中山大学分子生物学提纲.doc

考试范围及题型
考试范围包括所讲过的内容
考试题有选择题（单选）、是非题和问答题，其中选择题和是非题有50%左右以英语出题

课程复习：原核生物与真核生物两大体系
1. 原核基因组与真核基因组（prokaryotic genomes and eukaryotic genomes）
1.1. 大小（size）：基因组大小（genome size）一般以单倍体基因组的核酸量来衡量，单位有pg、Dalton、bp 或 kb 、Mb等.1 pg = 6.02 x 1011 Daltons = 9.8 x 108 bp. 原核生物的genome size一般都比较小，且变化范围也不大（最大/最小约为20）。由于原核生物基因组中的非基因DNA（non-genic DNA）的含量较少，因此它们的基因组大小与其所含的基因数目是相对应的.真核生物的genome size一般要比原核生物的大很多，且变化范围也很大（最大/最小可达8万）
1.2. 基因结构（gene structure: continuous coding sequences, split genes）
类核基因组--环状，较小；通常由单拷贝或低拷贝（low-copy）的DNA序列组成；基因排列紧密，较少非编码序列(streamlined)
核基因组--多线状；大小一般要比类核基因组大好几个数量级，且变化范围很大；有大量的非编码序列（重复序列、内含子等）
1.3. 非编码序列（non-coding sequences: repeated sequences, introns）
局部分布的重复序列（串联式的高度重复序列）
散布的重复序列（SINES, LINES）
内含子（intron）
I 类
II 类
III 类
核mRNA内含子（nuclear mRNA intron）即剪接体内含子（spliceosomal intron）
核tRNA内含子（nuclear tRNA intron）
古细菌内含子（archaebacterial intron）
1.4. 细胞器基因组（organelle genomes: mitochondrial genomes, chloroplast genomes）
线粒体基因组--在不同类型的生物（多细胞动物、高等植物、原生动物、藻类、真菌）中变化很大
多细胞动物：细小、致密，没有或很少非编码序列
高等植物：复杂、不均一，比动物的大得多
原生动物、藻类、真菌：或偏向于动物型，或偏向于植物型，但又有其各自的独特之处
叶绿体基因组--比较均一，85 ~ 292 kb（大部分都在120 ~ 160 kb之内）；特例：伞藻属（Acetabularia），2000 kb
2. 转录（transcription）
2.1. RNA聚合酶（RNA polymerase）
原核生物：1种，全酶（holoenzyme）由核心酶（2α, β, β’）与σ亚基组成，σ亚基的作用是a)降低酶与非特异DNA的亲和力; b)提升酶与启动子的亲和力。
真核生物：3种，由两个较大的亚基和多个较小的亚基组成
Polymerase I: large rRNA precursor, 位于核仁
Polymerase II: mRNA precursors, snRNAs, 位于核质。核心亚基（core subunits）
Rpb1, Rpb2, Rpb3，对聚合酶的活性必不可少，分别与原核RNA聚合酶的β’, β和α亚基同源，且功能也基本相同.
Polymerase III: tRNA precursors, 5S rRNA precursor, U6, etc. 位于核质
2.2. 顺式作用元件与反式作用因子（cis-acting elements and trans-acting factors）
2.2.1. 顺式作用元件
cis- 顺式、同一分子
trans- 反式、不同分子
in vivo 体内、细胞内
in vitro 体外、无细胞体系
in situ 原位
in silico 在电脑中

启动子（promoters）
聚合酶的结合位点（binding site），一般位于转录起始位点上游。
RNA聚合酶与启动子的结合，并且从Closed promoter complexàOpen promoter complex，转录才能开始.
结构：
原核启动子：Consensus sequency: -10 box (Pribnow box),负责解链； -35 box），用于识别。
真核启动子：I类， II类，III类

增强子：较多在真核生物中存在
转录因子（transcription factors）为反式作用因子，真核基因的转录需反式作用因子
通用转录因子： I类， II类，III类
基因特异转录因子（激活子）
2.3. 多顺反子转录与单顺反子转录
原核生物的转录方式：操纵子（operons）介导的多顺反子转录
操纵子--一组相邻的协同控制的基因。
经典模型：乳糖操纵子（the lac operon）
lacZ: 编码β-半乳糖苷酶
lacY: 编码半乳糖苷透过酶
lacA: 编码半乳糖苷乙酰基转移酶
lacI: 调节基因（regulatory gene）
Operator: 操纵区
Repressor: 阻遏子（阻遏物）
Inducer: 诱导物（异构乳糖，allolactose）
机制：lacZ、Y、A基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI一般和结构基因相毗连，但它本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单位。
弱化作用的调控：色氨酸操纵子（the trp operon）
单顺反子转录是真核生物的主要转录方式
2.4. 转录起始、延伸及终止
起始所需条件
原核生物：RNA聚合酶全酶，启动子
真核生物：RNA聚合酶，启动子，转录因子，染色质的合适结构（启动子区无核小体）
起始步骤：
形成闭合启动子复合物
转化为开放启动子复合物
Polymerizing the first few nucleotides (up to 10) while the polymerase remain at the promoter
Promoter clearance
Dissociation of σ factor ?
延伸
原核生物： RNA聚合酶核心酶（β亚基参与转录出的RNA的磷酸二酯键的形成）
真核生物：RNA聚合酶，延伸因子等
终止
原核生物：
ρ-dependent: 需要终止子--反向重复序列（inverted repeat），形成发夹结构，富含T的区域（T-rich region in the nontemplate）和弱的 rU-dA碱基配对. ρ是一种六聚体蛋白，具ATPase活性，沿着RNA链5’→3’移动；同时具RNA-DNA解螺旋酶活性，解开RNA-DNA复合物。ρ的结合位点是在RNA终止位点上游的一段60~100nt序列，二级结构较少且C丰富
ρ independent:
真核生物：比较复杂，且不如原核生物清楚
polymerase I与polymerase III的转录终止与原核生物有一定的相似性
polymerase II的转录在聚腺苷酸化位点后至少几百bp才终止

3. 转录后的加工
（1）剪接（splicing）
核mRNA前体的剪接（剪接体）
剪接信号 剪接过程 选择性剪接
自剪接的内含子（self-splicing introns）
Group I introns
Group II introns
核tRNA内含子的剪接
（2）加帽与聚腺苷酸化（capping and polyadenylation）
真核生物mRNA特有
帽子与Poly(A) 的功能
（3）rRNA与tRNA前体的加工（rRNA and tRNA processing）
（4）反式剪接（trans-splicing）
（5）RNA编辑（RNA editing）
（6）RNA干涉（RNA interference）
4. 翻译
4.1. 起始（initiation）
tRNA charging
氨酰tRNA合成酶
tRNA识别（第二遗传密码）
翻译起始在原核生物与真核生物中有较大差别
4.2. 延伸（elongation）
在原核生物与真核生物中基本相似，需延伸因子及肽基转移酶（peptidyl transferase）
（3）终止（termination）
在原核生物与真核生物中基本相似，需释放因子
（4）G蛋白（G proteins）在翻译中的作用

5. 重组与转座[No.4]
5.1. 重组的类型
5.1.1. 同源重组（homologous recombination）
包括遗传交换、染色体上基因重排、断裂DNA的修复。常发生在同源染色体之间（分子间重组），也可发生在同一DNA分子内（分子内重组）。
Holliday 模型是解释同源重组的一个经典模型，它的提出，是基于重组过程中有十字形的中间产物。
RecBCD重组途径存于E. coli中，需要RecBCD蛋白（recB、recC、recD基因的产物）参与。它能修复DNA损伤造成的双链断裂和外源DNA线性分子的DNA断端。RecBCD是一种具多功能的酶，它既是依赖于DNA的ATPase（水解ATP，为DNA的解螺旋提供能量）,又是DNA helicase和DNA nuclease，可作用于单链或双链DNA，切割χ位点（GCTGGTGG）χ (chi): Crossover Hotspot Instigator。RecA 是一种38 kD的蛋白质，在重组中促进同源DNA单链的交换（主要是一单链与一双链中的同源单链交换）；交换过程需ATP。RuvA特异性识别并结合到Holliday junction，并促使RuvB蛋白结合到这一位点； RuvB水解ATP，提供能量，促使分支迁移。RuvA和RuvB均具DNA helicase活性，RuvB还有ATPase活性。RuvC是解开Holliday junction的核酸内切酶，是二聚体，有2个活性位点，能切开Holliday junction的两条链。RuvC切割位点有特异的序列，必须等分支迁移到达特异序列后， RuvC才能起作用。以何种方式解开Holliday junction取决于RuvC切割位点在两对同源单链上的频率。
5.1.2. 减数分裂重组（meiotic recombination）[由Spo11介导]
Spo11是一种核酸內切酶，能在染色体DNA上产生双链断裂而启动减数分裂重组。DNA切割必须发生在已复制的同源染色体开始配对的时候。减数分裂重组的DNA切割位点没有序列特异性，但是多分布在核小体包装疏松的染色体区域（如启动子区）。
基因转换（gene conversion），多见于真核生物。当两相似的序列（等位基因、非等位基因均可）靠在一起时，就有可能发生基因转换，即一DNA序列转换成另一相似的序列。基因转换基于重组发生，即先交换一段DNA序列，再进行修复，就会使某一序列的比例增加。
5.1.3. 位点专一重组（site-specific recombination）
（1）λ噬菌体的整合与切除
λ噬菌体整合到宿主基因组，需要整合酶（Int，λ的int基因编码）与整合宿主因子（integration host factor，IHF）帮助完成。
λ噬菌体从宿主基因组切除，则需要Int、切除酶（Xis，λ的xis基因编码）以及IHF。它是整合的逆过程。
同源区域attP（λ）与attB（宿主）的重组：attP与attB只在它们的中间区域有一小段同源序列（15 bp，称为O）。attP的必需序列为235 bp（从–152到+82,以O的中点为0），而attB必需序列约为25 bp（从–12到+12 ）
（2）P1噬菌体的Cre/loxP重组系统
Cre是一种由E. coli P1噬菌体cre基因编码的重组酶，功能是在侵染过程中环化线性的噬菌体DNA，并且识别并催化两个loxP位点间的重组。loxP是一个34 bp的回文序列结构，包括被8 bp间隔的两个13 bp反向重复，每个反向重复及其邻近的4 bp构成一个Cre亚基的结合区。

5.2. 转座子
5.2.1. 细菌的转座子
插入序列（insertion sequences，IS）是最简单的转座子，只含有转座必需的元件——两端的反向重复序列（inverted repeats, 15 ~ 25 bp）和中间编码转座酶（transposase）的基因（至少2个）。插入序列在转座时，其插入位点两旁会产生一小段正向重复（direct repeats）。
带有抗性基因的转座子，除了必需的转座元件，还含有抗生素抗性基因，能赋予其携带者某种抗性。
5.2.2. 真核生物的转座子
玉米中的Ds和Ac
最早发现的转座子，引起某些品种的玉米种子上的色斑变化。原因：玉米种子的颜色由C基因编码的色素造成，若C基因突变，则没有色素合成，种子几乎白色。若部分细胞产生回复突变，就会在种子上形成颜色斑点。
Ac与细菌的转座子相似，约4500 bp，两端有反向重复序列，中间含有转座酶基因。Ds是Ac的衍生物，有Ds-a、Ds-b、Ds-c 3种（功能不全，不能自主转座）。Ac能自行转座，而Ds必须要有Ac的帮助才能转座。Ac 或Ds插入到功能基因中，会使该基因失活。
反转录转座子（retrotransposons）
含有编码反转录酶的基因，能进行反转录，以RNA作为中间体进行复制（转座）。反转录的DNA可自行插入基因组中。酵母的Ty（transposon yeast）、果蝇的copia等反转录转座子的两端有长末端重复（long terminal repeats，LTRs），转座方式类似反转录病毒（retroviruses）复制
转座的机制
复制型转座（replicative transposition）：转座过程有DNA复制，一个转座子留在原位，另一个插入到新的位点
非复制型转座（nonreplicative transposition ）：转座子离开原位置，插入到新的位点。也称保守型转座（conservative transposition）

课程复习：基因组学[No.3]
结构基因组学（structural genomics）
研究内容：
基因组结构--种类、结构特点、种属特异性
基因定位(gene mapping)--遗传图谱（genetic map）与物理图谱（physical map）
测定基因组全序列—HPG，鸟枪测序
功能基因组学（functional genomics）从功能上研究
功能的获得
功能的缺失
进化基因组学（evolutionary genomics）