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生物科学

现代生命科学进展(第二版)

作者：张自立彭永康

出版社：科学出版社出版时间：2022-07-01

开本： B5 页数： 380

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现代生命科学进展(第二版) 版权信息

ISBN：9787030195876
条形码：9787030195876 ; 978-7-03-019587-6
装帧：暂无
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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生物科学

现代生命科学进展(第二版) 内容简介

在科技迅猛发展的21世纪，生命科学代表着自然科学的前沿，正在成为发展*快、应用*广、潜力优选、竞争*激烈的领域之一，生物技术产业也已成为发达国家的支柱产业之一。本书根据现代生命科学发展的特点，重点介绍了现代生命科学中的分子生物学、免疫生物学、神经生物学、发育生物学，以及环境生物学等方面研究的近期新进展，突出反映了现代生命科学中一些理论、观念、学术思想的更新，帮助读者拓宽视野，了解现代生命科学研究的前沿领域及趋势。

现代生命科学进展(第二版) 目录

目录
第二版前言
**版前言
第1章中心法则的补充和发展1
1.1中心法则的要点及其面临的挑战1
1.1.1中心法则的提出1
1.1.220世纪70年代后的补充1
1.1.320世纪90年代面临的新挑战2
1.1.4全面认识RNA生物功能的多样性和重要性2
1.1.5表观效应可以遗传3
1.2以蛋白质为模板的肽链合成5
1.2.1合成短杆菌肽S的多酶体系5
1.2.2以多酶体系为模板合成GS的步骤6
1.2.3以非核糖体合成酶为模板合成Smfactin短肽的过程7
1.3朊病毒的繁殖与复制模型9
1.3.1朊病毒的性质9
1.3.2两种不同类型的prp10
1.3.3prpse的繁殖与复制11
1.4蛋白质的自剪接14
1.4.1蛋白质的内含子和外显子14
1.4.2蛋白质自剪接机制15
1.5新生肽的折叠16
1.5.1新生肽折叠研究中的新观点16
1.5.2帮助新生肽折叠的蛋白质——分子伴侣17
1.5.3分子内分子伴侣19
思考题20
主要参考文献21
第2章人类基因组计划与基因组工业的崛起22
2.1人类基因组计划的提出及其意义22
2.1.1基因和基因组22
2.1.2人类基因组计划的建立22
2.2人类基因组计划的内容23
2.2.1人类基因组计划的研究目标23
2.2.2人类基因组计划的技术路线23
2.3人类基因组计划的作图24
2.3.1遗传作图24
2.3.2物理作图24
2.4人类基因组计划的测序25
2.4.1测序策略25
2.4.2测序技术26
2.5人类基因组计划的信息处理26
2.5.1建立和发展数据库26
2.5.2建立和发展相应的软件27
2.6人类基因组计划研究进展28
2.6.1酿酒酵母基因组的DNA序列28
2.6.2大肠杆菌基因组的DNA序列30
2.6.3秀丽新小杆线虫基因组的DNA序列34
2.6.4果蝇基因组的DNA序列36
2.6.5人类22号染色体的DNA序列39
2.6.6人类21号染色体的DNA序列42
2.6.7人类20号染色体的DNA序列47
2.6.8水稻（籼稻）基因组的DNA序列47
2.6.9拟南芥基因组的DNA序列47
2.7我国人类基因组研究计划47
2.8人类基因组计划推动了基因组工业的崛起48
2.9人类基因组计划的实施带动了新学科的产生和发展49
思考题49
主要参考文献50
第3章基因组学51
3.1基因组学的提出及其任务51
3.2结构基因组学51
3.2.1基因组作图52
3.2.2序列分析53
3.2.3基因组分析53
3.3功能基因组学55
3.3.1功能基因组学的提出55
3.3.2功能基因组的研究方法55
3.4比较基因组学56
3.4.1比较基因组学的任务56
3.4.2比较基因组学的研究方法58
3.5药物基因组学59
3.5.1个体对药物不同反应的遗传背景研究60
3.5.2为药物设计和筛选提供依据60
3.6基因组研究推动了现代生物医药业的第三次浪潮61
3.6.1现代生物医药业概况61
3.6.2生物医药的三次浪潮61
思考题62
主要参考文献62
第4章蛋白质组学64
4.1蛋白质组学的产生64
4.2蛋白质组及蛋白质组学的概念64
4.3高通量mRNA表达分析技术65
4.4双向凝胶电泳66
4.4.1双向凝胶电泳（2-DE）原理67
4.4.2图像分析与数据库构建68
4.5生物质谱技术69
4.5.1种类及其原理69
4.5.2肽质量指纹谱鉴定技术（PMF）71
4.5.3肽序列标签串联质谱技术（PST）72
4.5.4翻译后修饰蛋白质的鉴定72
4.6蛋白质组数据库72
4.7蛋白质芯片技术73
4.8分析蛋白质-蛋白质相互作用的酵母双杂交系统73
4.8.1酵母双杂交系统的基本原理73
4.8.2酵母双杂交系统的改进74
4.9蛋白质组研究进展75
4.9.1病毒蛋白质组研究75
4.9.2细菌蛋白质组研究76
4.9.3酿酒酵母蛋白质组研究76
4.9.4多细胞生物蛋白质组研究78
思考题80
主要参考文献80
第5章迅速发展中的转录组学和代谢组学82
5.1转录组学82
5.1.1转录物的多样性82
5.1.2转录组及转录组学的含义83
5.1.3转录组学研究的方法83
5.2代谢组学85
5.2.1代谢组学的定义和研究任务85
5.2.2代谢组学的研究方法86
5.2.3代谢网络和数据库87
思考题88
主要参考文献88
第6章生物信息学90
6.1生物信息学及其产生的背景90
6.2发现编码蛋白的新基因91
6.3寻找蛋白质家族新成员及预测二级结构93
6.4用EST分析推导全长蛋白质编码序列94
6.5分子系统发育分析95
6.5.1距离法96
6.5.2*大简约法96
6.5.3*大似然法96
6.5.4分子系统树检验97
6.5.5分子系统发育分析软件97
6.6生物信息学的公用数据库97
6.6.1序列数据库97
6.6.2数据库的电子邮件检索99
6.6.3怎样向数据库发送核酸序列数据100
6.7生物信息学的分析工具102
6.7.1序列相似性查询软件102
6.7.2预测蛋白质结构的软件103
6.8生物信息学的应用105
6.8.1基因组分析和蛋白质组分析方面105
6.8.2生物芯片方面105
6.8.3药物开发方面106
6.8.4遗传流行病学方面106
思考题106
主要参考文献107
第7章分子生物学技术进展108
7.1PCR技术的进展108
7.1.1PCR技术是分子生物方法学上的一次革命108
7.1.2实时定量PCR109
7.1.3快速扩增cDNA末端111
7.1.4芯片PCR技术112
7.1.5固相PCR113
7.1.6电子PCR114
7.1.7快循环PCR114
7.1.8滚环DNA扩增115
7.1.9LAPCR(long and accurate PCR）技术116
7.1.10乳胶PCR117
7.2DNA序列分析技术新进展118
7.2.1Pyrosequencing技术118
7.2.2在微微升反应系统中对Mycoplasma genitalium基因组序列分析119
7.2.3—种快速非电泳DNA序列分析细菌基因组技术121
7.2.4一种检测人类全基因组SNP基因型的序列分析技术122
7.3结合微流（Microfluidics）技术开创分子生物技术新篇章123
7.3.1什么是Microfluidics123
7.3.2微流技术用于分离和培养细胞124
7.3.3微流技术用于PCR126
7.3.4微流技术用于凝胶电泳126
7.3.5微流技术用于DNA合成127
7.3.6微流技术和微阵列128
7.3.7微流技术与药物开发128
7.4DNA芯片技术的原理及应用129
7.4.1什么是DNA芯片129
7.4.2DNA芯片的两种形式129
7.4.3制备Format I芯片129
7.4.4制备Format II芯片130
7.4.5靶DNA与探针杂交及荧光标记检测131
7.4.6DNA芯片技术的应用132
7.5蛋白质芯片技术原理及应用133
7.5.1什么是蛋白质芯片133
7.5.2蛋白质芯片的制备134
7.5.3靶蛋白与捕捉分子结合情况的检测134
7.5.4蛋白质芯片的应用135
7.6基因表达连续分析技术136
7.7DNA shuffling技术136
7.7.1DNA shuffling技术原理138
7.7.2DNA shuffling操作步骤138
7.7.3DNA shuffling效果138
7.8噬菌体表面呈现技术139
7.8.1噬菌体表面呈现技术原理及操作步骤139
7.8.2噬菌体表面呈现技术的应用140
7.9遗传分子标记技术研究进展141
7.9.1限制性片段长度多态性（RFLP）标记141
7.9.2随机扩增多态性DNA标记145
7.9.3AFLP标记146
7.9.4微卫星多态性标记147
7.9.5单链构象多态性标记149
7.9.6单核苷酸多态性（SNP）标记151
7.9.7SCAR标记153
7.9.8CAPs标记154
7.9.9STS和EST154
7.10RNA干扰技术的研发155
7.10.1什么是RNA干扰技术155
7.10.2RNA干扰技术的机制155
7.10.3RNA干扰技术的应用157
7.10.4miRNA158
7.11蛋白质转导技术160
7.11.1蛋白质转导160
7.11.2蛋白质转导结构域161
7.11.3蛋白质转导的应用潜力162
7.12纳米技术在生命科学中的应用162
7.12.1生物制药中的应用162
7.12.2生物组织工程中的应用163
7.12.3开发新型荧光生物标记163
思考题164
主要参考文献164
第8章基因工程研究进展167
8.1转基因植物167
8.1.1转基因植物的目的基因168
8.1.2分离、鉴定和修饰目的基因170
8.1.3转化方法172
8.1.4转化细胞的筛选及转基因植物的鉴定174
8.1.5提高外源基因表达的研究176
8.1.6植物反应器制药178
8.1.7转基因植物的安全性178
8.2转基因动物179
8.2.1转基因动物的技术原理及发展179
8.2.2转基因动物乳腺反应器制药业的兴起182
8.3克隆动物及其意义184
8.3.1克隆动物研究简史185
8.3.2克隆动物的技术186
8.3.3体细胞核移植进展187
8.4基因治疗188
8.4.1基因转移技术189
8.4.2基因转移的受体细胞191
8.4.3外源基因的靶向表达191
8.4.4肿瘤基因治疗的策略192
8.4.5基因治疗研究进展193
8.5生物制药产业的发展195
思考题196
主要参考文献196
第9章免疫分子生物学198
9.1免疫的概念和基础知识198
9.1.1免疫的现代概念及功能198
9.1.2免疫反应的特征198
9.1.3免疫器官和淋巴组织200
9.1.4免疫细胞201
9.1.5克隆选择假说202
9.2免疫的分子生物学204
9.2.1免疫球蛋白的分子结构205
9.2.2免疫球蛋白的基因结构206
9.2.3免疫球蛋白基因重排与DNA的多样性208

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现代生命科学进展(第二版) 节选

第1章中心法则的补充和发展 1.1中心法则的要点及其面临的挑战 1.1.1中心法则的提出 1958年Crick首次对核酸和蛋白质的相互关系提出了中心法则（central dogma），即DNA上的遗传信息可以通过复制传递给下一代的DNA分子，也可以通过转录传递到RNA，*后经翻译又从RNA传递至蛋白质分子。即DNA—RNA—蛋白质。此法则奠定了分子生物学的理论基础，其要点有三：**，遗传信息指DNA、RNA的核苷酸序列和蛋白质中的氨基酸序列；第二，从DNA、RNA到蛋白质的遗传信息流向是严格的单程路线；第三，DNA序列与其所转录出的RNA序列及翻译出的蛋白质中的氨基酸序列有严格的共线性（collinearity）。 1.1.2 20世纪70年代后的补充 Temin（1970）发现了反转录酶并证明了反转录的机制，如肉瘤病毒的复制是先以病毒RNA为模板通过反转录酶合成DNA，再以该DNA为模板合成RNA，即遗传信息在某些情况下也可以从RNA传递到DNA。Spiegelman等证明反转录酶在单链RNA模板上合成DNA时，作用机制与DNA聚合酶类似，该酶也需要引物，tRNA可作为RousRNA病毒反转录的引物。新合成的DNA链与RNA模板结合形成DNA/RNA双链，然后以新合成的DNA为模板产生环状的双链DNA。这些发现是对中心法则中遗传信息流向单程路线的**次冲击。 20世纪70年代中期几种RNA病毒如MS2、R7、Q等的复制过程被发现，这些病毒仅编码3个基因：A蛋白、外壳蛋白和复制酶。在复制时复制酶先结合到RNA基因组的3，端上，开始沿5，—3，方向合成一个互补负链。负链RNA并不与正链氢键结合，但可再作为模板，合成新的正链RNA。这意味着RNA的遗传信息也可以通过复制传递给子代。 Jeffreys和Flavell（1977）发现卢-珠蛋白基因内有内含子。Doel等（977）也证实卵清蛋白基因中也存在内含子。为此，这些基因中DNA的碱基序列与氨基酸序列不存在严格的共线性。 20世纪70年代后，分子生物学家们对Crick的中心法则做了如下的补充，即 1.1.3 20世纪90年代面临的新挑战虽然Lipmann等（1971，1976，1984）早就发现并证实存在以蛋白质为模板的肽链合成，Prusiner（1982，1984）发现了不含核酸的蛋白质病毒的繁殖与复制，但并未引起学术界的重视，直至1997年Prusiner获诺贝尔医学奖后才激发了人们思考遗传信息是否也能从蛋白质传递给蛋白质。此外，20世纪90年代中期，蛋白质自剪接现象引起了科学家们的高度关注，在22种生物的24种蛋白质分子中找到内含子和外显子。这些蛋白质翻译后内含子会自动删除，然后把外显子连接成一个有功能的蛋白质分子。内含子是DNA中的编码序列，否则它不会转变成蛋白质中的氨基酸序列，内含子的出现使得基因所决定的蛋白质与*终的功能性蛋白质的氨基酸序列不一致，也就是说缺乏严格的共线性。人类基因组计划研究的大量事实表明一个基因可以编码多种蛋白质，“一个基因一种酶”的传统观念需要更新。由此，Crick（1958）早年的断言“信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出”（once information has passed into protein，it cannot get out again）和DNA、RNA、蛋白质等序列有严格共线性的结论，又面临新的挑战。 1.1.4 全面认识RNA生物功能的多样性和重要性中心法则中强调遗传信息从DNA—RNA—蛋白质的传递，在此，RNA的生物学功能仅表现为一个中间因素，即DNA上的核苷酸序列通过转录决定了mRNA上的核苷酸序列，进而通过转译把mRNA上的核苷酸序列翻译成蛋白质中的氨基酸顺序，这样就解读了DNA的全部遗传信息。对生命体的蛋白质合成，中心法则确实非常关键，但它未能反映RNA生物功能的多样性和重要性。生物界种类繁多，其中RNA病毒也是一个独立的生命体系，分布在植物细胞内的RNA病毒有的只有RNA，甚至不含蛋白质。 RNA的功能也是多种多样，如mRNA、hnRNA、rRNA、tRNA、snRNA（small nuclear RNA）、scRNA（small cytosal RNA）、siRNA（small interfering RNA）、miRNA（micro RNA）等均有各自的独*功能。自中心法则提出后很长一段时间对RNA的认识仅局限在rRNA、tRNA和mRNA，因为它们都与蛋白质的合成有关。后来反转录酶和核酶的陆续发现对RNA的认识才有了一个突破，直到近三四年对RNA的研究才有很大进展。 Ban等（2000）用X射线衍射分析获得了关于核糖体中较大亚基的高分辨率（2.4）原子结构图，研究表明尽管核糖体中既含RNA，又有蛋白质，但蛋白质的加工过程却只与RNA有关。实验证明核糖体实质上是一种催化自身化学反应的核酶（ribozyme），此研究成果被Science评为2000年世界十大科学突破之一，排名第二。第二年Sctence又把siRNA研究列人2001年十大科技突破之一，也是排名第二。2002年12月Scene按惯例评选2002年度十大科技突破，提出miRNA的研究名列**。有关RNA的研究连续3年被列人世界十大科技突破，可见此研究的意义深远。人们发现RNA的功能除了传递遗传信息外，还有生物催化活性、调控翻译、转录和复制、调控发育等重要功能。诺贝尔奖获得者Boshor（2000）指出：有关RNA干扰（RNA interference）的研究将是未来10年生物学研究中*激动人心也*有可能产生丰富成果的领域之一，预示着一个崭新的RNA时代即将来临。人们对客观事物的认识总在不断深人，毫无例外中心法则也应不断补充和发展。 1.1.5 表观效应可以遗传根据中心法则遗传信息从DNA—RNA—蛋白质，所以基因决定性状，只有改变遗传信息才可能有遗传性状的变异。近十年来迅速发展起来的表观遗传学（epigenetic）却揭示了存在许多不影响基因型而改变了表型，且这些表型改变确实可遗传，它们在遗传信息上也确实未表现出任何改变的现象，为此称为“表观遗传”。对表观遗传的机制目前已有较深人的研究，大体分为两大类：①能永生化的基团通过共价连接修饰DNA，比如两条同样序列的等位基因可能有不同的甲基化状态，因而会有不同的性质；②或者可以建立一个自我永生化的蛋白质状态，这可能包括蛋白质复合体的装配，特殊蛋白质的修饰，或者改变蛋白质构象。比如本书上一节介绍的朊病毒的繁殖与复制也属表观遗传范畴。表观遗传已突破了中心法则。 1.1.5.1 由DNA甲基化引起的表观效应在真核生物细胞中，基因DNA甲基化的主要功能是与转录控制有关，它使基因失活。大多数甲基基团能在CG“双联体”中被找到，2%～7%的动物细胞DNA胞嘧啶是被甲基化的。当甲基化的DNA复制时就会从完全甲基化位点转变成一个半甲基化位点，但细胞内有一种维持甲基化酶（maintenance methy-lase）组成型地作用于半甲基化位点，使它们转变成完全甲基化位点。此外，还存在另一种DNA甲基化酶能在新位点修饰DNA被称为重新合成甲基化酶（de novomethylase），它通过识别特异序列来识别DNA，作用于非甲基化DNA，加一个甲基到一条链上。甲基化有多种靶位，基因启动子是*常见的靶位。一个基因启动子被甲基化，此基因就被失活。如果启动子被去甲基化，基因就变成有活性。癌症表观遗传研究证明：抑癌基因启动子的CpG岛上过多甲基化（hyperm-ethylation）就能导致抑癌基因“沉默”引发BRCA1的癌变。反之，当某些致癌基因启动子甲基化过低，就引起这些基因癌变，如卵巢癌和乳腺癌等。研究证明由DNA甲基化引发的表观效应能通过有丝分裂及减数分裂传递至后代。 1.1.5.2 由基因印记引起的表观效应尽管父系和母系等位基因有一样的序列，但由于在生殖细胞中甲基基团的特异性分布模式导致了从双亲遗传的等位基因之间的行为差异，它们显示了不同的性质，这依赖于哪个亲本提供这些等位基因。这种性质能通过减数分裂和后面的体细胞分裂而得到遗传。在小鼠胚胎中，某类基因的表达依赖于它们来自父方还是母方。比如遗传自父亲的编码胰岛素类生长因子n（iGF-n）的等位基因能够表达，而从母系遗传的等位基因则不表达，因为卵细胞的IGF-n基因是甲基化的，而精细胞中是非甲基化的。这样在杂合子中这两条等位基因的表现就不同，这是*普遍的模式。但在另一些基因中是相反的，即母系拷贝的表达。这种表现在双亲遗传的等位基因之间的行为差异被称为印记现象（imprinting）。印记基因有时呈成簇的，在小鼠中17个已知的印记基因中一半以上存在于两个特殊的区域，每个都包含有父系和母系表达的基因。 1.1.5.3 由组蛋白修饰引起的表观效应现已证明染色质活性和组蛋白乙酰化之间有普遍联系，尤其是组蛋白H3和H4N端的乙酰化使染色质呈活性状态。转录活性与启动子临近区域的乙酰化有关，而转录抑制与去乙酰化有关，其中*明显的是哺乳动物雌性细胞中失活的X染色体的组蛋白H4是非乙酰化的。维持组成型异染色质的失活状态可能要求组蛋白的非乙酰化。如果乙酰转移酶作用于酵母中的端粒异染色质区域，沉默基因就会被活化。若酵母暴露于一种去乙酰化抑制剂（trichostatin），则着丝粒区域的沉默基因就变得有活性。这样的效应在trichostatin去除后还存在，这表明它能在有丝分裂和减数分裂中维持下去。证明通过改变组蛋白乙酰化的状态就能引人一个表观遗传效应。 1.2 以蛋白质为模板的肽链合成近十多年来已证明抗生素多肽（antibiotic polypeptide）、谷胱甘肽（glutathione）、胞壁质交联肽等的合成不以DNA为模板，而以多酶体系为模板进行肽链合成。抗生素多肽是细菌产生的抗生素中的一大类，分子质量从几百到几千道尔顿（Da）不等，含罕见的氨基酸如D-氨基酸、泠氨基酸、二氨基丁酸和鸟氨酸（ornithine）等，多数呈环状，并对蛋白酶有抗性。此类多肽有短杆菌肽S（gramicidinS，GS）（图1-1）、短杆菌酪肽（tyrocidin，Ty）、多黏菌素（polymyxin）、放线菌素（actinomycin）、伊短菌素（edeine）、分枝杆菌素（mycobacillin）、丙甲菌素（alaemethicin）、鹿铃菌素（suzukacillin）、缀氨霉素（valinomycin）、赌状菌素（cerexin）、恩镰胞菌素（enniatin）、亮肽素（leupeptin）、短制菌素（brevistin）、致畸素（malformin）、鶴骨章喊（amanitin）和鬼笔毒环肽（phalloidine）等10多种。mRNA为模板，也不在核糖体上合成，在它们合成过程中如果用DNase、RNase彻底处理仍能合成。 1.2.1 合成短杆菌肽S的多酶体系短杆菌肽S是短杆菌Bacillusbrevis产生的环十肽。作为GS合成模板的多酶体系由轻酶（lightenzyme，LE）（相对分子质量为100000Da）和重酶（heavyenzyme，HE）（相对分子质量为280000Da）各一份组成。LE含有消旋化酶活性，能把L-Phe活化、硫酯化后消旋为D-Phe。HE不含消旋化酶，但含4’-（p）-泛酰巯基乙胺蛋白[4’-（p）-pan]（图1-2），有转硫醇和转肽作用，能转移并延长肽链。另外，HE含有对Pro、Val、Orn、Leu的特定活化点，它们以1:1:1:1比例依次排列，可使上述氨基酸活化、硫酯化。多酶体系就是按一定次序吸附特定的一种氨基酸并合成肽链

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