分子生物学

1926年摩尔根“基因论”的发表，确立了基因是遗传的基本单位，它存在于细胞的染色体上，决定着生物体的性状。但关于基因的化学本质是什么，它通过什么方式影响生物体的遗传性状，仍然不清楚。揭示基因的本质及其作用方式就成了当时生物学研究的核心问题。对这个问题的研究，开创了分子生物学这门新学科。分子生物学的建立和发展是生物学中信息学派、结构学派和生化遗传学派研究成果结合的产物，是科学史上一次成功的由学科交叉融合而引起的科学革命。发现DNA双螺旋的故事已为人们广为传颂，并作为生物学*具传奇色彩的伟大发现而载入生命科学史册。同样，与日新月异的分子生物学发展相比，就急需一本既与时俱进又通俗易懂的新教材。

本书共分为十三章，系统阐述了分子生物学基本原理、知识和技术，并反映了这一领域的*进展。内容包括遗传物质的分子本质；基因、基因组和基因组学；DNA的生物合成、损伤、修复和突变；DNA重组；RNA的生物合成；转录后加工；蛋白质的生物合成，翻译后加工、分拣、定向和水解；原核、真核生物的基因表达调控；现代分子生物学方法等。

本书可供高等院校生物科学、生物技术、临床医学等相关专业的教师和学生使用，也可作为相关专业研究人员的参考书。

1. 杨荣武教授十年心血之作，生化及分子生物学学习宝典。

2. 本书荣获“华东六省一市大学出版社优秀教材一等奖”。

3.本书作者 2016年，先后荣获亚洲及大洋州生物化学家与分子生物学家联盟教育奖（FAOBMB Education Award 2016）和宝钢教育基金优秀教师特等奖提名奖。2015—2017年，连续获得南京大学第十一届、第十二届和第十三届“我*喜爱的老师”的荣誉称号。

4.杨荣武教授主讲的“生物化学”获国家精品课程，主持的“生物化学”不仅为江苏省和国家双语示范课程，还是国家精品资源共享课程，目前在爱课程网上深受全国修课者的喜爱，讲授的“结构生物化学”MOOC已在Coursera和中国大学MOOC课程网上上线，受到全球修读者的欢迎。

1.本书再版内容进行了全面的更新，包括每一章后面提供的文献和推荐网址。例如，增加了CRISPR系统、基因组编辑、表观遗传、lnRNA和新一代DNA测序技术等内容，引用文献截止到2017年8月。

2.可读性、易读性进一步提高。全书的每一个句子都经过了字斟句酌、反复推敲。

3.全书结构体系作了一些调整，特别是考虑到古菌与真核生物在分子生物学的各种机制上更加相似，因此不再简单地按照原核生物和真核生物来组织各章内容，而是按照细菌、真核生物和古菌三个域来组织。

4.教材中引入了新的元素，就是文中穿插了许多小框和随文小测验（quiz），小框中有分子生物学的*动态、趣事、应用和科学小故事等。小框中丰富多彩的内容可进一步激发读者学习分子生物学的兴趣，而小测验可以让读者带着问题去学习。另外，每一章的小结仍然设计成填充的形式，这样可以让读者自己去总结。

5.特配数字课程，内有杨荣武教授讲授的本课程的全程录像，读者可以利用书中的二维码，在有网络的情况下随时观看录像视频，此外，还有许多辅助教学和学习的资料可供下载。这不仅有助于读者的学习和教师的教学，还在读者和编者之间提供了一种相互交流和学习的平台。

6.提供了四套PPT课件，中、英文简版和全版各一套，相信这对于许多学校正在推行的双语教学应该很有帮助。

7.为了提高学习效果，本版改为了双色版，从而使反应主线特别是图表显示的部分更加突出、内容更加鲜活生动。

8.配套的《分子生物学学习指南与习题解析》将很快更新。

杨荣武  博士，现任南京大学生命科学学院教授。先后作为访问学者赴香港科技大学和美国加州大学圣地亚哥分校从事科学研究和教学实践。

杨荣武教授长期从事生物化学的教学和研究工作，一直以“启发诱导式的双语教学、善于将复杂深奥的内容简单化和形象化以及与多媒体的紧密结合”为自己的教学特色，深受学生们的喜爱和同行的高度认可，并在全国生化教学界有一定的影响，目前是中国生物化学与分子生物学会教学专业委员会常委委员。2016年，先后荣获亚洲及大洋州生物化学家与分子生物学家联盟教育奖（FAOBMB Education Award 2016）和宝钢教育基金优秀教师特等奖提名奖。2015—2017年，连续获得南京大学第十一届、第十二届和第十三届“我喜爱的老师”的荣誉称号。

主讲的“生物化学”获国家精品课程，主持的“生物化学”不仅为江苏省和国家双语示范课程，还是国家精品资源共享课程，目前在爱课程网上深受全国修课者的喜爱，讲授的“结构生物化学”MOOC已在Coursera和中国大学MOOC课程网上上线，受到全球修读者的欢迎。主编的《生物化学原理》为国家“十二五”、“十一五”规划教材以及国家精品教材，主编的《分子生物学》版获得华东地区大学出版社优秀教材评比一等奖。此外，还主编过其他教材和辅助教材10多部。

章绪论

节分子生物学的起源

一、传递遗传学

二、分子遗传学

第二节分子生物学的发展

一、DNA的半保留复制

二、基因与蛋白质之间的关系

三、“中心法则”

四、基因工程

Box 1-1让“酵母君”酿造鸦片，你相信吗？

五、分子生物学的其他进展

第三节 分子生物学学习方法

科学故事——朊病毒的发现

第二章 遗传物质的分子本质

节 遗传物质的分子本质

一、DNA是主要的遗传物质

（一） 细菌转化实验

（二） HersheyChase的噬菌体实验

二、RNA也可以作为遗传物质

三、某些蛋白质具有遗传物质的特性

第二节 核酸的结构

一、核酸的化学组成

Box 2-1环状非编码RNA

二、核酸的一级结构

（一） 代DNA测序

（二） 第二代DNA测序

（三） 第三代DNA测序

（四） 第四代DNA测序

（五） 单细胞基因组DNA测序

三、核酸的二级结构

（一） DNA的二级结构

（二） RNA的二级结构

Box 2-2为何是DNA而不是RNA作为遗传信息的载体？

四、核酸的三级结构

（一） DNA的三级结构

（二） RNA的三级结构

五、核酸与蛋白质形成的复合物

（一） DNA与蛋白质形成的复合物

（二） RNA与蛋白质形成的复合物

第三节 核酸的理化性质

科学故事——究竟是谁个发现了DNA的双螺旋结构？

第三章 基因、基因组和基因组学

节 基因

一、对基因的认识

二、基因概念的扩展

（一） 移动基因

（二） 断裂基因

（三） 假基因

Box 3-1假基因，真表达，真功能

（四） 重叠基因

三、基因的种类和结构

（一） 基因的种类

（二） 基因的结构

四、基因的大小和数目

（一） 基因的大小

（二） 基因的数目

Box 3-2我们究竟有多少个基因？

（三） N值矛盾

五、基因簇与重复基因

（一） 基因家族和基因簇

（二） 重复序列

第二节基因组

一、病毒基因组

（一） DNA病毒基因组

Box 3-3大病毒、大惊喜

（二） RNA病毒基因组

（三） 类病毒和拟病毒基因组

二、原核生物基因组

（一） 细菌基因组

（二） 古菌基因组

（三） 质粒

三、真核生物基因组

（一） 核基因组

（二） 细胞器基因组

Box 3-4线粒体夏娃

四、人类基因组

第三节基因组学

一、结构基因组学

（一） 基因组作图

（二） 基因组测序

（三） 基因组计划

二、功能基因组学

（一） 转录组与转录组学

（二） 蛋白质组与蛋白质组学

（三） 表观基因组学

（四） 宏基因组学

（五） 比较基因组学

Box 3-5甲基化让人类和猴子分了家？

三、生物信息学

（一） 生物信息学资源

（二） 生物信息学的目标和任务

科学故事——维生素C与假基因

第四章DNA的生物合成

节DNA复制

一、DNA复制的基本特征

Box 4-1“生命字母表”的人工扩增

Box 4-2冈崎令治与冈崎片段

二、DNA复制的酶学

（一） DNAP

（二） DNA解链酶

（三） SSB

（四） DNA拓扑异构酶

（五） DNA引发酶

（六） 切除引物的酶

（七） DNA连接酶

（八） 尿嘧啶DNA糖苷酶

（九） 端粒酶

三、DNA复制的详细机制

（一） 以大肠杆菌为代表的细菌基因组DNA的复制

（二） 滚环复制

（三） D环复制

（四） 真核细胞细胞核DNA的复制

Box 4-3线形DNA末端复制的难题的解决

（五） 古菌的DNA复制

四、DNA复制的高度忠实性

五、DNA复制的调控

（一） 细菌DNA复制起始的调控

（二） 大肠杆菌质粒ColE1的复制调控

（三） 真核细胞核DNA复制起始的调控

第二节逆转录

一、逆转录病毒的逆转录反应

（一） 逆转录病毒的结构

（二） 逆转录病毒的生活史

Box 4-4HIV辅助受体的发现

（三） 艾滋病的治疗

二、其他的逆转录反应

（一） 逆转座子

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

（三） 逆转子

（四） 某些DNA病毒生活史中的逆转录现象

科学故事——DNA半保留复制的实验证明

第五章DNA的损伤、修复和突变

节DNA损伤

一、导致DNA损伤的因素

二、DNA损伤的类型

第二节细胞对DNA损伤做出的反应

Box 5-1为什么某些哺乳动物不得或少得癌症？

第三节DNA的修复

一、直接修复

二、切除修复

Box 5-2额外的DNA序列充当我们基因组的“备胎”

（一） BER

（二） NER

（三） MMR

Box 5-3真核生物错配修复系统如何发现错配碱基？

三、DSBR

四、损伤跨越(damage bypass)

（一） 重组跨越

（二） 跨损伤合成

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

第四节DNA的突变

一、突变的类型与后果

（一） 点突变

（二） 移码突变

（三） 隐性突变和显性突变

二、突变的原因

（一） 自发突变

Box 5-4三聚核苷酸重复与脆性X染色体综合征

（二） 诱发突变

三、正向突变、回复突变与突变的校正

（一） 正向突变和回复突变

（二） 校正突变

四、突变原与致癌物之间的关系以及致癌物的检测

科学故事——p53从癌蛋白到抗癌蛋白的角色转换

第六章DNA重组

节同源重组

一、同源重组的分子机制

（一） Holliday模型

（二） 单链断裂模型

（三） 双链断裂模型

二、细菌的同源重组

（一） 参与同源重组的主要蛋白质

（二） 大肠杆菌几种重要的同源重组途径

三、真核生物的同源重组

四、古菌的同源重组

第二节位点特异性重组

一、λ噬菌体的位点特异性整合

二、鼠伤寒沙门氏菌鞭毛抗原的转换

Box 6-1Cre LoxP重组系统及其改造和应用

第三节转座重组

一、细菌的转座子

（一） 类转座子

（二） 第二类转座子

（三） 第三类转座子

（四） 第四类转座子

二、真核生物的转座子

（一） DNA转座子

Box 6-2睡美人转座子的复活

（二） 逆转座子  

三、古菌的转座子

四、转座的分子机制

（一） 简单转座

（二） 复制型转座

Box 6-3谁偷走了人的DNA？

五、转座作用的调节

科学故事——“跳跃基因”的发现

第七章RNA的生物合成

节DNA转录

一、转录的一般特征

二、催化DNA转录的RNA聚合酶

（一） 细菌的RNAP

（二） 古菌的RNAP

（三） 真核细胞的RNAP

（四） 由病毒编码的RNAP

Box 7-1植物细胞RNAPⅣ的发现故事

三、RNAP的三维结构与功能

四、细菌的DNA转录

（一） 转录的起始

五、真核生物的核基因转录

（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

Box 7-2细胞的记忆机制

六、真核生物细胞器DNA的转录

（一） 线粒体DNA的转录

（二） 叶绿体DNA的转录

七、古菌的DNA转录

第二节RNA复制

Box 7-3RNA重组

一、双链RNA病毒的RNA复制

二、单链RNA病毒的RNA复制

（一） 正链RNA病毒的RNA复制

Box 7-4蝙蝠抵抗病毒和长寿的秘密

（二） 负链RNA病毒的RNA复制

科学故事——人类和酵母居然如此相似！

第八章转录后加工

节细菌RNA前体的后加工

一、mRNA前体的后加工

二、rRNA前体的后加工

（一） 剪切和修剪

（二） 核苷酸的修饰

三、tRNA前体的后加工

（一） 剪切和修剪

（二） 核苷酸的修饰

（三） 添加CCA

（四） 剪接

第二节真核细胞RNA前体的后加工

一、mRNA前体的后加工

（一） 5′端“加帽”

（二） 3′端“加尾”

Box 8-1CTD密码

（三） 无尾巴的mRNA在3-端的后加工

（四） 内部甲基化

（五） 剪接

Box 8-2剪接体是核酶吗？

Box 8-3次要剪辑途径也重要

（六） 编辑

二、rRNA前体的后加工

（一） 剪切、修剪和修饰

（二） 四膜虫26S rRNA前体的自剪接

Box 8-4“RNA世界”的探索之旅

三、tRNA前体的后加工

第三节古菌的转录后加工

科学故事——例真正的核酶的发现

第九章蛋白质的生物合成

节参与翻译的各种生物大分子的结构与功能

一、核糖体

（一） 小亚基

（二） 大亚基

（三） 核糖体的三维结构及其功能定位

（四） 核糖体组装和循环

二、mRNA

三、tRNA

（一） tRNA的一级结构

（二） tRNA的二级结构

（三） tRNA的三级结构

四、氨酰tRNA合成酶

Box 9-1tRNA的新功能——衍生于tRNA的促癌小RNA的发现

五、辅助蛋白因子

第二节翻译的一般性质

一、均可分为氨基酸的活化、起始、延伸和终止四个阶段

二、翻译具有极性

三、三联体密码

（一） 遗传密码的破译

（二） 遗传密码的主要性质

四、反密码子决定特异性

五、摆动规则

第三节翻译的详细机制

一、细菌的翻译

（一） 氨基酸的活化

（二） 翻译的起始

（三） 翻译的延伸

（四） 翻译的终止和核糖体的循环

Box 9-2改造大肠杆菌的编码系统

二、真核生物的细胞质翻译系统

（一） 氨基酸的活化

（二） 翻译的起始

（三） 肽链的延伸

（四） 翻译的终止和核糖体的循环

三、细胞器翻译系统