研究生课程分子生物学原理篇.docx

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研究生课程分子生物学原理篇

―――福建医科大学2007级硕士研究生《分子生物学》笔记－―――08.6.18――――

1.原理篇

第一章基因和基因组

1.基因：

能够表达和产生蛋白质或RNA的DNA序列，包括编码序列，编码序列外的侧翼序列和插入序列，是决定遗传性状的功能单位。

2.结构基因:

基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列

3.调控序列:

启动子/增强子/加尾信号

4.基因组（Genome）:

细胞或生物体一套完整单倍体的遗传物质的总和。

5.病毒基因组结构与功能的特点*

¶种类单一：

DNAorRNA,一包基因

¶形式多样：

单链、双链、分节段、环状、线状

¶单倍体基因组：

每个基因在病毒中出现一次（特例:

Retrovirus双倍体）

¶大小不一：

2x103----2x105bp

¶基因重叠：

高效资源利用

¶动物病毒与真核细胞基因组相似:

有的含内含子—间断;细菌病毒（噬菌体）与原核细胞基因组相似—连续

¶编码基因>90%

¶具有不规则结构基因

结构基因的编码区无间隔;

有些病毒的mRNA没有5’端帽结构—发卡结构的翻译增强子;

结构基因本身不具有翻译起始序列

6.原核生物基因组结构与功能特点*

1、为一条环状双链DNA（无典型染色体结构,拟核）　　　

2、只有一个复制起点（Ori）

3、具有操纵子结构

4、重复序列少:

绝大部分基因为单拷贝（99.7%）;rRNA例外—核糖体快速组装

5、可表达基因约50%，真核生物，病毒

6、基因一般是连续的，无内含子（古细菌除外）

7、编码顺序一般不重叠

7.真核生物基因组结构与功能特点*

1.真核生物基因组远大于原核生物基因组，结构复杂，基因数庞大，具有多个复制起点。

2.基因组DNA与蛋白质结合形成染色体，储存于细胞核内

3.真核基因为单顺反子，而细菌和病毒的结构基因为多顺反子。

4.基因组中非编码区远多于编码区。

90%-10%

5.真核基因多是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排列而成。

6.存在大量重复序列

7.功能相关的基因构成各种基因家族（genefamily）

8.存在可移动的遗传因素（mobilegeneticelement）

9.体细胞为双倍体，配子（精子/卵子）为单倍体

8.操纵子operon*

⏹原核基因组特有的结构

⏹数个功能上相关联的结构基因串联在一起,构成信息区,连同其上游的调控区（包括启动子和操纵基因）以及下游的转录终止信号所构成的基因表达单位。

⏹所转录的RNA为多顺反子。

⏹操纵基因并非一个基因，而是一段能被特异阻遏蛋白识别和结合的DNA序列，是决定基因表达效率的关键元件。

操作元件operator

9.质粒plasmidDNA*

细菌染色体外的遗传物质。

共价、闭合、环状结构的DNA分子（cccDNA），能独立复制。

非细菌生长所必须，但能赋予细菌特定的遗传性状。

C：

CovalentC：

ClosedC:

Circular

10.转位因子translocator

⏹可移动的基因成分，能够在一个DNA分子内部或两个DNA分子之间移动的DNA片段。

⏹在细菌中，指可在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的DNA片段。

⏹转位也是DNA重组的一种形式。

⏹细菌的转位因子包括：

插入序列（IS），转座子transposon及可转座的噬菌体

11.转座子（transposon,Tn）这是一类长度在2000～20000bp之间较大的转座因子，是细菌细胞里发现的一各复合型转座因子，如Tn1681Tn420.它们除了带有与转座有关的基因以外，还带有其他基因，如Tn903Tn5带有卡那霉素抗药基因等。

12.转座因子的类别和遗传效应：

细菌基因组中的可移动成分能产生转座现象。

1、原核生物转座因子可以分为：

插入序列、转座子、Mu噬菌体。

2、转座因子的几个遗传效应。

①转座因子的转座不是本身的移动，而是由转座因子复制出一个新的拷贝转移到基因组中的新位置上去。

②新的转座因子转到靶点后，靶点序列会倍增为两个靶点序列，并分别排列在转座因子的两侧，形成同向重复序列。

③在转座过程中能够形成共同体。

④转座因子转座后能促使染色体畸变。

⑤转座因子可以从原来的位置上切除，这个过程成为切离。

⑥转座可引起插入突变。

⑦给受体基因组增添了新的标志基因。

13.外显子（exon）不仅包括基因中编码蛋白质氨基酸的DNA顺序，而且包括mRNA中的5`前导顺序和3`端非翻译顺序。

14.内含子（intron）则是指插入到编码序列之中的非编码序列

15.RNA剪接断裂基因的表达必须要以代表基因组顺序的RNA前体中精确地除去内含子，产生一系列外显子组成的成熟RNA，此过程称为RNA剪接splicing。

16.单顺反子monocistronicmRNA，一个结构基因经转录和翻译生成一个mRNA分子或一条多肽链，基本上没有操纵子的结构。

17.多顺反子polycistronicmRNA，即数个结构基因联在一起，受同一调节区调节，即具有操纵子结构（包括功能上相关的几个蛋白质基因和一个共同的基因调控区组成的一段DNA）

18.重复序列（repeatsequence）:

真核生物基因组中非编码序列占95％以上，这些非编码序列中一部分是基因的内含子、调控序列等，另一部分便是重复序列；重复序列中除了编码rRNA、tRNA、组蛋白及免疫球蛋白的结构基因外，大部分是非编码序列。

其功能主要与基因组的稳定性、组织形式以及基因的表达调控有关。

19.反向重复序列invertedrepeats:

两个顺序相同的拷贝在DNA链上反向排列,如果两个串联间无间隔序列,称回文结构.

20.同向重复序列:

新的转座因子转到靶点后,靶点序列会倍增成为两个靶点序列,并分别排列在转座因子的两侧,则称为,是转座因子转座后的一个重要标志.

21.卫星DNA：

是出现在非编码区的串联重复序列。

其特点是具有固定的重复单位，该重复单位首尾相连形成重复序列片段，通常存在于间隔DNA和内含子中。

22.微卫星DNA：

又称为短串联重复（STR），是一类更简单的寡核苷酸串联重复序列，其重复单位为2～6bp，重复次数10～60次左右，其总长度通常小于150bp，分布在所有的染色体。

微卫星DNA由于重复单位的重复次数不同而具有高度的遗传多态性，并且遵照孟德尔遗传规律，可以作为很好的遗传标记。

23.限制性片段多态性（RFLP）：

在高度重复序列中的无间隔反向重复序列很容易形成限制性内切酶识别位点,也很容易由于突变产生或失去一个酶切位点,形成限制性片段多态性,即用同一种限制性内切酶消化不同个体的同一段DNA时，由于碱基组成的变化而改变限制性内切酶识别位点，从而会产生长度不同的DNA片段。

遗传标记，基因诊断，法医鉴定

24.（多）基因家族：

指核苷酸序列或编码产物的结构具有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。

25.基因超家族：

一组由多基因家族及单基因组成的更大的基因家族。

它们的结构有程度不等的同源性，但功能并不一定相同，甚至毫无相同之处。

在进化上亲缘关系较远。

26.假基因pseudogene：

多基因家族中，某些成员并不能表达出有功能的产物。

与有功能的基因同源，但因突变等原因失活，可能为进化的痕迹。

27.顺式作用元件（Cis-actingelement）

与结构基因相串联的特定DNA顺序，能够被基因调控蛋白特异性识别和结合，与基因表达调控相关。

根据这些顺式作用元件的位置、转录激活中的作用及发挥作用的方式，可将这些顺式作用元件区分为启动子、上游启动子元件、增强子和沉寂子、加尾信号、反应元件。

28.启动子promoter

DNA链上被RNA聚合酶识别、结合并启动转录的部位，位于被转录基因的5’端上游-100～-200bp，有方向性。

TATA盒：

转录起始点上游-25～-30bp

核心序列TATA（A/T）A（A/T）

转录因子TFⅡD的结合位点，启动转录

上游启动子元件

CAAT盒：

-70～-80bp

保守序列GGNCAATCT，N=C或T

转录因子CTF的结合位点，决定启动子启动转录的效率

GC盒：

-35bp

富含GC的序列GGCGG

与转录因子Sp1结合，促进转录过程

29.增强子enhancer

是位于真核基因中远离转录起始点，能明显增加启动子转录效率的特殊DNA序列。

它可位于被增强的转录基因的上游或下游，也可以相距靶基因较远。

30.沉寂子silencer

在真核基因中，和起正调控作用的增强子相对应的是起负调控作用的静息子。

它所具有的特性与增强子类似，即静息子的功能不受定位和方向的限制。

31.反应元件

能与激活后的信息分子受体结合的特异DNA序列，能介导基因对细胞外的某种信号产生反应，通常位于启动子附近和增强子内

HSE（HeatShockResponseElement）热休克反应元件

GRE（GlucocorticoidResponseElement）糖皮质激素反应元件

32.加尾信号

结构基因最后一个外显子的AATAAA序列及下游的一段GT丰富区或T丰富区

33.GT-AG法则：

真核生物基因的外显子与内含子接头处都有一段高度保守的一致序列，即：

内含子5‘端大多数是以GT开始，3’端大多是以AG结束。

故可以用它作为真核基因中RNA剪接的识别信号。

34.端粒telomere：

以线性染色体形式存在的真核基因组DNA末端都有一种特殊的结构叫端粒。

该结构是一段DNA序列和蛋白质形成的一种复合体，仅在真核细胞染色体末端存在。

35.反式作用因子：

是指真核细胞内含有的大量可以通过直接或间接结合顺式作用元件而调节基因转录活性的蛋白质因子。

在结构上含有与DNA结合的结构域。

第二章DNA的损伤与修复

1.基因突变（Mutation）:

在基因的的特定DNA序列中,其碱基组成及排列顺序可因机体内外因素的作用发生改变,导致DNA一级结构和生改变,改变基因结构,形成基因突变.也称为DNA损伤（DNAdamage）。

即遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。

2.突变的类型

（一）点突变（pointmutation）,错配（mismatch）

DNA分子上的一个碱基错配称点突变（pointmutation）。

点突变发生在基因的编码区域，可导致氨基酸的改变。

1.转换transition：

发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。

2.颠换transversion：

发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。

（二）缺失、插入.倒位

缺失deletion：

一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。

插入insertion：

原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。

倒位inversion:

是一段核苷酸序列方向倒转,基因内部的DNA序列重组,使一段DNA序列的方向倒转,如由原来的5’-3’倒置为3’-5’.

（三）重排（rearrangement）

DNA分子内发生较大片段的交换，称为重组或重排。

移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。

（四）配子突变/体细胞突变

配子突变:

发生在生殖细胞的突变叫配子突变,会传递给子代,是否会改变子代的形状,产生相应的表型,取决于空谈的遗传学特征.

体细胞somatic突变:

发生在体细胞的突变,可以产后相应的表型,但突变基因不会传递给子代.

（六）动态突变dynamicmutation

指串联重复拷贝数（微卫星序列）随世代的传递而改变,扩大,主要是三核苷酸.

3.突变的遗传效应

（一）遗传密码的改变

错义突变minssensemutation：

DNA分子中碱基对的取代，使得mRNA的某一密码子发生变化，由它所编码的氨基酸就变成另一种的氨基酸，使得多肽链中的氨基酸顺序也相应的发生改变的突变。

无义突变nonsensemutation：

由于碱基对的取代，使原来可以翻译某种氨基酸的密码子变成了终止密码子的突变。

同义突变samesensemutation：

碱基对的取代并不都是引起错义突变和翻译终止，有时虽然有碱基被取代，但在蛋白质水平上没有引起变化，氨基酸没有被取代，这是因为突变后的密码子和原来的密码子代表同一个氨基酸的突变。

移码突变frame-shiftingmutation：

在编码序列中，单个碱基、数个碱基的缺失或插入以及片段的缺失或插入等均可以使突变位点之后的三联体密码阅读框发生改变，不能编码原来的蛋白质的突变。

造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。

（二）影响hnRNA的剪接

使正常的剪接点消失,产生新的剪接位点

（三）蛋白质的肽链缺失

4.SSCP：

单链构象多态性检测

是一种基于DNA构象差别来检测点突变的方法。

相同长度的单链DNA，如果碱基序列不同，形成的构象就不同，这样就形成了单链构象多态性。

在电泳时可区分.

5.T-T二聚体:

胸腺嘧啶二聚体或环丁烷二嘧啶,当DNA暴露于紫外线时,相邻胸腺嘧啶可通过5,6-双键的饱和作用形成共价结合的四元环结构.

6.互变异构移位导致DNA突变:

在生物体内,碱基可以烯醇式-酮式或氨基-亚氨基异构体互变,如果在DNA复制时出现异构体互变,就可能出现错误配对.

7.MGMT:

O6-甲基鸟嘌呤甲基转移酶:

是DNA损伤修复中的一种重要的酶,它可以同时发挥甲基转移酶和甲基受体的作用.将甲基从O6-甲基鸟嘌呤转移到自身的半胱氨酸残基上,使DNA链上的鸟嘌呤得以恢复,同时酶本身发生不可逆的失活,对保护细胞免受烷化剂的损害,防止细胞癌变和死亡有重要作用.

8.DNA损伤（突变）可分为：

共价交联、

链间共价交联、

DNA链断裂、

碱基突变（转换和颠换）、

插入或缺失、

DNA重组等。

9.DNA的损伤机制？

（一）物理物理化学损伤

1.紫外线引起DNA损伤

1）形成胸腺嘧啶二聚体

2）DNA之间的交联，DNA与蛋白质的交联，DNA链的断裂

2.电离辐射引起DNA损伤

1）导致碱基变化：

自由基的产生-氧化修饰,过氧化物形成,碱基破坏脱落（·OH可使胸腺嘧啶转变为5-羟基-甲基尿嘧啶，也可使腺嘌呤的咪唑环第7，8-双键开环）

2）导致脱氧核糖变化：

自由基的产生—脱氧核糖分解—DNA链断开.

3）导致DNA链断裂：

破坏脱氧戊糖或使磷酸二酯键断裂，导致DNA链断裂。

4）引起DNA链交联

3.烷化剂引起DNA损伤

1）导致碱基烷基化—配对变化,G-C变成A-T

2）导致碱基脱落

3）导致DNA断链

4）导致DNA交联

4.碱基类似物（5-FU）、修饰剂（亚硝酸盐）引起碱基对的改变

5.其他一些因素:

染料—碱基插入,碱基丢失.

（二）.DNA自发性损伤—复制产生错误

1）DNA复制时产生碱基错配

2）DNA修复时产生碱基错配

3）碱基自身改变导致DNA损伤

a）互变异构移位导致DNA突变

b）脱氨基作用导致DNA突变

c）碱基丢失导致DNA突变

（三）转座子的转座作用

10.DNA的损伤修复机制

一、直接修复

1.DNA断裂口可以直接修复

2.二聚体可被光复活酶直接修复

3.烷基化碱基可直接修复

二、切除修复是常见的修复方式

1.识别：

DNA特异性内切酶或糖苷酶识别DNA损伤位点

2.切除：

在损伤位点的5‘上游切断DNA链，并沿5’到3‘方向逐步切除DNA损伤部分

3.合成：

DNA聚合酶在缺口处催化DNA合成并沿5‘到3’方向延伸，以新合成的DNA片段取代整个损伤的DNA片断

4.连接：

在DNA连接酶的作用下，新合成的DNA片段与原来的DNA链连接，从而恢复DNA原有结构。

三、重组修复是DNA损伤较多时的修复方式

当DNA损伤范围大时,先进行复制再进行切除修复,经过多次复制后,损伤链在子代中所占的比例逐渐减少,消除了损伤的影响.

四、SOS修复是DNA损伤严重时的应急性修复方式

是一类应急性的修复方式。

由于DNA损伤广泛至难以继续复制，由此而诱发出一系列复杂的反应。

在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子（regulon）的网络式调控系统。

特点：

反应特异性低，对碱基的识别、选择能力差。

通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。

然而，DNA保留的错误会较多，引起较广泛、长期的突变。

五、细胞周期检查点控制是真核生物诱导修复的主要机制，又称关卡控制checkpointcontrol,当DNA损伤发生在复制期S和有丝分裂期M这两个细胞周期的重要时相时,细胞除了诱导修复基因的转录外,还可暂时阻断细胞周期,防止受损DNA继续复制,如无法修复,则可诱导进入凋亡.

第三章基因表达

1.基因表达：

是指生物基因组中结构基因所携带的遗传信息经过转录、翻译等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定的生物学功能和生物学效应的全过程。

2.蛋白质编码区（开放阅读框openreadingframe,ORF）

在mRNA的核苷酸序列中，有一段序列是一个特定蛋白质多肽链的序列信息，这一段核苷酸序列从起始密码子开始、至终止密码子结束，称～，此段核苷酸序列决定蛋白质分子的一级结构。

3.ρ因子依赖性和非依赖性两种机制介导转录的终止：

1、不依赖ρ因子的终止子有两个重要特征：

①一个反向重复序列，使RNA末端形成一个发夹结构②在信息链上有一连串的T，因而RNA末端发夹结构之后紧接着出现一串U，RNA/DNA杂交分子的rU-dA碱基对结合力较弱，当发夹结构形成时，RNA聚合酶停止移动，RNA链从DNA上脱落。

2、有一些基因的RNA转录终止阶段依赖ρ因子。

当RNA聚合酶移动至终止子部位时，ρ因子与其结合，并发挥ATP酶和解链酶活性，使RNA与DNA分离，转录过程终止。

4.SD序列：

mRNA起始密码子AUG上游8～13个碱基处存在的一段特定的核苷酸序列，该序列称为SD序列，是mRNA的起始密码子之所以能与小亚基定位结合的关键。

SD序列与小亚基中16SrRNA3’端的序列互补，当mRNA与小亚基结合时，SD序列与16SrRNA3’端的互补序列配对结合，使起始密码子定位于翻译起始部位。

5.核糖体循环：

ribosomalcycle

肽链的延长过程是一个循环过程，包括进位、转肽和移位三个步骤，每个自我表现使肽链增加一个氨基酸残基。

6.真核生物mRNA的加工：

1）甲基化鸟苷酸以5’端磷酸基团连接mRNA5’端形成帽子结构。

2）多聚腺苷酸的加入形成mRNA的3’尾。

3）mRNA前体经剪接过程除去内含子序列。

4）mRNA分子中的少数碱基可被甲基化。

5）RNA编辑：

是通过对mRNA的加工使遗传信息在mRNA水平上发生改变，如在转录产物上插入、删除、或取代一些核苷酸，编辑后才是有翻译功能的mRNA。

7.时间特异性：

在多细胞生物从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，相应基因严格按照一定时间顺序开启或关闭，这就是基因表达的时间特异性。

8.空间特异性：

在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现。

9.原核生物转录的特点：

1）RNA不要引物就可以直接启动链延长

2）在RNA合成中会形成RNA-DNA杂合的双螺旋和转录泡的特殊结构。

3）RNA聚合酶向前移动时DNA双螺旋伴有拓朴学的结构变化。

10原核生物和真核生物转录和翻译的不同点：

原核生物

真核生物

基因组

1.单细胞，无核膜，转录和翻译在同一空间偶联

2.结构基因无内含子、外显子，不用加工

1.转录和翻译在不同空间分开进行

2.结构基因有内含子、外显子，要加工

转录

1.起始：

RNA聚合酶，只有一种

2.延伸无障碍

3.初始产生的mRNA不加工

4.终止：

ß因子或不依赖ß因子

5.mRNA不稳定

1.起始：

RNA聚合酶，有3种

2.延伸有核小体障碍

3.初始产生的mRNA要加工

4.终止：

没有统一机制

5.mRNA稳定

翻译

1.起始：

甲酰蛋氨酸

2.mRNA有很多核糖体结合，同时翻译多种蛋白――多顺反子

3.小亚基直接结合在AUG

4.优先利用某些密码子

1.起始：

蛋氨酸

2.mRNA只有一个起始位置，翻译一种蛋白――单顺反子

3.小亚基先结合帽子结构再接在AUG，大亚基再结合。

第四章蛋白质翻译后修饰

1.蛋白质折叠proteinfolding

是翻译后形成功能蛋白质的必经阶段，从核糖体合成的所有新生多肽链必须通过折叠才能形成稳定的三维空间构象，并能表现出特定的功能。

如果折叠错误，就形成异常的构象，影响功能，引起疾病。

2.分子伴侣（伴侣蛋白）chaperone：

是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白，他们在细胞内能协助其他多肽结构完成正确的折叠、组装、转运和降解。

能阻止非天然态多肽链的错误折叠或凝集。

3.蛋白质的靶向输送proteintaigeting

有些蛋白质在细胞内合成后，需分泌到细胞外，到靶器官才能发挥作用，称为分泌蛋白质。

蛋白质合成后，通过复杂的机制，经过不同途径，定向运送到其执行的目的的过程称为蛋白质的靶向输送。

4.信号肽signalpeptide

分泌蛋白新生得以链N端的一段能被细胞转运系统识别的特征性保守性氨基酸序列，分为N－末端碱性区、疏水区、加工区，加工区后有信号肽酶的裂解位点，在内质网加工过程被切除，信号肽决定分泌蛋白和膜蛋白的靶向运输和细胞内定位。

5.泛素ubiquitin,Ub

是由76个氨基酸残基组成的多肽，高度保守，广泛存在于所有真核细胞内。

Ub利用其末端甘氨酸残基与靶蛋白的ɑ或ε氨基结合，使蛋白质泛素化标记，以便于进一步降解。

6.蛋白质翻译后的共价修饰

（1）新生肽链N端的甲硫氨酸在翻译后被切除

（2）蛋白质前体的切割和成熟。

Proprotein→protein.例：

胰岛素的成熟。

（3）氨基酸侧链的共价修饰：

乙酰化、磷酸化、糖基化（N-、O-）；两个半胱氨酸氧化形成二硫键；

（4）某些修饰过的蛋白质会共价结合金属离子。

第五章基因表达的调控

1.管家基因housekeepinggene：

在生物体生命的全过程都是必须的，且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。

2.CAP：

分解代谢物基因的活化蛋白catabolitegeneactivatorprotein

是大肠杆菌分解代谢物基因活化蛋白，这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递个许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖时可以利用其他能源。

CAP结合DNA是由cAMP控制的。

cAMP结合于CAP，诱导CAP发生构象改变，使之能够结合于特定的DNA序列，激活临近基因的转录。

cAMP水平降低时，cAMP与CAP解离，CAP转回到无活性的构象，并与DNA解离，这将关闭葡萄糖以外的其他的与糖代谢相关的操纵子。

由于CAP的作用依赖于cAMP，因此，CAP又称为cAMP受体蛋白。

3.严谨反应stringentresponse：

细菌在缺乏氨基酸的环境中，RNA聚合酶活性降低，RNA合成减少或停止。

4.衰减子attenuator：

细菌中的mRNA转录和蛋白质翻译合成是偶联在一起的。

这一特点使细菌的一些操纵子中的特殊序列可以在转录过程中控制转录水平。

这些特殊结构称为衰减子。

衰减子又称为弱化子，位于一些操纵子中第一个结构基因之前，是一段能减弱转录作用的顺序。

5.调节基因（I基因）：

编码调控结构基因表达的蛋白质即调节蛋白。

6.操纵基因（operator）：

位于启动子上