第3章-思考题解析

第3章思考题解析1.什么是编码链？什么是模版链？答：与mRNA序列相同的那条DNA链称为编码链（或有意义链）；另一条根据碱基互补原则指导mRNA合成DNA链称为模版链（或反义链）。2.简述RNA的种类及其生物学意义。答：生物体内的RNA种类繁多，且分布在细胞的不同部位。编码RNA：mRNA（hnRNA）：mRNA是合成蛋白质的模板，由模版链DNA所转录；真核生物的基因转录时，包括内含子和外显子的整个基因均被转录，形成分子大小极不相同的核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA，hnRNA）。hnRNA通过剪接和加工，转化为成熟的mRNA，原核生物mRNA一般不需要剪接和加工。非编码RNA：以RNA形式直接发挥作用的RNA，称非编码RNA（non-codingRNA,ncRNA）。tRNA是mRNA上碱基序列（即遗传密码子）的识别者和氨基酸的转运者，能特异性解读mRNA中的遗传信息、将其转化成相应氨基酸后加入多肽链中。rRNA直接参与核糖体中蛋白质合成。细胞核小分子RNA（smallnuclearRNA，snRNA）主要存在于细胞核中，少数穿梭于核质之间，或存在于细胞质中。snRNA存在广泛，但含量不高，只占细胞RNA总量的0.1%～1%，分子大小多为58～300b。snRNA均以核糖核酸蛋白（ribonuclearprotein，RNP）的形式存在。参与hnRNA的剪接和加工过程等。核仁小分子RNA（smallnucleolarRAN，snoRNA）广泛分布于核仁区，大小一般为几十到几百个核苷酸，主要参与rRNA前体的加工。ScRNA（SmallCytoplasmicRNA）小胞质RNA，分布在细胞质，主要在蛋白质合成过程中起作用。tmRNA（Transfer-messengerRNA），是细菌和部分细胞器中特有的一类双功能RNA，即有tRNA的功能，又有mRNA的功能，翻译时既可以转运氨基酸，又可作合成肽链的模版。3.简述原核和真核生物RNA结构特征。答：（1）原核生物mRNA的半衰期短。细菌基因的转录与翻译是紧密相联的，基因转录一旦开始，核糖体就结合到新生mRNA链的5′端，启动蛋白质合成，而此时该mRNA的3′端还远远没有转录完全。mRNA的降解紧随着蛋白质翻译过程发生。真核生物mRNA的合成和蛋白质的合成发生在不同的空间和时间范畴内，因此其mRNA的半衰期通常比原核生物更长，具体取决于细胞类型、mRNA的序列特征及调控需求。（2）许多原核生物mRNA可能以多顺反子的形式存在，而真核生物mRNA一般以单顺反子形式存在。（3）原核生物mRNA的5′端无帽子结构，3′端没有或只有较短的多（A）结构。原核生物起始密码子AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列（Shine-Dalgarnosequence）的保守区，因为该序列与16SrRNA3′端反向互补，所以被认为在核糖体与mRNA的结合过程中起作用。真核生物mRNA的5’端存在“帽子”结构。（4）一般来说，原核生物mRNA的3’端不具有poly(A)尾。绝大多数真核生物mRNA的3’端具有poly(A)尾。4.简述RNA转录的概念及其基本过程。答：RNA转录：以DNA为模板，游离碱基为原料，在依赖于DNA的RNA聚合酶催化下，以4种NTPs（ATP、CTP、GTP、UTP）为原料，合成RNA的过程。无论是原核还是真核细胞，RNA链的合成都具有以下几个特点：RNA是按5′→3′方向合成的，以DNA双链中的反义链（模板链）为模板，在RNA聚合酶催化下，以4种核苷三磷酸（NTPs）为原料，根据碱基配对原则（A-U、T-A、G-C），各核苷酸间通过形成磷酸二酯键相连，不需要引物参与，合成的RNA带有与DNA编码链（有义链）相同的序列（A-U）。转录的基本过程包括模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。5.请说出转录与复制的异同点。答：相同点：（1）都以DNA链作为模板；（2）合成的方向均为5′→3′；（3）聚合反应均是通过核苷酸之间形成的3′，5′-磷酸二酯键，使核苷酸链延长；（4）都遵循碱基互补配对原则；（5）都需要酶的参与。不同点：（1）与DNA聚合酶不同，RNA聚合酶具有从头起始转录的能力，所以它在催化RNA合成时不需要引物。（2）RNA聚合酶在添加几个核苷酸后，便将正在延长的链从模板上置换下来，RNA产物不与模板DNA链保持碱基互补状态。（3）转录具有选择性。RNA转录则是选择性地复制基因组的特定部分，可以产生几个到上千个相同的拷贝。（4）与DNA复制的精确度相比，转录中每添加10000个核苷酸会发生一次错误，表明转录过程缺乏严谨的矫正机制。复制和转录中的一些不同点如下表：复制转录模板两条链均复制模板链转录原料dNTP（dATP，dTTP，dGTP，dCTP）NTP（ATP，UTP，GTP，CTP）酶DNA聚合酶RNA聚合酶产物子代双链DNAmRNA，tRNA，rRNA等RNA配对A-T，G-CA-U，G-C引物RNA引物无6.大肠杆菌的RNA聚合酶由哪些组成成分？各个亚基的作用是什么？答：大肠杆菌的RNA聚合酶是由2个α亚基、一个β亚基、一个β'亚基和一个ω亚基组成的核心酶，加上一个σ亚基后则成为聚合酶全酶。α亚基与核心酶的组装及启动子的识别有关，并参与RNA聚合酶和部分调节因子的相互作用；β亚基和β’亚基组成了聚合酶的催化中心，β亚基能与模版DNA、新生RNA链及核苷酸底物相结合。σ因子的作用在于帮助转录起始，因此也称为起始亚基，一旦转录开始，它就脱离了起始复合物，而由核心酶负责RNA链的延伸。ω亚基促进核心酶的组装，可作为β’亚基的分子伴侣。7.什么是封闭复合物、开放复合物以及三元复合物？答：转录过程中的模版的识别阶段，聚合酶与启动子可逆性结合形成封闭性复合物；封闭性复合物形成后，此时，DNA链仍然处于双链状态，伴随着DNA构象的重大变化，封闭性复合物转化为开放复合物，聚合酶全酶所结合的DNA序列中有一小段双链被解开；开放复合物与最初的两个NTP相结合并在这两个核苷酸之间形成磷酸二脂键后即转变成包括RNA聚合酶、DNA和新生RNA的三元复合物。8.简述σ因子的作用。答：σ因子的作用是负责模版链的选择和转录的起始，它是酶的别构效应物，使酶专一性识别模版上的启动子；σ因子可以极大的提高RNA聚合酶对启动子区DNA序列的亲和力；σ因子还能使RNA聚合酶与模版DNA上非特异性位点的结合常数降低。9.什么是Pribnowbox？它的保守序列是什么？答：Pribnowbox属于启动子的结构。1975年，Pribnow和Schaller设计了一个实验，把RNA聚合酶全酶与模板DNA结合后，用DNaseⅠ水解DNA，然后用酚抽提，沉淀纯化DNA后得到一个被RNA聚合酶保护的DNA片段，有41～44个核苷酸对。在启动子被保护区内有一个由5个核苷酸组成的共同序列，是RNA聚合酶的紧密结合点，现在称为Pribnow区（Pribnowbox），这个区的中央大约位于起点上游10bp处，所以又称为−10区。它的保守序列是TATAAT。10.说出真核和原核基因转录的异同。答：相同点：RNA按5′→3′方向合成，以DNA双链中的反义链(模板链)为模板，在RNA聚合酶催化下，以4种核苷三磷酸(NTPs)为原料，根据碱基配对原则，各核苷酸间通过形成磷酸二酯键相连，不需要引物的参与，合成的RNA带有与DNA编码链相同的序列(A-U)。转录的基本过程包括模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。不同点：（1）只有一种RNA聚合酶参与所有类型的原核生物基因转录，而真核生物有3种以上的RNA聚合酶来负责不同类型的基因转录，合成不同类型的、在细胞核内有不同定位的RNA。（2）转录产物有差别。原核生物的初始转录产物大多数是编码序列，与蛋白质的氨基酸序列呈线性关系；而真核生物的初始转录产物很大，含有内含子序列，成熟的mRNA只占初始转录产物的一小部分。（3）原核生物的初始转录几乎不需要剪接加工，就可直接作为成熟的mRNA进一步行使翻译模板的功能；真核生物转录产物需要经过剪接、修饰等转录后加工成熟过程才能成为成熟的mRNA。（4）在原核生物细胞中，转录和翻译不仅发生在同一个细胞空间里，而且这两个过程几乎是同步进行的，蛋白质合成往往在mRNA刚开始转录时就被引发。真核生物mRNA的合成和蛋白质的合成则发生在不同的空间和时间范畴内。11.大肠杆菌的终止子有哪两大类？请分别介绍一下它们的结构特点。答：大肠杆菌的终止子可以分为不依赖于ρ因子和依赖于ρ因子两大类。不依赖于ρ因子的终止子结构特点：位于终止位点上游一般存在一个富含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发夹式结构；在终止位点前面有一端由4～8个A组成的序列，所以转录产物的3’端为寡聚U。依赖于ρ因子的终止子的结构特点：IR序列中的G/C对含量较少；发夹结构末端没有固定特征；依靠与ρ因子的共同作用而实现终止。12.真核生物的原始转录产物必须经过哪些加工过程才能成为成熟的mRNA？答：加工包括：（1）5′端连接“帽子”结构；（2）3′端添加polyA“尾巴”；（3）hnRNA被剪接，把内含子（DNA上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子（DNA上的编码序列）转录序列拼接上（真核生物一般为不连续基因）；（4）对分子内的核苷酸进行甲基化、去氨基化、硫代、乙酰化、磷酸化等化学修饰。13.简述Ⅰ、Ⅱ类内含子的剪接特点。答：Ⅰ类自剪接内含子Ⅰ类内含子的剪接发生了两次磷酸二酯键的转移，即两次转酯反应（trans-esterification）。在Ⅰ类自剪接内含子切除体系中，第一个转酯反应由一个游离的鸟苷或鸟苷酸（GMP、GDP或GTP）介导，鸟苷或鸟苷酸的3′-OH作为亲核基团攻击内含子5′端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链。在第二个转酯反应中，上游外显子的自由3′-OH作为亲核基团攻击内含子3′位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。Ⅰ类内含子释放出线性内含子，而不是一个套索结构。Ⅰ类自剪接内含子通常比Ⅱ类内含子小，有一个保守的二级结构，包括容纳鸟苷或鸟苷酸结合的口袋以及一段与5′剪接位点序列配对的“内在指导序列”，以确定鸟苷亲核攻击的精确位置Ⅱ类自剪接内含子这类内含子主要存在于真核生物的线粒体和叶绿体rRNA基因中。在Ⅱ类内含子切除体系中，也发生两次转酯反应，但转酯反应无需游离鸟苷酸或鸟苷，而是由内含子自身靠近3′端的腺苷酸2′-OH作为亲核基团攻击内含子5′端的磷酸二酯键，从上游切开RNA链后形成套索状结构。再由上游外显子的自由3′-OH作为亲核基团攻击内含子3′位核苷酸上的磷酸二酯键，使内含子被完全切开，上下游两个外显子通过新的磷酸二酯键相连。14.什么是套索结构？哪些类型RNA的剪接中会形成该结构？答：套索结构是在真核生物RNA前体加工过程中，切除内含子时，通过2′，5′-磷酸二酯键形成的一种带尾巴的环形中间结构。主要在前体mRNA的剪接过程中会形成该结构。15.什么是RNA编辑？其生物学意义是什么？答：RNA的编辑（RNAediting）是mRNA前体的加工方式之一，通过插入、删除或取代一些核苷酸残基，使DNA所编码的遗传信息发生变化，是生物细胞内改变mRNA序列和蛋白质编码信息的重要途径。在动物体内，介导RNA编辑的机制主要有两种：位点特异性脱氨基作用和引导RNA（GuideRNA,gRNA）指导的尿嘧啶插入或删除。生物学意义：校正作用，有些基因在突变的途中丢失的遗传信息可能通过RNA的编辑得以恢复；调控翻译，通过编辑可以构建或去除其实密码子和终止密码子，是基因表达调控的一种方式，扩充遗