医学分子生物学复习思考题及答案 第十三章 真核基因及基因组
1、什么是基因组？
答：基因组（genome）是指一个生物体内所有遗传信息的总和。人类基因组包含了细胞核染色体DNA（常染色体和性染色体）及线粒体DNA所携带的所有遗传信息。不同生物的基因及基因组的大小及复杂程度各不相同，所贮存的信息的量和质存在着巨大的差异。
2、真核基因的基本结构包括哪些？试述之。
答：真核基因的基本结构包括编码序列及非编码序列 编码序列（coding seguence）：包括编码蛋白质及功能RNA（mRNA、rRNA、tRNA、特定小分子RNA）的核苷酸序列。真核基因的编码序列由外显子及内含子组成，外显子及内含子相间排列，称断裂基因。内含子数目较外显子数少一个，组蛋白编码基因例外，不含有内含子。外显子决定表达蛋白多肽及RNA的一级结构。
因此，外显子序列结构通常比较保守，一个碱基的突变常致基因功能的改变，而内含子序列相对变异较大。每个内含子5’末端与外显子相接处，常为GT，3’末端与外显子相接处常为AG，这一共有序列是mRNA剪接加工时的剪接识别信号。
非编码序列（non-coding sequence）：包括编码序列两侧（上游及下游）
的对基因表达具有调控作用的一些调控序列：如启动子、增强子等 外显子（exon）；在基因序列中，出现在成熟mRNA分子上的序列。 内含子（intron）：外显子之间、与mRNA剪接过程中被删除部分相对应的间隔序列。
3、什么事顺式作用元件？其化学本质是什么？顺式作用元件主要有哪些？ 答：非编码序列对基因表达起调控作用，又称调控序列。位于结构基因（编码序列）的上游及下游，称它们为顺式作用元件（cis-acting element），包括启动子、增强子、沉默子、上游调控元件、加尾信号等。 4、真核基因启动子的功用是什么？其位置如何？
答：DNA分子上能介导RNApol与DNA结合并形成转录起始复合物的序列，称之为启动子。大多数真核基因启动子都位于结构基因上游，启动子本身不被转录。但也有一些真核基因启动子的DNA序列位于转录起始点的下游，它们可以被转录，如编码tRNA基因的启动子。 5、试述真核基因的三类启动子？ 答：（1）Ⅰ类启动子：具有Ⅰ类启动子的基因主要编码rRNA，它能被 RNApolⅠ识别结合，转录产物是rRNA，Ⅰ类启动子结构特征是富含GC。
（2）Ⅱ类启动子：具有Ⅱ类启动子基因主要编码mRNA（蛋白质）及一些小分子RNA。它能被 RNApolⅡ 识别结合，转录产物是mRNA及小分子RNA。Ⅱ类启动子结构特征是具有TATA盒。有的Ⅱ类启动子在TATA盒的上游还存在CAAT盒及GC盒（Ｐ274） （3）Ⅲ类启动子：含有Ⅲ类启动子的基因主要编码tRNA。此外，也编码5SrRNA，它能被 RNApolⅢ识别结合，转录产物主要是tRNA。其结构特征是含有A盒、B盒及C盒。
A盒：TGGCNNAGTGG B盒：GGTTCGNAACC 6、试述增强子的特点？
答：（1）效率：增强子是增强真核基因启动子工作效率的顺式作用元件，是真核基因表达中最重要的调控序列，它决定着基因的表达水平。 （2）位置：增强子既可在启动子的上游（多数），也可在启动子的下游，有的增强子还可位于内含子中,因此，增强子的作用不受序列方向的影响。
（3）距离：增强子与所调控基因之间的距离可近可远，近的几十个碱基，远的可达数千个碱基。因此，它能进行远距离调控。
（4）无基因特异性：一种增强子能对任何真核基因发挥作用，甚至病毒增强子在真核基因中同样能发挥作用。如病毒SV40的增强子插入到真核β-珠蛋白基因附近时，能使其转录效率增强200倍。 7、什么是沉默子？ 答：沉默子是能抑制基因转录的特定DNA序列，当其与相应的反式作用因子结合时，对基因转录起阻遏作用，使基因沉默。沉默子是负调控。 8、真核基因组的结构特点有哪些？ 答：（1）、真核基因组中编码序列所占比例远小于非编码序列：人基因组中编码序列仅占全基因组的1%，一个基因的全部序列中，编码序列只占5%。 （2）、高等真核基因组含有大量重复序列：可占到全基因组的80%以上，人基因组中重复序列可达50%以上。 （3）、真核基因组中存在着多基因家族及假基因：人染色体基因组编码约2万～2.5万个基因，其中存在着1.5万个基因家族。基因家族中有假基因（一个基因家族中，不具备正常功能的家族成员称假基因。后述）。 （4）、人基因组中大约60%能进行可变剪接，其中的80%的可变剪接会使蛋白质的氨基酸序列发生改变，产生功能相关的不同蛋白质。 （5）、真核基因组DNA与蛋白质结合形成染色体储存于细胞核内。 9、什么是高度重复序列？按结构特点不同主要分为哪两种?试述之？
答：重复频率可达106 以上，人基因组中约占20%，高度重复序列按结构特点不同主要分为二种：反向重复序列及卫星DNA
1、反向重复序列（Inverted repeat sequence）
反向序列：两段具有相同碱基顺序，彼此间存在碱基互补，在同一条DNA链上反向排列。也称回文结构。这两段反向互补序列组成一个重复单位，其长度约300bp。这种重复单位多数是散在分布于基因组中，其总长度约占人基因组的 5% 。
2、卫星DNA（satellite DNA）
重复单位长度一般为2～10bp，呈串联状排列,也称短串联重复序列（STR）在人基因组中约占 5%～6% 。 高度重复序列的功用： ①参与复制水平的调节 ②参与基因表达调控 ③参与染色体配对的调控 10、什么是中度重复序列？根据重复片段长度不同又分为哪两种类？试述之。什么是Alu家族？什么是Kpnl家族？
答：重复频率在数十次至数万次，重复片段大多数呈散在分布，与单拷贝基因间隔排列，少数呈串联状排列在某一区域。约占总基因组的1%～30%。 根据重复片段长短又可分为两种类型。 1， 短分散重复片段（序列）：重复频率可达数万次，重复片段平均长度约
300～500bp，与平均长度为1000bp的单拷贝序列间隔排列。如Alu家族等。
2，长分散重复片段：重复片段平均长度约3500bp～5000bp，与平均长度为13Kbp的单拷贝序列间隔排列。
1，Alu家族：重复频率可达30~50万次，Alu家族成员长度约300bp，与6kbp序列间隔排列。约占人基因组的3%～6%。由于300bp片段中，有限制性内切酶Alu的酶切
位点 AG CT，酶切后得到130bp及170bp。故称Alu家族。Alu家族是人基因组中含量最丰富的一种短分散中度重复序列。
2，kpnⅠ家族：仅次于Alu家族，重复频率约3000～4800，重复片段长度约6.4Kbp，其中，含有限制性内切酶 kpnⅠ的三个酶切位点，酶切后得到1.2Kbp, 1.5Kbp, 1.8Kbp和 1.9Kbp 四个片段，故名 kpnⅠ家族. 11、什么是单拷贝序列？ 答：单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或几次，大多数蛋白质的编码基因属于这一类,在基因组中单拷贝序列的两侧常常是散在分布的重复序列。单拷贝序列改变常常导致表达蛋白质的结构与功能异常，临床多种疾病的发生都与这种改变有关。
12、什么是多基因家族？什么是假基因？ 答、多基因家族（multigene family）：多基因家族是真核基因组结构的另一特征，它是指某一祖先基因经过重复和变异所产生一组结构相似、功能相关的基因。 多基因家族中，不能表达蛋白质或功能RNA的那个基因，称之为假基因。假基因往往缺少内含子。假基因的产生可能是由原来有功能的基因发生缺失、倒位或点突变，在转录得mRNA后，经剪接修饰得mRNA，再经逆转录得到cDNA（无内含子），然后整合到染色体DNA中所致。
13、线粒体DNA共编码几个基因？分别编码哪些物质？
答：mtDNA 独立编码线粒体中的一些蛋白质，mtDNA全长16569bp，共编码37个基因，其中13个编码 mRNA(mt-mRNA)。翻译出与呼吸链相关的一些酶及蛋白质。22个编码mt-tRNA，2个编码mt-rRNA。 第十八章 基因表达调控 1、什么是基因表达？
答、基因表达（gene expression）就是基因转录得相应的RNA（mRNA），再翻译成多肽链并加工成具有特殊生物学活性的蛋白质。有的基因转录得功能RNA（rRNA、tRNA等）不产生蛋白质这一过程，也属于基因表达。基因表达就是基因携带的遗传信息表现为表型的过程。
2、基因表达的基本特点（基本规律）有哪些？ 答：（一）基因表达具有时间特异性及空间特异性 （二）基因表达方式的多样性
（三）基因表达受顺式作用元件及反式作用因子的共同调节 （四）基因表达调控呈现多层次和复杂性
（五）基因表达调控是生物体生长和发育的基础 3、什么是基因表达的时间特异性、空间特异性？
答：1. 基因表达具有时间特异性(Temporal specificity):某一特定基因的表达，是严格按照一定的时间顺序发生的。从一个受精卵发育成一个成熟的个体，在各个发育的不同阶段，各个基因都严格按照特定的时间顺序开放表达或封闭，生物体表现为分化、发育的相应时间性。因此，基因表达的时间特异性又称阶段
特异性。又如甲胎蛋白（AFP），胎儿时，肝细胞活跃表达，成人后表达极低。患肝癌时这一基因又被激活表达。
2. 基因表达的空间特异性（Spatial specificity）:同一机体的不同组织细胞中都含有相同的各种基因，但同一种基因在不同的组织细胞表达情况不一样。如编码胰岛素的基因只在胰岛β细胞 中表达，与思维相关的一些基因只在脑细胞中表达，与物质代谢相关的一些基因主要在肝细胞中表达等。因此，基因表达的空间特异性，也称基因表达的组织特异性或细胞特异性。不同组织细胞表达的差异，称差异性基因表达。机体内决定不同类型的细胞，不是基因本身，而是基因表达的模式不一样。
4、什么是管家基因？什么是基本基因表达？ 答：（1）管家基因（house-keeping gene）：这类基因在一个生物体的所有细胞中都持续表达，变化较小，不易受内外环境的影响，其表达产物对生物体的全部生命过程都是必需的，必不可少的，称这类基因为管家基因。 (2) 基本基因表达（组成性基因表达）：管家基因的表达称基本基因表达，它只受启动子及启动子与RNA聚合酶相互作用的影响，而不受其他调节机制的影响。如TAC中一些酶的编码基因及其表达。 5、什么是诱导表达？阻遏诱导？
答：(1) 诱导表达：某些基因，在特定的环境信号刺激下被激活，基因表达产物增加，这类基因称可诱导基因。可诱导基因的表达过程称为诱导表达。如DNA损时，DNA修复酶基因被诱导激活。
(2) 阻遏表达：某些基因，在特定的环境信号刺激下，其活性被抑制，基因表达产物减少，这类基因称为可阻遏基因。可阻遏基因的表达过程称为阻遏表达。如在细菌培养基中加入色氨酸时，细菌体内与色氨酸合成有关的酶的编码基因就会被抑制。
6、什么是反式作用因子？基因表达调控的分子基础是什么？ 答：反式作用因子（trans-acting facter）:是一些蛋白质因子，它对结构基因的表达起调控作用。编码反式作用因子的基因位于远离结构基因的同一条DNA链上，也可在另一条DNA链上。
蛋白质-DNA以及蛋白质-蛋白质的相互作用是基因表达调控的分子基础。 7、基因表达调控呈现在哪些层次？其中，最重要的调控位点是什么？
答、基因表达体现在基因、转录及翻译，在这些层次上均存在基因表达调控的机制，因此，调控表现为多层次和复杂性。 1. 基因调控（量和结构的调控）
(1) 基因拷贝数多，表达产物量也多。某种特定细胞能选择性的扩增某个基因，于是，该基因相应的蛋白质呈现高表达。
(2) 基因DNA甲基化,DNA重排等均可在基因信息水平上影响基因表达，以适应机能需要。 2. 转录调控
(1) 转录过程多环节的调节
(2) 真核生物转录得的mRNA要进行加工修饰，如mRNA的选择性剪接， mRNA编辑等，是基因表达调控的重要位点。
(3) 成熟 mRNA从细胞核进入细胞液的调控。
(4) 非编码RNA（如miRNA 即 微小RNA，micro-RNA ）在转录水平上对基因表达调控。
3. 翻译调控
(1) 蛋白质合成过程的调控：翻译的起始，肽链合成延长是常见的调控位点。 (2) 翻译后加工修饰的调节：调节改变蛋白质结构（如水解肽段、磷酸化、羟基化等），从而调节蛋白质的功能。 上述多层次复杂调控中，转录水平，尤其是转录起始水平的调节是基因表达最重要的调控点。
8、原核基因的结构特点有哪些？ 答：1. 基因组中很少有重复序列。
2. 结构基因连续排列，多为单拷贝基因，但编码 rRNA的基因仍然是多拷贝基因。
3. 结构基因在基因组中所占比列较大，约50%，远远大于真核基因组。 4. 原核基因组中的结构基因，多数是以操纵子为单位排列。操纵子是原核基因转录调控的基本单位
5. 原核基因可边转录边翻译。能在同一空间内完成，时间上差异不大。 9、原核基因转录调控的基本单位是什么？操纵子结构有哪些？分别简述之。 答：操纵子（operon）是原核基因转录调控的基本单位 操纵子结构包括：结构基因和调控序列
1. 结构基因：由几种功能相关蛋白质的结构基因串联排列而成，常称之为编码区。这些结构基因共同使用一个启动子及一个转录终止信号。
2. 调控序列：包括启动子、操纵元件及调节基因（稍远离结构基因） 10、调节基因表达哪些蛋白质？这些蛋白质各有何作用？ 答：调节基因（I）：位于结构基因上游稍远处，它编码三类蛋白质：特异因子、阻遏蛋白、激活蛋白
① 特异因子：它决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的识别能力。 ② 阻遏蛋白：能特异识别结合操纵元件（序列），抑制转录过程（负性调节） ③ 激活蛋白：能与启动子上游邻近的DNA序列结合，从而提高RNA聚合酶与启动子的结合能力。增强转录活性。这种效应称之为正性调控（positive regulation）。如分解代谢物基因激活蛋白（CAP， Catabolite gene activator protein）就是典型的激活蛋白
11、乳糖操纵子结构包括哪些？分别试述之。
答：乳糖操纵子（Lac operen）包括结构基因及调控序列
1. 结构基因：乳糖操纵子结构基因含有编码与乳糖代谢有关的三种酶的结构基因，即：Z基因、Y基因及A基因。 Z基因：编码的酶是β-半乳糖苷酶 Y基因：编码的酶是通透酶
A基因：编码的酶是乙酰基转移酶 2. 调控序列：包括 (1) 启动子（P） (2) 操纵序列（元件）（O） (3) 调节基因（I）：I 基因表达产物阻遏蛋白与O序列结合，于是，RNA聚合酶不能滑向结构基因，操纵子不能转录而处于关闭状态。
(4) CAP结合位点：位于启动子上游，CAP结合该部位后，能增强转录过程。 12、细胞周围环境中有乳糖时及无乳糖时，乳糖操纵子表达是如何调节的？ 答：1. 细胞周围环境中不存在乳糖时：I 基因表达产物阻遏蛋白与O序列结合，