基因的分子生物学读书笔记.doc

1、分子生物学读书笔记 第 1篇 化学和遗传学 第 1 章 孟德尔学派的世界观 知识点： 1. 孟德尔定律是什么？ 答：显性和隐性基因都是独立传递的，并且在性细胞形成过程中能够独立分离。这个独立分离规律（ principle of independent segregation）经常被称为孟德尔第一定律。 基因存在，并且每一对基因在性细胞发育过程中，都可以独立地传递到配子中。这一独立分配律（ principle of independent assortment）经常被称为孟德尔第二定律。 第 2 章 核酸承载遗传信息 知 识点： 1. 中心法则： 答： 1956 年， Crick 提出将遗传信息

2、的传递途径称为中心法则（ central dogma）。 转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 其中，箭头表示遗传信息的传递方向。环绕 DNA的箭头代表 DNA是自我复制的模板。DNA与 RNA之间的箭头表示 RNA的合成（转录， transcription）是以 DNA为模板的。相应地，蛋白质的合成（翻译， translation）是以 RNA为模板的。更为重要的是，最后两个箭头表示的过程，只能单方向存在，也就是说，不能由蛋白质模板合成 RNA。也难以想象由RNA模板合成 DNA。蛋白质不能作为 RNA的模板已经经受了时间的验证，然而，正如我们将在第 11 章中要提到的，有时 RNA链确

3、实可以作为互补的 DNA的模板。这种与正常信息流的方向相反的事例，与大量的以 DNA为模板合成的 RNA 分子相比，是非常少见的。所以，大约 50 年前提出的中心法则在今天看来仍然是基本正确的。 第 3章 弱化学作用的重要性 知识点： 1. 弱化学键主要有 4种 : 答：范德 华力 , 疏水键 , 氢键及离子键。 2. 弱化学键的作用： 答：介导了到分子内 /间的相互作用，决定了分子的形状及功能。 第 4 章 高能键的重要性 知识点： 1 蛋白质与核酸的形成： 答：蛋白质是氨基酸间通过肽键连接 , 核苷酸间通过磷酸二脂键连接而形成核酸。以上 2 种重要生物大分子的形成都是由高能的 pp 水解提

4、供能量 , 对反应前体进行活化。 2 ATP的作用： 答： ATP 被称为生物的能量货币 , 其上储存的高能磷酸键可以直接为生物反应供能。 第 5章 弱、强化学键决定大分子的结构 知识点： 1. 强化学键的作用： 答：核酸（ DNA/RNA）和蛋白质都是由简单的小分子通过共价键组成的高分子。这些小分子的排列顺序决定了其遗传学和生物化学的功能。 2. 弱化学键的作用： 答：核酸（ DNA/RNA）和蛋白质的三维空间构型及它们间的相互作用是由弱的相互作用来决定和维持。除少数特例外，对这种弱的相互作用的破坏（如加热或去污剂），即使不破坏共价键，都将会破坏其所有的生物活性。 3. 蛋白质的四级结构：

5、答： 1 级结构（ primary structure）：多肽链中氨基酸的线性顺序。 级结构（ secondary structure）：邻近的氨基酸通过弱的相互 作用形成二级结构。最基本的二级结构是螺旋和折叠。二级结构可通过计算机做准确预测。 级结构（ tertiary structure）：多肽链在二级结构基础上形成的空间结构。可用 x 射线晶体衍射和核磁共振术进行测定。 级结构（ quaternary structure）：多亚基蛋白所形成的结构。 第 2篇 基因组的维持 第 6 章 DNA和 RNA的结构 知识点： 1. DNA 由多核苷酸链构成： 答： 通常 DNA最重要的结构特征是

6、两条多核苷酸链（ polynucleotide chain）以双螺旋的形式相互缠绕。 双螺旋 两条单链的骨架是由糖和磷酸基团交替构成的；碱基朝向骨架的内侧，通过大沟和小沟可以接近碱基。 DNA通常是右手双螺旋。大沟中有丰富的化学信息。 多核苷酸链以磷酸二酯键为基础构成了规则的不断重复的糖 -磷酸骨架，这是 DNA结构的一个特点。与此相反，多核苷酸链中碱基的排列顺序却是无规律的，碱基排列顺序的不规则性加上其长度是 DNA储存大量信息的基础。 习惯上， DNA序列由 5端（在左边）向 3端书写，一般 5端是磷酸基而 3端是羟基。 2. 双螺旋的两条链序列互补： 答：腺嘌呤（ A）和胸腺嘧啶（ T）

7、配对，鸟嘌 呤（ G）和胞嘧啶（ C）配对的结果是使两条相互缠绕的链上的碱基序列呈互补关系并赋予 DNA自我编码的特性。 3. 碱基会从双螺旋中翻转出来： 答：有时单个的碱基会从双螺旋中突出，这种值得注意的现象叫做碱基翻出（ base flipping）。 4. DNA 双链可以分开（变性）和复性： 答：当 DNA 溶液温度高于生理温度（接近 100）或者 pH 较高时，互补的两条链就可分开，这个过程称为变性（ denaturation）。 DNA 双链完全分开的变性过程是可逆的，当变性DNA 的热溶液缓慢降温， DNA 的互补链又可重新聚合，形成规则的双螺旋 。由于变性的DNA 分子具有复性

8、的能力，因此来源不同的两条 DNA 分子链通过缓慢降温也可形成人工杂交分子。在第 20 章里，两条单链核酸形成杂交分子的能力被称为杂交（ hybridiztion）。这是分子生物学中几项不可缺少的技术的基础。例如， Southern 印迹杂交（第 20 章）和 DNA芯片分析（第 18 章，框 18-1）。 由于双螺旋 DNA的光吸收比单链 DNA 少 40%。当 DNA 溶液温度升高到接近水的沸点时，光吸收值（ absorbance）在 260nm 处明显增加，这种现象称为增色效应（ hyperchromicity）；而 减色效应则是因为双螺旋 DNA中的碱基堆积降低了对紫外线的吸收能力。

9、吸光度增加到最大值一半时的温度叫做 DNA的熔点（ melting point）。 5. 连环数由扭转数和缠绕数共同决定： 答： 连环数（ linking number）是指要使两条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链的次数（用 Lk 表示）。 连环数是扭转数（ twist number，用 Tw）和缠绕数（ writhe number，用 Wr 表示）这两个几何数的总和。扭转数仅仅是一条链旋绕另一条链的螺旋数，即一条链完全缠绕另一条链的次数。在三维空间里双螺 旋的长轴经常重复地自我交叉，这称为缠绕数。 6. 细胞中 DNA 呈负超螺旋的意义： 答：负超螺旋含有自由能，可以为打开双链提供能量，

10、使 DNA复制和转录这样的解离双链的过程得以顺利完成。因为 Lk=Tw+Wr，负超螺旋可以让双螺旋扭转数减少，负超螺旋区域因而有局部解旋倾向。因此，与松弛态 DNA相比负超螺旋 DNA更易于解链。 7. 拓扑异构酶有 2种基本类型： 答： 拓扑异构酶（ topoisomerase）可以催化 DNA 产生瞬时单链或双链的断裂而改变连环数。 拓扑异构酶通过两步改变 DNA连环数。它们在 DNA上产生一瞬时的 双链缺口，并在缺口闭合以前使一小段未被切割的双螺旋 DNA穿过这一缺口。拓扑异构酶依靠 ATP 水解提供的能量来催化这一反应。相反，拓扑异构酶一步就可以改变 DNA的连环数，其作用是使 DNA

11、暂时产生单链切口，让未被切割的另一单链在切口接合之前穿过这一切口。与拓扑异构酶相比，拓扑异构酶不需要 ATP。 原核生物还拥有一种特殊的拓扑异构酶，通称为促旋酶，它引入而不是去除负超螺旋。 8. RNA 的结构与功能： 答： RNA与 DNA的 3 个不同之处： 第一， RNA骨架含有核糖，而不是 2 -脱氧核糖，也就是说在核糖的 C2的位置上带有一个羟基。 第二， RNA中尿嘧啶（ uracil）取代了胸腺嘧啶，尿嘧啶有着和胸腺嘧啶相同的单环结构，但是缺乏 5甲基基团。胸腺嘧啶实际上是 5甲基 -尿嘧啶。 第三， RNA通常是单多聚核酸链。 从功能上讲， mRNA 是从基因到蛋白质合成的媒介

12、， tRNA 作为 mRNA 上密码子与氨基酸的“适配器”，同时， RNA 也是核糖体的组成部分；另外， RNA 还是一种调节分子，通过和 mRNA互补序列的结合对翻译过程进行调控；最后，还有一些 RNA（包括组成核糖体的一种结构 RNA）是在细胞中催化一些重要反应的酶。 9. 碱基对 也可以发生在不相邻的序列中，形成称为“假结”（ pseudoknot）的复杂结构。 10. RNA 具有额外的非 Watson-Crick 配对的碱基，如 G： U碱基对，这个特征使 RNA 更易于形成双螺旋结构。 11. 一些 RNA 可以是酶类： 答： RNA 酶被称为核酶（ ribozyme），具有典型酶

13、的许多特性：催化位点、底物结合位点和辅助因子（如金属离子）结合位点。 最早被发现的核酶是 RNaseP，一种核糖核酸酶，参与从大的 RNA前体生成 tRNA。 mRNA前体、 tRNA前体和 rRNA前体间插序列即内含子（ intron）的切除过程称为 RNA的剪接（ RNA splicing）。 12. RNA 的功能有哪些 ? 答：（ 1）有些 RNA本身就是一种酶 ,具有调节功能； （ 2） RNA是一种遗传物质（主要为病毒的遗传物质）； （ 3） RNA可以作为基因和蛋白质合成的中间体； （ 4） RNA可作识别子（如 :mRNA）； （ 5） RNA可以作为一种调节分子主要通过序列互

14、补结合阻止蛋白质的翻译。 第 7章 染色体、染色质和核小体 知识点： 1. 一些概念： 答：（ 1）染色体（ chromosome）：在细胞中 DNA是和蛋白质结合存在的，每条 DNA及其结合的蛋白质构成 一条染色体（ chromosome）。 （ 2）核小体（ nucleosome）： DNA与组蛋白结合所形成的结构称为核小体（ nucleosome）。 （ 3）染色体是环状或线状的。 （ 4）基因组密度的简单衡量方法是每 Mb 基因组 DNA上基因的平均数目。 （ 5）突变基因和基因片段是由于简单的随机突变或在 DNA重组过程中的错误所造成的。假基因则是因反转录酶（ reverse tra

15、nscriptase）的作用而形成。 2. 每个细胞都有特定的染色体数目： 答：大多数真核细胞是二倍体（ diploid），也就 是说，细胞中每条染色体有两个拷贝。同一个染色体的两个拷贝叫做同源染色体（ homolog），分别来自父本和母本。但是，一个真核生物中的所有细胞并非都是二倍体，某些细胞是单倍体或多倍体。单倍体（ haploid）细胞每条染色体只有一个拷贝，并且参与有性生殖（例如，精子和卵子都是单倍体细胞）。多倍体（ polyploid）细胞中每条染色体都超过两个拷贝。 3. 基因组大小与生物体的复杂性相关： 答：基因组的大小（单倍染色体中 DNA的长度）在不同的生物种有相当大的变化。

16、由于生物的复杂性越高所需的基因也就越多。因此基因组的大小 与生物体的复杂性相关也就不足为奇。 4. 导致真核细胞中基因密度降低的因素： 答：首先，当生物体的复杂性增加时，负责指导和调控转录的 DNA 区段 调控序列（ regulatory sequence）的长度显著增长；其次，在真核生物种编码蛋白质的基因通常是不连续的。这些分散的非蛋白质编码区段称为内含子（ intron）。内含子转录后通过 RNA剪接（ RNA splicing）的过程从 RNA中删除。 5. 人的基因间隔区序列主要由重复 DNA 构成： 答：几乎一半的人类基因组由在基因组中重复多次的 DNA序列组成。重复 DNA一般有两

17、种 ：微卫星 DNA和基因组范围的重复序列。微卫星 DNA（ microsatellite DNA）由非常短的（小于 13bp）串联重复序列构成。基因范围的重复序列（ genemo-wide repeat）要比微卫星大得多，尽管这些重复有许多种类，但是它们有着共同的特点，即都是转座元件（ transposable element）。 转座元件是指能从基因组的一个位置移动到另一个位置的序列，这个过程称为转座（ transposition）。 6. 真核染色体在细胞分裂过程中需要着丝粒、端粒和复制起始位点： 答：（ 1）复制起始 位点（ origins of replication）是 DNA复制

18、机制集合并起始复制的位点。 （ 2）着丝粒（ centromere）是 DNA 复制后染色体正确分离所必需的。与复制起始位点相似，着丝粒指导一个精细的蛋白质复合体的形成，此结构也称为动粒（ kinetochore）。 （ 3）端粒（ telomere）位于线性染色体的两端。端粒通过一种特殊的 DNA 聚合酶 端粒酶（ telomerase）来完成线性染色体末端的复制。 7. 细胞周期及有丝分裂： 答：细胞完成一轮分裂所需要的过程称为细胞周期（ cell cycle）。大多数真核细胞的分裂会使子代细胞维持与父本细胞一致的染色体数目。这种分裂类型称为细胞的有丝分裂（ mitotic cell di

19、vision）。 有丝分裂的细胞周期可以分为 4 期： G1、 S、 G2和 M。 DNA合成发生在细胞周期的合成期或 S 期（ synthesis 或 S phase），导致每条染色体的复制。复制后配对的每条染色体叫做一条染色单体（ chromatid），配对的两条染色单体称为姐妹染色单体（ sister chromatid）。复制后的姐妹染色单体通过一个叫做黏粒（ cohesin）的分子聚在一起， 这一过程称为姐妹染色单体的聚集（ sister chromatid cohesion），这种状态一直维持到染色体的相互分离。 染色体分离发生在细胞周期的有丝分裂期或 M期（ mitosis， M

20、 phase）。 8. 有丝分裂及减数分裂的具体过程： 答：见书 P151 图 7-15 和 P153图 7-16。 9. 核小体是染色体的结构单位： 答： 在真核细胞中大多数 DNA被包装进核小体。核小体由 8个组蛋白所形成的核组成， DNA缠绕在组蛋白核上。每个核小体之间的 DNA（“念珠”上的“线”）叫做连接 DNA（ linker DNA）。 与 核小体结合最紧密的 DNA叫做核心 DNA（ core DNA），它像缠绕线轴一样盘绕组蛋白八聚体约 1.65 圈。 10. 组蛋白是带正电荷的小分子蛋白质： 答：组蛋白是目前所知的与真核 DNA相关的丰度最高的蛋白质。真核细胞一般包括 5

21、种组蛋白： H1、 H2A、 H2B、 H3 和 H4。 在每种核心组蛋白中都存在一个保守区域，称为组蛋白折叠域（ histone-fold domain），调节这些组蛋白中间体的组装。 一个核小体的组装涉及这些结构单位与 DNA有序地结合。首先， H3 H4 四聚体与 DNA结合；然后两个 H2A H2B二聚体结合 到 H3 H4-DNA复合体，形成最后的核小体。 每个核心组蛋白有一个 N 端延伸，称为“尾巴”，这是因为它没有一个确定的结构，而且是完整的核小体中易接近的部分。 11. 许多不依赖于 DNA 序列的接触介导核心组蛋白与 DNA 间的相互作用。 12. 组蛋白的 N端尾可稳定盘绕

22、在八聚体上的 DNA。 13. 染色质的高级结构： 答：组蛋白 H1 与核小体间的连接 DNA 结合。 核小体束能形成更复杂的结构： 30nm的纤丝。 DNA 的进一步压缩涉及到核小体 DNA 的大环。 组蛋白的变构体影响核小体功能。 14. DNA 与组蛋白八聚体的相互作用是一动态的过程。 15. 核小体 重塑复合体有助于核小体的移动： 答：组蛋白八聚体与 DNA 相互作用的稳定性受到大的蛋白复合体 核小体重塑复合体（ nucleosome remodeling complex）的影响。这些多蛋白复合体利用 ATP 水解释放的能量，便于核小体改变位置或与 DNA 相互作用。这些变化有 3 中

23、方式：组蛋白八聚体沿 DNA“滑动”（ sliding）；组蛋白八聚体从一个 DNA 分子到另一 DNA 分子的完全“转移”（ transfer）；核小体“重塑”（ remodeling），增加 DNA的易接近性。 16. 某些核小体在体内处于特定的位置：核 小体的定位： 答：由于核小体与 DNA的动态相互作用，大多数核小体的位置是不固定的。但在有些情况，对核小体的位置，或称为核小体的定位（ positioning），进行限制是有利的。 17. 组蛋白 N端尾的修饰可改变染色质的易接近性： 答：当组蛋白从细胞中分离出来，其 N 端尾通常被许多种小分子修饰。在尾部的赖氨酸经常被乙酰基或甲基修饰，

24、而丝氨酸主要受磷酸化修饰。一般来说，乙酰化的核小体与染色体上转录活跃的区域结合，而脱乙酰化的核小体与染色质上转录受抑制的区域结合。与乙酰化不同， N 端尾不同部位上的甲基化使核小体可以与抑制的和 活化的染色质都能结合，这取决于组蛋白尾上被修饰的特定的氨基酸。 18. DNA 复制后核小体立即被组装： 答：当复制叉经过时，核小体解体为亚组装部件。 H3 H4 四聚体似乎仍随机地与两个子代双螺旋之一结合，并不从 DNA上释放而成为游离的成分。相反， H2A H2B二聚体被释放且进入局部的环境，参与新的核小体的组装。 19. 核小体的组装需要组蛋白“伴侣”： 答：在生理盐浓度下对核小体组装的研究鉴定

25、出一些能指导组蛋白在 DNA上组装的因子。这些因子是带负电荷的蛋白质，与 H3 H4 四聚体或 H2A H2B 二聚体形成复合体，并护送它们到核 小体组装的位点。由于这些因子可以避免组蛋白与 DNA发生无效的相互作用，因此被称为组蛋白伴侣（ histone chaperone）。 PCNA 形成一个环绕着 DNA 双螺旋的环，在 DNA 合成过程中将 DNA 聚合酶固定在DNA上。当聚合酶作用完成后， PCNA由 DNA聚合酶上释放，但仍与 DNA相连。在这种情况下， PCNA 能与其他蛋白质发生作用。 CAF-1 与释放的 PCNA 结合，优先将 H3 H4四聚体组装到与 PCNA结合的 D

26、NA上。 20. 简述染色体的组装过程。 答：在 DNA的复制过程中，核小体暂时解体，组蛋白 H3-H4 四聚体和 H2A-H2B二聚体被随机分配到任一子代分子中，在 DNA复制后，核小体立即被组装，这涉及到特定的组蛋白伴侣的功能，这些组蛋白伴侣护送 H3-H4 四聚体和 H2A-H2B二聚体到达复制叉。随后，在旧蛋白的“种子”作用下，发生相似修饰，一旦 DNA包装成核小体，它有能力借助组蛋白的 H1 来进行进一步压缩 DNA，开成染色质形式（ 30nm 纤丝），在细胞分裂间期，染色质进一步浓缩成染色体。 第 8章 DNA的复制 知识点： 1. DNA 合成的化学基础： 答： DNA合成需要脱

27、氧核苷三磷酸和引物 -模板接头。 DNA通过引物 3端的延伸 进行合成。 焦磷酸水解是 DNA合成的驱动力。 2. DNA 聚合酶的作用机制： 答：（ 1） DNA聚合酶用一个活性位点催化 DNA的合成： DNA聚合酶催化核苷酸添加需要正确配对的碱基，空间位阻阻止 DNA聚合酶催化反应使用 rNTP。 （ 2） DNA聚合酶像手一样握住引物：模板接头。 聚合酶的 3 个结构域被称为拇指、手指和手掌。 手掌域由一个折叠片构成，含有催化位点的基本元件，尤其是 DNA聚合酶的这一区域结合 2 个二价金属离子（镁离子和锌离子），可以改变正确剪辑配对的 dNTP 和引物 3 -OH周围的化学环境。除了催

28、化作用外 ，手掌域还负责检查最新加入的核苷酸碱基配对的准确性。 功能： 1）有两个催化位点，一个延长链，别一个是把错误的 dNTP 排除掉，起校对功能； 2）聚合位点有两个金属离子，它们有利于催化的进行； 3）检测配对的准确性。 手指域中的几个残基可与引入的 dNTP 结合。一旦引入的 dNTP 与模板之间形成正确的碱基配对，手指域即发生移动，包围住 dNTP。 功能： 1）结合运进来的 dNTP，并带到正确的位子； 2）弯曲模板，让模板碱基与 dNTP 正确配对； 3）稳定 PPi的功能。 拇指域与催化的关联不紧密， 而是与最新近合成的 DNA相互作用。还有两个目的：第一，维持引物以及活性部

29、位的正确位置；第二，帮助维持 DNA聚合酶与其底物之间的紧密连接。 功能：不直接参与催化，但是可保持引物和活性位点处在正确的位置，还可帮助维持DNA聚合酶与其底物紧密连接，有助于添加许多 dNTP 的能力。 （ 3） DNA聚合酶是一种延伸酶： DNA聚合酶的催化是快速的。 DNA聚合酶能在引物链上每秒添加 1000 个核苷酸。 DNA合成的速度主要取决于 DNA聚合酶的延伸能力。延伸能力（ processivity）是酶处理多聚体底物时的一种特性。对 于 DNA聚合酶，其延伸能力定义为每次酶与引物 -模板接头结合时所添加核苷酸的平均数。 （ 4）外切核酸酶校正新合成出的 DNA： DNA合成

30、的校正是通过核酸酶去除不正确碱基配对的核苷酸实现的。最初这种类型的酶被认作是 DNA聚合酶的同一类多肽，现在则称为校正外切核酸酶（ proofreading exonuclease）。这类酶可以从 DNA的 3端，即从新 DNA链的生长端开始降解 DNA。 3. 复制叉上 DNA 的两条链同时合成： 答： 刚分开的模板链与未复制的双链 DNA之间的连接区称为复制叉（ replication fork），复制叉向着未复制的 DNA 双链区域连续运动，其身后留下指导两个子代 DNA双链形成的两条单链 DNA 模板。 在此条模板链上， DNA 聚合酶简单地尾随着复制叉。此模板指导下新合成的 DNA

31、链称为前导链（ leading strand）。 另一条单链 DNA 模板指导下的新 DNA 链合成遇到的问题较多，此模板指导 DNA 聚合酶在与复制叉相反的方向上运动。此模板指导的新 DNA 链称为后随链（ lagging strand）。 在后随链上形成的新链 DNA 短片段称为冈崎片段（ Okazaki fragment），其在细菌中的长 度变化为 10002000 个核苷酸，在真核生物中为 100400 个核苷酸。 4. DNA 新链的起始需要一条 RNA 引物： 答：引物酶（ primase）是一种能在单链 DNA模板上制造短 RNA引物（ 510 个核苷酸长度）的特殊的 RNA聚合

32、酶。 5. 完成 DNA 复制必须除去 RNA 引物： 答：为了用 DNA取代 RNA引物， RNA酶 H（ RNase H）识别并除去各条 RNA引物的大部分。 最后一个核糖核苷酸是由从 5端降解 RNA或 DNA的外切核酸酶除去的。 DNA上的“切口”被称为 DNA连接酶（ DNA ligase）的酶修复。 6. DNA 解旋酶在复制叉之前解开双螺旋： 答： DNA聚合酶解离双链 DNA的两条碱基配对链的能力很差。因此，在复制叉上，由称为 DNA解旋酶（ DNA helicase）的另一组酶催化双链 DNA两条链的分离。 每个 DNA解旋酶在单链 DNA上都沿着一定的方向运动。这是所有 D

33、NA解旋酶都具有的特性，称作极性（ polarity）。 7. 复制前单链结合蛋白使单链 DNA 稳定： 答：一个 SSB的结合会促进另一个 SSB与其紧邻的单链 DNA结合。这称为协同结合（ cooperative binding），其发生是因为与紧邻的单链 DNA区域结合 SSB分子之间也能够结合。 8. 拓扑异构酶除去 DNA 解螺旋时在复制叉上产生的超螺旋。 9. 复制叉酶扩大了 DNA 聚合酶底物的范围。 10. 细胞中 DNA 聚合酶为行使不同的功能而被特化： 答： E. coli中至少有 5 种 DNA聚合酶，这些酶依据其酶学特性、亚基组成和丰度而划分。DNA聚合酶（ DNA P

34、ol ）是染色体复制中所涉及的最主要的酶。 DNA聚合酶（ DNA Pol ）专门用于除去起始 DNA合成所需的 RNA引物。 E. coli中的另外 3 种 DNA聚合酶特别用于 DNA的修复，它们无校正活性。 真核细胞中也有多种 DNA聚 合酶，通常细胞中有 15 种以上。其中，对于基因组的复制至关重要的有 3 种： DNA聚合酶、 DNA聚合酶以及 DNA聚合酶 /引物酶。 引物酶合成 RNA引物后，所产生的 RNA引物 -模板接头立即与 DNA聚合酶结合以启动 DNA的合成。 因为 DNA Pol /引物酶的延伸能力相对较低，所以很快就被高延伸性的 DNA聚合酶或聚合酶取代。聚合酶或聚

35、合酶取代 DNA Pol /引物酶的过程称作聚合酶的切换（ polymerase switching），这导致在真核细胞复制叉上有 3 种不同的 DNA聚合酶在工作。如同在细菌 细胞中那样，真核细胞中其他的 DNA聚合酶大多参与 DNA的修复。 11. 滑动夹极大地增加了 DNA 聚合酶的延伸能力： 答： DNA聚合酶在复制叉上具有高延伸能力的关键原因在于它们与被称为滑动 DNA夹（ sliding DNA clamp）的蛋白质间的结合。 12. 滑动夹通过滑动夹装载器打开并安置在 DNA 上： 答：一类称为滑动夹装载器（ sliding clamp loader）的特殊的蛋白复合体催化滑动夹

36、的打开并将其安放在 DNA上。这些酶通过结合 ATP 并将其水解而将滑动夹置于 DNA的引物 -模板接头上。 13. 复制叉上的 DNA 合成： 答 ： E. coli中，这些聚合酶的协同作用是通过它们连接成一个巨大的多蛋白复合体而实现的。此复合体被称为 DNA聚合酶全酶。全酶是对一个具有核心酶并结合有增强其功能的其他元件的多蛋白复合体的总称。 当解旋酶在复制叉处解开 DNA螺旋时，前导链被迅速地复制，同时后随链以单链 DNA的形式伸出，并被 SSB迅速地结合。新 RNA引物在后随链模板上进行不连续的合成。当后随链上的 DNA聚合酶完成前面的冈崎片段时，即从模板上释放出来。因为这个聚合酶与前导

37、链上的 DNA聚合酶保持着连接，所以它将与距复制叉最近的并且由后随链 上最新合成出的 RNA引物所形成的引物 -模板接头结合。通过与此 RNA引物的结合，后随链上的聚合酶形成一个新的环并启动下一轮冈崎片段的合成。这个模型被称作“长号模型”，以比喻由后随链模板所形成的 DNA环状结构大小的变化。 14. 复制叉蛋白之间的相互作用形成 E. coli 的复制体 : 答： DNA解旋酶与 DNA聚合酶全酶之间的相互作用。这个由全酶的夹子装载器元件介导的相互作用将解旋酶和 DNA聚合酶全酶连到一起。 DNA解旋酶与引物酶之间，在约 1 秒一次的间隔中，引物酶与解旋酶以及 SSB覆盖的单链 DNA结合并

38、合成新的 RNA引物。 复制叉上作用的全部蛋白质的总和称为复制体（ replisome）。 15. DNA 解旋和复制起始发生的特殊位点称作复制起始位点（ origin of replication）。 16. 复制起始的复制子模型： 答： 定义所有的 DNA 均从称为复制子（ replicon）的特定的起始位点开始复制。 复制子模型提出了控制复制起始的两个元件：复制器和起始子。复制器（ replicator）是指足够指导 DNA 复制起始的整套顺式作用的 DNA 序列。 复制子模型的第二个元件是起始子（ initiator）蛋白。此蛋白质特异性地识别复制器中的一 个 DNA 元件并激活复制的

39、起始。 17. 复制器序列包括起始子结合位点和容易解旋的 DNA： 答：复制器的 DNA序列有 2 个共同的特性。第一，它们含有起始子蛋白质结合位点，此位点是组装复制起始机器的核心；第二，它们含有一段富含 AT 的 DNA，此段 DNA容易解旋但并不自发进行。 18. 结合和解旋：起始子蛋白对复制起始位点的选择和激活： 答：起始子蛋白在复制起始过程中一般执行 3 种不同的功能。第一，这些蛋白质与复制器中的特异 DNA序列结合；第二，一旦与 DNA结合，它们就扭曲或解旋其结合位点附近的 DNA区域；第三，起始子蛋白与复制起始所 需的其他因子相互作用，使它们聚集到复制器上。 以 E. coli起始

40、子蛋白 DnaA为例。 DnaA与 oriC 中重复的 9 核苷酸单位元件结合并受ATP 的调控。 DnaA还会在复制器所形成的单链 DNA上聚集其他的包括 DNA解旋酶的复制蛋白。 真核细胞中，起始子时一个被称为起始位点识别复合体（ origin recognition complex，ORC）的六蛋白复合体。 ORC 可识别酵母复制器上称为 A元件的保守序列，以及次保守的B1 元件。 ORC 可将其他复制蛋白全部召集到复制器上。所以， ORC 具有起始子三项常见功能中的两项 ：与复制子结合并将其他复制蛋白召集到复制器上。 19. 蛋白质 -蛋白质和蛋白质 -DNA 相互作用指导起始过程：

41、答：起始子（ DnaA）结合到 oriC 并使 13 核苷酸单位的 DNA解旋后，单链 DNA和 DnaA共同召集双蛋白复合体： DNA解旋酶、 DnaB以及解旋酶装载器 DnaC。 解旋酶与上面所说的复制叉其他元件之间的蛋白质相互作用指导复制机器其他部分的组装。 20. 前复制复合体的形成指导真核细胞中的复制起始： 答：复制器选择是对指导复制起始的序列进行识别的过程，发生于 G1期（早于 S 期）。此过程导致基因组中每个复制器上都组 装一个多蛋白复合体。起始位点激活只在细胞进入 S 期后发生，使复制器结合的蛋白复合体启动 DNA的解旋和 DNA聚合酶的募集。 复制器选择是由前复制复合体（ p

42、re-RC）的形成介导的。 pre-RC 被两种蛋白激酶（ Cdk 和 Ddk）激活，使复制得以启动。所有的激酶都在 G1期失活，只有在细胞进入 S 期以后才能被激活。 21. 对 pre-RC 形成和激活的调控使每个细胞周期中仅有一轮复制发生： 答： Cdk 对于 pre-RC 功能的调控有两个似乎矛盾的作用：第一，它们是激活 pre-RC 以启动DNA复制所必需的；第二， Cdk 的活性会抑制新 pre-RC 的形成。 在 G1期内没有有活性的 Cdk，但是细胞周期的其他期内（ S、 G2和 M期）一直存在高水平的 Cdk。因此，在每个细胞周期内， pre-RC 仅仅有一次形成的机会（ G

43、1期内），而且这些 pre-RC 被激活的机会也仅有一次（在 S、 G2和 M期虽然实际上所有的 pre-RC 都被 S期的复制叉激活或破坏）。 22. 子代 DNA 分子的分离需要拓扑异构酶。 23. 后随链的合成不能复制线性染色体的最末端： 答：所有新的 DNA合成启动都需要一条 RNA引物，这使线性染色体末端的复制成为难题。这种情况被称为末端复制问题（ end replication problem）。 细胞解决末端复制问题有各种各样的方法。一种解决方法是用蛋白质代替 RNA作为每个染色体末端最后一个冈崎片段的引物。 多数真核细胞使用完全不同的方法来复制其染色体末端。真核生物染色体的末端

44、称为端粒，它们通常由首尾相连的富含 TG的重复 DNA序列构成。这种独特的结构可作为新的复制起始位点以弥补末端复制问题。 24. 端粒酶是一种新型的 DNA 聚合酶，它不需要外源模板： 答：端粒酶是一种特殊的酶，它既含有蛋白质成分也含有 RNA成分（所以这是一个核糖核蛋白的例子）。与其他所有 DNA聚合 酶相同的是，端粒酶用于延伸其 DNA底物的 3端。但与大多数 DNA聚合酶不同的是，端粒酶不需要外源性 DNA模板来指导新 dNTP 的添加，而是利用其 RNA成分作为模板，将端粒序列添加到染色体末端的 3端。端粒酶利用其自身的 RNA作为模板，特异性地延伸特定单链 DNA序列的 3 -OH。

45、新合成的 DNA为单链DNA。 25. 为什么真核生物染色体在一个周期中只能复制一次？ 答：真核细胞分裂所需的事件发生在细胞周期的不同时期。染色体 DNA复制仅发生在细胞周期的 S 期。在此期间，细胞中的所有 DNA都必须精确地复制一次。染色体任何部分复 制的不完整都可造成染色体之间不适当的连接。互联染色体的分离会引起染色体的断裂或缺失。 DNA的重复制也会造成严重后果，使基因组中特殊区域的拷贝数增加。重要调控基因的拷贝数即使增加一个或两个也会导致基因表达、细胞分裂或对环境信号应答的灾难性缺陷。所以，真核细胞每分裂一次，每条染色体中每个碱基对复制且只能复制一次，使极其重要的。 26. 端粒酶如何实现端粒的复制？ 答：端粒酶用其 RNA成分与端粒单链 DNA区域的 3端退火，随后用其反转录活性合成 DNA至 RNA模板末端。这时端粒酶将 RNA从 DNA产物上移去，并重新结合到端粒 的末端，重复上面的过程。 第 9章 DNA的突变和修复 知识点： 1.突变的本质：