分子遺傳學原理(下冊)（簡體書）

本書是作者根據科研與教學實踐，在深入研讀並分析大量有關文獻資料的基礎上，經過近八年的艱苦努力撰寫成的一部暫新的分子遺傳學著作。全書共十二章，分上下兩冊出版。上冊主要包括遺傳的物質基礎、基因的分子結構和遺傳信息的傳遞途徑等章節；下冊重點涉及基因表達的調節、突變重組與轉位以及表觀遺傳學和模式生物等內容。在重點討論分子遺傳學基本原理的同時，作者還著力反映當今相關研究領域的許多新內容和*進展。此外，還納入了作者多年來學習分子遺傳學的心得體會，如“分子遺傳學的傳承與發展”、“基因概念的演變”等。因此，這是一部具有鮮明特色、內容豐富、結構嚴謹、有一定深度和廣度的創新性的學術專著。可供生命科學各領域的本科生、研究生、教師和研究人員閱讀參考。

吳乃虎

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員，博導。現任中國科學院研究生院特聘教授，中國農業科學院研究生院講席教授。 先後承擔國家“863”計畫、“973”計畫、國家轉基因研究專項、國家自然科學基金重大研究項目等多項有關真核基因表達調控分子機理及基因工程方面的研究任務。在國內外有關學術刊物發表研究論文近百篇，編寫出版《基因工程原理》、《基因工程術語》和《基因工程與農業》等專著，翻譯出版《基因操作原理》和《DNA克隆》等譯著。

本書由吳乃虎、黃美娟兩位教授歷時多年精心編撰而成。全書內容系統、素材豐富、論述嚴謹，既涵蓋了分子遺傳學各分支領域，又體現了該學科的新進展。書中的材料經兩位編者反復甄別核實後寫成，具有很高的參考價值。

分子遺傳學（molecular genetics）是在核酸和蛋白質大分子水準上，研究生命體遺傳及變異的規律、基因結構同功能的關係、遺傳信息表達與調節的機理等一系列有關遺傳分子本質的一門重要的生命科學基礎學科。

近四十年來，分子遺傳學發生了深刻的變化。在全面繼承和發展傳統遺傳學的基礎上，又孕育並催生了基因工程學（genetic engineering）、基因組學（genomics）和表觀遺傳學（epigenetics）3個相對獨立的、現代分子遺傳學的分支學科。由此可見，今天的分子遺傳學已經不僅是一門純粹的基礎理論科學，而且還是一門具有實際應用價值的技術科學。它的基本原理已被廣泛地應用於現代農業科學、生物技術科學、醫藥衛生科學、環境保護科學，乃至於考古科學和法醫科學等諸多領域，成為影響生命科學發展全域的核心學科之一，也是生命科學有關專業本科生和研究生的一門必修的基礎課程。

我們在長期為中國農業科學院研究生院、中國科學院研究生院和諸多高校生命科學有關院系講授“基因工程原理”課程的實踐中，深刻地領會到要真正講好這門課，就必須深入研究並系統掌握分子遺傳學的基本理論體系；同時對於學生而言，不具備相應水準的分子遺傳學的專業基礎知識，要學好這門課程無疑是相當困難的。為此，特將《分子遺傳學原理》作為我們先前出版的《基因工程原理》的姊妹書撰寫的，故二者在內容上既有所分工又彼此銜接，但並不重疊。同時為了避免交叉，並使本書的容量不至於過大，有關基因工程及基因組學的內容原則上概不納入。

近年來國內外相繼出版了相當數量的涉及分子遺傳學方面的著作。在寫作本書的過程中，我們仔細地分析比較了其中若幹主要版本的章節結構和內容特色，得益良多。在盡可能最大限度地吸收它們優點的同時，也認真地融入了作者數十年科研與教學實踐的經驗，並充分地考慮到我國生命科學有關專業高年級本科生和研究生的知識結構特點，期望能夠編寫出一部符合我國實際情況並反映最新研究進展的分子遺傳學的基礎理論著作。為達到此目的，我們定下了如下五條編寫原則。

第一，緊扣分子遺傳學的核心主題與最新進展。在資料取捨方面，特別注意科學性、先進性、系統性和條理性。在全面介紹分子遺傳學原理的基礎上，重點增加了“分子遺傳學的傳承與發展”、“基因概念的演變”、“基因的分子結構”、“雙功能密碼子及遺傳密碼的拓展”、“基因表達的網絡調節”、“遺傳信息流的三個層次與中心法則的質疑”、“核糖開關的調節作用”以及“非B-型DNA構象與疾病”、“朊病毒蛋白質的自我增殖問題”、“表觀遺傳學”和“模式生物”、“一種基因多種蛋白質的概念”、“蛋白質剪接”、“內含肽與外顯肽”及“miRNA與基因表達的調節”、“真核基因表達的信號調節”等許多新內容和新進展。

第二，重視理論與實踐的結合。為此我們竭力將科學理論的敘述同相關實驗方法的介紹有機地結合起來，讓讀者不僅知其然而且知其所以然，以有利於培養學生的創新思維能力。例如在描述DNA雙螺旋結構模型的同時，詳細介紹奠定這種模型誕生的三大基礎實驗的重要發現；在講解乳糖操縱子模型之前，先介紹導致此種模型建立的大腸桿菌部分二倍體的一系列互補實驗的結果；在討論核糖體蛋白質的定位與組裝的過程中，輔以介紹相應的實驗方法與技術等。

第三，遵循中文寫作規範。爭取使本書成為一部真正按照中文語法體系寫就的有關分子遺傳學原理的學術著作。所有參閱的中文譯作都盡可能查找原文，經認真校對之後方予參考使用，以便盡可能地把翻譯出版過程中因偶然疏忽而造成的失誤減少到最低限度。同時努力避免使用英語式中文句子的情況，以期使讀者能夠順暢地閱讀並理解本書所敘述的科學內容。

第四，增加基礎理論部分的比重。本書是為相關專業的高年級本科生、研究生、教師和有關科研人員撰寫的。因此作者十分重視對分子遺傳學基本原理及概念的敘述，特別是一些容易誤解的概念或中文譯名容易混淆的術語，均明確指出它們之間的本質差別。其目的在於使相關專業的人員都能方便地使用本書，獲得比較廣泛而扎實的基礎理論知識。

第五，秉承“勤奮、嚴謹、求實、創新”的編寫理念。首先在廣泛收集並閱讀大量文獻資料的基礎上，經過認真思考和歸納分析形成了總體寫作大綱，力求體例有所創新。然後對每一章節具體內容的安排及組織進行仔細推敲與斟酌，儘量做到重點突出、條理清楚、層次分明、邏輯嚴謹，並配上大量的精美插圖。其中絕大多數都是作者根據有關文獻獨立設計出草圖後，交由出版社計算機繪製。任何一個命題在作者自己沒有弄懂之前絕不草率下筆，遇到的所有疑點都不允許輕易放過。全書各章都是數易其稿，至少經過了5次以上的較大範圍的刪節與補充，個別的甚至推翻重寫，至於局部小改或文字潤色，連作者自己也記不得有多少次。到全書脫稿之後，還特意送請有關領域的著名專家學者審閱。最後根據審者的意見再作認真的修改。我們的目的是務求本書的寫作能嚴格遵循“為科學負責、為讀者負責、為國家負責”的最起碼的學術準則和道德規範，盡最大努力減少錯誤，以免謬種流傳貽誤後生。

在本書的編寫和出版過程中，得到了北京大學吳鶴齡和朱聖庚等老師，香港科技大學謝雍教授及化學工業出版社葉露女士的熱情關心、支持和幫助；化學工業出版社的傅四周、孟嘉和葉露擔任本書的責任編輯，他們認真勤奮的工作為本書增色不少；不少青年朋友，如中國科學院生物物理研究所王洪雲博士，遺傳與發育生物學研究所方曉華博士、張方博士，中國農業科學院研究生院吳巍博士等為本書提供了一些參考資料。此外，本書的出版還得到中國科學院新東方公司的贊助。在此謹對他們表示衷心的感謝！

長達八年多的持續筆耕，是一種相當艱辛又充滿樂趣的知識更新過程。它不僅使我們 “讀書、寫書、教書”的退休生活富有生氣，而且也使我們的科學素養得到了明顯的提高。我們為自己離開鍾愛的科研舞臺之後，尚能靜心寫作，報答人民的哺育，繼續為祖國培養年輕的科學英才貢獻綿薄之力，感到由衷的欣慰。

然而由於我們學識有限，對新知識新進展瞭解不夠，因此本書的不足之處實屬難免，缺點與錯誤肯定存在。這絕不是故作謙虛之詞，而是真情的表白。衷心希望有關專家學者不吝賜教，誠摯歡迎青年讀者批評指正，以使本書日臻完善。倘此，作者不勝感激之至。



吳乃虎　黃美娟

於北京大學博雅西園

2019年9月

Chapter7 第七章　原核基因表達活性的調節 001

第一節　若幹基本概念 001

　一、原核基因表達的調節方式 001

　二、原核基因表達的誘導與阻遏 005

　三、順式作用元件和反式作用因數 008

　四、原核基因表達調節的原理 009

第二節　大腸桿菌乳糖操縱子的正調節 013

　一、大腸桿菌乳糖的利用 013

　二、F質粒與大腸桿菌部分二倍體 016

　三、乳糖操縱子基因突變的互補測驗 020

　四、組成型突變的互補測驗—lacI基因和lacO操縱單元的發現 022

　五、Jacob和Monod乳糖操縱子模型 024

第三節　大腸桿菌其他類型操縱子的表達調節 035

　一、半乳糖操縱子的雙重表達調節 035

　二、色氨酸操縱子的弱化調節 041

　三、阿拉伯糖操縱子的三重調節 049

第四節　原核基因表達的網絡調節 052

　一、核糖體蛋白合成的調節 053

　二、rRNA和tRNA合成的協同調節 057

　三、回饋抑制作用的調節 062

第五節　原核基因表達的RNA調節 070

　一、核糖開關的發現 071

　二、核糖開關的分子結構 072

　三、核糖開關的類型 073

　四、核糖開關的功能 079

參考文獻 083



Chapter8 第八章　真核基因表達活性的調節 085

第一節　真核基因表達調節概述 087

　一、真核細胞與原核細胞結構的差異 087

　二、真核基因與原核基因表達調節機理的差異 089

　三、真核基因表達調節的特性 091

　四、真核基因表達活性的微調問題 093

第二節　研究真核基因表達調節的實驗方法 095

　一、研究RNA表達與定位的實驗方法 096

　二、研究蛋白質表達與定位的實驗方法 099

　三、研究DNA與蛋白質相互作用的方法 107

　四、研究蛋白質與蛋白質相互作用的方法 115

第三節　染色質與真核基因表達的轉錄調節 125

　一、染色質的組分 125

　二、核小體的結構 127

　三、核小體組蛋白N端尾部結構域的修飾 128

　四、染色質的高級物理結構 132

　五、活性染色質的結構特徵與基因的轉錄活性 133

第四節 DNA與真核基因表達的調節 138

　一、基因重排的調節方式 138

　二、基因擴增的調節方式 142

第五節　基因調節蛋白與真核基因的轉錄調節 146

　一、真核啟動子和轉錄調節蛋白 147

　二、真核基因調節蛋白的類型 147

　三、轉錄因數的轉錄調節作用 153

第六節 RNA與真核基因表達的調節 155

　一、mRNA加工的調節方式 156

　二、核質mRNA轉運的調節方式 159

　三、mRNA穩定性的調節方式 161

　四、mRNA翻譯的調節方式 166

第七節　信號與真核基因表達的調節 169

　一、信號概念 170

　二、信號轉導的一般特點 172

　三、信號轉導途徑 173

　四、激素信號對真核基因表達的調節作用 177

參考文獻 181



Chapter9 第九章　基因突變與修復的分子機理 183

第一節　突變的基本特性及分子基礎 184

　一、突變的若幹概念 184

　二、DNA核苷酸序列的堿基變化 187

　三、基因突變的類型 187

　四、基因突變的分子基礎 193

　五、突變的表型效應 197

第二節　自發突變的分子機理 203

　一、DNA複製校正體系失活引起的基因自發突變 203

　二、堿基互變異構化與基因的自發突變 204

　三、脫氨基作用引起的基因自發突變 206

第三節　物理誘變 209

　一、紫外線誘變作用的分子機理 209

　二、電離輻射誘變作用的分子機理 211

　三、熱誘發突變的分子機理 212

第四節　化學誘變 213

　一、化學誘變劑的檢測技術 214

　二、堿基類似物的誘變作用 216

　三、改變DNA分子結構的誘變劑 218

　四、嵌入DNA分子的誘變劑 223

第五節　DNA損傷的修復 225

　一、直接修復機理 226

　二、切除修復機理 228

　三、錯配修復機理 238

　四、重組修復機理 242

　五、SOS修復機理 244

　六、DNA雙鏈斷裂修復機理 247

參考文獻 251



Chapter10 第十章　遺傳重組與轉位 253

第一節　概述 253

　一、重組的概念及其生物學作用 253

　二、重組的類型 255

　三、重組與轉位的若幹概念 258

　四、重組與轉位元的生物學功能 261

第二節　同源重組 265

　一、同源重組的分子基礎 266

　二、同源重組之Holliday模型 271

　三、同源重組雙鏈斷裂修復模型 276

　四、減數分裂同源重組 279

　五、參與同源重組的主要蛋白質及其功能 282

第三節　位點特異性重組 293

　一、大腸桿菌λ噬菌體的位點特異性重組 293

　二、位點特異性重組的酶學基礎 298

　三、位點特異性重組在轉基因研究中的應用 302

第四節　基因轉變 309

　一、粗糙鏈孢黴的普通生物學 309

　二、基因轉變的分子機理 313

第五節　轉位子與轉位作用 319

　一、轉位子的類型 319

　二、轉位作用的分子機理 321

　三、RNA轉位子 323

　四、基因重排 326

參考文獻 330



Chapter11 第十一章　表觀遺傳學 333

第一節　表觀遺傳學概述 334

　一、先成論與後成論 334

　二、中心法則的質疑 336

　三、若幹基本概念 337

第二節　X染色體失活與表觀遺傳 340

　一、哺乳動物X染色體的失活 340

　二、哺乳動物X染色體劑量補償效應的分子機理 345

　三、哺乳動物維持X染色體穩定失活狀態的分子機理 349

　四、果蠅性染色體的劑量補償效應 349

　五、秀麗隱桿線蟲性染色體的劑量補償效應 353

第三節　DNA甲基化與表觀遺傳 354

　一、DNA甲基化的檢測技術 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甲基化的生物學功能 367

　六、DNA甲基化與表觀遺傳調節 368

第四節　非編碼RNA與表觀遺傳 372

　一、小幹擾RNA 373

　二、參與RNA幹擾作用的若幹核酸酶 377

　三、小幹擾RNA 379

　四、微RNA 383

第五節　基因組印記與表觀遺傳 390

　一、基因組印記與印記基因 390

　二、單等位基因表達機理 393

　三、哺乳動物基因組印記的關鍵性特點 396

　四、哺乳動物基因組印記與人類疾病 398

第六節　染色質重塑與表觀遺傳 398

　一、常染色質和異染色質 398

　二、染色質重塑 400

　三、染色質重塑的機理與功能 403

第七節　表觀遺傳效應的傳遞 405

　一、表觀遺傳效應的起因 405

　二、表觀遺傳效應的傳遞機理 406

　三、蛋白質修飾作用表觀遺傳效應的傳遞 409

參考文獻 411



Chapter12 第十二章　模式生物的分子遺傳學 414

第一節　大腸桿菌 415

　一、一般生物學概述 416

　二、噬菌體 419

　三、質粒 426

　四、轉位子的研究應用 435

　五、細菌DNA的轉移方式 436

　六、限制與修飾 448

　七、大腸桿菌及其噬菌體對分子遺傳學的主要貢獻 451

第二節　釀酒酵母 452

　一、一般生物學特性 453

　二、釀酒酵母生命週期 454

　三、釀酒酵母細胞的遺傳轉化 454

第三節　秀麗隱桿線蟲 461

　一、一般生物學特性 461

　二、生命週期 462

　三、性別決定 463

　四、主要生物學貢獻 465

第四節　黑腹果蠅 465

　一、一般生物學特性 466

　二、果蠅的生命週期 467

　三、黑腹果蠅染色體 467

　四、黑腹果蠅性別決定途徑 470

　五、P元件與轉基因果蠅 471

第五節　小鼠 474

　一、一般生物學特性 475

　二、小鼠的生命週期 476

　三、轉基因小鼠的構建 476

　四、小鼠的基因打靶技術 478

　五、基因敲除技術 479

第六節　擬南芥 480

　一、一般生物學特性 480

　二、生命週期 481

　三、突變體庫的構建 483

　四、基因定位克隆 484

參考文獻 487



索引 489