分生六七章复习题

分子生物学第六、七章复习思考题生医1202班0402120215时梦楠1、什么是基因表达?试述基因表达变化的特点及其调控对生物体的重要性。基因表达是指从DNA到蛋白质的过程，对这个过程的调节即为基因表达调控。基因表达变化的特点：（A）、阶段特异性（B）、组织特异性（C）、有两种表达方式，管家基因几乎在所有的细胞和所有的发育阶段持续表达，基本不受环境因素的影响，只受启动子调节。另外一些基因的表达受环境因素的诱导或阻遏。（D）、基因表达可在多层次上受到调节如基因、转录、转录后加工、翻译和翻译后加工等水平上进行调节。重要性及意义：适应环境、维持生长和增殖&维持个体发育与分化。2、为什么说转录起始的调控是基因表达调控的中心环节?基因表达的多级水平调控，至少包括基因激活、转录起始、转录后加工、mRNA降解、蛋白质翻译、翻译后加工修饰和蛋白质降解等环节，转录起始是基因表达调控的基本调控点及核心步骤，基因调控主要发生在转录阶段，尤其是转录起始阶段。因为这是表达的初始阶段，可以避免那些不需要的转录所造成的资源浪费。3、举实际例子说明操纵元的组成元件及其作用，并分析可阻遏的操纵元和可诱导的操纵元的调控方式。(1)可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶：β-半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖)β-半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内)β-半乳糖苷乙酰基转移酶(使β-半乳糖第六位碳原子乙酰化)。在葡萄糖培养基中生长时，每个细胞只有几个β-半乳糖苷酶分子，但若转移到乳糖培养基中，几分钟后，每个细菌细胞内可产生3000个酶分子。因此，这类基因被称为可诱导基因、这类酶被称为诱导酶、这个生化过程被称为酶的诱导合成。(2)可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，色氨酸操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加入色氨酸，使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成，细菌往往能在2-3min内完全关闭该操纵子。某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可阻遏基因这些酶被称为可阻遏、这个现象被称为可阻遏现象、这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。一般规律：可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因，这些糖和氨基酸平时含量很少，细菌总是利用更一般的能源物质——葡萄糖的水解来提供能源，因此，这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。4、比较真核和原核生物的基因表达和基因表达调控相似和不同之处，说明真核基因调控的复杂性表现在哪些方面？真核和原核生物的基因表达和基因表达调控相似和不同之处原核:转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相偶联。真核:转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。(1)真核基因表达调控的环节更多。真核基因转录发生在细胞核(线粒体基因的转录在线粒体内)，翻译则多在胞浆，两个过程是分开的，因此其调控增加了更多的环节和复杂性，转录后的调控占有了更多的分量。真核细胞中还会发生基因扩增，即基因组中的特定段落在某些情况下会复制产生许多拷贝。基因的扩增无疑能够大幅度提高基因表达产物的量，但这种调控机理至今还不清楚(2)真核基因的转录与染色质的结构变化相关。1.染色质结构影响基因转录：松散的常染色质中的基因可以转录。紧凑折叠结构的异染色质从未见有基因转录表达，可见紧密的染色质结构阻止基因表达。2.组蛋白的作用：组蛋白是碱性蛋白质，带正电荷，可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合，从而遮蔽了DNA分子，妨碍了转录，可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用。3.转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加：高敏感点常出现在转录基因的5′侧区、3′末端或在基因上，多在调控蛋白结合位点的附近，分析该区域核小体的结构发生变化，可能有利于调控蛋白结合而促进转录。4.DNA拓扑结构变化：天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时，RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋，其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体，有利于RNA聚合酶向前移动转录；而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。5.DNA碱基修饰变化：真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5－甲基胞嘧啶，这种甲基化最常发生在某些基因5′侧区的CpG序列中，这段序列甲基化可使其后的基因不能转录，甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶，小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡，可见DNA的甲基化对基因表达调控是重要的。真核基因组的复杂性真核基因组比原核基因组大得多，大肠杆菌基因组约4×106bp，哺乳类基因组在109bp数量级，比细菌大千倍；大肠杆菌约有4000个基因，人则约有10万个基因。真核生物主要的遗传物质与组蛋白等构成染色质，被包裹在核膜内，核外还有遗传成分(如线粒体DNA等)，这就增加了基因表达调控的层次和复杂性。原核生物的基因组基本上是单倍体，而真核基因组是二倍体。细菌多数基因按功能相关成串排列，组成操纵元的基因表达调控的单元，共同开启或关闭，转录出多顺反子的mRNA；真核生物则是一个结构基因转录生成一条mRNA，即mRNA是单顺反子，基本上没有操纵元的结构，而真核细胞的许多活性蛋白是由相同和不同的多肽形成的亚基构成的，这就涉及到多个基因协调表达的问题。原核基因组的大部分序列都为基因编码，而核酸杂交等实验表明：哺乳类基因组中仅约10%的序列为蛋白质、rRNA、tRNA等编码，其余约90%的序列功能至今还不清楚。原核生物的基因为蛋白质编码的序列绝大多数是连续的，而真核生物为蛋白质编码的基因绝大多数是不连续的，即有外显子(exon)和内含子(intron)，转录后需经剪接(splicing)去除内含子，才能翻译获得完整的蛋白质，这就增加了基因表达调控的环节。原核基因组中除rRNA、tRNA基因有多个拷贝外，重复序列不多。哺乳动物基因组中则存在大量重复序列：①高度重复序列，这类序列一般较短，长10－300bp，在哺乳类基因组中重复106次左右，占基因组DNA序列总量的10－60%，人的基因组中这类序列约占20%，功能还不明了。②中度重复序列，这类序列多数长100－500bp，重复101－105次，占基因组10-40%。在人的基因组中18S/28SrRNA基因重复280次，5SrRNA基因重复2000次，tRNA基因重复1300次，5种组蛋白的基因串连成簇重复30-40次。③单拷贝序列，这类序列基本上不重复，占哺乳类基因组的50-80%，在人基因组中约占65%。绝大多数真核生物为蛋白质编码的基因在单倍体基因组中都不重复，是单拷贝的基因。5、简述操纵子、启动子、转录因子、弱化子、增强子、前导肽、CAP、锌指的概念、结构、及功能。操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。启动子：启动子是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列。不同的启动子对RNA聚合酶的亲和力不同，所结合的反式作用因子也不同，因此，基因转录活性也很不相同。真核基因启动子：启动子中的元件可以分为两种：①核心启动子元件：指RNA聚合酶起始转录所必需的最小的DNA序列，包括转录起始点及其上游－25/－30bp处的TATA盒。核心元件单独起作用时只能确定转录起始位点和产生基础水平的转录。②上游启动子元件：包括通常位于－70bp附近的CAAT盒和GC盒、以及距转录起始点更远的上游元件。这些元件与相应的蛋白因子结合能提高或改变转录效率。不同基因具有不同的上游启动子元件，其位置也不相同，这使得不同的基因表达分别有不同的调控。以人金属硫蛋白基因为例，说明真核基因上游启动子元件的组织情况和各元件相应结合的转录因子。转录因子：以反式作用影响转录的因子可统称为转录因子(TF)。RNA聚合酶是一种反式作用于转录的蛋白因子。在真核细胞中RNA聚合酶通常不能单独发挥转录作用，而需要与其他转录因子共同协作。弱化子：起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录。起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调节中的微调整，只要稍加变动就可影响整个体系的功能。增强子：增强子是指能使和它连锁的基因转录频率明显增加的DNA序列。是一种能够提高转录效率的顺式调控元件。增强子通常占100－200bp长度，也和启动子一样由若干组件构成，基本核心组件常为8－12bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。关于增强子的功能，一种观点认为，增强子为转录因子提供进入启动子区的位点。第二种认为，增强子能改变染色质的构象。因为增强子区域容易发生从B-DNA到Z-DNA的构象变化。增强子的功能是可以累加的。前导肽：信号肽的一种，位于成熟蛋白的N端，引导蛋白穿膜，并且在后来被剪切掉。各种实验表明衰减作用需要负载色氨酸tRNA参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG，应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个假设的多肽被称为前导肽。前导肽的特点：在其第10和11位上有相邻的两个色氨酸密码子。这些密码子参与了trp及其他操纵子中的转录弱化机制。前导肽含有较多的碱性氨基酸、羟基氨基酸，并容易形成α-螺旋结构的能力，便于穿膜。CAP：是大肠杆菌分解代谢物基因活化蛋白，这种蛋白可将葡萄糖饥饿信号传递给许多操纵子，使细菌在缺乏葡萄糖时可以利用其他碳源。锌指：每个重复的“指”状结构约含23个氨基酸残基，锌以4个配价键与4个半胱氨酸、或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合。整个蛋白质分子可有2?个这样的锌指重复单位。每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟，接触5个核苷酸。例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构。6、真核生物的顺式作用元件和反式作用因子各包括哪些？它们通过什么方式调控基因表达？反式作用因子是通过直接结合或间接作用于DNA、RNA等核酸分子，对基因表达发挥不同调节作用(激活或抑制)的各类蛋白质因子。如：RNA聚合酶。它们与特异的靶基因的顺式元件结合起作用，反式作用因子有三个重要的结构域:DNA结合结构域，转录活化结构域和连接区。它们是其发挥转录调控功能的必需结构。反式作用因子可被诱导合成,其活性也受多种因素的调节。真核基因的顺式调控元件是基因周围能与特异转录因子结合而影响转录的DNA序列。其中主要是起正性调控作用的顺式作用元件，包括：启动子、增强子，近年又发现起负性调控作用的元件沉寂子。顺式作用元件本身不编码任何蛋白质,仅仅提供一个作用位点，要与反式作用因子相互作用而起作用。