第一章绪论

分子生物学主要从核酸和蛋白质等生物大分子角度关注生命现象，揭示生命活动的分子本质与规律。分子生物学是生命科学各学科的共同基础，是自然科学领域中发展最为活跃的学科，其相关理论与技术已渗透至包括医学、农学、化学、物理、工程学与计算机科学在内的诸多学科，形成了许多前沿交叉学科。以基因工程和合成生物学为代表的现代生物技术是国家战略性新兴产业的重要领域。分子生物学是生物科学、生物技术、生物工程等生物类专业的必修课程。

●1.1分子生物学简介

分子生物学的诞生离不开细胞学、遗传学与生物化学的发展。1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型是现代分子生物学诞生的标志。狭义的分子生物学即基因的分子生物学，研究内容包括：基因概念、基因结构、基因复制、基因表达、基因重组与基因修复。广义的分子生物学是研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构、功能及其相互关系，从分子水平揭示生命活动规律的科学。

●1.2分子生物学主要研究内容

分子生物学的主要研究内容包括：基因表达调控、结构分子生物学、重组DNA技术及其应用以及基因组、功能基因组与生物信息学。基因表达是转录与翻译过程，其调控可以在染色质、DNA、转录、转录后、翻译以及翻译后等多个水平上进行。结构分子生物学研究生物大分子及其互作的空间结构、构象变化与功能的关系，冷冻电镜是目前主流的结构分子生物学研究工具。DNA重组技术是基因结构、功能研究的重要手段，又是现代生物技术的核心基础，在农业、工业、医药等领域具有广阔的应用前景。基因组学、功能基因组学从整体水平研究细胞的遗传物质序列，基因转录、翻译产物的组成与活动规律。生物信息技术是后基因组时代的核心技术。

●1.3分子生物学发展简史

分子生物学研究可追溯至孟德尔的遗传因子假说。19世纪后期关于蛋白质功能的认识，以及20世纪40年代关于遗传物质化学本质的确定是现代分子生物学诞生前的主要标志性成就。1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋模型标志着分子生物学诞生。其后20年是分子生物学建立和发展阶段，中心法则和操纵子学说的提出奠定了学科的基本理论框架。20世纪70年代中后期，DNA重组技术的建立标志着分子生物学进入了能动地改造生命、造福人类的应用阶段。

第二章DNA与染色体

DNA是遗传物质的主要载体。亲代将自身的DNA以染色体的形式传递给后代上亲代，维持了物种的稳定性和连续性，普遍认为染色体在真核细胞遗传中起重要作用。

●2.1DNA的一级结构与二级结构

本节主要介绍DNA组成、一级结构与二级结构、DNA双螺旋类型、B-DNA结构要点与主要结构参数。

●2.2DNA的三级结构

DNA空间结构对DNA行使生物学功能非常重要。本节主要介绍DNA三级结构的概念与基本形式。以cccDNA为例，重点讲述DNA超螺旋形成条件、重要的拓扑学性质、生物学意义以及DNA拓扑异构酶作用方式与功能。

●2.3基因概念的演进

基因是现代分子生物学的核心概念。分子生物学的不同发展阶段，基因的内涵不同。本节梳理了基因概念演进的历史脉络，主要介绍经典遗传学的基因概念、基因概念的发展与现代分子生物学的基因概念。

●2.4基因的结构

对基因结构的认识是理解基因功能、基因表达调控原理以及基因进化的基础。本节主要介绍真核生物典型的结构基因（编码蛋白质的基因）的结构特征，内含子与外显子、内含子进化、内含子的生物学意义、内含子与外显子在进化中的保守性，以及真核生物中某些DNA编码多条多肽链的机制。

●2.5基因家族

真核生物中，编码相同或相似的蛋白产物、在功能上可能相关的一组基因构成基因家族。基因重复和突变是基因家族产生与数量扩张的原因。基因家族的某些成员由于突变丧失了功能，成为假基因。本节主要介绍基因家族、基因簇、基因超家族与假基因的概念、假基因类型以及假基因形成的原因。

●2.6基因组

一个细胞或一种生物，到底含有多少个基因？究竟需要多少个基因？遗传物质的多少与生物的进化地位、生物复杂度有无直接的关联？这些问题的回答需要对生物体中所有的遗传物质及其组织方式与特征有一个整体的认识。本节主要介绍基因组、真核生物基因组中的重复序列、细胞器基因组、真核生物与原核生物基因组的特点。

●2.7染色体

染色体是遗传物质的主要载体，DNA存在于染色体上（染色体外遗传物质除外）。本节介绍染色体组成、组装层次、核小体及其组成。

●2.8转座子（上）

基因转座的发现颠覆了经典遗传学的基因概念。转座可引起基因失活、染色体畸变等遗传现象，也与基因和基因组进化不无关系。本节主要介绍转座子概念/类型/特点、原核生物转座子、转座机制以及转座引起的遗传学效应。

●2.9转座子（下）

转座子不仅存在于原核生物中，真核生物也同样存在转座子，它们在基因组内随机分布而且重复移动。转座是真核生物基因组的流动性比原核生物大的重要原因。本节主要介绍玉米、果蝇、酵母、人类中的转座子。

第三章DNA复制与修复

生命遗传的实质是DNA自我复制的结果。细胞在每次分裂之前，基因组必须完整精确复制一次。DNA突变源于DNA复制错误、化学与物理损伤，以及转座子插入等内源和外源因素。突变的DNA通过修复得以纠正，以维持遗传信息的稳定性和准确性。

●3.1DNA复制导论

本节主要介绍DNA复制时期、复制起点、复制子概念、复制方向、方式，以及DNA的半保留复制机制。

●3.2原核生物DNA复制过程

DNA复制是一个复杂的生物化学过程，有多种酶和蛋白质复合体参与了DNA双螺旋的松弛、DNA复制起始、延伸和终止。本节主要介绍DNA聚合酶、引发酶、解链酶、单链结合蛋白、连接酶和DNA拓扑异构酶的性质及其在DNA复制过程中的作用。

●3.3DNA复制的保真性

本节以原核生物为例，介绍DNA复制过程—复制起始、延伸和终止，DNA复制保真性的分子机制，真核生物DNA复制与原核生物的异同。

●3.4真核生物线性DNA的末端复制

线性DNA复制过程中，由于5'端引物的切除，导致末端复制问题，该问题如何解决？质粒、病毒等细菌染色体外复制子如何复制？质粒复制又是如何调控的？本节主要介绍线性DNA的末端复制、两种特殊的单向复制方式（滚环复制、D环复制）、质粒DNA复制的调控。

●3.5DNA损伤概述和复制错误

DNA损伤指生物体DNA双链结构发生的任何异常改变。DNA损伤可以体现在核苷酸水平、DNA链水平和染色体水平。DNA损伤包括内源性DNA损伤和外源性DNA损伤。DNA分子的内源性损伤，包括DNA复制错误、DNA自发性化学变化和细胞代谢紊乱。本节主要介绍内源性DNA损伤中的DNA复制错误。

●3.6DNA的自发性化学变化、细胞代谢紊乱

本节主要介绍内源性DNA损伤中的DNA自发性化学变化类型和细胞代谢紊乱的主要途径。

●3.7DNA外源性损伤

本节介绍引起DNA的外源性损伤的因素。物理因素主要包括紫外线和电离辐射。化学因素主要包括烷化剂、人工合成的碱基类似物、脱氨剂、代谢活化化合物和插入剂。生物因素主要有病毒、转座子等。

●3.8直接修复、错配修复和切除修复

DNA损伤激活DNA损伤修复系统。本节介绍几种主要的DNA损伤修复途径及其机制，包括错配修复、直接修复（光复活、烷基转移酶催化的脱烷基作用、单链断裂修复和直接插入嘌呤）、切除修复（碱基切除修复和核苷酸切除修复）。

●3.9重组修复和SOS修复

当DNA损伤无法被错配修复、直接修复和切除修复机制修复时，DNA复制叉停在DNA损伤处，或是DNA单/双链断裂的复制叉解体，复制暂停，此时细胞启动重组修复；当DNA损伤情况比较严重时，将启动易错修复，即SOS修复。本节主要介绍重组修复和SOS修复的机制和修复后果，以及修复系统缺损与癌症的关系。

第四章RNA转录及加工

本章主要介绍转录的基本过程，RNA聚合酶种类及功能，RNA聚合酶II负责转录的基因启动子结构，真核生物mRNA转录后的加工，以及 rRNA和tRNA加工过程。

●4.1RNA转录

本节主要介绍RNA转录。

●4.2RNA加工

本节主要介绍RNA加工。

第五章蛋白质的生物合成

蛋白质是结构基因表达的最终产物。蛋白质生物合成（翻译）是以氨基酸为原料，以mRNA为模板、以tRNA为运载工具、涉及多种蛋白质/酶参与、包括起始、延伸、终止三个环节的生物化学过程。翻译在细胞质的核糖体中进行。

●5.1遗传密码

储存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，mRNA与蛋白质之间的联系通过遗传密码的编译来实现。mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为密码子。本节介绍了遗传密码及其特点。

●5.2tRNA 和核糖体

在蛋白质的生物合成中，tRNA是氨基酸的运载工具，核糖体是蛋白质生物合成的场所。本节介绍了tRNA的结构、功能、种类、氨酰-tRNA合成酶以及核糖体的结构和功能。

●5.3翻译的起始

蛋白质合成起始需要核糖体大小亚基、起始tRNA和几十个蛋白质因子的参与。本节主要介绍了原核生物和真核生物翻译起始复合物的形成。

●5.4肽链的延伸和终止

翻译起始复合物形成后，肽链进入延伸阶段。当终止密码子出现在核糖体的 A 位时，新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，蛋白质的合成结束。本节介绍了肽链延伸的三个步骤—进位、成肽、移位以及肽链终止的过程。

●5.5蛋白质翻译后加工及运转

新生多肽链必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。在核糖体中合成的蛋白质需要通过不同的运转机制，运送到正确的地点，行使正确的功能。本节介绍了蛋白质翻译后的几种加工方式，蛋白质翻译运转同步机制和翻译后运转机制。

第六章原核基因表达调控

无论真核还是原核细胞都有一套精准的基因表达调控机制。本章主要介绍原核生物基因表达调控的层次和特点，原核生物操纵子的概念，乳糖操纵子的工作原理，色氨酸操纵子的阻遏调节和弱化调节，以及转录后调控方式。

●6.1原核基因表达调控总论

DNA分子能有序地将其所承载的遗传信息，通过密码子—反密码子系统，转变为蛋白质分子，执行各种生理生化功能。从DNA到蛋白质的过程称为基因表达。本节主要介绍了原核细胞基因表达调控相关概念、调控层次和特点。

●6.2乳糖操纵子

乳糖操纵子是参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵序列组成。本节主要介绍了大肠杆菌乳糖操纵子的结构，乳糖操纵子阻遏蛋白的负（性）调节和代谢物激活蛋白（CAP）的正（性）调节。

●6.3色氨酸操纵子

色氨酸操纵子负责色氨酸（Trp）的生物合成。色氨酸的合成调控作用主要有三种方式：阻遏作用、弱化作用以及终产物色氨酸对合成酶的反馈抑制作用。本节主要介绍了大肠杆菌操纵子的结构特征、阻遏调控系统，以及色氨酸衰减作用的调控机理。

●6.4原核生物基因表达的转录后调控

转录后调控是在RNA加工、mRNA稳定性、翻译或翻译后水平上所进行的微调，实际上是对转录调控的补充，它会使基因表达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。本节介绍mRNA自身结构元件对翻译起始的调控，mRNA稳定性对转录水平的影响，调节蛋白的调节作用，反义RNA的调控作用，稀有密码子、重叠基因、魔斑核苷酸水平对翻译的影响等调控方式。

第七章真核基因表达调控

基因表达调控具有重要的生物学意义。真核生物在生活方式、细胞结构、基因组与基因结构等方面与原核生物不同，因而两者在基因表达调控方面存在明显的差别。真核生物除维持细胞生长、分裂、更好地适应环境条件外，更重要的是维持细胞分化与个体发育的需要，因此真核基因表达调控更加复杂、精巧。真核基因表达可以在染色质水平、DNA水平、转录水平、转录后水平（RNA加工调控、mRNA的稳定性调控）、翻译水平和翻译后水平（也有把转录后水平、翻译水平和翻译后水平统称为转录后水平）进行调控，其中转录水平的调控是重点，表观遗传学机制在染色质重塑、基因转录和转录后沉默、翻译抑制等层面发挥重要作用。

●7.1真核基因表达调控导论

本节主要介绍真核生物的基因表达方式与特性，基因表达的生物学意义，基因表达调控层次，真核基因与原核基因表达调控方面的主要差别。

●7.2表观遗传学概论

基因不能决定一切！生物性状（表型）是基因与环境互作的结果。生物遗传信息基因信息（DNA序列信息和遗传密码）外，还有组蛋白密码和甲基化样式等表观遗传学信息。本节主要介绍表观遗传概念与特点，表观遗传学研究内容，表观遗传现象，表观遗传的生物学意义与表观遗传学发展历程。

●7.3DNA甲基化

DNA甲基化与去甲基化是基因表达的“开关”。DNA甲基化导致基因转录沉默，与染色质重塑密切相关。本节主要介绍DNA甲基化位点、甲基化酶、去甲基化机制、甲基化的生物学功能与机制。

●7.4组蛋白修饰

DNA与组蛋白构成染色体的基本结构单位—核小体。核小体组装/去组装决定染色质的凝聚状态，因而直接影响基因的转录活性，而组蛋白修饰可引起核小体组装/去组装、染色质重塑。因此组蛋白修饰是真核细胞基因转录的重要调控手段。本节主要介绍组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化、染色质重塑及其与基因转录活性的关系和机理。

●7.5siRNA对基因表达的调控

非编码RNA在基因表达调控中扮演重要角色，影响生命活动的方方面面，属于表观遗传学和分子生物学的热点领域。本节在明确非编码概念和种类的基础上，介绍其中的小干扰RNA—siRNA，回顾siRNA的发现，讲述siRNA的来源、生物发生以及生物学意义。

●7.6miRNA对基因表达的调控

本节介绍另一种非编码RNA—MicroRNA（MiRNA）的发现、结构特点、生物发生、生物学功能与机制、SiRNA和MiRNA的联系与区别。

●7.7转录因子与转录调节

转录是基因表达的第一步。转录水平的调控，体现了经济与效率原则。不论原核基因还是真核基因，基因表达调控主要发生在转录水平。因此转录调控是基因表达调控的重点。真核生物基因的转录调控是通过蛋白质与DNA的相互作用来实现。蛋白质互作在真核基因表达调控中具有重要作用。本节主要介绍顺式作用元件与反式作用因子、转录因子、转录因子DNA结合域的典型结构样式、基因转录调控的基本原理以及类固醇激素参与基因表达调控的模式。

第八章分子生物学研究技术

分子生物学的发展离不开实验技术与方法。本章主要介绍分子生物学领域中常用的研究技术，包括DNA重组技术、PCR技术、DNA测序技术、分子杂交技术和蛋白质相互作用技术。

●8.1DNA重组技术

重组DNA技术已成为生命科学领域中发展速度最快、创新成果最多、应用前景最广的一项核心技术，系指在体外将目的基因与载体连接，产生重组DNA分子，导入适当的宿主细胞，在宿主细胞中实现DNA增殖或表达的遗传操作。本节主要介绍了目的基因片段的获得、载体的特性及制备、载体与DNA片段在体外的连接、导入宿主细胞的方法和重组子筛选技术。

●8.2PCR技术

聚合酶链式反应（PCR）是一项常规的分子生物学实验技术，系指在体外模仿体内DNA的复制过程，通过DNA变性，引物与模板退火，DNA链延伸三步的重复，实现DNA链的指数方式扩增。 本节介绍PCR的发展历史,、反应原理、反应体系、反应条件、PCR的类型（RT-PCR、原位PCR和实时荧光PCR及PCR）与应用。

●8.3分子杂交技术

分子杂交是基于分子间特异性结合的原理，对核酸或蛋白质进行定性、定量分析的一项技术，主要分为核酸分子杂交和蛋白质分子杂交。本节介绍核酸分子杂交（菌落原位杂交、斑点杂交、Southern印迹杂交、Northern印迹杂交、组织原位杂交、cDNA微阵列杂交）和蛋白质分子杂交（Western Blot）的原理、方法与应用。

●8.4DNA测序技术

DNA测序是测定某一特定DNA的碱基序列的技术。本节主要介绍DNA测序的发展历史、Maxam-Gilbert的化学测序法、Sanger的双脱氧链终止测序法、荧光标记链终止测序法的原理与应用。

●8.5蛋白质的相互作用

蛋白质互作网络是细胞生化反应网络的重要组成部分。本节主要介绍蛋白质互作的体内和体外研究方法的原理与过程。体内研究方法主要包括：酵母双杂交系统、噬茵体展示技术 、生物分子荧光互补技术及荧光共振能量转移技术；体外研究方法主要包括：免疫共沉淀法、GST融合蛋白Pull-down技术、串联亲和纯化（TAP）技术及表面等离子共振技术。