1 绪论 3
1.1 生物界 3
1.1.1 真细菌 3
1.1.2 古菌 4
1.1.3 真核生物 4
1.1.4 原核生物和真核生物 5
1.2 遗传学 5
1.3 细菌遗传学 6
1.3.1 细菌是单倍体生物 6
1.3.2 传代时间短 7
1.3.3 无性繁殖 7
1.3.4 可在琼脂平板上形成菌落 7
1.3.5 菌落易于纯化 7
1.3.6 可进行梯度稀释 7
1.3.7 筛选 8
1.3.8 红菌菌株具有可贮存性 8
1.3.9 基因交换 8
1.4 噬菌体遗传学 8
1.4.1 噬菌体是单倍体 9
1.4.2 噬菌体筛选 9
1.4.3 噬菌体杂交 9
1.5 细菌分子遗传学发展简史 9
1.5.1 菌中的遗传 9
1.5.2 转化 10
1.5.3 接合 10
1.5.4 转导 10
1.5.5 基因内重组 11
1.5.6 DNA半保留复制 11
1.5.7 mRNA 11
1.5.8 遗传密码 11
1.5.9 操纵子模型 11
1.5.10 分子生物学中的工具酶 11
1.6 内容简介 12
推荐读物 12
2 细菌染色体：DNA结构、复制及分离 12
2.1 DNA结构 15
2.1.1 脱氧核糖核酸 15
2.1.2 DNA链 16
2.1.3 5′端和3′端 16
2.1.4 碱基配对 17
2.1.5 反平行结构 18
2.1.6 大沟和小沟 18
2.2 DNA复制机制 19
2.2.1 脱氧核糖核酸前体合成 19
2.2.2 脱氧核糖核酸聚合反应 19
2.2.3 半保留复制 22
2.2.4 双链DNA的复制 24
2.3 复制错误 29
2.3.1 编辑 29
2.3.2 甲基化错配修复 30
2.3.3 编辑和错配修复在保持复制忠实性的作用 31
2.4 红菌染色体复制与细胞分裂 32
2.4.1 细菌染色体结构 32
2.4.2 细菌染色体复制 34
2.4.3 染色体复制起始 34
2.4.4 染色体复制终止 35
2.4.5 染色体分离 37
2.4.6 复制叉的位置 45
2.4.7 红胞分裂 46
2.4.8 细胞分裂与染色体复制的协调 47
2.4.9 复制起始时机 49
2.5 细菌拟核 50
2.5.1 拟核中的超螺旋 51
2.5.2 拓扑异构酶 52
2.6 细菌基因组 54
2.7 抗生素影响DNA复制及其结构 56
2.7.1 阻断前体合成的抗生素 57
2.7.2 阻断脱氧核糖核酸聚合的抗生素 57
2.7.3 影响DNA结构的抗生素 58
2.7.4 影响促旋酶的抗生素 58
2.8 DNA的分子生物学操作 58
2.8.1 限制性内切酶 59
2.8.2 分子杂交 62
2.8.3 DNA复制所用酶的应用 62
2.8.4 细菌基因组的随机鸟枪法测序 65
2.8.5 特殊位点突变 66
2.8.6 聚合酶链反应 67
小结 70
思考题 72
习题 72
推荐读物 73
3 细菌的基因表达：转录、翻译和蛋白质折叠 73
3.1 概要 75
3.2 RNA的结构和功能 76
3.2.1 RNA的类型 76
3.2.2 RNA的前体 76
3.2.3 RNA的结构 76
3.2.4 RNA加工和修饰 78
3.3 转录 78
3.3.1 细菌RNA聚合酶的结构 78
3.3.2 转录概述 79
3.3.3 转录的细节 81
3.3.4 rRNA和tRNA 89
3.4 蛋白质 91
3.4.1 蛋白质结构 91
3.4.2 翻译 93
3.4.3 蛋白质合成细节 93
3.4.4 遗传密码 97
3.4.5 翻译起始 101
3.4.6 翻译终止 106
3.4.7 多顺反子mRNA 108
3.4.8 RNA酶、mRNA加工和降解 110
3.5 蛋白质折叠 111
3.5.1 DnaK蛋白和其他Hsp70分子伴侣 111
3.5.2 引发因子和其他分子伴侣 112
3.5.3 伴侣蛋白 112
3.6 膜蛋白和蛋白质输出 113
3.6.1 转移酶系统 114
3.6.2 信号序列 114
3.6.3 靶向因子 116
3.6.4 蛋白质分泌 116
3.6.5 二硫键 117
3.7 基因表达调控 118
3.7.1 转录调控 118
3.7.2 转录后调控 118
3.8 内含子和内含肽 119
3.9 有用的概念 122
3.9.1 开放阅读框 124
3.9.2 转录和翻译融合 124
3.9.3 细菌基因组注解 126
3.10 阻断转录和翻译的抗生素 131
3.10.1 转录的抗生素抑制因子 131
3.10.2 翻译的抗生素抑制因子 132
小结 135
思考题 138
习题 138
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4 细菌遗传分析：正向和反向 138
4.1 定义 141
4.1.1 遗传学中的术语 141
4.1.2 遗传学命名 142
4.2 细菌遗传学中有用的表型 143
4.2.1 营养缺陷型突变体 143
4.2.2 条件致死突变体 144
4.2.3 抗性突变体 145
4.3 细菌的遗传性 145
4.3.1 Luria和Delbruck实验 146
4.3.2 Newcombe实验 150
4.3.3 Lederbergs实验 150
4.4 突变率 150
4.4.1 确定细胞代数 152
4.4.2 确定一次培养中突变出现的数量 152
4.4.3 表型延迟 154
4.4.4 数量遗传学的实际含义 154
4.5 突变类型 154
4.5.1 碱基对改变 155
4.5.2 移码突变 159
4.5.3 缺失突变 160
4.5.4 倒位突变 161
4.5.5 串联重复突变 163
4.5.6 插入突变 164
4.6 回复突变与突变抑制 164
4.6.1 基因内抑制子 164
4.6.2 基因间抑制子 165
4.6.3 无义抑制子 165
4.7 细菌的遗传分析 167
4.7.1 突变体分离 167
4.7.2 独立突变体分离 168
4.7.3 突变体筛选 168
4.7.4 通过重组进行遗传作图 170
4.7.5 互补实验 171
4.7.6 遗传杂交 173
4.7.7 用Hfr杂交进行遗传作图 175
4.7.8 通过转导和转化对细菌标记作图 178
4.7.9 转化和转导的其他应用：菌株构建 180
4.8 基因替换和反向遗传学 182
4.9 鼠伤寒沙门菌中his操纵子串联重复序列的分离 185
4.9.1 串联重复长度的测定 187
4.9.2 自发重复突变的频率 188
小结 188
思考题 189
习题 190
推荐读物 192
5 质粒 193
5.1 什么是质粒 193
5.1.1 质粒的命名 194
5.1.2 质粒编码的功能 194
5.1.3 质粒的结构 196
5.2 质粒的性质 198
5.2.1 复制 198
5.2.2 ori区域的功能 202
5.2.3 质粒复制的控制机制 207
5.2.4 防止质粒丢失的机理 218
5.2.5 质粒的Par系统 223
5.3 构建克隆载体质粒 225
5.3.1 寻找质粒的ori区 226
5.3.2 质粒克隆载体举例 227
5.3.3 广宿主范围的克隆载体 231
5.3.4 利用质粒载体进行基因替换和功能基因组研究 231
小结 235
思考题 236
习题 237
推荐读物 237
6 接合 239
6.1 概述 239
6.2 革兰阴性菌中接合过程的DNA转移机制 240
6.2.1 转移（tra）基因 240
6.2.2 oriT序列 246
6.2.3 雄性专一性噬菌体 247
6.2.4 转移效率 247
6.2.5 质粒的种间转移 248
6.2.6 可移动性质粒 254
6.2.7 革兰阴性菌中Tra系统的遗传分析 256
6.2.8 Tra突变质粒的分离 257
6.2.9 互补实验确定tra基因数量 258
6.3 借助质粒进行的染色体转移 259
6.3.1 Hfr菌株的形成 260
6.3.2 通过整合质粒进行染色体DNA转移 261
6.3.3 染色体转移 261
6.3.4 prime因子 262
6.4 革兰阳性菌的转移系统 265
6.5 其他类型的可转移因子 269
小结 272
思考题 273
习题 274
推荐读物 274
7 转化 277
7.1 天然转化 277
7.1.1 转化的发现 278
7.1.2 感受态细胞 278
7.1.3 枯草芽孢杆菌中感受态的调控 282
7.1.4 天然转化模式的实验证据 283
7.1.5 天然感受态细菌的质粒转化和噬菌体转染 286
7.1.6 天然转化的作用 286
7.2 天然转化对正向和反向遗传学的重要性 289
7.3 人工诱导感受态 290
7.3.1 钙离子诱导 290
7.3.2 电穿孔 291
小结 291
思考题 292
习题 292
推荐读物 292
8 烈性噬菌体：发育、遗传和普遍性转导 292
8.1 噬菌体的裂解周期 296
8.1.1 T7噬菌体：一种编码RNA聚合酶的噬菌体 299
8.1.2 T4噬菌体：转录激活子、抗终止、一种新的σ因子、复制偶联转录 303
8.2 噬菌体DNA的复制 308
8.2.1 单链环状DNA噬菌体 310
8.2.2 T7噬菌体：形成串联体线性DNA 317
8.2.3 T4噬菌体：另一个形成串联体的线性DNA 317
8.3 噬菌体裂解性 321
8.4 噬菌体遗传分析 323
8.4.1 细胞感染 323
8.4.2 噬菌体杂交 324
8.4.3 噬菌体重组和互补实验 324
8.4.4 用T4噬菌体γⅡ基因进行的遗传学实验 327
8.4.5 噬菌体遗传连锁图谱的构建 336
8.5 普遍性转导 340
8.5.1 转导性噬菌体的组成 341
8.5.2 穿梭噬粒 342
8.5.3 转导在细菌进化中的作用 343
小结 343
思考题 344
习题 345
推荐读物 345
9 溶原性：λ噬菌体及其在细菌致病中的溶原性转变 345
9.1 λ噬菌体 350
9.1.1 裂解周期的形成 352
9.1.2 λDNA的复制 356
9.2 溶原性 358
9.2.1 cⅡ基因产物 359
9.2.2 λ噬菌体整合 359
9.2.3 溶原性的保持 362
9.2.4 超感染的免疫 363
9.2.5 λ诱导 363
9.2.6 裂解和溶原周期的竞争 366
9.3 特殊转导 368
9.4 其他的溶原性噬菌体 369
9.4.1 P2噬菌体 369
9.4.2 P4噬菌体 369
9.4.3 P1、N15噬菌体：质粒原噬菌体 372
9.4.4 Mu噬菌体 373
9.4.5 溶原性噬菌体作为克隆载体 373
9.5 溶原性转变和细菌的致病性 373
9.5.1 大肠杆菌和痢疾：志贺毒素 374
9.5.2 白喉 375
9.5.3 霍乱 375
9.5.4 肉毒杆菌中毒和破伤风 376
9.5.5 提要 376
9.6 用λ噬菌体进行的遗传学实验 377
9.6.1 λ溶原性噬菌体的遗传学 377
9.6.2 CI抑制子遗传学 377
9.6.3 λnut突变体的分离 378
9.6.4 宿主nus突变体的分离 380
小结 381
思考题 382
习题 383
推荐读物 383
10 转座、位点特异性重组和重组酶家族 383
10.1 转座 387
10.1.1 转座概述 388
10.1.2 细菌转座子结构 389
10.1.3 细菌转座子类型 389
10.1.4 转座分析 393
10.2 转座机制 394
10.2.1 Tn3转座的遗传学条件 395
10.2.2 Tn3和Mu转座的分子模型 398
10.2.3 Tn10和Tn5转座 402
10.3 DDE转座子转座的详细过程 405
10.4 滚环复制转座子 407
10.5 Y和S转座 408
10.6 转座子的一般特征 408
10.6.1 靶位点特异性 408
10.6.2 对插入位点邻近基因的影响 409
10.6.3 转座调节 409
10.6.4 靶点免疫性 410
10.7 转座子突变 410
10.7.1 质粒的转座子突变 412
10.7.2 细菌染色体转座子突变 415
10.7.3 所有细菌中的转座子突变 416
10.7.4 用转座子突变进行随机基因融合 417
10.7.5 体内克隆 418
10.8 位点特异性重组 419
10.8.1 对介入DNA进行发育调控切除 420
10.8.2 整合酶 421
10.8.3 解离酶 423
10.8.4 DNA反转酶 423
10.9 Y和S重组酶 424
10.9.1 Y重组酶作用机理 425
10.9.2 S重组酶作用机理 428
10.10 转座和位点特异性重组在细菌适应性中的重要性 429
小结 431
思考题 432
习题 433
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11 同源重组的分子机理 436
11.1 同源重组概述 436
11.1.1 条件1：在杂交区域具有相同或非常相似的序列 436
11.1.2 条件2：双链DNA分子间碱基互补配对 436
11.1.3 条件3：重组酶切割和再连接 436
11.1.4 条件4：四条链参与杂合双链的形成 437
11.2 重组的分子模型 437
11.2.1 Holliday双链侵入模型 437
11.2.2 单链侵入模型 439
11.2.3 双链断裂修复模型 439
11.3 大肠杆菌中基因重组的分子基础 442
11.3.1 chi（x）位点和RecBCD核酸酶 443
11.3.2 RecFOR途径 447
11.3.3 联会形成和RecA蛋白 447
11.3.4 Ruv和RecG蛋白，Holliday 的迁移和剪切 449
11.4 噬菌体基因重组途径 453
11.4.1 T4、T7噬菌体的Rec蛋白 453
11.4.2 rac原噬菌体的RecE途径 453
11.4.3 λ噬菌体red系统 453
11.5 细菌中基因重组的遗传分析 457
11.5.1 分离大肠杆菌Rec-突变子 457
11.5.2 其他重组基因突变体的分离 458
11.5.3 重组中基因交换和异源双链体形成的其他证明 460
小结 463
思考题 464
习题 465
推荐读物 465
12 DNA修复和突变 468
12.1 DNA修复的证据 468
12.2 特异性修复途径 468
12.2.1 碱基的脱氨基 469
12.2.2 活性氧导致的损伤 472
12.2.3 烷化剂导致的损伤 475
12.2.4 UV辐射导致的损伤 478
12.3 通用修复机制 479
12.3.1 甲基化错配修复系统 479
12.3.2 核苷酸切除修复 486
12.4 DNA损伤耐受机制 489
12.4.1 对受损复制叉的重组修复 489
12.4.2 SOS诱导修复 492
12.4.3 SOS突变诱导机制 497
12.4.4 UmuD′2C复合体跨损伤合成机制 498
12.5 大肠杆菌中修复途径小结 500
12.6 噬菌体修复途径 502
小结 502
思考题 504
习题 504
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13 基因表达调控：操纵子 504
13.1 细菌的转录调控 508
13.2 负转录调控 509
13.2.1 大肠杆菌lac操纵子 509
13.2.2 大肠杆菌lacl基因精细结构分析 514
13.2.3 大肠杆菌gal操纵子 518
13.2.4 生物合成操纵子的负调控：原阻遏物和辅阻遏物 521
13.3 正调控 523
13.3.1 大肠杆菌L-ara操纵子 523
13.3.2 大肠杆菌麦芽糖操纵子 531
13.3.3 tol操纵子 533
13.4 转录衰减调控 535
13.4.1 大肠杆菌trp操纵子的衰减调控 535
13.4.2 枯草芽孢杆菌trp操纵子的衰减调控 538
13.4.3 大肠杆菌bgl操纵子的调控 538
13.4.4 通过改变mRNA二级结构的调控 540
13.4.5 核糖开关调控 540
13.5 翻译后调控：反馈抑制 542
13.5.1 色氨酸操纵子反馈抑制 542
13.5.2 异亮氨酸-缬氨酸操纵子 542
13.5.3 翻译后酶的修饰 543
13.6 已测序基因组中操纵子分析 543
13.6.1 操纵子等位基因 543
13.6.2 调控等位基因和元件 545
小结 545
思考题 546
习题 547
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14 全局调控：调节子和激活子 547
14.1 分解代谢物敏感型操纵子 553
14.1.1 cAMP和cAMP结合蛋白 554
14.1.2 大肠杆菌分解代谢物调控的遗传学分析 558
14.1.3 cAMP在其他生物中的作用 561
14.1.4 基于腺苷酸环化酶的细菌双杂交系统 561
14.2 氮素同化调控 562
14.2.1 氮素同化途径 563
14.2.2 分解代谢阻遏物、Ntr系统和氨基酸降解操纵子调控三者间的协同 570
14.2.3 肠道细菌氮素调节的遗传学分析 571
14.3 细菌应对胁迫的反应 573
14.3.1 热激调控 573
14.3.2 革兰阴性菌中通用的胁迫反应 574
14.3.3 革兰阳性菌中通用的胁迫反应 575
14.4 细胞质外（细胞膜上）的胁迫反应 575
14.4.1 Porin合成调控 575
14.4.2 通过CpxA-CpxR调控外膜胁迫反应：双组分感应激酶反应——调节子系统 582
14.4.3 细胞膜外的功能：大肠杆菌σE 584
14.5 大肠杆菌中铁元素调控 584
14.5.1 Fur调节子 584
14.5.2 RyhB RNA 585
14.5.3 顺乌头酸酶翻译抑制子 585
14.6 病原细菌毒性基因调控 586
14.6.1 白喉 586
14.6.2 霍乱和群体感应 587
14.6.3 百日咳 588
14.7 核糖体和tRNA合成调控 590
14.7.1 核糖体蛋白 590
14.7.2 rRNA和tRNA合成调控 591
14.8 调控网络的微阵列和蛋白质组分析 594
14.8.1 转录组分析 594
14.8.2 蛋白质组学分析 596
14.8.3 从基因到调节子到网络到遗传分析 597
小结 598
思考题 600
习题 600
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15 细菌细胞的分区和出芽 601
15.1 大肠杆菌中蛋白质转运分析 608
15.1.1 利用mal基因研究蛋白质转运：信号序列、sec和SRP 608
15.1.2 Tat分泌途径 612
15.2 革兰阴性菌内膜蛋白跨膜域的遗传分析 613
15.3 蛋白分泌 614
15.3.1 革兰阴性菌中蛋白分泌系统 615
15.3.2 革兰阳性菌中蛋白分泌 620
15.3.3 分选酶 620
15.3.4 分选酶依赖型途径的例子：链霉菌芽孢的形成 622
15.4 枯草芽孢杆菌芽孢形成的遗传学分析 625
15.4.1 调控芽孢形成基因的鉴定 626
15.4.2 芽孢形成的起始调控 627
15.4.3 芽孢形成基因的分区域调控 629
15.4.4 σ因子在芽孢形成调控中的作用分析 629
15.4.5 发育期中间状态的调控 632
15.4.6 芽孢形成基因的发现：突变子捕获、抑制子分析和功能基因组学 636
小结 638
思考题 638
习题 639
推荐读物 639
词汇表 643