第一部分 基础篇 1
第一章 DNA结构和基因表现 3
1.1 DNA、RNA和多肽之基本结构与化学键结 4
1.1.1 DNA、RNA和多肽是由简单的重复单元经线性排列后形成的大型聚合物 4
1.1.2 共价键提供稳定性；较弱的非共价键则有利于分子间之结合，并可稳定整体结构 6
1.2 DNA的结构和复制 8
1.2.1 DNA结构为反向平行之双股螺旋 8
Box 1.1 范例—核酸和蛋白质中氢键的重要性 10
1.2.2 DNA复制为半保留机制，且DNA股的合成是半断续的 10
1.2.3 哺乳类细胞的DNA复制机制更为复杂 10
Box 1.2 DNA复制过程中参与的主要蛋白质 12
1.2.4 病毒基因体多为RNA而非DNA 13
1.3 RNA转录与基因表现 13
1.3.1 细胞遗传讯息之传递几为单一方向：DNA→RNA→蛋白质 13
1.3.2 在复杂生物中只有少数DNA会表现出蛋白质或RNA产物 15
1.3.3 DNA片段（基因）将遗传讯息转录为RNA之过程 16
1.3.4 真核生物之基因表现需要顺式与反式调控作用 17
1.3.5 组织专一性之基因表现与某些特定基因被选择性活化有关 19
1.4 RNA剪接 19
1.4.1 RNA剪接乃由初级转录体中移去非必要之RNA序列 19
1.4.2 第二型RNA聚合酶所转录的RNA其5＇和3＇端大多会被加入特定的核苷酸 22
1.5 转译、转译后加工和蛋白质结构 23
1.5.1 mRNA于核醣体发生转译作用并合成多肽 23
1.5.2 遗传密码具有简并性但并非普及性密码 25
1.5.3 转译后阶段的修饰作用，包括某些胺基酸的化学修饰及多肽剪切 26
1.5.4 蛋白质分泌与细胞间传送乃受特定之定位讯息或化学修饰作用所控制 29
1.5.5 蛋白质结构充满变化不易由胺基酸序列来预测 29
第二章 染色体的结构和功能 33
2.1 染色体套数与细胞周期 34
2.2 染色体的结构和功能 34
2.2.1 将DNA堆叠成染色体需要有多层次的DNA摺叠体系 35
2.2.2 在间期的细胞核里，每个染色体各自占有不互相重叠的领域 35
2.2.3 染色体如同具有功能的胞器：中节的枢钮角色 36
Box 2.1 有丝分裂的纺缍体及其组成 37
2.2.4 染色体如同具有功能的胞器：复制起点 38
2.2.5 染色体如同具有功能的胞器：端粒 39
2.2.6 异染色质及真染色质 40
2.3 细胞分裂的两种形式：有丝分裂和减数分裂 40
2.3.1 有丝分裂是细胞分裂的一般形式 40
2.3.2 减数分裂是特殊形式的细胞分裂—形成精子与卵细胞 41
2.3.3 X-Y配对与假体染色体区域 44
2.4 研究人类的染色体 44
2.4.1 有丝分裂染色体可以在任何分裂的细胞中发现，但却很难去研究人类细胞的减数分裂染色体 44
Box 2.2 染色体带纹 48
2.4.2 分子细胞遗传学：染色体FISH 48
Box 2.3 人类染色体的命名 49
2.4.3 染色体涂色法，分子核型鉴定与比较基因体杂合反应 49
2.5 染色体异常 51
2.5.1 染色体异常的种类 51
2.5.2 染色体数量异常通常牵涉到获得或遗失整条的染色体 52
Box 2.4 染色体异常的命名 53
2.5.3 结构性染色体异常起因于染色体断裂的错误修复或是重组系统的失常 54
2.5.4 若亲代来源错误，虽然染色体看似正常，亦会造成疾病 57
第三章 细胞与发育 59
3.1 细胞的结构与多样性 60
3.1.1 原核和真核生物代表细胞生命形式基本区隔 60
3.1.2 细胞的大小与形状可以是非常多样的，但扩散速率固定了某些上限 61
3.1.3 多细胞生物的体细胞与生殖系细胞有基本的区别 61
Box 3.1 动物细胞的内部构造 62
Box 3.2 细胞骨架：维持细胞运动和细胞外型所必须，为细胞内传输的主要架构 64
3.1.4 多细胞生物体内的细胞之间，不一定带有相同的DNA序列 64
3.1.5 可以在培养环境中或是原位研究多细胞生物的细胞 65
3.2 细胞交互作用 66
3.2.1 细胞间的沟通靠特殊的受体来接受讯息分子 66
3.2.2 受体活化后启动讯息传导路径，包括酵素梯瀑或第二讯息分子，最后导致转录因子的活化或抑制 67
3.2.3 细胞要产生组织的结构，必须具有附著能力 70
3.2.4 细胞间质为身体中所有组织提供了一个基架，也可作为一个控制细胞行为的重要讯息来源 70
3.3 发育总览 71
3.4 在发育过程中的细胞特化 72
3.4.1 细胞特化包含了一连串不可逆的阶层式决策 72
Box 3.3 研究胚胎发育的动物模式 73
3.4.2 细胞的起源背景和处境将决定其未来能选择的运途 73
Box 3.4 人类双胞胎 74
3.4.3 干细胞是自我更新的前驱细胞 74
Box 3.5 人体组织的来源-哺乳动物的发育阶层 75
Box 3.6 人类细胞的多样性 76
3.4.4 目前已发现多种组织干细胞存在，但仍有许多未解之谜 77
3.4.5 胚胎干细胞有形成任何组织的潜力 78
3.4.6 组织干细胞分化的潜能至今仍是争论不休的研究主题 79
3.5 发育过程的体态形成 79
3.5.1 身体计画的出现需仰赖主轴的特化与极化 80
3.5.2 同位突变揭开了定位的分子基础 80
3.5.3 体态形成通常依赖于讯息梯度 80
3.6 型态发生 81
3.6.1 细胞形状和大小的改变可驱动型态发生历程 81
Box 3.7 哺乳动物胚胎的偏极化-讯息传递及基因产物 82
3.6.2 胚胎中主要型态发生的变化导因于不同的细胞亲附性 82
3.6.3 细胞增殖和计画性的细胞死亡（细胞凋零，apoptosis）都是重要的型态发生机制 85
3.7 人类胚胎的早期发生过程：从受精到原肠形成 86
3.7.1 受精作用使卵活化，精子和卵的细胞核融合而形成独特的个体 86
3.7.2 卵裂将受精卵分割成许多较小的细胞 87
3.7.3 哺乳动物早期胚胎组成中，只有一小部分的细胞用以形成新个体 88
3.7.4 著床 88
3.7.5 原肠形成是个动态的过程，上胚叶的细胞在此阶段将形成三个胚层 88
Box 3.8 胚外膜和胎盘 89
Box 3.9 性别决定：发育中的基因和环境的作用 93
3.8 神经发育 94
3.8.1 外胚层受到其下的中胚层诱发后，开始发育为神经系统 94
3.8.2 神经管的体态形成包含了两轴向的基因协调的表现 94
3.8.3 神经分化包括许多转录因子作用方式的组合 95
3.9 发育路径的保守性 97
3.9.1 很多人类的疾病是在发育的过程失误所引起 97
3.9.2 发育过程在单一基因层次及完整路径层次皆具高度保守性 98
第四章 家族与族群中的基因 101
4.1 单基因与多因子遗传的比较 102
4.2 孟德尔式家谱谱系型 102
4.2.1 显性和隐性是性状的性质而非基因的性质 102
4.2.2 五种基本的孟德尔式家谱谱系型 102
Box 4.1 各种孟德尔式遗传模式的特性 104
4.2.3 遗传模式很少能在单一的族谱中被毫无疑虑地定义清楚 104
4.2.4 一个基因对应一个酵素并不代表一个基因会对应一种症状 105
4.2.5 粒线体的遗传提供了可识别的母系家谱谱系 106
Box 4.2 使用互补测验检定两个隐性性状是否由同一对偶基因决定 106
4.3 基本孟德尔式家谱谱系型的复杂化 106
4.3.1 常见的隐性情况可能呈现假性显性的家谱谱系 106
4.3.2 未能成功地显露显性情况称为非外显性 106
4.3.3 许多情况显示基因表现的差异 107
4.3.4 铭印性基因的表现与否取决于遗传自父母哪一方 109
4.3.5 男性致死率使得X-连锁家谱系复杂化 109
4.3.6 新的突变通常使得家谱的解释变得复杂，并且会导致染色体镶嵌型 109
4.4 多因子性状的遗传学：多基因性的阀值理论 111
4.4.1 一些历史背景 111
4.4.2 量化性状的多基因理论 112
Box 4.3 关于趋向期望值的回归的两个常见的误解 114
Box 4.4 变异数的划分 115
4.4.3 非连续性性状的多基因理论 115
4.4.4 利用经验风险做非孟德尔式遗传情形的谘询 116
4.5 影响基因频率的因素 117
4.5.1 在基因频率和基因型频率之间可以有一个简单的关系 117
4.5.2 基因型频率能够被用来计算突变率（但要非常谨慎） 117
Box 4.5 在哈温平衡下，相对于对偶基因频率为p（A1）和q（A2）的基因型频率 117
Box 4.6 哈温平衡可以用来估算带原者频率与谘询上的简单风险评估（必须谨慎地使用） 118
Box 4.7 突变与天择之间的平衡 118
4.5.3 异型合子优势在决定隐性疾病的频率上，可能比一再发生的突变更重要 118
Box 4.8 囊胞性纤维症（CF）的异型合子具天择优势 119
第五章 DNA扩增：PCR与基因选殖 121
5.1 基因选殖之重要性 122
5.2 PCR：基本特征与应用 123
5.2.1 PCR和RT-PCR的基本原理 123
Box 5.1 PCR相关词汇 124
5.2.2 PCR的二个主要缺点：短片段和低产量 125
5.2.3 PCR的一般应用 127
5.2.4 有些PCR反应被设计来扩增多种产物及扩增先前未确认的序列 128
5.3 细胞基因选殖的原理 129
5.3.1 细胞基因选殖概观 129
Box 5.2 限制内切核酸酶和修饰-限制系统 129
5.3.2 限制内切核酸酶可将目标DNA切割为特定大小片段，并与载体分子中相符的切割 130
位置接合 130
5.3.3 将重组DNA殖入接受细胞能使复杂的DNA初始族群化繁为简 133
5.3.4 基因库为复杂之起始DNA族群中所有DNA单株的集合 133
5.3.5 含重组DNA菌落之筛选 135
Box 5.3 无意义抑制子突变 138
Box 5.4 序列标签位置之重要性 138
5.4 扩增不同长度片段的选殖系统 138
5.4.1 利用标准的质体为载体是在细菌（及简单真核细胞）中殖入小片段DNA的简便方法 139
5.4.2 利用λ噬菌体和cosmid为载体是在细菌中殖入中长片段DNA的有效方法 140
5.4.3 利用噬菌体P1和F因子质体为载体可在细菌细胞中殖入大片段DNA 142
5.4.4 可殖入数百万硷基片段的酵母菌人工染色体（YACs） 143
5.5 制造单股和突变DNA的选殖系统 144
5.5.1 利用M13或噬菌质体载体或线性PCR扩增可得到DNA定序中所使用的单股DNA 144
5.5.2 寡核苷酸错配突变可在任何转殖基因上产生预计的单核苷酸改变 146
5.5.3 以PCR进行基因突变的方法包括将想要的序列或化学官能基与目标序列结合以及定点突变 146
5.6 表现基因的选殖系统 147
5.6.1 在细菌细胞中可利用基因表现选殖系统来制造大量蛋白质 147
5.6.2 噬菌体呈现是一种将蛋白质表现于细菌细胞表面的表现选殖形式 150
5.6.3 真核基因唯有在真核细胞株中表现才能显现较高的准确度 150
Box 5.5 将基因转殖至动物培养细胞 152
第六章 核酸杂合：原理与应用 155
6.1 核酸探针的制备 156
6.1.1 在合成过程中并入修饰的核苷酸，很简单地就能在试管内标定核酸 156
6.1.2 核酸可用同位素和非同位素方法进行标定 157
Box 6.1 自动放射性显影的原理 159
6.2 核酸杂合的原理 161
6.2.1 核酸杂合是用来辨识二个核酸混合物中是否有高度相关分子存在的方法 161
Box 6.2 萤光标定和侦测系统 165
6.2.2 DNA复性的动力学取决于DNA产物浓度和时间（C？t） 164
Box 6.3 核酸杂合的专有词汇（个别方法请见Box 6.4） 166
6.2.3 核酸杂合分析已发展为许多不同形式的应用方法 167
6.3 使用选殖的DNA作为探针，以筛选出非经选殖的核酸族群之核酸杂合分析 168
6.3.1 点墨杂合法，一种快速筛选法，常做为对偶基因专一性寡核苷酸探针 168
Box 6.4 标准和反向核酸杂合分析法 169
6.3.2 核酸分子经胶体电泳依其分子大小排列后的核酸杂合检测方法：南方和北方点墨杂合法 169
6.3.3 使用脉冲式胶体电泳法扩展南方杂合法可适用于侦测很大的DNA分子 171
6.3.4 原位杂合反应，是以探针与变性的染色体DNA或与组织切片上的RNA进行杂合反应 172
6.4 使用选殖的目标DNA和微阵列技术的杂合分析 174
6.4.1 以杂合反应筛选个别细菌选殖株和溶菌斑的菌落墨点法与溶菌斑提取法 174
6.4.2 转形细胞株或DNA选殖株点置为高密度网格阵列，可大幅提升DNA序列库筛选的效能 175
6.4.3 DNA微阵列技术将核酸杂合法的威力极致发挥 175
第七章 分析DNA和基因结构、变异和表现 181
7.1 DNA定序和基因型鉴定 182
7.1.1 标准DNA定序需使用硷基专一性双去氧核苷酸链之终止子来催化DNA之合成 182
Box 7.1 制造单股DNA定序模版 182
7.1.2 自动化DNA定序以及利用微阵列重新定序 183
7.1.3 限制位点多型性之基本基因型鉴定与不同数目的串联重复序列多型性 183
7.2 鉴定选殖株DNA中之基因并建立结构 186
Box 7.2 适用简单基因型鉴定方法的常见DNA多型性类别 187
7.2.1 外显子捕捉利用人工RNA剪接分析来辨识基因外显子 187
7.2.2 cDNA筛选可利用形成异质双股螺旋，辨识基因体选殖株中的表现序列 188
7.2.3 取得全长cDNA序列：重叠选殖株组，以及RACE-PCR扩增 188
7.2.4 绘制转录起始点图谱和定义外显子-内含子边界 189
7.3 研究基因表现 190
7.3.1 基因表现筛选的原则 190
Box 7.3 同源资料库搜寻 192
7.3.2 利用杂合的基因表现分析：从单一基因分析到对全基因体之基因表现筛选 193
7.3.3 利用PCR的基因表现分析：RT-PCR和mRNA差异性表现 197
7.3.4 蛋白质表现筛选通常使用高度专一性的抗体 198
Box 7.4 获得抗体 200
7.3.5 自动萤光蛋白质标签可有效追踪蛋白质于次细胞中的位置 202
第二部分 人类基因体以及与其他基因体的关系 205
第八章 基因体计画和模式生物 207
8.1 基因体计画的重要性 208
8.1.1 基因体计画为研究内在宇宙准备有系统的研究模式 208
8.1.2 预期中，基因体计画对医学和科学将有极大的益处 208
Box 8.1 基因体词汇表 209
8.2 人类基因体计画的背景和组织 210
8.2.1 基因多型性和基因选殖新技术为定序我们的基因做准备 210
8.2.2 人类基因体计画主要透过高效定序能力的大型基因体中心来执行 210
8.3 人类基因体是如何制成图谱和定序 212
8.3.1 第一个实用的人类遗传图谱是以微卫星体标记为基础所建立的 212
Box 8.2 人类基因和DNA片段的命名法 212
Box 8.3 定序及绘制人类基因体图谱中的重要里程碑 213
8.3.2 人类基因体的第一个高解析度实体图谱是依据大片段选殖株连续区段以及STS标址 213
Box 8.4 融合细胞图谱绘制 215
8.3.3 人类基因体计画最后阶段的成败，关键在于BAC/PAC选殖株的连续序列 217
Box 8.5 透过建立选殖株的连续序列绘制实体图谱 218
8.3.4 第一个高密度的人类基因图谱基于ETS而产生 220
Box 8.6 基因体计画的相互合作、竞争和争论 220
8.3.5 人类基因体序列草稿推测约有30，000至35，000人类基因，但是很难得知精准的数目 221
8.3.6 人类基因体计画的最后的阶段：基因注解和基因本体论 224
8.3.7 人类基因体序列变异的研究分析对人类学和医学研究非常重要 225
8.3.8 若是没有适当的预防措施，基因体计画将导致疾病基因携带者受到歧视，及优生论的复辟 225
8.4 模式生物的基因体计画 226
8.4.1 原核生物基因体计画存在极大的歧异性 226
8.4.2 酵母菌基因体计画是第一个成功的原生生物基因体计画 226
Box 8.7 单细胞生物模式 227
8.4.3 线虫的基因体计画是第一个完成的动物基因体计画 228
8.4.4 后生动物基因体计画主要集中于发育和疾病的模式物种 229
Box 8.8 用以了解发育、疾病和基因功能之多细胞动物模式 230
第九章 人类基因体的组成 239
9.1 人类基因体的一般组成 240
9.1.1 人类基因体概述 240
9.1.2 粒线体基因体由带有高密度基因资讯的小环状DNA双股螺旋所组成 241
Box 9.1 人类细胞中基因体复本数的变异 242
Box 9.2 粒线体基因体的有限自主性 243
9.1.3 细胞核基因体包含24种不同的DNA分子亦即为人类的24种不同染色体 244
9.1.4 人类基因体中大约有30000-35000个不规则分散基因，但确切的数目尚未能确定 245
Box 9.3 DNA甲基化和CPG岛 246
9.2 人类RNA基因的组成、分布和功能 247
9.2.1 大约有1200个人类基因转录为rRNA或tRNA，并组合为一个庞大的基因群集 247
9.2.2 小核RNA和小核仁RNA大多是由分散的大基因家族所转录而成 249
Box 9.4 真核细胞质内tRNAs反密码子专一性 249
9.2.3 未来的挑战：了解MicroRNAs和其他新的调节RNAs在RNA中的功能 250
9.3 人类多肽编码基因的组成、分布和功能 253
9.3.1 人类基因长度与内部组成的多样化 253
9.3.2 人类基因体中功能相似的基因偶尔会排列在一起，但大多是分散在不同的染色体上 254
Box 9.5 人类基因体和人类基因的统计 255
9.3.3 人类基因体中偶发的重叠基因、基因中的基因及多顺反子转录单元 256
9.3.4 转译多肽基因家族可依家族成员中序列的相似程度和范围来加以分类 257
9.3.5 人类基因家族中的基因可能形成小型丛集或分散于不同位置，或者二者兼具 259
9.3.6 假基因、被中断的基因复本和常见于多基因家族中的基因片段 262
9.3.7 人类蛋白质体分类已开始进行中但仍存在有许多功能未明的蛋白质 265
9.4 串联重复的非编码DNA 265
9.4.1 卫星DNA具有很长的串联重复序列，可用密度梯度离心法大量由DNA中分离出来 265
9.4.2 迷你卫星DNA由些微复杂一点的串联重复序列组成，通常位于或靠近染色体端粒 267
9.4.3 微卫星DNA由短而简单的串联重复序列组成，分散于整个人类基因体中 268
9.5 分散式重复非编码DNA 268
9.5.1 衍生自转位子之重复序列占基因体的40%以上，大多是经由RNA中介所形成 268
9.5.2 有些LINE 1片段可活化转位作用及促进SINES、加工假基因和反转基因的转位作用 270
9.5.3 人类基因体中Alu重复序列约每3 kb就出现一次以上，可提供正选择作用 270
第十章 人类基因表现 275
10.1 人类细胞基因表现综览 276
Box 10.1 哺乳动物细胞中基因表现的空间与时间之限制 276
10.2 藉反式作用蛋白质因子与DNA和RNA中顺式调控序列的结合来控制基因表现 277
10.2.1 组织蛋白修饰和染色质重构可使DNA结合因子更容易接近染色质 278
10.2.2 RNA聚合酶型一和型三转录时需要泛素转录因子 279
10.2.3 第二型聚合酶的转录作用需要顺式作用调控序列和组织专一性转录因子的复合物组合 280
10.2.4 转录因子含有可与DNA结合的保留性结构序列模组 282
Box 10.2 参与多肽编码基因转录调控的顺式作用序列片段之类别 283
10.2.5 因应外来刺激而产生不同的基因表现之转录调控机制 285
10.2.6 基因表现的转译控制可包括RNA结合蛋白质对UTR调控序列的辨识 288
10.3 替代性转录和基因加工 291
10.3.1 替代性启动子的使用可以产生组织专一性异构物 291
10.3.2 人类基因容易发生替代性剪接及替代性多腺苷酸化 292
10.3.3 RNA编辑：RNA分子中的特定硷基转变一罕见的加工形式 293
Box 10.3 替代性剪接可改变蛋白质的功能特性 293
10.4 基因表现差异性：源于非对称性，并藉由基因外遗传机制（如DNA甲基化）永久巩固 294
10.4.1 哺乳动物胚胎细胞中选择性的基因表现，最有可能是反应短距离内细胞与细胞间的讯息传导 295
10.4.2 DNA甲基化是脊椎动物细胞中永久巩固基因表现的重要基因外遗传因子 295
10.4.3 动物DNA甲基化可能提供对转位子的防御，以及对基因表现的调控 297
10.5 基因表现的远距控制和铭印 298
10.5.1 染色质结构对基因表现可能有远距离控制的效果 298
10.5.2 基因簇集中个别基因的表现可能透过共通基因座控制区来协调 299
10.5.3 有些人类基因选择性地表现二个亲代对偶基因中的其中一个 300
10.5.4 基因体铭印与根据不同亲代来源所产生的对偶基因表现差异有关 301
Box 10.4 人类细胞中造成双等位对偶基因只有单等位表现的机制 302
Box 10.5 不对等的母系和父系基因组 302
10.5.5 基因体铭印的机制并不清楚，但有一个关键因素为DNA甲基化 303
10.5.6 哺乳动物中X染色体默化与超远距的顺式作用抑制基因表现有关 305
10.6 Ig和TCR基因的独特组成和表现 306
10.6.1 B细胞和T细胞内的DNA重组制造出编码Ig和TCR变异区域的细胞专一性外显子 308
10.6.2 重链类型切换涉及单一VDJ外显子与替代性固定区转录单元的结合 309
10.6.3 对偶基因和轻链排除产生单专一性的Igs和TCRs 310
第十一章 人类基因体的不稳定性：突变和DNA修复 315
11.1 突变、多型性、DNA修复总论 316
11.2 简单突变 316
11.2.1 DNA复制与修复过程之错误而引起的突变是常见的 316
Box 11.1 基因遗传多型性与序列变异的类别 317
11.2.2 每个硷基取代的频率并非随机发生，而是依据取代的种类 318
11.2.3 编码和非编码DNA之突变的频率和种类不同 318
Box 11.2 影响对偶基因族群频率的机制 319
11.2.4 编码DNA中的硷基取代位置并非随机出现 320
Box 11.3 在多肽编码DNA中单一硷基替换的类别 321
11.2.5 突变速率在不同基因和不同基因组成之间极为不同 322
11.2.6 不同染色体区域及不同种系的取代率极为不同 323
Box 11.4 突变速率中的性别差异及雄性导向演化的问题 326
11.3 重复序列间序列互换的遗传机制 329
11.3.1 复制滑脱在短串联重复序列（微卫星；microsatellites）上形成VNTR多型性 329
11.3.2 由于不相等互换或不相等姊妹染色体交换，较大的串联重复序列单元易发生插入/缺失 329
11.3.3 串联重复序列中基因转换相当频繁 329
11.4 致病性突变 331
11.4.1 类原人中有高有害突变率 332
11.4.2 粒线体基因体为致病性突变的热点 333
11.4.3 多数剪接突变会改变正常剪接所需的保守性序列，但有些突变发生于非剪接所需之序列 334
11.4.4 导致提早产生终止密码子的突变，通常造成不稳定的mRNA，亦可能有其他结果 336
11.5 重复序列的致病潜力 337
11.5.1 短串联重复序列的滑脱股造成错误配对易造成致病性缺失和读架平移插入 337
11.5.2 短串联重复序列的不稳定扩张会引起各种疾病，但突变的机制仍是个谜 337
11.5.3 串联重复序列和基因家族簇集可能造成致病性不相等互换及类似基因转换的事件 339
11.5.4 分散式重复序列通常会先造成大的缺失与重复 340
11.5.5 反向式重复序列间发生染色体内重组可产生致病性倒位 342
11.5.6 DNA序列转位并非少见且会引发疾病 343
11.6 DNA修复 344
11.6.1 DNA修复通常包括将损害周围的一整段DNA切除并重新合成 345
11.6.2 DNA修复系统与转录作用及重组机制享有共同的组成和过程 345
11.6.3 对损害DNA的物质有著高度敏感，常是由于细胞对DNA损害的反应减弱，而非DNA修复有所缺陷 347
第十二章 人类在演化树上的位置 351
12.1 基因结构与重复基因的演化 352
12.1.1 剪接体内含子可能源自于第二类内含子，其于早期的真核细胞中首次出现 352
12.1.2 复杂基因可藉由基因内重复而演化，其中多半肇因于外显子重复 352
Box 12.1 内含子的分类 353
12.1.3 外显子重排可产生新的蛋白质功能模组组合 353
12.1.4 在多细胞生物的演化过程中，基因重复扮演相当重要的角色 354
12.1.5 球蛋白基因家族经基因重复、基因转换、和基因遗失/去活化等过程而演化 354
Box 12.2 对称外显子与内含子之相位 355
Box 12.3 基因重复机制及平行演化 357
12.1.6 反转录转位是外显子重排的机制之一，对于基因演化具有重要的贡献 360
12.2 染色体和基因体的演化 361
12.2.1 粒线体基因体可能是演化自被真核细胞前身胞饮的原核细胞 361
Box 12.4 演化树与水平基因移转 362
12.2.2 选汰压减轻导致粒线体遗传密码的分歧 363
12.2.3 脊椎动物基因体的演化可能和全基因体重复有关 363
12.2.4 在哺乳类基因体的演化过程中，可能发生过相当多次大规模的染色体重组 364
12.2.5 灵长类支系内发生的片段重复现象，与著丝点周围及次末端序列在演化上之不稳定性 366
12.2.6 人类的X和Y染色体有一段区域具有同源序列，其中包含两者共有的伪体染色体区域 367
12.2.7 人类的性染色体演化自体染色体，而定期的区域性重组抑制作用使性染色体逐渐分歧 368
12.2.8 性染色体之分化使得Y染色体逐渐退化，X染色体也发生不活化现象 371
12.3 分子系统发生学及比较基因体学 372
12.3.1 分子系统发生学利用序列排比重建演化树 372
12.3.2 新的电脑程式可以进行大规模以及全基因体序列之排比，有助于演化分析及辨认保守序列 374
12.3.3 基因数目通常与生物复杂度成正比关系 375
12.3.4 比较蛋白质体可以了解蛋白质逐渐特化的程度 376
12.4 生而为人 377
12.4.1 吾辈与鼠辈有何差异？ 378
12.4.2 人类与亲缘关系最近的巨猿有何不同？ 381
Box 12.5 常用之后生动物类群及词汇 383
12.5 人类族群之演化 385
12.5.1 遗传证据指出现代人类近期之起源来自非洲族群 385
12.5.2 人类的遗传多样性低且大多来自族群内变异而非族群间变异 387
Box 12.6 溯源分析 389
第三部分 致病基因与突变的定位与辨识 395
第十三章 孟德尔性质的基因图谱 397
13.1 重组与未重组 398
13.1.1 重组发生率可做为基因间距离之测量 398
13.1.2 不论物理距离多远重组发生率不超过0.5 398
13.1.3 图谱功能定义重组发生率与基因距离的关系 399
13.1.4 交叉点的个数和图谱总长度 399
13.1.5 物理与基因图谱：重组体的分布 400
13.2 基因标记 402
13.2.1 利用基因标记定位人类疾病基因图谱 402
13.2.2 藉由异型合子或多型性讯息内容来测量标记的讯息含量 402
Box 13.1 人类基因标记的建构过程 403
13.2.3 DNA多型性是目前所有基因标记的基础 403
Box 13.2 具讯息与不具讯息的减数分裂 404
13.3 双点基因图谱 404
13.3.1 在人类族谱中测得重组并不容易 404
13.3.2 Lod score分析是研究复杂家族中孟德尔特性间连锁的最佳方法 405
Box 13.3 计算图13.6中家族资料计算Lod score 406
13.3.3 Lod score为＋3和-2是连锁分析中连锁与排除连锁的临界值（对单一检定而言） 406
13.3.4 对整个基因组的搜寻需改用全基因体的显著性阈值 406
13.4 多点图谱分析较双点图谱分析具有效率 407
13.4.1 多点连锁分析可在标记架构下定位疾病基因位置 407
13.4.2 标记架构图谱：CEPH家庭 407
Box 13.4 贝氏方法计算连锁分析的阈值 407
13.4.3 多点疾病与标记的基因图谱 408
13.5 利用大家族与遗传单倍基因型建立细部基因图谱 408
13.5.1 全等对偶基因型图谱可有效地找出有近亲联姻的大家庭中之隐性遗传疾病 408
13.5.2 以高密度图谱分析对纤维囊肿及Nijmegen breakage syndrome鉴定遗传自共同祖先的片段 409
13.6 标准Lod score分析并非完美 411
13.6.1 基因型鉴定错误和诊断遗漏可能造成假的重组体 411
13.6.2 运算上的困难限制了可分析的家族大小 412
13.6.3 基因座的异质性常是人类基因图谱分析的陷阱 413
13.6.4 减数分裂基因图谱有密度的限制 413
13.6.5 不符合孟德尔性质的特征不适合用本章描述方法分析 413
第十四章 寻找人类疾病基因 415
14.1 寻找疾病基因的原则与策略 416
14.2 无关位置策略在寻找疾病基因上的应用 416
14.2.1 经由已知蛋白质产物来找出疾病基因 416
14.2.2 透过动物模型找出疾病基因 418
14.2.3 利用与无关位置的DNA序列资讯找出疾病基因 418
14.3 位置选殖法 418
14.3.1 第一步就是要尽可能地紧缩候选区域 419
14.3.2 一个选殖株的连续序列必须透过候选区域来建立 419
14.3.3 转录图谱定义了候选区域中所有的基因 420
14.3.4 从候选区域得到的基因必须优先做突变检测 421
Box 14.1 转录产物定址：以实验方法找出基因体选殖株中的表现序列，以补充资料库之不足 421
14.3.5 特别适切的小鼠突变品系 422
14.4 利用染色体的异常 423
14.4.1 患者具有平衡的染色体异常却带有无法解释的表型，是最令人感兴趣的 423
Box 14.2 绘制小鼠基因图谱 423
14.4.2 同时具有两个孟德尔遗传疾病、或有一个孟德尔遗传疾病加上心智障碍的患者，或许会有染色体上的缺失 425
Box 14.3 染色体异常的征兆 426
Box 14.4 位置效应：辨识疾病基因的陷阱 427
14.5 确认候选基因 428
14.5.1 利用突变的筛选来确认候选基因 428
Box 14.5 可用以检测次显微级的染色体不平衡之CGH 428
14.5.2 一旦确认了候选基因，下一步要做的就是了解其功能 429
14.6 以各种方法下找出疾病基因的八个实例 429
14.6.1 直接透过染色体的异常来找出基因：Sotos症候群 429
14.6.2 单纯以转录产物定址：Treacher Collins症候群 430
14.6.3 大规模的定序与寻找同源序列：branchio-oto-renal症候群 430
14.6.4 由功能来找出位置候选基因：视紫质与肌丝蛋白 431
14.6.5 透过人类与小鼠图谱的比较找出定位候选基因：PAX3与瓦登伯格氏症候群 431
14.6.6 由基因在体外的功能研究所得的推论：范可尼氏贫血 431
14.6.7 由基因在活体内的功能而推论：myosin 15与DFNB3致聋基因 431
14.6.8 由基因的表现模式推论：otoferlin 432
第十五章 定位与鉴定基因所授予复杂疾病的易感性 435
15.1 决定非孟德尔学派的特性是否具遗传性：家族研究，双胞胎研究和领养研究所扮演的角色 436
15.1.1 λ值为测量家族分群的数值 436
15.1.2 家族环境共享的重要性 436
15.1.3 双胞胎研究蒙受许多限制 436
15.1.4 领养研究：解开遗传基因和环境因子之谜的黄金标准 437
15.2 透过分离分析可解析那些介于纯孟德尔和纯多基因之间的表现特征 437
15.2.1 鉴取的偏差常是处理家族资料时的问题：例如体染色体隐性情况 438
15.2.2 复杂分离分析，是用来估计家族资料库中混杂的遗传因子之常见方法 438
15.3 复杂特性的连锁分析 439
15.3.1 标准对数积分分析通常不适合用于非孟德尔特性 439
Box 15.1 分离比率的校正 439
15.3.2 无母数连锁分析不需要遗传模式 440
15.3.3 家族中共享片段分析：患病手足对和患病家系成员分析 441
15.3.4 显著性的阈值在分析复杂疾病时为一个重要的考量 442
15.4 相关性研究和连锁不平衡 442
15.4.1 为什么会发生相关性 442
15.4.2 原则上相关性与连锁相当地不同，但是有家族和族群融合的地方，连锁和相关性亦会融合 443
Box 15.2 连锁不平衡的测量 443
15.4.3 许多研究显示连锁不平衡岛是因重组热点而被隔离 444
15.4.4 相关性研究的设计 445
Box 15.3 以传递不平衡检定（TDT）来判定标记对偶基因M1是否与疾病相关 446
15.4.5 连锁和相关性：互补的技术 447
15.5 定义易感性对偶基因 447
Box 15.4 以患病手足对（ASP）或传递不平衡检定（TDT），来进行全基因体扫描，找寻疾病易感性基因座所需要的样本数 447
15.6 例举八个成功剖析的复杂疾病例子 448
15.6.1 乳癌：孟德尔子集的定义造就了重要的医学进步，但不能解释一般偶发疾病的成因 448
15.6.2 先天性巨结肠症：一种寡基因疾病 450
15.6.3 阿兹海默症：遗传因子在一般的晚发型态与罕见的孟德尔早发型态（early-onset）中都很重要，但是这二种型态中的基因不同，作用机制也不同 450
15.6.4 第一型糖尿病：仍是遗传学者的梦魇？ 451
伦理Box1 阿兹海默症，ApoE检定和歧视 452
15.6.5 第二型糖尿病：二种易感性因子，一种为普遍而不易被连锁分析发现的因子；另一种为非常复杂且仅存在于某族群中 453
15.6.6 肠道炎疾病：一目了然的易感性基因 455
15.6.7 精神分裂症：精神病或行为失序的特别问题 455
15.6.8 肥胖：数量性状的遗传分析 456
15.7 总览和摘要 457
15.7.1 为什么这么困难？ 457
15.7.2 如果全部成功，且我们找出易感性对偶基因-接下来要做什么？ 457
第十六章 分子病理 461
16.1 导文 462
16.2 简单的对偶基因（allele）命名法（A和a）背后，隐藏的是复杂且变化多端的DNA序列 462
16.3 突变的第一种分类就是功能丧失突变以及功能获得突变 462
16.3.1 对分子病理学来说，重要的是突变基因的效应而非序列本身 462
Box 16.1 突变的主要类别 462
Box 16.2 描述序列改变的命名法 463
16.3.2 功能丧失突变里常可见基因的点突变造成和基因缺失一样的病理学改变 463
Box 16.3 描述对偶基因效应的命名法则 463
16.3.3 功能获得只会发生在基因里一个特定的突变而导致特定的病理 464
16.3.4 要决定一个DNA序列是否导致疾病的产生可能会颇具难度 465
16.4 「功能丧失」的突变 465
16.4.1 对基因而言，许多不同的改变会造成功能丧失 465
Box 16.4 血色素疾病 465
Box 16.5 检测DNA序列改变显著性之准则 466
16.4.2 单一对偶基因表现不足，基因的功能会减少50%，造成不正常的表现型 467
16.4.3 突变如发生在以二聚物或多聚物型态作用的蛋白质中，有时候会造成显性负向的效应 469
16.4.4 外遗传修饰能破坏基因的功能，甚至不需要DNA序列的改变 469
16.5 「功能获得」的突变 469
16.5.1 「获得新功能」常见于癌症，在遗传疾病中则很罕见 469
16.5.2 过度表现可能致病 470
16.5.3 基因产物数量的变化可能导致功能获得 471
16.6 分子病理学：从基因到疾病 471
16.6.1 功能丧失型突变：残余的基因功能程度决定表现型 471
Box 16.6 Prader-Willi和Angelman症候群的分子病理学 472
16.6.2 同一基因上，功能丧失型及功能获得型突变会导致不同疾病 474
16.6.3 家族内变异是修饰基因的结果，还是单纯突变的结果 475
16.6.4 新病因：不稳定扩展的重复序列 476
16.6.5 蛋白质聚集：功能获得型疾病的共同致病机制 478
16.6.6 粒线体突变、异质化及不稳定：增加基因型与表现型之间的变数 478
16.7 分子病理学：从疾病到基因 478
16.7.1 引起疾病的基因也许不是最明显的那一个 479
16.7.2 遗传异质性的情形是常见的而不是例外 479
16.7.3 同一个基因家族中不同成员的突变会造成一系列的相关症候群 479
16.7.4 临床或是分子生物的疾病分类方法提供思考疾病的不同工具，而这两种方法在各自的领域里都是可令人信服的 480
16.8 染色体异常之分子病理学 480
16.8.1 微基因缺失症候群连接起单一基因与染色体异常症候群关联性的鸿沟 480
16.8.2 非整倍数染色体可能起因于某些少数可鉴定之基因间的剂量不平衡 483
第十七章 癌症遗传学 487
17.1 导言 488
17.2 癌症的演化 488
17.3 致癌基因 489
17.3.1 致癌基因的历史 489
Box 17.1 两种方式让制造一系列成功突变更为可能 489
17.3.2 致癌基因的功能 490
17.3.3 前致癌基因的活化 490
17.4 肿瘤抑制基因 492
17.4.1 以视网膜母细胞瘤为例 492
17.4.2 筛检异型合子性状消失广泛地应用在确认肿瘤抑制基因的位置 497
17.4.3 肿瘤抑制基因的活性常因甲基化等外遗传因素而被默化 497
17.5 基因体的稳定性 497
17.5.1 染色体的不稳定 497
17.5.2 DNA的修复和DNA的不稳定 499
17.5.3 遗传性非息肉结肠癌与微卫星不稳定 499
17.5.4 p53与细胞凋亡 500
17.6 细胞周期的调控 501
17.6.1 G1-S检查点 501
17.7 整合性资料：路径和能力 502
17.7.1 结肠直肠癌的发展路径 502
17.7.2 一个成功的肿瘤必须得到6种能力 503
17.8 如何整合所有的知识？ 504
第十八章 个人与族群的遗传检验 509
18.1 导论 510
18.2 检验材料的选择：DNA、RNA或蛋白质 510
18.3 扫描突变基因 511
18.3.1 以定序为基础的方法 511
18.3.2 利用错配侦测或异质双股的方法 511
18.3.3 利用单股构形分析的方法 512
18.3.4 以转译为基础的方法：蛋白质截断检测 513
18.3.5 侦测基因缺失的方法 513
18.3.6 侦测DNA甲基化样式的方法 514
18.4 检测是否带有特定的序列改变 515
18.4.1 数种可用于特定变异基因型鉴定的简易方法 516
Box 18.1 多引子可增幅探针杂合法 518
18.4.2 利用高通量基因型鉴定的方法 519
18.4.3 三核苷酸重复疾病的遗传检测 519
18.4.4 地缘关系为某些检验的重要考量 521
18.5 基因追踪 521
18.5.1 基因追踪三步骤 521
Box 18.2 两种高通量基因型鉴定的方法 524
18.5.2 重组使得基因追踪的准确性有其基本限制 523
18.5.3 基因追踪的风险估算 524
Box 18.3 基因追踪的逻辑 527
18.5.4 裘馨氏肌肉萎缩症的特殊问题 527
18.6 族群筛检 529
18.6.1 可接受的筛检程序必须符合某些要求 529
Box 18.4 贝氏定理在结合机率中之应用 529
18.6.2 以明确性与灵敏性评估筛选检测技术的完成度 530
18.6.3 遗传筛检计画的架构 530
18.7 DNA特征在个体识别及鉴定亲缘关系之应用 532
18.7.1 许多不同类型的DNA多型性变异都可用来定出特征 532
18.7.2 DNA特征可用于决定孪生中的同卵或异卵双生 532
18.7.3 DNA概廓可用于反驳或证实父方的亲缘 534
18.7.4 DNA特征是刑案调查上的一个强大工具 534
Box 18.5 原告的谬误 535
第四部分 迎向二十一世纪的新视野 537
第十九章 深入基因体计划：功能基因体学，蛋白质体学及生物资讯学 539
19.1 功能基因体学概论 540
19.1.1 由人类基因体计画所产生的资料如果没有加上基因注解的话，用途将十分有限 540
19.1.2 个别基因的功能，可以透过生化、细胞与个体的层级来加以描述 540
19.1.3 基因与基因间的功能关系必须以转录体与蛋白质体的角度来探讨 540
Box 19.1 葡萄糖激酶的功能 541
19.1.4 体现功能基因体学的科技：高通量分析技术与生物资讯学 541
19.2 以序列比对来进行功能的注解 541
19.2.1 基因的可能功能可以透过序列比对来加以注解 541
19.2.2 透过保守序列搜寻的方法能增加具同源关系的序列资讯数量 543
19.2.3 比较基因体间的异同能找出保守及功能上重要的序列 543
19.2.4 利用比较基因体学能找出及了解与人类疾病相关的基因 544
19.2.5 有少数的基因无法以同源序列搜寻来加以注解 545
19.3 整体mRNA的表现概况（转录体学） 545
19.3.1 透过基因表现的分析可以呈现出正常与罹病细胞中基因表现模式的改变，与整个生化反应调控机制 545
19.3.2 序列的直接抽样分析是一种可以决定不同相对转录程度的统计方法 546
Box 19.2 以序列抽样的技术来进行基因表现的全面性分析 547
19.3.3 DNA微阵列乃是利用多重杂合反应来一次同时侦测成千以上的转录基因表现量 548
19.3.4 DNA晶片的数据分析乃牵涉到以反覆的演算法来进行相关资料点距离矩阵的建立与丛集分析 550
19.3.5 DNA基因晶片已被广泛地应用在人类细胞株、组织检体与疾病模式动物的整体基因表现之研究 552
19.4 蛋白质体学 553
19.4.1 蛋白质体学涵盖了蛋白质表现、蛋白质结构与蛋白质间交互作用的分析 553
19.4.2 由于二维胶体电泳与质谱仪这两种主要新技术平台的组合，使得表现蛋白质体学得以蓬勃发展 554
Box 19.3 蛋白质晶片 554
Box 19.4 蛋白质体学上的质谱分析应用 557
19.4.3 藉由蛋白质表现的程度，可以用来研究与疾病及毒性相关的蛋白质变化 558
19.4.4 蛋白质结构提供了重要的功能资讯 559
19.4.5 有许多不同的方法可以用来研究蛋白质交互作用 562
Box 19.5 蛋白质结构的决定 563
19.4.6 利用选殖库为基础的方法可以进行高通量的交互作用筛选 564
Box 19.6 蛋白质的结构分类 567
19.4.7 蛋白质交互作用研究所面临的挑战，乃是如何去建构出细胞功能交互作用的网路 571
19.4.8 蛋白质与小分子配位体的交互作用资料，可以增加我们对于生物分子的了解，并提供合理化药物设计的基础 572
19.5 总结 572
第二十章 动物与细胞的遗传操控 575
20.1 基因转殖技术概观 576
20.2 基因转殖的原理 576
20.2.1 基因转殖可在培养的动物细胞中，导入带有特定功能的新DNA序列，使其短暂或稳定表现 576
20.2.2 要产生基因转殖动物，必须有稳定转型的生殖系细胞 577
Box 20.1 常用于动物细胞培养的基因转殖方法 578
Box 20.2 适用于动物细胞的筛选标记 579
Box 20.3 哺乳类胚胎干细胞的分离与操作 582
20.2.3 在进行基因转殖实验中，如何控制转殖基因的表现是非常重要的 584
20.2.4 基因转殖也可以用来产生特定突变类型，与破坏内在原有基因的表现 586
20.2.5 透过基因标定的方法，可以产生全身细胞都带有特定类型突变的动物 588
20.2.6 位置专一性重组使我们能够控制条件化基因失能与染色体工程 589
20.2.7 转殖基因策略可以用来抑制内在基因的功能 591
20.3 以基因转殖研究基因的表现与其功能 594
20.3.1 应用回报基因以研究基因的表现与调节 594
Box 20.4 适用于动物细胞的回报基因 595
20.3.2 基因功能可藉由产生功能缺失与获得功能的突变与拟表型等方法进行研究 595
20.3.3 以大规模的嵌入致变与有系统的RNA干扰试验分析，是功能基因体学的基石 597
Box 20.5 用以产生嵌入致变的嵌入载体，本身带有精巧的设计 599
20.4 以基因转殖与基因标定技术产生疾病模式 599
20.4.1 以细胞培养模拟疾病发生过程与药物治疗的模型 599
20.4.2 要辨识出自发性或随机突变产生的动物疾病模式有时很困难 600
20.4.3 小鼠已广泛应用为人类疾病模式，因为可依照预期位点产生特定突变类型 602
20.4.4 「失去功能」的突变可用基因标定的方法模拟，「获得功能」的突变则可用表现显性突变基因产生 602
Box 20.6 不同物种模拟人类疾病的潜力 603
20.4.5 越来越多的研究者注意到可应用基因转殖动物来建立复杂缺陷的模型 604
20.4.6 以小鼠建立人类疾病模式的目标，也许会因人与小鼠之间的差异而难以达成 605
第二十一章 治疗疾病的新方法 609
21.1 遗传性疾病的治疗与用遗传方式治疗疾病并不相同 610
21.2 遗传性疾病的治疗 610
21.3 运用遗传知识改进既有的疗法并促使传统疗法升级 610
21.3.1 药物遗传学提供提升药物有效性和减低药物副作用的愿景 610
21.3.2 药厂大量投资基因体研究以期找到新的药物目标 611
21.3.3 以细胞为基础的治疗法为器官移植带来新契机 611
21.3.4 重组蛋白质与疫苗 613
Box 21.1 1995年美国国家卫生院对基因疗法调查小组的报告 619
21.4 基因疗法的原理 616
21.5 在标的细胞或组织中插入并表现基因的方法 616
21.5.1 基因被转殖入受体细胞可在实验室内或病人体内完成 616
21.5.2 基因建构物可被设计成嵌入到宿主细胞的染色体中或自成一个附加基因体 616
伦理Box 1人类复制的伦理议题 614
伦理Box 2生殖细胞基因疗法对上体细胞基因疗法 617
伦理Box 3订制婴儿 619
21.5.3 病毒是基因疗法上最常使用的载体 619
21.5.4 非病毒载体系统避免了大多数重组病毒的安全问题，但基因转殖率普遍较低 622
21.6 在细胞或组织中修补或抑制致病基因的方法 624
21.6.1 利用同源重组修复突变基因 624
21.6.2 利用反意寡核苷酸抑制转译 624
21.6.3 利用核醣酶选择性地破坏或修复mRNA 625
21.6.4 利用RNA干扰法（RNAi）选择性地抑制突变基因 625
21.7 人类基因疗法的例子 625
21.7.1 第一个成功的例子：X染色体连锁的严重复合免疫不全症 626
21.7.2 囊胞性纤维症基因疗法的尝试 626
21.7.3 裘馨氏肌肉萎缩症（DMD）基因疗法的尝试 627
21.7.4 癌症的基因疗法 628
21.7.5 感染症的基因疗法：自体免疫缺乏病毒（HIV） 628
专有名词 631
疾病索引 645
索引 647