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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RNA 631

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-DNA 133

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RNA 135

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DNA 160

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DNA 166

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DNA 209

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DNA 233

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Ⅱ 249

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DNA 275

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RecBCD 298

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DNA 301

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RNA 364

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DNA 402

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TBP 413

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HIV 453

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RNA 461

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RNA 464

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RNA 465

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tRNA 471

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tRNA 490

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GTP 498

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tRNA 503

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 mRNA 517

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Phe 527

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tRNA 533

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DNA 554

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RNA 631

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RNA 647

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RNA 656

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RNA 746

特定DNA区段的分离 748

DNA克隆 748

在质粒载体中克隆DNA 749

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DNA 754

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DNA 788

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DNA 790

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