第一章　分子生物学基本知识

答：核酸是生物体内储存、复制和传递遗传信息的最基本物质之一。核酸的基本组成单位是核苷酸，每个核苷酸由一个磷酸和一个核苷组成，而每个核苷则由一个戊糖和一个含氮的碱基以糖苷键相连接而成。根据所含戊糖的不同，核酸主要分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两类，DNA中的戊糖是2-脱氧核糖，RNA中的戊糖是核糖。在脱氧核糖中，2′位碳原子连接的不是羟基而是氢，这一区别使得DNA的化学结构要比RNA稳定的多。含氮的碱基主要有嘧啶和嘌呤两种类型，嘧啶类碱基主要包括胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U），嘌呤类碱基主要包括腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）。其中，T只存在于DNA中，U只存在于RNA中。此外，还有一些比较少见的稀有碱基。核酸是由许多核苷酸聚合而成的一条多核苷酸链，相邻的两个核苷酸之间以3′，5′-磷酸二酯键连接。核苷酸链是有方向性的，含有磷酸基团的一端为5′端，含有羟基的一端为3′端，一般核酸的书写方向是从5′端到3′端。

答：1953年，Watson和Crick揭示了DNA的双链双螺旋结构，并因此获得了诺贝尔奖。在DNA双链双螺旋结构中，两条DNA链上的碱基按照互补配对的原则通过氢键相互连接（即A-T；G-C），两条链则围绕一个共同的轴心以右手螺旋方式，呈反向平行。由疏水作用造成的碱基堆积力和两条反向互补链之间的氢键是保持DNA螺旋结构稳定性的主要作用力。某些理化因素（温度、pH等）会导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，使得DNA双链解离为单链，这种现象称为DNA变性。DNA变性只是改变了DNA的空间结构，不会改变其核苷酸序列。当变性条件缓慢去除后，两条解离的互补链可以重新互补配对，恢复原来的双链双螺旋结构，这一现象称为复性。

答：携带遗传信息的DNA在复制时，亲代的双链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按照碱基配对规律，分别合成与模板链互补的子代DNA链，最终亲代DNA链以半保留的形式存在于子代DNA分子中，此即为DNA的半保留复制。生物体至少可通过3种机制来实现DNA半保留复制的保真性：①严格的碱基配对原则：即G和C以3个氢键配对、A和T以2个氢键配对，错配碱基之间难以形成氢键；②在复制过程中，DNA聚合酶对碱基配对具有选择作用；③参与DNA复制的聚合酶都具有很强的3′→5′核酸外切酶活性，可以在复制过程中辨认并切除错配的碱基，对复制错误进行校正。正是由于DNA具有半保留复制的特征和严格的修复机制，亲代的遗传信息才能够完整准确地传递给子代。

答：染色体是细胞内遗传物质的一种载体，因易被碱性染料染成深色而得名。在有性繁殖的大部分生物体中，体细胞中的染色体成对分布，称为二倍体。而生殖细胞中的染色体数目只有体细胞的一半，称为单倍体。人体细胞中共有23对染色体，根据各条染色体的特点，研究者们对每条染色体进行了编号，其中第1对到第22对为常染色体，第23对为性染色体，男性为XY，女性为XX。真核生物的染色体除了含有DNA外，还有蛋白质和少量RNA。每条染色单体包含1个拷贝的DNA分子。在细胞有丝分裂间期，染色体呈丝状结构，称为染色质纤维；而在细胞有丝分裂期，染色质纤维有规律地折叠、压缩，形成结构缜密的、在光学显微镜下可见的棒状染色体，可观察到其长臂、短臂、着丝粒、端粒等结构特征。

答：真核生物的染色体位于细胞核内，染色体的基本结构单位是核小体（nucleosome）。每个核小体由长约200个碱基对（base pair，bp）的DNA缠绕组蛋白八聚体约两圈而形成，形似一个扁平的圆柱体。染色质纤维由一连串的核小体所组成，在电镜下好似一串“绳珠”结构。随着核小体纤丝不断地折叠压缩，染色质纤维会呈现螺线管和超螺线管状态，DNA分子也会随之形成复杂的超螺旋结构。在细胞有丝分裂的过程中，染色质纤维还可再进一步折叠成致密的棒状染色体。此时其长度只有伸展状态时的万分之一。生物体就是通过这种染色质反复折叠压缩的形式，得以在小小的细胞核内容纳下大量的遗传信息。

答：基因（gene）是带有遗传信息的核酸片段，是控制生物性状的基本遗传单位。一个完整的基因包含编码RNA和（或）蛋白质的核苷酸序列，以及参与基因表达调控的序列。由于核酸排列序列的不同，使得不同的基因含有不同的遗传信息。在真核生物中，基因通常是指在染色体上作线状排列的基因，由于染色体位于细胞核内，所以又称为核基因。而位于线粒体中的基因则为核外基因或细胞质基因。除少数的病毒基因由RNA构成以外，大多数的基因由DNA构成。基因不仅可以使遗传信息得到表达，还可以通过复制将遗传信息传递给下一代。所谓 “种瓜得瓜，种豆得豆”这句俗语正是体现了基因可以稳定地由亲代向子代传递的特征。

答：真核细胞除了细胞核中含有DNA外，核外的线粒体内也存在能够独立进行复制、转录和翻译的DNA，称为线粒体基因。在人体细胞中，线粒体基因是一个长16 569bp的闭环双链DNA分子，可独立编码13种蛋白、22种转运RNA和2种核糖体RNA。与细胞核基因相比，线粒体基因具有以下独特的结构和遗传特征：①线粒体基因没有内含子，基因与基因之间少有间隔，非编码序列的比例很少，每个环状DNA分子上只有一个启动子，基因表达时首先进行整环转录，然后通过剪切产生单个的成熟RNA分子；②线粒体DNA虽能独立复制，但由于大量维持线粒体结构和功能的蛋白是由核基因编码的，因此线粒体DNA的复制会受到核DNA的影响，其复制具有半自主性；③由于线粒体内没有DNA损伤修复系统，线粒体基因发生的突变容易得到保存；④人体所有的细胞里都有线粒体，但只有女性的线粒体基因能随其卵细胞遗传给后代，所以线粒体基因的遗传方式为母系遗传；⑤线粒体基因所用的遗传密码与核基因的通用遗传密码不同，如线粒体DNA中的密码子AGA编码甲硫氨酸，而非异亮氨酸；不同物种之间的线粒体遗传密码也有不同；⑥不同组织、细胞或同一组织不同发育时期和生理状况下，线粒体DNA的拷贝数可以发生动态变化。

答：线粒体是真核细胞的能量代谢中心，存在于真核生物的所有组织细胞中。一般来说，一个细胞中可有上百个线粒体，而每个线粒体中又含有多个DNA拷贝，因此一个细胞往往可有数千个线粒体DNA分子。这是导致真核细胞线粒体DNA异质性的分子基础。当一个细胞中所有的线粒体DNA分子都含有相同的基因序列时称为同质（homoplasmy），即全是野生型序列或全部携带同一种基因突变。当一个细胞中线粒体DNA携带两种或两种以上不同的序列时，称为异质（heteroplasmy）。在异质性细胞中，突变型与野生型线粒体DNA的比例决定了细胞是否会出现能量短缺等功能异常，也就是说只有当突变的线粒体DNA达到一定的比例时，细胞才会出现受损的表型，这就是阈值效应。高能耗的组织细胞（如脑、肌肉、心脏等）显然更容易受线粒体DNA突变的影响。

答：基因组是一个细胞或一种生物体的遗传物质的总和，包含了一种生物所拥有的全部遗传信息。真核生物的基因组容量远远大于原核生物基因组，其结构和功能也更为复杂。虽然真核细胞基因组很庞大，但是编码序列却相对较少。人类基因组是指人体细胞内的全部遗传物质（约含有30亿个碱基对）。其中，只有约3%的序列具有编码基因的功能，其余的均为非编码序列（约占97%），主要与基因组的结构稳定性以及基因的表达调控有关。

答：20世纪80年代中期，美国国会在科学家的建议和推动下，启动了人类基因组计划（human genome project，HGP）。随后，英国、日本、法国、德国和中国等也加入HGP研究，旨在阐明人类基因组的全部序列和基因结构，并希望能以此为突破口，解码人类生命的奥秘。HGP于2003年宣布完成了人类基因的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱，这四张图被誉为人类 “分子水平上的解剖图”。HGP提供了人类基因组的序列信息，并定位了大部分蛋白质编码基因。HGP的实施和完成实现了人类基因组的破译，为认识基因的结构和功能、了解基因的表达调控方式、理解生物的进化奠定了基础。此后，生命科学研究便进入了 “后基因组时代”，开始全面解读庞大的基因组序列信息，确定基因组中各个功能元件及其作用。

答：病毒是一类非细胞型微生物，其主要特点是体积微小，结构简单，无完整的细胞结构。病毒颗粒仅含衣壳蛋白和核心的核酸。病毒本身没有合成蛋白质的场所—核糖体，又缺乏能进行独立代谢的酶系统，只有进入活的易感宿主细胞，由宿主细胞提供合成病毒核酸与蛋白质的原料和场所，病毒才能增殖。病毒基因可以由DNA组成，也可以由RNA组成。组成病毒基因组的DNA或RNA可以是单链，也可以是双链，可以是闭环分子也可以是线性分子。大多数病毒的基因组都是由一条连续的核酸链组成的，但也有一些RNA病毒的基因组由不连续的几条RNA链组成，如流感病毒基因组由8条RNA链组成。病毒基因组中的基因常以相互重叠的形式存在，即一段DNA片段由于读框的不同或读框相同但翻译起始位点不同而能够编码两种或以上的蛋白质分子，这种现象称为基因重叠。它可以是一个基因的序列完全在另一个基因中，也可以是两个基因的序列部分重叠，甚至只有一个碱基的重叠。除了反转录病毒外，病毒基因组均为单倍体，每个基因在病毒颗粒中只有一个拷贝，反转录病毒的基因有两个拷贝。病毒的复制频率很高，而遗传物质在复制过程中非常容易发生突变，因此病毒的变异率很高。与真核生物基因组的冗余现象不同，病毒基因组虽小，但大部分都是编码序列。

答：随着人类基因组计划的不断推进，临床医学对于疾病检验诊断的理念和方法发生了革命性的变化。目前，临床医学检验与诊断已从细胞形态学、代谢和酶学水平、免疫血清学水平发展到了基因分子水平。分子生物学检验技术具有高灵敏度、高特异性、高通量和自动化的特点。近十几年来，伴随着不断涌现的新技术（如高通量测序与分析、生物芯片等）以及液体活检等新理念，无论是疾病发生发展机制的阐明、患病风险的预测与评价，还是疾病早期诊断和个体化医疗的开展，都越来越依赖于分子生物学检验。利用分子生物学技术对肿瘤、遗传性疾病、感染性疾病、优生优育、代谢性疾病等进行检验，可以从基因水平来分析疾病发生的原因、跟踪疾病的发展过程、指导靶向药物的选择，预测疾病发生的风险、评估疾病的转归和预后等。与传统的疾病检验诊断手段相比，分子生物学检验不仅可以预测或早期发现疾病，而且有助于推动临床医学向个体化医学和精准医学的方向发展，从而大大改善公众的健康状况，提高公众的健康水平。