分子生物学与基因工程原理

分子生物学与基因工程原理复习资料

一、名词解释

1. 分子生物学:是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学；是人类从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。

2. 染色体：是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。

3. DNA 多态性：是指DNA 序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包

括单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism , SNP)和串联重复序列多态性

( tandem repeats polymorphism )两类。

4. DNA 的半保留复制：DNA 复制过程中，由亲代DNA 生成子代DNA 时，每个新形成的子代DNA 中，一条链来自亲代DNA ，另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。

5. 冈崎片段：在DNA 复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成5 3 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。

6.SNP：single nucleotide polymorphism ，单核苷酸多样性，是基因组DNA 序列中单个核苷酸的突变引起的多态性。

7. “基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA 所必需的全部核甘酸序列。

8. 获得性遗传：是有机体在生长发育过程中由于环境的影响而不是基因突变所形成的新的遗传性状。

9. DNA 甲基化：是基因的表观修饰方式之一，指生物体在(DNA methyltransferase ，DNMT)的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上的过程。

10. CDNA文库：以mRNA为模板，经反转录酶催化，体外合成cDNA，与适当的载体 (常用噬菌体或质粒载体)连接后转化受体菌，则每个细菌含有一段cDNA，并能繁殖

扩增。这样包含着细胞全部mRNA 信息的cDNA 克隆集合称为该组织细胞cDNA 文库。11. 基因组：是指一个细胞或者生物体所携带的全部遗传信息。生物个体的所有细胞的基因组是固定的。

12. 蛋白质组学：指在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。

13. 转录组：广义上指某一生理条件或环境下，一个细胞、组织或生物体内所有转录产

物的总和，包括信使RNA、核糖体RNA、转运RNA及非编码RNA ;狭义上指细胞中转录出来的所有mRNA 的总和。

14. 基因定点突变技术：通过改变基因特定位点核苷酸序列来改变所编码的氨基酸序列的一

种技术。

15. RNA 干涉（RNAi ）：是指由双链小RNA 诱发的、高效、特异性地降解细胞内同源mRNA ，从而阻断靶基因表达，使细胞出现靶基因缺失的表型的一种现象。或：是指由双链RNA 诱发的、同源mRNA 高效特异性降解的技术。

16. 基因表达调控：基因表达是受内源及外源信号调控的，对基因表达过程的调节就称为基因表达调控。

17. 操纵子：指原核生物中由一个或多个相关基因以及转录翻译调控原件组成的基因表达单元。

18. 基因沉默：是指真核生物中由双链RNA 诱导的识别和清除细胞中非正常RNA 的一种机制。

19. 比较基因组学（Comparative Genomics）：是基于基因组图谱和测序基础上，对已知基因和基因组结构进行比较，了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。

20. 基因工程：用人工的方法把不同生物的遗传物质（基因）分离出来，在体外进行剪切、拼接、重组，形成基因重组体，然后再把重组体引入宿主细胞或个体中以得到高效表达，最终获得人们所需要的基因产物。

二、简述题

1. 真核细胞DNA 的复制在哪些水平受到调控？

真核细胞的DNA 有 3 个水平的调控：

（1）细胞生活周期水平调控：也成为限制点调控，即决定细胞停留在G1 期还是进入S 期。外部因素和细胞因子参与调控。

（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。

（3）复制子水平调控：决定复制的起始与否。复制子水平调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的。

2. 细胞通过哪几种修复系统对DNA 损伤进行修复？

（1）错配修复；

（2）切除修复；

（3）重组修复；

（4）DNA 的直接修复；

（5）SOS 反应。

3. 简述RNA 的功能。

（1）作为信息分子，RNA 担负着贮藏及转移遗传信息的功能，起着遗传信息由DNA 到蛋白质的中间传递体的核心作用。

（2）作为功能分子：细胞内蛋白质生物合成的主要参与者；部分RNA 作为核酶在细

胞中催化一些重要的反应，作用于初始转录产物的剪接加工；参与基因表达的调控，与生物的生长发育有关；在某些病毒中，RNA 是遗传物质。

4. 试述RNA 编辑的概念及其生物学意义。

RNA 编辑是指转录后的RNA 在编码区发生碱基的突变、插入或丢失等现象。

RNA 编辑的生物学意义：

（1）矫正作用：在突变过程中丢失的遗传信息通过RNA 编辑得以修复。

（2）调控翻译：构建或去除起始密码子和终止密码子，进行基因表达调控。

（3）扩充遗传信息：能使基因产物获得新的结构和功能，有利于生物的进化。

5. 试述DNA 甲基化的主要形式及其生理作用。

DNA 甲基化的主要形式有：5-甲基胞嘧啶、6-甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤。

DNA 甲基化能引起染色质结构、DNA 构象、DNA 稳定性及DNA 与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达，参与调控许多重要生物生物学现象和发育过程。一般来说，DNA 甲基化会抑制基因表达。

6. 试述cDNA 文库的构建过程。

cDNA 文库的构建过程：

（1）总RNA 的提取；

（2）mRNA 的纯化；

（3）cDNA 的合成；

（4）cDNA 文库的构建；

（5）基因文库的筛选。

7. 试述原位杂交技术的基本原理。

原位杂交（In situ hybridization ，ISH）是用标记的探针，经放射自显影或非放射检测体系，在组织、细胞、间期核及染色体上对核酸进行定位和相对定量研究的一种手段。

原位杂交技术的基本原理：是利用核酸分子单链之间有互补的碱基序列，将有放射性或非放射性的外源核酸（即探针）与组织、细胞或染色体上待测DNA或RNA互补配对，结合成专一的核酸杂交分子，经一定的检测手段将待测核酸在组织、细胞或染色体上的位置显示出来。

8. 试述基因芯片技术对分子生物学研究的意义。基因芯片技术对分子生物学研究的意义：（1）基因芯片技术可以同时将大量探针固定于支持物上，一次性对样品大量序列进行检测和分析，解决了传统核酸分子杂交如Southern 和Northern 印迹杂交技术操作繁杂，自动化程度低，操作序列数量少，检测效率低等不足之处。

（2）通过设计不同的探针阵列，使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。

9. 对基因表达调控的影响因素中，原核生物与真核生物存在那些差异。

对基因表达调控的影响因素中，原核生物与真核生物存在差异：（1）原核生物中，对基因表达调控的主要影响因素是营养状况（nutrition status ）和环境因素（environmental factor ）；

（2）真核生物中，对基因表达调控的主要影响因素激素水平（hormone level）和发育

阶段（developmental stage），营养状况和环境因素的影响较小。

10. 简述操纵子学说。

操纵子学说：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。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。当环境中没有乳糖时，阻遏蛋白结合在操纵基因上，乳糖操纵子关闭。当环境中存在乳糖时，乳糖起诱导作用，与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。操纵基因开启，相邻的结构基因表达，细菌就能分解利用乳糖。

11. 简述siRNA 介导的基因沉默的机理及siRNA 的生物学意义。

siRNA 介导的沉默机理：基因沉默发生在转录后水平的mRNA 的降解，以及染色体水平上形成异染色质，阻抑基因表达。

siRNA （RNAi ）的生物学意义：

（1）在转录水平、转录后水平参与基因的表达调控；

（2）维护基因组的稳定；

（3）保护基因组免受外源核酸侵入。

12. 理想的基因工程载体应具备哪些特征？理想的基因工程载体应具备以下特征：

1 能在宿主细胞内进行独立和稳定的DNA 复制。在外源DNA 插入其DNA 之后，仍能保持稳定的复制状态和遗传特性。

2 易于从宿主细胞中分离，并进行纯化。

3 在DNA 序列中有适当的限制性内切酶单一酶切位点。可在这些位点上插入外源

DNA ，但不影响载体自身DNA 复制。

4 具有能够直接观察的表型特征（有报告基因），在插入外缘DNA 后，这些特征可以作为重组DNA 选择的标志。

13. 简述基因工程操作基本过程。基因工程操作基本过程：

（1）目的基因的获得与序列分析

（2）目的基因与载体的连接（重组与克隆）

（3）重组DNA 向受体的转化

（4）重组体的筛选与外源基因的鉴定

五、论述题

1. 阐述蛋白质生物合成的主要过程。

蛋白质的生物合成主要包括：

(1)氨基酸的活化：氨基酸与tRNA 在氨基酰-tRNA 合成酶的作用下与生成氨基酰-tRNA 。

(2)翻译的开始：核糖体与mRNA 结合并与氨基酰-tRNA 生成起始复合物。

(3)肽链的延伸：核糖体沿mRNA 5向3'移动，开始从N端到C端的多肽合成。肽链延伸由许多循环组成，每加一个氨基酸就是一个循环，每个循环包括：AA-tRNA 与核糖体结合、肽键的生成和移位。

(4)肽链的终止与释放：核糖体从mRNA 上解离，准备新一轮合成反应。

(5)蛋白质前体加工：新生蛋白质经蛋白酶切后变成有功能的成熟蛋白质。

2. 试述RNA-seq 技术原理及其应用。

RNA-seq 技术：利用高通量测序技术对转录组进行序列分析，对测序得到的大量原始读长(reads)进行过滤、组装及生物信息学分析的过程，称为RNA-Seq。

RNA-seq 技术原理：将细胞中的所有转录产物反转录为cDNA 文库，然后将cDNA 文库中的DNA 随机剪切为小片段，在cDNA 两端加上接头利用新一代高通量测序仪测序，直到获得足够的序列，所得序列通过比对(有参考基因组) 或从头组装(de novo assembling) (无参考基因组) 形成全基因组范围的转录谱。

RNA-seq 技术的应用：

( 1)绘制全基因组范围转录谱；

( 2 )转录本结构研究；

(3)转录物SNP 检测；

( 4 )非编码区域功能鉴定；

( 5)低丰度转录物研究。

3. 试述基因定点突变的技术原理及其操作过程。

基因定点突变技术原理：用含有突变碱基的寡核苷酸片段作引物，在聚合酶的作用下启动DNA 分子进行复制。

过程：( 1)将待突变基因克隆到突变载体上；

(2)制备含突变基因的单链模板；

(3)引物与模板退火，突变寡核苷酸引物与待突变的核苷酸形成一小段碱基错配的异源双链的DNA；

( 4)合成突变链：在DNA 聚合酶催化下，引物以单链DNA 为模板合成全长互补链，由连接酶封闭缺口，产牛异源双链DNA 分子；

( 5)转化和筛选异源双链DNA 分子突变体；

（6）对突变体基因进行序列分析。

4. 试述酵母双杂交系统的基本原理及其应用。

酵母双杂交系统（Yeast two-hybrid system）的原理：利用真核生物转录调控因子的组件式结构特征，这些蛋白如GAL4 、GCN1 等都含有两个或两个以上相互独立的结构域：DNA 结合结构域（DNA-binding domain ，BD）和转录激活结构域（transcription-activating domain ，AD）。单独的BD 能与特定基因的启动区结合，但不

能激活基因的转录，而由不同转录调控因子的BD 和AD 所形成的杂合蛋白能激活基因转录。

酵母双杂交系统的应用：（1）真核生物基因组编码的蛋白质之间的互作。（2）发现新的蛋白质和蛋白质的新功能；（3）在细胞体内研究抗原和抗体的相互作用；

（4）筛选药物作用位点及药物对蛋白相互作用影响；

（5）建立基因组蛋白连锁图。

5. 实验设计：假设某哺乳动物基因可能编码了脂肪酸脱氢酶，请在酵母细胞中设计实验研究该基因的功能。

将该哺乳动物可能编码脂肪酸脱氢酶的基因克隆于酵母表达载体上，转入野生型酵母细胞；诱导该基因表达，然后用气相色谱和质谱技术分析细胞的脂肪酸组成。

由于野生型酵母细胞中18碳不饱和脂肪酸主要是C18 : 1,没有含两个或多个双键的不饱和脂肪酸。如果在转入目的基因的野生型酵母细胞中检测到C18 : 2或C18 : 3不饱和脂肪酸，就证明该基因具有脂肪酸脱氢酶的功能。

6. 试述大肠杆菌乳糖操纵子模型的主要内容。

大肠杆菌乳糖操纵子模型的主要内容：

（1）Z、丫、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；

（2）这个mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（lacl）与操纵区（0）之间，不能单独起动合成禺半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。

（3）操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为26bp）,是阻遏物的结合位点。

（4）当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA 的转录起始受到抑制。

（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lac mRNA 的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA 的合成与转录。