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第1篇 化学和遗传学1

第1章 孟德尔学派的世界观7

第2章 核酸承载遗传信息22

第3章 弱化学作用的重要性46

第4章 高能键的重要性60

第5章 弱键和强键决定大分子的结构72

第2篇 基因组的维持99

第6章 DNA和RNA的结构105

第7章 基因组结构、染色体、染色质和核小体139

第8章 DNA的复制195

第9章 DNA的突变和修复260

第10章 分子水平上的同源重组286

第11章 位点特异性重组和DNA转座319

第3篇 基因组的表达373

第12章 转录机制379

第13章 RNA剪接418

第14章 翻译460

第15章 遗传密码522

第4篇 调控539

第16章 原核生物的基因调控545

第17章 真核生物的基因调控585

第18章 调控RNA631

第19章 发育和进化的基因调控660

第20章 基因组分析与系统生物学705

第5篇 方法735

第21章 分子生物学技术741

第22章 模式生物784

索引819

第1篇 化学和遗传学7

第1章 孟德尔学派的世界观7

孟德尔的发现8

框1-1 孟德尔定律8

独立分离律9

有些等位基因既非显性也非隐性10

独立分配律10

遗传的染色体理论12

基因连锁和交换12

框1-2 基因串联在染色体上12

染色体定位15

突变引起遗传变异18

早期关于基因是什么以及如何发挥作用的推测18

发现基因与蛋白质相互关系的初步尝试19

小结20

参考文献20

第2章 核酸承载遗传信息22

Avery的惊人发现：DNA能够携带遗传特性23

病毒基因也是核酸24

双螺旋25

框2-1 Chargaff定律27

合成DNA的聚合酶的发现28

支持DNA复制过程中双链分开的实验证据29

DNA中的遗传信息是由4种核苷酸单元形成的序列所承载的32

框2-2 基因控制蛋白质中氨基酸顺序的证据32

DNA不是直接决定所合成的蛋白质的模板34

RNA与DNA具有非常相似的化学性质34

中心法则35

Crick的适配子假设36

转运RNA的发现36

核糖体的矛盾问题：缺乏特异性37

信使RNA（mRNA）的发现37

以DNA为模板酶促RNA的合成39

遗传密码的破译40

确定蛋白质合成的方向41

起始和终止信号也由DNA编码43

基因组学时代43

小结44

参考文献44

第3章 弱化学作用的重要性46

化学键的特征46

化学键的量子机制解释47

化学键的形成涉及能量形式的变化48

化学键形成与断裂的平衡48

自由能的概念48

Keq与△G成指数关系49

共价键是很强的49

生物体系中的弱化学键49

弱化学键具有1～7kcal／mol的能量50

生理温度下弱化学键不断形成和断裂50

极性与非极性分子的区别50

范德华力50

氢键53

某些离子键也是氢键54

弱相互作用需要互补的分子表面54

水分子形成氢键54

水溶液中分子间的弱化学键55

框3-1 分子外形的唯一性和选择性结合的概念55

倾向于形成氢键的有机分子是水溶性的56

疏水“键”稳定大分子57

△G具有的2～5kcal／mol的优势57

弱化学键使酶与底物结合58

大多数蛋白质-DNA、蛋白质-蛋白质相互作用由弱化学键介导58

小结58

参考文献59

第4章 高能键的重要性60

供能分子是热不稳定的60

酶在生物反应中降低反应的活化能62

生物分子中的自由能62

具有高负值△G的高能键水解作用63

生物合成反应中的高能键64

肽键的自发水解65

负值△G与正值△G的耦联65

基团转移反应中前体的活化66

基团转移中ATP的多变性66

与AMP连接使氨基酸活化67

核酸前体被P～P活化68

核酸合成过程中释放的P～P能量值68

P～P分裂是大多数生物合成反应的特征69

小结70

参考文献71

第5章 弱键和强键决定大分子的结构72

分子间和分子内相互作用决定高度有序结构73

DNA能够形成规则的螺旋73

RNA形成多种多样的结构74

蛋白质构成单元的化学特性75

肽键76

蛋白质具有4级结构76

框5-1 蛋白质结构的确定77

α螺旋和β折叠是常见的二级结构形式78

氢键的排列方式决定蛋白质的特定构型81

α螺旋相互结合形成卷曲螺旋81

大多数蛋白质由两个或三个结构域装配而成83

框5-2 大蛋白质通常由数个小多肽链组成84

蛋白质由少数几种结构模式所组成85

蛋白质的不同功能来自于结构域组合的多样性85

弱化学键决定蛋白质在DNA和RNA分子上的正确位置86

蛋白质沿DNA扫描寻找特定的DNA结合位点88

蛋白质识别RNA的不同策略89

变构：通过改变蛋白质的外形调节其功能91

通过小配体、蛋白质-蛋白质相互作用和蛋白质修饰等例子了解变构调控的结构基础92

并非所有的蛋白质调控都由变构介导94

小结95

参考文献97

第2篇 基因组的维持第6章 DNA和RNA的结构105

DNA的结构106

DNA由多核苷酸链构成106

每个碱基都有它首选的异构体107

双螺旋的两条链通过碱基反向平行配对连接在一起108

双螺旋的两条链序列互补109

氢键对碱基配对特异性的重要作用110

碱基会从双螺旋中翻转出来110

DNA通常是右手双螺旋111

双螺旋有大沟和小沟111

框6-1 云母实验表明溶液中双螺旋DNA每一螺周含有10．5个碱基对112

大沟中有丰富的化学信息113

双螺旋以多重构象存在114

重要实验115

框6-2 如何通过X射线胶片中的斑点揭示DNA结构115

DNA有时可形成左手螺旋117

DNA双链可以分开（变性）和复性118

一些DNA为环状分子120

DNA拓扑学121

连环数是共价闭环DNA的固有拓扑特性122

连环数由扭转数和缠绕数共同决定122

Lk°是生理条件下完全松弛态cccDNA的连环数123

细胞中DNA呈负超螺旋124

真核细胞中核小体引入了负超螺旋125

拓扑异构酶可使超螺旋DNA解旋125

原核生物中存在引导DNA超螺旋形成的特殊拓扑异构酶126

拓扑异构酶也可以解链和松弛DNA分子126

拓扑异构酶通过蛋白质-DNA的共价连接裂解DNA链或使它们重新连接127

拓扑异构酶构成“酶桥”让DNA片段往来穿梭128

DNA拓扑异构体可被电泳分离129

框6-3 DNA环的拓扑学特性证明了DNA每周螺旋含有10．5个碱基对的螺旋周期性130

溴乙锭离子可使DNA解旋131

RNA的结构132

RNA含有核糖和尿嘧啶，通常是单链132

RNA链自身折叠形成局部双螺旋，类似A-DNA133

RNA可折叠成复杂的三级结构134

一些RNA可以是酶类135

锤头状核酶通过形成2′，3′-环磷酸剪切RNA135

生命是否起源于RNA世界？136

小结136

参考文献138

第7章 基因组结构、染色体、染色质和核小体139

基因组序列和染色体多样性140

染色体可以是环状或线性的140

每个细胞都有特定的染色体数目141

基因组的大小与生物体的复杂度相关142

E．coli的基因组几乎全部由基因构成143

复杂度高的生物基因密度低144

基因仅占真核染色体DNA的一小部分144

人的基因间隔区序列主要由重复DNA构成147

染色体的复制和分离147

真核染色体在细胞分裂过程中需要着丝粒、端粒和复制起始位点147

真核染色体的复制和分离发生在细胞周期的分裂期150

真核细胞分裂时染色体的结构发生变化152

SMC蛋白介导姐妹染色单体的黏附和染色体的凝聚153

有丝分裂维持亲本染色体的数目153

细胞周期的间期为下一个细胞周期作准备，同时检查上一个阶段是否正确完成156

减数分裂减少了亲本染色体的数目156

在显微镜下可观察到不同时期的染色体结构158

核小体159

核小体是染色体的结构单位159

框7-1 微球菌核酸酶和核小体DNA160

组蛋白是带正电荷的小分子蛋白质161

核小体的原子结构162

核小体中DNA的组蛋白结合区164

许多不依赖于DNA序列的接触介导核心组蛋白与DNA间的相互作用165

组蛋白的N端尾可稳定盘绕在八聚体上的DNA166

缠绕组蛋白核心的DNA呈负超螺旋特性167

框7-2 核小体和超螺旋密度168

染色质的高级结构170

异染色质和常染色质170

组蛋白H1与核小体之间的连接DNA结合171

核小体束能形成更复杂的结构：30nm的纤丝172

组蛋白N端尾巴对于30nm纤丝的形成是必需的173

DNA的进一步凝聚与核小体DNA的大环有关174

组蛋白的变构体影响核小体功能175

染色质结构的调控176

DNA与组蛋白八聚体的相互作用是一动态的过程176

核小体重塑复合体有助于核小体的运动177

某些核小体处于特定的位置：核小体的定位180

组蛋白N端尾巴的修饰可改变染色质的易接近性181

框7-3 细胞中核小体定位的实验182

核小体重塑和修饰复合物的蛋白结构域识别经修饰的组蛋白185

特定的酶负责组蛋白的修饰186

核小体的修饰和重塑共同增加DNA的易接近性187

核小体的组装189

DNA复制后核小体组装即开始189

核小体的组装需要组蛋白“伴侣”189

小结192

参考文献194

第8章 DNA的复制195

DNA合成的化学基础196

DNA合成需要脱氧核苷三磷酸和引物-模板接头196

DNA通过引物3′端的延伸进行合成197

焦磷酸水解是DNA合成的驱动力197

DNA聚合酶的作用机制198

DNA聚合酶用一个活性位点催化DNA的合成198

框8-1 核素掺入法用来测定核酸和蛋白质合成200

框8-2 抗癌和抗病毒试剂靶向DNA复制202

DNA聚合酶像手一样握住引物：模板接头203

DNA聚合酶是一种延伸酶207

外切核酸酶校正新合成出的DNA209

复制叉210

复制叉上DNA的两条链同时合成210

DNA新链的起始需要一条RNA引物211

完成DNA复制必须除去RNA引物212

DNA解旋酶在复制叉之前解开双螺旋212

框8-3 DNA解旋酶极性的确定213

DNA解螺旋酶牵拉单链DNA通过蛋白质中心的孔215

复制前单链结合蛋白使单链DNA稳定216

拓扑异构酶除去DNA解螺旋时在复制叉上产生的超螺旋217

复制叉酶扩大了DNA聚合酶底物的范围217

DNA聚合酶的特化219

细胞中DNA聚合酶为行使不同的功能而被特化219

滑动夹极大地增加了DNA聚合酶的延伸能力221

滑动夹通过滑动夹装载器打开并安置在DNA上224

框8-4 ATP控制蛋白的功能：滑动夹的装载224

复制叉上的DNA合成227

复制叉蛋白之间的相互作用形成E．coli的复制体230

DNA复制的起始231

特定的基因组DNA序列指导DNA复制的起始231

复制起始的复制子模型232

复制器序列包括起始子结合位点和容易解旋的DNA233

框8-5 复制起始位点和复制器的鉴别234

结合和解旋：起始子蛋白对复制起始位点的选择和激活237

蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA相互作用指导起始过程238

真核染色体每一个细胞周期精确地复制一次238

框8-6 复制工厂假说240

前复制复合体的形成指导真核细胞中的复制起始243

对pre-RC形成和激活的调控使每个细胞周期中仅有一轮复制发生245

真核和原核生物DNA复制起始的相似性246

框8-7 E．coli复制受DnaA-ATP水平和SeqA的调控247

结束复制249

子代DNA分子的分离需要拓扑异构酶Ⅱ249

后随链的合成不能复制线性染色体的最末端250

端粒酶是一种新型的DNA聚合酶，它不需要外源模板252

端粒酶通过延伸染色体3′端解决了末端复制问题252

框8 8 衰老、癌症和端粒假说254

端粒结合蛋白调节端粒酶活性和端粒长度255

端粒结合蛋白保护染色体末端255

小结257

参考文献259

第9章 DNA的突变和修复260

复制错误及其修复261

突变的本质261

框9-1 三联核苷酸重复的扩增导致疾病262

有些复制错误能逃脱校正读码262

错配修复能将逃脱校正读码的错误去除262

DNA损伤267

DNA的自发损伤：水解和脱氨基作用267

框9-2 Ames测试268

DNA损伤：烷化反应、氧化反应和辐射269

突变还可由碱基类似物和嵌入剂引起271

DNA损伤的修复271

DNA损伤的直接逆转273

碱基切除修复酶通过碱基弹出机制除去受损碱基274

核苷酸切除修复酶在损伤两侧切割受损的DNA275

重组修复通过从未受损DNA中找回序列信息来修复DNA断裂278

DNA中的DSB可以通过直接与断裂末端相连而修复278

框9-3 非同源末端连接280

移损DNA合成使复制越过DNA损伤继续进行282

框9-4 Y家族DNA聚合酶283

小结284

参考文献285

第10章 分子水平上的同源重组286

DNA断裂频发并启动同源重组287

同源重组的模式288

链入侵是同源重组的关键早期步骤289

Holliday联结体拆分是完成遗传物质交换的重要一步289

双链断裂修复模型描绘了许多重组事件292

框10-1 如何拆分有两个Holliday联结体的重组中间体293

同源重组中的蛋白质机器294

RecBCD解旋酶／核酸酶加工用于重组的DNA分子断裂295

Chi位点控制RecBCD298

RecA蛋白在单链DNA上组装并促进链侵入299

在RecA蛋白丝里建立新的配对DNA301

所有的生物都有RecA同源物302

RuvAB复合体特异性地识别Holliday联结体并促进分支移位303

RuvC剪切位于Holliday联结体的特定DNA链从而结束重组303

真核细胞的同源重组304

真核细胞的同源重组具有额外的功能304

同源重组保证减数分裂中染色体的分离305

减数分裂中程序化生成的DNA双链断裂307

MRX蛋白作用于被切开的DNA末端，以组装类RecA的链交换蛋白308

Dmcl是专一在减数分裂重组中行使功能的类RecA蛋白309

多种蛋白质共同促进减数分裂重组310

框10-2 肿瘤抑制基因BRCA2的产物和Rad51蛋白相互作用并调控基因组的稳定性311

交配型的转换312

特定位点的双链DNA断裂引发交配型转换313

交配型转换是一种基因转变事件，与交换无关313

同源重组机制的遗传结果315

重组时的DNA修复基因转变的起因之一316

小结316

参考文献318

第11章 位点特异性重组和DNA转座319

保守性位点特异性重组（CSSR）320

发生在靶DNA上特定DNA序列的位点特异性重组320

位点特异性重组酶通过一个蛋白质-DNA的共价中间体对DNA进行切割并重新连接322

丝氨酸重组酶诱导DNA双链断裂及链交换，促成重组323

丝氨酸重组酶-DNA复合体的结构揭示了它通过亚基旋转以完成链交换324

酪氨酸重组酶每次断裂和结合一对DNA单链325

酪氨酸重组酶与DNA结合的结构揭示了DNA交换的机制326

框11-1 位点特异性重组在遗传工程中的应用327

位点特异性重组的生物学作用327

λ整合酶催化病毒基因组在宿主细胞染色体上的整合和切除329

λ细菌噬菌体的切除需要一个新的折叠DNA的蛋白质331

Hin重组酶颠倒一段DNA片段，使得特定基因开始表达331

Hin重组过程需要一个DNA增强子333

重组酶将多聚环状DNA分子转换成单体334

框11-2 Xer重组酶催化细菌染色体和很多细菌质粒的单体化335

还有其他一些机制能够指导特定DNA片段的重组337

转座337

一些遗传因子通过转座被移位到染色体的新位置上337

三类基本的转座因子339

DNA转座子上带有一个转座酶基因，两端是重组位点340

转座子包括自主转座子和非自主转座子340

类病毒反转录转座子和反转录病毒带有末端重复序列和两个对重组很重要的基因340

像基因的聚腺苷酸反转录转座子341

DNA转座的剪切-粘贴机制341

剪切-粘贴转座中的中间体由缺口修复来完成343

DNA转座中断裂非转移链的多种机制343

DNA的复制性转座345

类病毒反转录转座子和反转录病毒通过一个RNA中间体实现移位347

框11-3 反转录病毒cDNA的合成途径349

DNA转座酶和反转录整合酶同属于一个蛋白超家族351

聚腺苷酸（poly-A）反转录转座子通过一种“反向剪切”机制进行移位352

转座子及其调控的实例353

框11-4 玉米转座因子及转座子的发现355

IS4家族的紧密型转座因子通过多种机制实现对拷贝数的控制357

Tn10的转座伴随着细胞DNA的复制358

框11-5 转座的靶免疫机制359

Mu噬菌体是一种异常活跃的转座子361

Mu噬菌体通过靶位点免疫来避免其转座到自身DNA上361

Tcl／mariner因子是真核细胞中极其成功的DNA转座因子363

酵母Ty因子转座到基因组的安全港363

LINE因子能够推动自身转座，还能转座细胞RNA364

V（D）J重组366

V（D）J重组中的早期活动是通过一种类似于转座子切除的机制实现的368

小结370

参考文献371

第3篇 基因组的表达第12章 转录机制379

RNA聚合酶和转录周期380

RNA聚合酶具有不同形式，但有许多共同特性380

由RNA聚合酶进行的转录是由一系列步骤完成的383

转录起始包括三个定义明确的步骤383

细菌的转录周期385

细菌的启动子在强度和序列上是多样的，但是具有某些明确的特征385

框12-1 共有序列387

σ因子介导聚合酶与启动子的结合388

向开放式复合体的转变过程涉及RNA聚合酶和启动子DNA的结构变化389

转录由RNA聚合酶起始，不需要引物390

转录起始阶段，RNA聚合酶保持位置不变并将下游DNA拉向自己391

启动子逃离涉及聚合酶-启动子相互作用及聚合酶核心-σ相互作用的破坏392

延伸聚合酶是一个边合成边校对RNA的向前行进的机器393

框12-2 单亚基RNA聚合酶393

RNA聚合酶可能变得停滞不前，需要挪走395

转录由RNA序列内部信号终止396

真核生物的转录397

RNA聚合酶Ⅱ的核心启动子由4个不同序列的元件组合而成398

RNA聚合酶Ⅱ在启动子上和通用转录因子形成前起始复合体399

启动子逃离需要聚合酶“尾巴”的磷酸化400

TBP用一个插入双螺旋小沟的β折叠来结合并扭曲DNA402

其他通用转录因子在起始中也有特殊作用403

体内的转录起始需要其他蛋白质参与，包括中介蛋白复合体404

中介蛋白包含很多亚基，其中有些亚基从酵母到人类是保守的405

一组新的因子激发PolⅡ延伸和RNA校对406

延伸RNA聚合酶在行进过程中必须应对组蛋白408

延伸聚合酶与各种RNA加工所需要的一组新的蛋白质因子相互作用409

由RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ催化的转录413

RNA聚合酶Ⅰ和Ⅲ识别不同的启动子，使用不同组别的转录因子，但还是需要TBP413

PolⅢ启动子位于转录起始位点的下游414

小结415

参考文献417

第13章 RNA剪接418

RNA剪接的化学基础420

RNA序列决定剪接位点420

框13-1 腺病毒和RNA剪接的发现421

当内含子两边的外显子连接时，内含子是以套索结构被除去的423

不同的RNA分子的外显子可以通过反式剪接的方式连接起来425

剪接体425

RNA剪接是由一个叫做剪接体的大复合体执行的425

剪接过程427

剪接体内的组装、重排与催化反应：剪接过程427

自剪接内含子的存在表明RNA可以催化RNA剪接429

Ⅰ类自剪接内含子释放出线形内含子，而不是一个套索结构429

框13-2 Ⅰ类自剪接内含子转化为核酶430

剪接体怎样可靠地确定剪接位点？432

少数内含子是由另一组snRNP组成的另一种剪接体来剪接的434

替换剪接435

通过替换剪接一个基因可以得到多个产物435

确保互不相容性剪接的几种机制437

关于果蝇的Dscam基因的特例：大范围的互不相容性剪接439

Dscam外显子6的互不相容性剪接无法用任何一种标准机制来解释，而要用一种新的策略来解释440

可变剪接受激活因子和抑制因子调控441

可变剪接的调控决定了果蝇的性别444

框13-3 停泊位点和选择子序列的鉴定446

框13-4 Pre-mRNA剪接错误导致人类疾病448

外显子改组（Exon Shuffling）449

外显子通过重组的方式完成改组，从而产生了编码新蛋白质的基因449

RNA编辑451

RNA编辑是改变mRNA序列的另一种方法451

引导RNA指导尿嘧啶的插入和删减453

框13-5 脱氨酶和HIV453

mRNA转运455

一旦完成加工，mRNA会包装好并从细胞核输出到细胞质用于翻译455

小结457

参考文献459

第14章 翻译460

信使RNA461

多肽链是由可读框规定的461

原核细胞mRNA具有核糖体结合位点，用以募集翻译机器462

真核细胞mRNA在5′和3′端被修饰，以促进翻译463

转移RNA464

tRNA是密码子和氨基酸之间的转配器464

框14-1 CCA添加（CCA-Adding）酶：无模板合成RNA465

tRNA都有三叶草型的二级结构465

tRNA具有L状的三维结构466

连接氨基酸到tRNA上466

氨基酸通过高能酰基连接到tRNA 3′端的腺苷酸上使tRNA负载466

氨基酰tRNA合成酶分两步使tRNA负载467

每种氨基酰tRNA合成酶连接一个氨基酸到一个或多个tRNA上469

tRNA合成酶识别同族tRNA（cognate tR-NA）的独特结构469

氨基酰tRNA的形成是非常精确的470

某些氨基酰tRNA合成酶利用编辑口袋来高精度地负载tRNA471

核糖体不能辨别tRNA的负载是否正确472

框14-2 硒化半胱氨酸（selenocysteine）472

核糖体473

核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的474

大、小亚基在翻译的每次循环过程中都经历结合与分离474

新的氨基酸连接在延伸肽链的C端476

肽键是通过将正在延伸的多肽链从一个tRNA转移到另一个tRNA而形成的477

核糖体RNA是核糖体中的结构和催化决定因子478

核糖体有3个tRNA结合位点478

穿过核糖体的通道可以使mRNA和多肽链进出核糖体480

翻译的起始481

原核细胞的mRNA最初是通过与rRNA的碱基配对而募集到小亚基上482

负载着修饰甲硫氨酸的特定的tRNA直接结合到原核细胞的小亚基上482

三种起始因子指导包含mRNA和起始tRNA的起始复合物的装配483

真核细胞的mRNA通过5′帽吸引核糖体484

框14-3 uORF和IRES：证明规则的特例487

起始密码子是从mRNA的5′端向下游“扫描发现”的488

翻译起始因子使真核mRNA保持环状489

翻译延伸489

氨基酰tRNA由延伸因子EF-Tu送达A位点490

核糖体利用多种选择机制排斥错误配对的氨基酰tRNA490

核糖体是核酶492

肽键形成和延伸因子EF-G促进了tRNA和mRNA的易位496

EF-G通过取代结合在A位点的tRNA来驱动易位497

EFTu-GDP和EF-GGDP在参加新一轮延伸之前必须将GDP换成GTP498

形成肽键的一个循环要消耗两个GTP分子和一个ATP分子498

框14-4 GTP结合蛋白、构象转变以及翻译事件的忠实性和次序499

翻译终止500

释放因子在终止密码子的作用下终止翻译500

Ⅰ类释放因子的一小段区域识别终止密码子并催化多肽链的释放501

GDP／GTP交换和GTP水解调控Ⅱ类释放因子的功能501

核糖体回收因子模仿tRNA503

框14-5 抗生素通过阻遏翻译的某些特定步骤抑制细胞分裂505

翻译的调控507

蛋白质或RNA在核糖体结合位点附近结合下调细菌翻译的起始507

原核翻译调控：核糖体蛋白是其自身合成的翻译抑制因子508

真核翻译总体调节因子以mRNA识别及起始tRNA核糖体结合所需的主要因子为靶标511

通过对mRNA特异的4E-BPs进行的翻译空间调控511

一个铁离子调控的RNA结合蛋白控制转铁蛋白的翻译513

酵母转录激活因子Gcn4的翻译受到上游短ORF及三元复合物丰度的调控514

依赖翻译的mRNA和蛋白质的稳定性调节516

SsrA RNA援救翻译缺陷mRNA的核糖体516

真核细胞降解不完整的或终止密码子提前的 mRNA517

小结519

参考文献521

第15章遗传密码522

遗传密 码具简并性522

认识密码子组成的规律524

反密码子的摆动配对524

三个密码子指导链的终止526

遗传密码是如何破译的？526

通过人工合成的mRNA激发氨基酸的掺入526

poly-U编码多聚Phe527

混合多聚核苷酸使其他密码子的组成得以确定528

tRNA和特定的三联密码子结合529

重复共聚物确定密码子529

遗传密码遵循的三条规律530

改变遗传密码的三种点突变531

遗传密码是以3个碱基为阅读单位的遗传学证据532

抑制突变可以存在于相同或不同的基因中532

基因间抑制涉及突变tRNA533

无义突变抑制也能识别正常的终止信号534

证实遗传密码的正确性535

遗传密码几乎通用536

小结537

参考文献538

第4篇 调 控第16章 原核生物的基因调控545

转录调控的原理545

基因表达由调控蛋白控制545

很多启动子通过协助RNA聚合酶结合DNA的活化子和阻碍两者结合的抑制子进行调控546

某些活化子通过变构和调控RNA聚合酶对结合后的转录步骤起作用547

远程激活和DNA环化548

协同结合和变构在基因调控中有多种作用549

抗终止作用及其延续：基因调控并不局限于转录起始调控549

转录起始的调控：原核生物的实例550

活化子和抑制子共同控制lac基因550

CAP和Lac抑制子对RNA聚合酶结合lac启动子的作用是相反的551

CAP具有独立的激活表面和DNA结合表面552

框16-1 活化子旁路实验553

CAP和Lac抑制子以相同的结构模体结合DNA554

Lac抑制子和CAP的活性由其信号变构控制556

框16-2 Jacob、Monod及其基因调控的观点557

组合控制：CAP也控制其他基因559

选择性的σ因子指导RNA聚合酶选择性地结合启动子560

NtrC和MerR：以变构而非募集作用的转录活化子560

NtrC具有ATPase活性且其作用位点距基因较远561

MerR通过扭曲DNA激活转录562

某些抑制子在启动子上滞留而非排斥RNA聚合酶562

AraC和抗激活作用对araBAD操纵子的控制563

λ噬菌体：调控的层次564

基因表达的选择性模式控制裂解和溶原性生长565

调控蛋白及其结合位点567

λ抑制子与操作子位点协同结合568

框16-3 浓度、亲和力和协同结合568

抑制子和Cro以不同模式结合控制裂解和溶原生长571

溶原性诱导需要λ抑制子的蛋白水解切割571

抑制子的负自我调控需远程相互作用和大的DNA环572

框16-4 λ转换的进化573

λcⅡ，一种控制溶原或裂解、生长或感染新宿主的活化子576

侵染特定细菌的噬菌体颗粒的数目影响侵染走向溶菌或溶原576

框16-5 遗传学方法确定参与裂解／溶原选择的基因577

E．coli的生长条件控制CⅡ的稳定性并因而控制裂解／溶原的选择578

λ发育中的转录抗终止作用578

逆回调控：RNA合成和稳定性控制相互影响并决定基因表达581

小结582

参考文献583

第17章 真核生物的基因调控585

从酵母到哺乳动物转录调控的保守机制587

活化子的DNA结合与激活功能的分离587

框17-1 双杂交实验590

真核细胞调控蛋白使用一系列DNA结合域，但DNA识别的原理与细菌的相同591

激活域结构不确定性593

通过真核生物活化子募集结合基因的蛋白复合物594

活化子募集转录机器到基因上594

活化子也募集核小体修饰物来帮助转录机器结合到启动子上595

在某些启动子上活化子募集另一个因子来进行有效的起始和延伸597

远距作用：环与绝缘子597

某些基因群的正确调控需要位点控制区域598

框17-2 同一和不同染色体上远距离相互作用600

信号整合与组合控制602

活化子联合作用促进信号整合602

信号整合：HO基因受两个调控子的控制，一个募集核小体修饰物，另一个募集中介蛋白604

信号整合：活化子协同作用，共同与人类β干扰素基因结合604

组合控制是真核细胞的复杂性与多样性的核心所在607

酵母交配型基因的组合控制607

框17-3 调控回路的可进化能力609

转录抑制子610

信号转导与转录调控子的控制612

信号通常通过信号转导通路传达至转录调控子612

信号通过多种方式控制真核细胞转录调控子613

活化子和抑制子有时以片段形式存在616

组蛋白与DNA修饰导致的基因“沉默”616

在酵母中，沉默由组蛋白的脱乙酰化作用和甲基化作用介导617

果蝇中HP1识别甲基化的组蛋白和凝聚染色质618

框17-4 存在组蛋白密码吗？619

在哺乳动物中，DNA甲基化与沉默状态的基因有关620

基因表达的epi遗传调控622

框17-5 转录抑制与人类疾病622

基因的表观遗传调控623

基因表达的某些状态跨越细胞分裂得以继承，即使起始信号不再存在624

框17-6 用转录因子将体细胞重新编程为胚胎干细胞626

小结627

参考文献629

第18章 调控RNA631

细菌中RNA介导的调控631

基因转录物中的核糖开关——通过改变二级结构调控基因表达633

框18-1 受衰减作用调控的氨基酸生物合成操纵子637

RNA干扰是真核生物的主要调控机制639

小RNA来源广泛，通过三条途径指导基因沉默640

miRNA分子的合成与功能641

miRNA的特征性结构——自身和靶基因识别641

活性miRNA是由两步核解过程产生的644

Dicer是miRNA生成的第二个RNA切割酶644

前导RNA链整合进RISC，形成能沉默基因表达的成熟复合体646

siRNA是源于双链长RNA的调控RNA647

框18-2 miRNA和RNAi的历史647

小RNA可以通过指导染色质修饰而沉默基因的转录650

RNAi的进化和应用652

RNAi像免疫系统那样进化吗？652

框18-3 RNAi与人类疾病652

RNAi已成为基因表达操作的有力工具654

调控RNA与X染色体灭活655

X染色体灭活产生镶嵌个体655

Xist是雌性哺乳动物中灭活一条X染色体灭活的调控RNA656

小结657

参考文献659

第19章 发育和进化的基因调控660

框19-1 微阵列：理论和操作661

三种不同的策略指导细胞在发育过程中表达不同的基因组合661

由于细胞骨架固有的极性使某些RNA在卵细胞和胚胎中被定位化662

细胞-细胞接触和细胞分泌的信号分子都会激发相邻细胞基因表达的变化663

分泌信号分子梯度可以引导细胞遵循位置性的不同发育途径663

三种确定差异基因表达策略的例证666

Ashl受体定位导致HO基因关闭并控制酵母交配类型666

框19-2 细胞骨架：非对称和生长668

定位的mRNA启动海鞘胚胎肌肉的分化669

框19-3 玻璃海鞘（Ciona）发育概况669

细胞-细胞接触在成孢子细菌激活差异基因表达中的作用671

昆虫中枢神经的Notch信号传导控制皮肤神经调节转换672

Sonic Hedgehog成形素浓度梯度控制脊椎动物不同神经元的形成674

果蝇胚胎发育的分子生物学675

果蝇胚胎发育概述676

框19-4 果蝇胚胎发育概况676

成形素浓度梯度控制果绳脊-腹成形679

框19-5 发育中活化子的协同作用682

未受精卵前后极的定位mRNA启动分节684

Bicoid和Nanos调节hunchback基因685

框19-6 干细胞686

Hunchback抑制子浓度梯度建立了Gap基因表达的不同限度688

Hunchback和间隔蛋白产生了基因表达的分节条688

间隔抑制子浓度梯度引起基因表达的条带化690

框19-7 动物发育和进化中的顺式调控序列690

短程转录抑制子允许在复杂的eve调节区域中不同的增强子独立作用693

同源异型基因：一类重要的发育调节因子694

同源异型基因表达的变化导致节肢动物的多样性696

节肢动物变化多端696

Ubx表达的改变引起甲壳动物肢的改变696

框19-8 果蝇同源异型基因由特殊染色体簇构成697

哺乳动物Hox基因复合体控制前后轴类型698

Hox基因表达类型的改变生成脊椎动物形态的多样性698

Hox基因表达模式的保持699

微小RNA调节Hox基因活性699

为什么昆虫缺少腹肢700

飞行肢的修饰可能来自调节DNA序列的进化701

小结703

参考文献704

第20章 基因组分析与系统生物学705

基因组学概述705

生物信息学技术用于全基因组中蛋白质编码基因的鉴定705

用全基因组覆瓦式芯片分析转录组706

专门的比对工具可用来鉴定DNA调控序列707

框20-1 识别复杂增强子的生物信息学方法710

增强子识别的最佳方法——ChIP-Chip分析712

许多的动物间有非常相近的基因群713

许多动物中都含有不规则基因714

进化中的同线性715

用深度测序（deep sequencing）探索人类的起源717

系统生物学717

含有节（node）与端（edge）的转录回路718

自身负调控：降噪和降时719

喧噪的基因表达720

自身正调控延迟基因表达721

一些可锁定在不同稳定状态的调控回路722

框20-2双稳性与滞后作用723

前馈环——一种有优势特征的三节点网络结构725

发育过程中的前馈环727

有些调控回路产生节律性的基因表达模式727

用人工合成的环路模拟自然的调控网络730

展望731

小结731

参考文献732

第5篇 方 法第21章 分子生物学技术741

核酸742

凝胶电泳能根据大小分离DNA和RNA分子742

限制性内切核酸酶在特定位点切割DNA分子744

DNA杂交能用来鉴定特定的DNA分子746

杂交探针能鉴定经电泳分离的DNA和RNA746

特定DNA区段的分离748

DNA克隆748

在质粒载体中克隆DNA749

载体DNA能通过转化导入宿主生物体中750

用克隆法制备DNA分子文库750

杂交法可以用来鉴定DNA文库中的某一特定克隆752

化学合成的寡聚核苷酸752

聚合酶链反应（PCR）通过体外DNA的重复复制而扩增DNA754

框21-1 法医学与聚合酶链反应755

4组部分重叠的DNA片段揭示核苷酸序列755

框21-2 用自动测序仪进行高通量测序760

用鸟枪法测定一个细菌基因组的序列761

鸟枪法使大基因组序列的部分组装成为可能761

末端配对法使大基因组支架的组装成为可能763

向1000美元测定人类基因组迈进765

蛋白质766

可以从细胞抽提物中纯化特定蛋白质766

每一种蛋白质的纯化都需要一种特殊的分析方法767

制备含有活性蛋白质的细胞抽提物767

柱层析法可以将蛋白质分离767

亲和层析能使蛋白质纯化更加快速768

用聚丙烯酰胺凝胶分离蛋白质769

抗体能显示电泳分离的蛋白质770

蛋白质分子可以被直接测序771

蛋白质组学773

联合使用液相色谱和质谱鉴定复杂提取物中的蛋白质773

通过蛋白质组学比较鉴定细胞间的差异774

质谱技术也可以检测蛋白质的修饰情况774

蛋白质-蛋白质相互作用可以产生蛋白质功能的信息775

核酸-蛋白质相互作用775

蛋白质的结合改变DNA的电泳迁移速率776

蛋白质的结合可以保护DNA不被核酸酶降解或化学修饰778

染色质免疫共沉淀检测细胞中蛋白质与DNA的关联779

可用体外选择鉴定蛋白质的DNA或RNA结合位点781

参考文献783

第22章 模式生物784

噬菌体785

噬菌体生长的检测787

一步生长曲线787

噬菌体杂交和互补实验788

转导和重组DNA788

细菌789

细菌生长的检测790

细菌通过性结合、噬菌体介导的转导和DNA介导的转化交换DNA790

细菌质粒可以用作克隆载体792

转座子可用来产生插入突变和基因与操纵子的融合792

重组DNA技术、全基因组测序和转录谱绘制加强了细菌的分子生物学研究793

有了更好的传统和分子遗传学的工具，简单细胞的生化分析就会更加有效794

细胞学分析同样适用于细菌794

关于基因的基本知识绝大部分来自噬菌体和细菌794

酿酒酵母795

单倍体和双倍体细胞的存在促进了酿酒酵母的遗传分析796

在酵母中容易产生精确的突变796

酿酒酵母有一个研究透彻的小基因组797

酿酒酵母细胞在生长时改变形态797

拟南芥798

拟南芥具有单倍体和双倍体交替的快速生命周期799

拟南芥容易转化适于反向遗传学研究800

拟南芥基因组小，容易操作800

表观遗传学801

植物对环境的反应801

发育和形态建成802

秀丽新小杆线虫802

秀丽新小杆线虫的生活周期很短803

秀丽新小杆线虫由相对较少、研究得很深入的细胞谱系组成804

细胞死亡途径是在秀丽新小杆线虫中发现的805

RNA干扰（RNAi）是在秀丽新小杆线虫中发现的805

黑腹果蝇805

果蝇的生活周期很短806

第一个基因图谱在果蝇中产生806

遗传嵌合体使分析成蝇中的致死基因得以进行809

酵母FLP重组酶能够有效产生遗传嵌合体810

制备携带外源DNA的转基因果蝇简便易行810

小鼠812

鼠的胚胎发育依赖干细胞813

把外源DNA引入小鼠胚胎并不复杂814

同源重组为单个基因的选择性去除提供了机会815

小鼠中存在epi-遗传817

参考文献818