分子遗传学原理（下册）

分子遗传学（molecular genetics）是在核酸和蛋白质大分子水平上，研究生命体遗传及变异的规律、基因结构同功能的关系、遗传信息表达与调节的机理等一系列有关遗传分子本质的一门重要的生命科学基础学科。
近四十年来，分子遗传学发生了深刻的变化。在全面继承和发展传统遗传学的基础上，又孕育并催生了基因工程学（genetic engineering）、基因组学（genomics）和表观遗传学（epigenetics）3个相对独立的、现代分子遗传学的分支学科。由此可见，今天的分子遗传学已经不仅是一门纯粹的基础理论科学，而且还是一门具有实际应用价值的技术科学。它的基本原理已被广泛地应用于现代农业科学、生物技术科学、医药卫生科学、环境保护科学，乃至于考古科学和法医科学等诸多领域，成为影响生命科学发展全局的核心学科之一，也是生命科学有关专业本科生和研究生的一门必修的基础课程。
我们在长期为中国农业科学院研究生院、中国科学院研究生院和诸多高校生命科学有关院系讲授“基因工程原理”课程的实践中，深刻地领会到要真正讲好这门课，就必须深入研究并系统掌握分子遗传学的基本理论体系；同时对于学生而言，不具备相应水平的分子遗传学的专业基础知识，要学好这门课程无疑是相当困难的。为此，特将《分子遗传学原理》作为我们先前出版的《基因工程原理》的姊妹书撰写的，故二者在内容上既有所分工又彼此衔接，但并不重叠。同时为了避免交叉，并使本书的容量不至于过大，有关基因工程及基因组学的内容原则上概不纳入。
近年来国内外相继出版了相当数量的涉及分子遗传学方面的著作。在写作本书的过程中，我们仔细地分析比较了其中若干主要版本的章节结构和内容特色，得益良多。在尽可能最大限度地吸收它们优点的同时，也认真地融入了作者数十年科研与教学实践的经验，并充分地考虑到我国生命科学有关专业高年级本科生和研究生的知识结构特点，期望能够编写出一部符合我国实际情况并反映最新研究进展的分子遗传学的基础理论著作。为达到此目的，我们定下了如下五条编写原则。
第一，紧扣分子遗传学的核心主题与最新进展。在资料取舍方面，特别注意科学性、先进性、系统性和条理性。在全面介绍分子遗传学原理的基础上，重点增加了“分子遗传学的传承与发展”、“基因概念的演变”、“基因的分子结构”、“双功能密码子及遗传密码的拓展”、“基因表达的网络调节”、“遗传信息流的三个层次与中心法则的质疑”、“核糖开关的调节作用”以及“非B-型DNA构象与疾病”、“朊病毒蛋白质的自我增殖问题”、“表观遗传学”和“模式生物”、“一种基因多种蛋白质的概念”、“蛋白质剪接”、“内含肽与外显肽”及“miRNA与基因表达的调节”、“真核基因表达的信号调节”等许多新内容和新进展。
第二，重视理论与实践的结合。为此我们竭力将科学理论的叙述同相关实验方法的介绍有机地结合起来，让读者不仅知其然而且知其所以然，以有利于培养学生的创新思维能力。例如在描述DNA双螺旋结构模型的同时，详细介绍奠定这种模型诞生的三大基础实验的重要发现；在讲解乳糖操纵子模型之前，先介绍导致此种模型建立的大肠杆菌部分二倍体的一系列互补实验的结果；在讨论核糖体蛋白质的定位与组装的过程中，辅以介绍相应的实验方法与技术等。
第三，遵循中文写作规范。争取使本书成为一部真正按照中文语法体系写就的有关分子遗传学原理的学术著作。所有参阅的中文译作都尽可能查找原文，经认真校对之后方予参考使用，以便尽可能地把翻译出版过程中因偶然疏忽而造成的失误减少到最低限度。同时努力避免使用英语式中文句子的情况，以期使读者能够顺畅地阅读并理解本书所叙述的科学内容。
第四，增加基础理论部分的比重。本书是为相关专业的高年级本科生、研究生、教师和有关科研人员撰写的。因此作者十分重视对分子遗传学基本原理及概念的叙述，特别是一些容易误解的概念或中文译名容易混淆的术语，均明确指出它们之间的本质差别。其目的在于使相关专业的人员都能方便地使用本书，获得比较广泛而扎实的基础理论知识。
第五，秉承“勤奋、严谨、求实、创新”的编写理念。首先在广泛收集并阅读大量文献资料的基础上，经过认真思考和归纳分析形成了总体写作大纲，力求体例有所创新。然后对每一章节具体内容的安排及组织进行仔细推敲与斟酌，尽量做到重点突出、条理清楚、层次分明、逻辑严谨，并配上大量的精美插图。其中绝大多数都是作者根据有关文献独立设计出草图后，交由出版社电脑绘制。任何一个命题在作者自己没有弄懂之前绝不草率下笔，遇到的所有疑点都不允许轻易放过。全书各章都是数易其稿，至少经过了5次以上的较大范围的删节与补充，个别的甚至推翻重写，至于局部小改或文字润色，连作者自己也记不得有多少次。到全书脱稿之后，还特意送请有关领域的著名专家学者审阅。最后根据审者的意见再作认真的修改。我们的目的是务求本书的写作能严格遵循“为科学负责、为读者负责、为国家负责”的最起码的学术准则和道德规范，尽最大努力减少错误，以免谬种流传贻误后生。
在本书的编写和出版过程中，得到了北京大学吴鹤龄和朱圣庚等老师，香港科技大学谢雍教授及化学工业出版社叶露女士的热情关心、支持和帮助；化学工业出版社的傅四周、孟嘉和叶露担任本书的责任编辑，他们认真勤奋的工作为本书增色不少；不少青年朋友，如中国科学院生物物理研究所王洪云博士，遗传与发育生物学研究所方晓华博士、张方博士，中国农业科学院研究生院吴巍博士等为本书提供了一些参考资料。此外，本书的出版还得到中国科学院新东方公司的赞助。在此谨对他们表示衷心的感谢！
长达八年多的持续笔耕，是一种相当艰辛又充满乐趣的知识更新过程。它不仅使我们 “读书、写书、教书”的退休生活富有生气，而且也使我们的科学素养得到了明显的提高。我们为自己离开钟爱的科研舞台之后，尚能静心写作，报答人民的哺育，继续为祖国培养年轻的科学英才贡献绵薄之力，感到由衷的欣慰。
然而由于我们学识有限，对新知识新进展了解不够，因此本书的不足之处实属难免，缺点与错误肯定存在。这绝不是故作谦虚之词，而是真情的表白。衷心希望有关专家学者不吝赐教，诚挚欢迎青年读者批评指正，以使本书日臻完善。倘此，作者不胜感激之至。

吴乃虎　黄美娟 　
于北京大学博雅西园 
2019年9月  　

吴乃虎，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员，博导。现任中国科学院研究生院特聘教授，中国农业科学院研究生院讲席教授。 先后承担国家“863”计划、“973”计划、国家转基因研究专项、国家自然科学基金重大研究项目等多项有关真核基因表达调控分子机理及基因工程方面的研究任务。在国内外有关学术刊物发表研究论文近百篇，编写出版《基因工程原理》、《基因工程术语》和《基因工程与农业》等专著，翻译出版《基因操作原理》和《DNA克隆》等译著。

本书是作者根据科研与教学实践，在深入研读并分析大量有关文献资料的基础上，经过八年多的艰苦努力撰写成的一部崭新的分子遗传学著作。全书共十二章，分上下两册出版。上册主要包括遗传的物质基础、基因的分子结构和遗传信息的传递途径等章节；下册重点涉及基因表达的调节、突变、重组、转位以及表观遗传学和模式生物等内容。在重点讨论分子遗传学基本原理的同时，作者还着力反映当今相关研究领域的许多新内容和最新进展，主要包括双功能密码子及遗传密码的拓展；基因表达的核糖开关调节、RNA分子的调节以及网络调节；朊蛋白的功能，一种基因多种蛋白质，蛋白质的剪接及内含肽与外显肽；遗传信息流的三个层次及表观遗传学等。此外，还纳入了作者多年来学习分子遗传学的心得体会，如“分子遗传学的传承与发展”、“基因概念的演变”等内容。因此，这是一部努力反映分子遗传学最新进展，具有取材新颖、特色鲜明、内容丰富、结构严谨等特点的创新性的学术专著。可供生命科学各领域的本科生、研究生、教师和研究人员阅读使用。

Chapter7 第七章　原核基因表达活性的调节	001
第一节　若干基本概念	001
　一、原核基因表达的调节方式	001
　二、原核基因表达的诱导与阻遏	005
　三、顺式作用元件和反式作用因子	008
　四、原核基因表达调节的原理	009
第二节　大肠杆菌乳糖操纵子的正调节	013
　一、大肠杆菌乳糖的利用	013
　二、F质粒与大肠杆菌部分二倍体	016
　三、乳糖操纵子基因突变的互补测验	020
　四、组成型突变的互补测验—lacI基因和lacO操纵单元的发现	022
　五、Jacob和Monod乳糖操纵子模型	024
第三节　大肠杆菌其他类型操纵子的表达调节	035
　一、半乳糖操纵子的双重表达调节	035
　二、色氨酸操纵子的弱化调节	041
　三、阿拉伯糖操纵子的三重调节	049
第四节　原核基因表达的网络调节	052
　一、核糖体蛋白合成的调节	053
　二、rRNA和tRNA合成的协同调节	057
　三、反馈抑制作用的调节	062
第五节　原核基因表达的RNA调节	070
　一、核糖开关的发现	071
　二、核糖开关的分子结构	072
　三、核糖开关的类型	073
　四、核糖开关的功能	079
参考文献 	083

Chapter8 第八章　真核基因表达活性的调节	085
第一节　真核基因表达调节概述	087
　一、真核细胞与原核细胞结构的差异	087
　二、真核基因与原核基因表达调节机理的差异	089
　三、真核基因表达调节的特性	091
　四、真核基因表达活性的微调问题	093
第二节　研究真核基因表达调节的实验方法	095
　一、研究RNA表达与定位的实验方法	096
　二、研究蛋白质表达与定位的实验方法	099
　三、研究DNA与蛋白质相互作用的方法	107
　四、研究蛋白质与蛋白质相互作用的方法	115
第三节　染色质与真核基因表达的转录调节	125
　一、染色质的组分	125
　二、核小体的结构	127
　三、核小体组蛋白N端尾部结构域的修饰	128
　四、染色质的高级物理结构	132
　五、活性染色质的结构特征与基因的转录活性	133
第四节 DNA与真核基因表达的调节	138
　一、基因重排的调节方式	138
　二、基因扩增的调节方式	142
第五节　基因调节蛋白与真核基因的转录调节	146
　一、真核启动子和转录调节蛋白	147
　二、真核基因调节蛋白的类型	147
　三、转录因子的转录调节作用	153
第六节 RNA与真核基因表达的调节	155
　一、mRNA加工的调节方式	156
　二、核质mRNA转运的调节方式	159
　三、mRNA稳定性的调节方式	161
　四、mRNA翻译的调节方式	166
第七节　信号与真核基因表达的调节	169
　一、信号概念	170
　二、信号转导的一般特点	172
　三、信号转导途径	173
　四、激素信号对真核基因表达的调节作用	177
参考文献	181

Chapter9 第九章　基因突变与修复的分子机理	183
第一节　突变的基本特性及分子基础	184
　一、突变的若干概念	184
　二、DNA核苷酸序列的碱基变化	187
　三、基因突变的类型	187
　四、基因突变的分子基础	193
　五、突变的表型效应	197
第二节　自发突变的分子机理	203
　一、DNA复制校正体系失活引起的基因自发突变	203
　二、碱基互变异构化与基因的自发突变	204
　三、脱氨基作用引起的基因自发突变	206
第三节　物理诱变	209
　一、紫外线诱变作用的分子机理	209
　二、电离辐射诱变作用的分子机理	211
　三、热诱发突变的分子机理	212
第四节　化学诱变	213
　一、化学诱变剂的检测技术	214
　二、碱基类似物的诱变作用	216
　三、改变DNA分子结构的诱变剂	218
　四、嵌入DNA分子的诱变剂	223
第五节　DNA损伤的修复	225
　一、直接修复机理	226
　二、切除修复机理	228
　三、错配修复机理	238
　四、重组修复机理	242
　五、SOS修复机理	244
　六、DNA双链断裂修复机理	247
参考文献	251

Chapter10 第十章　遗传重组与转位	253
第一节　概述	253
　一、重组的概念及其生物学作用	253
　二、重组的类型	255
　三、重组与转位的若干概念	258
　四、重组与转位的生物学功能	261
第二节　同源重组	265
　一、同源重组的分子基础	266
　二、同源重组之Holliday模型	271
　三、同源重组双链断裂修复模型	276
　四、减数分裂同源重组	279
　五、参与同源重组的主要蛋白质及其功能	282
第三节　位点特异性重组	293
　一、大肠杆菌λ噬菌体的位点特异性重组	293
　二、位点特异性重组的酶学基础	298
　三、位点特异性重组在转基因研究中的应用	302
第四节　基因转变	309
　一、粗糙链孢霉的普通生物学	309
　二、基因转变的分子机理	313
第五节　转位子与转位作用	319
　一、转位子的类型	319
　二、转位作用的分子机理	321
　三、RNA转位子	323
　四、基因重排	326
参考文献	330

Chapter11 第十一章　表观遗传学	333
第一节　表观遗传学概述	334
　一、先成论与后成论	334
　二、中心法则的质疑	336
　三、若干基本概念	337
第二节　X染色体失活与表观遗传	340
　一、哺乳动物X染色体的失活	340
　二、哺乳动物X染色体剂量补偿效应的分子机理	345
　三、哺乳动物维持X染色体稳定失活状态的分子机理	349
　四、果蝇性染色体的剂量补偿效应	349
　五、秀丽隐杆线虫性染色体的剂量补偿效应	353
第三节　DNA甲基化与表观遗传	354
　一、DNA甲基化的检测技术	354
　二、胞嘧啶的甲基化作用	358
　三、DNA甲基化酶	359
　四、DNA甲基化模式	363
　五、DNA甲基化的生物学功能	367
　六、DNA甲基化与表观遗传调节	368
第四节　非编码RNA与表观遗传	372
　一、小干扰RNA	373
　二、参与RNA干扰作用的若干核酸酶	377
　三、小干扰RNA	379
　四、微RNA	383
第五节　基因组印记与表观遗传	390
　一、基因组印记与印记基因	390
　二、单等位基因表达机理	393
　三、哺乳动物基因组印记的关键性特点	396
　四、哺乳动物基因组印记与人类疾病	398
第六节　染色质重塑与表观遗传	398
　一、常染色质和异染色质	398
　二、染色质重塑	400
　三、染色质重塑的机理与功能	403
第七节　表观遗传效应的传递	405
　一、表观遗传效应的起因	405
　二、表观遗传效应的传递机理	406
　三、蛋白质修饰作用表观遗传效应的传递	409
参考文献	411

Chapter12 第十二章　模式生物的分子遗传学	414
第一节　大肠杆菌	415
　一、一般生物学概述	416
　二、噬菌体	419
　三、质粒	426
　四、转位子的研究应用	435
　五、细菌DNA的转移方式	436
　六、限制与修饰	448
　七、大肠杆菌及其噬菌体对分子遗传学的主要贡献	451
第二节　酿酒酵母	452
　一、一般生物学特性	453
　二、酿酒酵母生命周期	454
　三、酿酒酵母细胞的遗传转化	454
第三节　秀丽隐杆线虫	461
　一、一般生物学特性	461
　二、生命周期	462
　三、性别决定	463
　四、主要生物学贡献	465
第四节　黑腹果蝇	465
　一、一般生物学特性	466
　二、果蝇的生命周期	467
　三、黑腹果蝇染色体	467
　四、黑腹果蝇性别决定途径	470
　五、P元件与转基因果蝇	471
第五节　小鼠	474
　一、一般生物学特性	475
　二、小鼠的生命周期	476
　三、转基因小鼠的构建	476
　四、小鼠的基因打靶技术	478
　五、基因敲除技术	479
第六节　拟南芥	480
　一、一般生物学特性	480
　二、生命周期	481
　三、突变体库的构建	483
　四、基因定位克隆	484
参考文献	487

索引	489