第2章-思考题解析

第2章思考题解析1.染色体具备哪些作为遗传物质的特征？答：染色体作为遗传物质的特征：(1)能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性；(2)分子结构相对稳定；(3)能指导蛋白质的合成，控制生命过程；(4)能产生可遗传的变异。2.简述真核细胞内核小体的结构特点。答：(1)核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体以及大约200bpDNA组成。(2)H3·H4四聚体的形成启动核小体的组装，四聚体与DNA结合，再与两个H2A·H2B二聚体结合，完成核小体的组装。(3)八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，H1在核小体的外面，每个核小体只有一个H1。(4)核小体串联起来形成染色质细丝。形成过程：两分子的H3和两分子的H4先形成四聚体，然后由H2A和H2B形成的异二聚体在该四聚体的两侧，分别结合形成八聚体。长146bp的DNA以左手螺旋的形式盘绕在八聚体上1.8圈，形成核小体的核心颗粒，每圈约80bp。核心颗粒两端的DNA各有11bp与H1结合，形成完整的核小体。3.请列举3项实验证据来说明为什么染色质中DNA与蛋白质分子是相互作用的。答：证据一：用微球菌核酸酶(MicrococcalNuclease)处理染色质后进行电泳，可以得到一系列片段，这些被保留的DNA片段均为200bp基本单位的倍数。证据二：染色质的电子显微镜图显示出由核小体组成的念珠状结构，可以看到由一条细丝连接着的一连串直径为10nm的球状体。在染色质的X射线衍射图中也发现了10nm的重复单位。证据三：在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应。DNA酶I对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。4.简述组蛋白的主要修饰类型并说出其功能。答：组蛋白的修饰作用只发生在细胞周期的特定时间和组蛋白的特定位点上，由于其富含精氨酸和赖氨酸，可以发生包括甲基化、乙基化、磷酸化及泛素化等修饰，所有这些修饰作用都有一个共同的特点：降低组蛋白所携带的正电荷，直接或间接影响基因的转录活性。(1)甲基化可发生在组蛋白的Lys和Arg残基上，不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性，组蛋白甲基化的异常导致肿瘤等多种人类疾病的发生；(2)乙酰化主要发生在核心组蛋白上，主要分布在H3和H4的N端比较保守的赖氨酸位置上。乙酰化修饰由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行，以保证乙酰化水平的动态平衡。参与DNA修复、拼接和复制，参与染色体组装以及细胞的信号传导，与某些疾病的形成密切相关。(3)磷酸化参与基因转录、DNA修复、细胞凋亡及染色体浓缩等过程。(4)泛素化修饰位点为高度保守的赖氨酸残基。泛素化修饰不会导致蛋白质的降解，却能招募核小体形成染色体，并参与X染色体的失活，影响组蛋白的甲基化和基因的转录，在DNA损伤应答等生理过程中发挥重要调控作用。5.简述DNA的一、二、三级结构特征。答：DNA又称脱氧核糖核酸，其基本单位是脱氧核苷酸。(1)DNA一级结构是指4种核苷酸的连接及排列顺序，表示该DNA分子的化学构成。组成DNA分子的碱基只有4种，配对方式为A与T、C与G，由于碱基可以任何顺序排列，构成DNA分子的多样性。许多脱氧核苷酸经3’-5’磷酸二酯键聚合而成为DNA链。(2)DNA二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。其特点是：DNA分子由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成，DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧，两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律，即：嘌呤与嘧啶配对(A与T,G与C配对)。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。由于碱基可以任何顺序排列，因此构成了DNA分子的多样性。通常情况下DNA的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA，DNA通常以右手螺旋形式存在；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。(3)DNA的三级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘旋所形成的特定空间结构，包括超螺旋、线性双链中的纽结、多重螺旋等。其中超螺旋结构是其主要形式，可分为正超螺旋（右手螺旋）和负超螺旋（左手螺旋）两类，负超螺旋是细胞内常见的DNA高级结构形式，正超螺旋是过度缠绕的双螺旋。它们在不同类型的拓扑异构酶作用下或特殊情况下可相互转变。6.原核生物DNA具有哪些不同于真核生物DNA的特征？答：(1)结构简练。原核DNA分子的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录，这与真核细胞DNA冗余现象完全不同。不转录的DNA通常是控制基因表达的序列。(2)存在转录单元。原核生物DNA序列中功能相关的基因（RNA和蛋白质基因），往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个mRNA的分子，叫多顺反子mRNA，受同一操纵基因调控。原核基因是多顺反子结构，是连续的，而真核生物为单顺反子。(3)有重叠基因。主要有三种情况：①一个基因完全在另一个基因里面；②部分重叠；③两个基因只有一个碱基对是重叠的。尽管这些重叠基因的DNA序列大致相同；但由于基因重叠部位一个碱基的变化可能影响后续肽链的全部序列，从而编码完全不同的蛋白质，而真核生物多为断裂基因。7.谁提出了DNA双螺旋结构模型？简述其主要实验依据及其在分子生物学发展中的重要意义。答：Watson和Crick于1953年提出DNA的双螺旋结构模型。其主要内容如下：(1)两条互补的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链都为右手螺旋；(2)DNA分子的基本骨架是脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在双螺旋外侧,彼此通过3’,5’-磷酸二酯键连接，碱基排列在双螺旋的内侧，碱基平面与纵轴垂直。(3)双螺旋的平均直径为2.0nm，相邻碱基平面之间垂直距离为0.34nm，每10个碱基对旋转一圈，碱基对之间的螺距为3.4nm。(4)在双螺旋的表面分别形成大沟和小沟，大沟部分和蛋白结合。(5)两条链通过碱基互补配对连在一起，借助碱基之间的氢键和碱基堆积力牢固结合，维持DNA结构的稳定性。该模型的建立对促进分子生物学及分子遗传学的发展具有划时代意义。对DNA本身的复制机制、遗传信息的存储方式和遗传信息的表达、生物遗传稳定性和变异性等规律的阐明起了非常重要的作用，同时，该模型的建立也推进了一系列分子生物学技术的发展，如PCR技术，DNA分子杂交技术等等。8.DNA以何种方式进行复制？如何保证复制的准确性？答：染色体DNA的自我复制主要是通过半保留复制来实现的，是一个以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。双链DNA的复制是一个非常复杂的过程，有复制的起始、延伸和终止三个阶段。保证DNA复制准确性的因素：(1)内因：①按碱基配对原则进行DNA链的合成。②DNA聚合酶对碱基的识别作用，有利于选择正确的碱基掺入引物末端。③DNA聚合酶的高选择性。DNA聚合酶对底物的识别作用，可以先识别引物最后一个碱基是否正确，后识别参入的dNTP是否正确。④DNA聚合酶具有3′→5外切酶的作用，可以自我校对。⑤使用RNA引物，减少复制差错，提高了复制准确性。⑥有错配修复机制。(2)外因：Mn2+和Mg2+的比例、浓度对核苷酸还原酶活性进行调控，确保细胞内四种dNTP在浓度上的平衡。9.简述原核生物DNA的复制特点。答:(1)原核生物双链DNA都是以半保留方式遗传的，DNA的复制在整个细胞周期都能进行；(2)只有一个复制起点，复制子较大；(3)在起始点处解开形成复制叉，快速生长的原核生物，在复制起始点上可以连续开始新的DNA复制，表现为虽只有一个复制单元，但可有多个复制叉。(4)复制叉移动速度很快，是真核生物很多倍；(5)是半不连续的复制，需要多种酶和蛋白质的协同参与，都涉及拓扑异构酶、解旋酶、单链结合蛋白、引物合成酶、DNA聚合酶、连接酶等；(6)DNA聚合酶在组成和功能上与真核生物有很大的不同；(7)DNA分子是环形，不存在末端缩短问题；(8)冈崎片段大（1000-2000nt）。10.什么是DNA的Tm值?它受哪些因素的影响？答：Tm值：增色效应达到最大值的一半时的温度叫DNA的熔解温度（或熔点），以符号Tm表示。不同序列的DNA，Tm值不同。影响Tm值的因素：(1)DNA的均一性。一些病毒DNA、人工合成的多腺嘌呤-胸腺嘧啶脱氧核苷酸等均质DNA融解温度范围较小，而异质DNA融解温度范围较宽，因此Tm值也可作为衡量DNA样品均一性的标准。DNA的均一性高，融解过程爆发的温度范围窄。

(2)DNA分子中GC碱基对的含量。DNA分子中GC含量高，则Tm值大，这主要是因为G-C碱基对间有3个氢键，并且它与相邻碱基间的堆积力更大。两者的关系可表示为：T=69.3+0.41(G+C)%。

(3)DNA溶液的离子强度。离子强度的效应反映出双螺旋的另一基本特征。两条DNA链的骨架包含了带负电荷的磷酸基团，当这些负电荷没有被中和时，DNA双链间的静电斥力将驱使两条链分开。在高离子强度下，负电荷可以被阳离子中和，双螺旋的结构稳定保持；在低离子强度下，未被中和的负电荷将会降低双螺旋的稳定性。因此，在离子强度较低的介质中，DNA的Tm值较低而范围宽，在较高离子强度下，Tm值较高而范围窄。离子强度高，熔解温度范围窄；离子强度低，熔解温度范围宽。

(4)核酸分子的长度。一定条件下(相对较短的核酸分子)，Tm值大小还与核酸分子的长度有关。核酸分子越长，值越大。11.DNA复制时为什么前导链是连续复制，而后随链是以不连续的方式复制?并请以大肠杆菌为例简述后随链复制的各个步骤。答：DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此在复制叉附近解开的DNA链一条是5’→3’方向，另一条是3’→5’方向，两个模板的极性相反。DNA聚合酶只有5’→3’聚合酶活性，而没有3’→5’聚合酶活性。这样在一条链上,DNA合成方向和复制叉移动方向相同，可以连续复制，而在另一条模板链上，DNA合成方向和复制叉移动方向却是相反的，必须在引物酶的作用下，先合成一段引物，在DNA聚合酶Ⅲ的作用下，在引物RNA的3’端合成一段1至2kb的冈崎片段，然后由DNA聚合酶I切除引物，相邻的片段之间的缺刻最后由连接酶连接，因此后随链以不连续的方式完成它的复制过程。大肠杆菌DNA复制包括复制的起始、DNA片段的延伸和复制的终止三个过程。具体如下：(1)复制起始：①复制叉的形成：复制蛋白DnaA识别大肠杆菌复制起始点(oriC)并与其结合，然后DnaC结合上去，允许解旋酶DnaB结合，将母链DNA分开，形成一个复制叉；在起始点出现复制泡，从起点向两个方向移动。②引物的形成在后随链上，DNA引发酶(DnaG)与DnaB结合形成复合体，ATP水解驱动复合物沿模板链移动，促使母链分开，单链结合蛋白(SSB)与单链DNA相结合，DnaG催化合成短的RNA引物。(2)延伸：DNA聚合酶Ⅲ从引物3’-OH起,延伸冈崎片段，当聚合酶复合物遇到已经合成的冈崎片段引物时，延长反应停止；DNA聚合酶Ⅲ从DNA模板上解离下来。前导链则连续合成，直到终点。(3)DNA复制的终止：①DNA聚合酶I去除引物，并填补留下的空隙。②DNA连接酶封闭缺口，完成链的合成。12.真核生物DNA的复制在哪些水平上受到调控？答：真核细胞中DNA复制有3个水平的调控：真核生物DNA的复制在细胞周期、染色体水平以及复制子水平都可进行调控。（1）细胞生活周期水平调控，也称为限制点调控，即决定细胞停留在G1期还是进入S期。许多外部因素和细胞因子参与限制点调控。促细胞分裂剂、致癌剂、外科切除等都可诱发细胞由G1期进入S期。一些细胞因子如四磷酸二腺苷和聚ADP-核糖也可诱导DNA的复制。（2）染色体水平调控。决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制，这种有序复制的机制还不清楚。（3）复制子水平调控。决定复制的起始与否。这种调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的。此外，真核生物复制起始还包括转录活化、复制起始复合物的合成和引物合成等阶段，许多参与复制起始蛋白的功能与原核生物中相类似。酵母染色体复制只发生于S期，各个复制子按专一的时间顺序活化，在S期的不同阶段起始复制。13.细胞通过哪几种修复系统对DNA损伤进行修复？它们在维持基因组稳定性中的作用是什么？

答：细胞可以通过直接修复、错配修复、重组修复、跨损伤合成和SOS多种修复机制来修复DNA损伤。（1）DNA的直接修复（directrepair）：生物体内还存在多种DNA损伤以后直接修复(directrepair)而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。如DNA光解酶(photolyase)修复胸腺嘧啶二体及6-4光化物(6-4photoproduct)的过程。（2）错配修复（mismatchrepair）：一旦在DNA复制过程中发生错配，细胞能够通过准确的错配修复系统识别新合成链中的错配并加以校正，DNA子链中的错配几乎完全能被修正，充分反映了母链序列的重要性。该系统识别母链的依据来自Dam甲基化酶。（3）切除修复①碱基切除修复（base-excisionrepair）：细胞中有能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，特异性切除受损核苷酸上的N-β糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。一旦产生AP位点，AP内切核酸酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去包括AP位点在内的小片段DNA，由DNA聚合酶Ⅰ合成新的片段。②核苷酸切除修复（nucleotide-excisionrepair）：当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。（4）同源重组修复（homologousrecombinationrepair，HR）和非同源末端连接（non-homologousendjoining，NHEJ），当DNA发生双链断裂时，可通过同源重组修复和非同源末端连接来进行修复。同源重组修复是利用细胞内的同源染色体对应的DNA序列作为修复模板进行DNA修复的过程。（5）跨损伤合成（translesionsynthesis，TLS）是一类复制后修复，也被称为“跨缺刻复制”或“备份复制”（backupsynthesis），最先发现于原核细胞中。在DNA链复制过程中，当DNA聚合酶遇到嘧啶二聚体或脱嘌呤位点等没有被修复的损伤而使复制停顿时，复制机器必须越过损伤以防止复制叉的崩塌，机体必须启动跨损伤合成系统并忽略已存在的损伤。（6）SOS修复系统（SOSrepair）SOS修复(SOSrepair)系统是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。它是一种旁路系统，允许新生的DNA链越过胸腺嘧啶二聚体继续复制，其代价是保真度的极大降低。SOS修复包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等。什么是转座子？可分为哪些种类？答：转座子（transposon，Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。转座子分为两大类：插入序列（insertionalsequence，IS）和复合型转座子（compositetranspos