国科大 于军基因组12道题整理完整版.docx

国科大 于军基因组12道题整理完整版.docx

《国科大 于军基因组12道题整理完整版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国科大 于军基因组12道题整理完整版.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

国科大于军基因组12道题整理完整版

1、RNA的种类及功能。

2、RNAworld，为什么说生命起源于RNA，RNA起主导作用。

miRNA的作用机制

3、为什么基因组中存在大量的非编码序列。

4、三代测序的特点及功能。

5、转录组的定义。

6、基因组学五行说以及之间的联系。

7、拉马克学说VS达尔文进化论。

8、基因表达调控的方式（染色体水平、转录调控、转录后调控、翻译水平、蛋白质水平）。

9、表观遗传涉及哪些方面。

10、管家基因和奢侈基因，组织特异性基因。

11、GC含量。

12、为什么要开展人类基因组/RNA组计划

1RNA的种类及功能

RNA由核糖核苷酸经磷酯键缩合而成长链状分子。

一个核糖核苷酸分子由磷酸，核糖和碱基构成。

RNA的碱基主要有4种，即A腺嘌呤，G鸟嘌呤，C胞嘧啶，U尿嘧啶。

与DNA不同，RNA一般为单链长分子，不形成双螺旋结构，但是很多RNA也需要通过碱基配对原则形成一定的二级结构乃至三级结构来行使生物学功能。

在细胞中，根据结构功能的不同，RNA主要分三类，即tRNA（转运RNA）,rRNA（核糖体RNA）,mRNA（信使RNA）。

mRNA是合成蛋白质的模板，内容按照细胞核中的DNA所转录;tRNA是mRNA上碱基序列（即遗传密码子）的识别者和氨基酸的转运者;rRNA是组成核糖体的组分，是蛋白质合成的工作场所。

（一）RNA的结构：

1、基本单位：

核糖核苷酸一般是单链结构。

3、种类：

（1）信使RNA（mRNA）：

蛋白质合成的模板。

（2）转运RNA（tRNA）：

转运氨基酸，形似三叶草的叶。

（3）核糖体RNA（rRNA）：

核糖体的组成成分。

（二）转录：

1、概念：

在细胞核中，以DNA的一条链为模板，合成RNA的过程。

2、原料：

4种游离的核糖核苷酸。

3、碱基配对：

A—U、C—G、G—C、T—A。

二、遗传信息的翻译

（一）翻译：

1、概念：

游离在细胞质中的各种氨基酸以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。

2、场所：

细胞质的核糖体中。

3、运载工具：

tRNA。

4、碱基配对：

A—U、U—A、C—G、G—C。

（二）密码子：

在mRNA上决定1个氨基酸的3个相邻的碱基。

（三）反密码子：

指tRNA上可以与mRNA上的碱基互补配对的3个碱基。

RNA的种类及作用

1.mRNA信使RNA功能：

蛋白质合成的直接模板

2.tRNA转运RNA功能：

氨基酸的运载体

3.rRNA核糖体RNA功能：

核糖体的组成成分，蛋白质的合成场所

4.hnRNA核内不均一RNA功能：

成熟mRNA的前提

5.snRNA核内小RNA功能：

参与hnRNA的剪接与转运

6.snoRNA核仁小RNA功能：

rRNA的加工与修饰

7.scRNA/7SL-RNA胞质小RNA功能：

蛋白质内置为定位合成信号识别体组成成分

8.siRNA小的干扰RNA功能：

siRNA在RNA沉寂通道中起中心作用，是对特定信使RNA（mRNA进行降解的指导要素

1.hnRNA，核内不均一RNA。

这个RNA就是基因转录完的mRNA的前体，包括内含子序列，然后在剪接体的作用下5端加帽，3端加polyA，剪切掉内含子变成成熟的mRNA以后再转运出核，没有经过完整加工的hnRNA是不会被转运出核外的。

2.snRNA，核内小分子RNA，参与mRNA加工，剪接和成熟。

3.snoRNA，核仁小分子RNA，负责rRNA加工（切割和修饰）。

4.端粒酶RNA，是染色体端粒的RNA序列，在具有端粒酶活性的细胞内，它的任务是作为反转录的模板然后加在端粒的末端以解决染色体因复制而变短的问题，这种酶在大多数细胞里是没有活性的，在某些肿瘤细胞，转化细胞，干细胞以及生殖细胞里活性较高。

5.SRPRNA信号识别颗粒-RNA：

实际上它是和六个多肽结合在一起行使功能的，这个核糖蛋白主要负责终止mRNA的翻译，同时它还能和内质网（ER）上的停泊蛋白结合使结合了mRNA的定位在内质网上，这个RNA的功能现在俺也不知道，得去看看文献呵呵。

6.tmRNA，这种RNA比较特殊，兼具了mRNA和tRNA的特点。

在细胞中参与一种特殊的翻译反应，即反式翻译反应。

7.scRNA（细胞质小分子RNA），功能目前不知道。

8.dsRNA，双链RNA，主要在RNAi中起作用。

mRNA

生物的遗传信息主要贮存于DNA的碱基序列中，但DNA并不直接决定蛋白质的合成。

而在真核细胞中，DNA主要贮存于细胞核中的染色体上，而蛋白质的合成场所存在于细胞质中的核糖体上，因此需要有一种中介物质，才能把DNA上控制蛋白质合成的遗传信息传递给核糖体。

现已证明，这种中介物质是一种特殊的RNA。

这种RNA起着传递遗传信息的作用，因而称为信使RNA（messageRNA，mRNA）。

mRNA的功能就是把DNA上的遗传信息精确无误地转录下来，然后再由mRNA的碱基顺序决定蛋白质的氨基酸顺序，完成基因表达过程中的遗传信息传递过程。

在真核生物中，转录形成的前体RNA中含有大量非编码序列，大约只有25%序列经加工成为mRNA，最后翻译为蛋白质。

因为这种未经加工的前体mRNA（pre-mRNA）在分子大小上差别很大，所以通常称为不均一核RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA）。

tRNA

如果说mRNA是合成蛋白质的蓝图，则核糖体是合成蛋白质的工厂。

但是，合成蛋白质的原材料——20种氨基酸与mRNA的碱基之间缺乏特殊的亲和力。

因此，必须用一种特殊的RNA——转移RNA（transferRNA，tRNA）把氨基酸搬运到核糖体上，tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地将它携带的氨基酸连结起来形成多肽链。

每种氨基酸可与1-4种tRNA相结合，现在已知的tRNA的种类在40种以上。

tRNA是分子最小的RNA，其分子量平均约为27000（25000-30000），由70到90个核苷酸组成。

而且具有稀有碱基的特点，稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次黄嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。

这类稀有碱基一般是在转录后，经过特殊的修饰而成的。

特点

①5’末端具有G（大部分）或C。

②3’末端都以ACC的顺序终结。

③有一个富有鸟嘌呤的环。

④有一个反密码子环，在这一环的顶端有三个暴露的碱基，称为反密码子（anticodon）.反密码子可以与mRNA链上互补的密码子配对。

⑤有一个胸腺嘧啶环。

rRNA

核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）是组成核糖体的主要成分。

核糖体是合成蛋白质的工厂。

在大肠杆菌中，rRNA量占细胞总RNA量的75%-85%，tRNA占15%，mRNA仅占3-5%。

rRNA一般与核糖体蛋白质结合在一起，形成核糖体（ribosome），如果把rRNA从核糖体上除掉，核糖体的结构就会发生塌陷。

原核生物的核糖体所含的rRNA有5S、16S及23S三种。

当用超速离心测定一个粒子的沉淀速度时，此速度与粒子的大小直径成比例。

5S含有120个核苷酸，16S含有1540个核苷酸，而23S含有2900个核苷酸。

而真核生物有4种rRNA，它们分子大小分别是5S、5.8S、18S和28S，分别具有大约120、160、1900和4700个核苷酸。

rRNA是单链，它包含不等量的A与U、G与C，但是有广泛的双链区域。

在双链区，碱基因氢键相连，表现为发夹式螺旋。

rRNA在蛋白质合成中的功能尚未完全明了。

但16S的rRNA3’端有一段核苷酸序列与mRNA的前导序列是互补的，这可能有助于mRNA与核糖体的结合。

snRNA

除了上述三种主要的RNA外，细胞内还有小核RNA（smallnuclearRNA，snRNA）。

它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体（spilceosome）的主要成分。

现在发现有五种snRNA，其长度在哺乳动物中约为100-215个核苷酸。

snRNA一直存在于细胞核中，与40种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪接体，在RNA转录后加工中起重要作用。

另外，还有端体酶RNA（telomeraseRNA），它与染色体末端的复制有关；以及反义RNA（antisenseRNA），它参与基因表达的调控。

RN7SLRNA，又称为7SRNA。

在哺乳动物中，它是由RNA聚合酶III转录形成的，通常为双链核糖核酸，不进行翻译。

它的长度为约300核苷酸，沉降系数为7s。

A它是信号识别颗粒的支架。

研究证明SRP是一种古老的核糖核蛋白，包含有一条SRPRNA，这一RNA是SRP行使功能必不可少的组成元件，除了传递遗传信息，调控基因表达以外，RNA还可以帮助蛋白运动，可见这个特殊结构在生物机体中扮演了可谓丰富多彩的作用功能。

编研究证明SRP是一种古老的核糖核蛋白，包含SRNA，一RNA是SRP行使功能必不可少的组成元件，SRP-RNA参

snmRNA

小非信使RNA，细胞内有一类称之为非mRNA小RNA，SnmRNAs主要包括核内小RNA（snRNA），核仁小RNAsnoRNA），胞质小RNA（scRNA），催化性小RNA（核酶），小片段干扰RNA（siRNA）等。

这些小RNA在hnRNA和rRNA的转录后加工、转运以及基因表达过程的调控等方面具有重要的生理作用。

许多种snRNA参与了真核细胞hnRNA的加工剪切过程。

研究比较清楚的有U1、U2、U4、U5和U6。

他们的作用是识别hnRNA上外显子和内含子的切点，将内含子切除。

snoRNA则参与了rRNA中核糖C-2'的甲基化修饰。

某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪切修饰中具有重要作用。

这种具有催化作用的小RNA亦被称为核酶，或催化性RNA。

siRNA是生物宿主对外源侵入的基因所表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度和特定序列的小片段RNA。

这些siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。

利用这一机制发展起来的RNA干扰技术是用来研究基因功能的有力工具。

tmRNA

tmRNA是存在于细菌的一类稳定的小RNA，tmRNA发现于20世纪80年代，长期以来不被重视，因其同时具备信使RNA和转录RNA的功能而在最近5年中引起了研究者的浓厚兴趣。

目前对它的研究重点放在对其结构和功能上.并认为它是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的物质基础之一。

tmRNA的生物学意义主要是同蛋白质质量控制有关，表现形式多种多样。

在细菌的生活周期里,如何保持正确的蛋白质翻译始终是一个大问题,翻译错误可源于基因的转录阶段或翻译阶段.导致的后果是结合mRNA的核糖体由于不能及时地同mRNA分离而“滞留”在mRNA上,不能加入下一次循环,这对核糖体资源有限的细菌来说,是十分不利的,而翻译错误的几率在细菌应激状态下明显升高。

tmRNA的功能有

（1）：

将“滞留”在mRNA上的核糖体解脱下来.

（2）:

将一段信号肽加在有缺陷的蛋白质C末端,使其有效的水解。

microRNA的基因组学研究技术与应用

microRNA（miRNA）是一类广泛存在于生物体中的非编码、小分子、单链RNA，大约含有18-25nt，能够结合在靶基因3’UTR区，通过降解mRNA、影响mRNA的稳定性或抑制蛋白合成，在转录后水平上调控靶基因的表达.

2、RNAworld，为什么说生命起源于RNA，RNA起主导作用。

miRNA的作用机制

RNA世界：

Welookintothestructureofearlylife

•RNAasbothfunctionalandinformationalmolecules

–Partiallytransmittableasinformation

–Selectedbyimprovedfunction

–Nofixedshapeandform

–Functional“enrichment”andincreasedstructuralcomplexity

•ProteinsasextendedfunctionofRNA

•DNAasinformationalmoleculewhenlessstructuralcomplexitybutasfunctionalmoleculewhencomplexityincreases

1.生命起源：

首先出现RNA，然后是反转录病毒、DNA病毒和细菌，至于古细菌和真核细胞的出现顺序仍存在争议，最后是多细胞生物、动物RNA世界”的假说。

它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。

遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复制机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。

分子生物学的发展以及证明：

生命活动中的mRNA身世遗传信息的携带者。

如RNA病毒中的RNA更是遗传信息的储存者及携带者；核酶的发现表明RNA具有生物催化功能，而一些有酶活性的内含子可能是生物进化过程中残存的分子“化石”。

另外，RNA不仅具有极大的拷贝数，其变异率也很高，能够产生各种不同蛋白质而迅速积累信息。

其次，RNA还是获得性遗传的分子基础，所谓获得性遗传指有机体在生长发育过程中由于环境的影响而不是由于基因突变所形成的新的遗传性状。

环境可以影响和诱导RNA的产生和信息加工，从而使机体表现出新的性状，这种性状如果传递给子代细胞和个体，就产生获得性遗传。

在RNAworld的研究中还形成了分子生物学上一个重要的新概念——试管内进化系统（SELEX），即将随机化学合成的DNA转录为RNA后，设置一个目标对这些RNA进行筛选，通过的RNA分子在通过反转录为环状DNA分子，并经多聚酶链式反应系统扩增DNA。

通过连续筛选，即可筛选出具有特定功能的RNA分子。

这一系统首先证明了RNA再环境压力下的快速进化的能力。

（RNA由于其五碳糖2′位是羟基，化学活泼性远大于DNA，再加上其他原因，就特别容易发生突变，因此在携带遗传信息的能力方面，RNA不如DNA；RNA又由于组成没有蛋白质复杂，不可能形成如蛋白质那么多样的结构，因此在功能分子的作用方面，RNA又不如蛋白质。

但RNA是唯一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。

因此，生命发生之初，很可能是在原始海洋深处的火山口边，高温、高压的条件下，在可作为催化剂的矿物质边富集了可能是雷电中合成的原始核苷酸。

经过亿万年的进化，形成了具有自我复制能力的RNA.在人工条件下，这种进化的某些过程已被成功地模拟。

原始的具有自我复制能力的RNA,再在以后的亿万年进化过程中，逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA，将其功能分子的功能传给了蛋白质。

）RNA---“toolsandmachineries”:

作为遗传信息存储的tool和遗传信息传递的machineries，当DNA出现时信息才更忠实地复制

2.生命一开始就说简单的所以遗传密码也是简单的，遗传密码只有变得更加robust,diversified,versatileandcomplex，生命才得以进化。

3.遗传密码从最初的A-U进化到A-U-G再到A-U-G-C

4.这种进化上的多样性被GCcontent控制而很少被purinecontent控制

5.密码子的排序是基于20种氨基酸的物理化学性质和其在蛋白质结构上的顺序

6.信息和功能的关系是由自然选择决定的

7.ATGC四种碱基包含4层信息：

顺序、长度、嘌呤含量（碱基形状信息：

两个环/一个环）、GC含量（密度信息：

2个/3个氢键）下图的意思应该是左边方框代表DNA性质：

碱基顺序、长度、嘌呤含量、GC含量，右边方框代表氨基酸的性质：

鲁棒性、多样性和复杂性（猜的）

miRNA的作用机制

1.miRNA翻译起始抑制机制

目前主要有3种观点：

miRNA可能通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始。

miRNA抑制要求靶mRNAm7G帽子的存在,认为miRISC可能抑制翻译起始复合物的形成

miRNA还可能通过阻止polyA结合蛋白polyAbindingprotein（PABP）,与mRNA结合影响翻译起始.

2.miRNA翻译起始后抑制

•miRNA可能引起新生多肽链的翻译同步降解。

•在翻译延伸过程中,miRNA引发大量的核糖体脱落及高频次的翻译提前终止。

3.miRNA介导mRNA降解

–Ago蛋白定位于细胞中降解mRNA的RNA颗粒（RNAgranules）,如P小体（processingbodies）中,这些RNA颗粒中包含常规的mRNA降解酶,如脱腺嘌呤酶、脱帽酶、核酸外切酶等,提示这些mRNA降解酶可能参与miRNA介导的mRNA的降解.

4.RNA颗粒扣押、降解或储存靶mRNA?

•胞浆的RNA颗粒,如P小体和SG（StressGranules）颗粒,在转录后水平的基因表达调控中具有重要的作用,它们是细胞储存处于翻译抑制状态mRNA的场所。

5.miRNA正调控和去抑制

•在静态细胞中（G0期）,miRNA活化翻译和上调基因表达,而在其他细胞循环/增殖期则继续发挥抑制作用。

•在一些条件下,miR-10a也正调控基因表达。

–结合在5’UTR。

•miRNA的抑制作用是可逆的。

•mRNA逃避抑制。

–3’UTR保守性缩短

MiRNA在肿瘤治疗中的作用

–miRNA相关的肿瘤发生通常是由于某些特定的miRNA低表达或者不表达，或者某些特定的miRNA高表达。

•MiRNA在抗病毒治疗中的应用潜力

–miRNA与靶mRNA序列不完全互补时也可通过抑制蛋白翻译起到基因沉默的作用，所以当病毒出现变异时也可以干扰病毒的复制。

MiRNA在抗病毒治疗中的应用潜力

–miRNA与靶mRNA序列不完全互补时也可通过抑制蛋白翻译起到基因沉默的作用，所以当病毒出现变异时也可以干扰病毒的复制。

3、为什么基因组中存在大量的非编码序列/基因组中的非编码序列有什么作用？

DNA非编码序列可以调节基因的活动，如同一道指令一样，控制着基因。

非编码DNA是指不包含制造蛋白质的指令，或是只能制造出无转译能力RNA的DNA序列。

此类DNA在真核生物的基因组中占有大多数。

一些控制基因开和关的特殊蛋白（转录因子）能特异识别基因附近的非编码DNA，通过与它们相互作用参与基因的抑制与激活。

科学家还发现，大多数基因的开启和关闭是由附近的非编码DNA控制的。

它们就像是基因的“分子”开关，调节基因的活动。

在非编码DNA家族中，还有一类特殊的群体，称为假基因。

假基因与基因很像，但却不能产生功能性蛋白，常常被归类为“垃圾”DNA。

科学家预计，人类假基因的数目竟然与正常基因的数量相似，大约有2万个左右，目前鉴定的已超过12000个。

研究人员在对小鼠进行遗传改造的时候偶然造成了一个假基因的缺失，该小鼠的后代发生严重的先天性缺陷，并且寿命急剧缩短，可见这种假基因的作用不可小视，它对健康生命是必须的。

该假基因是其对应的基因Makorin1的缺陷拷贝，长度不到其一半大，只能产生小分子mRNA（蛋白质合成的中介物），却不能合成蛋白质。

尽管很小，但是这种“假RNA”有保护真基因免受破坏的功能。

如果这个假基因在小鼠或者人类细胞中丢失的话，真基因的功能也不能正常发挥。

研究人员推测，可能是由于假基因RNA看起来像Makorin1，它们掩护真基因，通过“牺牲”自己将不利因素引开，而保护真基因免受干扰。

这可能是一种新的基因调节的方法。

非编码DNA还能通过合成调节性RNA发挥功能。

这些RNA并不是为了合成蛋白质，但却在生命的舞台上扮演着不同的角色。

迄今为止，细胞中的rRNA、tRNA、snRNA、asRNA、snoRNA、miRNA、piRNA都是非编码“垃圾”DNA合成的。

它们参与到基因活化、基因沉默、基因印记、剂量补偿、蛋白合成与功能调节、代谢调控等众多生物学过程中。

此外，“垃圾”DNA中还存在大量的重复DNA序列，这些DNA看似没有意义也不能编码蛋白质，却能形成特殊的DNA高级结构，并以此调节附近基因的活性。

4、三代测序的特点及功能

第三代测序技术是基于纳米孔（nanopore）的单分子读取技术，有着更快的数据读取速度，应用潜能也势必超越测序。

要实现单分子实时测序，有三个关键的技术。

第一个是荧光标记的脱氧核苷酸。

显微镜现在再厉害，也不可能真的实时看到“单分子”。

但是它可以实时记录荧光的强度变化。

当荧光标记的脱氧核苷酸被掺入DNA链的时候，它的荧光就同时能在DNA链上探测到。

当它与DNA链形成化学键的时候，它的荧光基团就被DNA聚合酶切除，荧光消失。

这种荧光标记的脱氧核苷酸不会影响DNA聚合酶的活性，并且在荧光被切除之后，合成的DNA链和天然的DNA链完全一样。

第二个是纳米微孔。

因为在显微镜实时记录DNA链上的荧光的时候，DNA链周围的众多的荧光标记的脱氧核苷酸形成了非常强大的荧光背景。

这种强大的荧光背景使单分子的荧光探测成为不可能。

PacificBiosciences公司发明了一种直径只有几十纳米的纳米孔[zero-modewaveguides（ZMWs）]，单分子的DNA聚合酶被固定在这个孔内。

在这么小的孔内，DNA链周围的荧光标记的脱氧核苷酸有限，而且由于A，T，C，G这四种荧光标记的脱氧核苷酸非常快速地从外面进入到孔内又出去，它们形成了非常稳定的背景荧光信号。

而当某一种荧光标记的脱氧核苷酸被掺入到DNA链时，这种特定颜色的荧光会持续一小段时间，直到新的化学键形成，荧光基团被DNA聚合酶切除为止。

第三个是共聚焦显微镜实时地快速地对集成在板上的无数的纳米小孔同时进行记录。

由于我对显微原理的物理知识匮乏，而PacificBiosciences公司又没有非常强调在这方面的发明，不做进一步探讨

进一步的优化。

第一个是把双链DNA环化反复测序。

人们可以在双链DNA的两头连上发夹结构的DNAadaptor，从而使DNA环化。

而DNA聚合酶就能够以环化的DNA作为模板滚环复制，反复测一段DNA序列。

这种反复测序，纠正了偶尔出现的复制错误，从而使测序精度非常高。

第二个是激发光中断测序法。

DNA聚合酶虽然很稳定，但是在强大的激发光作用下酶也是有一定寿命的。

如果把激发光中断一段时间，在这段时间内DNA聚合酶继续复制DNA，当激发光重新开启以后，人们就可以测到长DNA链后面的序列。

三代测序进步性：

第三代测序技术非常可怕。

1、它实现了DNA聚合酶内在自身的反应速度，一秒可以测10个碱基，测序速度是化学法测序的2万倍。

2、它实现了DNA聚合酶内在自身的processivity（延续性，也就是DNA聚合酶一次可以合成很长的片段），一个反应就可以测非常长的序列。

二代测序现在可以测到上百个碱基，但是三代测序现在就可以测几千个碱基。

这为基因组的重复序列的拼接提供了非常好的条件。

3、它的精度非常高，达到99.9999%。

此外，它还有两个应用是二代测序所不具备的。

第一个是直接测RNA的序列。

既然DNA聚合酶能够实时观测，那么以RNA为模板复制DNA的逆转录酶也同样可以。

RNA的直接测序，将大大降低体外逆转录产生的系统误差。

第二个是直接测甲基化的DNA序列。

实际上DNA聚合酶复制A、T、C、G的速度是不一样的。

正常的C或者甲基化的C为模板，DNA聚合酶停顿的时间不同。

根据这个不同的时间，可以判断模板的C是否甲基化。

目前，第三代测序主要有三种技术平台。

两种通过掺入并检测荧光标记的核苷酸，来实现单分子测序。

Hel