考博生物化学与分子生物学重点（4）

第十二章 RNA的生物合成  

一、RNA转录合成的特点：  

在RNA聚合酶的催化下，以一段DNA链为模板合成RNA，从而将DNA所携带的遗传信息传递给RNA的过程称为转录。经转录生成的RNA有多种，主要的是rRNA，tRNA，mRNA，snRNA和HnRNA。  

1．转录的不对称性：指以双链DNA中的一条链作为模板进行转录，从而将遗传信息由DNA传递给RNA。对于不同的基因来说，其转录信息可以存在于两条不同的DNA链上。能够转录RNA的那条DNA链称为有意义链（模板链），而与之互补的另一条DNA链称为反意义链（编码链）。  

2．转录的连续性：RNA转录合成时，在RNA聚合酶的催化下，连续合成一段RNA链，各条RNA链之间无需再进行连接。  

3．转录的单向性：RNA转录合成时，只能向一个方向进行聚合，RNA链的合成方向为5’→3’。  

4．有特定的起始和终止位点：RNA转录合成时，只能以DNA分子中的某一段作为模板，故存在特定的起始位点和特定的终止位点。  

二、RNA转录合成的条件：  

1．底物：四种核糖核苷酸，即ATP，GTP，CTP，UTP。  

2．模板：以一段单链DNA作为模板。  

3．RNA聚合酶（DDRP）： RNA聚合酶在单链DNA模板以及四种核糖核苷酸存在的条件下，不需要引物，即可从5’→3’聚合RNA。  

原核生物中的RNA聚合酶全酶由五个亚基构成，即α2ββ’σ。σ亚基与转录起始点的识别有关，而在转录合成开始后被释放，余下的部分（α2ββ’）被称为核心酶，与RNA链的聚合有关。  

真核生物中的RNA聚合酶分为三种：RNA polⅠ存在于核仁，对α-鹅膏蕈碱不敏感，用于合成rRNA前体；RNA polⅡ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱极敏感，用于合成HnRNA；RNA polⅢ存在于核基质，对α-鹅膏蕈碱敏感，用于合成tRNA前体、snRNA及5S rRNA。  

4．终止因子ρ蛋白：这是一种六聚体的蛋白质，能识别终止信号，并能与RNA紧密结合，导致RNA的释放。  

5．激活因子：降解产物基因激活蛋白（CAP），又称为cAMP受体蛋白（CRP），是一种二聚体蛋白质。该蛋白与cAMP结合后，刺激RNA聚合酶与起始部位结合，从而起始转录过程。  

三、RNA转录合成的基本过程：  

1．识别：RNA聚合酶中的σ因子识别转录起始点，并促使核心酶结合形成全酶复合物。  

位于基因上游，与RNA聚合酶识别、结合并起始转录有关的一些DNA顺序称为启动子。在原核生物中的启动子通常长约60bp，存在两段带共性的顺序，即5’-TTGACA-3’和5’-TATAATG-3’，其中富含TA的顺序被称为Pribnow盒。真核生物的启动子中也存在一段富含TA的顺序，被称为Hogness盒或TATA盒。  

2．起始：RNA聚合酶全酶促使局部双链解开，并催化ATP或GTP与另外一个三磷酸核苷聚合，形成第一个3’,5’-磷酸二酯键。  

3．延长：σ因子从全酶上脱离，余下的核心酶继续沿DNA链移动，按照碱基互补原则，不断聚合RNA。  

4．终止：RNA转录合成的终止机制有两种。  

⑴自动终止：模板DNA链在接近转录终止点处存在相连的富含GC和AT的区域，使RNA转录产物形成寡聚U及发夹形的二级结构，引起RNA聚合酶变构及移动停止，导致RNA转录的终止。 

⑵依赖辅助因子的终止：由终止因子（ρ蛋白）识别特异的终止信号，并促使RNA的释放。  

四、真核生物RNA转录后的加工修饰：  

1．mRNA的转录后加工：  

⑴加帽：即在mRNA的5’-端加上m7GTP的结构。此过程发生在细胞核内，即对HnRNA进行加帽。加工过程首先是在磷酸酶的作用下，将5’-端的磷酸基水解，然后再加上鸟苷三磷酸，形成GpppN的结构，再对G进行甲基化。  

⑵加尾：这一过程也是细胞核内完成，首先由核酸外切酶切去3’-端一些过剩的核苷酸，然后再加入polyA。  

⑶剪接：真核生物中的结构基因基本上都是断裂基因。结构基因中能够指导多肽链合成的编码顺序被称为外显子，而不能指导多肽链合成的非编码顺序就被称为内含子。真核生物HnRNA的剪接一般需snRNA参与构成的核蛋白体参加，通过形成套索状结构而将内含子切除掉。  

⑷内部甲基化：由甲基化酶催化，对某些碱基进行甲基化处理。  

2．tRNA的转录后加工：  

主要加工方式是切断和碱基修饰。  

3．rRNA的转录后加工：  

主要加工方式是切断。
十三章、蛋白质生物合成 

生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约20种氨基酸为原料自行合成的。蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再具体的解译为蛋白质中氨基酸排列顺序的过程，这一过程被称为翻译（translation)。参与蛋白质生物合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体系包括：  

1.mRNA：作为指导蛋白质生物合成的模板。  

mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联体就称为密码。共有64种不同的密码。遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简并性；③ 通用性；④ 方向性；⑤ 摆动性；⑥ 起始密码：AUG；终止密码：UAA、UAG、UGA。  


2.tRNA：在氨基酸tRNA合成酶催化下，特定的tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨基酰tRNA，从而携带氨基酸参与蛋白质的生物合成。  

tRNA反密码环中部的三个核苷酸构成三联体，可以识别mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码。 反密码对密码的识别，通常也是根据碱基互补原则，即A―U，G―C配对。但反密码的第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不严格遵循碱基互补原则，这种配对称为不稳定配对。  

能够识别mRNA中5′端起动密码AUG的tRNA称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是tRNAfmet；而在真核生物中，起动tRNA是tRNAmet。  

3．rRNA和核蛋白体：原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能：  

⑴小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。  

⑵大亚基：①具有两个不同的tRNA结合点。A位―― 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位――给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。②具有转肽酶活性。  

在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译。由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。  

4．起动因子（IF）：这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。  

5．延长因子（EF）：原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。  

6．释放因子（RF）：原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。  

7．氨基酰tRNA合成酶：该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性。  

二、蛋白质生物合成过程：  

1．氨基酸的活化与搬运：氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。反应完成后，特异的tRNA3’端CCA上的2’或3’位自由羟基与相应的活化氨基酸以酯键相连接，形成氨基酰tRNA。  

2．活化氨基酸的缩合――核蛋白体循环：活化氨基酸在核蛋白体上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体循环。核蛋白体循环过程可分为三个阶段：  

⑴起动阶段：①30S起动复合物的形成。在IF促进下，30S小亚基与mRNA的起动部位，起动tRNA（tRNAfmet），和GTP结合，形成复合体。②70S起动前复合体的形成。IF3从30S起动复合体上脱落，50S大亚基与复合体结合，形成70S起动前复合体。③70S起动复合体的形成。GTP被水解，IF1和IF2从复合物上脱落。  

⑵肽链延长阶段：①进位：与mRNA下一个密码相对应的氨基酰tRNA进入核蛋白体的受位。此步骤需GTP，Mg2+，和EF参与。②成肽：在转肽酶的催化下，将给位上的tRNA所携带的甲酰蛋氨酰基或肽酰基转移到受位上的氨基酰tRNA上，与其α-氨基缩合形成肽键。给位上已失去蛋氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。③移位：核蛋白体向mRNA的3’- 端滑动相当于一个密码的距离，同时使肽酰基tRNA从受体移到给位。此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。 此时，核蛋白体的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入，重复以上循环过程，使多肽链不断延长。  

⑶肽链终止阶段：核蛋白体沿mRNA链滑动，不断使多肽链延长，直到终止信号进入受位。①识别：RF识别终止密码，进入核蛋白体的受位。②水解：RF使转肽酶变为水解酶，多肽链与tRNA之间的酯键被水解，多肽链释放。③解离：通过水解GTP，使核蛋白体与mRNA分离，tRNA、RF脱落，核蛋白体解离为大、小亚基。  

三、多肽链合成后的加工修饰：  

1．一级结构的加工修饰：  

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。其过程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。  

⑵氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。  

⑶二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。  

⑷肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。  

2．高级结构的形成：  

⑴构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。  

⑵亚基的聚合。  

⑶辅基的连接。  

3．靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。 
第十四章 基因表达调控  
一、基因表达调控基本概念与原理：  

1．基因表达的概念：基因表达（gene expression）就是指在一定调节因素的作用下，DNA分子上特定的基因被激活并转录生成特定的RNA，或由此引起特异性蛋白质合成的过程。  

2．基因表达的时间性及空间性：  

⑴时间特异性：基因表达的时间特异性(temporal specificity)是指特定基因的表达严格按照特定的时间顺序发生，以适应细胞或个体特定分化、发育阶段的需要。故又称为阶段特异性。  


⑵空间特异性：基因表达的空间特异性（spatial specificity）是指多细胞生物个体在某一特定生长发育阶段，同一基因的表达在不同的细胞或组织器官不同，从而导致特异性的蛋白质分布于不同的细胞或组织器官。故又称为细胞特异性或组织特异性。  

3．基因表达的方式：  

⑴组成性表达：组成性基因表达（constitutive gene expression）是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常被称为管家基因（housekeeping gene）。  

⑵诱导和阻遏表达：诱导表达（induction）是指在特定环境因素刺激下，基因被激活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。阻遏表达（repression）是指在特定环境因素刺激下，基因被抑制，从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。  

4．基因表达的生物学意义：①适应环境、维持生长和增殖。②维持个体发育与分化。  

5．基因表达调控的基本原理：  

⑴基因表达的多级调控：基因表达调控可见于从基因激活到蛋白质生物合成的各个阶段，因此基因表达的调控可分为转录水平（基因激活及转录起始），转录后水平（加工及转运），翻译水平及翻译后水平，但以转录水平的基因表达调控最重要。  

⑵基因转录激活调节基本要素：①顺式作用元件：顺式作用元件（cis-acting element）又称分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一些与基因转录调控有关的特殊顺序。②反式作用因子：反式作用因子（trans-acting factor）又称为分子间作用因子，指一些与基因表达调控有关的蛋白质因子。反式作用因子与顺式作用元件之间的共同作用，才能够达到对特定基因进行调控的目的。③顺式作用元件与反式作用因子之间的相互作用：大多数调节蛋白在与DNA结合之前，需先通过蛋白质-蛋白质相互作用，形成二聚体或多聚体，然后再通过识别特定的顺式作用元件，而与DNA分子结合。这种结合通常是非共价键结合。  

二、操纵子的结构与功能：  

在原核生物中，若干结构基因可串联在一起，其表达受到同一调控系统的调控，这种基因的组织形式称为操纵子。典型的操纵子可分为控制区和信息区两部分。信息区由一个或数个结构基因串联在一起组成；控制区通常由调节基因（阻抑蛋白编码基因）、启动基因（CRP和RNA聚合酶结合区）和操纵基因（阻抑蛋白结合位点）构成。  

1．原核生物乳糖操纵子：  

原核生物乳糖操纵子(Lac operon)的控制区包括调节基因，启动基因（其CRP结合位点位于RNA聚合酶结合位点上游）和操纵基因；其信息区由β-半乳糖苷酶基因（lacZ），通透酶基因（lacY）和乙酰化酶基因（lacA）串联在一起构成。当培养基中乳糖浓度升高而葡萄糖浓度降低时，乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合，促使阻抑蛋白与操纵基因分离；另一方面，细胞中cAMP浓度升高，cAMP与CRP结合并使之激活，CRP与启动基因结合并促使RNA聚合酶与启动基因结合，基因转录激活。  

2．原核生物色氨酸操纵子：  

色氨酸操纵子（trp operon）属于阻遏型操纵子，主要调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。色氨酸操纵子通常处于开放状态，其辅阻遏蛋白不能与操纵基因结合而阻遏转录。而当色氨酸合成过多时，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合而形成阻遏蛋白，后者与操纵基因结合而使基因转录关闭。色氨酸操纵子的调控还涉及转录衰减(attenuation)机制。即在色氨酸操纵子第一个结构基因与启动基因之间存在有一衰减区域，当细胞内色氨酸酸浓度很高时，通过与转录相偶联的翻译过程，形成一个衰减子结构，使RNA聚合酶从DNA上脱落，导致转录终止。  

3．原核生物转录的整体调控模式：  

由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整体调控的目的。典型的整体调控模式是SOS反应，这是由一组与DNA损伤修复有关的酶和蛋白质基因组成。在正常情况下，这些基因均被LexA阻遏蛋白封闭。当有紫外线照射时，细菌体内的RecA蛋白水解酶被激活，催化LexA阻遏蛋白裂解失活，从而导致与DNA损伤修复有关的基因表达。  

三、真核基因组结构特点：  

1．转录产物为单顺反子：真核基因的转录产物一般是单顺反子（mono-cistron），即一个编码基因转录生成一个mRNA分子，并指导翻译一条多肽链。  

2．大量重复序列：真核基因组中含大量的重复序列，这些重复序列大部分是没有特定生物学功能的DNA片段，可占整个基因组DNA的90%。根据重复频率可将其分为高度重复序列、中度重复序列和单拷贝序列。  

3．断裂基因：真核生物中的基因具有不连续性，即一个基因的编码序列往往被一些非编码序列分隔开。基因中能够转录并进一步编码多肽链合成的部分称为外显子（exon），而在转录后会被剪除的部分则称为内含子（intron）。  

三、真核基因表达调控的特点：  

1．RNA聚合酶活性受转录因子调控：真核生物中存在RNA polⅠ、Ⅱ、Ⅲ三种不同的RNA聚合酶，分别负责转录不同的RNA。这些RNA聚合酶与相应的转录因子形成复合体，从而激活或抑制该酶的催化活性。  

2．染色质结构改变参与基因表达的调控：真核生物DNA与组蛋白结合并形成核小体的结构，再进一步形成染色质。当真核基因被激活时，染色质的结构也随之发生改变。主要的改变有：  

⑴单链DNA形成：基因被激活后，双链DNA解开成单链以利于转录，从而形成一些对DNAaseⅠ的超敏位点。  

⑵DNA拓朴结构改变：天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在，当基因激活后，则转录区前方的DNA拓朴结构变为正性超螺旋。正性超螺旋可阻碍核小体形成，并促进组蛋白解聚。  

⑶核小体不稳定性增加：由于组蛋白修饰状态改变，巯基暴露等原因而引起核小体结构改变。  

4．正性调节占主导：真核基因一般都处于阻遏状态，RNA聚合酶对启动子的亲和力很低。通过利用各种转录因子正性激活RNA聚合酶是真核基因调控的主要机制。  

5．转录和翻译过程分别进行：转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位，可分别进行调控。  

6．转录后加工修饰过程复杂：特别是mRNA，转录后仅形成其初级转录产物――HnRNA，然后再经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的mRNA。  

四、真核基因转录调控元件及激活机制：  

1．顺式作用元件（分子内作用元件）：  

⑴启动子：存在于结构基因上游，与基因转录启动有关的一段特殊DNA顺序称为启动子。与原核生物类似，也含有一段富含TATA的顺序，称为TATA盒。除此之外，还可见CAAT盒和GC盒。  

⑵增强子：位于结构基因附近，能够增强该基因转录活性的一段DNA顺序称为增强子。增强子的特点是：①在转录起始点5’或3’侧均能起作用；②相对于启动子的任一指向均能起作用；③发挥作用与受控基因的远近距离相对无关；④对异源性启动子也能发挥作用；⑤通常具有一些短的重复顺序。  

⑶沉默子：能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于负性调控元件。  

2．反式作用因子（分子间作用因子）：真核生物反式作用因子通常属于转录因子（transcription factor，TF）。  

(1)转录因子的种类：①非特异性转录因子（基本转录因子）：非选择性调控基因转录表达的蛋白质因子称为非特异性转录因子。真核生物中存在的三种RNA聚合酶分别有相应的转录因子，即TFⅠ，TFⅡ，TFⅢ。其中，TFⅡ一共有六种亚类。TFⅡD是唯一能识别启动子TATA盒并与之结合的转录因子，而TFⅡB则可促进聚合酶Ⅱ与启动子的结合。②特异性转录因子：能够选择性调控某种或某些基因转录表达的蛋白质因子称为特异性转录因子。目前较清楚的是调控免疫球蛋白基因表达的核内蛋白质因子（NF）。  

(2)转录因子的结构：反式作用因子至少含有三个功能域，即DNA结合功能域，转录活性功能域和其它转录因子结合功能域。DNA结合功能域带共性的结构主要有：①HTH和HLH结构： 由两段α-螺旋夹一段β-折迭构成，α-螺旋与β-折迭之间通过β-转角或成环连接，即螺旋-转角-螺旋结构和螺旋-环-螺旋结构。②锌指结构：见于TFⅢA和类固醇激素受体中，由一段富含半胱氨酸的多肽链构成。每四个半光氨酸残基或His残基螯合一分子Zn2+，其余约12-13个残基则呈指样突出，刚好能嵌入DNA双螺旋的大沟中而与之相结合。③亮氨酸拉链结构：见于真核生物DNA结合蛋白的C端，与癌基因表达调控有关。由两段α-螺旋平行排列构成，其α-螺旋中存在每隔7个残基规律性排列的Leu残基，Leu侧链交替排列而呈拉链状。两条肽链呈钳状与DNA相结合。  

⑶转录因子的作用特点：①同一DNA顺式作用元件可被不同的转录因子所识别；②同一转录因子也可识别不同的DNA顺式作用元件；③TF与TF之间存在相互作用；④当TF与TF，TF与DNA结合时，可导致构象改变；⑤TF在合成过程中，有较大的可变性和可塑性。  

3．转录激活及其调控：真核RNA聚合酶Ⅱ的激活需要依赖多种转录因子，并与之形成复合体。其过程首先是由TFⅡD识别启动子序列并与之结合；继而RNA聚合酶Ⅱ与TFⅡD、B等聚合形成一个功能性的前起始复合体――PIC；最后，结合了增强子的转录因子与前起始复合体结合，从而形成稳定的转录起始复合体。
第十五章 基因重组和基因工程  
一、自然界的基因转移和重组：  

基因重组(gene recombination)是指DNA片段在细胞内、细胞间，甚至在不同物种之间进行交换，交换后的片段仍然具有复制和表达的功能。  

1．接合作用：当细胞与细胞相互接触时，DNA分子即从一个细胞向另一个细胞转移，这种遗传物质的转移方式称为接合作用（conjugation）。  

2．转化和转染：由外来DNA引起生物体遗传性状改变的过程称为转化(transformation)。噬菌体常常可感染细菌并将其DNA注入细菌体内，也可引起细菌遗传性状的改变。通过感染方式将外来DNA引入宿主细胞，并导致宿主细胞遗传性状改变的过程称为转染(transfection)。转染是转化的一种特殊形式。  


3．整合和转导:外来DNA侵入宿主细胞，并与宿主细胞DNA进行重组，成为宿主细胞DNA的一部分，这一过程称为整合。整合在宿主细胞染色体DNA中的外来DNA，可以被切离出来，同时也可带走一部分的宿主DNA，这一过程称为转导(transduction)。来源于宿主DNA的基因称为转导基因。  

4．转座：转座又称为转位（transposition），是指DNA的片段或基因从基因组的一个位置转移到另一个位置的现象。这些能够在基因组中自由游动的DNA片段包括插入序列和转座子两种类型。  

⑴插入序列：典型的插入序列（insertion sequence，IS）是长750-1500bp的DNA片段，由两个分离的反向重复序列和一个转座酶基因。当转座酶基因表达时，即可引起该序列的转座。其转座方式主要有保守性转座和复制性转座。  

⑵转座子：转座子(transposons)是可从一个染色体位点转移到另一个位点的分散的重复序列，含两个反向重复序列、一个转座酶基因和其他基因（如抗生素抗性基因）。  

免疫球蛋白重链基因由一组可变区基因（VH）和一组恒定区基因（CH）构成，通过这些基因的选择性转座和重组，就可以转录表达出各种各样的免疫球蛋白重链，以对付不同的抗原。  

5．基因重组的方式：  

⑴位点特异性重组：在整合酶的催化下，两段DNA序列的特异的位点处发生整合并共价连接，称为位点特异性重组。  

⑵同源重组：发生在同源DNA序列之间的重组称为同源重组(homologous recombination)。这种重组方式要求两段DNA序列类似，并在特定的重组蛋白或酶的作用下完成。  

二、重组DNA技术：  

重组DNA技术又称为基因工程（genetic engineering）或分子克隆(molecular cloning)，是指采用人工方法将不同来源的DNA进行重组，并将重组后的DNA引入宿主细胞中进行增殖或表达的过程。  

1．载体和目的基因的分离（分）：对载体DNA和目的基因分别进行分离纯化，得到其纯品。  

⑴载体：常用的载体(vector)主要包括质粒(plasmid)、噬菌体(phage)和病毒(virus)三大类。这些载体均需经人工构建，除去致病基因，并赋予一些新的功能，如有利于进行筛选的标志基因、单一的限制酶切点等。①质粒：是存在于天然细菌体内的一种独立于细菌染色体之外的双链环状DNA，具有独立复制的能力，通常带有细菌的抗药基因。②噬菌体：可通过转染方式将其DNA送入细菌体内进行增殖。常用的为人工构建的λ噬菌体载体，当目的基因与噬菌体DNA进行重组时，可采用插入重组方式，也可采用置换重组方式。③病毒：常用的为SV40，通过感染方式将其DNA送入哺乳动物细胞中进行增殖。  

⑵目的基因：①直接从染色体DNA中分离：仅适用于原核生物基因的分离。②人工合成：根据已知多肽链的氨基酸顺序，利用遗传密码表推定其核苷酸顺序再进行人工合成。适应于编码小分子多肽的基因。③从mRNA合成cDNA：采用一定的方法钓取特定基因的mRNA，再通过逆转录酶催化合成其互补DNA（cDNA），除去RNA链后，再用DNA聚合酶合成其互补DNA链，从而得到双链DNA。④从基因文库中筛选：将某一种基因DNA用适当的限制酶切断后，与载体DNA重组，再全部转化宿主细胞，得到含全部基因组DNA的种群，称为G文库(genomic DNA library)。将某种细胞的全部mRNA通过逆转合成cDNA，然后转化宿主细胞，得到含全部表达基因的种群，称为C-文库(cDNA library)。C-文库具有组织细胞特异性。⑤利用PCR合成：如已知目的基因两端的序列，则可采用聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）技术，在体外合成目的基因。  

2．载体和目的基因的切断（切）：通常采用限制性核酸内切酶(restriction endonuclease)，简称限制酶，分别对载体DNA和目的基因进行切断，以便于重组。能够识别特定的碱基顺序并在特定的位点降解核酸的核酸内切酶称为限制酶。限制酶所识别的顺序往往为4-8个碱基对，且有回文结构。由限制酶切断后的末端可形成平端、3’-突出粘性末端和5’-突出粘性末端三种情况。形成粘性末端(cohesive end)者较有利于载体DNA和目的基因的重组。  

3．载体和目的基因的重组（接）：即将带有切口的载体与所获得的目的基因连接起来，得到重新组合后的DNA分子。  

⑴粘性末端连接法：载体与目的基因通过粘性末端进行互补粘合，再加入DNA连接酶，即可封闭其缺口，得到重组体。  

⑵人工接尾法：即同聚物加尾连接法。在末端核苷酸转移酶的催化下，将脱氧核糖核苷酸添加于载体或目的基因的3’-端，如载体上添加一段polyG，则可在目的基因上添加一段polyC，通过碱基互补进行粘合后，再由DNA连接酶连接。  

⑶人工接头连接法：将人工连接器（即一段含有多种限制酶切点的DNA片段）连接到载体和目的基因上，即有可能使用同一种限制酶对载体和目的基因进行切断，得到可以互补的粘性末端。  

4．重组DNA的转化和扩增（转）：将重组DNA导入宿主细胞进行增殖或表达。重组质粒可通过转化方式导入宿主细胞，λ噬菌体作为载体的重组体，则需通过转染方式将重组噬菌体DNA导入大肠杆菌等宿主细胞。重组DNA导入宿主细胞后，即可在适当的培养条件下进行培养以扩增宿主细胞。  

5．重组DNA的筛选和鉴定（筛）：对含有重组体的宿主细胞进行筛选并作鉴定。  

⑴根据重组体的表型进行筛选：对于带有抗药基因的质粒重组体，可采用插入灭活法进行筛选。  

⑵根据标志互补进行筛选：当宿主细胞存在某种基因及其表达产物的缺陷时，可采用此方法筛选重组体。即在载体DNA分子中插入相应的缺陷基因，如宿主细胞重新获得缺陷基因的表达产物，则说明该细胞中带有重组体。  

⑶根据DNA限制酶谱进行分析：经过粗筛后的含重组体的细菌，还需进行限制酶谱分析进一步鉴定。  

⑷用核酸杂交法进行分析鉴定：采用与目的基因部分互补的DNA片段作为探针，与含有重组体的细菌菌落进行杂交，以确定重组体中带目的基因。  

获得带目的基因的细菌后，可将其不断进行增殖，从而得到大量的目的基因片段用于分析研究。如在目的基因的上游带有启动子顺序，则目的基因还可转录表达合成蛋白质。 
第十六章 细胞信息传递  
一、细胞间信息物质：  

凡是由细胞分泌的、能够调节特定的靶细胞生理活动的化学物质都称为细胞间信息物质，或第一信使。  

1．激素：激素(hormone)是由特殊分化细胞合成并分泌的一类生理活性物质，这些物质通过体液进行转运，作用于特定的靶细胞，调节细胞的物质代谢或生理活动。  

⑴激素的分类：激素可按照其化学本质的不同分为四类。①类固醇衍生物：如肾上腺皮质激素、性激素等；②氨基酸衍生物：如甲状腺激素，儿茶酚胺类激素；③多肽及蛋白质：如胰岛素、下丘脑激素、垂体激素等；④脂肪酸衍生物：如前列腺素。  


⑵激素的作用方式：①自分泌：激素分泌释放后仍作用于自身细胞，其传递介质为胞液；②旁分泌：激素分泌释放后作用于邻近的靶细胞，其传递介质为细胞间液。③内分泌：激素分泌后作用较远的靶细胞，其传递介质为血液。  

2．细胞因子：细胞因子是指由细胞分泌的一类信息分子，可作用于特定的靶细胞，调节细胞的生长，分化等生理功能。细胞因子也可通过自分泌、旁分泌和内分泌三种方式作用于特定的靶细胞。  

常见的细胞因子有：表皮生长因子（EGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、神经生长因子（NGF）、胰岛素样生长因子（IGF）等。  

3．神经递质：由神经元突触前膜释放的信息物质，可作用于突触后膜上的受体，传递神经冲动信号。  

二、细胞内信息物质：  

存在于细胞内，能够传递特定调控信号的化学物质称为细胞内信息物质。  

1．第二信使：在细胞内传递信息的小分子化学物质称为第二信使。① 环核苷酸类：如cAMP和cGMP；② 脂类衍生物：如甘油二脂（DAG），1,4,5-三磷酸肌醇（IP3），花生四烯酸等。③ 无机物：如Ca2+、NO等。  

2．信号蛋白：细胞膜上或细胞内能够传递特定信号的蛋白质分子，常与其他蛋白质或酶构成复合体以传递信息。如G蛋白、连接蛋白（SOS，GRB2）、鸟苷酸交换蛋白（GEF）、GTPase激活蛋白（GAP）等。  

3．信号酶：细胞内能够传递特定调控信号的酶蛋白分子。如胰岛素受体底物-1/2（IRS1/2）、 MAPKKK（Raf-1）、MAPKK（MEK-1/2）、MAPK（ERK1/2）、PKA、PKB、PKC、PKG、PAK、PDK、CaMPK等。  

三、受体的分类、结构与功能：  

受体（receptor)是指存在于靶细胞膜上或细胞内的一类特殊蛋白质分子，它们能识别特异性的配体并与之结合，产生各种生理效应。  

1．根据受体的亚细胞定位分类：  

⑴细胞膜受体：这类受体是细胞膜上的结构成分，一般是糖蛋白、脂蛋白或糖脂蛋白。多肽及蛋白质类激素、儿茶酚胺类激素、前列腺素以及细胞因子通过这类受体进行跨膜信号传递。  

⑵细胞内受体：这类受体位于细胞液或细胞核内，通常为单纯蛋白质。此型受体主要包括类固醇激素受体，维生素D3受体（VDR）以及甲状腺激素受体（TR）。  

2．根据受体的分子结构分类：  

⑴配体门控离子通道型受体：此型受体本身就是位于细胞膜上的离子通道。其共同结构特点是由均一性的或非均一性的亚基构成一寡聚体，而每个亚基则含有4~6个跨膜区。此型受体包括烟碱样乙酰胆碱受体（N-AchR）、A型γ-氨基丁酸受体（GABAAR）、谷氨酸受体等。  

⑵G蛋白偶联型受体：此型受体通常由单一的多肽链或均一的亚基组成，其肽链可分为细胞外区、跨膜区、细胞内区三个区。在第五及第六跨膜α螺旋结构之间的细胞内环部分（第三内环区），是与G蛋白偶联的区域。大多数常见的神经递质受体和激素受体是属于G蛋白偶联型受体。  

G蛋白是由α、β、γ亚基组成的三聚体，存在于细胞膜上，其α亚基具有GTPase活性。当配体与受体结合后，受体的构象发生变化，与α亚基的C-端相互作用， G蛋白被激活，此时，α亚基与β、γ亚基分离，可分别与效应蛋白（酶）发生作用。此后，α亚基的GTPase将GTP水解为GDP，α亚基重新与β、γ亚基结合而失活。  

⑶单跨膜α螺旋型受体：此型受体只有一段α螺旋跨膜，受体本身具有酪氨酸蛋白激酶活性；或当受体与配体结合后，再与具有酪氨酸蛋白激酶活性的酶分子相结合，进一步催化效应酶或蛋白质的酪氨酸残基磷酸化，也可以发生自身蛋白酪氨酸残基的磷酸化，由此产生生理效应。  

此型受体主要有表皮生长因子受体（EGFR），胰岛素受体（IR），血小板衍生生长因子受体（PDGFR）等。此型受体的主要功能与细胞生长及有丝分裂的调控有关。  

⑷转录调控型受体：此型受体分布于细胞浆或细胞核内，其配体通常具有亲脂性。结合配体的受体被活化后，进入细胞核作用于染色体，调控基因的开放或关闭。受体的分子结构有共同特征性结构域，即分为高度可变区-DNA结合区及绞链区-激素结合区。①高度可变区：不同激素的受体此区的一级结构变化较大，其功能主要是与调节基因转录表达有关。②DNA结合区及绞链区：此区的功能是与受体被活化后向细胞核内转移（核转位）并与特异的DNA顺序结合有关。③激素结合区：一般情况下，此区与一种称为热休克蛋白90（hsp90）的蛋白质结合在一起而使受体处于失活状态。  

四、受体与配体的结合特点：  

1．高度的亲和力：配体与其受体的结合具有高度亲和力，多数配体与受体的解离常数为10-11～10-9mol/L。  

2．高度的特异性：指一种激素或细胞因子只能选择性与相应的受体结合的性质。  

3．可逆性：配体与受体通常通过非共价键而结合。  

4．可饱和性：由于存在于细胞膜上或细胞内的受体数目是一定的，因此配体与受体的结合也是可以饱和的。  

5．结合量与效应成正比：配体的浓度越大，配体与受体的亲和力越大，受体的数目越多，则配体与受体的结合量越大，产生的生理效应也越大。  

五、细胞信息传递途径：  

1．cAMP-蛋白激酶A途径：  

通过这一途径传递信号的第一信使主要有儿茶酚胺类激素、胰高血糖素、腺垂体的激素、下丘脑激素等。其受体属于G蛋白偶联型膜受体，G蛋白有激活型的Gs和抑制型的Gi两种。腺苷酸环化酶（AC）存在于细胞膜上，可接受G蛋白的信号而被激活，催化ATP转化为cAMP，导致细胞内cAMP浓度升高，从而激活蛋白激酶A（PKA）。PKA是一种四聚体，两个亚基为催化亚基，两个亚基为调节亚基。当调节亚基与cAMP结合后发生变构（每一调节亚基可结合两分子cAMP），与催化亚基解聚，从而使催化亚基激活。PKA可促使多种酶或蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化，改变酶的催化活性或蛋白质的生理功能。  

2．IP3，Ca2+-CaM激酶途径：  

通过此途径传递信号的第一信使主要有：①激素：儿茶酚胺、血管紧张素Ⅱ等。②生长因子：PDGF、EGF等。③神经递质：乙酰胆碱、5-羟色胺等。其受体可为G蛋白偶联型，也可为酪氨酸蛋白激酶型。G蛋白为Gp型。通过Gp蛋白介导，存在于细胞膜上的PLCβ可被激活；而PLCγ则是在受体的酪氨酸蛋白激酶催化下，其酪氨酸残基被磷酸化修饰而激活。PLC激活后，可催化膜上的磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸（PIP2）水解成为二脂酰甘油（DAG）及1,4,,5-三磷酸肌醇（IP3）。当IP3与存在于内质网膜上的IP3受体结合后，钙通道开放，贮存于内质网中的Ca2+释放进入胞液，引起胞液中Ca2+浓度升高。胞液中的钙调蛋白（CaM）与Ca2+结合发生变构，从而激活依赖Ca2+/CaM的蛋白激酶（CaM激酶），催化数十种酶或蛋白质的磷酸化修饰，产生相应的调节作用。  

3．DAG-蛋白激酶C途径：  

此途径的第一信使与IP3，Ca2+-CaM激酶途径相似，也通过Gp型和另一种G蛋白介导信息，激活磷脂酶C（PLC）和磷脂酶D（PLD）。PLD是存在于细胞膜上的另一种磷脂酶，在Ca2+的存在下，可将磷脂酰胆碱水解成为磷脂酸（PA），PA可进一步在磷脂酸磷酸水解酶（PAP）的催化下水解生成DAG，是DAG的另一生成途径。胞液中DAG浓度升高，可致蛋白激酶C激活。该酶可催化底物蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的磷酸化。经典的蛋白激酶C需在Ca2+，DAG和磷脂酰丝氨酸的存在下才能被激活。  

4．Ras-MAPK途径：  

已知胰岛素和大部分的生长因子经此途径传递信号。主要过程为：EGF + EGFR → SHC磷酸化 → 形成SHC-SOS-GRB2-Ras复合体 → Ras激活 → Raf-1激酶↑ → MEK1/2 ↑ → ERK1/2 ↑ → 细胞生长与调亡。  

5．胞内受体介导途径：  

通过细胞内受体传递信号的第一信使有：①类固醇激素；②1,25-(OH)2D3；③甲状腺激素。当激素与受体结合后，引起hsp90与受体解离，受体被活化；活化受体核转移并与HRE结合；特异基因去阻遏且RNA聚合酶活性增高，特异基因表达及特异蛋白质合成，产生特定的生理效应。
第二十一章 癌基因和抑癌基因  
一、癌基因的概念及分类：  

癌基因（oncogene)是指存在于正常细胞内，与细胞生长发育调控有关的一组结构基因。癌基因可按其来源不同而分为病毒癌基因（v-onc）和细胞癌基因（c-onc）。  

1．病毒癌基因：  

具有致癌性的肿瘤病毒有两种类型：一种是DNA肿瘤病毒，另一种是RNA病毒即逆转录病毒。DNA肿瘤病毒的基因组的早期功能基因编码转化蛋白，如病毒SV40的 A基因编码大T抗原，分布于胞核，可与p53结合而使之失活。RNA病毒基因组中可含有致癌基因，并表达相应的转化蛋白，感染动物后即可诱发肿瘤。  


2．细胞癌基因：  

细胞癌基因(c-onc)又称为原癌基因(protooncogene)，大多数的原癌基因属于调控细胞生长分化的正常基因，原癌基因的蛋白产物是通过影响细胞生长分化中的控制系统而起作用的。原癌基因激活后可引起细胞生长分化失控，从而导致细胞癌变。目前发现的细胞癌基因已超过100种，根据这些基因表达蛋白产物的功能可将细胞癌基因分为四大类：  

⑴生长因子类：如c-sis癌基因，其编码产物为PDGF的β链。  

⑵G蛋白类：如ras家族，其编码产物为存在于细胞膜上的G蛋白，能传递生长信号。  

⑶受体及信号蛋白类：如src家族，其编码产物为细胞内的生长信号传递蛋白，通常含酪氨酸蛋白激酶活性。  

⑷转录因子类：如myc家族和myb家族，其编码产物为存在于细胞核内的转录因子。  

二、癌基因的激活机制：  

1．插入激活：指来源于病毒等的启动子或增强子插入到细胞癌基因的附近或内部而使其开放转录。  

2．基因重排：基因从正常位置转移到另一位置，常常是插入一启动子后而使其转录活性增加。  

3．基因扩增：基因数量的增加。  

4．突变点：ras癌基因的点突变，导致其GTPase活性下降，从而使其保持激活状态。  

三、抑癌基因及其作用机制：  

抑癌基因又称为抗癌基因(anti-oncogene)，是指存在于正常细胞中，其编码产物能抑制细胞生长增殖的一组结构基因。常见的抑癌基因有Rb基因，p53基因，p16基因等。其中，Rb基因编码p105Rb转录因子，p53基因编码p53转录因子，p16基因编码一种p16蛋白。  

1．Rb基因的作用机制：  

Rb基因的失活主要与视网膜母细胞瘤的发生相关。低磷酸化型的p105Rb可与促进细胞分裂的转录因子E2F结合形成复合物，从而阻止E2F对某些与细胞增殖相关的基因启动转录。高磷酸化型的p105Rb则可促使其与E2F转录因子分离，从而使其呈现活性，细胞即由G1期进入S期。  

2．p53基因的作用机制：  

p53蛋白一般都位于核内，可与特异的DNA片段结合。其酸性区域具有许多转录调节因子的共同特征，并与寡聚体的形成有关。p53蛋白能以四聚体的形式与DNA结合，调节其它基因的表达。p53蛋白的生物学功能有：① 转录调节及抑制细胞生长的作用：p53蛋白促进WAF1/CIP1基因表达产生一种分子量为21kD的蛋白质（p21WAF1/CIP1），诱导细胞生长停滞于G1期。② 参与程序性细胞凋亡：p53 蛋白启动不能修复的损伤细胞进入程序性凋亡。③ 抑制DNA复制：p53蛋白与复制蛋白A(repA)结合后可抑制其与单链DNA的结合，阻止细胞进入S期。  


第二十三章 分子生物学常用技术  
一、分子杂交与印渍技术的原理：  

1．分子杂交：  

不同来源的单链核酸（DNA或RNA），只要它们具有大致相同的碱基序列，经过退火处理，就能重新形成杂种双螺旋，这一现象称为分子杂交（molecular hybridization）。利用这一原理，就可以使用已知序列的单链核酸片段作为探针，去查找各种不同来源的基因组DNA分子中的同源基因或同源序列。  

2．印渍技术：  

印渍技术的原理首先由Edwen Southern在1975年提出。其基本操作过程是：将DNA片段在琼脂糖凝胶中电泳分离后，置NaOH液中浸泡，从而将凝胶中的DNA变性为单链；然后将一张硝酸纤维素膜铺在凝胶上，上面放上大量吸水纸巾，利用吸水纸巾的毛细作用，将单链DNA从凝胶中转移到硝酸纤维素膜上，再将膜置80℃烘干并使单链DNA分子固定在膜上，再用于分子杂交分析。因此，用于DNA印渍的技术又称为Southern Blotting或Southern 杂交。  

3．探针技术：  

将已知序列的核酸片段用放射性同位素、生物素或荧光染料进行标记，然后用于分子杂交，杂交后通过放射自显影、荧光检测或显色技术，使杂交区带显现出来。  

二、印渍技术的类别及应用：  

1．DNA印渍技术：又称为Southern杂交，即DNA-DNA杂交分析。  

2．RNA印渍技术：又称为Northern杂交，即RNA-DNA杂交分析。  

3．蛋白质印渍技术：又称为Western杂交，或免疫印渍技术，即利用抗原-抗体反应，检测转移到硝酸纤维素膜上的特异性蛋白质。  

三、PCR技术：  

1．PCR的概念：PCR(polymerase chain reaction)即聚合酶链反应技术，是指利用耐热DNA聚合酶的反复作用，通过变性-延伸-复性的循环操作，在体外迅速将DNA模板扩增数百万倍的一种操作技术。  

2．PCR反应系统的组成：  

⑴耐热DNA聚合酶（Taq酶）：这是由耐热水生细菌体内提取的一种DNA聚合酶。  

⑵模板DNA：即待分析的目的DNA，其长度不宜大于10kb。  

⑶两种引物：为了保证DNA聚合酶能够对两条互补链均能进行延伸，需要两种引物，分别位于两条互补模板DNA链的3`-端。  

⑷四种脱氧核糖核苷酸：用作底物的dNTPS。  

⑸缓冲溶液：保证DNA聚合酶催化时所需的适当的溶液pH值。  

3．PCR的反应原理：一般采用变性-复性-延伸三步循环，也可采用变性-延伸两步循环。  

⑴变性：将模板DNA或延伸后的双链DNA加热到950C，使双螺旋DNA解开成为单链。  

⑵复性：通过降低反应温度至550C，使两种引物能与两条解开的DNA互补链的3`端粘合。  

⑶延伸：将反应温度提高到约700C，在耐热DNA聚合酶的催化下，合成两条互补链，从而使模板DNA扩增一倍。按照上述步骤重复操作约30次，即可将模板DNA扩增数百万倍。  

4．PCR的主要用途：  

⑴目的基因的克隆：是迅速获得一定量的目的基因的有效方法之一。① 利用特异性引物以cDNA或基因组DNA为模板，获得已知的目的基因；② 利用简并引物从cDNA文库或基因组文库中获得具有同源性的DNA片段；③ 利用随机引物从cDNA文库或基因组文库中随机获得目的基因。  

⑵基因的体外突变：采用随意设计的引物，在体外对基因进行嵌合、缺失、点突变等改造。  

⑶DNA的微量分析：由于PCR技术具有高度敏感性，故可用于微量DNA的分析检测。  

四、DNA碱基序列测定：  

DNA碱基序列测定即DNA一级结构的测定，目前常用的方法为Maxam-Gilbert建立的化学裂解法和Sanger建立的双脱氧末端终止法。双脱氧末端终止法的主要操作步骤有：  

1．获得待测DNA片段的单链模板：一般采用基因工程的方法以获取一定数量的单链待测DNA模板。可将待测DNA片段与噬菌体M13DNA进行重组，然后将其导入大肠杆菌进行增殖，M13噬菌体一般以单链DNA形式透出细胞再感染新的细菌，故此可获得单链DNA模板。  

2．合成寡核苷酸引物：利用DNA合成仪合成一段与待测DNA片段的3’-端互补的寡核苷酸引物。  

3．模板-引物杂交：将待测单链DNA模板与寡核苷酸引物混合，并进行保温处理，使引物与DNA单链模板的3’-端进行杂交。  

4．互补链的延长和终止：将上述杂交混合液分为四份，每份混合液中均加入DNA聚合酶，四种dNTPS，一种带放射性同位素标记的脱氧核糖核酸（如α-32P-dATP）。此外还需分别加入一种双脱氧核糖核酸（ddATP，ddGTP，ddCTP或ddTTP）。然后在适当温度条件下延伸互补链，就可得到四组分别以A、G、C、T、终止的长短不一的互补链的混合物。  

5．电泳分离：将四组含有长短不等的反应混合物在同一聚丙烯酰胺凝胶板上进行电泳，即可将只相差一个核苷酸的寡核苷酸链分离开。  

6．放射自显影：将电泳凝胶进行放射自显影，即可得到放射自显图谱，通过该图谱即可直接读出核苷酸的排列顺序。