第一章基因的结构与功能

分子生物学研究的主要对象是基因。从基因概念的发现史开始，介绍人们对于基因——这个揭示生物遗传谜底的分子的认识过程，来了解基因的分子本质、结构和功能。简单的介绍原核生物、真核生物基因结构的不同，基因的分类以及基因的三大功能，最后从DNA的三级结构中了解基因的本质。

●1.1基因的结构与功能

分子生物学研究的主要对象是基因。从基因概念的发现史开始，介绍人们对于基因——这个揭示生物遗传谜底的分子的认识过程，来了解基因的分子本质、结构和功能。简单的介绍原核生物、真核生物基因结构的不同，基因的分类以及基因的三大功能，最后从DNA的三级结构中了解基因的本质。

第二章遗传信息的复制

生物之所以有遗传，是因为基因的一个功能——复制。通过遗传物质DNA的复制，亲代的遗传物质才可以传递到子代，无论原核生物、病毒、真核生物，遗传物质的传递都是通过复制来进行。DNA的复制按照半保留复制、半不连续复制、RNA引物和双向复制等一般机制，将亲代的遗传物质进行代代遗传。

●2.1DNA复制的一般特征

生物之所以有遗传，是因为基因的一个功能——复制。通过遗传物质DNA的复制，亲代的遗传物质才可以传递到子代，无论原核生物、病毒、真核生物，遗传物质的传递都是通过复制来进行。DNA的复制按照半保留复制、半不连续复制、RNA引物和双向复制等一般机制，将亲代的遗传物质进行代代遗传。

●2.2原核生物DNA的复制

原核生物的染色体DNA一般是环状DNA，根据DNA复制的一般机制，以大肠杆菌染色体DNA的复制为例，介绍原核生物DNA的复制过程。从大肠杆菌DNA聚合酶的组成、参与DNA复制的各种蛋白质和酶的作用，详细展现原核生物DNA复制的三个阶段：起始、延伸、终止过程。

●2.3真核生物DNA的复制

真核生物的线性DNA以及独特的染色体结构，导致其DNA的复制过程和原核生物的DNA复制过程有明显的不同之处。着重介绍真核生物和原核生物DNA复制过程中的不同之处：从真核生物DNA聚合酶的组成到线性DNA复制过程中的末端缺损问题，引出真核生物染色体末端的特殊结构——端粒和端粒酶。

第三章遗传信息的传递

基因的一大功能是携带遗传信息。以核苷酸线性序列的形式储存在多聚核苷酸链中的信息是如何转换为多肽链中的氨基酸线性序列呢？基因的表达需要经历转录、翻译两个过程。按照将基因中的信息复制到RNA，即信使RNA的过程称为转录，将信使RNA解码成为多肽链的信息被称为翻译。

●3.1原核生物的转录

从转录和复制的不同之处开始，介绍大肠杆菌RNA聚合酶的结构、功能、基因转录所需要的启动子结构，介绍原核生物转录的基本过程：起始、延伸和终止过程。详细剖析转录起始的复杂性。

●3.2真核生物的转录

与原核生物不同，真核生物具有三种RNA聚合酶。每一种RNA聚合酶负责不同的RNA转录。从最复杂的RNA聚合酶Ⅱ为例，介绍真核生物信使RNA的转录过程，从启动子、转录因子和RNA聚合酶三者的相互作用，突出真核生物转录过程和原核生物转录的不同。

●3.3真核生物的转录后加工

真核生物的基因是断裂基因，因而导致真核生物的转录产物中会具有大量的非编码序列，因此真核基因转录后，必须经过剪接过程，将初级转录产物的非编码RNA去除，真核生物还会在mRNA的两端加上特殊结构。5’加帽、3’加poly（A）尾、选择性剪接、RNA编辑等转录后的加工过程，使真核生物的一个基因可产生多种不同的成熟的转录产物，形成丰富多彩的真核世界。

●3.4蛋白质的生物合成（上）

蛋白质是基因表达的最终产物，它的生物合成是一个比DNA复制和转录更为复杂的过程，主要包括：翻译的起始、肽链的延伸和肽链的终止及释放。万事开头难，这节先介绍翻译的起始阶段。在起始阶段，核糖体结合mRNA，连接了相应tRNA的第一个氨基酸也与之结合。从比较简单的细菌翻译的起始开始，然后学习更复杂的真核生物的翻译起始。

●3.5蛋白质的生物合成（下）

本节介绍翻译过程的延伸和终止阶段，主要是延伸过程，多肽链的延伸是以一个三步循环不断重复发生。我们从细菌中延伸的三个步骤来描述。并对多肽链延伸的终止过程进行说明。

第四章基因表达调控

并非所有细胞的全部基因总在不断地表达。实际上，生命很大程度上依赖于细胞在不同时间、不同空间以不同的组合、表达不同的基因。低等的细菌在特定时间里只表达某些能保证可以合成某些酶以代谢它所遇到的营养物的这些基因。多细胞有机体更加体现了这种差异基因表达模式。本章我们讲述的是基因是如何被调控。

●4.1原核基因表达调控

本节讲述的是从细菌体系中发现的最基本的基因表达调控原理。本节分为3小节，首先对原核基因表达调控的一般规律进行概述，强调原核细胞适应环境的调控模式——操纵子结构，随后以乳糖操纵子为例，展示细菌在转录调控的基本原理：负控诱导调控体系和正转录调控相互协调对分解酶类的调控原理。编码代谢乳糖所需的蛋白质只在培养基中只有乳糖时才表达。最后以色氨酸操纵子为例，主要介绍的是细菌经济有效的弱化子调控机制，突出弱化子结构在合成酶类操纵子中的调控作用。

●4.2真核生物基因表达调控

由于真核基因是多细胞有机体，真核基因的表达会因特定的时间、特定的细胞、特定基因不同，而出现不同的表达模式。本节也分为3小节，主要对真核基因表达基本机制进行讨论，从转录的激活和抑制的机制与细菌进行比较，尤其是从DNA水平的调控作用。

●4.3调控RNA

近年来，RNA调控子的研究获得了新的突破。尤其在真核生物中，RNA分子被发现能在转录水平尤其是翻译水平上发挥调控作用。本节从细菌中的RNA介导的基因调控，到真核细胞中RNAi、miRNA，介绍调控RNA如何作用来调控基因表达。

第五章分子生物学技术

要了解细胞的遗传过程就需要各种具有挑战性的实验方法。这些方法包括可从细胞的无数混合物中分离出单个大分子，以及将基因组解剖成大小合适的片段以便操作，以及分析特定DNA序列的方法等等；这些方法成功也是分子生物学领域的主要推动力之一。

●5.1DNA序列分析技术

DNA序列分析是进行基因的精细结构和功能分析、绘制基因图谱、转基因检测的重要手段。DNA序列测定主要是在DNA内切酶、合成酶的应用，高分辨率聚丙烯酰胺变性凝胶电泳技术等基础上建立起来的。用于测序分析的方法有Sanger（1977）的双脱氧链末端终止法和Maxam与Gilbert（1977）的化学降解法两种。本节分别讨论了两种方法的原理。

●5.2核酸杂交技术

由于DNA双链在变性后可以重新按碱基互补配对进行复性，因此，在适当的离子强度和温度条件下，互补的核苷酸序列（DNA与DNA、DNA与RNA、RNA与RNA等）通过Watson-Crick碱基配对形成非共价键，从而形成稳定的同源或异源双链分子的过程，称为核酸分子杂交技术，又称核酸杂交。杂交通常在一支持膜上进行，因此又称为核酸印迹杂交。根据检测样品的不同又被分为DNA印迹杂交（Southern blot hybridization ）和RNA印迹杂交（Northern blot hybridization）。

●5.3质粒DNA的提取及电泳检测

粒是细菌、酵母菌等生物钟染色体之外的DNA，可自主复制和遗传的闭合环状双链DNA分子。质粒也是基因工程中最常见的载体。质粒抽提方法即去除 RNA，将质粒与细菌基因组 DNA分开，去除蛋白质及其它杂质，以得到相对纯净的质粒。

●5.4琼脂糖凝胶电泳

琼脂糖凝胶电泳是用琼脂糖作支持介质的一种电泳方法。其分析原理兼有“分子筛”和“电泳”的双重作用。DNA分子在琼脂糖凝胶中泳动时有电荷效应和分子筛效应。DNA分子在高于等电点的pH溶液中带负电荷，在电场中向正极移动。由于糖-磷酸骨架在结构上的重复性质，相同数量的双链DNA几乎具有等量的净电荷，因此它们能以同样的速率向正极方向移动。

●5.5PCR扩增目的基因

聚合酶链式反应简称PCR（Polymerase Chain Reaction） (又称：多聚酶链式反应) PCR是体外酶促合成特异DNA片段的一种方法，由高温变性、低温退火（复性）及适温延伸等反应组成一个周期，循环进行，使目的DNA得以迅速扩增,具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。PCR技术的基本原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补的寡核苷酸引物。

●5.6感受态细胞的制备与转化

将大肠杆菌细胞制备成抑郁接受外源DNA分子，且不易被细胞内限制性内切酶分解的感受态细胞状态，其原理可能是破坏了细胞膜的通透性。感受态细胞接受质粒的过程就称为转化。实验室中可以通过简单的低温CaCl2处理使大肠杆菌转变为感受态细胞，并通过热击方式将质粒转化进入感受态细胞。

●5.7动物组织总RNA的提取

核酸提取的一般原则主要包括：破碎细胞-消化蛋白质-去除其他核酸-沉淀核酸。总RNA是细胞中所有RNA，可用于分析mRNA、miRNA等。