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中科大分子生物学Ⅲ复习题2025年

news 2025/10/26 8:00:21

中科大分子生物学Ⅲ复习题-2025年

一、名词解释（含标准问题及参考答案）

解释 “基因组印记（Genomic Imprinting）” 的概念
参考答案：指基因组中某些基因的表达具有 “亲本来源特异性”—— 即同一基因来自父本和母本时，仅一方表达，另一方因表观修饰（如 DNA 甲基化、组蛋白修饰）而沉默的现象。该现象不改变 DNA 序列，是表观遗传调控的重要形式，常见于哺乳动物（如人类、小鼠）。例如：小鼠的 Igf2 基因（胰岛素样生长因子 2 基因）仅父源等位基因表达，母源等位基因因启动子区甲基化沉默；H19 基因则相反，仅母源等位基因表达。基因组印记对胚胎发育、胎盘功能及生长调控至关重要，印记异常可能导致疾病（如普拉德 - 威利综合征、安格尔曼综合征）。
解释 “剪接体（Spliceosome）” 的概念
参考答案：指真核细胞中负责 “前体 mRNA（pre-mRNA）内含子剪接” 的大型核糖核蛋白复合物（RNP），由 5 种小核 RNA（snRNA：U1、U2、U4、U5、U6）与约 150 种蛋白质组成。剪接体的核心功能是识别 pre-mRNA 的剪接位点（5’ 剪接位点、3’ 剪接位点、分支点 A），通过构象变化催化两步转酯反应：第一步，分支点 A 的 2’-OH 攻击 5’ 剪接位点的磷酸二酯键，形成套索状内含子；第二步，5’ 外显子的 3’-OH 攻击 3’ 剪接位点，使两外显子连接，释放套索内含子（随后降解）。剪接体的组装具有动态性，按 “U1→U2→U4/U6-U5” 的顺序逐步结合 pre-mRNA，剪接完成后解体。
解释 “核酶（Ribozyme）” 的概念
参考答案：指具有催化活性的 RNA 分子，可通过自身的二级 / 三级结构催化特定的生化反应，打破 “酶都是蛋白质” 的传统认知。核酶的催化机制依赖 RNA 的碱基配对与核糖磷酸骨架的化学活性，无需蛋白质参与（部分核酶需金属离子辅助）。常见类型及功能：① 锤头型核酶（如某些植物类病毒 RNA），催化自身或其他 RNA 的切割反应；② 发夹型核酶，参与植物病毒 RNA 的复制；③ 剪切体核酶（如 RNase P 的 RNA 组分），催化 tRNA 前体的 5’ 端成熟；④ Group Ⅰ/Ⅱ 内含子，催化自身剪接（转酯反应）。核酶的发现对生命起源研究（RNA 世界假说）具有重要意义，也被应用于基因治疗（如设计核酶切割病毒 RNA）。
解释 “互补决定区（Complementarity Determining Region，CDR）” 的概念
参考答案：指抗体（Ig）或 T 细胞受体（TCR）的可变区（V 区）中，与抗原表位直接结合的特定氨基酸序列区域，是决定抗原结合特异性的核心部位。抗体的重链（H）和轻链（L）可变区各含 3 个 CDR（分别称为 CDR1、CDR2、CDR3），共 6 个 CDR 通过空间折叠形成抗原结合位点；TCR 的 α 链和 β 链（或 γ 链和 δ 链）可变区也各含 3 个 CDR，共 6 个 CDR 形成与 “MHC - 抗原肽复合物” 结合的位点。CDR 的氨基酸序列具有高度多样性（由 V (D) J 基因重排及体细胞高频突变产生），不同抗体 / TCR 的 CDR 序列差异决定了其识别抗原的特异性；CDR 之间的氨基酸序列称为框架区（FR），序列相对保守，维持可变区的空间结构。
5.解释 “多线染色体（Polytene Chromosome）” 的概念
参考答案：指某些生物的特定细胞（如双翅目昆虫幼虫的唾液腺细胞、马尔皮基氏管细胞）中，染色体 DNA 经过多次复制（通常 10-15 次）但不发生细胞分裂，复制后的染色单体平行排列、紧密结合形成的巨大染色体结构。多线染色体的核心特征：① 体积巨大（长度可达数百微米，是普通染色体的 100-200 倍），便于显微镜观察；② 具有明暗交替的横纹（band）和间带（interband），横纹由染色单体高度浓缩形成，间带相对松散，横纹的数量和位置具有物种 / 染色体特异性，可作为染色体定位的标记；③ 某些横纹区域会形成膨突（puff），称为 “巴氏小体”，是基因活跃转录的部位（染色质松散，RNA 合成旺盛）。多线染色体是研究染色体结构、基因定位及基因表达调控的重要模型。
解释 “组蛋白密码（Histone Code）” 的概念
参考答案：指组蛋白（主要是 H2A、H2B、H3、H4）的 N 端尾部（或其他区域）发生的 “共价修饰组合”（如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、SUMO 化等），这些修饰通过改变染色质的结构（紧密 / 松散）或招募特定的调控蛋白，共同调控基因的转录活性，类似 “密码” 被解读的过程。组蛋白密码的核心特点：① 修饰具有多样性（如 H3K4me3 表示组蛋白 H3 的第 4 位赖氨酸三甲基化，H3K9ac 表示 H3 的第 9 位赖氨酸乙酰化）；② 修饰之间存在协同或拮抗作用（如 H3K4me3 与 H3K9ac 共同促进基因转录，H3K9me3 与 H3K27me3 则抑制转录）；③ 由特定的酶催化修饰（如组蛋白乙酰转移酶 HAT 催化乙酰化，组蛋白去甲基化酶 HDM 催化去甲基化），并由含 “修饰识别结构域” 的蛋白（如溴结构域识别乙酰化，chromodomain 识别甲基化）解读，最终调控染色质状态与基因表达。
解释 “锌指（Zinc Finger）” 的概念
参考答案：指一类广泛存在于真核生物中的 “DNA 结合结构域”（或 RNA 结合结构域），是转录因子中最常见的结构模体之一。锌指的核心结构：由约 20-30 个氨基酸残基组成，通过 1 个或 2 个锌离子（Zn²⁺）与半胱氨酸（Cys）和组氨酸（His）的侧链配位结合（常见配位模式：Cys₂His₂、Cys₄），形成 “手指状” 的空间结构（如 α- 螺旋与 β- 折叠构成的紧凑结构）。锌指的功能：每个锌指可通过 α- 螺旋插入 DNA 的大沟，与特定的碱基序列结合（如 Cys₂His₂型锌指常识别 5’-GCGGGGGCG-3’ 类序列）；多个锌指可串联排列（如转录因子 SP1 含 3 个锌指），提高 DNA 结合的特异性与亲和力。锌指不仅存在于转录因子中，也见于 RNA 聚合酶、核酶等分子，还被人工改造用于基因编辑（如锌指核酸酶 ZFN）。
解释 “肿瘤抗原（Tumor Antigen）” 的概念
参考答案：指肿瘤细胞特有的或在肿瘤细胞中异常表达的抗原分子，可被机体的免疫系统（主要是 T 细胞、B 细胞）识别，引发抗肿瘤免疫应答。根据来源与特异性，肿瘤抗原可分为两类：① 肿瘤特异性抗原（TSA）：仅存在于肿瘤细胞，正常细胞不表达，如肿瘤细胞因基因突变产生的新抗原（neoantigen）、病毒编码的肿瘤抗原（如 HPV 的 E6/E7 蛋白在宫颈癌中表达）；② 肿瘤相关抗原（TAA）：正常细胞也表达，但在肿瘤细胞中表达量显著升高或表达模式改变，如胚胎抗原（甲胎蛋白 AFP 在肝癌中高表达、癌胚抗原 CEA 在结直肠癌中高表达）、分化抗原（前列腺特异性抗原 PSA 在前列腺癌中高表达）。肿瘤抗原是肿瘤免疫诊断（如 AFP 检测诊断肝癌）与免疫治疗（如肿瘤疫苗、CAR-T 细胞疗法）的关键靶点。
解释 “RNA 编辑（RNA Editing）” 的概念
参考答案：指真核生物中，RNA 分子在转录后加工过程中，通过 “碱基插入、缺失或替换” 改变原有核苷酸序列的过程，导致 RNA 的序列与对应的 DNA 模板序列不一致，进而改变编码的氨基酸序列或 RNA 的功能。RNA 编辑不依赖 DNA 突变，是基因表达调控的重要方式。常见类型及例子：① 碱基替换（最常见）：如人类载脂蛋白 B（apoB）mRNA 的编辑 —— 小肠细胞中，apoB mRNA 的第 6666 位胞嘧啶（C）被脱氨酶催化变为尿嘧啶（U），导致密码子从 CAA（谷氨酰胺）变为 UAA（终止密码子），合成短链的 apoB48；肝脏细胞中无编辑，合成全长的 apoB100；② 碱基插入 / 缺失：如锥虫的线粒体 RNA 编辑，通过向导 RNA（gRNA）引导，插入或缺失尿嘧啶（U），使 RNA 序列与蛋白质编码需求匹配。RNA 编辑可增加蛋白质的多样性，也参与 RNA 的成熟与功能调控（如 microRNA 的编辑影响其靶基因识别）。
二、简答（含标准问题及参考答案）
列举 1-2 个表观遗传的方式，并详细阐释其调控基因表达的机制
参考答案：
方式 1：DNA 甲基化（DNA Methylation）
调控机制：DNA 甲基化主要发生在 CpG 二核苷酸的胞嘧啶（C）5’ 位，由 DNA 甲基转移酶（DNMT1 维持甲基化，DNMT3A/3B 从头甲基化）催化，形成 5 - 甲基胞嘧啶（5mC）。其对基因表达的调控主要通过两种方式：① 直接抑制：CpG 岛（基因启动子区常见的富含 CpG 的序列）甲基化后，甲基基团可阻碍转录因子（如 SP1）与启动子结合，直接抑制基因转录；② 间接抑制：甲基化的 CpG 可招募含甲基结合结构域（MBD）的蛋白（如 MeCP2），这些蛋白进一步招募组蛋白去乙酰化酶（HDAC）或组蛋白甲基转移酶（HMT），导致组蛋白去乙酰化（染色质浓缩）或 H3K9 甲基化（异染色质标记），间接抑制基因表达。例如：肿瘤细胞中，抑癌基因（如 p53、BRCA1）的启动子区 CpG 岛高甲基化，导致抑癌基因沉默，促进肿瘤发生。
方式 2：组蛋白乙酰化（Histone Acetylation）
调控机制：组蛋白的 N 端尾部赖氨酸（Lys）残基可被组蛋白乙酰转移酶（HAT）催化乙酰化，也可被组蛋白去乙酰化酶（HDAC）催化去乙酰化。乙酰化带负电，可中和组蛋白的正电荷（组蛋白整体带正电，DNA 带负电），减弱组蛋白与 DNA 的静电相互作用，使染色质从紧密的异染色质状态变为松散的常染色质状态，便于转录因子与 DNA 结合，从而促进基因转录；反之，去乙酰化使组蛋白正电荷恢复，染色质浓缩，抑制基因转录。例如：转录共激活因子 CBP/p300 具有 HAT 活性，可乙酰化组蛋白 H3K9/K14，促进下游靶基因（如 c-fos、p53 调控的基因）表达；而肿瘤细胞中 HDAC 常高表达，导致抑癌基因染色质浓缩、沉默，靶向 HDAC 的抑制剂（如伏立诺他）可通过恢复组蛋白乙酰化，激活抑癌基因，用于治疗淋巴瘤。
2.列举 3-5 点目前细胞疗法面临的主要挑战
参考答案：
细胞疗法（如 CAR-T 细胞疗法、干细胞疗法、树突状细胞疗法）虽在肿瘤、遗传病等治疗中显示潜力，但仍面临以下核心挑战：
安全性风险：① 细胞因子释放综合征（CRS）：如 CAR-T 细胞激活后大量分泌 IL-6、TNF-α 等细胞因子，引发发热、低血压、多器官衰竭（如 CD19 CAR-T 治疗白血病时，约 30% 患者出现中重度 CRS）；② 神经毒性：CAR-T 细胞可能浸润中枢神经系统，导致头痛、意识障碍甚至昏迷；③ 脱靶效应：CAR-T 细胞的抗原识别可能误结合正常细胞表面的抗原（如 HER2 CAR-T 误识别肺上皮细胞的 HER2，导致肺损伤）；④ 插入突变风险：干细胞疗法中，外源基因导入可能导致基因组插入突变，引发肿瘤（如早期干细胞治疗中出现白血病案例）。
制备工艺复杂且成本高昂：① 细胞疗法多为 “个体化治疗”（如 CAR-T 需从患者自身采集 T 细胞，体外改造后回输），制备过程涉及细胞采集、活化、基因编辑、扩增、质检等多个步骤，每个步骤需严格控制（如避免污染、保证细胞活性），工艺复杂；② 耗材（如无血清培养基、基因编辑试剂）与设备成本高，且无法大规模量产，导致治疗费用极高（如美国 CD19 CAR-T 疗法单次费用超 30 万美元），限制临床普及。
治疗效果的个体差异与复发问题：① 个体差异：患者的免疫状态（如 T 细胞数量、功能）、肿瘤类型、肿瘤微环境（如免疫抑制细胞 Treg、PD-L1 表达）不同，导致细胞疗法的效果差异显著（如 CAR-T 治疗淋巴瘤的客观缓解率约 50%-80%，但部分患者无响应）；② 复发风险：部分患者接受治疗后，肿瘤细胞可能通过丢失抗原（如 CD19 CAR-T 治疗后，白血病细胞丢失 CD19）或重塑微环境（如分泌 TGF-β 抑制 CAR-T 活性），导致治疗失效、肿瘤复发。
细胞存活与归巢能力不足：① 存活问题：体外改造的细胞（如 CAR-T、干细胞）回输体内后，可能被机体免疫系统清除（如异体干细胞引发排斥反应），或因肿瘤微环境的抑制作用（如低氧、酸性环境）导致存活时间短（如 CAR-T 在体内通常仅存活数周至数月）；② 归巢问题：干细胞（如间充质干细胞）需迁移至损伤部位（如心肌梗死区、神经损伤区）才能发挥修复作用，但实际归巢效率低（仅约 1%-5% 的干细胞到达靶部位），影响治疗效果。
伦理与监管问题：① 伦理争议：如胚胎干细胞疗法涉及胚胎来源与破坏的伦理问题；基因编辑细胞疗法（如 CRISPR 编辑 T 细胞）可能导致可遗传的基因组改变，引发伦理担忧；② 监管滞后：细胞疗法的技术更新快（如新型 CAR-T、类器官疗法），但各国监管体系（如审批标准、长期安全性监测）尚未完善，导致部分疗法缺乏规范，存在潜在风险。
简述核小体（Nucleosome）的结构模型
参考答案：
核小体是真核生物染色质的基本结构单位，由 “核心颗粒（Core Particle）” 和 “连接 DNA（Linker DNA）” 组成，结构模型如下：
核心颗粒：是核小体的核心部分，由 “8 个组蛋白分子构成的组蛋白八聚体” 与 “缠绕在八聚体上的 DNA” 组成。① 组蛋白八聚体：由 2 个拷贝的组蛋白 H2A、H2B、H3、H4 组成，形成对称的球状结构（H2A-H2B 二聚体与 H3-H4 二聚体先形成，再组装为八聚体）；② 缠绕 DNA：约 146bp 的双链 DNA 以左手螺旋方式缠绕组蛋白八聚体 1.75 圈，DNA 与组蛋白之间通过静电相互作用（组蛋白正电与 DNA 负电）及氢键结合，每个核小体的 DNA 缠绕长度高度保守。
连接 DNA：指两个相邻核心颗粒之间的 DNA 片段，长度可变（约 10-80bp，常见约 50bp），其功能是连接核心颗粒，形成染色质的串珠结构；连接 DNA 上常结合 1 个拷贝的组蛋白 H1（ linker histone），H1 的 C 端结构域可与核心颗粒的 DNA 及连接 DNA 结合，稳定核小体结构，并促进核小体进一步折叠为 30nm 染色质纤维。
整体结构：核小体的直径约 11nm，核心颗粒的高度约 5.7nm；多个核小体通过连接 DNA 串联，形成 “串珠状” 的初级染色质结构（直径约 10nm），再经过进一步折叠（如螺旋化形成 30nm 纤维、附着在染色体支架上形成环域），最终形成高度浓缩的染色体（分裂期）。核小体的结构不仅是 DNA 包装的方式（将人类约 2m 长的 DNA 压缩至数微米的染色体），也通过染色质的松散 / 浓缩状态调控基因转录（松散状态利于转录，浓缩状态抑制转录）。
列举 3-5 个核小体被激活（即染色质松散，利于基因转录）的方式
参考答案：
核小体的激活本质是通过修饰或蛋白结合改变
核小体激活的核心是通过改变组蛋白修饰、染色质结构或结合调控因子，减弱组蛋白与 DNA 的相互作用，使染色质从浓缩的异染色质转变为松散的常染色质，为转录因子与 DNA 结合提供空间。
以下是具体方式：
1. 组蛋白乙酰化（Histone Acetylation）
机制：组蛋白乙酰转移酶（HAT，如 CBP/p300、GCN5）催化组蛋白 N 端尾部的赖氨酸残基（如 H3K9、H3K14、H4K8）发生乙酰化。乙酰基（-COCH₃）带负电，可中和组蛋白的正电荷（组蛋白整体因精氨酸、赖氨酸残基带正电），减弱组蛋白与带负电的 DNA 之间的静电相互作用，导致核小体结构松散，染色质打开。
实例：在酵母转录激活过程中，GCN5 作为 HAT，乙酰化启动子区核小体的 H3K9 和 H3K14，使染色质松散，允许 RNA 聚合酶 Ⅱ 与转录因子结合，启动基因转录；人类细胞中，p53 蛋白可招募 CBP/p300，通过乙酰化靶基因（如 p21）启动子区的组蛋白，激活 p21 表达，抑制细胞周期。
2. 组蛋白甲基化（特定位点的甲基化）
机制：并非所有组蛋白甲基化都促进激活，仅特定位点的甲基化（如 H3K4me1、H3K4me3、H3K36me3）可通过招募转录激活相关蛋白或改变染色质结构，实现核小体激活。例如：
H3K4me3（组蛋白 H3 第 4 位赖氨酸三甲基化）常富集于活跃转录基因的启动子区，可招募含 PHD 结构域的蛋白（如 BPTF，染色质重塑复合物 NURF 的亚基），BPTF 结合 H3K4me3 后，激活 NURF 的 ATP 酶活性，通过水解 ATP 驱动核小体滑动，进一步松散染色质；
H3K36me3（组蛋白 H3 第 36 位赖氨酸三甲基化）富集于转录延伸区，可招募组蛋白乙酰转移酶（如 Esa1），促进邻近核小体的乙酰化，维持染色质松散状态，保障 RNA 聚合酶 Ⅱ 的持续延伸。
实例：人类 HOX 基因（调控胚胎发育的同源异形基因）在表达时，其启动子区核小体的 H3K4me3 水平显著升高，染色质松散，确保 HOX 基因精准激活，调控细胞分化。
3. 染色质重塑复合物介导的核小体重排
机制：染色质重塑复合物（如 SWI/SNF、ISWI、CHD 家族）是依赖 ATP 的大分子复合物，通过水解 ATP 提供能量，驱动核小体发生三种形式的重排：① 核小体滑动（沿 DNA 链移动，暴露启动子或增强子区域）；② 核小体解离（使部分 DNA 脱离组蛋白八聚体，形成 “无核小体区域”）；③ 核小体组装 / 拆卸（调整核小体密度，减少启动子区核小体数量），最终实现染色质松散。
实例：SWI/SNF 复合物是研究最广泛的激活型重塑复合物，在酵母中，当转录因子 GAL4 结合 GAL1 基因的上游激活序列（UAS）后，可招募 SWI/SNF 复合物。SWI/SNF 水解 ATP，驱动 GAL1 启动子区的核小体滑动，暴露 RNA 聚合酶 Ⅱ 的结合位点，激活 GAL1 表达（GAL1 基因参与半乳糖代谢，在半乳糖存在时需激活）；人类细胞中，SWI/SNF 复合物突变会导致染色质浓缩，抑癌基因（如 p53 靶基因）无法激活，增加肿瘤发生风险（如恶性横纹肌样瘤中常见 SWI/SNF 亚基突变）。
4. 组蛋白变体替换
机制：组蛋白变体是组蛋白的同源蛋白（如 H2A.Z、H3.3、H2A.X），与常规组蛋白（如 H2A、H3）的氨基酸序列存在差异，替换核小体中的常规组蛋白后，可改变核小体的稳定性或相互作用，实现染色质松散。例如：
H2A.Z（组蛋白 H2A 的变体）常替换启动子区核小体中的 H2A，H2A.Z 与 DNA 的结合亲和力低于 H2A，导致核小体结构不稳定，更容易松散；同时，H2A.Z 可招募 HAT（如 SAGA 复合物），进一步促进组蛋白乙酰化，增强染色质松散程度；
H3.3（组蛋白 H3 的变体）主要存在于活跃转录的基因区域，其与组蛋白伴侣（如 HIRA）结合后，可在转录活跃区组装核小体，H3.3 核小体的稳定性较低，利于染色质保持松散，支持持续转录。
实例：人类胚胎干细胞中，多能性基因（如 OCT4、SOX2）的启动子区核小体富含 H2A.Z，染色质松散，确保 OCT4、SOX2 持续表达，维持干细胞的多能性；当干细胞分化时，H2A.Z 从启动子区移除，核小体浓缩，多能性基因沉默。
5. 非编码 RNA 介导的激活
机制：增强子 RNA（eRNA，由基因增强子区域转录的非编码 RNA）可通过两种方式激活核小体：① 直接结合核小体：eRNA 通过碱基配对或静电相互作用结合启动子 / 增强子区的核小体 DNA，破坏组蛋白与 DNA 的相互作用，导致核小体松散；② 招募调控因子：eRNA 可招募 HAT（如 p300）或染色质重塑复合物（如 SWI/SNF），通过组蛋白乙酰化或核小体重排，实现染色质松散。
实例：人类雌激素受体 α（ERα）调控的靶基因（如 pS2）中，雌激素结合 ERα 后，ERα 会结合 pS2 的增强子区域，诱导 eRNA 转录。eRNA 一方面招募 p300，乙酰化邻近核小体的组蛋白；另一方面招募 SWI/SNF 复合物，驱动核小体滑动，最终使 pS2 启动子区染色质松散，激活 pS2 表达，促进乳腺细胞增殖。