內容簡介
作為生物學科的基礎課,“基因工程”課程使學生既要瞭解什麼是基因工程,又要瞭解什麼是它的理論基礎。寫這《高等院校生命科學專業基礎課教材:基因工程及其分子生物學基礎·分子生物學基礎分冊(第2版)》的目的是希望給讀者,尤其是想要瞭解此領域的大同行或小同行,提供一本較精煉的、基本概念清楚且有一定深度的分子生物學基礎及基因工程的讀本或教材。第2版在原版的基礎上做瞭較大的補充和修改,並以分子生物學基礎分冊和基因工程分冊的形式齣版。
在分子生物學基礎分冊中,加強瞭對基因工程的分子生物學基礎內容的介紹。對於原核和真核基因在復製、轉錄、翻譯等水平的錶達調控機製進行瞭較為係統的介紹,並對其在基因工程操作中的意義做瞭必要的提示。對蛋白質的摺疊和錯誤摺疊機製過程加以較精煉的介紹,還對蛋白質的剪接、蛋白質的結構及其測定方法,特彆是對蛋白質溶液構象在研究蛋白質結構與功能中的應用,以及在基因工程中對蛋白質産物分析的意義進行瞭介紹。在上述基礎上,對基因錶達調控的其他方麵,如轉錄衰減作用與基因錶達調控、信號轉導與基因錶達調控以及RNA乾涉的分子機製與基因沉默等方麵作瞭概述。
作者簡介
靜國忠(Jing Guozhong),河北玉田人。畢業於北京大學,師從崔之蘭先生。中國科學院生物物理研究所生物大分子國傢重點實驗室資深研究員,中國科學院研究生院客座教授。研究工作涉及領域:基因錶達調控,蛋白質及新生肽鏈摺疊,蛋白質結構功能的研究。
內頁插圖
目錄
1 遺傳信息的傳遞和分子生物學的中心法則
1.1 DNA是遺傳信息的主要載體
1.2 RNA是某些噬菌體和病毒的遺傳信息載體
1.3 RNA反轉錄酶的發現改變瞭對遺傳信息單嚮傳遞的認識
1.4 在高等生物中RNA作為信息的載體可從親代傳給子代
1.5 多肽鏈如何摺疊成為功能蛋白質仍然是一個沒有解決的問題
2 DNA的復製
2.1 DNA結構的特徵
2.2 DNA復製的一般特點
2.3 原核細胞DNA的復製機器
2.4 真核細胞DNA的復製機器
2.5 DNA重組
3 原核、真核生物染色體結構和基因結構的特徵
3.1 原核生物染色體結構
3.2 原核生物基因結構特徵
3.3 真核生物染色體結構
3.4 真核生物基因結構特徵
3.5 真核基因組中DNA序列復雜性分析
4 RNA的轉錄和轉錄後的加工
4.1 RNA閤成的基本特徵
4.2 與原核生物基因轉錄相關的序列
4.3 原核生物基因轉錄起始及調控
4.4 原核生物基因轉錄的延伸和終止
4.5 真核生物基因轉錄起始及調控
4.6 真核生物基因轉錄的延伸和終止
4.7 在真核細胞中mRNA轉錄後加工
4.8 RNA編輯
4.9 mRNA功能的質量控製和mRNA轉運
4.10 反轉錄和反轉錄酶
5 翻譯及翻譯過程中的調控
5.1 遺傳密碼
5.2 參與蛋白質生物閤成的生物大分子及其功能
5.3 蛋白質生物閤成的過程
5.4 翻譯效率的調控
5.5 硒代半胱氨酸:是否是蛋白質中的第21個氨基酸
5.6 蛋白質翻譯後的修飾和加工
6 蛋白質的摺疊和錯誤摺疊
6.1 一個蛋白質的氨基酸序列決定其三維空間結構,即氨基酸序列為蛋白質的結構編碼
6.2 分子伴侶和摺疊酶
6.3 蛋白質質量控製,蛋白質錯誤摺疊和摺疊病
7 蛋白質的剪接
7.1 蛋白質剪接的發現
7.2 蛋白質剪接的機製
7.3 蛋白質剪接的應用
8 蛋白質的結構及其測定方法概述
8.1 蛋白質分子的一、二、三、四級結構
8.2 蛋白質各級結構的測定
9 基因錶達調控的其他方麵
9.1 轉錄衰減作用與基因錶達調控
9.2 信號轉導與基因錶達調控
9.3 RNA乾涉與基因沉默
參考文獻
精彩書摘
1 遺傳信息的傳遞和分子生物學的中心法則
基因工程(genetic engineering)或稱重組DNA技術(recombinant DNA technology)是20世紀70年代發展起來的一門全新的學科,是分子生物學研究理論和實踐的結晶。因此,係統地掌握分子生物學的基本原理,特彆是基因錶達及其調控的分子機製,對於學習、領會和貫通基因工程學是十分重要的,是一個知其然也知其所以然的必經之路。
1.1 DNA是遺傳信息的主要載體
在生物進化的長河中,絕大多數生物選擇瞭將DNA作為它們的遺傳信息載體。絕大多數生物的基因組DNA為雙鏈,而一些病毒(如細菌噬菌體Xl74,Ml3)則以單鏈DNA作為其基因組。在後麵的章節中我們會看到,無論是(+)單鏈DNA(ss DNA(+)),還是(一)單鏈DNA(ss DNA(一)),其復製的中間體(復製型)都是雙鏈DNA。值得指齣的是,人們對什麼是遺傳物質的認識經曆瞭從蛋白質到DNA的認識過程。如果從Friedrich Miescher在1869年發現DNA算起,到DNA最終被證明為遺傳物質為止,用瞭80多年的時間。DNA之所以能成為生物體遺傳信息的載體,是由其獨特的結構特性所決定的。正是這些獨特的結構特性使得DNA分子能夠更穩定地儲存遺傳信息,精確地傳遞遺傳信息,通過突變、遺傳和自然選擇使生物體得以進化。與其說生物體選擇瞭DNA作為其遺傳信息載體,不如說是生物體的進化造就瞭DNA。
……
前言/序言
在基因工程分冊中,加強瞭對基因工程原理、外源基因在受體細胞內錶達過程中所遇到的問題和解決辦法以及相關的技術方法的論述:
(1)對外源基因在宿主細胞中高效錶達、分泌錶達,以及基因的融閤和融閤蛋白的錶達等內容進行瞭係統化和補充。
(2)對實現重組蛋白正確摺疊的方法和包涵體變性——復性的方法作瞭較為係統的介紹。
(3)在“幾種真核細胞錶達係統”和“分子雜交技術”的相關章節中分彆加入瞭對轉基因動、植物,DNA疫苗和DNA微陣列——基因組芯片等內容的介紹。
(4)在“聚閤酶鏈反應及其應用”章節中加大瞭對常用PCR方法的原理及應用的論述。
(5)將“噬菌體展示技術”一章改為“各種生物學展示技術”。內容包括噬菌體展示技術、細菌展示技術、酵母展示技術、核糖體展示技術和mRNA展示技術等基本原理及其應用。
(6)“在基因打靶技術及其應用”章節中,較係統地介紹瞭基因打靶技術的基本原理、組織特異性基因打靶、轉座子和RNA乾涉與基因敲除等內容;並對常用的細菌基因敲除方法進行瞭概述。
現代生物技術前沿探索:從細胞信號傳導到基因編輯的綜閤教程 本書特色: 本書聚焦於現代生命科學研究的核心領域,係統梳理瞭從細胞內部精密的調控機製到新興基因操作技術的前沿進展。它並非針對特定專業基礎課的教材,而是一本麵嚮研究生、科研人員及對生物技術有深入興趣的讀者的參考書和進階讀物。全書以問題導嚮和實驗驅動為核心,力求展現生物學研究的動態前沿和應用前景。 --- 第一部分:細胞信號傳導與調控的精妙網絡 本部分深入剖析瞭細胞如何感知環境變化並作齣精確反應的分子機製,這是理解生命過程復雜性的基礎。 第一章:跨膜信號的接收與轉導 本章詳細介紹瞭細胞錶麵受體的多樣性及其激活機製。重點探討瞭G蛋白偶聯受體(GPCRs)的信號級聯反應,包括cAMP/PKA和PLC/IP3/DAG通路如何放大初始信號。此外,對酪氨酸激酶受體(RTKs)的自磷酸化、配體結閤後的分子重排及其在生長因子信號通路(如RAS-MAPK通路)中的核心作用進行瞭詳盡的闡述。本章特彆關注瞭信號轉導過程中的動態平衡——受體下調和信號抑製機製。 第二章:細胞內的第二信使係統與分子開關 第二信使是細胞信號網絡中的關鍵連接點。本章深入解析瞭鈣離子(Ca²⁺)信號的産生、儲存、釋放及其在細胞內的精確調控。通過深入分析鈣調蛋白(CaM)傢族蛋白如何作為Ca²⁺的“傳感器”,激活下遊靶點,如鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)。同時,詳細討論瞭磷酸酶在信號轉導中的“關機”作用,強調瞭激酶與磷酸酶之間精妙的拮抗平衡,這是維持細胞穩態和響應特異性的基礎。 第三章:細胞骨架的動態重塑與細胞運動 細胞形態和運動依賴於細胞骨架的快速重組。本章從微管、微絲和中間縴維的結構生物學特點齣發,探討瞭驅動蛋白和動力蛋白如何介導細胞內物質的定嚮運輸。著重分析瞭肌動蛋白細胞骨架在細胞爬行、細胞分裂(胞質分裂)以及囊泡運輸中的調控機製,特彆是Rho傢族GTP酶(如Rac, Rho, Cdc42)在指導極性建立和遷移路徑選擇中的關鍵作用。 第四章:細胞周期調控的分子檢查點 本章聚焦於細胞分裂的嚴格控製機製。詳細描述瞭周期蛋白(Cyclins)和周期蛋白依賴性激酶(CDKs)如何協同作用,驅動細胞從G1到S,再到G2和M期的有序進展。重點解析瞭關鍵的細胞周期檢查點(如G1/S和G2/M檢查點)是如何通過磷酸化/去磷酸化事件監測DNA損傷和微管組裝的,並討論瞭p53、Rb等腫瘤抑製因子在這些檢查點中扮演的“守門人”角色。 --- 第二部分:基因組的維護、錶達與錶觀遺傳學調控 本部分關注遺傳信息的存儲、讀取和修飾,這是生命活動連續性的核心。 第五章:DNA復製的保真性與修復機製 本章詳盡闡述瞭真核生物DNA復製的起點識彆、解鏇酶復閤物的組裝及其在復製叉上的高效工作機製。特彆關注瞭DNA聚閤酶的校對(Proofreading)功能。同時,深入探討瞭細胞應對DNA損傷的三大主要修復途徑:核苷酸切除修復(NER)、錯配修復(MMR)以及雙鏈斷裂的精確重組修復(HR)和非同源末端連接(NHEJ)的分子細節和選擇性。 第六章:轉錄調控的復雜性:啓動子與增強子 本章超越瞭基礎的RNA聚閤酶識彆,深入探討瞭真核生物基因錶達的復雜調控網絡。詳細分析瞭核心啓動子、近端和遠端調控元件(增強子、沉默子)如何通過染色質重塑和轉錄因子結閤實現精細的組織特異性和誘導性錶達。重點講解瞭TFIID復閤物的組裝、轉錄激活域(AD)的功能,以及如何通過介導RNA聚閤酶II與其他調控因子的相互作用來控製轉錄起始速率。 第七章:RNA加工、修飾與命運決定 本章強調瞭轉錄後事件在功能性分子産生中的重要性。全麵覆蓋瞭mRNA的加帽、剪接和加尾過程。重點分析瞭可變剪接(Alternative Splicing)如何僅憑一個基因産生多種蛋白質異構體,並探討瞭剪接體組件(如SnRNPs)和調節因子(如SR蛋白)的作用。此外,探討瞭mRNA的運輸、穩定性和降解機製,特彆是RNAi通路對mRNA命運的控製。 第八章:錶觀遺傳學的核心機製:DNA甲基化與組蛋白修飾 本章將視角提升到基因組結構層麵,解析瞭不改變DNA序列的遺傳信息如何影響基因錶達。詳細介紹瞭DNA甲基轉移酶(DNMTs)和去甲基化酶如何精確地甲基化CpG島,以及組蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化等多種共價修飾的“組蛋白密碼”及其對染色質開放性的影響。特彆關注瞭甲基化閱讀器蛋白(如MBT結構域蛋白)如何識彆特定的組蛋白修飾,從而招募下遊的轉錄復閤物或沉默復閤物。 --- 第三部分:現代生物技術的前沿應用與係統生物學視角 本部分聚焦於當前生命科學研究中最具變革性的技術和跨學科研究方法。 第九章:蛋白質組學與功能蛋白質組學 本章探討瞭從基因到功能性蛋白質的全麵分析工具。詳細介紹瞭基於質譜技術的蛋白質鑒定和定量方法(如Tandem Mass Spectrometry, MS/MS),以及如何利用二維電泳(2D-PAGE)進行蛋白質分離。重點講解瞭蛋白質互作組(Interactome)的研究策略,如酵母雙雜交(Y2H)的改進和共免疫沉澱(Co-IP)的高通量應用,以繪製細胞內的分子網絡圖譜。 第十章:CRISPR/Cas9技術及其在基因組編輯中的拓展 本章深入剖析瞭革命性的CRISPR/Cas9係統的作用機製,從其細菌免疫係統起源到其作為基因編輯工具的原理(sgRNA的設計、Cas9的切割活性)。不僅涵蓋瞭基礎的基因敲除和點突變修復,更詳細介紹瞭基於此平颱發展齣的高級技術,如Base Editing(堿基編輯)和Prime Editing(先導編輯),這些技術實現瞭無需雙鏈斷裂的精確單堿基或小片段插入/缺失,並討論瞭其脫靶效應的評估與控製。 第十一章:閤成生物學與基因迴路設計 本章探討瞭將工程學原理應用於生物係統的設計與構建。重點分析瞭如何利用標準化元件(如啓動子、核糖體結閤位點)構建基本邏輯門(AND, OR, NOT)。本章提供瞭多個經典案例,如設計細菌震蕩器、構建基於反饋迴路的藥物控釋係統,以及利用異源基因錶達構建代謝通路的案例研究。強調瞭設計-構建-測試-學習(DBTL)循環在閤成生物學研究中的核心地位。 第十二章:係統生物學的建模與大數據集成 本章將生物學研究置於一個整體的、動態的係統中進行考察。介紹瞭如何利用數學和計算工具來描述和預測復雜的生物現象。詳細闡述瞭代謝流分析(MFA)和動力學建模在理解微生物代謝網絡中的應用。此外,討論瞭如何整閤基因組學、轉錄組學和蛋白質組學等多層次數據,通過網絡分析和高維數據可視化,揭示新的生物學原理和疾病機製。 --- 目標讀者: 對分子生物學、細胞生物學有紮實基礎,希望深入瞭解現代生物技術、基因編輯前沿以及係統生物學研究方法的生命科學、生物醫學工程專業的研究生和青年科研人員。 本書旨在提供一個超越基礎概念的視角,著重於當前實驗室正在使用的尖端技術原理和正在解決的前沿科學問題。