Fundamental Molecular Biology（分子生物学基础）

引用

Allison, L. A. (2021). Fundamental Molecular Biology (3rd ed.). Wiley-Blackwell.

章节概要

第三版共十五章，约816页，之后是附录、约五十页的术语表和索引，并配有配套网站。出版社称本书对分子生物学入门课程的核心主题作了"有选择而精确的处理"，围绕发现的过程（观察、问题、实验设计、结果和结论）以及分子生物学的语言来组织。每章以提纲开头；多数章节以章末小结、分析题、发现题和"真实数据"题结束，之后附有参考文献。贯穿全书的有三类专栏：讨论实验策略和更广泛问题的 Focus 专栏，介绍实验方法的 Tool 专栏，以及把分子机制放到临床背景中的 Disease 专栏。

第1章：分子生物学的开端

以历史开篇。本章在界定这一领域之后，追溯证明 DNA 是遗传物质的证据：孟德尔定律、染色体学说、转化因子、赫尔希与蔡斯的实验，以及一个基因一种酶假说。接着讲到双螺旋（包括罗莎琳德·富兰克林的 X 射线照片）和中心法则，最后以一个关于遗传的进化框架作结，区分正选择与纯化选择及中性固定。

第2—4章：DNA 的结构；RNA 的多面性；蛋白质的结构与折叠

讨论分子本身。第2章从 DNA 的一级结构讲到三级结构，包括非常规的二级结构，并有关于 DNA 折纸和弗里德赖希共济失调中三螺旋 DNA 的专栏。第3章展示 RNA 功能的广泛性、RNA 的结构基序、RNA 催化作用的发现、RNA 世界以及以 RNA 为基础的基因组（附有关于新发病毒病原体的 Disease 专栏）。第4章讨论氨基酸与遗传密码、三维结构、蛋白质活性的调节以及折叠与错误折叠，以朊病毒为疾病实例。

第5章：基因组的组织与进化

讨论不同生物的基因组有何差异，真核生物 DNA 如何包装成染色质，真核基因组中大量的非编码部分，基因水平转移，以及原核生物和病毒基因组的组织，并以线粒体 DNA 疾病为例。

第6—7章：DNA 复制与端粒维持；DNA 修复途径

第6章从早期对细菌 DNA 复制的认识讲起，经过 DNA 聚合酶、细菌和真核生物的复制体，一直到环状 DNA 的其他复制方式和端粒酶；其 Disease 专栏讨论以拓扑异构酶为靶点的抗癌药物和先天性角化不良。第7章对突变和 DNA 损伤进行分类，然后讨论跨损伤合成、直接修复、单碱基改变和结构畸变的修复，以及双链断裂修复；疾病实例为遗传性结直肠癌和乳腺癌综合征以及着色性干皮病。

第8—9章：细菌的转录；真核生物的转录

第8章讨论细菌转录的机制、作为基因调控经典模型的 lac 操纵子、转录调控因子的作用方式、RNA 介导的调控以及基因调控网络。第9章是全书最长的章节之一，讨论真核生物的调控元件、通用转录机器、特异性转录因子、共激活因子与共抑制因子（附有一个追问"是否存在组蛋白密码"的 Focus 专栏）、转录复合物组装的模型，以及转录因子受调控的入核和出核运输。

第10章：表观遗传机制

表观遗传标记（DNA 甲基化、CpG 岛、组蛋白修饰）、基因组印记、X 染色体失活、转座元件的表观遗传控制（从芭芭拉·麦克林托克的玉米研究讲起）、表观遗传与营养遗产（包括跨代遗传是否在人类中发生），以及等位基因排斥。Disease 专栏涉及癌症、脆性 X 综合征、印记相关疾病和锥虫病。

第11—12章：RNA 加工与转录后基因调控；翻译的机制

第11章从断裂基因的发现讲起，经过剪接机制、加帽与多聚腺苷酸化、可变剪接和 RNA 编辑，一直到 RNA 干扰、微 RNA 以及 RNA 的降解。第12章讨论核糖体的结构与组装、氨酰 tRNA 合成酶、起始、延伸（包括证明核糖体 RNA 是催化剂的证据）、终止以及翻译调控。

第13—14章：重组 DNA 技术与转基因生物；分析基因组织、表达与功能的工具

两章方法章节。第13章从重组 DNA 的起源讲起，经过克隆、文库、限制性酶切图谱和 DNA 测序（从桑格法到二代测序），一直到转基因小鼠和基因敲除小鼠、CRISPR–Cas 基因编辑、基因驱动以及核移植克隆。第14章讨论 DNA 分型、基因组学与蛋白质组学、全基因组测序、报告基因、转录组学、蛋白质组学、核酸–蛋白质和蛋白质–蛋白质相互作用的检测方法，以及包括冷冻电镜在内的结构分析方法。全书大部分 Tool 专栏都集中在这两章。

第15章：医学分子生物学

全书以医学应用作结：基因组医学（全基因组关联研究、SNP 与结构变异、基因多态性与行为、人类微生物组）、癌症的分子生物学（癌基因、抑癌基因、非编码 RNA、染色体重排、病毒与化学致癌物），以及基因治疗，包括首例基因治疗死亡事件和囊性纤维化的基因治疗。

核心概念

第1—5章：分子与基因组

• 中心法则：信息从 DNA 流向 RNA 再流向蛋白质，也有逆转录和非编码 RNA 等例外。
• 核酸结构的层次：DNA 的一级、二级和三级结构以及 RNA 的结构基序。
• 核酶与 RNA 世界：RNA 作为催化剂，以及早期生命依赖 RNA 的假说。
• 蛋白质折叠与错误折叠：蛋白质如何形成有功能的构象，以及折叠失败时导致的疾病。
• 染色质与基因组组织：真核 DNA 的包装方式以及基因组内容的进化。

第6—7章：基因组的维护

• 复制体：在细菌和真核生物中复制 DNA 的多蛋白机器。
• 端粒酶：维持染色体末端的酶。
• DNA 修复途径：跨损伤合成、直接修复、切除修复和双链断裂修复。

第8—12章：基因表达及其调控

• 操纵子：细菌中协同调控的基因单位，以 lac 为代表。
• 转录因子、共激活因子与共抑制因子：控制真核生物转录的蛋白质。
• 表观遗传调控：通过 DNA 甲基化和染色质对基因表达进行的可遗传控制，包括印记和 X 失活。
• 可变剪接与 RNA 干扰：在转录后控制基因产物的方式。
• 作为核酶的核糖体：由核糖体 RNA 催化的肽键形成。

第13—15章：工具与医学

• 重组 DNA 与克隆：切割、连接和扩增 DNA 分子。
• CRISPR–Cas 基因编辑：把细菌的免疫系统改造用于定向修改基因组。
• "组学"与系统生物学：在基因组、转录组和蛋白质组整体层面上的分析。
• 癌基因与抑癌基因：其激活或失活会导致癌症的基因。

评析

优点

• 围绕发现组织内容。 出版社强调发现的过程，目录也印证了这一点：各节常常从揭示某一机制的实验讲起（转化因子、对 DNA 复制的早期认识、断裂基因、证明 rRNA 构成核糖体活性中心的证据、麦克林托克的玉米研究），多数章节以要求学生解读结果的"真实数据"题结束。
• 疾病与方法成为不可分割的部分。 Disease 专栏几乎出现在每一章，把分子机制与着色性干皮病、脆性 X 综合征、脊髓性肌萎缩症等疾病联系起来。Tool 专栏和两整章方法内容（第13—14章）为直到 CRISPR 和冷冻电镜的实验技术提供了实用的基础。
• 原核生物与真核生物的比较。 出版社强调了原核生物与真核生物的比较，目录中复制、转录和基因组组织也都对二者分别作了讨论。
• 第三版内容新近。 2021年版涵盖 CRISPR–Cas 编辑、基因驱动、二代测序与原位方法、BioID 以及冷冻电镜。

局限

• 并不紧凑。 虽然出版社称其内容经过选择，但全书约816页，第9、13、14章等长章节内容密集。这是一本支撑完整课程的教材，而不是简短的入门读物。
• 章末学习辅助不均衡。 根据目录，第7章和第15章没有列出章末小结，两章方法章节第13章和第14章也没有发现题和真实数据题，学习辅助设计并不统一。
• 需要一定的生物学基础。 开篇一章把经典遗传学作为历史背景快速回顾，随即转入分子细节。没有修过普通生物学或遗传学的学生可能会觉得节奏偏快。

在课程中的定位

在本课程中，阿利森的这本书是第一门完整的分子生物学课程的主要本科教材。在它之前，迪万和罗伊兹的《Molecular Biology: A Very Short Introduction》简要而非专业地概述了这一领域的历史和分子。与它并读或在其后，有两本教材从另一个角度讲授同样的核心内容：沃森等人的《Molecular Biology of the Gene》在讨论核酸、基因组维护和基因调控时注重实验方法；克雷格等人的《Molecular Biology: Principles of Genome Function》以基因组为中心组织内容，同样把细菌、古菌和真核生物并列讨论。

在更高阶段的学习中，《Lewin's Genes》全面讨论基因的结构、组织和表达；兹拉塔诺娃的《Molecular Biology: Structure and Dynamics of Genomes and Proteomes》则通过分子结构和单分子实验来解释同样的过程。

如何使用本书

本书面向修读分子生物学入门课程的本科生，这门课通常在普通生物学和一定的化学课程之后修读。事先修过遗传学或细胞生物学，会更容易跟上前面几章的节奏。

一学期的建议计划：

• 核心： 第1—4章（背景与分子）、第6章（复制）、第8—9章（转录）、第11—12章（RNA 加工与翻译），它们深入讲解中心法则。
• 第二层次： 第5、7、10章（基因组组织、修复、表观遗传学），时间允许时纳入；第10章与当前研究尤其相关。
• 方法： 把第13—14章作为配合实验课的参考，在某项技术首次出现于前面章节时阅读相应的 Tool 专栏。
• 应用： 第15章适合放在最后几周或用于课题研究。

认真完成每章末尾的分析题，并在真实数据题上多花时间，这类题训练的是读懂实验而不是背诵结论。把 Disease 专栏当作检验题：对每一个专栏，用本章刚刚讲过的机制来解释其中的缺陷。利用各章的参考文献查找关键实验的原始论文。