基因组学.docx

1、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）

2、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：mRNA 4%, 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RNA6. 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

3、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

4、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

5、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

6、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：某些低等物种的基因组更大、相似生物的基因组差异很大、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

7、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H5e) 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

8、：每个蛋白-DNA复合物有146bpDNA，间隔区有200-146=54bpDNA6. 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CD II序列包绕的核心复合体。3） Cb

9、f1和Cbf3分别识别并结合CDE I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

10、-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

11、复序列多态性13. 重复DNA序列散布重复序列（interspersed repeat），重复序列以随机方式散布于整个基因组中串联重复序列（tandemly repeat），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DNAa) 串联重复序列也叫卫星DNA（satellite DNA）,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

12、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(ancestral gene)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(gene cluster)或串联重复基因(tandemly repeated genes)，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.

13、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

14、小的约100kb19. 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： 比真核生物基因组小 比真核生物基因数少 物理结构不同于真核：单一环状DNA分子 连续基因：无内含子 重复序列罕见 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.

15、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

16、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

17、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

18、经历宿主细胞的多次传代。典型代表噬菌体。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（Latent period），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. 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

19、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-Stah

20、l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245bp 2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, Dna C， DnaB 解旋酶6. 酵母复

21、制起点： 自主复制序列ARS，不足200bp1) 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35) 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

22、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 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；

23、 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53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35解旋酶：PriA、Rep4) 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

24、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聚合酶和解旋

25、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

26、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； 非同义：引起氨基酸的错误编码2 无义：引起过早终止； 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

27、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

28、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.

29、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，

30、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。DNA整合到大肠杆菌基因组中34. DNA整合到大肠杆菌基因组中参与的酶1) 整合通过att位点，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； 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每个重组位点由一对对称排列重组酶识别位点构成。识别

31、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。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。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。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.