分子遗传学

第一章
1.理解 Genomes, Transcriptomes 和 Proteomes三个名词，并阐明它们在基因组表达过程中是如何联系在一起的。

基因组是指生物的整套染色体所含有的全部DNA或RNA序列。

转录组是指基因组表达的最初产物，即那些含有细胞在特定时间所需生物信息、编码蛋白质的基因衍生而来的RNA分子的集合。

蛋白质组是指细胞中所有控制细胞生化反应的蛋白质。

三者联系：基因组（转录到）转录组（翻译）蛋白质组。

2.理解基因由DNA（或RNA）组成的三个实验。

答：①肺炎双球菌的转化试验；②噬菌体感染实验；③烟草花叶病毒的感染实验。

3.掌握双螺旋结构的关键特征。

答：①DNA分子通常以右手双螺旋形式存在，两条核苷酸链反向平行，且互为互补链。

②戊糖－磷酸骨架在分子的外侧，在分子表面形成大沟和小沟，碱基堆积于螺旋内部.③碱基间通过氢键相互连接，A和T 以2个氢键配对，G和C以3个氢键配对.4.螺旋中相邻碱基间相隔0.34nm，每10个碱基对螺旋上升一圈，螺距为3.4nm，直径为2.37 nm。

5.描述蛋白质结构的不同层次。

a. 一级结构：指氨基酸残基通过肽键连接成一条多肽链。

b. 二级结构：指多肽链采取的不同构象，由不同氨基酸之间形成的氢键所稳定。

c. 三级结构：多肽链的二级结构折叠而成的三维构型。

d. 四级结构：两条或更多已形成三级结构的多肽链组合在一起形成的多亚基蛋白
质。

6.描述遗传密码的关键特征。

答：共有64个密码子，密码子具有方向性、简并性、通用性，一个密码子三联体(triplet)决定一种氨基酸。

7.掌握转录组学和蛋白质组学的一般研究方法，特别是SAGE技术、微阵列和基因芯片技术以及鉴定蛋白质相互作用的技术（噬菌体展示、酵母双杂交等）。

•答：SAGE技术：即基因表达系列分析技术。

SAGE技术不是研究完整的cDNA，它产生长度12bp的短序列，每一条都代表了转
录组中存在的一种mRNA。

切下来的片段被收集起来，头尾相连
以产生一个串联体，进行测序分析。

•串联体中的各个标签序列信息被读取并与基因组中的基因序列比对，从而可以分析哪些基因被转录，表达水平如何。

DNA微阵列技术（microarray）：是指在固体表面（玻璃片或尼龙膜）固定成千上万个DNA克隆片段或人工合成的寡核苷酸片段，用荧光或其他标记的mRNA、cDNA或基因组DNA探针进行杂交，从而同时快速检测多个基因表达状况或发现新基因，、快速检测DNA序列突变、绘制SNP遗传连锁图、进行DNA序列分析等的一种新技术。

基因芯片技术：主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测和结果分析。

噬菌体展示技术：是指将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，
同时,外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面的生物技术a. 噬菌体展示：该技术采用了一种基于 噬菌体或某种丝状噬菌体的独特的克隆载体。

b. 酵母双杂交:
激活因子（转录因子）：是一类控制基因表达的蛋白质。

它包含DNA 结合结构域和转录激活结构域。

双杂交系统使用缺乏某一报告基因相应激活因子的酿酒酵母菌株，此时报告基因是不表达的。

第二章
1.DNA重组研究中所使用的不同类型酶的活性及主要作用。

末端修饰酶：改变DNA分子末端，为连接实验的设计增加可操作空间。

DNA聚合酶：以现有DNA或RNA分子为模板合成DNA。

DNA连接酶:可将限制性内切酶消化产生的DNA片段重新连接起来，或者连接到一个新的分子上。

碱性磷酸酶:可去掉DNA分子5’端磷酸基团，从而阻止这些分子连接到其他分子上。

末端脱氧核糖核苷酸转移酶：为模板非依赖的DNA聚合酶。

2.明确DNA聚合酶的重要特征，区分基因组研究中所使用的各种DNA 聚合酶；
3.说明限制性内切酶切割DNA的方式；区分平端与粘端连接，并说明
如何提高平端连接的效率
答：方式：限制性内切酶在特定的位置切割DNA分子，识别序列具有180度旋转对称的回文结构。

a. I和III型限制性内切酶既可催化宿主DNA甲基化，又可催化非甲基化的DNA降解，但切割位置不固定。

b. II型限制性内切酶只催化非甲基化的DNA降解（无修饰酶活性），且具有识别位点和切割位点的专一性，一般只在识别序列内切割，不需要ATP提供能量，是重组DNA技术中常用的限制性内切酶。

平端：是指经限制性内切酶酶切后出现的片段其末端是整齐配对的，这样再进行连接效率较低。

粘端：是指经限制性内切酶酶切后在末端出现两条不一样长带，称为粘性末端。

再连接时，只要粘性末端配对互补就可以连上。

提高平端连接的效率两条途径 1.将称为连接子（linker）或接头（adaptor）的小双链分子连接到钝末端。

2.利用末端脱氧核糖核苷酸转移酶进行同聚物加尾，即在钝末端的3’端一个接一个地添加核苷酸。

4.详述克隆载体的主要特征；列举用于克隆长片段DNA的载体，并评价每种载体的优缺点答：克隆载体的主要特征：1.都含有复制起始位点2.都能够自我复制3.在原核生物中都有可表达的选择性标记基因4.都具有多克隆位点。

1. 考斯质粒（cosmid）：具有λcos位点的质粒，与λ噬菌体一样具有感染性，插入片段可高达44 kb2. 酵母人工染色体（YAC）：在YAC中，构成这些染色体组件的DNA序列与一个或多个选择性标记物，至少一个限制性酶切位点连接起来，酶切位点是为了插入新的DNA，可用来克隆600-1400 kb的片段。

缺点：一
些类型的YAC载体有插入不稳定的问题，即克隆的DNA重排形成新的序列组合3. 细菌人工染色体（BAC）：是基于天然的大肠杆菌F质粒构建的，能够克隆300kb及更长的片段，并且插入的片段很稳定；可以通过Lac筛选来鉴定重组体，是目前克隆大片段DNA最常用的载体。

4. 细菌噬菌体P1载体:与λ载体相似，以天然λ噬菌体基因组的缺失形式为基础；P1基因组比λ基因组大，因此能克隆的DNA片段比λ载体大；运用目前的技术可以克隆长达125kb的片段.
5. P1衍生的人工染色体（PAC）:综合了P1载体和BAC的特点，具有克隆长达300kb片段的容量
6. Fosmids:包含F质粒的复制起始位点和λ载体的cos位点，有出现不稳定问题的倾向。

5.描述如何进行PCR反应。

答：原理：DNA的半保留复制。

过程：1.DNA变性（90℃-96℃）：双链DNA模板在热作用下，氢键断裂，形成单链DNA。

2.退火（25℃-65℃）：系统温度降低，引物与DNA 模板结合，形成局部双链。

3.延伸（70℃-75℃）：在Taq酶（在72℃左右，活性最佳）的作用下，以dNTP为原料，从引物的5′端→3′端延伸，合成与模板互补的DNA链。

PCR反应五要素：引物、酶、dNTP、模板和缓冲液（其中需要Mg2+)。

第三章
1．名词解释
遗传图谱：指应用遗传学技术（遗传重组）构建的能在基因组上显示基因和其它序列特征相对位置的线性排列图，反映了基因或标记间的相对距离和顺序。

cM
物理图谱：指应用分子生物学技术直接分析DNA分子，而构建的能显示包括基因在内的序列特征位置的图谱，它反映了基因或标记间的实际距离。

bp，kb，Mb
2.描述用于构建遗传图谱的分子标记，以及每种标记是如何检测的。

答：1.限制性片段长度多态性（RFLP）。

用限制性内切酶酶切基因组DNA，在同一种生物的不同个体间出现含同源序列的酶切片段长度的差异。

检测方法：southern杂交，PCR检测。

2. 简单重复序列(微卫星)。

指重复单位相对较小（2-6bp的基序），由于重复单位数目的变化而形成的多态性。

检测方法：PCR+平板PAGE 电泳、PCR+毛细管电泳
3. 单核苷酸多态性（SNP）。

基因组中的某些位点上，有些个体只有一个核苷酸与其它个体不同，这种分散在基因组中的单个碱基的差异就称为SNP。

检测方法：1.通过寡核苷酸杂交分析检测SNP。

包括：(1) DNA芯片技术(2) 液相杂交技术2.通过耐扩增突变系统检测SNP。

3．描述用于遗传作图的群体，以及它们是如何构建的。

答：用于遗传作图群体分为：1.暂时性分离群体（包括F2群体、回交群体）、2.永久性分离群体（包括RIL 、 DH）
4．掌握构建物理图谱的三种方法，特别是限制酶切图谱的构建方法和STS图谱的构建方法，并评价三种方法的优缺点
答：
构建物理图谱的三种方法：1.限制性作图：在DNA分子上确定限制性
内切酶酶切位点的相对位置。

2.荧光原位杂交（FISH）：用标记分子与完整染色体杂交来确定标记的位置。

3.序列标签位点（STS）作图：通过对批量的基因组片段进行PCR和（或）杂交分析，来对短序列进行定位作图。

限制酶切图谱的构建方法：双酶解（double digest）Key：分析重叠片段。

部分酶解+完全酶解：比较分析这两种情况下的片段大小。

末端标记+部分酶解: 1.利用放射性同位素标记DNA的3’端或5’端。

2.部分酶解。

3.放射自显影优点：快速简便，能提供详细定位信息。

可增加基因图谱中非多态性限制性位点的标记密度。

缺点：只适用于分子量较小的DNA分子。

荧光原位杂交（FISH）优点：可直接显示标记序列在染色体或伸展DNA分子上的位置。

缺点：使用中期染色体只能进行低分辨率作图，操作较繁琐，数据积累速度较慢。

序列标签位点（STS）作图：任何一个唯一的DNA序列均可作为STS。

用于STS作图的DNA片段群要覆盖拟研究的染色体或基因组5倍以上。

一个DNA序列要成为STS，要满足两个条件：1.其序列是已知的，以便于用RCR方法检测该STS在不同DNA片段中的存在与否。

2.STS 必须在待研究的染色体或基因组上有唯一的定位。

即需要确保STS不位于重复DNA区域。

5．描述放射杂交体是如何产生的？
答：利用高剂量的射线将供体细胞染色体打断成若干小片段，再与近缘物种的受体细胞融合，形成放射杂交体.
第四章
1.掌握链终止DNA测序法
答：基本原理：聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）能够把长度只差一个核苷酸的单链DNA分子区分开。

链终止法测序的起始材料是均一的单链DNA分子。

步骤：1.首先由短寡聚核苷酸在每个分子的相同位置上退火，并充当引物合成与模板互补的新DNA链。

2.在测序反应体系中加入少量的被不同荧光标记物标记的双脱氧核糖核苷三磷酸（ddNTP）后，合成的互补链可在不同位置随机终止反应，产生一系列只差一个核苷酸的DNA分子。

3．通过PAGE电泳读出待测DNA分子的序列。

2.描述化学降解法及其应用。

答：化学降解法：是过检查已知的末端核苷酸分子长度来确定序列的。

这些不同长度的分子是通过能在特定的核苷酸处进行特异切割的化学试剂的处理而产生的。

利用化学降解法测序，至少需要进行4个单独的测序反应，每种核苷酸对应一个反应。

材料为双链DNA。

每条链的5’端连接一个放射性的磷酸基团对DNA进行标记。

链中的一条链可能比另一条链含有更多的嘌呤核苷酸，因而稍重一些，电泳时迁移的较慢。

从凝胶中纯化出一条链后，分成4份样品，每份样品都用一种切割试剂进行处理。

每个反应所产生的分子上样到PAGE平板凝胶的一个泳道上，电泳后条带在凝胶上的位置通过放射自显影来观察。

移动最远的条带代表最小的DNA片段。

3.鸟枪法、全基因组鸟枪法和克隆重叠群法等基因组测序方法及其优
缺点。

全基因组鸟枪法（whole genome shotgun sequencing）基因组测序方法的基本步骤：
1.建文库
2.两端测序
3.序列拼接
4.序列重叠群
5.填补序列间隙。

优点：1.线操作 2.速度快 3.要遗传或物理图谱。

缺点：1.构建序列重叠群数据分析复杂 2. 重复序列导致错误拼接3.对大基因组不适合
鸟枪法：测序实验中得到的短序列可通过检查重叠区而直接叠加成主要序列
鸟枪法的优点在于测序速度快，并且能够在遗传图谱和物理图谱不存在的情况下进行工作。

用克隆重叠群方法组装序列：在该方法中，基因组通常经部分酶切而产生较长的DNA片段，再把这些片段克隆到高容量载体，如BAC中。

借助基因组图谱的信息，建立BAC克隆重叠群，然后通过鸟枪法对克隆群进行分别测序再组装。

可以通过染色体步移来建立克隆重叠群，但该方法费力。

全基因组鸟枪法测序：鸟枪法测序中最费时的地方是将单个序列重叠群通过封闭序列间隙和物理间隙而连在一起的阶段。

通过使用两种或两种以上的不同载体中所克隆的片段产生的序列能够有效提高基因组的整体覆盖面。

部分问题是序列产生的随机性，基因组的某些部分被微小片段覆盖许多次，而其他部分只被覆盖一两次
4.说明利用鸟枪法进行基因组测序如何保证所获序列的准确性和完整性。

物理间隙：指克隆文库中不存在的序列，可能是因为这些序列在所使用的克隆载体中不稳定造成的。

两种解决策略：1.用噬菌体载体重新构建一个克隆文库，用与重叠群末端相对应的寡聚核苷酸与该文库进行杂交。

2.用寡聚核苷酸进行PCR反应。

解决由于重复序列引起的组装问题的有效策略是确保其中一个克隆文库中插入片段的长度大于所研究基因组中最长的重复序列。

部分问题是序列产生的随机性，基因组的某些部分被微小片段覆盖许多次，而其他部分只被覆盖一两次。

5．说明建立克隆重叠群的方法.
答：1. 染色体步移法。

从基因组文库的一个克隆开始，鉴定出与第一个克隆中的插入片段重叠的第二个克隆，依此类推。

但是该方法费力。

2.克隆指纹图谱技术。

该技术提供了待克隆DNA片段的物理结构信息，将这些物理结构信息和其它克隆的相关信息做一些比较分析，就能鉴定出重叠序列。

5．描述ORF扫描的原理，并解释该方法在真核生物基因组中定位基因不一定成功的原因。

答：原理：ORF以起始密码子（通常是ATG）开始，以终止密码子（TAA, TAG, TGA）结束。

所以可通过寻找ORF序列的方法来寻找基因。

原因：1.真核生物基因组中基因间的间隔很大，发现假ORF的概率较大。

2.真核生物的ORF是不连续的，经常被内含子所隔开，将可读框和内含子一起扫描往往会造成ORF的提前终止。

6．阐述“同源性”概念，并解释如何运用同源性和比较基因组学在
基因组序列上定位基因，以及利用同源性分析确定基因功能的优缺点同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性,这种相似性称为序列同源性
同源性搜索：通过查询DNA数据库来判断所检测序列是否与已知基因的序列相同或相似。

比较基因组学：相关种属的基因组序列既具有从它们的共同祖先继承过来的相似性，又具有由于物种开始单独进化而产生的种属特异性。

由于自然选择，序列相似性在基因内部最大，而在基因间区域最小，当相关基因组进行比较时，同源基因由于它们的序列相似性很高，就很容易被鉴定出来。

通过同源性搜索可以来检验一系列三联体密码子是真正外显子还是随机序列，一定程度上可以弥补ORF识别的局限性。

同源性搜索的另一个主要用途是为新基因确定功能
定位外显子-内含子边界的方法：异源双链分析。

外显子捕获:需要一种特殊类型的包含一个小基因的载体，此小基因包含一个内含子和位于内含子两侧的两个外显子，第一个外显子前还要有起始转录所需要的序列信息（启动子序列）。

7.掌握通过同源性比较预测基因的功能以及通过实验方法鉴定基因的功能
同源基因具有共同的进化祖先，是通过基因间的序列相似性而发现的。

由于进化过程中发生突变，同源基因间具有不同核苷酸序列。

由于突变起始于相同的起始序列，因此序列又具有相似性。

鉴定基因的功能的实验方法：1.定点诱变方法。

定点诱变：为了改变
蛋白质的结构和可能的活性，在基因序列中产生精确突变的方法。

（1）寡聚核苷酸定点诱变；(2)PCR方法。

2. 报告基因和免疫细胞化学方法。

报告基因和免疫细胞化学可以用来定位基因的时空表达。

运用报告基因，可以确定生物体内的待测基因表达模式，这可以通过用报告基因的ORF代替待测基因的ORF，而其他调控基因不变来实现。

表达报告基因的细胞会变蓝、发荧光或释放其它可见信号。

确定蛋白质定位的唯一方法就是直接寻找蛋白质本身，这可以通过免疫细胞化学做到
第五章
1．描述核小体的形成过程，着丝粒和端粒的功能。

答：核小体的形成过程：核小体由DNA和组蛋白(histone)构成，是染色质（染色体）的基本结构单位。

由4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4，每一种组蛋白各二个分子，形成一个组蛋白八聚体，约200 bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面，形成了一个核小体。

着丝粒功能：染色体着丝粒(centromere)的主要作用是使复制的染色体在有丝分裂和减数分裂中可均等地分配到子细胞中。

端粒功能：稳定染色体末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5'末端在消除RNA引物后造成的空缺。

2．比较不同生物的基因组组成，并讨论基因组大小、基因组复杂性和基因数目的关系。

答:不同真核生物之间，基因组大小有很明显的差别：最小者不到10 Mb，而最大者超过10万 Mb。

基因组大小和物种的复杂性在一定程度上具有关联性：最简单的真核生物如真菌的基
因组最小，而相对高等的真核生物如脊椎动物和有花植物的基因组就属于最大的。

但又不是完全一致的。

C值矛盾：基因组的大小与生物的复杂性并不完全成比例增加。

3.描述真核生物基因组中基因的分类方法及各自的优缺点.
答：真核生物基因组中，基因分类的方法：
(1)按照基因的功能进行分类。

优点：可进行更具体的基因功能描述；缺点：有些基因功能未知，用这种方法进行分类会遗漏部分基因。

(2)按照提示基因功能的结构域进行分类。

优点：可以应用于功能未知的基因，因此可以扩大基因组中每种基因类别的份额。

按此方法分类，越复杂的生物，其每一类基因的数目应该越多。

4．举例解释什么是多基因家族；区分常规和已加工的假基因。

答：多基因家族：是指由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组基因。

多基因家族大致可分为两类：
1.基因家族成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。

2.一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质。

常规假基因：指基因的核苷酸序列因为突变而发生改变，导致基因失活。

如珠蛋白假基因。

已加工的假基因：以某个基因的mRNA合成的cDNA拷贝再次插入到基因组后，由于缺少上游调控序列不能转录而引起的基因失活。

5．区分串联重复序列和散布重复序列，并描述卫星DNA、小卫星DNA 和微卫星DNA的特征。

答：串联重复序列：重复序列以各自的核心序
列（重复单元）首尾相连多次重复。

散布重复序列：卫星DNA也叫串联重复DNA。

特征：重复序列以各自的核心序列（重复单元）首尾相连多次重复。

串联重复DNA也叫卫星DNA，因为在用密度梯度离心法分离基因组DNA 时，含有串联重复序列的DNA片段会形成“卫星”带。

小卫星特征：形成长达20kb的聚集区，每个重复单位最多25bp。

微卫星特征：微卫星区较短，通常小于150bp，其重复单位为2-13bp。

第六章
1.以大肠杆菌为例描述DNA如何包装成拟核。

答：大肠杆菌DNA附着在一个蛋白质核心上，形成40-50个超螺旋的放射环伸向细胞中，每个环含有大约100kb的超螺旋DNA。

2．解释细菌含有多个分离基因组的现象，说明质粒的存在形式和功能。

答：在一些原核生物中存在多个分离的基因组，即基因组被分成两个或两个以上的DNA分子（基因组部分和质粒部分）。

质粒的存在形式：质粒是一小段DNA，常以环状形式与主染色体共存在细菌中。

一些质粒可以整合到宿主基因组中，一些质粒则永远是独立的。

质粒的功能：质粒所含的基因通常在宿主染色体中不存在，这些基因对细菌来说是非必需的，但它们可以帮助细菌在外界环境不适宜的条件下存活。

如编码抗生素抗性。

许多质粒能从一个细胞转到另一个细胞，所以可以用作克隆载体。

3.概述原核生物基因组中基因排布的重要特征。

答：(1)单位长度片
段内基因较多，基因间间隔较少（43个基因，占片段总长度的85.9%）。

(2)基因中没有内含子。

(3)重复序列比较少见。

4.操纵子的含义。

答：操纵子：是指一组在基因组中彼此相邻的基因。

它们一般参与单一的生化途径，并且受共同的调控基因调控，作为一个整体来表达。

5.讨论原核生物基因数目和基因组大小间的关系。

答：大多数原核生物基因组都按照类似于大肠杆菌的方式紧密排布，因此基因组大小和基因数目是成比例的，平均每1Mb含有约950个基因。

6．讨论有关细胞器基因组起源的内共生学说，并描述线粒体和叶绿体基因组的物理特征和基因组成。

答：内共生学说认为细胞器中基因的表达过程在很多方面与细菌相似，而且细胞器基因与细菌基因的相似性要更高一些，因此认为线粒体和叶绿体是一些自由生存的细菌的遗迹，这些细菌在进化最早期与真核细胞祖先形成共生关系。

一旦建立起内共生关系，就一定存在从细胞器到细胞核、从细胞核到细胞器以及细胞器间的基因转运。

线粒体基因组特征：大多数动物细胞的线粒体基因组较小，结构紧密，基因间几乎没有间隔，一些低等真核生物(如酿酒酵母)和开花植物的线粒体基因组较大且较疏松，大量基因具有内含子。

叶绿体基因组特征：许多基因含有内含子。

不连续基因中含有几个编码tRNA的基因，这是虽然tRNA大小都相似，但tRNA 基因长度却不同的原因。

线粒体基因组的基因组成：线粒体基因组的基因数目为5～92个，表现出很大的可变性。

所有线粒体基因组都含有rRNA基因和一部分编
码呼吸链组分蛋白的基因。

叶绿体基因组的基因组成：大多数叶绿体基因组含有大约200个基因，编码rRNA、tRNA、核糖体蛋白以及参与光合作用的蛋白质。

第七章
1.描述真核生物细胞核内部结构的特征。

答：1.核内部有着高度有序的内部结构 2.在核内每条染色体都有自己的地域
2.分清组成型异染色质、兼性异染色质和常染色质的概念。

答：常染色质：是指结构相对疏松，包含活性基因的染色体DNA区域，可允许参与表达的蛋白质进入，它们在整个细胞核中分散存在。

异染色质：是指结构相对致密，包含无活性基因的染色质。

异染色质可以分为两类：1.组成型异染色质：在所有细胞中永久存在，DNA中基因含量很少，它包括着丝粒和端粒DNA以及某些染色体的部分特定区域。

2.兼性异染色质：无持久性特征，仅在部分细胞的部分时间出现，DNA中含有基因，这些基因在某些细胞中或细胞周期的某些阶段失活。

当基因失活时，DNA就压缩成异染色质状态。

3.解释染色质结构影响基因组表达的两条途径。

答：1.染色体的某一个区段所表现出的染色质包装程度决定了位于该区段内的基因是否表达；2.当一个基因位于开放区域内，可被其它蛋白质接近时，其转录则受位于转录起始复合物装配区域的核小体的精确性质和定位的影响。

4.描述组蛋白乙酰化和去乙酰化是如何发生的，这些修饰是如何影响。