的分类

启动子；增强子；沉默子；绝缘子；转座子；其他应答元件。

启动子（promoter）：

是一段提供RNA聚合酶识别和结合的DNA序列位于基因的上游RNA聚合酶通过与它的结合而启动基因的转录

增强子（enhancer）：

能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列，顺式作用元件（DNA序列）。

沉默子（silencer）：

某些基因的负性调节元件，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。

能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。

绝缘子（Insulator）：

一种负调控元件，参与基因表达的负调控。

•阻止基因表达调控的传递（激活或阻遏），其作用可不受序列方向影响，能远距离发挥作用。

转座子（transposon）：

能将自己插入基因组中新的位置的DNA序列。

2、反式作用因子（trans-actingfactor）

包括：

转录因子、RNA聚合酶、调控蛋白等。

★反式作用因子的调控作用：

1蛋白质和DNA相互作用；

2蛋白质和配基结合；

3蛋白质之间的相互作用;

4蛋白质的修饰。

（四）真核基因表达的转录后水平调控

vmRNA前体：

hnRNA

›加工：

加帽、加尾、剪接、修饰和编辑等过程

v5′端加帽（cap）和3′端多聚腺苷酸化（polyA）的调控意义

›使mRNA稳定，在转录过程中不被降解

vmRNA的选择剪接

›外显子选择、内含子选择、互斥外显子、内部剪接位点

›产生不同mRNA，翻译出不同的肽链

vmRNA运输的控制

（五）真核基因表达的翻译水平调控

1、5’UTR结构与翻译起始点调节

2、蛋白质磷酸化对翻译效率的影响（起始因子的磷酸化）

3、3’UTR结构与mRNA稳定性调控

（六）真核基因表达的蛋白质加工水平调控（翻译后水平）

1、新生肽链的水解：

酶解

肽链N端的第一个氨基酸：

稳定化氨基酸（Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro）与去稳定氨基酸

2、肽链中氨基酸的共价修饰：

磷酸化、甲基化、酰基化

3、通过信号肽（signalpeptide）分拣、运输、定位

第五章基因重组与基因工程

一、基因重组

（一）基因重组和相关概念

1、基因重组：

是指不同来源的DNA分子通过磷酸二酯键连接而成新组合的DNA分子的过程。

2、基因重组技术：

是指采用酶学方法将不同来源的DNA按照人们的设计方案在体外切割与连接，拼装组合成新的杂合DNA分子的技术。

（二）基因重组的分类

1、同源重组

发生在同源序列间的重组称为同源重组（homologousrecombination），又称基本重组。

是最基本的DNA重组方式，通过链的断裂和再连接，在两个DNA分子同源序列间进行单链或双链片段的交换。

重组酶：

RecA蛋白等

2、细菌的基因转移与重组

（1）接合作用

当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA从一个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌）的DNA转移称为接合作用（conjugation）。

（2）转化作用

通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型，称为转化作用（transformation）。

（3）转导作用

当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来、再次感染另一（供体）细胞时，发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组即为转导作用（transduction）。

以病毒等为媒介的DNA转移与重组。

3、位点特异重组

位点特异重组（site-specificrecom-bination）是由整合酶催化，在两个DNA序列的特异位点间发生的整合。

（1）λ噬菌体DNA的整合

λ噬菌体的整合酶识别噬菌体和宿主染色体的特异靶位点发生选择性整合；

反转录病毒整合酶可特异地识别、整合反转录病毒cDNA的长末端重复序列（longterminalrepeat,LTR）。

（2）细菌的特异位点重组

沙门氏菌H片段倒位决定鞭毛相转变。

（3）免疫球蛋白基因的重排

免疫球蛋白（Ig），由两条轻链（L链）和两条重链（H链）组成，分别由三个独立的基因族编码，其中两个编码轻链（κ和λ），一个编码重链。

（4）转座重组

由插入序列和转座子介导的基因移位或重排称为转座（transposition）。

①插入序列转座

插入序列（insertionsequences,IS）组成：

二个反向重复序列（invertedrepeats,IR）侧翼的正向重复序列

一个转座酶（transposase）编码基因

②转座子转座

转座子（transposons）——可从一个染色体位点转移到另一位点的分散重复序列。

二、基因工程

（一）相关概念

1、克隆（clone）：

来自同一始祖的相同副本或拷贝的集合。

获取同一拷贝的过程称为克隆化（cloning），即无性繁殖。

2、基因工程（geneticengineering）——实现基因克隆所用的方法及相关的工作，又称重组DNA技术。

3、工具酶

（1）限制性核酸内切酶（restrictionendonuclease,RE）

是一类由细菌产生的能专一识别和切割双链DNA中的特定碱基序列的核酸内切酶，简称限制酶或切割酶。

特异识别及切割4~8个bp长度且具有回文序列的DNA片断

回文序列（palindrome）：

是指该部位的核苷酸序列呈180O反向重复

★限制酶识别及切割位点：

主要产生3种末端结构：

5ˊ－粘性末端；3ˊ－粘性末端；平端或钝端。

粘性末端（stickyend）：

是指经内切酶特异切割后产生的5ˊ－末端突出和3ˊ－末端突出的碱基序列相互间具有互补性。

★同裂酶

又称异源同工酶。

指来源不同，但具有相同的识别序列。

在切割DNA时，其切割点可以是相同的，产生平头末端，称为同识同切；

切割点也可以是不同的，产生3ˊ或5ˊ粘性末端，称为同识异切。

（2）DNA聚合酶

4、载体

（1）载体（vector）：

是指能在连接酶作用下和外源DNA片段连接起来，并运送到宿主细胞的运载工具。

其化学本质为DNA分子。

（2）常用载体：

质粒DNA；噬菌体DNA；病毒DNA。

（3）载体必须具备的基本条件：

具有独立复制能力；具有遗传表型或筛选标记；有足够的容量以容纳外源DNA片段；可导入受体细胞；具备多个限制酶的识别位点（多克隆位点）。

（4）载体的分类

①克隆载体：

为使插入的外源DNA序列被扩增而特意设计的载体，即用来克隆和扩增DNA片段的载体。

有质粒DNA、噬菌体DNA和病毒DNA三类。

②表达型载体：

为了使插入的外源DNA能够表达为多肽链而设计的载体称为