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第一章 绪论1

第一节 分子生物学的起源1

一、传递遗传学1

二、分子遗传学2

第二节 分子生物学的发展4

一、DNA的半保留复制4

二、基因与蛋白质之间的关系4

三、“中心法则”5

四、基因工程5

Box 1-1让“酵母君”酿造鸦片，你相信吗？6

五、分子生物学的其他进展7

第三节 分子生物学学习方法9

科学故事——朊病毒的发现11

第二章 遗传物质的分子本质15

第一节 遗传物质的分子本质15

一、DNA是主要的遗传物质15

（一）细菌转化实验15

（二）Hershey-Chase的噬菌体实验17

二、RNA也可以作为遗传物质18

三、某些蛋白质具有遗传物质的特性19

第二节 核酸的结构20

一、核酸的化学组成20

Box 2-1环状非编码RNA22

二、核酸的一级结构24

（一）第一代DNA测序24

（二）第二代DNA测序27

（三）第三代DNA测序28

（四）第四代DNA测序29

（五）单细胞基因组DNA测序30

三、核酸的二级结构31

（一）DNA的二级结构31

（二）RNA的二级结构42

Box 2-2为何是DNA而不是RNA作为遗传信息的载体？42

四、核酸的三级结构44

（一）DNA的三级结构44

（二）RNA的三级结构45

五、核酸与蛋白质形成的复合物47

（一）DNA与蛋白质形成的复合物47

（二）RNA与蛋白质形成的复合物50

第三节 核酸的理化性质50

科学故事——究竟是谁第一个发现了DNA的双螺旋结构？55

第三章 基因、基因组和基因组学60

第一节 基因60

一、对基因的认识60

二、基因概念的扩展61

（一）移动基因61

（二）断裂基因62

（三）假基因63

Box 3-1假基因，真表达，真功能64

（四）重叠基因65

三、基因的种类和结构66

（一）基因的种类66

（二）基因的结构66

四、基因的大小和数目67

（一）基因的大小67

（二）基因的数目68

Box 3-2我们究竟有多少个基因69

（三）N值矛盾70

五、基因簇与重复基因70

（一）基因家族和基因簇70

（二）重复序列71

第二节 基因组73

一、病毒基因组73

（一）DNA病毒基因组74

Box 3-3大病毒、大惊喜74

（二）RNA病毒基因组76

（三）类病毒和拟病毒基因组76

二、原核生物基因组77

（一）细菌基因组77

（二）古菌基因组77

（三）质粒79

三、真核生物基因组79

（一）核基因组79

（二）细胞器基因组82

Box 3-4线粒体夏娃84

四、人类基因组85

第三节 基因组学86

一、结构基因组学86

（一）基因组作图86

（二）基因组测序88

（三）基因组计划90

二、功能基因组学95

（一）转录组与转录组学95

（二）蛋白质组与蛋白质组学96

（三）表观基因组学99

（四）宏基因组学99

（五）比较基因组学100

Box 3-5 甲基化让人类和猴子分了家？102

三、生物信息学102

（一）生物信息学资源103

（二）生物信息学的目标和任务104

科学故事——维生素C与假基因105

第四章 DNA的生物合成109

第一节 DNA复制109

一、DNA复制的基本特征109

Box 4-1“生命字母表”的人工扩增109

Box 4-2冈崎令治与冈崎片段116

二、DNA复制的酶学118

（一）DNAP118

（二）DNA解链酶125

（三）SSB126

（四）DNA拓扑异构酶126

（五）DNA引发酶128

（六）切除引物的酶129

（七）DNA连接酶129

（八）尿嘧啶-DNA糖苷酶130

（九）端粒酶130

三、DNA复制的详细机制133

（一）以大肠杆菌为代表的细菌基因组DNA的复制133

（二）滚环复制138

（三）D-环复制139

（四）真核细胞细胞核DNA的复制140

Box 4-3线形DNA末端复制的难题的解决142

（五）古菌的DNA复制147

四、DNA复制的高度忠实性148

五、DNA复制的调控149

（一）细菌DNA复制起始的调控149

（二）大肠杆菌质粒ColE1的复制调控149

（三）真核细胞核DNA复制起始的调控150

第二节 逆转录150

一、逆转录病毒的逆转录反应150

（一）逆转录病毒的结构151

（二）逆转录病毒的生活史152

Box 4-4 HIV辅助受体的发现154

（三）艾滋病的治疗159

二、其他的逆转录反应160

（一）逆转座子160

（二）逆转录质粒（retroplasmid）与逆转录内含子（retrointron）160

（三）逆转子160

（四）某些DNA病毒生活史中的逆转录现象161

科学故事——DNA半保留复制的实验证明162

第五章 DNA的损伤、修复和突变167

第一节 DNA的损伤167

一、导致DNA损伤的因素167

二、DNA损伤的类型167

第二节 细胞对DNA损伤做出的反应169

Box 5-1为什么某些哺乳动物不得或少得癌症？171

第三节 DNA的修复173

一、直接修复173

二、切除修复175

Box 5-2额外的DNA序列充当我们基因组的“备胎”176

（一）BER176

（二）NER179

（三）MMR184

Box 5-3真核生物错配修复系统如何发现错配碱基？186

三、DSBR187

四、损伤跨越（damage bypass）188

（一）重组跨越188

（二）跨损伤合成189

五、一些与DNA修复缺陷有关的遗传性疾病以及修复缺陷与癌症之间的关系193

第四节 DNA的突变193

一、突变的类型与后果193

（一）点突变194

（二）移码突变195

（三）隐性突变和显性突变196

二、突变的原因196

（一）自发突变196

Box 5-4三聚核苷酸重复与脆性X染色体综合征198

（二）诱发突变199

三、正向突变、回复突变与突变的校正202

（一）正向突变和回复突变202

（二）校正突变203

四、突变原与致癌物之间的关系以及致癌物的检测205

科学故事——p53从癌蛋白到抗癌蛋白的角色转换206

第六章 DNA重组211

第一节 同源重组211

一、同源重组的分子机制211

（一）Holliday模型211

（二）单链断裂模型213

（三）双链断裂模型213

二、细菌的同源重组214

（一）参与同源重组的主要蛋白质215

（二）大肠杆菌几种重要的同源重组途径218

三、真核生物的同源重组218

四、古菌的同源重组221

第二节 位点特异性重组221

一、λ噬菌体的位点特异性整合223

二、鼠伤寒沙门氏菌鞭毛抗原的转换225

Box 6-1 Cre-LoxP重组系统及其改造和应用226

第三节 转座重组227

一、细菌的转座子228

（一）第一类转座子228

（二）第二类转座子229

（三）第三类转座子230

（四）第四类转座子230

二、真核生物的转座子231

（一）DNA转座子232

Box 6-2 睡美人转座子的复活234

（二）逆转座子234

三、古菌的转座子236

四、转座的分子机制237

（一）简单转座237

（二）复制型转座238

Box 6-3谁偷走了人的DNA？240

五、转座作用的调节241

科学故事——“跳跃基因”的发现242

第七章 RNA的生物合成248

第一节 DNA转录248

一、转录的一般特征248

二、催化DNA转录的RNA聚合酶249

（一）细菌的RNAP251

（二）古菌的RNAP252

（三）真核细胞的RNAP252

（四）由病毒编码的RNAP254

Box 7-1植物细胞RNAPⅣ的发现故事255

三、RNAP的三维结构与功能255

四、细菌的DNA转录256

（一）转录的起始256

五、真核生物的核基因转录268

（一）真核生物细胞核基因转录与细菌基因转录的主要差别268

（二）真核细胞核DNA转录的基本过程269

Box 7-2细胞的记忆机制277

六、真核生物细胞器DNA的转录280

（一）线粒体DNA的转录280

（二）叶绿体DNA的转录280

七、古菌DNA的转录281

第二节 RNA复制282

Box 7-3 RNA重组283

一、双链RNA病毒的RNA复制283

二、单链RNA病毒的RNA复制284

（一）正链RNA病毒的RNA复制284

Box 7-4蝙蝠抵抗病毒和长寿的秘密285

（二）负链RNA病毒的RNA复制286

科学故事——人类和酵母居然如此相似！287

第八章 转录后加工292

第一节 细菌RNA前体的后加工292

一、mRNA前体的后加工292

二、rRNA前体的后加工292

（一）剪切和修剪292

（二）核苷酸的修饰293

三、tRNA前体的后加工293

（一）剪切和修剪293

（二）核苷酸的修饰294

（三）添加CCA294

（四）剪接295

第二节 真核细胞RNA前体的后加工295

一、mRNA前体的后加工295

（一）5′-端“加帽”295

（二）3′-端“加尾”298

Box 8-1 CTD密码300

（三）无多聚A尾巴的mRNA在3′-端的后加工302

（四）内部甲基化302

（五）剪接302

Box 8-2剪接体是核酶吗？309

8-3次要剪辑途径也重要310

（六）编辑317

二、rRNA前体的后加工321

（一）剪切、修剪和修饰321

（二）四膜虫26S rRNA前体的自剪接322

Box 8-4 “RNA世界”的探索之旅325

三、tRNA前体的后加工325

第三节 古菌的转录后加工328

科学故事——第一例真正的核酶的发现330

第九章 蛋白质的生物合成334

第一节 参与翻译的各种生物大分子的结构与功能334

一、核糖体334

（一）小亚基334

（二）大亚基335

（三）核糖体的三维结构及其功能定位336

（四）核糖体组装和循环337

二、mRNA338

三、tRNA339

（一）tRNA的一级结构339

（二）tRNA的二级结构339

（三）tRNA的三级结构340

四、氨酰-tRNA合成酶341

Box 9-1 tRNA的新功能——衍生于tRNA的促癌小RNA的发现345

五、辅助蛋白因子345

第二节 翻译的一般性质346

一、均可分为氨基酸的活化、起始、延伸和终止四个阶段346

二、翻译具有极性346

三、三联体密码346

（一）遗传密码的破译347

（二）遗传密码的主要性质348

四、反密码子决定特异性351

五、摆动规则351

第三节 翻译的详细机制352

一、细菌的翻译352

（一）氨基酸的活化352

（二）翻译的起始353

（三）翻译的延伸355

（四）翻译的终止和核糖体的循环359

Box 9-2改造大肠杆菌的编码系统360

二、真核生物的细胞质翻译系统360

（一）氨基酸的活化361

（二）翻译的起始361

（三）肽链的延伸366

（四）翻译的终止和核糖体的循环366

三、细胞器翻译系统368

四、古菌的翻译系统369

第四节 翻译的质量控制369

一、细菌的翻译质量控制369

（一）由tmRNA介导的翻译质量控制370

（二）不依赖tmRNA的翻译质量控制371

二、真核生物的翻译质量控制371

三、古菌翻译系统的质量控制374

第五节 再次程序化的遗传解码374

一、翻译水平的移框374

二、通读376

三、跳跃翻译376

四、硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸的参入378

第六节 翻译的抑制剂380

一、细菌翻译系统的抑制剂380

二、真核生物翻译系统的抑制剂381

三、既抑制细菌又抑制真核生物翻译系统的抑制剂381

科学故事——RNA领带俱乐部与遗传密码的破译382

第十章 蛋白质的翻译后加工、分拣、定向和水解387

第一节 翻译后加工387

一、多肽链的剪切和修剪387

二、N端添加氨基酸388

三、蛋白质剪接388

四、个别氨基酸残基的修饰392

五、形成二硫键396

六、添加辅助因子396

七、多肽链的折叠396

Box 10-1霍乱毒素的胞内之乱401

八、四级结构的形成402

第二节 蛋白质翻译后的定向与分拣403

Box 10-2“分子邮政编码”的发现403

一、共翻译途径406

二、翻译后途径408

（一）线粒体蛋白的定向与分拣408

（二）叶绿体蛋白的定向与分拣411

（三）某些线粒体蛋白和叶绿体蛋白的双重定向与分拣412

（四）核蛋白的定向与分拣413

（五）过氧化物酶体蛋白的定向与分拣413

（六）细菌蛋白的定向与分拣414

（七）古菌蛋白质的定向和分拣415

第三节 细胞内蛋白质的选择性降解417

一、真核生物细胞内的蛋白质降解系统417

（一）泛素的结构与功能417

（二）泛酰化反应及其功能417

（三）泛酰化反应的信号419

（四）蛋白酶体的结构与功能419

二、细菌细胞内的蛋白质降解系统420

三、古菌细胞内的蛋白质降解系统421

科学故事——7SL RNA的发现421

第十一章 原核生物的基因表达调控425

第一节 正调控与负调控425

第二节 在DNA水平上的调控427

一、基因的拷贝数427

二、启动子的强弱427

三、DNA重排428

第三节 在转录水平上的调控429

一、转录起始阶段的调控429

（一）细菌对不同σ因子的选择性使用429

（二）操纵子调控模型430

Box 11-1古菌的色氨酸操纵子437

二、转录终止水平上的调控——终止与抗终止441

（一）弱化441

（二）核开关444

（三）抗终止作用445

第四节 在翻译水平上的调控445

一、反义RNA446

（一）反义RNA的负调控作用446

（二）反义RNA的正调控作用447

二、核开关448

三、自体调控448

四、mRNA的降解450

五、mRNA的二级结构与基因表达的调控452

Box 11-2 RNA温度计453

第五节 环境信号诱发的基因表达调控453

一、严紧反应454

Box 11-3 TA系统的威力455

二、CRISPR-Cas系统455

（一）CRISPR序列455

（二）Cas蛋白456

三、二元基因表达调控系统457

四、群体感应458

第六节 在基因组水平上的全局调控460

一、调节子460

二、噬菌体基因表达的时序控制461

科学故事——乳糖操纵子发现历程467

第十二章 真核生物的基因表达调控473

第一节 在染色质水平上的基因表达调控473

一、组蛋白的化学修饰对基因表达的影响474

二、染色质重塑因子对基因表达的影响477

三、组蛋白变体对基因表达的影响478

四、lncRNA对基因表达的影响480

第二节 在DNA水平上的基因表达调控481

一、DNA扩增481

二、DNA重排481

（一）高等动物抗体基因的程序性重排482

（二）锥体虫主要表面抗原基因的重排487

（三）酿酒酵母在交配类型转换过程中发生的基因重排488

三、基因丢失489

四、DNA甲基化489

Box 12-1 DNA的第六个碱基491

五、DNA印记492

Box 12-2父亲吃啥可通过DNA甲基化影响到你！492

六、多个启动子的选择性使用493

第三节 在转录水平上的基因表达调控494

一、顺式作用元件495

（一）增强子495

Box 12-3增强子 RNA496

（二）沉默子496

（三）绝缘子496

（四）反应元件498

二、转录因子499

（一）转录因子的鉴别、分离和活性测定499

（二）转录因子的结构与分类499

三、参与转录水平调节的lncRNA504

四、转录水平调控的实例504

（一）酵母细胞半乳糖代谢相关基因的表达调控504

（二）热休克蛋白的基因表达调控505

（三）脂溶性激素诱导的基因表达调控506

（四）金属硫蛋白的基因表达调控507

（五）生物发育过程中的组织特异性基因表达507

Box 12-4能将老鼠变成蛇吗？513

（六）转录终止阶段的调控514

五、转录后加工水平上的基因表达调控514

（一）选择性剪接514

（二）选择性加尾517

（三）组织特异性RNA编辑519

（四）lncRNA在转录后加工水平的调控519

六、在mRNA运输水平上的调控519

七、翻译水平上的调控520

Box 12-5正义和反义RNA之间的较量520

（一）自体调控520

（二）mRNA区域化521

（三）mRNA的“屏蔽”522

（四）RNA干扰522

（五）mRNA的降解和稳定性与基因表达调控528

Box 12-6类病毒的致病机制529

（六）对翻译过程本身的调节530

（七）lncRNA在翻译水平的调节531

八、翻译后水平的调节532

科学故事——RNAi的发现532

第十三章 分子生物学方法537

第一节 重组DNA技术简介537

一、基因克隆的载体538

（一）质粒载体538

（二）噬菌体载体539

（三）黏粒540

（四）PAC和BAC540

（五）YAC和HAC541

（六）真核细胞病毒载体542

二、将外源基因或序列导入载体的工具542

（一）RE542

（二）DNA连接酶544

（三）DNA聚合酶544

（四）逆转录酶544

（五）核糖核酸酶H544

（六）多聚核苷酸激酶544

（七）S1核酸酶544

三、宿主细胞545

四、将重组DNA引人到宿主细胞的途径545

（一）转化545

（二）转染545

（三）电穿孔545

（四）脂质体介导545

（五）弹道基因转移545

五、重组体的选择和筛选546

（一）直接筛选546

（二）间接筛选547

第二节 重组DNA技术的详细步骤548

一、外源DNA序列和目的基因的获得548

二、目的基因与载体的连接548

（一）黏端连接549

（二）平端连接549

（三）含有平端和黏端的目的基因与载体之间的连接549

三、重组DNA导入特定的宿主细胞549

四、含有目的基因序列的克隆的筛选和鉴定549

第三节 重组DNA技术的应用549

一、文库的建立549

（一）基因组DNA文库550

（二）cDNA文库551

（三）文库的筛选552

二、DNA序列分析552

三、表达外源蛋白553

四、转基因动物、植物及转基因食品555

（一）转基因动物555

（二）转基因植物555

（三）转基因食品556

五、基因治疗556

六、研究基因的功能558

七、寻找未知基因560

（一）从基因的终产物开始鉴定新基因560

（二）从核酸水平上寻找新基因560

第四节 聚合酶链式反应561

一、RT-PCR562

二、反向PCR563

三、巢式PCR563

四、递减PCR563

五、原位PCR563

六、菌落PCR563

七、简并PCR564

八、多重PCR564

九、不对称PCR564

十、热不对称交错PCR564

十一、标记PCR564

十二、实时定量PCR565

第五节 蛋白质工程566

一、随机突变566

二、定点突变568

Box 13-1胰岛素的定向改造570

第六节 研究核酸与蛋白质之间相互作用的主要方法和技术572

第七节 研究蛋白质之间相互作用的主要方法和技术573

一、免疫共沉淀573

二、亲和层析573

三、共价交联573

四、荧光共振能量转移573

五、生物发光共振能量转移573

六、酵母双杂交573

（一）酵母双杂交系统的原理573

（二）酵母双杂交系统的建立574

（三）酵母双杂交系统的应用575

第八节 SELEX技术575

第九节 生物芯片技术576

一、基因芯片576

（一）基因芯片的种类和制备577

二、蛋白质芯片581

（一）蛋白质芯片的基本构成581

（二）蛋白质芯片的应用582

第十节 基因组编辑技术582

一、大范围核酸酶584

二、锌指核酸酶584

三、拟转录激活蛋白效应物核酸酶585

四、Cas9586

Box 13-2 CRISPR技术进军基因治疗587

科学故事——绿色荧光蛋白的发现和发展588

专业词汇英汉对照和索引595

常见英文缩写614

主要参考书目619

推荐网址620