Fundamental Molecular Biology（分子生物學基礎）

引用

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

章節概要

第三版共十五章，約816頁，之後是附錄、約五十頁的術語表和索引，並配有配套網站。出版社稱本書對分子生物學入門課程的核心主題作了"有選擇而精確的處理"，圍繞發現的過程（觀察、問題、實驗設計、結果和結論）以及分子生物學的語言來組織。每章以提綱開頭；多數章節以章末小結、分析題、發現題和"真實資料"題結束，之後附有參考文獻。貫穿全書的有三類專欄：討論實驗策略和更廣泛問題的 Focus 專欄，介紹實驗方法的 Tool 專欄，以及把分子機制放到臨床背景中的 Disease 專欄。

第1章：分子生物學的開端

以歷史開篇。本章在界定這一領域之後，追溯證明 DNA 是遺傳物質的證據：孟德爾定律、染色體學說、轉化因子、赫爾希與蔡斯的實驗，以及一個基因一種酵素假說。接著講到雙螺旋（包括羅莎琳德·富蘭克林的 X 射線照片）和中心法則，最後以一個關於遺傳的演化框架作結，區分正選擇與純化選擇及中性固定。

第2—4章：DNA 的結構；RNA 的多面性；蛋白質的結構與摺疊

討論分子本身。第2章從 DNA 的一級結構講到三級結構，包括非常規的二級結構，並有關於 DNA 摺紙和弗裡德萊許共濟失調中三螺旋 DNA 的專欄。第3章展示 RNA 功能的廣泛性、RNA 的結構基序、RNA 催化作用的發現、RNA 世界以及以 RNA 為基礎的基因組（附有關於新發病毒病原體的 Disease 專欄）。第4章討論胺基酸與遺傳密碼、三維結構、蛋白質活性的調節以及摺疊與錯誤摺疊，以普利昂蛋白為疾病實例。

第5章：基因組的組織與演化

討論不同生物的基因組有何差異，真核生物 DNA 如何包裝成染色質，真核基因組中大量的非編碼部分，基因水平轉移，以及原核生物和病毒基因組的組織，並以線粒體 DNA 疾病為例。

第6—7章：DNA 複製與端粒維持；DNA 修復途徑

第6章從早期對細菌 DNA 複製的認識講起，經過 DNA 聚合酵素、細菌和真核生物的複製體，一直到環狀 DNA 的其他複製方式和端粒酵素；其 Disease 專欄討論以拓撲異構酵素為靶點的抗癌藥物和先天性角化不良。第7章對突變和 DNA 損傷進行分類，然後討論跨損傷合成、直接修復、單鹼基改變和結構畸變的修復，以及雙鏈斷裂修復；疾病實例為遺傳性結直腸癌和乳腺癌症候群以及著色性乾皮症。

第8—9章：細菌的轉錄；真核生物的轉錄

第8章討論細菌轉錄的機制、作為基因調控經典模型的 lac 操縱子、轉錄調控因子的作用方式、RNA 介導的調控以及基因調控網路。第9章是全書最長的章節之一，討論真核生物的調控元件、通用轉錄機器、特異性轉錄因子、共啟用因子與共抑制因子（附有一個追問"是否存在組蛋白密碼"的 Focus 專欄）、轉錄複合物組裝的模型，以及轉錄因子受調控的入核和出核運輸。

第10章：表觀遺傳機制

表觀遺傳標記（DNA 甲基化、CpG 島、組蛋白修飾）、基因組印記、X 染色體失活、轉座元件的表觀遺傳控制（從芭芭拉·麥克林托克的玉米研究講起）、表觀遺傳與營養遺產（包括跨代遺傳是否在人類中發生），以及等位基因排斥。Disease 專欄涉及癌症、X 染色體脆折症、印記相關疾病和錐蟲病。

第11—12章：RNA 加工與轉錄後基因調控；翻譯的機制

第11章從斷裂基因的發現講起，經過剪接機制、加帽與多聚腺苷酸化、可變剪接和 RNA 編輯，一直到 RNA 干擾、微 RNA 以及 RNA 的降解。第12章討論核糖體的結構與組裝、氨醯 tRNA 合成酵素、起始、延伸（包括證明核糖體 RNA 是催化劑的證據）、終止以及翻譯調控。

第13—14章：重組 DNA 技術與轉基因生物；分析基因組織、表達與功能的工具

兩章方法章節。第13章從重組 DNA 的起源講起，經過選殖、基因庫、限制酶圖譜和 DNA 定序（從桑格法到二代定序），一直到轉基因小鼠和基因敲除小鼠、CRISPR–Cas 基因編輯、基因驅動以及核移植選殖。第14章討論 DNA 分型、基因組學與蛋白質組學、全基因組定序、報告基因、轉錄組學、蛋白質組學、核酸–蛋白質和蛋白質–蛋白質相互作用的檢測方法，以及包括冷凍電鏡在內的結構分析方法。全書大部分 Tool 專欄都集中在這兩章。

第15章：醫學分子生物學

全書以醫學應用作結：基因組醫學（全基因組關聯研究、SNP 與結構變異、基因多型性與行為、人類微生物組）、癌症的分子生物學（癌基因、抑癌基因、非編碼 RNA、染色體重排、病毒與化學致癌物），以及基因治療，包括首例基因治療死亡事件和囊性纖維化的基因治療。

核心概念

第1—5章：分子與基因組

• 中心法則：資訊從 DNA 流向 RNA 再流向蛋白質，也有逆轉錄和非編碼 RNA 等例外。
• 核酸結構的層次：DNA 的一級、二級和三級結構以及 RNA 的結構基序。
• 核酵素與 RNA 世界：RNA 作為催化劑，以及早期生命依賴 RNA 的假說。
• 蛋白質摺疊與錯誤摺疊：蛋白質如何形成有功能的構象，以及摺疊失敗時導致的疾病。
• 染色質與基因組組織：真核 DNA 的包裝方式以及基因組內容的演化。

第6—7章：基因組的維護

• 複製體：在細菌和真核生物中複製 DNA 的多蛋白機器。
• 端粒酵素：維持染色體末端的酵素。
• DNA 修復途徑：跨損傷合成、直接修復、切除修復和雙鏈斷裂修復。

第8—12章：基因表達及其調控

• 操縱子：細菌中協同調控的基因單位，以 lac 為代表。
• 轉錄因子、共啟用因子與共抑制因子：控制真核生物轉錄的蛋白質。
• 表觀遺傳調控：透過 DNA 甲基化和染色質對基因表達進行的可遺傳控制，包括印記和 X 失活。
• 可變剪接與 RNA 干擾：在轉錄後控制基因產物的方式。
• 作為核酵素的核糖體：由核糖體 RNA 催化的肽鍵形成。

第13—15章：工具與醫學

• 重組 DNA 與選殖：切割、連接和擴增 DNA 分子。
• CRISPR–Cas 基因編輯：把細菌的免疫系統改造用於定向修改基因組。
• "組學"與系統生物學：在基因組、轉錄組和蛋白質組整體層面上的分析。
• 癌基因與抑癌基因：其啟用或失活會導致癌症的基因。

評析

優點

• 圍繞發現組織內容。 出版社強調發現的過程，目錄也印證了這一點：各節常常從揭示某一機制的實驗講起（轉化因子、對 DNA 複製的早期認識、斷裂基因、證明 rRNA 構成核糖體活性中心的證據、麥克林托克的玉米研究），多數章節以要求學生解讀結果的"真實資料"題結束。
• 疾病與方法成為不可分割的部分。 Disease 專欄幾乎出現在每一章，把分子機制與著色性乾皮症、X 染色體脆折症、脊髓性肌萎縮症等疾病連結起來。Tool 專欄和兩整章方法內容（第13—14章）為直到 CRISPR 和冷凍電鏡的實驗技術提供了實用的基礎。
• 原核生物與真核生物的比較。 出版社強調了原核生物與真核生物的比較，目錄中複製、轉錄和基因組組織也都對二者分別作了討論。
• 第三版內容新近。 2021年版涵蓋 CRISPR–Cas 編輯、基因驅動、二代定序與原位方法、BioID 以及冷凍電鏡。

局限

• 並不緊湊。 雖然出版社稱其內容經過選擇，但全書約816頁，第9、13、14章等長章節內容密集。這是一本支撐完整課程的教材，而不是簡短的入門讀物。
• 章末學習輔助不均衡。 根據目錄，第7章和第15章沒有列出章末小結，兩章方法章節第13章和第14章也沒有發現題和真實資料題，學習輔助設計並不統一。
• 需要一定的生物學基礎。 開篇一章把經典遺傳學作為歷史背景快速回顧，隨即轉入分子細節。沒有修過普通生物學或遺傳學的學生可能會覺得節奏偏快。

在課程中的定位

在本課程中，阿利森的這本書是第一門完整的分子生物學課程的主要本科教材。在它之前，迪萬和羅伊茲的《Molecular Biology: A Very Short Introduction》簡要而非專業地概述了這一領域的歷史和分子。與它並讀或在其後，有兩本教材從另一個角度講授同樣的核心內容：沃森等人的《Molecular Biology of the Gene》在討論核酸、基因組維護和基因調控時注重實驗方法；克雷格等人的《Molecular Biology: Principles of Genome Function》以基因組為中心組織內容，同樣把細菌、古菌和真核生物並列討論。

在更高階段的學習中，《Lewin's Genes》全面討論基因的結構、組織和表達；茲拉塔諾娃的《Molecular Biology: Structure and Dynamics of Genomes and Proteomes》則透過分子結構和單分子實驗來解釋同樣的過程。

如何使用本書

本書面向修讀分子生物學入門課程的大學部學生，這門課通常在普通生物學和一定的化學課程之後修讀。事先修過遺傳學或細胞生物學，會更容易跟上前面幾章的節奏。

一學期的建議計畫：

• 核心： 第1—4章（背景與分子）、第6章（複製）、第8—9章（轉錄）、第11—12章（RNA 加工與翻譯），它們深入講解中心法則。
• 第二層次： 第5、7、10章（基因組組織、修復、表觀遺傳學），時間允許時納入；第10章與當前研究尤其相關。
• 方法： 把第13—14章作為配合實驗課的參考，在某項技術首次出現於前面章節時閱讀相應的 Tool 專欄。
• 應用： 第15章適合放在最後幾週或用於課題研究。

認真完成每章末尾的分析題，並在真實資料題上多花時間，這類題訓練的是讀懂實驗而不是背誦結論。把 Disease 專欄當作檢驗題：對每一個專欄，用本章剛剛講過的機制來解釋其中的缺陷。利用各章的參考文獻查詢關鍵實驗的原始論文。