三维基因组｜分子生物学简介 (1)

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分子生物学涉及生命从组成到活动的所有分子基础，包括DNA、RNA、蛋白质之间的相互作用、它们的生物合成以及这些相互作用的调节。分子生物学也是对复制、转录、翻译和细胞功能过程的分子基础的研究，这是理解该领域的一个很好的起点。

为了更好地理解三维基因组的内容并为广大读者服务，我们首先回顾一下一些重要的概念。

限制酶

限制性内切酶在称为限制性位点的特定核苷酸序列处切割 DNA 。限制性内切酶首先在细菌中发现，这些酶旨在选择性切割外源 DNA（如病毒）以保护自身。

为了切割 DNA，限制酶会DNA 的每条链产生两个切口。这些限制性位点是回文序列。已鉴定出 3000 多种 RE，其中 600 多种已商业化。酶的详细信息可以在数据库^[1]或商业网站中找到。

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根据其组成和酶辅因子要求、其靶序列的性质以及其 DNA 切割位点相对于靶序列的位置，天然存在的限制性核酸内切酶可分为四类（I 型、II III 型和 IV 型）。这里我们将重点关注最后一个类型。

类型	切割位点	例子
I	随机切割远离其识别序列的位点	EcoK I；EcoA I；CfrA I
II	特定的识别位点	EcoR I；BamH I；Hind III
III	识别位点 24-26 bp左右的随机位点	EcoP I；Hinf III；EcoP15 I

氢键

氢键是与电负性较大的原子（例如氮（N）、氧（O）或氟（F））结合的氢（H）与另一个带有孤对电子的相邻原子之间的部分静电吸引。根据维基）。换句话说，它是一个稍带正电的氢原子和一个稍带负电的原子之间的吸引力。

所有生命都依赖于水中的氢键。它还在许多合成和天然蛋白质的三维结构和特性方面发挥着重要作用。如 DNA、蛋白质、纤维素等。

在表观遗传学中，每个核小体中的 DNA 和组蛋白核心之间有 142 个氢键。每个核心组蛋白中超过 1/5 的氨基酸是赖氨酸或精氨酸，它们的正电荷中和带负电荷的 DNA 主链。

凝胶电泳

凝胶电泳是一种根据大小和电荷分离 DNA、RNA 甚至蛋白质的方法。它在生物化学和分子生物学中用于按长度分离 DNA 和 RNA 片段的混合群体、估计 DNA 和 RNA 片段的大小或按电荷分离蛋白质。

这是通过利用电场（电泳）将带负电荷的核酸分子（如 DNA）移动通过琼脂糖基质来实现的。分子的速度取决于多种因素，如：电场强度、缓冲液、琼脂糖凝胶的密度等，但最重要的是DNA的大小。较短的分子比较长的分子移动得更快，迁移得更远，因为它们可以通过凝胶中的孔流动。在琼脂糖凝胶内，线性 DNA 的迁移与其分子量的 log10 成反比。

凝胶电泳有许多应用，例如：

• 估计限制性内切酶消化后的DNA分子的大小，可以通过与一些标准参考标记（其长度已知）进行比较来估计大小。
• PCR 产物分析，例如分子遗传学诊断或基因指纹分析。
• 通过切割含有特定序列的凝胶块来分离限制性基因组 DNA。

PCR

聚合酶链式反应是一种扩增特定 DNA 片段的方法，它可以在几个小时内复制数十亿个 DNA 目标序列。 PCR 发明于 1984 年，是一种在实验室中复制大量 DNA 片段的方法，该技术已被应用于各种广泛的应用，并丰富了分子生物学领域。

我们可以将 PCR 视为体内 DNA 复制的体外版本。 DNA复制是半保守的，这意味着只有一条DNA链被用作新DNA链生长的模板。我们需要以下主要成分来开始 PCR 反应：

• DNA 模板：包括要扩增的感兴趣区域。
• DNA聚合酶：一种合成与目标序列互补且耐热的新DNA链的酶。
• 两条 DNA 引物，与 DNA 靶标的每个有义链和反义链的 3'（三个引物）末端互补，DNA 聚合酶将在此处开始合成。
• dNTP：脱氧核苷三磷酸，新合成 DNA 的组成部分。

除了所有这些材料之外，还有三个主要步骤可以完成将所需序列从一个复制到数百万个：

• 第 1 步：DNA 变性。在 95°C 时，DNA 变性（即两条链分离）。
• 第 2 步：引物退火。在 40°C-65°C 下，引物退火（或结合）DNA 单链上的互补序列。
• 第 3 步：DNA 聚合酶延长 DNA 链。在 72°C 下，DNA 聚合酶通过在引物的 3' 末端添加核苷酸来延伸 DNA 链。

尽管 PCR 是一个如此强大的工具，但它可能在许多应用中产生误差。

Reference [1]

RE database: http://rebase.neb.com/rebase/rebase.html

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