2013年分子生物学（分子遗传学）硕士生复习题

1． 阐述你对基因概念的理解和诠释。

基因是编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位，是染色体或基因组的一段DNA序列（对以RNA作为遗传信息载体的ＲＮＡ病毒而言则是ＲＮＡ），包活编码序列（外显子）、编码区前后对于基因表达具有调控功能的序列和单个编码序列间的间隔序列（内含子）。基因是生物体传递和表达遗传信息的基本单位，基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。１）染色体水平上的基因概念：孟德尔的豌豆杂交试验总结出生物的遗传性状是由遗传因子控制的，肯定遗传的物质性。基因一词由丹麦生物学家约翰逊提出。著名遗传学家摩尔根对基因做出定义：基因在染色体上呈直线排列，基因是遗传物质的基因单位和突变单位，基因是控制性状的功能单位，它能产生对立的表现型，这意味基因是染色体上的一个特定区域。２）代谢水平上的基因概念：比德尔和塔特姆提出“一个基因一个酶”学说，只适用于同源多聚体构成的酶类。本柔进行了经典的基因精细结构分析，将比德尔提出的学说发展为“一个基因一条多肽链”的概念，把遗传功能单位称为顺反子。3）DNA分子水平的基因概念：Avery的细菌转化实验中指出：携带遗传信息的是DNA而非蛋白质，Hershey和Chase对T4噬菌体感染大肠杆菌证实遗传的分子基础是核酸，Waltson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，从分子水平揭示了基因的结构。Blake进一步提出可能每一个外显子相当于蛋白质的一个结构单位，“一个外显子，一个结构域”的精细表达。分子生物学的发展进一步扩展了基因的概念，证明了基因不仅可以重叠，而且可被分离，有的基因并不被转录或不完全转录，而作为一个单位转录的也往往不是一个基因。以前认为基因是在染色体上成直线排列的独立单元，现已发现一些相关的基因在染色体上的排列并不是随意的，而是由相关功能的基因构成一个小的“家族”或基因群。随分子水平上基因结构与功能的研究，发现了移动基因、断裂基因、假基因、重叠基因等。

DNA分子上有遗传效应的节段可以分两类：一类能转录，产生RNA分子，称为转录基因；另一类不能转录，但对转录能起调节控制作用，称为操纵基因。转录基因有mRNA基因、tRNA基因、rRNA基因和调节基因。其中mRNA基因通过转录和翻译，能产生对应的蛋白质，这种蛋白是细胞中重要的结构和功能物质，mRNA基因称为结构基因。调节基因通过转录和翻译也能产生对应蛋白，对转录基因有调节作用。tRNA基因、rRNA基因能转录，但不能翻译成对应的蛋白，只能在合成蛋白的过程中发挥特定作用，如果没有tRNA基因、rRNA基因，蛋白质的合成是不能进行的。启动基因是RNA转录酶识别盒结合的序列，操纵基因是阻遏蛋白结合的序列，他们虽不能转录、翻译成多肽，但这两种特定的核苷酸序列发生改变，就会改变相应结构极影的活性，就此意义上讲，他们也具有特定的遗传效应，所以也称为基因。

2． 举例解释蛋白质二级结构、超二级结构（MOTIF）、三级结构、DOMAIN和四级结构。

蛋白质二级结构（secondary structure of protein）指它的多肽链中有规则重复的构象，限于主链原子的局部空间排列，不包括与肽链其他区段的相互关系及侧链构象。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角。常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持的，氢键是稳定二级结构的主要作用力。α-螺旋(α-helix)：蛋白质中常见的一种二级结构，肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的。每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与多肽链C端方向的第4个残基（第n+4个）的酰胺氮形成氢键。在典型的右手α-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm。螺旋的半径为0.23nm。β-折叠(β-sheet)是蛋白质中的常见的二级结构，是由伸展的多肽链组成的。折叠片的构象是通过一个肽键的羰基氧和位于同一个肽链或相邻肽链的另一个酰胺氢之间形成的氢键维持的。氢键几乎都垂直伸展的肽链，这些肽链可以是平行排列（走向都是由N到C方向）；或者是反平行排列（肽链反向排列）。

超二级结构也称之基元（motif）。是指在球状蛋白质分子的一级结构的基础上，相邻的二级结构单位（α螺旋β折叠等）在三维折叠中相互靠近，彼此作用，在局部形成规则的二级结构组合体，这种组合体就是超二级结构。αα组合形式：若干二级结构可以特殊的几何组合出现在蛋白质结构中，这些组合起来的结构单元称作超二级结构或花样。超二级结构可与某些特殊的生物功能相联系，也可仅作为结构的组装块。α-环-α花样是含有两个α-螺旋，并以一个环区域相连接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质结构中观察到两种这样的花样，一种是 DNA结合花样，另一种是钙结合花样又称EF手，每种都有自己的几何形状和所需的氨基酸残基序列。 EF手出现在来自肌肉的蛋白Parvalbumin，troponin以及calmodulin等结构中，它们通过结合钙来调节细胞功能的变化。EF手提供了一个维持钙配基的支架用于结合和释放钙，这是人们在蛋白质结构中首先认识的功能花样之一。ββ组合形式：发夹β或β-环-β花样是两条反平行的β-链，通过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。Β-回折中相邻近的两条β链易形成这种发夹β 花样。两条β链之间的环的长度不等，一般为2-5个残基。与α-环-α花样不同的是，发夹β花样无特殊的功能。

蛋白质的三级结构是指球状蛋白质的多肽链在二级结构的基础上相互配置而形成特定的构象。α螺旋、β折叠、β转角和无规则卷曲等二级结构通过侧链基团的相互作用进一步卷曲、折叠，借助次级键的维系形成三级结构，三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布，它是建立在二级结构、超二级结构和结构域基础上的球状蛋白质的高级空间结构。1.含多种二级结构单元；2.有明显的折叠层次；3.为紧密的球状或椭球状实体；4.分子表面有一空穴（活性部位）；5.疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；

在蛋白质三级结构内的独立折叠单元。结构域通常都是几个超二级结构单元的组合。结构域：指蛋白质多肽链在二级结构的基础上进一步卷曲折叠成几个相对独立的近似球形的组装体。结构域（Structural Domain）是介于二级和三级结构之间的另一种结构层次。所谓结

构域是指蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域，又称为辖区。多肽链首先是在某些区域相邻的氨基酸残基形成有规则的二级结构，然后，又由相邻的二级结构片段集装在一起形成超二级结构，在此基础上多肽链折叠成近似于球状的三级结构。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或多个在空间上可明显区分的、相对独立的区域性结构缔合而成三级结构，这种相对独立的区域性结构就称为结构域。对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和它的三级结构往往是一个意思，也就是说这些蛋白质或亚基是单结构域。结构域自身是紧密装配的，但结构域与结构域之间关系松懈。

大分子蛋白质常由多条多肽链所组成，每条多肽链各具独立的三级结构。蛋白质的四级结构是指几个各具独立三级结构之多肽链的相互结集、以特定的方式接触、排列形成更高层次的大分子蛋白质的空间构象。在蛋白质四级结构中，每个各具独立三级结构的多肽链称为亚基。组成蛋白质的亚基数多为偶数，可以是同种或不同种的亚基，不同种的亚基一般都用α、β命名，酶调节与催化亚基多用R、C表示。在具有四级结构蛋白质分子中，亚基单独存在不具有生物活性，但并不是所有蛋白质分子都具有四级结构的，大多数蛋白质只具三级结构已有生物活性，只有分子更大的蛋白质才具有四级结构。

3． 在结构的组织层次上高于二级结构，但没有形成完整的结构域。简述Proteasomes结构与功能。

蛋白质泛素依赖特异性降解的场所—26S蛋白酶体。蛋白酶体广泛分布于真核生物的细胞核和细胞质，负责细胞内绝大多数蛋白的降解，他是一种巨大的依赖于泛素的具有多种蛋白水解酶活性的复合蛋白酶。蛋白酶体由几十个亚基组成，蛋白水解活性封闭在一个筒形的空腔中，同时阻止正常折叠的蛋白进入降解腔。26S蛋白酶体由20S核心复合物和19S调节复合物组成。20S核心颗粒是一种不依赖ATP和泛素的蛋白酶，由4个同轴的7亚基组成的七聚体环垒叠形成开口的筒状中空结构，切割蛋白的活性位点位于腔内，即蛋白水解室。核心颗粒两端各连接一个19S调节颗粒，这含有多个ATP酶活性位点和泛素结合位点。该颗粒作用是识别多聚泛素化降解信号，介导底物的去折叠反应，并使待降解底物进入20S水解腔内被降解为小肽。

20S筒状核心颗粒由4个环状结构的垛叠成具有两端开口的筒状中空结构，中部2个环状结构分别由7种β亚基组成，上下两端环状结构由7种a亚基组成。位于筒状外侧的a环作用：控制底物的进入和降解产物的释放，防止细胞内非降解蛋白误入β降解腔，容纳相当数量的待降解底物和部分降解产物，介导19S调节复合物与核心复合物的结合。

19S调节颗粒由17个不同亚基组成分为基底复合物和盖复合物两部分。基底由9个亚基组成，与20S蛋白酶体的a环相连，由6个具有ATP酶活性的亚基（RPT）和4个非ATP酶活性亚基（RPN）组成。在蛋白降解过程中，RPT亚基在ATP水解产生能量的条件下开启20S核心复合物降解腔，帮助降解底物的去折叠以及降解底物和产物进出降解腔。4个RPN亚基可能具有与不同底物蛋白结合的位点，使底物蛋白和26S蛋白酶体结合。

4． 简述泛素化蛋白降解途径。泛素—蛋白酶体途径依赖于ATP和泛素，能高度选择性地进行细胞内胞质和胞核蛋白质的降解。这一通

路包活泛素、泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）、泛素连接酶（E3）、去泛素化酶（DUB）和蛋白酶体（Proteasomes），这条通路包活5步：1）泛素激活酶（E1）在ATP存在的条件下，催化游离泛素活化，形成过渡复合物泛素—AMP，然后，E1以硫羟酸酯键与泛素的C端结合，形成泛素—E1复合物。2)泛素结合酶（E2）取代泛素—E1复合物中的E1，形成泛素—E2复合物，E1离开泛素。3）泛素连接酶（E3）与E2协同作用，将泛素的C末端羧基与底物蛋白的赖氨酸残基以共价键结合，使底物蛋白连上一个泛素标记；随后，底物蛋白泛素链的LYS残基在E3的催化下与泛素—E2复合物作用，再连接一个泛素，该过程重复多次，从而使靶蛋白多聚泛素化。4）多聚泛素化的蛋白被蛋白酶体识别并降解成短的小肽。5）同时在去泛素化酶（DUB）的催化下，泛素链从底物蛋白上脱落，分解成单个游离的泛素。游离的泛素在参与其他底物蛋白的泛素化过程。 5． 何谓Long Interspersed Nuclear Elements，你认为该序列的进化起源是什么？

答：

散在重复序列：散在方式分布于基因组内的重复序列。这类DNA序列一般都是中度重复序列。根据重复序列的长度可以分为4类：长散在重复序列(LINE)、短分散重复序列(SINE)、长末端重复序列、DNA转座子。 Long interspersed nuclear elements:

目的基因组测序发现,在哺乳动物的基因组中,单拷贝基因内和基因之间散布着大量的转座子,这些转座子曾经被认为是无用的“垃圾序列”。这些转座子中最有代表性的就是LINE-1(long interspersed nuclear elements 1,长散布重复序列1,简称L1)。L1是人类基因组中含量最多的自主性逆转录转座子,约占人类基因组DNA的17%。哺乳动物基因组中约1/3的成分都直接或间接跟L1逆转录转座有关。L1有2个开放读码框(opened reading frame),编码2种蛋白质:ORF1——编码的蛋白有RNA结合活性,ORF2——编码的蛋白有核酸内切酶和逆转录酶两种活性,2种蛋白都是L1转座所必需的。迄今为止已发现L1与多种生物学现象关联,包括基因突变, X染色体失活,基因重排,基因表达沉默,肿瘤发生,生物进化等。在机体免疫系统中,T细胞和B细胞抗原受体等位基因排斥,IL-2、IL-4的基因表达都与L1有关。 最近,已有研究表明:L1序列能够下调基因的表达——Han将L1/2的ORF2(L1重复序列的一部分)和LacZ分别插入到GFP报告基因下游。与插入LacZ的序列比较,。。

LINE是可以自主转座的一类反转录转座子，来源于RNA聚合酶Ⅱ的转录产物。L1是LINE中的一种重复序列，长约6 500bp，哺乳动物基因组中的拷贝数可多达10万份，主要集中在AT富集区。从LINE的结构分析，它并不具有反转录病毒特有的LTR，因此曾把LINE归于非病毒超家族。测序的结果发现LINE L1的一个可读框同反转录酶是同源的，这提示LINE可能来源于能够编码转

座所需的酶进行自主转座的可动元件，所以现在在分类时被归为人病毒超家族。L1插入片段的全长原初元件可能是哺乳动物中有活性的反转录转座子的来源。L1被认为是人类基因组中主要的可动因子，它不仅能自主转座，而且它的蛋白质产物可促使非自主转座因子的反转录转座。

6． 简述大肠杆菌DNA聚合酶III各亚基的功能。

答：DNA聚合酶Ⅲ是在大肠杆菌中主要的复制聚合酶。DNA pol Ⅲ是一种多亚基的蛋白。在DNA新链的从头合成（de novo）中起复制酶的作用。DNA聚合酶Ⅲ主要由2个部分组成：核心酶和全酶

DNA聚合酶III是多亚基组成的蛋白质,它在细胞中含量很少,在每个细胞中只有10～贝的全酶，Pol III全酶由α,β,γ,δ,ε,θ,τ,δ',χ,ψ10种不同的亚基组成 核心酶主要负责基本的酶活性，由α, ε，θ组成。

α亚基由polC 基因编码，具有5'→3'方向合成DNA的催化活性,每秒可以合成8个核苷不具有校正功能。

ε亚基由dnaQ基因编码，具有3'→5'外切核酸酶的校对功能,在体内其基本功能是控制忠实性,ε亚基常与α亚基形成一个紧密的1:l复合物,协同发挥功能. θ亚基由holE基因编码，使核心酶相互连接

全酶是dna聚合酶iii中功能部分，包含所有必要的行使酶功能的亚基。 τ亚基使核心酶形成二聚体，与模板连接，具有ATP活性。

20个拷

酸，但

复制的

β亚基是以二聚体的形式存在的.在复制过程中β二聚体环绕着DNA,并能在DNA上自由滑动,构成一个滑动钳.滑动钳可把全酶束缚在模板DNA上,从而保证高度的进行性和聚合反应速度。