醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)1

1、醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)全國高等醫(yī)藥院校研究生規(guī)劃教材供基礎(chǔ)、臨床、預(yù)防、口腔醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)、藥學(xué)專業(yè)用醫(yī)學(xué)分子生物學(xué) 主 編 查錫良副主編 藥立波 主 審 劉德培 編者（以姓氏筆畫為序）馮作化 （華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院） 金穎 （上海第二醫(yī)科大學(xué)）申宗候 （復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院） 昌增益 （清華大學(xué)）李剛 （北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部） 藥立波 （第四軍醫(yī)大學(xué)）楊安鋼 （第四軍醫(yī)大學(xué)） 賀竹梅 （中山大學(xué)）宋惠萍 (中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院） 查錫良 （復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院）屈伸 （華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院） 徐安龍 （中山大學(xué)）周春燕 （北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部） 前言 繼20世紀(jì)50年代Watson和Crick揭示了遺傳信息攜帶者D

2、NA的雙螺旋結(jié)構(gòu)后，近50年來分子生物學(xué)的發(fā)展勢如破竹。60年代中期遺傳信息傳遞的中心法則的初步確定；70年代基因重組理論和技術(shù)的崛起；以及近二三十年來基因的表達(dá)和調(diào)控及相關(guān)的發(fā)育分子生物學(xué)的進(jìn)展；蛋白質(zhì)翻譯后加工、折疊、組裝、轉(zhuǎn)運(yùn)，生物大分子相互識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的深入研究等；一個(gè)個(gè)里程碑工作接踵而來。 人類基因組計(jì)劃業(yè)已完成，不久完整的人類基因組序列將呈現(xiàn)在人們面前。一個(gè)嶄新的時(shí)代后基因組時(shí)代已經(jīng)來臨。分子生物學(xué)是一門從生物大分子結(jié)構(gòu)和功能水平上闡述各種生命現(xiàn)象的前沿學(xué)科，其內(nèi)涵也隨著生命科學(xué)的發(fā)展而日益豐富。尤為重要的是分子生物學(xué)的新理論、新技術(shù)迅速滲透到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了諸如分子遺

3、傳學(xué)、分子生理學(xué)、分子免疫學(xué)、分子微生物學(xué)、分子神經(jīng)生物學(xué)、分子病理學(xué)和分子藥理學(xué)等新興的交叉學(xué)科，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)是分子生物學(xué)的重要分支，它與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)密切結(jié)合，研究生物大分子結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控機(jī)制及其人體各種生理和病理狀態(tài)的分子機(jī)制。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)的進(jìn)步大大促進(jìn)了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，有效地推動了新的診斷、治療、預(yù)防方法的建立以及新的健康理念的發(fā)展。 本教材為全國高等醫(yī)藥教材建設(shè)研究會組織編寫的研究生規(guī)劃教材系列之一。適用于全國高等醫(yī)藥院校及研究機(jī)構(gòu)的碩士研究生。本教材在醫(yī)學(xué)院校生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，更為深入和系統(tǒng)地介紹了分子生物學(xué)的基本理

4、論和最新進(jìn)展，并特別注重了與基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)合，以期為進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他研究生專業(yè)課程和開展醫(yī)學(xué)科研工作奠定醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)基礎(chǔ)。 全書內(nèi)容分為四篇：即基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞增殖、分化與細(xì)胞凋亡。第一篇基因由8章組成，在介紹基因、基因組的概念、結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)上，著重闡述人類基因組計(jì)劃的新成就、功能基因組、基因表達(dá)及其調(diào)控、與疾病發(fā)生發(fā)展和診斷治療密切相關(guān)的分子機(jī)制、常用的基因操作原理等。第二篇蛋白質(zhì)由5章組成，力求從動態(tài)角度出發(fā)，審視蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能；介紹蛋白質(zhì) “生老病死”的分子過程和酶學(xué)的新進(jìn)展；強(qiáng)調(diào)時(shí)間、空間、微環(huán)境等因素對蛋白質(zhì)正常和異常結(jié)構(gòu)與功能的影響；同時(shí)，從科研實(shí)際出發(fā)

5、，敘述研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的思路和技術(shù)方法，并呈現(xiàn)給讀者若干懸而未決的蛋白質(zhì)研究難題，留給讀者更多的思考空間。第三篇細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)由5章組成，從分子水平介紹參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的各種信號分子、受體的結(jié)構(gòu)和功能，以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的原理及其規(guī)律；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要通路及其生理作用；以及與疾病相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常；強(qiáng)調(diào)機(jī)體的各種生命活動都受到嚴(yán)密的調(diào)控，其中細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)起著不可替代的介導(dǎo)作用；同時(shí)，討論了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的發(fā)展趨勢等。鑒于細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究在最近10年中的飛速發(fā)展及其在醫(yī)學(xué)發(fā)展中的重要作用，這一部分的內(nèi)容較以往各種教材更為詳細(xì)。第四篇細(xì)胞增殖、分化與細(xì)胞凋亡由4章組成，主要介紹了近年來頗受重視的細(xì)胞周

6、期、細(xì)胞分化、胚胎干細(xì)胞發(fā)育全能性、細(xì)胞凋亡調(diào)控的分子機(jī)制等，這些前沿內(nèi)容與疾病發(fā)生發(fā)展和診斷治療緊密相連，也是研究生開展基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的必備知識。從培養(yǎng)研究生科學(xué)思維能力和科研工作能力的目標(biāo)出發(fā)，本教材在編寫方式和風(fēng)格方面中力求強(qiáng)調(diào)科學(xué)史的沿革、經(jīng)典實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完整的理論知識和不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的闡述，給讀者一個(gè)充分的自學(xué)余地和想象空間。本書的編寫人員由8所高校的12位教授組成。他們大部分來自醫(yī)學(xué)院校，也有的來自綜合性大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院。這種醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域編寫者的組合是醫(yī)學(xué)院校教材編寫的一種新的嘗試，希望對于拓展醫(yī)學(xué)院校研究生的知識面和科研思路有所裨益。各位編者在所撰寫的章節(jié)中盡

7、可能融會了個(gè)人的科研成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以使讀者對相關(guān)理論有更為深刻的理解。在編寫過程中，我們首先召開了編者會議集體討論和議定了編寫大綱和各章的知識點(diǎn)，分頭執(zhí)筆完成初稿以后，進(jìn)行了通訊互審，最后又利用定稿會對全書進(jìn)行了再次的審定和修改，以盡量提高編寫質(zhì)量。但是由于編寫時(shí)間倉促、編者學(xué)識水平有限，加之分子生物學(xué)發(fā)展異常迅速，本書難免存在遺漏、錯(cuò)訛和缺憾之處，謹(jǐn)請使用本書的廣大師生和科技工作者批評指正。本書每章末列出了以原始論文為主的若干參考文獻(xiàn)，以供讀者進(jìn)一步學(xué)習(xí)參考。本書在正文中出現(xiàn)的專業(yè)名詞后列出了英文原名及縮寫，書末列有英漢、漢英詞匯表和專業(yè)名詞索引，便于讀者查閱。需要指出的是，由于分子生物學(xué)

8、專業(yè)新詞匯層出不窮，其中有些詞匯各家譯法不一，尚無公認(rèn)的譯名，只能以英文原名列出，或使用暫譯名。在本書的整個(gè)編寫過程中，始終得到主審劉德培院士的指導(dǎo)和關(guān)心。劉院士對本書的編寫大綱、初稿都進(jìn)行了認(rèn)真地審閱，并提出了寶貴的修改意見；中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)楊克恭教授對本教材初稿的審閱付出了大量的精力；還有一批為本教材編寫工作和編寫會議作貢獻(xiàn)的人士；在此一并表示衷心的感謝。查錫良 藥立波2002年6月第一篇 基因第一章 基因的結(jié)構(gòu)與功能第一節(jié) 遺傳的基本單位基因一、基因一詞的由來及其含義的演變二、DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)第二節(jié) 基因的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分類 一、染色體DNA二、線粒體DNA第三節(jié)基因（符號）的命名法

9、一、基因命名的基本原則二、人類基因的命名法三、其他生物基因的命名法第二章 基因組第節(jié)  基因組及基因作圖 一、基因組與基因組學(xué)二、基因組存儲了生物體整套的遺傳信息三、基因作圖的概念四、人類基因定位的基本方法第二節(jié)  人類基因組計(jì)劃一、人類基因組計(jì)劃的誕生及意義二、人類基因組計(jì)劃的4張圖譜三、人類基因組計(jì)劃下一步的方向第三節(jié)  生物信息學(xué)及其在基因組研究中的應(yīng)用第四節(jié)  單核苷酸多態(tài)性及意義 一、DNA分子標(biāo)記的發(fā)展 二、單核苷酸多態(tài)性的概念及其分析方法 三、單核苷酸多態(tài)性(SNPs)與疾病第五節(jié)  基因多態(tài)性與疾病相關(guān)性研究一、基因多態(tài)性及其分

10、析方法二、基因多態(tài)性與疾病相關(guān)性的研究第六節(jié) 藥物基因組學(xué)一、藥物基因組學(xué)的概念二、藥物基因組學(xué)的誕生三、藥物基因組學(xué)與基因多態(tài)性四、藥物基因組學(xué)的應(yīng)用第三章 DNA的生物合成與重組 第一節(jié) 復(fù)制一、 DNA復(fù)制的基本特點(diǎn)二、 原核生物染色體DNA的復(fù)制三、 真核生物染色體DNA的復(fù)制四、 DNA復(fù)制的方式五、 逆轉(zhuǎn)錄 第二節(jié) DNA損傷、突變和修復(fù)一、 DNA損傷、突變的意義和類型 二、 DNA損傷、突變的引發(fā)因素三、 DNA損傷、突變的修復(fù)四、 DNA損傷、修復(fù)與人類疾病第三節(jié) 基因重組一、同源重組二、位點(diǎn)特異重組三、轉(zhuǎn)座因子四、免疫球蛋白基因重排第四章 原核生物基因的表達(dá)和調(diào)控 第一節(jié)

11、原核生物基因的表達(dá)一、轉(zhuǎn)錄起始二、RNA延伸三、轉(zhuǎn)錄終止四、轉(zhuǎn)錄后加工五、翻譯的起始六、肽鏈的延伸七、翻譯的終止八、原核生物基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的特點(diǎn) 第二節(jié) 原核基因表達(dá)的調(diào)控一、 原核生物的順式作用元件和轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白二、 轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控的主要模式三、 翻譯的可調(diào)控性及調(diào)控方式第五章 真核生物基因的表達(dá)和調(diào)控 第一節(jié) 真核生物基因的表達(dá)一、轉(zhuǎn)錄起始二、RNA延伸三、轉(zhuǎn)錄終止四、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工五、RNA跨核膜運(yùn)輸六、翻譯七、翻譯后加工八、真核生物基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的特點(diǎn)第二節(jié) 真核生物基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制一、 真核生物的順式作用元件二、 真核生物的反式作用因子三、 蛋白質(zhì)與DNA的相互作用四、 其他調(diào)控

12、基因表達(dá)的因素 第三節(jié) 真核基因表達(dá)的調(diào)控一、 DNA和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控二、 轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控三、 轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控四、 翻譯的可調(diào)控性及調(diào)控方式五、 翻譯后加工的調(diào)控意義 第四節(jié) 基因表達(dá)研究在醫(yī)學(xué)研究中的意義一、 對已知的單個(gè)或數(shù)個(gè)基因的表達(dá)研究二、 基因表達(dá)譜的研究三、 對大量基因的表達(dá)變化研究四、 尋找在特定組織或細(xì)胞中表達(dá)的新基因第四節(jié) 基因表達(dá)調(diào)控研究在醫(yī)學(xué)研究中的意義一、 闡明生理或病理過程的分子機(jī)制二、 基因治療的基礎(chǔ)研究第六章 基因與疾病 第一節(jié) 基因變異與疾病一、 基因結(jié)構(gòu)變異與疾病二、 基因表達(dá)異常與疾病三、 原癌基因、抑癌基因與腫瘤四、 外源基因的入侵與疾病五、 線粒體

13、DNA突變與疾病的關(guān)系六、 動態(tài)突變相關(guān)的疾病 第二節(jié) 基因突變導(dǎo)致的常見疾病一、 遺傳性疾病二、 腫瘤三、 心血管疾病四、 神經(jīng)系統(tǒng)疾病五、 病原微生物感染導(dǎo)致的疾病第七章 基因操作第一節(jié) 基因工程基本技術(shù)一、基因工程技術(shù)的產(chǎn)生及其科學(xué)意義二、基因工程技術(shù)的基本原理和步驟三、基因工程用載體四、基因工程常用工具酶五、目的基因的獲得和重組載體的構(gòu)建六、重組載體的導(dǎo)入、鑒定和表達(dá)第二節(jié) 聚合酶鏈反應(yīng)一、PCR技術(shù)的產(chǎn)生二、PCR技術(shù)的基本原理三、PCR技術(shù)的主要用途及其衍生技術(shù)第三節(jié) DNA序列分析第四節(jié) 分子雜交和印跡技術(shù)一、印跡技術(shù)二、探針的種類和制備三、印跡技術(shù)的種類和用途第五節(jié) 基因組文庫

14、和cDNA文庫一、基因組文庫和cDNA文庫技術(shù)的產(chǎn)生二、基因組文庫的建立、篩選和用途三、cDNA文庫的建立、篩選和用途第六節(jié) 基因重組動物模型一、轉(zhuǎn)基因動物模型二、核轉(zhuǎn)移技術(shù)三、基因剔除技術(shù)四、基因轉(zhuǎn)移和基因剔除在醫(yī)學(xué)發(fā)展中的應(yīng)用第七節(jié) 基因操作在醫(yī)學(xué)發(fā)展中的意義一、疾病相關(guān)基因分析二、制造生物活性蛋白第八章 基因診斷與基因治療 第一節(jié) 基因診斷一、基因診斷的概念與特點(diǎn)二、基因診斷的主要技術(shù)和方法三、常見的基因異常及其檢測四、疾病的基因診斷六、 基因診斷在法醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 第二節(jié) 基因治療一、 基因治療的概念二、 基因治療的基本程序三、 基因治療的主要策略和技術(shù)方法四、 遺傳病的基因治療五、 腫

15、瘤的基因治療六、 感染性疾病的基因治療七、 基因治療臨床試驗(yàn)的現(xiàn)狀分析八、 基因治療存在的問題與展望第二篇 蛋白質(zhì) 第九章 蛋白分子的折疊、組裝、細(xì)胞內(nèi)定位及降解第一節(jié) 新生肽鏈需要折疊形成特定的天然構(gòu)象一、蛋白質(zhì)折疊問題二、 從熱力學(xué)角度研究蛋白質(zhì)折疊三、從動力學(xué)角度研究蛋白質(zhì)折疊四、生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊問題五、蛋白質(zhì)折疊的質(zhì)量控制系統(tǒng)六、不同蛋白折疊過程的共性和個(gè)性七、膜蛋白的折疊問題八、蛋白質(zhì)折疊的研究方法第二節(jié) 寡聚蛋白的亞基需要經(jīng)過一個(gè)組裝過程一、 蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都以寡聚或多聚體形式存在二、寡聚體的組裝過程是一個(gè)分子特異識別的過程三、存在于細(xì)胞膜上的蛋白復(fù)合體的組裝問題第三節(jié) 蛋白分

16、子在細(xì)胞內(nèi)的定位決定于其自身的結(jié)構(gòu)一、定位于細(xì)胞不同部位的蛋白分子攜帶有不同的結(jié)構(gòu)信號二、真核細(xì)胞中的蛋白定位研究進(jìn)展三、已知因蛋白定位出錯(cuò)而引起的疾病第四節(jié) 蛋白分子在細(xì)胞內(nèi)的降解一、N-末端規(guī)則二、使蛋白短命的內(nèi)部序列三、細(xì)胞內(nèi)蛋白降解的途徑第十章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 第一節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)一、 據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的蛋白質(zhì)歸類二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征三、從結(jié)構(gòu)信息分析蛋白的功能第二節(jié)、蛋白質(zhì)分子功能的實(shí)現(xiàn)過程一、蛋白質(zhì)通過非共價(jià)相互作用完成生物功能二、非共價(jià)相互作用的物理本質(zhì)三、蛋白通過與其他分子(配體)的特異相互作用而完成生物學(xué)功能 四、蛋白質(zhì)分子與配體結(jié)合的親和力 五、蛋白質(zhì)與配體親和力的解釋和預(yù)測問

17、題六、蛋白質(zhì)與配體結(jié)合的可逆性七、蛋白質(zhì)構(gòu)象的動態(tài)性八、蛋白質(zhì)分子的翻譯后化學(xué)修飾第十一章 蛋白質(zhì)研究第一節(jié) 蛋白質(zhì)研究的歷史回顧第二節(jié) 蛋白質(zhì)對象的選擇和樣品的獲取一、研究對象的選擇二、細(xì)胞的破碎三、去污劑處理溶解膜蛋白 四、從細(xì)胞中釋放的蛋白分子的穩(wěn)定五、細(xì)胞碎片的去除六、目標(biāo)蛋白質(zhì)的純化 第三節(jié) 蛋白質(zhì)的檢測和鑒定一、 光譜學(xué)特性二、電泳檢測三、測定純化蛋白的分子大小 四、測定蛋白質(zhì)的氨基酸序列五、利用抗體探測特異蛋白質(zhì)分子第四節(jié) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析一、氨基酸序列測定二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的測定三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化檢測四、蛋白分子的生物功能研究第五節(jié) 蛋白質(zhì)研究的發(fā)展趨勢一、從單個(gè)蛋白到所有蛋白

18、二、蛋白質(zhì)組學(xué)三、蛋白質(zhì)芯片技術(shù) 第十二章 蛋白質(zhì)與醫(yī)學(xué) 第一節(jié) 血紅蛋白結(jié)構(gòu)與功能一、血紅蛋白基因二、結(jié)構(gòu)與功能三、2，3二磷酸甘油酸四、血紅蛋白的新功能五、異常血紅蛋白六、血紅蛋白變構(gòu)調(diào)節(jié)的作用機(jī)制 第二節(jié) 重要細(xì)胞外基質(zhì)蛋白一、膠原 二、纖連蛋白 第三節(jié) 細(xì)胞粘附分子一、整合蛋白二、鈣粘蛋白三、免疫球蛋白超家族四、CD44五、粘附分子與腫瘤轉(zhuǎn)移第四節(jié) 朊病毒蛋白 一、蛋白質(zhì)錯(cuò)折疊疾病概況 二、朊病毒蛋白第十三章 酶學(xué) 第一節(jié) 酶的催化機(jī)制一、多元催化二、表面效應(yīng)三、臨近效應(yīng)與定向排列四、誘導(dǎo)契合五、綜合效應(yīng)第二節(jié)  金屬酶一、金屬酶和金屬激活酶二、金屬在金屬酶中的作用三、金屬酶

19、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第三節(jié)  別構(gòu)酶一、別構(gòu)效應(yīng)與別構(gòu)酶二、別構(gòu)酶的特征三、別構(gòu)酶活性調(diào)節(jié)的機(jī)制四、別構(gòu)酶對代謝的調(diào)節(jié)作用第四節(jié) 具有“酶”催化活性的生物分子一、核酶二、抗體酶三、其它生物催化劑第五節(jié)  同工酶一、同工酶的概念二、同工酶的分類三、同工酶的生物學(xué)意義第三篇 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第十四章 細(xì)胞通訊和信號分子 第一節(jié) 細(xì)胞通訊方式一、細(xì)胞直接聯(lián)系的細(xì)胞通訊二、細(xì)胞間接聯(lián)系的細(xì)胞通訊 第二節(jié) 細(xì)胞內(nèi)重要信號分子一、蛋白激酶二、蛋白磷酸酶三、GTP結(jié)合蛋白四、第二信使合成及降解相關(guān)的酶五、信號蛋白銜接的分子基礎(chǔ)第十五章 細(xì)胞受體第一節(jié) 受體研究的歷史第二節(jié) 膜受體的種類

20、及其作用方式一、配體依賴性離子通道受體 二、G蛋白偶聯(lián)受體三、單個(gè)跨膜螺旋受體第三節(jié) 胞內(nèi)受體一、胞內(nèi)受體的基本結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)-DNA相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第四節(jié) 受體作用的特點(diǎn)一、高度專一性二、高親和力三、可飽和性四、可逆性五、引起特定的生理效應(yīng)第五節(jié) 受體活性的調(diào)節(jié)一、磷酸化和去磷酸化二配體-受體復(fù)合物的內(nèi)化和降解三膜磷脂的含量、成分和代謝第十六章 細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路第一節(jié) cAMP-蛋白激酶A通路 一、G蛋白在cAMP-蛋白激酶A通路中的作用二、cAMP的合成與分解三、cAMP的作用機(jī)理 四、PKA的作用第二節(jié) 磷脂與Ca2+-蛋白激酶通路一、Ca2+-磷脂依賴性蛋白激酶途徑二、Ca2+/鈣

21、調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶第三節(jié) cGMP-蛋白激酶系統(tǒng)一、cGMP的合成二、cGMP的功能三、依賴cGMP的蛋白激酶第四節(jié) Ras-Raf-MAPK通路一Ras-Raf-MAPK通路二Ras-Raf-MAPK通路的調(diào)節(jié)第五節(jié) JAKs-STAT途徑一、JAK二、細(xì)胞內(nèi)信息分子STAT三、JAK-STAT信息轉(zhuǎn)導(dǎo)第六節(jié) TPKPI-3激酶Akt/PKB途徑一、PI-3激酶家族二、D3-PPI的靶位點(diǎn)三、D3-PPIs調(diào)節(jié)的蛋白激酶四、Akt/PKB的下游信息流和生物學(xué)功能第七節(jié) 核因子 B系統(tǒng) 第八節(jié) TGF-通路一、TGF-通路的胞內(nèi)底物二、TGF的信息轉(zhuǎn)導(dǎo)第九節(jié) 胞內(nèi)受體介導(dǎo)的信息傳遞第十七章

22、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常與疾病 第一節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常的主要類型第二節(jié) G-蛋白耦聯(lián)受體異常與疾病一、G-蛋白耦聯(lián)受體與心血管疾病的關(guān)系二、G-蛋白耦聯(lián)受體與腫瘤的關(guān)系三、G-蛋白耦聯(lián)受體與遺傳性疾病四、G-蛋白耦聯(lián)受體與感染性疾病五、G-蛋白耦聯(lián)受體與藥物成隱性疾病第三節(jié) 單次跨膜受體異常與疾病一、單次跨膜受體介導(dǎo)信號通路異常相關(guān)遺傳病 二、單次跨膜受體與炎癥和應(yīng)激反應(yīng)第四節(jié) NO相關(guān)疾病一、NO與心血管疾病二、NO與肺部疾患三、NO與神經(jīng)損傷四、NO與胃腸道疾病的關(guān)系五、NO與炎癥第十八章 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究展望 第一節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的規(guī)律和特點(diǎn)一、胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中信號的發(fā)生和終止二、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

23、過程中的級聯(lián)放大效應(yīng)三、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的通用性四、胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)雜性第二節(jié) 細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的主要趨勢 一、單一分子、單一通路研究向多通路、規(guī)?；芯堪l(fā)展二、從定性研究向定量研究發(fā)展三、單純生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究向計(jì)算機(jī)模擬研究的發(fā)展四、從體外研究向體內(nèi)研究的發(fā)展五、從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究的發(fā)展第四篇 細(xì)胞增殖、分化與細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制第十九章 真核細(xì)胞細(xì)胞周期的調(diào)控第一節(jié) 細(xì)胞周期及調(diào)控的概述一、 細(xì)胞周期二、 細(xì)胞周期調(diào)控的主要分子機(jī)制三、 研究細(xì)胞周期調(diào)控的實(shí)驗(yàn)體系 第二節(jié) 對卵母細(xì)胞、卵及早期胚胎的研究一、 細(xì)胞漿轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)與成熟促進(jìn)因子二、 細(xì)胞周期蛋白三、 泛素與APC四、細(xì)胞生長抑制因子第

24、三節(jié) G1到S期轉(zhuǎn)折和DNA復(fù)制的調(diào)節(jié)一、G1細(xì)胞周期蛋白和CDKs二、Rb蛋白和E2F轉(zhuǎn)錄因子三、DNA復(fù)制第四節(jié) G2/M轉(zhuǎn)折和有絲分裂的調(diào)控一、有絲分裂開始的調(diào)控二、有絲分裂結(jié)束的調(diào)節(jié)第五節(jié) 細(xì)胞周期蛋白激酶的抑制因子一、INK4家族的CKI二、CIP/KIP家族的CKIs三、新的CKI：14-3-3 s第六節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)節(jié)的關(guān)卡一、G1和G2期停滯二、S 期關(guān)卡三、有絲分裂紡錘體組裝不完全導(dǎo)致細(xì)胞分裂后期停滯第七節(jié) 細(xì)胞周期與癌癥一、G1/S 轉(zhuǎn)折關(guān)卡和癌癥二、pRB與E2f三、p53和14-3-3 s四、CDK和p27第二十章 哺乳類細(xì)胞分化的分子調(diào)控機(jī)制第一節(jié) 概述一、譜系特化和決

25、定二、核的全能性和卵母細(xì)胞胞質(zhì)的作用第二節(jié) 骨骼肌的分化調(diào)節(jié)一、Myo D 家族生肌調(diào)節(jié)因子二、肌肉增強(qiáng)子結(jié)合因子和生肌調(diào)節(jié)因子共同實(shí)現(xiàn)成肌特異性三、肌肉增強(qiáng)子結(jié)合因子和生肌調(diào)節(jié)因子在成肌不同階段的作用四、成肌細(xì)胞的最后分化五、成肌程序的維持六、成體肌肉中衛(wèi)星細(xì)胞和多能干細(xì)胞第三節(jié) 神經(jīng)發(fā)生的調(diào)控機(jī)制一、神經(jīng)發(fā)生需要與bHLH成肌蛋白相似的調(diào)節(jié)蛋白二、神經(jīng)發(fā)育潛能的進(jìn)行性限制需要抑制性HLH蛋白和局部細(xì)胞之間相互作用三、bHLH調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能在其它類型細(xì)胞特化中起作用第四節(jié) 胚胎干細(xì)胞保持發(fā)育多能性的分子機(jī)制一、保持胚胎干細(xì)胞自我更新的外部信號二、不依賴于LIF的信號三、多能性的內(nèi)部決定因子第五

26、節(jié) 轉(zhuǎn)分化和組織分化一、胰腺細(xì)胞向肝細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化二、成肌細(xì)胞向脂肪細(xì)胞的組織轉(zhuǎn)化三、骨髓干細(xì)胞向肝細(xì)胞組織轉(zhuǎn)化四、細(xì)胞融合產(chǎn)生的疑問第二十一章 細(xì)胞凋亡及其調(diào)控第一節(jié) 細(xì)胞凋亡的特征及生物學(xué)意義一、 胞凋亡的基本特征二、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)意義第二節(jié) 細(xì)胞凋亡的發(fā)生機(jī)理一、細(xì)胞凋亡的酶學(xué)基礎(chǔ)二、細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)發(fā)生第三節(jié) 細(xì)胞凋亡的調(diào)控一、 胞自身蛋白的調(diào)控作用二、病毒蛋白的調(diào)控作用三、細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡調(diào)控第四節(jié) 檢測細(xì)胞凋亡的常用技術(shù)和方法一、細(xì)胞形態(tài)學(xué)的評價(jià)二、質(zhì)膜完整性的評價(jià)三、DNA斷裂的檢測方法第五節(jié) 細(xì)胞凋亡與疾病一、細(xì)胞凋亡異常與疾病發(fā)生二、細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)與疾病治療第二十二章 癌基因

27、和抑癌基因第一節(jié) 癌基因一、病毒癌基因二、細(xì)胞癌基因第二節(jié) 抑癌基因一、抑癌基因的發(fā)現(xiàn)二、抑癌基因定義及舉例三、DNA修復(fù)基因第三節(jié) 癌基因、抑癌基因與細(xì)胞周期及細(xì)胞凋亡一、 癌基因、抑癌基因與細(xì)胞周期二、 癌基因、抑癌基因與細(xì)胞凋亡 三、癌基因、抑癌基因在腫瘤發(fā)生中的協(xié)同作用第一篇 基 因從簡單的病毒到復(fù)雜的高等動植物細(xì)胞，RNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息都是以基因的形式貯存在DNA（部分病毒是RNA）中的。從分子生物學(xué)意義上說，基因（gene）是核酸分子中貯存遺傳信息的遺傳單位，是指貯存RNA序列信息及表達(dá)這些信息所必需的全部核苷酸序列。其中貯存RNA序列信息的DNA區(qū)段稱為結(jié)構(gòu)基因，結(jié)構(gòu)基因上游

28、和下游控制轉(zhuǎn)錄的序列即為基因的調(diào)控序列。RNA的堿基序列信息直接來源于結(jié)構(gòu)基因，其中大部分RNA（信使RNA）的序列中又貯存有蛋白質(zhì)多肽鏈的氨基酸序列信息。分子生物學(xué)的核心內(nèi)容是從分子水平研究基因和基因的活動，這些活動主要是通過核酸和蛋白質(zhì)這兩類生物大分子的活動來實(shí)現(xiàn)的。因此，有關(guān)核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究是對基因進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。從分子水平研究基因和基因的活動，涉及到核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、基因組的結(jié)構(gòu)與功能、基因的復(fù)制與表達(dá)、基因表達(dá)的調(diào)控及其生物學(xué)效應(yīng)，涉及到生物大分子之間的相互作用以及這些相互作用所形成的細(xì)胞間通訊和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，涉及到基因的結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)調(diào)控的分析和基因的制備、

29、改造、調(diào)控、應(yīng)用所需的各種技術(shù)體系。本篇介紹的內(nèi)容包括基因的結(jié)構(gòu)與功能，基因組（包括基因組及基因作圖，基因組計(jì)劃，基因組分析，基因多態(tài)性與疾病，單核苷酸多態(tài)性等），DNA復(fù)制、損傷、突變和修復(fù)、基因重組，基因表達(dá)以及基因表達(dá)的調(diào)控等，在“基因操作”一章中將對與基因研究有關(guān)的技術(shù)體系作簡要介紹。醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)是分子生物學(xué)的一個(gè)重要分支，它主要研究人體生物大分子和大分子體系的結(jié)構(gòu)、功能、相互作用及其與疾病發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系。人體的生長、發(fā)育、衰老、死亡等生命現(xiàn)象，人體各種疾病的發(fā)生，都是與一種或多種基因有關(guān)，也常常涉及到細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)主要研究人體發(fā)育、分化和衰老的分子生物學(xué)基礎(chǔ)

30、、細(xì)胞增殖調(diào)控的分子基礎(chǔ)，人體三大功能調(diào)控系統(tǒng)（神經(jīng)、內(nèi)分泌和免疫）的分子生物學(xué)基礎(chǔ)，基因的結(jié)構(gòu)異?；蛘{(diào)控異常與疾病發(fā)生、發(fā)展之間的關(guān)系；同時(shí)，應(yīng)用分子生物學(xué)理論和技術(shù)體系開展疾病的基因診斷和基因治療、生物制藥以及衛(wèi)生防疫。本篇“基因與疾病”和“基因診斷與基因治療”兩章中將介紹基因結(jié)構(gòu)異常、基因表達(dá)異常與疾病的關(guān)系，以及基因診斷和基因治療的基本理論知識和相關(guān)研究進(jìn)展。這些內(nèi)容都是分子生物學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)在醫(yī)學(xué)研究中的重要應(yīng)用，可以預(yù)料，基因工程、基因診斷和基因治療等將在21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)中帶來革命性變化。第一章基因的結(jié)構(gòu)與功能基因這一概念最初是在19世紀(jì)由遺傳學(xué)家提出來的，而對其化學(xué)本質(zhì)及功能的真

31、正了解卻是在20世紀(jì)40年代以后。如今生物學(xué)領(lǐng)域的許多新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)，包括基因治療、基因診斷、基因工程、基因組計(jì)劃以及克隆植物和動物等都與基因有關(guān)。基因作為分子生物學(xué)研究領(lǐng)域的主要內(nèi)容之一，將生物化學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等多種學(xué)科融合到一起，成為人們揭示生命奧秘的重要環(huán)節(jié)。第一節(jié)遺傳的基本單位 基因分子生物學(xué)實(shí)際上是在遺傳學(xué)和生物化學(xué)發(fā)展到一定階段相互滲透、相互融合形成的一門學(xué)科。對于基因的研究也是遺傳學(xué)家們最早提出并且付諸于實(shí)踐的。 一、基因一詞的由來及其含義的演變(一)從遺傳因子到基因1866年，現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人Mendel提出了遺傳因子學(xué)說，并對遺傳因子（基因）的基本性質(zhì)做了最早的論述

32、。他通過豌豆雜交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃豌豆植株與綠豌豆植株雜交，子代都是黃豌豆，黃色對綠色來說是顯性。當(dāng)子代自花授粉時(shí)，子代豌豆有黃有綠。Mendel根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，遺傳性狀是由成對的遺傳因子決定的。在生殖細(xì)胞形成時(shí)，成對的遺傳因子分開，分別進(jìn)入兩個(gè)生殖細(xì)胞中去。這被后人稱為Mendel的第一定律或分離律（law of segregation）。Mendel還認(rèn)為，在生殖細(xì)胞形成時(shí)，不同對的遺傳因子可以自由組合，即Mendel第二定律或自由組合律（law of assortment）。這兩個(gè)定律是Mendel遺傳因子學(xué)說的中心內(nèi)容。但是Mendel的工作在當(dāng)時(shí)并沒有引起任何人的注意。直到1900年，他

33、的發(fā)現(xiàn)才被Vries，Tschermak和Correns重新證實(shí)。1903年Sutton和Boveri分別注意到Mendel的遺傳因子行為與生殖細(xì)胞形成和受精過程中染色體的行為完全平行，于是兩人分別提出遺傳因子就在染色體上。1909年Johannsen將遺傳因子改稱為基因（gene），并提出基因型（genotype）和表現(xiàn)型（phenotype）的概念?；蛐褪侵钢鸫鷤鬟f下去的成對因子的集合，因子中一個(gè)來源于父本，另一個(gè)來源于母本；表現(xiàn)型則是指一些容易區(qū)分的個(gè)體特征的總和。1910年，美國生物學(xué)家Morgan以果蠅（Drosophila）作為研究材料，發(fā)現(xiàn)有些基因的傳代在不同性別的果蠅中有著不

34、同的方式，表現(xiàn)為與“性染色體”的傳遞方式一致。同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)基因的連鎖、交換和不分離現(xiàn)象，進(jìn)一步創(chuàng)立了基因?qū)W說。Morgan的觀察即證實(shí)了性染色體在性別決定中的作用，同時(shí)也證實(shí)了Sutton和Boveri關(guān)于基因是由染色體攜帶的假說。然而，在當(dāng)時(shí)人們對基因的化學(xué)本質(zhì)并不清楚。在20世紀(jì)30年代，通過對染色體的化學(xué)分析表明染色體是由核酸和蛋白質(zhì)組成的，但是這兩種成分并沒有被看成是同等重要的。人們普遍認(rèn)為基因是由蛋白質(zhì)組成的，而核酸僅僅起著支撐性或儲存能量的作用。直到1944年，Avery通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)基因是由DNA組成的，才正式確定了基因的化學(xué)性質(zhì)（詳見本節(jié)“DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)”）。（二）基

35、因含義的演變早在人們對基因的化學(xué)本質(zhì)有所了解之前，就有許多研究結(jié)果表明基因和有機(jī)體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。1941年Beadle和Tatum 在PNAS上發(fā)表了題為“鏈孢霉中生化反應(yīng)的遺傳控制”的研究報(bào)告，提出“一個(gè)基因一種酶”的假說（PNAS USA, 1941, 27: 499-506）。他們以鏈孢霉（Neurospora）為實(shí)驗(yàn)材料，用X光照射霉菌，獲得了大量的失去合成某種有機(jī)物能力的突變菌。由于鏈孢霉是單倍體，其中的每一個(gè)基因都只有一個(gè)拷貝。因此，對于基因的任何修飾都會引起相應(yīng)的表現(xiàn)。他們將所獲得的突變孢子或者加入到正常培養(yǎng)基中、或者加入到添加了維生素B1和維生素B6的培養(yǎng)基中，因而分離

36、到了幾十個(gè)需要某種維生素才能存活的突變菌株。通過將這些突變菌雜交發(fā)現(xiàn)，是某些基因突變引起了某些酶的改變，因而產(chǎn)生了不同的突變菌。而且一個(gè)基因控制著某一種特定的酶的合成。接著他們又發(fā)現(xiàn)了一種不能合成色氨酸的突變菌，并鑒定了一些能夠使他們準(zhǔn)確描述色氨酸合成途徑的變異菌株和基因，發(fā)現(xiàn)該代謝途徑的每一步都是由一個(gè)不同的基因控制的。為此他們提出“一個(gè)基因一種酶”的假說，并因此獲得了1958年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。毫無疑問，Beadle和Tatum建立的研究方法是研究代謝途徑極為有效的工具。但是，對于具有多個(gè)亞單位的蛋白質(zhì)來說，“一個(gè)基因一種酶”的假說卻不夠完善。進(jìn)一步研究證實(shí)，如果一種蛋白質(zhì)的幾個(gè)亞單位

37、相同，這種蛋白質(zhì)稱為同源多聚體（homomultimer），是由一個(gè)單基因編碼的；如果一種蛋白質(zhì)的幾個(gè)亞單位不同，稱為異源多聚體（heteromultimer），分別由不同的基因編碼。因此，人們對“一個(gè)基因一種酶”的假說進(jìn)行了修正，提出“一個(gè)基因一條多肽鏈”的概念。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，尤其是人類基因組草圖的順利完成，人們對基因的定義又進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。2000年，美國科學(xué)家Bacon就基因的概念問題提出疑問。在他寫給Morris和Wu的信中，他指出：就Johannsen在1909年對基因的定義而言，他并沒有用基因這一概念來特指某種化學(xué)物質(zhì)，而是針對其所具有的遺傳特性的這種性質(zhì)。因此，他懷疑

38、將基因定義為DNA，是否完整而且令人滿意（Is it true that the gene can be completely and satisfactorily defined by a single chemical, the deoxyribonucleic acid, or DNA?）。2001年8月，科學(xué)雜志刊登了Bacon與Morris和Wu在幾個(gè)月之間的七封通信的摘要。毫無疑問，在某些特定的生物體內(nèi)，RNA也可以作為遺傳信息的攜帶者。但是，就基因的定義而言，目前人們普遍接受的是：基因是含有生物信息的DNA片段，根據(jù)這些生物信息可以編碼具有生物功能的產(chǎn)物，包括RNA和多肽鏈（Ge

39、ne: A DNA segment containing biological information and hence coding for an RNA and/or polypeptide molecule）。二、DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其性質(zhì)1868年，瑞士外科醫(yī)生 Miescher 首次從人的膿細(xì)胞核內(nèi)分離得到一種酸性物質(zhì)，命名為核酸。隨后人們又相繼從其他種屬的細(xì)胞核內(nèi)分離得到類似的物質(zhì)，并且發(fā)現(xiàn)生物界的核酸有兩大類，既脫氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA) 和核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)。核酸的發(fā)現(xiàn)與Mendel遺傳定律的提出

40、基本上是同一時(shí)期的事件，然而兩者之間的關(guān)系、更確切的講是DNA與基因的關(guān)系直到1944年才由McCarty 和Avery通過實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。如今，DNA作為遺傳信息的攜帶者已經(jīng)得到公認(rèn)。進(jìn)一步的研究證實(shí)，在某些病毒中，RNA也可以作為遺傳信息的攜帶者。（一）遺傳信息儲存在DNA的一級結(jié)構(gòu)中1、“轉(zhuǎn)化”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)肺炎球菌在揭示DNA作為遺傳信息攜帶者的研究中發(fā)揮了極為重要的作用。早在1928年，英國醫(yī)生Griffith就發(fā)現(xiàn)非致病的R型肺炎球菌（R為英文Rough的縮寫）可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏〉腟型肺炎球菌（S為英文Smooth的縮寫）。他將活的R型肺炎球菌與經(jīng)過熱滅活的S型肺炎球菌共同注射到小鼠體內(nèi)，引

41、起小鼠發(fā)??；而將這兩種細(xì)菌分別注射給小鼠則不會引起小鼠發(fā)病。同時(shí)他還從發(fā)病的小鼠血液內(nèi)檢測到活的S型肺炎球菌。因此他推測某種物質(zhì)從滅活的S型肺炎球菌轉(zhuǎn)移到了R型肺炎球菌，并將S型肺炎球菌的致病性帶給了R型肺炎球菌。1931年，Dawson和Sia在體外重復(fù)了這個(gè)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，Alloway利用已經(jīng)殺死的致病性S型肺炎球菌的提取液，將非致病的R型肺炎球菌在體外轉(zhuǎn)化為致病的肺炎球菌。這一實(shí)驗(yàn)為后人進(jìn)行的提取“轉(zhuǎn)化因子”的工作奠定了基礎(chǔ)。2、“轉(zhuǎn)化因子”的化學(xué)本質(zhì)1944年，McCarty、MacLeod和 Avery在實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表了他們歷經(jīng)將盡10年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他們利用滅活的S型肺炎球菌的

42、無細(xì)胞提取液進(jìn)行了一系列分析，證實(shí)了DNA就是將S型肺炎球菌的致病性轉(zhuǎn)移給R型肺炎球菌的物質(zhì)。這一結(jié)論主要基于以下發(fā)現(xiàn)：化學(xué)分析的結(jié)果提示這種物質(zhì)符合DNA的性質(zhì)；這種物質(zhì)的光學(xué)、超速離心以及電泳特性均符合DNA的特征；將蛋白質(zhì)和磷脂從抽提液中去除并不影響轉(zhuǎn)化作用；用胰蛋白酶和糜蛋白酶處理抽提液不影響轉(zhuǎn)化作用；用RNA酶處理抽提液也不影響轉(zhuǎn)化作用；用未被加熱的血清處理抽提液則使其喪失轉(zhuǎn)化能力，而人們已知血清中含有一種能夠降解DNA的酶。這一工作成為生物化學(xué)發(fā)展的重要事件。在此之前，人們普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的攜帶者，而DNA僅僅起了次要的作用。但由于人們當(dāng)時(shí)對DNA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)缺乏了解，Av

43、ery以及他的同事們無法使人們確信基因是由DNA組成的。實(shí)際上，他們自己在文章中的結(jié)論也是十分謹(jǐn)慎的，僅僅是概述了一種可能的關(guān)系。但是不能否認(rèn)，他們的工作為“基因是由DNA組成的”這一理論奠定了基礎(chǔ)。八年后（1952年），Hershey和Chase利用噬菌體證實(shí)了DNA的遺傳性質(zhì)。噬菌體的化學(xué)組成十分簡單，只包括DNA和蛋白質(zhì)，在20世紀(jì)初已被廣泛研究。Avery等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果促使Hershey和Chase把重點(diǎn)放到了噬菌體DNA的研究上。他們用硫（35S）標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)分子，用磷（32P）標(biāo)記DNA分子。將這些用放射性同位素標(biāo)記的噬菌體放到含有細(xì)菌的培養(yǎng)液中，再經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)，或去除噬

44、菌體蛋白質(zhì)、或去除噬菌體DNA，最終證實(shí)噬菌體體內(nèi)與復(fù)制有關(guān)的物質(zhì)是DNA，包裹DNA的蛋白質(zhì)外殼只起到保護(hù)DNA、并幫助DNA注入到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的作用。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Avery等人在8年前利用不同體系得出的結(jié)論：DNA是遺傳信息的攜帶者。1953年，當(dāng)Watson和Crick在冷泉港會議上公布他們的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)， Hershey和Chase的結(jié)果再度以概要形式被宣讀，作為DNA具有遺傳功能的附加證據(jù)。Hershey并因此與另外兩位從事噬菌體研究的創(chuàng)始人Delbrück和Luria一起獲得了1969年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。3、遺傳信息的儲存及遺傳密碼的破譯通過對DNA結(jié)構(gòu)的分析

45、，我們知道DNA是由堿基、脫氧核糖和磷酸三種成分組成的大分子。組成DNA的堿基有腺嘌呤 (Adenine, A)、鳥嘌呤 (Guanine, G)、胞嘧啶 (Cytosine, C) 和胸腺嘧啶 (Thymine, T)。在DNA分子的戊糖中，與第2位碳原子（C-2）相連的羥基上缺少一個(gè)氧原子，稱為脫氧核糖（deoxyribose）。脫氧核糖與堿基在戊糖的第1位碳原子（C-1）和嘧啶的第1位氮原子（N-1）或嘌呤的第9位氮原子（N-9）以糖苷鍵相連構(gòu)成脫氧核苷（deoxynucleoside）。磷酸與脫氧核苷中的戊糖在第5位碳原子（C-5）之間通過磷酯鍵相連，構(gòu)成脫氧核糖核苷酸，后者靠3

46、62;，5¢磷酸二酯鍵連接而形成一條多核苷酸鏈。這一連接方式?jīng)Q定了DNA 的多核苷酸鏈具有特定的方向性，其5¢端為磷酸基、3¢端為羥基，以5¢®3¢ 或3¢®5¢來表示。在DNA的一級結(jié)構(gòu)中, 脫氧核糖和磷酸都是相同的，核苷酸的差異主要是堿基不同，四種不同堿基的順序也就代表了核苷酸的順序。因此，核苷酸序列又稱為堿基序列。大多數(shù)生物（除RNA病毒以外）的遺傳信息都是貯存在DNA分子中。這些信息以特定的核苷酸排列順序貯存在DNA分子上, 如果核苷酸排列順序變化,它的生物學(xué)含義也就改變。Watson和Crick

47、在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，曾經(jīng)指出“堿基的精確順序就是攜帶有遺傳信息的密碼”。然而對“信息”和“密碼”內(nèi)在聯(lián)系的真正了解卻經(jīng)歷了一段相當(dāng)復(fù)雜的路程?！斑z傳密碼”與DNA序列的對應(yīng)關(guān)系最初是由俄國物理學(xué)家Gamow提出的。他認(rèn)為DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了20種空間作為容納氨基酸的“容器”，這些空間的形狀取決于周圍核苷酸的本質(zhì)，不同的空間吸引了不同的氨基酸，這些氨基酸靠共價(jià)鍵連接起來形成多肽鏈。盡管Gamow的這一假設(shè)是錯(cuò)誤的，但是他的關(guān)于遺傳密碼的想法，即核苷酸與氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系還是被人們接受了。隨著人們對tRNA的發(fā)現(xiàn)、對ATP在蛋白質(zhì)合成過程中的作用的認(rèn)識，以及放射性同位素標(biāo)記氨基酸技

48、術(shù)的應(yīng)用，Matthaei與Nirenberg于1961年成功的利用多聚尿嘧啶合成了苯丙氨酸肽鏈¾第一個(gè)遺傳密碼，到1966年所有的密碼子全部被鑒定清楚。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道DNA分子主要攜帶兩類遺傳信息。一類是有功能活性的DNA序列攜帶的信息，這些信息能夠通過轉(zhuǎn)錄過程而轉(zhuǎn)變成RNA (如mRNA, tRNA, rRNA) 的序列, 其中mRNA 的序列中又含有蛋白質(zhì)多肽鏈的氨基酸序列信息。另一類信息為調(diào)控信息，這是一些特定的DNA區(qū)段, 能夠被各種蛋白質(zhì)分子特異性識別和結(jié)合。這些特定的DNA區(qū)段在以后的章節(jié)中將會介紹, 如各種作用元件等。(二) DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及其意義Watson和

49、Crick于20世紀(jì)50年代否定了DNA的單螺旋結(jié)構(gòu)和三螺旋結(jié)構(gòu)，提出DNA 是由兩條多核苷酸單鏈結(jié)合形成的雙螺旋 (double helix) 結(jié)構(gòu)，并對這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)地描述。同時(shí)，他們還提出了DNA復(fù)制的假說。他們的發(fā)現(xiàn)是對人類遺傳學(xué)的重大貢獻(xiàn)，并因此于1962年與Wilkins一起獲得了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立是20世紀(jì)生物學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)。近年的研究證實(shí)雙鏈DNA在生物體內(nèi)可以形成各種不同的構(gòu)型。、雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)人們對DNA生物學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于對其結(jié)構(gòu)的了解。如前所述，早在40年代科學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)DNA在不同菌種之間的轉(zhuǎn)

50、移可以將遺傳信息從一個(gè)菌種轉(zhuǎn)移到另一個(gè)菌種。許多證據(jù)表明DNA分子一定是由兩條或更多條多核苷酸單鏈以某種方式組成。20世紀(jì)50年代初期，Wilkins和Franklin等人對DNA的X射線衍射照片進(jìn)行了分析，推測出與Watson和Crick提出的模型相一致的DNA結(jié)構(gòu)，為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料。正是由于這些線索，為Watson和Crick的DNA雙螺旋模型提供了重要的根據(jù)。Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：兩條多核苷酸單鏈以相反的方向互相纏繞形成右手螺旋結(jié)構(gòu)；在這條雙螺旋DNA鏈中，脫氧核糖與磷酸是親水的，位于螺旋的外側(cè)，而堿基是疏水的，

51、處于螺旋內(nèi)部；螺旋鏈的直徑為2.37nm，每個(gè)螺旋含10個(gè)堿基對（base pair, bp），其高度約為3.4nm；由疏水作用造成的堿基堆積力（base tacking）和兩條鏈間由于堿基配對形成的氫鍵是保持螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要作用力，A與T配對形成2個(gè)氫鍵，G與C配對形成3個(gè)氫鍵，配對的堿基在同一平面上，與螺旋軸相垂直；堿基可以在多核苷酸鏈中以任何排列順序存在。兩條多核苷酸單鏈通過堿基配對 (base pairing) 形成氫鍵不僅是保持雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力，更重要的是堿基配對的生物學(xué)含義。由于幾何形狀等原因，A只能與T配對，G只能與C配對，這種配對原則稱為堿基互補(bǔ)配對。Charga

52、ff的研究結(jié)果也完全支持這一結(jié)論，既A與T、G與C的比值在不同生物中幾乎都是1。這就意味著在DNA復(fù)制過程中，以預(yù)先存在的DNA鏈作為模板就可以得到一條與其完全互補(bǔ)的子鏈，由此可以保證遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。Watson和Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)稱為B型結(jié)構(gòu)，是細(xì)胞內(nèi)DNA存在的主要形式。當(dāng)測定條件改變，尤其是濕度改變時(shí)，B型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)會發(fā)生一些變化。例如，A型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)直徑為2.55nm，每個(gè)螺旋含11個(gè)堿基對，其高度約為3.3nm。B型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的其他構(gòu)型變化還包括C, D和T型等（表1-1）。表1-1 DNA雙螺旋的主要參數(shù)類型每個(gè)螺旋堿基數(shù)堿基高度直徑戊糖構(gòu)象A110

53、.26nm23 ÅC3 內(nèi)型B100.34nm20 ÅC2內(nèi)型*C9.330.33nm19 ÅC3 外型D 8.50.30nmZ120.37nm18 Å外型*構(gòu)象可變。*與嘧啶相連為C2內(nèi)型構(gòu)象，與嘌呤相連為C3外型構(gòu)象。在自然界原核生物和真核生物基因組中還發(fā)現(xiàn)左手雙螺旋DNA，其分子螺旋的方向與右手雙螺旋DNA 的方向相反，稱為Z型螺旋。左手雙螺旋DNA可能參與基因表達(dá)的調(diào)控，但其確切的生物學(xué)功能尚待研究。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)不同構(gòu)型的意義并不在于其螺旋直徑及其高度的變化，關(guān)鍵是由于這些變化而引起的表面結(jié)構(gòu)的改變（見圖1-1），進(jìn)而影響其生物學(xué)功能。B型D

54、NA雙螺旋的表面并不是完全平滑的，而是沿其長軸有兩個(gè)不同大小的溝。其中一個(gè)相對較深、較寬，稱為大溝；另外一個(gè)相對較淺，較窄，稱為小溝。A型螺旋也有兩個(gè)溝，其中大溝更深，小溝更淺但較寬；Z型螺旋則僅呈現(xiàn)一個(gè)很窄很深的溝。DNA雙螺旋的這種表面結(jié)構(gòu)有助于DNA結(jié)合蛋白識別并結(jié)合特定的DNA序列。而這種表面構(gòu)型的變化對于基因組DNA與其DNA結(jié)合蛋白的特異性相互作用具有重要的意義。（圖1-1）、其他類型的DNA結(jié)構(gòu)雖然雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA最常見的二級結(jié)構(gòu)形式, DNA也可以形成不同于雙螺旋的其它結(jié)構(gòu)。（）三股螺旋DNA三股螺旋DNA （triplex）也稱為三鏈DNA (triple strand D

55、NA, tsDNA), 其結(jié)構(gòu)是在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的。雙螺旋通過Watson-Crick 氫鍵穩(wěn)定, 而三股螺旋尚需通過Hoogsteen 氫鍵穩(wěn)定（見圖1-2）。三條鏈均為同型嘌呤 (homopurine, Hpu) 或同型嘧啶 (homopyrimidine, Hpy), 既整段的堿基均為嘌呤或嘧啶。根據(jù)三鏈的組成和相對位置分為兩種基本類型：嘌呤-嘌呤-嘧啶型 (Pu-Pu-Py型，Pu代表嘌呤，Py代表嘧啶),在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定；嘧啶-嘌呤-嘧啶型 (Py-Pu-Py 型) 在偏酸性pH中穩(wěn)定。其中兩條鏈為正常雙螺旋,第三條嘧啶鏈位于雙螺旋的大溝中，它與Pu鏈的方向一致，并隨雙螺旋結(jié)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)。三鏈DNA的兩種類型有種同分異構(gòu)體。三鏈中堿基配對符合Hoogsteen模型，第三堿基在 Py-Pu-Py 型中為T=A=T、C+GC (與鳥嘌呤形成Hoogsteen鍵的“C”必須質(zhì)子化) 配對；在Pu-Pu-Py型中存在GGC、A=A=T配對。當(dāng)DNA雙鏈中含有H-回文序列 (H-palindrone) 時(shí)，既某區(qū)段DNA兩條鏈分別為Hpu和Hpy，并且各自為回文結(jié)構(gòu)時(shí)，任一條回文結(jié)構(gòu)的