第一章绪论

分子生物学（molecular biology)绪论

●1.1分子生物学概要及教学内容

分子生物学（molecular biology)，是从分子水平研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命科学本质的科学。其主要研究对象为遗传物质-核酸（DNA、RNA），1953年沃森、克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型是分子生物学诞生的重要标志。本课程要求扎实掌握分子生物学基础理论与实验技术。

第二章DNA、RNA结构与功能

三个经典实验有力证明了DNA（RNA）是遗传物质。沃森、克里克提出了著名的DNA双螺旋结构模型。

●2.1DNA是遗传物质

肺炎链球菌转化、噬菌体感染细菌和烟草花叶病毒感染实验是三个著名的经典实验，证明DNA（RNA）是遗传信息的载体。

●2.2DNA结构是如何被发现和决定的

围绕DNA的分子结构研究，英国伦敦国王学院的威尔金斯/弗兰克林、加州理工学院的大化学家莱纳斯·鲍林和英国剑桥大学沃森、克里克小组开展了激烈竞争，最终年轻的沃森和克里克两人合作，终于在1953年3月提出了DNA的正确模型，解开了DNA分子结构之谜。这是分子生物学发展历史上的重要里程碑。

●2.3DNA结构

核酸由嘌呤和嘧啶等碱基、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸组成，由众多核苷酸聚合而成，相邻二个核苷酸之间通过3’，5’－磷酸二酯键连接。DNA分子具有规则的双螺旋结构，两条DNA互补链反向平行，依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。

●2.4RNA结构与功能

RNA（核糖核酸）分子结构为单链，尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T）。RNA在细胞的作用主要是引导蛋白质的合成。RNA也是部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。近年还发现RNA种类繁多，特别是小分子RNA（20~300nt）等，在细胞中发挥重要功能。

第三章染色体、染色质和核小体

有丝分裂时DNA高度螺旋化而呈现特定的形态，此时易被碱性染料着色，称之为染色体。染色体是细胞核中遗传信息的载体，主要由DNA和蛋白质组成，它是分裂间期细胞染色质结构紧密包装的结果，是染色质的高级结构。染色体组成的基本单元是核小体。着丝粒和端粒是染色体的特定部位结构。

●3.1染色体、染色质

染色体是细胞分裂间期细胞染色质结构紧密包装的结果，是染色质的高级结构。有丝分裂时DNA高度螺旋化而呈现特定的形态，此时易被碱性染料着色，称之为染色体。染色体和染色质只不过是在细胞不同时期的两种状态。

●3.2核小体

核小体是染色质的基本结构单位，主要由DNA和组蛋白组成。核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）各两个分子构成的八聚体，DNA缠绕其上，相邻核小体之间通过组蛋白（H1）连接。组蛋白富含碱性氨基酸呈碱性，非常保守，组蛋白修饰在基因调控中发挥作用。

●3.3染色体其他组分（着丝粒、端粒）

着丝粒和端粒是染色体中间和末端的特殊结构。着丝粒是连接两条姐妹染色单体的部分，位于染色体的主缢痕处，其主要作用是使复制后的染色体在有丝分裂和减数分裂中可均等地分配到子细胞中。端粒是存在于真核细胞染色体末端的一小段特殊结构，类似“帽子”的作用，保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。着丝粒和端粒中的DNA序列均比较特殊，多由串联重复序列构成。

●3.4常染色质和异染色质

常染色质是染色质的一种松散聚集的形式，通常处于活跃的转录状态；异染色质通常染色深，折叠紧密，转录不活跃。真核生物可以通过异染色质化而关闭基因的表达。异染色质分为结构异染色质和兼性异染色质两种类型。

第四章DNA复制

DNA是遗传信息的载体，亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝，并分配到两个子细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。DNA复制发生在细胞分裂以前的S期，特点是“半保留复制”，由DNA聚合酶催化合成新的DNA链。

●4.1DNA复制——基本概念、发生时期、复制特点

DNA复制发生在细胞分裂间期S期，其特点包括（1）半保留复制；（2）有特定的复制起始点；（3）需要一小段RNA引物；（4）双向复制；（5）半不连续复制，即前导链合成为连续的，后随链则先合成冈崎片段，冈崎片段之间通过DNA聚合酶和连接酶连起来。

●4.2DNA复制——具体过程、涉及的酶

DNA复制过程包括引发（起始）、延伸、终止三个阶段。DNA复制始于基因组中的特定位置（复制起点, ori），形成前复制复合体，从而解开双链DNA。一旦复制起始后，就进入了延伸阶段，DNA聚合酶发生催化合成DNA链。DNA复制的终止发生在特定的DNA位点，即复制终止位点。DNA复制涉及的酶包括（1）DNA聚合酶；（2）DNA解旋酶；（3）引发酶；（4）DNA连接酶；（5）拓扑异构酶（topoisomerase）。

第五章RNA转录

DNA转录是遗传信息从DNA转变为RNA的过程, 即以双链DNA中一条链为模板，以A,U,C,G四种核糖核苷酸为原料，在RNA 聚合酶催化下合成RNA的过程。它作为蛋白质生物合成的第一步。RNA聚合酶通过与一系列组分构成动态复合体，完成转录起始、延伸、终止等过程。

●5.1RNA转录——基本概念、转录特点、RNA聚合酶、转录过程

DNA转录是细胞通过生成mRNA，通过它携带密码子到核糖体中实现蛋白质的翻译。该过程由RNA聚合酶催化，RNA聚合酶首先结合在启动子区域。原核生物和真核生物细胞内RNA聚合酶不同。转录的过程包括起始、延伸和终止第三个阶段。转录调控是基因表达控制的最重要环节。

●5.2RNA转录后加工

转录出来的mRNA是初级产物，需加工变为成熟mRNA才能通过核孔释放至细胞质用于蛋白质的翻译。转录后加工包括三个方面：（1）5′端装上甲基化的帽子（7甲基鸟嘌呤核苷）；（2）加上3′端多聚A（腺苷酸）；（3）剪接，即将mRNA前体上的内含子序列切除，再将被隔开的蛋白质编码区有序连接起来。转录后加工的作用主要有（1）保护mRNA免受降解；（2）有利于mRNA顺利运输至细胞质；（3）有利于第一个内含子的切除；（4）增加蛋白质的翻译效率。

●5.3逆转录

逆转录是指以RNA为模板合成DNA的过程，即RNA指导下的DNA合成。由以RNA为模板进行DNA链的逆转录酶（主要有AMV和MMLV）催化合成。逆转录过程是某些病毒的复制形式之一。

第六章蛋白质翻译

蛋白质翻译就是将成熟的mRNA分子中核苷酸序列解码，并生成对应的特定氨基酸序列的过程。该过程是基因表达的第二步。tRNA负责氨基酸的转运，而rRNA是核糖体的重要组成成分，mRNA、tRNA和rRNA三者共同协作实现蛋白质翻译。

●6.1蛋白质翻译——基本概念、 翻译所需的必要成分

蛋白质翻译就是根据mRNA分子核苷酸序列合成特定的肽链或蛋白质，在细胞质核糖体上完成。蛋白质翻译需要的必须组分包括（1） mRNA；（2）tRNA；（3）rRNA；（4）氨基酸；（5）氨酰tRNA 合成酶等。

●6.2氨基酸的转运、核糖体、翻译过程

氨基酸与tRNA的结合由氨酰tRNA合成酶催化，tRNA通过3′端的CCA携带氨基酸。核糖体的蛋白质翻译的场所，由大小两个亚基组成，小亚基结合mRNA，大亚基含有肽酰转移酶（peptidyl transferase ）活性中心, 负责肽键的合成。蛋白质翻译过程包括起始、延伸、终止三个阶段。

第七章遗传密码

mRNA上以4种核苷酸为原料组成的序列通过遗传密码的一套翻译规则，在核糖体内被翻译成蛋白序列上的20种氨基酸。tRNA 的反密码子与mRNA的密码子互补，连续的3个核苷酸碱基序列为一个密码子，特指一个氨基酸。标准的遗传密码是由64个密码子组成，几乎为所有生物通用。

●7.1遗传密码起源

在20世纪50年代，两位科学家克里克用大肠杆菌的T4噬菌体移码突变体实验和尼伦伯格建立了的一种利用人工合成RNA在试管里合成多肽链的实验系统，分别首次证明了阅读框的单位是密码子，由三个DNA碱基组成，以及解破了首个遗传密码，即UUU编码苯丙氨酸。

●7.2密码子表及其特点、遗传密码意义

同一种氨基酸具有两个或更多密码子，这种现象在分子生物学中称为密码子的简并性。遗传密码的简并性的存在是由于编码同一氨基酸的几个三联体遗传密码中，一、二位碱基大多是相同，第三位不同。这种非典型配对成为摆动现象。同一氨基酸有多个密码子的情况下，如果密码子第三位碱基出现了点突变，就不会影响所翻译出的氨基酸种类，增加了生物对基因突变的容错性。

第八章原核基因表达调控

染色体DNA带有完整的遗传信息，也就是含有所有的基因。但生命活动并不需要每时每刻都表达所有的基因，而只是选择性地表达其中的一些，这个现象称为基因表达调控。根据个体在时间上和空间上的特定需求，或者受到外来信号的刺激，表达调控可以通过体内的蛋白因子和调控区域以不同组合的互作来实现。所有生物的基因转录调控的基本原则是相同或相似，原核生物比真核生物相对简单。

●8.1基因表达调控——原因、因子及步骤

参与表达调控的DNA区域称为正式调控元件，参与表达调控的蛋白质则也称为反向调控因子。调控元件与调控因子的互作后通过对RNA转录酶的招募或推卸 从而实现对一个基因的转录正向调控（激活表达）或者负向调控（抑制表达）的目的。能够激活或促进基因转录表达的调控因子一般称之为正调控因子或活化因子；能过降低或停止基因转录表达的因子一般称之为负调控因子或抑制因子。

●8.2基因表达调控机制

从头调控，按需合成，所以绝大部分正调控因子或负调控因子主要参与调控转录的起始。原核生物的基因组小调控元件和转录因子相对少，很多在同样一条信号通路发挥作用的几个结构基因都依靠一个调控单位——操纵子所调控表达。操纵子由三个成分组成：1）调控因子2)调控区域 3)结构基因。能够识别培养液里的不同碳源，做出基因表达开关的决定，大肠杆菌里的乳糖操纵子是一个原核生物基因表达调控的经典例子。

第九章真核生物基因的转录与调控

真核细胞的基因组DNA与组蛋白及多种其它蛋白质广泛互作后得到高度折叠和压缩，最后以染色体形态存在于细胞核中。真核生物的遗传信息一般是单基因表达调控。基因表达除了受到更多顺式调控元件和更多转录因子的调节，其他环节如外显子剪接重排，核小体上组蛋白的不同修饰方式也为真核基因表达调控增添了多样化。

●9.1真核基因组以及基因的基本结构

主要介绍真核基因组以及基因的基本结构。

●9.2真核表达调控：核小体

核小体是染色质的基本结构单位，主要由DNA和组蛋白组成。核小体的核心是由4种组蛋白，各两个分子构成八聚体，DNA缠绕其中大约两圈。一条染色体的不同区域其核小体浓缩程度不一样，有些区域如常染色质比较松散，这有利于基因表达，而有些区域比较致密。坐落在异染色质区域的基因几乎不表达，这是因为转录调控因子和RNA聚合酶均不能被招募到异染色质区域。

●9.3真核表达调控：转录

真核基因表达调控虽然比原核基因表达调控复杂，但调控的基本原理相同，主要调控方式依赖于顺式调控元件和反式调控因子之间的相互作用实现。除了启动子附近的调控区域，也包括非基因特异性的远程调控元件如增强子和沉默子。真核细胞的调控因子除了与调控区域直接接触，也有更多的蛋白与蛋白的互作关系，以达到对复杂的基因组做出更精细的调控目的。

●9.4真核和原核表达调控：相似与区别

真核基因和原核基因表达调控有很多相似性，如基因表达都可以受到激活因子和抑制因子的调节，都以转录起始为最普遍的调控步骤，也就是通过有效的RNAP招募与否来开启或关闭转录。同时他们的基因表达调控也有十分明显的差异，如真核基因有外显子和内含子，也可以通过选择性剪接重排外显子，最终用同一个基因表达出不同的蛋白。

第十章基因、基因组、基因组学

随着DNA测序技术的迅猛发展，研究人员已经有能力完成整个基因组序列的测序工作。有了一个物种的基因组序列，也就是知道了一个物种的全部遗传物质基础的信息，人们对生命的研究就进入了一个全新的台阶，并产生了新的研究领域——基因组学。

●10.1基因

随着分子生物学和分子遗传学兴起和快速发展，除了编码蛋白的序列，新一代的基因定义是指基因组中所有参与基因表达调控，可被转录 （最终产生性状的产物不一定是蛋白质） 以及行使其它功能的对应于一个遗传元件的所有DNA序列。

●10.2基因组

全基因组是指一个生物体的全部遗传物质的碱基A、T、G、C的排列，也就是碱基序列。要研究一个物种的基因组，就必须获得该物种的全基因组序列。自从英国科学家Sanger在1977年发明了双脱氧链末端终止法来测定DNA序列，DNA测序技术在过去40年期间发生了革命性的革新。大通量测序能够迅速发展归功于几个重要支撑技术 —— DNA测序自动化，PCR 和生物信息学。今天的DNA测序，包括各种物种的基因组和转录组测序，已成为一件十分简单的工作。

●10.3基因组学

基因组学是在全基因组水平上对染色体DNA结构、功能进行研究的科学。目前来说，基因组学可以分为三个层面——DNA一级结构基因组学，比较基因组学，功能基因组学。

第十一章分子生物学基本实验技术

分子生物学实验技术就是与分子生物学基础相关的基本实验技术和技能。这里主要介绍了包括基因组DNA、总RNA的抽提与检测、PCR技术、DNA重组技术、重组质粒的提取与酶切鉴定、外源基因在大肠杆菌中的诱导表达和鉴定等六个常用的实验技术的实验原理、操作方法以及注意事项。

●11.1基因组DNA的抽提与检测

制备基因组DNA是开展基因结构和功能研究的基础。真核生物的DNA是以染色体的形式存在于细胞核内的，制备DNA是既要将DNA与蛋白质、脂类和糖类分离，又要保持DNA分子的完整性。抽提基因组DNA的方法已经非常成熟，主要介绍经典的酚抽提法。

●11.2总RNA的抽提与检测

RNA是存在于生物细胞以及部分病毒、类病毒中的遗传信息载体。RNA的作用主要是引导蛋白质的合成，提取RNA是进行基因表达分析的基础。Trizol 是一种总RNA抽提试剂，能够直接从细胞或组织中提取总RNA。

●11.3聚合酶链式反应（PCR）

PCR技术即聚合酶链式反应，是一种对特定的DNA片段在体外进行快速扩增的方法。以拟扩增的DNA分子为模板，以一对分别与模板互补的寡核苷酸片段为引物，在DNA聚合酶作用下，以dNTPs为底物，按照半保留复制原理，通过变性、退火、延伸三个步骤不断重复完成新DNA合成。

●11.4DNA重组技术

DNA重组技术，是将不同来源的DNA片段共价整合到有复制功能的DNA 中去的技术，又称分子克隆。包括酶切、连接和转化三个反应。

●11.5重组质粒DNA的提取与酶切鉴定

重组质粒DNA的提取与酶切鉴定技术是分子克隆的成功与否的鉴定技术，利用限制性内切酶识别DNA特异的核苷酸序列，并切割DNA，产生一定长度的DNA片段，通过电泳对酶切前后产物分析以鉴别目的基因是否成功插入重组质粒DNA。

●11.6外源基因在大肠杆菌中的诱导表达和鉴定

外源基因在大肠杆菌中的诱导表达和鉴定主要分为四个步骤，分别是重组质粒的构建、宿主菌的筛选、诱导表达、检测及纯化分析。