基因组学.docx

基因组学.docx

《基因组学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基因组学.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基因组学

概论

1.证明双螺旋的证据：

生物物理学数据、X射线衍射图谱、碱基比例

2.B-型DNA：

1）DNA具有规则的螺旋形式，每34A（3.4nm）形成一整圈，直径为20A。

每圈10个核苷酸。

2）螺旋包含两条多聚核苷酸链，碳-磷酸骨架位于外部，碱基位于内部。

3）A与T，G与C总是互补配对，通过氢键相连。

这称为碱基互补配对。

3.基因/顺反子（cistron）,指能产生一条肽链的DNA片段。

包括编码区和其上下游非编码区（引导区和尾部），以及在编码片段（外显子）间的割裂序列（内含子）。

基因是DNA；基因包含编码区和非编码区；编码区包含外显子（Exon,编码）和内含子（Intron,非编码）

4.基因组，指生物体遗传物质的全部序列，它包括每一条染色体和任何亚细胞器的DNA序列。

是包含了全部的遗传信息，是一个双倍体细胞DNA组成的一半（一条染色体），多细胞真核生物有两套独立的基因组：

核基因组和细胞器基因组

5.细胞内的RNA组分

编码RNA：

mRNA4%,寿命短

非编码RNA（功能性RNA）：

rRNA核糖体组分最丰富（>80%）

1）tRNA转运aa到核糖体

2）小RNA核小RNA，核仁小RNA,微RNA,短干扰RNA

6.转录组：

一个细胞、组织或生物体的全部RNA的集合，其复杂性主要来自mRNA，但也包括非编码RNA。

7.比较不同转录组差异的技术：

转录组水平的差异显示技术

8.蛋白质表达类型：

管家蛋白,是那些（理论上）在所有细胞中都表达的基因，因为它提供了对人和细胞类型生存都是必需的功能。

含量丰富，表达差异小

使细胞具有特化功能的蛋白含量相对少

9.蛋白质组：

在整个基因组中所表达的全部蛋白质的集合。

对于有些基因，一条基因能表达多种蛋白质，所以蛋白质组的蛋白质数量远大于基因组的基因数量。

10.蛋白功能多样性

催化作用：

酶结构作用：

骨架蛋白运动作用：

肌动蛋白、肌球蛋白运输作用：

血红蛋白

调节作用：

信号蛋白、活化调节蛋白保护作用：

抗体储存作用：

肝脏铁蛋白

11.基因组学，是研究基因组的科学，它包含了庞大的数据采集和高通量（high-throughput）的研究方法方法。

12.最初的七大物种（模式生物）：

大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、拟南芥、小鼠和人

13.人类基因组研究成果表明：

基因数量少得惊；2、人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠；3、三分之一为“垃圾”DNA；

4、种族歧视毫无根；5、男性基因突变比例更高

14.中国人类基因组计划研究成果：

1）1%测序任务，第三条染色体3000万bp，精确度99.99%，发现142个基因，其中80个为预测基因

2）人类基因组基本数据：

人类基因组包含31.647亿碱基对、平均每个基因碱基数是3000、基因总数约为3万个、不同个体间的碱基顺序有99.9%相同、已发现的基因中约一半功能未知

3）1%的人类基因组被用来编码蛋白：

基因序列占25%、外显子序列仅占1%、重复序列超过50%

4）在超过人类基因组50%以上的重复序列中绝大部分是转座子

15.转座子：

能将自身插入基因组新位置的DNA序列（与靶位点无任何相关序列）。

基因组结构

1.染色体的功能：

a）染色体是DNA的紧密结构更适合在细胞中存在；

b）包装可以保护DNA免于损伤；

c）只有包装成染色体的DNA才能在每次细胞分裂时有效将DNA传递给两个子细胞。

d）染色体将每个DNA分子全面地组织起来，从而有助于基因的表达和亲本染色体间的重组。

2.C值--单倍体基因组中DNA的总量

基因组大小（C值大小）大致上与物种进化的复杂性相关，随着物种复杂度的增加C值一般增加，但是存在例外。

这种例外被称为C值佯谬或C值悖论。

现象：

①某些低等物种的基因组更大、②相似生物的基因组差异很大、③物种复杂性与基因组的相关性不精确

低等生物基因密度相对较高，复杂度高的生物基因密度低

3.真核生物基因组结构特点

a）线性

b）DNA与蛋白质包装成染色体，有至少两条染色体

c）转录产物为单顺反子，即一个结构基因经过转录和翻译生成一个mRNA分子和一条多肽链，每个基因转录有各自的调节原件

d）存在重复序列

e）不编码区域多于编码区域

f）大部分是断裂基因：

基因有内含子

g）存在大量DNA多态性:

单核苷酸多态性（SNP）,串联重复序列多态性

h）具有端粒结构

4.DNA包装成染色体

a）染色体比所含DNA分子短得多

b）染色体=DNA+组蛋白（染色质核酸酶保护实验）

c）八个组蛋白分子（H2A,H2B,H3,H4各两个）组成桶装的核心八聚体,称核小体，DNA缠绕连接于核小体外

d）除核心八聚体蛋白外，还有一组附加组蛋白，它们相互连接，统称为连接组蛋白。

如脊椎动物中的H1a-e,H1。

H1t和H5

e）每个连接组蛋白附着于一个核小体，形成染色小体

5.人染色质核酸酶保护分析步骤：

1）提取染色质、2）DNA酶处理：

有限量酶处理和充分量酶处理、3）蛋白酶降解、4）凝胶电泳

原理：

酶消化无蛋白保护的DNA,有限量酶消化只切割一次，充分量酶消化切割所有无蛋白保护DNA

结论：

每个蛋白-DNA复合物有146bpDNA，间隔区有200-146=54bpDNA

6.核型与核型分析

a）可以通过一些染色技术来产生特定染色体典型的带型特征。

b）这种中期的特有染色体表型被称为核型。

包括染色体的数目、大小、形态特征等。

c）核型分析对于探讨人类遗传病的机制、物种亲缘关系与进化，远缘杂种的鉴定，具有重要意义。

7.着丝粒DNA序列含有重复序列和少数基因

8.酿酒酵母着丝粒中DNA与蛋白质的相互作用：

1）着丝粒包括CDEI、II和III三个元件，I和III在酵母16条染色体中高度保守，II可变。

2）Cse4和Mif2结合，形成被CDII序列包绕的核心复合体。

3）Cbf1和Cbf3分别识别并结合CDEI和III，从而固定了蛋白质与DNA的结合。

4）Cbf1和Cbf3还至少结合20种其它蛋白，形成着丝点（动粒，Kinetochore）。

5）着丝点作为微管的附着点，由微管负责将分裂的染色体拉入子代。

9.着丝粒大小、组成在不同生物间的差异

高等生物着丝粒DNA更大，组成更复杂。

类似与染色体其它区域，包含了核小体。

其中部分区域除包含H3组蛋白外，还包含CENP-A蛋白，使核小体更坚实、紧密。

10.端粒：

真核生物所特有的染色体末端区域

由DNA序列和蛋白质组成的复合物

DNA序列相当保守，一般由多个短核苷酸串联组成。

人类的端粒DNA是由数百拷贝的5’-TTAGGG-3’重复序列组成

具有保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能。

11.基因不均匀分布

a）染色体染色后带型不均匀

b）等容线（isochore）模型:

脊椎动物和植物的基因组是许多DNA片段的嵌合体，每个片段至少长300kb，并有均一的碱基组成但与临近的片段之间有一些差异。

人类基因组DNA，可见五种组分的异粒：

富含AT的异粒L1和L2，以及富含GC的异粒H1、H2、H3。

12.DNA多态性

a）Polymorphism（多态性）：

指基因组群中同时发生的等位基因不同（不同表型的等位基因或限制性模式的DNA变化）。

b）单核苷酸改变，称为单核苷酸多态性（SNP）

c）串联重复序列多态性

13.重复DNA序列

散布重复序列（interspersedrepeat），重复序列以随机方式散布于整个基因组中

串联重复序列（tandemlyrepeat），重复序列一个接一个的方式排布

14.串联重复DNA序列与卫星DNA

a）串联重复序列也叫卫星DNA（satelliteDNA）,密度梯度离心分离到基因组DNA时，这些重复序列可形成卫星带。

b）一个基因组中的卫星DNA重复单元长度可以在5bp以下到200bp以上。

c）大多数位于着丝粒。

d）小卫星（minisatellite）和微卫星（microsatellite）DNA，是两种没有出现在卫星带中的串联重复序列，其中前者形成长达20kb的聚集区，每个重复单元最多25bp；后者通常聚集区小于150bp，其重复单元只有13bp或更小。

15.基因家族

一组功能相似且核苷酸序列具有同源性的基因．可能由某一共同祖先基因（ancestralgene）经重复（duplication）和突变产生。

16.基因家族的特点：

1）基因家族的成员可以串联排列在一起，形成基因簇（genecluster）或串联重复基因（tandemlyrepeatedgenes），如rRNA、tRNA和组蛋白的基因；

2）有些基因家族的成员也可位于不同的染色体上，如珠蛋白基因；

3）有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因

17.存在核外基因的证据：

a）非孟德尔遗传指杂交后代没有表现出孟德尔亲代性状的分离，这反映了分离性状与减数分裂纺锤体缺少关联

b）体细胞分离亲代性状在体细胞中分离，并由此出现了该生物的非均一性，使植物发育的一个显著特点，反映了分离性状与有丝分裂纺锤体缺少关联。

c）这些现象表明有基因存在与核外，而且不随减数分裂和有丝分裂的纺锤体而分离，因而不能把基因组的两份拷贝分别分配到配子或子细胞中。

18.细胞器基因组

a）通常是环状。

b）编码部分而非全部的细胞器蛋白

c）叶绿体基因组相对较大，在高等植物中约为140kb。

d）动物线粒体基因组较小，哺乳动物约16.5kb、酵母约80kb、植物变化较大最小的约100kb

19.线粒体基因组

a）动物细胞线粒体DNA非常紧凑，一般编码13种蛋白质（与呼吸作用有关）、2个rRNA和22个tRNA。

b）酵母线粒体DNA有较长的内含子，所以比动物细胞的大5倍。

c）线粒体是通过内共生演化的

d）高等动物线粒体基因完全来源于母体。

“非洲夏娃”学说

20.原核生物基因组：

①比真核生物基因组小②比真核生物基因数少③物理结构不同于真核：

单一环状DNA分子④连续基因：

无内含子⑤重复序列罕见⑥操纵子

21.拟核（nucleoid）,细菌中包含基因组的紧凑结构。

无核膜，染色较浅。

细菌染色体（DNA和蛋白质的有序包装），主要包含蛋白质核心和超螺旋DNA环。

22.大肠杆菌环状基因组的超螺旋（Supercoiled）结构

超螺旋分别是由DNA双螺旋再次螺旋（正超螺旋）或去螺旋（负超螺旋）形成。

在大肠杆菌中，超螺旋是由DNA解旋酶和拓扑异构酶I产生和调控的。

23.大肠杆菌环状基因组的基因排布

基因间几乎无间隔和基因内无内含子。

这样，大肠杆菌基因组中非编码DNA仅占11%。

几乎不存在重复序列。

仅在少数特定菌株中存在少数重复序列。

24.操纵子是原核生物基因组的特征，指一组在基因组中彼此相邻的基因，两基因头尾间可能仅隔一两个核苷酸。

操纵子的所有基因都作为一个单位表达。

25.质粒

a）原核生物主染色体之外的DNA，常以环状形式存在。

b）可能存在两个或两个以上的DNA分子。

c）一些可以整合到基因组中，一些独立。

d）主要类型：

抗性、生殖、杀伤、降解、毒性

26.病毒基因组结构

其不具有传统细胞的结构

27.具有独特的生命属性

1）专性寄生:

只在一个物种的宿主细胞中复制。

2）其基因组复制与表达至少需要部分改变宿主的遗传装置。

3）病毒需要适应宿主的基因系统:

许多病毒需要利用宿主DNA或RNA聚合酶进行基因组复制和表达，而所有病毒都利用宿主的核糖体和翻译装置来合成其子代蛋白。

其基因组可能是DNA分子，也可能是RNA分子，且可能是双链，也可能是单链

28.分类:

细菌病毒（噬菌体）和真核细胞病毒

29.噬菌体由蛋白质外壳（capsid）和内部核酸组成

三种常见的外壳结构:

a）二十面体结构，例如大肠杆菌MS2噬菌体

b）丝状或螺旋状结构，例如大肠杆菌M13噬菌体

c）头-尾结构，噬菌体所特有的，例如大肠杆菌T4噬菌体

30.多数噬菌体一个DNA或RNA分子就包含了整个基因组，但是一些RNA噬菌体，其基因组的基因由几个不同的RNA分子携带，称为节段基因组

31.重叠基因：

同一段DNA能携带两种以上不同蛋白质的信息。

32.噬菌体根据其生命周期可以分为两类：

1）裂解性（烈性，virulent），在首次感染后不久就杀死其宿主细胞。

典型代表T4噬菌体。

2）溶源性（温和性，temperate），这类噬菌体可以进入溶源性周期，在宿主细胞内静止停留，甚至经历宿主细胞的多次传代。

典型代表λ噬菌体。

33.T4噬菌体的裂解性感染周期的分子事件：

一步生长曲线经历潜伏期（Latentperiod），22分钟

噬菌体与细菌外表面受体蛋白结合，将DNA注入细菌中→噬菌体DNA开始转录→噬菌体DNA复制→外壳蛋白合成→宿主细胞裂解，释放新的噬菌体

34.λ噬菌体从溶源性感染周期到裂解性感染周期的分子事件：

噬菌体基因组DNA通过位点特异性重组在大肠杆菌基因组的整合位点发生重组，整合入大肠杆菌基因组DNA→停留在细菌中，随细菌DNA多代复制→受到外界诱导而转换成裂解性感染模式→将噬菌体DNA切割出来→噬菌体基因表达、DNA复制、外壳合成，新噬菌体释放出来

35.真核生物病毒：

外壳为二十面体或丝状；

显著特征：

外壳可能被脂质膜包被，这种膜结构是在新病毒颗粒离开细胞时，从宿主细胞处获得，并可以随后通过插入特异性蛋白质来进行修饰。

36.逆转录病毒的复制策略：

1）注入、2）逆转录、3）整合

1.基因组结构维持与改变

基因组的相对稳定（维持）是物种生存的需要：

依靠复制（模板依赖性）与修复；基因组改变是进化的基础

基因组改变的类型：

1）突变小范围序列改变单个或几个核苷酸的替换、插入、缺失来源于DNA复制错误或诱变破环。

2）重组大范围序列重建同源重组、位点特异性重组、转座来源于染色体内或染色体间序列的交换。

2.基因组复制：

半保留复制的实验证明—Meselson-Stahl实验

3.拓扑异构酶—解旋酶解决了拓扑问题

催化断裂-再连接反应的酶。

在DNA分子一条或两条链上形成切口，通过切口解开螺旋。

4.复制起始—双向复制

两个复制叉（复制眼），一条链为模板，双向复制；每条链复制中，合成方向相同：

5’到3’；两条链复制方向反向平行；复制起始存在着固定的位点，复制起点细菌：

环形基因组只有单一的复制起点

真核生物：

线性基因组存在多个复制起点

5.大肠杆菌复制起点

复制起点oriC，长约245bp2个重复基序

1）9核苷酸5拷贝DnaA蛋白结合位点结合30个DnaA蛋白

2）13核苷酸3拷贝富含AT

几个解旋相关蛋白：

DnaA,HU,DnaC，DnaB解旋酶

6.酵母复制起点：

自主复制序列ARS，不足200bp

1）含四个具相似序列的亚结构域：

2）A+B1起始识别序列约40bp，为起始识别复合物（ORC）结合部位

3）B3与大肠杆菌复制起点相似结合ARS结合因子（ABF1），从而使B2的双螺旋结构解开

7.复制延伸

1）在复制起点形成复制叉

2）母代双链中一条连续复制，称前导链；一条不连续，称滞后链（半不连续）

3）DNA聚合酶（细菌5个，其中DNA聚合酶III是复制酶；真核生物9个，其中DNA聚合酶δ是复制酶）、引物

4）前导链连续合成，后滞链非连续合成，合成方向：

5’到3’

5）滞后链合成中，最初形成一些短的片段，称冈崎片段；真核生物的冈崎片段则短得多

6）模板依赖性的DNA聚合酶需要引物来启动单链上的DNA合成

8.非连续合成中的引物与引发酶

a）RNA引物：

DNA聚合酶不能作用于无引物的单链模板，而RNA聚合酶可以

b）细菌中引发酶（primase）合成4-15bp的引物；引发酶不是转录酶

9.细菌和真核生物在DNA合成引发中的差异：

细菌只需引发酶合成RNA引物

真核生物由引发酶和DNA聚合酶α形成复合物合成RNA引物和其后的约20个DNA核苷酸

10.大肠杆菌复制需要多种蛋白的协作

拓扑异构酶、解旋酶（DnaB）：

解旋；DNA聚合酶III：

复制；引发酶：

提供引物；单链结合蛋白（SSB）：

稳定打开的双链；连接酶：

连接冈崎片段；其它蛋白。

11.大肠杆菌复制中解旋酶的作用

1）DnaB是大肠杆菌中复制相关的主要解旋酶，是一种5’→3’解旋酶

2）它可以沿后滞链移动，同时使碱基对断裂

3）另外两种3’→5’解旋酶：

PriA、Rep

4）拓扑异构酶解除解旋所产生的扭转张力

12.大肠杆菌复制中单链结合蛋白的作用

a）单链结合蛋白（SSB），复制中打开的单链容易重新结合及降解，SSB是一种缺乏酶活性的蛋白，会结合到多聚核苷酸上防止两条链的重新结合及降解。

b）大肠杆菌SSB是由4个相同的亚基组成。

c）当复制复合物开始复制时，SSB必须与单链分离，这一作用由复制介导蛋白（RMP）来完成。

13.引发小体（primosome）与复制体（replisome）

1）引发小体,复制起始中，解旋酶结合到起点以后形成引发前复合物，然后引发酶结合，形成引发小体。

2）引物合成后，由DNA聚合酶III二聚体来延伸。

3）DNA聚合酶III二聚体与引物小体结合称为复制体。

14.大肠杆菌复制中完成滞后链合成的方式

复制酶DNA聚合酶III不具备5’->3’外切酶活性，到达下一个冈崎片段末端的RNA引物时停止

DNA聚合酶I和RNaseH共同作用去除RNA引物，代之以DNA

15.真核生物中后滞链合成的方式

RNaseH模型：

RNaseH去除引物至其最后一个核苷酸，侧翼内切核酸酶（FEN1）去除最后一个核苷酸和部分DNA

侧翼模型：

DNA聚合酶δ和解旋酶使引物与模板间碱基对断开，并被推成分支，再有FEN1切除分支

16.大肠杆菌基因组复制终止

存在终止序列：

Tus蛋白识别位点

Tus蛋白的不同结合方向控制了复制叉是否能够通过

17.复制中的突变（复制中的自发错误）：

尽管DNA聚合酶存在校正能力，但是但突变仍不可避免

点突变：

转换嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶；颠换嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤

插入或缺失：

出现在编码区可能导致移码；其它区域可能导致多态性（复制滑移）

存在很多不影响基因组功能的突变

18.沉默突变：

1突变在基因间非调控区域或基因间非编码区域，对整体基因组功能无影响的突变。

可发生在人类基因组的98.5%。

2编码区的突变不影响编码蛋白的氨基酸序列，同义突变

19.点突变对基因编码区的四种影响

1同义：

突变后，由于密码子兼并性，而不影响所编码的氨基酸；②非同义：

引起氨基酸的错误编码

2无义：

引起过早终止；④通读：

引起无法终止

20.编码区的插入或缺失突变可能导致不同的影响

插入或缺失的核苷酸是3的倍数，仅影响个别氨基酸，因此影响可能较小；非3的倍数，将导致移码

21.非编码区突变可能影响基因组的功能

基因表达调控区域的突变：

顺式作用元件，如核心启动子、关键调节序列；内含子剪接位点的突变：

如5’剪接点

22.DNA聚合酶确保DNA复制精确性的机制：

核苷酸选择：

聚合前选择正确的核苷酸；校对：

3’到5’外切酶活性，聚合后切除错配的核苷酸

23.四类DNA修复系统：

直接修复、切除修复（针对诱变损伤）、错配修复（针对复制错误、重组修复）

24.切除修复（主要修复系统）：

1）DNA糖基化酶切除碱基，产生无碱基（AP）位点

2）AP内切核酸酶产生单核苷酸切口

3）DNA聚合酶填补碱基

4）DNA连接酶连接断裂

25.错配修复中子代DNA的识别：

1）大肠杆菌中子代新生分子尚未甲基化，从而可以区分

2）甲基化位点：

3）5’-GATC-3’A甲基化

4）5’-CCA/TGG-3’C甲基化

26.SOS应答：

修复难以进行时绕过主要损伤位点，允许某些复制错误保留，继续复制

27.重组，各种包括多聚核苷酸断裂和再连接的过程。

28.同源重组，也叫一般性重组，发生在具有高度序列同源性的DNA片段之间。

这些片段可处在不同染色体上，也可以是同一染色体的不同部分。

真核生物中，发生于减数分裂时期，负责减数分裂中的互换。

29.同源重组的Holliday模型：

交换→连接→分支迁移→断裂→Holliday结构分离

重组是由于异源双链体DNA间发生断裂与单链的交换，产生异源双链体DNA片段；当双链体DNA的单链与相对应的另一双链体中的单链发生置换时，会产生一个分叉结构（Holliday结构），分叉迁移使交叉点移动，封闭切口，两次（相互的）交换才能产生一个联合分子，联合分子可以通过切开相接的链来形成两条分开的双链体分子。

30.Holliday结构与重组体的形成

参与交换的链在解离过程中被切开，则水平分离，基因组不是重组体，但包含异源双链体DNA；没被切开，则垂直分离，产生互相重组的基因组

31.Holliday模型的缺陷与Meselson-Radding修正模式

单分子切口，切口链侵入未打开的双螺旋，形成D-环；被取代链断开，形成另一个分子上的切口，修正：

在两分子切口形成过程中引入交换的D环

32.双链断裂模型

单分子双链断裂，外切酶使断裂扩大，一个3’端侵入未打开的双螺旋，形成D-环，另一个3’端链延伸，相互移动形成双交换，即形成两个Holliday结构

33.位点特异性重组

同源重组是发生于两段高度序列同源的DNA区域间，但是这种广泛同源的区域并不是重组的必要条件，该过程也能由两个只具有很短相同序列的DNA分子引发。

这称为位点特异性的重组。

λDNA整合到大肠杆菌基因组中

34.λDNA整合到大肠杆菌基因组中参与的酶

1）整合通过att位点，λ基因组中的attP位点和大肠杆菌基因组中的attB位点，之间的特异性重组进行。

2）每个结合位点的中心有一个15bp的相同的核心序列：

O序列。

3）细菌基因组中O序列旁侧的可变序列为B和B’；λ基因组旁侧的可变序列为P和P’。

4）核心序列突变会导致att位点失活，旁侧序列突变只会降低重组效率。

35.重组酶通过识别重组位点来发生重组

①每个重组位点由一对对称排列重组酶识别位点构成。

识别序列中间所包围的是一个短的不对称序列，称为交换区，DNA的断裂和重新连接就发生在这里。

②单个DNA分子上的两个位点可能反向重复，也可能同向重复排列。

③同一个DNA分子上两反向位点间重组发生倒位，而两同向位点间发生缺失。

④个不同分子间发生插入。

36.转座，是一个DNA片段从基因组中的一个位置移动到另一个位置的过程。

这些可移动的片段称作转座元件或转座子。

保守型转座：

剪切-粘贴复制型转座：

增加拷贝数

经过RNA中间体（逆转座），逆转座子不需要RNA中间体，DNA转座子

37.核基质：

细胞核内除核膜、染色质、核仁和核孔外的骨架结构。

在核内每一条染色体都有自己的地域

38.染色质：

真核生物细胞中细胞核内DNA和蛋白质高度包装的紧密复合体结构。

39.染色质的低水平包装：

核小体和30nm螺旋管纤维是分裂间期细胞核染色质形式（松散）。

中期染色体是最高水平的压缩。

40.