生命组学复习资料12.30

生命组学复习资料（12.30）一、（1）通过质谱数据计算被修饰的氨基酸以及修饰类型？（郎明林）答：计算甲基化15乙酰化42磷酸化80修饰类型•加入官能团乙酰化—通常于蛋白质的N末端加入乙酰。磷酸化—加入磷酸根至Ser、Tyr、Thr或His。糖化—将糖基加入Asn、羟离氨酸、Ser或Thr，形成糖蛋白。烷基化—加入如甲基或乙基等烷基。甲基化—烷基化中常见的一种，在Lys、Arg等的侧链氨基上加入甲基。生物素化—主要有组蛋白的生物素酰化修饰，由羧化全酶合成酶与组蛋白直接相互作用完成，以及生物素附加物令赖氨酸残基酰化。（只列举了6种）•加入其他蛋白质或肽干扰素激活基因化—与干扰素激活基因15（ISG15）蛋白质建立共价键。小泛素相关修饰化—与小泛素相关修饰子蛋白建立共价键。泛素化—与泛素建立共价键。•改变氨基酸的化学性质瓜氨化—将精氨酸转为瓜氨酸。脱氨化—将谷氨酰胺转为谷氨酸或将天冬酰胺转为天冬氨酸。•结构改变双硫键—与两个半胱氨酸的氨基酸建立共价键。分解蛋白质—将蛋白质的肽键剪开。（2）泛基因组学答：泛基因组学：给定物种的所有基因，包括核心基因（所有个体都有）、非必须基因（某些个体有）和毒株特异性基因（个体独有），泛基因组特殊，受生态限制的机体比适应多样化生存的细菌要小。•泛基因组学的应用：构建核心基因系统进化树；比较基因组学，最小基因集-物种生存所必需的最少基因集合，核心基因不一定是必需基因；•基因组、泛基因组、meta-基因组之间的关系菌株——基因组；种群——泛基因组；群落——meta-基因组根据物种的泛基因组大小与菌株数目的关系，将物种的泛基因组分为开放型泛基因组（open）和闭合型泛基因组（close）。开放型的泛基因组是指，随着测序的基因组数目的增加，物种的泛基因组大小也不断增加。闭合性的泛基因组是指，随着测序的基因组数目增加，物种的泛基因组大小增加到一定的程度后收敛于某一值。•泛基因组研究意义：核心基因揭示了一个物种生物学的基本方面和主要的表型性状，非必须基因增加物种多样性生化途径，可分析核心基因、非必须基因和毒株特异性基因的种系基因组学，对物种进行重分类，可以确定维持基本代谢必需的最少基因，可以揭示全局的基本过程如发病机理、抗药性、环境适应性和进化。（3）SNP（曾长青）答：SNP：不同个体间，基因组中单个碱基上的变异以及小片段的插入缺失。SNP是最常见的序列变异。常用SNP检测技术：1、基于PCR-引物延伸。不同的dNTP带有不同的荧光标签。通量较低。2、基于探针杂交。探针在与底物结合前被化学基团修饰不能发出荧光，一旦结合上底物后相关酶会去除修饰的化学基团，从而使得探针发出荧光。通量较高。（4）转录偶联的GC呈梯度增加的细胞学和基因组学机制（张章）1.禾本科中的转录偶联GC梯度Wong,G.K.S.等人发现禾本科(单子叶)植物基因的GCcontent沿着转录方向逐渐下降,呈现了GCgradient。这种趋势在双子叶植物中不存在。这种现象可能是由转录相关的突变引起;外显子区域可以分为密码子的三个相位,其GCgradient呈现出不同的特征:即三个相位的GCcontent(GC1,GC2,GC3)表现为在起始密码子前,GC1、2、3呈现类似的分布;在起始密码子后,禾本科的GC1和GC3先升高,后降低,并且GC3GC1;禾本科的GC2在起始密码子后降低;禾本科的GC123在起始密码子后都呈现向基因3’方向的降低趋势;双子叶植物的GC1GC23,不存在向3’方向的降低趋势。这种GCgradient是否在多细胞真核生物里普遍存在以及产生的机制目前尚不清楚。2.基因内核酸组分变化与其他基因参数间的关系1)基因内核酸组分变化与基因长度、结构、生殖细胞中的表达水平等许多基因参数有关。2)基因内GC含量从转录起始点开始沿着转录方向呈现出明显的下降梯度，在转录起始点尤为显著，甚至排除掉启动子区域的CpG二核苷酸的影响也是如此；这种明显的下降梯度存在于温血脊椎动物（人、鼠、牛、鸡）基因中并且是保守的，而冷血脊椎动物（斑马鱼）和非脊椎动物（果蝇和线虫）基因中没有。对于植物，单子叶植物（水稻）基因的GC含量变化趋势如同温血脊椎动物而双子叶植物（拟南芥）的GC含量变化趋势如同冷血脊椎动物和非脊椎动物。3)GC含量的下降梯度可能存在于基因的所有区域，例如内含子、编码外显子和非编码外显子，只是GC含量的变化范围不同，例如，外显子GC含量高于内含子GC含量，编码区GC含量高于非编码区GC含量。这人类蛋白编码基因集的评估、看家基因的界定以及真核生物基因核酸组分变化研究102种区域的GC含量不均一使得其在整个转录区域呈现出高度下降的GC含量峰值被长距离的低GC所中断。4)基因的GC含量变化还与其在生殖细胞的表达水平有关。温血脊椎动物的高表达基因比低表达基因具有更为倾斜的GC含量下降梯度，使得高表达基因在转录起始点的GC含量峰值更为显著。推测真核生物基因内核酸组分变化可能至少是突变偏好、转录偶联修复、自然选择三个因素共同作用的结果，而且转录偶联修复起主要作用。3.转录偶联修复转录偶联修复(transcriptioncoupledrepair,TCR)是在转录过程中发生的一种核酸切除修复机制。它从模板链中删除各种类型的DNA损伤,然后根据非模板链,按照碱基互补来修复。转录开始后,RNA聚合酶II在转录区域形成转录泡。在DNA发生损伤的位置,转录过程会暂停。4.小结转录偶联修复(transcriptioncoupledrepair,TCR)是在转录过程中发生的一种核酸切除修复机制。Wong,G.K.S.等人发现禾本科(单子叶)植物基因的GCcontent沿着转录方向逐渐下降,呈现了GCgradient，而这种趋势在双子叶植物中不存在。GC梯度的可能是由转录相关的突变引起。有研究者认为真核生物基因组内核酸组分的变化可能同时受到突变偏好,转录偶联修复和自然选择三种机制的影响,而转录偶联修复起到了最主要的作用。分子层面上，dnaE2的存在是更高GC含量明确标志。增加细菌的基因组大小（基因数）似乎依赖于基因组的GC含量增加。然而对于植物而言（特别是单子叶植物），存在的转录偶联GC梯度的是否符合上述内在机制还有待研究。补：1蛋白质信息学？2（表观遗传学相关内容大家看资料）生物信息学(Bioinformatics)是研究生物信息的采集、处理、存储、传播，分析和解释等各方面的学科，也是随着生命科学和计算机科学的迅猛发展，生命科学和计算机科学相结合形成的一门新学科。它通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术而揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。蛋白质的生物信息学作为其中的一部分成为信息学的重点发展方向。主要研究内容1、基因功能表达谱的研究，即探讨基因在特定时空中的表达2确定核酸序列中编码蛋白质的基因，了解蛋白质的功能及其分子基础，运用蛋白质结构模拟与分子设计进行功能预测3对已知的各种代谢途径和相关的生物分子的结构、功能以及他们之间的相互作用进行整理4将这些信息与生命体和生命过程的生理生化信息相结合，阐明其中分子机制，最终进行蛋白质及核酸的分子设计、药物设计和个体化的医疗保健设计5其他。序列对比、结构对比，计算机辅助基因识别等，实现蛋白质写分析、蛋白质结构预测、蛋白质功能预测、蛋白质分子设计。二、以大肠杆菌细胞为例，（阴影部分，大家看情况记忆）1.能源流，物质流与基因组结构的互动与制约1.1能源流物质流与基因组结构的互动（1）生命的物质流和能源流要尽可能保持平衡和高效，调控物质流和能源流的基本信息存在于基因以及基因的调控序列中；（2）基因组作为承载生命信息和调控生命过程的核心，需要保证物质流和能源流的高效运转；（3）物质流和能源流能够反作用于基因组；（4）基因组的复制需要物质流和能源流的支持；（5）物质流和能源流与基因组需要协同变化；（6）从深层次说，基因组结构体现了生命的信息，对生命本身属性和生命活动作出了编码描述，能够指导物质和能量的流转，而信息依托于具体的物质承载，生命的物质流就包括了直接承载基因组结构信息的多聚核酸及维持生命活动周转的各种生物分子，并且由于生命信息的复制和传播依赖于物质的流转，能源流、物质流和基因组结构形成了互相依托的关系，而这种关系不仅体现在狭义的生命现象中，还体现在很多具有自组织属性的耗散系统中。例如多顺反子结构，原核生物基因组中功能相关的基因会聚集在一起成为多顺反子，转录时就会一同被转录，然后一同执行相关功能，有利于相关功能的快速实现，体现了能源利用的高效性；而重叠基因则可以控制相关表达产物的比例，这个比例恰好与执行功能时所需的比例契合，避免了物质和能量的浪费。1.2能源流物质流与基因组结构的制约（1）基因组的调整如突变等要能兼顾物质流和能源流的平衡，否则就会因不适应环境或者不能赢得竞争而淘汰；（2）基因组也要随着环境的变化，顺应物质能量的需求而做出改变，例如大量有利的水平转移基因的存在，以及很多有利突变的产生，这些改变往往是在基因组复制或者产生子代的过程中作出的；（3）能量和物质的波动不能超出基因组的调控能力，例如有些过大或者过快的环境变化，大幅度扰动了原核生物的能源流和物质流，从而使得基因组难以作出足够的调整以平衡扰动，例如环境极度缺乏碳源，这时大肠杆菌就会找不到相应的措施来调整，就会死亡；（4）物质和能量最基本要保证基因组信息的完整和复制，物质流和能量流的运转以保证信息化的操作流也就是基因组信息的存在和延续；（5）原核生命的物质流能源流和基因组的变化都要受制于环境的影响，其平衡的目的在于抵消环境的干扰，二者的互相协调和优化构成了彼此的制约关系。2.讨论分室流（细胞周期与细胞结构）与平衡流的的关系与意义2.1大肠杆菌的结构与平衡流的关系细胞膜：（1）外膜的出现导致了生命的起源，使得生命系统与非生命的外界环境分离开，使得操作流能够包裹在一个相对稳定的、与外界隔开的独立环境中，也促进了后来操作流的信息化，即基因组的形成；（2）保持细胞内物质和能量的相对平衡，减少外界环境对细胞内环境的影响，保持一个相对的稳态；（3）对于大肠杆菌而言，细胞膜是物质交换的中介，通过被动转运、主动转运、胞吞胞吐等方式控制所需要的物质的流入和代谢物的排出来维持平衡流的运转和内环境的稳定。获得生命所需的原料，满足基因复制、转录、翻译的物质所需；（4）细胞膜也是大肠杆菌产出能量的场所，用于基因复制、转录、翻译以及其他生命过程；细胞壁：（5）在细胞膜之外，还存在细胞壁结构，也起到了对内部物质和能量平衡的维持与保护作用；拟核：（6）拟核聚集在一起也是形成了类似的一个分室，维持遗传物质的相对稳定。细胞骨架：（7）大肠杆菌的结构也需要物质和能量来维持，大肠杆菌有细胞骨架，在细胞形态的建成和维持中起着重要作用。很多蛋白参与了细胞骨架建成结构的过程。2.2大肠杆菌的细胞周期与平衡流的关系大肠杆菌增殖过程就是一个细胞分解成两个细胞过程，即细胞分裂。细胞分裂过程中其物质与能量的传递与利用体现出分室流与平衡流相互依存的关系。（1）大肠杆菌的增殖过程需要平衡流的支持。（2）外界环境会通过影响大肠杆菌的平衡流对细胞周期产生影响。当营养缺乏的时候，可以通过相应的调节引起应急反应。大肠杆菌的增殖受到各种因素的影响，自身基因调控和周边环境调控是导致增殖变化的两大主要因素。细胞增殖的变化直接影响的细胞内各类物质平衡流的变化，反过来，系统平衡流的变化又会反馈到大肠杆菌的细胞增殖上，影响大肠杆菌生长。（3）大肠杆菌的增殖过程中，能量的利用伴随着物质的转化，这一点体现出平衡流可以在能量和物质的转化的推动下朝着向生命活动最有利的方向进行。三、基因组结构特征植物与动物基因组结构有哪些不同？这些不同源自何处？高等植物基因组有很多基因间区（intergenic，是基因之间没有基因的部分），但是这些部分大多等于（如在拟南芥和水稻）或超过（如玉米）基因组大小的50%，有时候也会是整个基因组核苷酸总数的95%（例如大麦和小麦）以上。在基因组结构上与植物相反的是：动物基因组将重复序列放在了基因的