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RNA 22
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）DNAP 118
（二）DNA解链酶 125
（三）SSB 126
（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）BER 176
（二）NER 179
（三）MMR 184
Box 5-3真核生物错配修复系统如何发现错配碱基？ 186
三、DSBR 187
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RNAP 251
（二）古菌的RNAP 252
（三）真核细胞的RNAP 252
（四）由病毒编码的RNAP 254
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CCA 294
（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、mRNA 338
三、tRNA 339
（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RNA 446
（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 RNA 496
（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lncRNA 504
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BAC 540
（五）YAC和HAC 541
（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）RE 542
（二）DNA连接酶 544
（三）DNA聚合酶 544
（四）逆转录酶 544
（五）核糖核酸酶H 544
（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-PCR 562
二、反向PCR 563
三、巢式PCR 563
四、递减PCR 563
五、原位PCR 563
六、菌落PCR 563
七、简并PCR 564
八、多重PCR 564
九、不对称PCR 564
十、热不对称交错PCR 564
十一、标记PCR 564
十二、实时定量PCR 565
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、Cas9 586
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