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第一部分 基础篇1

第一章 DNA结构和基因表现3

1.1 DNA、RNA和多肽之基本结构与化学键结4

1.1.1 DNA、RNA和多肽是由简单的重复单元经线性排列后形成的大型聚合物4

1.1.2 共价键提供稳定性；较弱的非共价键则有利于分子间之结合，并可稳定整体结构6

1.2 DNA的结构和复制8

1.2.1 DNA结构为反向平行之双股螺旋8

Box 1.1 范例—核酸和蛋白质中氢键的重要性10

1.2.2 DNA复制为半保留机制，且DNA股的合成是半断续的10

1.2.3 哺乳类细胞的DNA复制机制更为复杂10

Box 1.2 DNA复制过程中参与的主要蛋白质12

1.2.4 病毒基因体多为RNA而非DNA13

1.3 RNA转录与基因表现13

1.3.1 细胞遗传讯息之传递几为单一方向：DNA→RNA→蛋白质13

1.3.2 在复杂生物中只有少数DNA会表现出蛋白质或RNA产物15

1.3.3 DNA片段（基因）将遗传讯息转录为RNA之过程16

1.3.4 真核生物之基因表现需要顺式与反式调控作用17

1.3.5 组织专一性之基因表现与某些特定基因被选择性活化有关19

1.4 RNA剪接19

1.4.1 RNA剪接乃由初级转录体中移去非必要之RNA序列19

1.4.2 第二型RNA聚合酶所转录的RNA其5＇和3＇端大多会被加入特定的核苷酸22

1.5 转译、转译后加工和蛋白质结构23

1.5.1 mRNA于核醣体发生转译作用并合成多肽23

1.5.2 遗传密码具有简并性但并非普及性密码25

1.5.3 转译后阶段的修饰作用，包括某些胺基酸的化学修饰及多肽剪切26

1.5.4 蛋白质分泌与细胞间传送乃受特定之定位讯息或化学修饰作用所控制29

1.5.5 蛋白质结构充满变化不易由胺基酸序列来预测29

第二章 染色体的结构和功能33

2.1 染色体套数与细胞周期34

2.2 染色体的结构和功能34

2.2.1 将DNA堆叠成染色体需要有多层次的DNA摺叠体系35

2.2.2 在间期的细胞核里，每个染色体各自占有不互相重叠的领域35

2.2.3 染色体如同具有功能的胞器：中节的枢钮角色36

Box 2.1 有丝分裂的纺缍体及其组成37

2.2.4 染色体如同具有功能的胞器：复制起点38

2.2.5 染色体如同具有功能的胞器：端粒39

2.2.6 异染色质及真染色质40

2.3 细胞分裂的两种形式：有丝分裂和减数分裂40

2.3.1 有丝分裂是细胞分裂的一般形式40

2.3.2 减数分裂是特殊形式的细胞分裂—形成精子与卵细胞41

2.3.3 X-Y配对与假体染色体区域44

2.4 研究人类的染色体44

2.4.1 有丝分裂染色体可以在任何分裂的细胞中发现，但却很难去研究人类细胞的减数分裂染色体44

Box 2.2 染色体带纹48

2.4.2 分子细胞遗传学：染色体FISH48

Box 2.3 人类染色体的命名49

2.4.3 染色体涂色法，分子核型鉴定与比较基因体杂合反应49

2.5 染色体异常51

2.5.1 染色体异常的种类51

2.5.2 染色体数量异常通常牵涉到获得或遗失整条的染色体52

Box 2.4 染色体异常的命名53

2.5.3 结构性染色体异常起因于染色体断裂的错误修复或是重组系统的失常54

2.5.4 若亲代来源错误，虽然染色体看似正常，亦会造成疾病57

第三章 细胞与发育59

3.1 细胞的结构与多样性60

3.1.1 原核和真核生物代表细胞生命形式基本区隔60

3.1.2 细胞的大小与形状可以是非常多样的，但扩散速率固定了某些上限61

3.1.3 多细胞生物的体细胞与生殖系细胞有基本的区别61

Box 3.1 动物细胞的内部构造62

Box 3.2 细胞骨架：维持细胞运动和细胞外型所必须，为细胞内传输的主要架构64

3.1.4 多细胞生物体内的细胞之间，不一定带有相同的DNA序列64

3.1.5 可以在培养环境中或是原位研究多细胞生物的细胞65

3.2 细胞交互作用66

3.2.1 细胞间的沟通靠特殊的受体来接受讯息分子66

3.2.2 受体活化后启动讯息传导路径，包括酵素梯瀑或第二讯息分子，最后导致转录因子的活化或抑制67

3.2.3 细胞要产生组织的结构，必须具有附著能力70

3.2.4 细胞间质为身体中所有组织提供了一个基架，也可作为一个控制细胞行为的重要讯息来源70

3.3 发育总览71

3.4 在发育过程中的细胞特化72

3.4.1 细胞特化包含了一连串不可逆的阶层式决策72

Box 3.3 研究胚胎发育的动物模式73

3.4.2 细胞的起源背景和处境将决定其未来能选择的运途73

Box 3.4 人类双胞胎74

3.4.3 干细胞是自我更新的前驱细胞74

Box 3.5 人体组织的来源-哺乳动物的发育阶层75

Box 3.6 人类细胞的多样性76

3.4.4 目前已发现多种组织干细胞存在，但仍有许多未解之谜77

3.4.5 胚胎干细胞有形成任何组织的潜力78

3.4.6 组织干细胞分化的潜能至今仍是争论不休的研究主题79

3.5 发育过程的体态形成79

3.5.1 身体计画的出现需仰赖主轴的特化与极化80

3.5.2 同位突变揭开了定位的分子基础80

3.5.3 体态形成通常依赖于讯息梯度80

3.6 型态发生81

3.6.1 细胞形状和大小的改变可驱动型态发生历程81

Box 3.7 哺乳动物胚胎的偏极化-讯息传递及基因产物82

3.6.2 胚胎中主要型态发生的变化导因于不同的细胞亲附性82

3.6.3 细胞增殖和计画性的细胞死亡（细胞凋零，apoptosis）都是重要的型态发生机制85

3.7 人类胚胎的早期发生过程：从受精到原肠形成86

3.7.1 受精作用使卵活化，精子和卵的细胞核融合而形成独特的个体86

3.7.2 卵裂将受精卵分割成许多较小的细胞87

3.7.3 哺乳动物早期胚胎组成中，只有一小部分的细胞用以形成新个体88

3.7.4 著床88

3.7.5 原肠形成是个动态的过程，上胚叶的细胞在此阶段将形成三个胚层88

Box 3.8 胚外膜和胎盘89

Box 3.9 性别决定：发育中的基因和环境的作用93

3.8 神经发育94

3.8.1 外胚层受到其下的中胚层诱发后，开始发育为神经系统94

3.8.2 神经管的体态形成包含了两轴向的基因协调的表现94

3.8.3 神经分化包括许多转录因子作用方式的组合95

3.9 发育路径的保守性97

3.9.1 很多人类的疾病是在发育的过程失误所引起97

3.9.2 发育过程在单一基因层次及完整路径层次皆具高度保守性98

第四章 家族与族群中的基因101

4.1 单基因与多因子遗传的比较102

4.2 孟德尔式家谱谱系型102

4.2.1 显性和隐性是性状的性质而非基因的性质102

4.2.2 五种基本的孟德尔式家谱谱系型102

Box 4.1 各种孟德尔式遗传模式的特性104

4.2.3 遗传模式很少能在单一的族谱中被毫无疑虑地定义清楚104

4.2.4 一个基因对应一个酵素并不代表一个基因会对应一种症状105

4.2.5 粒线体的遗传提供了可识别的母系家谱谱系106

Box 4.2 使用互补测验检定两个隐性性状是否由同一对偶基因决定106

4.3 基本孟德尔式家谱谱系型的复杂化106

4.3.1 常见的隐性情况可能呈现假性显性的家谱谱系106

4.3.2 未能成功地显露显性情况称为非外显性106

4.3.3 许多情况显示基因表现的差异107

4.3.4 铭印性基因的表现与否取决于遗传自父母哪一方109

4.3.5 男性致死率使得X-连锁家谱系复杂化109

4.3.6 新的突变通常使得家谱的解释变得复杂，并且会导致染色体镶嵌型109

4.4 多因子性状的遗传学：多基因性的阀值理论111

4.4.1 一些历史背景111

4.4.2 量化性状的多基因理论112

Box 4.3 关于趋向期望值的回归的两个常见的误解114

Box 4.4 变异数的划分115

4.4.3 非连续性性状的多基因理论115

4.4.4 利用经验风险做非孟德尔式遗传情形的谘询116

4.5 影响基因频率的因素117

4.5.1 在基因频率和基因型频率之间可以有一个简单的关系117

4.5.2 基因型频率能够被用来计算突变率（但要非常谨慎）117

Box 4.5 在哈温平衡下，相对于对偶基因频率为p（A1）和q（A2）的基因型频率117

Box 4.6 哈温平衡可以用来估算带原者频率与谘询上的简单风险评估（必须谨慎地使用）118

Box 4.7 突变与天择之间的平衡118

4.5.3 异型合子优势在决定隐性疾病的频率上，可能比一再发生的突变更重要118

Box 4.8 囊胞性纤维症（CF）的异型合子具天择优势119

第五章 DNA扩增：PCR与基因选殖121

5.1 基因选殖之重要性122

5.2 PCR：基本特征与应用123

5.2.1 PCR和RT-PCR的基本原理123

Box 5.1 PCR相关词汇124

5.2.2 PCR的二个主要缺点：短片段和低产量125

5.2.3 PCR的一般应用127

5.2.4 有些PCR反应被设计来扩增多种产物及扩增先前未确认的序列128

5.3 细胞基因选殖的原理129

5.3.1 细胞基因选殖概观129

Box 5.2 限制内切核酸酶和修饰-限制系统129

5.3.2 限制内切核酸酶可将目标DNA切割为特定大小片段，并与载体分子中相符的切割130

位置接合130

5.3.3 将重组DNA殖入接受细胞能使复杂的DNA初始族群化繁为简133

5.3.4 基因库为复杂之起始DNA族群中所有DNA单株的集合133

5.3.5 含重组DNA菌落之筛选135

Box 5.3 无意义抑制子突变138

Box 5.4 序列标签位置之重要性138

5.4 扩增不同长度片段的选殖系统138

5.4.1 利用标准的质体为载体是在细菌（及简单真核细胞）中殖入小片段DNA的简便方法139

5.4.2 利用λ噬菌体和cosmid为载体是在细菌中殖入中长片段DNA的有效方法140

5.4.3 利用噬菌体P1和F因子质体为载体可在细菌细胞中殖入大片段DNA142

5.4.4 可殖入数百万硷基片段的酵母菌人工染色体（YACs）143

5.5 制造单股和突变DNA的选殖系统144

5.5.1 利用M13或噬菌质体载体或线性PCR扩增可得到DNA定序中所使用的单股DNA144

5.5.2 寡核苷酸错配突变可在任何转殖基因上产生预计的单核苷酸改变146

5.5.3 以PCR进行基因突变的方法包括将想要的序列或化学官能基与目标序列结合以及定点突变146

5.6 表现基因的选殖系统147

5.6.1 在细菌细胞中可利用基因表现选殖系统来制造大量蛋白质147

5.6.2 噬菌体呈现是一种将蛋白质表现于细菌细胞表面的表现选殖形式150

5.6.3 真核基因唯有在真核细胞株中表现才能显现较高的准确度150

Box 5.5 将基因转殖至动物培养细胞152

第六章 核酸杂合：原理与应用155

6.1 核酸探针的制备156

6.1.1 在合成过程中并入修饰的核苷酸，很简单地就能在试管内标定核酸156

6.1.2 核酸可用同位素和非同位素方法进行标定157

Box 6.1 自动放射性显影的原理159

6.2 核酸杂合的原理161

6.2.1 核酸杂合是用来辨识二个核酸混合物中是否有高度相关分子存在的方法161

Box 6.2 萤光标定和侦测系统165

6.2.2 DNA复性的动力学取决于DNA产物浓度和时间（C？t）164

Box 6.3 核酸杂合的专有词汇（个别方法请见Box 6.4）166

6.2.3 核酸杂合分析已发展为许多不同形式的应用方法167

6.3 使用选殖的DNA作为探针，以筛选出非经选殖的核酸族群之核酸杂合分析168

6.3.1 点墨杂合法，一种快速筛选法，常做为对偶基因专一性寡核苷酸探针168

Box 6.4 标准和反向核酸杂合分析法169

6.3.2 核酸分子经胶体电泳依其分子大小排列后的核酸杂合检测方法：南方和北方点墨杂合法169

6.3.3 使用脉冲式胶体电泳法扩展南方杂合法可适用于侦测很大的DNA分子171

6.3.4 原位杂合反应，是以探针与变性的染色体DNA或与组织切片上的RNA进行杂合反应172

6.4 使用选殖的目标DNA和微阵列技术的杂合分析174

6.4.1 以杂合反应筛选个别细菌选殖株和溶菌斑的菌落墨点法与溶菌斑提取法174

6.4.2 转形细胞株或DNA选殖株点置为高密度网格阵列，可大幅提升DNA序列库筛选的效能175

6.4.3 DNA微阵列技术将核酸杂合法的威力极致发挥175

第七章 分析DNA和基因结构、变异和表现181

7.1 DNA定序和基因型鉴定182

7.1.1 标准DNA定序需使用硷基专一性双去氧核苷酸链之终止子来催化DNA之合成182

Box 7.1 制造单股DNA定序模版182

7.1.2 自动化DNA定序以及利用微阵列重新定序183

7.1.3 限制位点多型性之基本基因型鉴定与不同数目的串联重复序列多型性183

7.2 鉴定选殖株DNA中之基因并建立结构186

Box 7.2 适用简单基因型鉴定方法的常见DNA多型性类别187

7.2.1 外显子捕捉利用人工RNA剪接分析来辨识基因外显子187

7.2.2 cDNA筛选可利用形成异质双股螺旋，辨识基因体选殖株中的表现序列188

7.2.3 取得全长cDNA序列：重叠选殖株组，以及RACE-PCR扩增188

7.2.4 绘制转录起始点图谱和定义外显子-内含子边界189

7.3 研究基因表现190

7.3.1 基因表现筛选的原则190

Box 7.3 同源资料库搜寻192

7.3.2 利用杂合的基因表现分析：从单一基因分析到对全基因体之基因表现筛选193

7.3.3 利用PCR的基因表现分析：RT-PCR和mRNA差异性表现197

7.3.4 蛋白质表现筛选通常使用高度专一性的抗体198

Box 7.4 获得抗体200

7.3.5 自动萤光蛋白质标签可有效追踪蛋白质于次细胞中的位置202

第二部分 人类基因体以及与其他基因体的关系205

第八章 基因体计画和模式生物207

8.1 基因体计画的重要性208

8.1.1 基因体计画为研究内在宇宙准备有系统的研究模式208

8.1.2 预期中，基因体计画对医学和科学将有极大的益处208

Box 8.1 基因体词汇表209

8.2 人类基因体计画的背景和组织210

8.2.1 基因多型性和基因选殖新技术为定序我们的基因做准备210

8.2.2 人类基因体计画主要透过高效定序能力的大型基因体中心来执行210

8.3 人类基因体是如何制成图谱和定序212

8.3.1 第一个实用的人类遗传图谱是以微卫星体标记为基础所建立的212

Box 8.2 人类基因和DNA片段的命名法212

Box 8.3 定序及绘制人类基因体图谱中的重要里程碑213

8.3.2 人类基因体的第一个高解析度实体图谱是依据大片段选殖株连续区段以及STS标址213

Box 8.4 融合细胞图谱绘制215

8.3.3 人类基因体计画最后阶段的成败，关键在于BAC/PAC选殖株的连续序列217

Box 8.5 透过建立选殖株的连续序列绘制实体图谱218

8.3.4 第一个高密度的人类基因图谱基于ETS而产生220

Box 8.6 基因体计画的相互合作、竞争和争论220

8.3.5 人类基因体序列草稿推测约有30，000至35，000人类基因，但是很难得知精准的数目221

8.3.6 人类基因体计画的最后的阶段：基因注解和基因本体论224

8.3.7 人类基因体序列变异的研究分析对人类学和医学研究非常重要225

8.3.8 若是没有适当的预防措施，基因体计画将导致疾病基因携带者受到歧视，及优生论的复辟225

8.4 模式生物的基因体计画226

8.4.1 原核生物基因体计画存在极大的歧异性226

8.4.2 酵母菌基因体计画是第一个成功的原生生物基因体计画226

Box 8.7 单细胞生物模式227

8.4.3 线虫的基因体计画是第一个完成的动物基因体计画228

8.4.4 后生动物基因体计画主要集中于发育和疾病的模式物种229

Box 8.8 用以了解发育、疾病和基因功能之多细胞动物模式230

第九章 人类基因体的组成239

9.1 人类基因体的一般组成240

9.1.1 人类基因体概述240

9.1.2 粒线体基因体由带有高密度基因资讯的小环状DNA双股螺旋所组成241

Box 9.1 人类细胞中基因体复本数的变异242

Box 9.2 粒线体基因体的有限自主性243

9.1.3 细胞核基因体包含24种不同的DNA分子亦即为人类的24种不同染色体244

9.1.4 人类基因体中大约有30000-35000个不规则分散基因，但确切的数目尚未能确定245

Box 9.3 DNA甲基化和CPG岛246

9.2 人类RNA基因的组成、分布和功能247

9.2.1 大约有1200个人类基因转录为rRNA或tRNA，并组合为一个庞大的基因群集247

9.2.2 小核RNA和小核仁RNA大多是由分散的大基因家族所转录而成249

Box 9.4 真核细胞质内tRNAs反密码子专一性249

9.2.3 未来的挑战：了解MicroRNAs和其他新的调节RNAs在RNA中的功能250

9.3 人类多肽编码基因的组成、分布和功能253

9.3.1 人类基因长度与内部组成的多样化253

9.3.2 人类基因体中功能相似的基因偶尔会排列在一起，但大多是分散在不同的染色体上254

Box 9.5 人类基因体和人类基因的统计255

9.3.3 人类基因体中偶发的重叠基因、基因中的基因及多顺反子转录单元256

9.3.4 转译多肽基因家族可依家族成员中序列的相似程度和范围来加以分类257

9.3.5 人类基因家族中的基因可能形成小型丛集或分散于不同位置，或者二者兼具259

9.3.6 假基因、被中断的基因复本和常见于多基因家族中的基因片段262

9.3.7 人类蛋白质体分类已开始进行中但仍存在有许多功能未明的蛋白质265

9.4 串联重复的非编码DNA265

9.4.1 卫星DNA具有很长的串联重复序列，可用密度梯度离心法大量由DNA中分离出来265

9.4.2 迷你卫星DNA由些微复杂一点的串联重复序列组成，通常位于或靠近染色体端粒267

9.4.3 微卫星DNA由短而简单的串联重复序列组成，分散于整个人类基因体中268

9.5 分散式重复非编码DNA268

9.5.1 衍生自转位子之重复序列占基因体的40%以上，大多是经由RNA中介所形成268

9.5.2 有些LINE 1片段可活化转位作用及促进SINES、加工假基因和反转基因的转位作用270

9.5.3 人类基因体中Alu重复序列约每3 kb就出现一次以上，可提供正选择作用270

第十章 人类基因表现275

10.1 人类细胞基因表现综览276

Box 10.1 哺乳动物细胞中基因表现的空间与时间之限制276

10.2 藉反式作用蛋白质因子与DNA和RNA中顺式调控序列的结合来控制基因表现277

10.2.1 组织蛋白修饰和染色质重构可使DNA结合因子更容易接近染色质278

10.2.2 RNA聚合酶型一和型三转录时需要泛素转录因子279

10.2.3 第二型聚合酶的转录作用需要顺式作用调控序列和组织专一性转录因子的复合物组合280

10.2.4 转录因子含有可与DNA结合的保留性结构序列模组282

Box 10.2 参与多肽编码基因转录调控的顺式作用序列片段之类别283

10.2.5 因应外来刺激而产生不同的基因表现之转录调控机制285

10.2.6 基因表现的转译控制可包括RNA结合蛋白质对UTR调控序列的辨识288

10.3 替代性转录和基因加工291

10.3.1 替代性启动子的使用可以产生组织专一性异构物291

10.3.2 人类基因容易发生替代性剪接及替代性多腺苷酸化292

10.3.3 RNA编辑：RNA分子中的特定硷基转变一罕见的加工形式293

Box 10.3 替代性剪接可改变蛋白质的功能特性293

10.4 基因表现差异性：源于非对称性，并藉由基因外遗传机制（如DNA甲基化）永久巩固294

10.4.1 哺乳动物胚胎细胞中选择性的基因表现，最有可能是反应短距离内细胞与细胞间的讯息传导295

10.4.2 DNA甲基化是脊椎动物细胞中永久巩固基因表现的重要基因外遗传因子295

10.4.3 动物DNA甲基化可能提供对转位子的防御，以及对基因表现的调控297

10.5 基因表现的远距控制和铭印298

10.5.1 染色质结构对基因表现可能有远距离控制的效果298

10.5.2 基因簇集中个别基因的表现可能透过共通基因座控制区来协调299

10.5.3 有些人类基因选择性地表现二个亲代对偶基因中的其中一个300

10.5.4 基因体铭印与根据不同亲代来源所产生的对偶基因表现差异有关301

Box 10.4 人类细胞中造成双等位对偶基因只有单等位表现的机制302

Box 10.5 不对等的母系和父系基因组302

10.5.5 基因体铭印的机制并不清楚，但有一个关键因素为DNA甲基化303

10.5.6 哺乳动物中X染色体默化与超远距的顺式作用抑制基因表现有关305

10.6 Ig和TCR基因的独特组成和表现306

10.6.1 B细胞和T细胞内的DNA重组制造出编码Ig和TCR变异区域的细胞专一性外显子308

10.6.2 重链类型切换涉及单一VDJ外显子与替代性固定区转录单元的结合309

10.6.3 对偶基因和轻链排除产生单专一性的Igs和TCRs310

第十一章 人类基因体的不稳定性：突变和DNA修复315

11.1 突变、多型性、DNA修复总论316

11.2 简单突变316

11.2.1 DNA复制与修复过程之错误而引起的突变是常见的316

Box 11.1 基因遗传多型性与序列变异的类别317

11.2.2 每个硷基取代的频率并非随机发生，而是依据取代的种类318

11.2.3 编码和非编码DNA之突变的频率和种类不同318

Box 11.2 影响对偶基因族群频率的机制319

11.2.4 编码DNA中的硷基取代位置并非随机出现320

Box 11.3 在多肽编码DNA中单一硷基替换的类别321

11.2.5 突变速率在不同基因和不同基因组成之间极为不同322

11.2.6 不同染色体区域及不同种系的取代率极为不同323

Box 11.4 突变速率中的性别差异及雄性导向演化的问题326

11.3 重复序列间序列互换的遗传机制329

11.3.1 复制滑脱在短串联重复序列（微卫星；microsatellites）上形成VNTR多型性329

11.3.2 由于不相等互换或不相等姊妹染色体交换，较大的串联重复序列单元易发生插入/缺失329

11.3.3 串联重复序列中基因转换相当频繁329

11.4 致病性突变331

11.4.1 类原人中有高有害突变率332

11.4.2 粒线体基因体为致病性突变的热点333

11.4.3 多数剪接突变会改变正常剪接所需的保守性序列，但有些突变发生于非剪接所需之序列334

11.4.4 导致提早产生终止密码子的突变，通常造成不稳定的mRNA，亦可能有其他结果336

11.5 重复序列的致病潜力337

11.5.1 短串联重复序列的滑脱股造成错误配对易造成致病性缺失和读架平移插入337

11.5.2 短串联重复序列的不稳定扩张会引起各种疾病，但突变的机制仍是个谜337

11.5.3 串联重复序列和基因家族簇集可能造成致病性不相等互换及类似基因转换的事件339

11.5.4 分散式重复序列通常会先造成大的缺失与重复340

11.5.5 反向式重复序列间发生染色体内重组可产生致病性倒位342

11.5.6 DNA序列转位并非少见且会引发疾病343

11.6 DNA修复344

11.6.1 DNA修复通常包括将损害周围的一整段DNA切除并重新合成345

11.6.2 DNA修复系统与转录作用及重组机制享有共同的组成和过程345

11.6.3 对损害DNA的物质有著高度敏感，常是由于细胞对DNA损害的反应减弱，而非DNA修复有所缺陷347

第十二章 人类在演化树上的位置351

12.1 基因结构与重复基因的演化352

12.1.1 剪接体内含子可能源自于第二类内含子，其于早期的真核细胞中首次出现352

12.1.2 复杂基因可藉由基因内重复而演化，其中多半肇因于外显子重复352

Box 12.1 内含子的分类353

12.1.3 外显子重排可产生新的蛋白质功能模组组合353

12.1.4 在多细胞生物的演化过程中，基因重复扮演相当重要的角色354

12.1.5 球蛋白基因家族经基因重复、基因转换、和基因遗失/去活化等过程而演化354

Box 12.2 对称外显子与内含子之相位355

Box 12.3 基因重复机制及平行演化357

12.1.6 反转录转位是外显子重排的机制之一，对于基因演化具有重要的贡献360

12.2 染色体和基因体的演化361

12.2.1 粒线体基因体可能是演化自被真核细胞前身胞饮的原核细胞361

Box 12.4 演化树与水平基因移转362

12.2.2 选汰压减轻导致粒线体遗传密码的分歧363

12.2.3 脊椎动物基因体的演化可能和全基因体重复有关363

12.2.4 在哺乳类基因体的演化过程中，可能发生过相当多次大规模的染色体重组364

12.2.5 灵长类支系内发生的片段重复现象，与著丝点周围及次末端序列在演化上之不稳定性366

12.2.6 人类的X和Y染色体有一段区域具有同源序列，其中包含两者共有的伪体染色体区域367

12.2.7 人类的性染色体演化自体染色体，而定期的区域性重组抑制作用使性染色体逐渐分歧368

12.2.8 性染色体之分化使得Y染色体逐渐退化，X染色体也发生不活化现象371

12.3 分子系统发生学及比较基因体学372

12.3.1 分子系统发生学利用序列排比重建演化树372

12.3.2 新的电脑程式可以进行大规模以及全基因体序列之排比，有助于演化分析及辨认保守序列374

12.3.3 基因数目通常与生物复杂度成正比关系375

12.3.4 比较蛋白质体可以了解蛋白质逐渐特化的程度376

12.4 生而为人377

12.4.1 吾辈与鼠辈有何差异？378

12.4.2 人类与亲缘关系最近的巨猿有何不同？381

Box 12.5 常用之后生动物类群及词汇383

12.5 人类族群之演化385

12.5.1 遗传证据指出现代人类近期之起源来自非洲族群385

12.5.2 人类的遗传多样性低且大多来自族群内变异而非族群间变异387

Box 12.6 溯源分析389

第三部分 致病基因与突变的定位与辨识395

第十三章 孟德尔性质的基因图谱397

13.1 重组与未重组398

13.1.1 重组发生率可做为基因间距离之测量398

13.1.2 不论物理距离多远重组发生率不超过0.5398

13.1.3 图谱功能定义重组发生率与基因距离的关系399

13.1.4 交叉点的个数和图谱总长度399

13.1.5 物理与基因图谱：重组体的分布400

13.2 基因标记402

13.2.1 利用基因标记定位人类疾病基因图谱402

13.2.2 藉由异型合子或多型性讯息内容来测量标记的讯息含量402

Box 13.1 人类基因标记的建构过程403

13.2.3 DNA多型性是目前所有基因标记的基础403

Box 13.2 具讯息与不具讯息的减数分裂404

13.3 双点基因图谱404

13.3.1 在人类族谱中测得重组并不容易404

13.3.2 Lod score分析是研究复杂家族中孟德尔特性间连锁的最佳方法405

Box 13.3 计算图13.6中家族资料计算Lod score406

13.3.3 Lod score为＋3和-2是连锁分析中连锁与排除连锁的临界值（对单一检定而言）406

13.3.4 对整个基因组的搜寻需改用全基因体的显著性阈值406

13.4 多点图谱分析较双点图谱分析具有效率407

13.4.1 多点连锁分析可在标记架构下定位疾病基因位置407

13.4.2 标记架构图谱：CEPH家庭407

Box 13.4 贝氏方法计算连锁分析的阈值407

13.4.3 多点疾病与标记的基因图谱408

13.5 利用大家族与遗传单倍基因型建立细部基因图谱408

13.5.1 全等对偶基因型图谱可有效地找出有近亲联姻的大家庭中之隐性遗传疾病408

13.5.2 以高密度图谱分析对纤维囊肿及Nijmegen breakage syndrome鉴定遗传自共同祖先的片段409

13.6 标准Lod score分析并非完美411

13.6.1 基因型鉴定错误和诊断遗漏可能造成假的重组体411

13.6.2 运算上的困难限制了可分析的家族大小412

13.6.3 基因座的异质性常是人类基因图谱分析的陷阱413

13.6.4 减数分裂基因图谱有密度的限制413

13.6.5 不符合孟德尔性质的特征不适合用本章描述方法分析413

第十四章 寻找人类疾病基因415

14.1 寻找疾病基因的原则与策略416

14.2 无关位置策略在寻找疾病基因上的应用416

14.2.1 经由已知蛋白质产物来找出疾病基因416

14.2.2 透过动物模型找出疾病基因418

14.2.3 利用与无关位置的DNA序列资讯找出疾病基因418

14.3 位置选殖法418

14.3.1 第一步就是要尽可能地紧缩候选区域419

14.3.2 一个选殖株的连续序列必须透过候选区域来建立419

14.3.3 转录图谱定义了候选区域中所有的基因420

14.3.4 从候选区域得到的基因必须优先做突变检测421

Box 14.1 转录产物定址：以实验方法找出基因体选殖株中的表现序列，以补充资料库之不足421

14.3.5 特别适切的小鼠突变品系422

14.4 利用染色体的异常423

14.4.1 患者具有平衡的染色体异常却带有无法解释的表型，是最令人感兴趣的423

Box 14.2 绘制小鼠基因图谱423

14.4.2 同时具有两个孟德尔遗传疾病、或有一个孟德尔遗传疾病加上心智障碍的患者，或许会有染色体上的缺失425

Box 14.3 染色体异常的征兆426

Box 14.4 位置效应：辨识疾病基因的陷阱427

14.5 确认候选基因428

14.5.1 利用突变的筛选来确认候选基因428

Box 14.5 可用以检测次显微级的染色体不平衡之CGH428

14.5.2 一旦确认了候选基因，下一步要做的就是了解其功能429

14.6 以各种方法下找出疾病基因的八个实例429

14.6.1 直接透过染色体的异常来找出基因：Sotos症候群429

14.6.2 单纯以转录产物定址：Treacher Collins症候群430

14.6.3 大规模的定序与寻找同源序列：branchio-oto-renal症候群430

14.6.4 由功能来找出位置候选基因：视紫质与肌丝蛋白431

14.6.5 透过人类与小鼠图谱的比较找出定位候选基因：PAX3与瓦登伯格氏症候群431

14.6.6 由基因在体外的功能研究所得的推论：范可尼氏贫血431

14.6.7 由基因在活体内的功能而推论：myosin 15与DFNB3致聋基因431

14.6.8 由基因的表现模式推论：otoferlin432

第十五章 定位与鉴定基因所授予复杂疾病的易感性435

15.1 决定非孟德尔学派的特性是否具遗传性：家族研究，双胞胎研究和领养研究所扮演的角色436

15.1.1 λ值为测量家族分群的数值436

15.1.2 家族环境共享的重要性436

15.1.3 双胞胎研究蒙受许多限制436

15.1.4 领养研究：解开遗传基因和环境因子之谜的黄金标准437

15.2 透过分离分析可解析那些介于纯孟德尔和纯多基因之间的表现特征437

15.2.1 鉴取的偏差常是处理家族资料时的问题：例如体染色体隐性情况438

15.2.2 复杂分离分析，是用来估计家族资料库中混杂的遗传因子之常见方法438

15.3 复杂特性的连锁分析439

15.3.1 标准对数积分分析通常不适合用于非孟德尔特性439

Box 15.1 分离比率的校正439

15.3.2 无母数连锁分析不需要遗传模式440

15.3.3 家族中共享片段分析：患病手足对和患病家系成员分析441

15.3.4 显著性的阈值在分析复杂疾病时为一个重要的考量442

15.4 相关性研究和连锁不平衡442

15.4.1 为什么会发生相关性442

15.4.2 原则上相关性与连锁相当地不同，但是有家族和族群融合的地方，连锁和相关性亦会融合443

Box 15.2 连锁不平衡的测量443

15.4.3 许多研究显示连锁不平衡岛是因重组热点而被隔离444

15.4.4 相关性研究的设计445

Box 15.3 以传递不平衡检定（TDT）来判定标记对偶基因M1是否与疾病相关446

15.4.5 连锁和相关性：互补的技术447

15.5 定义易感性对偶基因447

Box 15.4 以患病手足对（ASP）或传递不平衡检定（TDT），来进行全基因体扫描，找寻疾病易感性基因座所需要的样本数447

15.6 例举八个成功剖析的复杂疾病例子448

15.6.1 乳癌：孟德尔子集的定义造就了重要的医学进步，但不能解释一般偶发疾病的成因448

15.6.2 先天性巨结肠症：一种寡基因疾病450

15.6.3 阿兹海默症：遗传因子在一般的晚发型态与罕见的孟德尔早发型态（early-onset）中都很重要，但是这二种型态中的基因不同，作用机制也不同450

15.6.4 第一型糖尿病：仍是遗传学者的梦魇？451

伦理Box1 阿兹海默症，ApoE检定和歧视452

15.6.5 第二型糖尿病：二种易感性因子，一种为普遍而不易被连锁分析发现的因子；另一种为非常复杂且仅存在于某族群中453

15.6.6 肠道炎疾病：一目了然的易感性基因455

15.6.7 精神分裂症：精神病或行为失序的特别问题455

15.6.8 肥胖：数量性状的遗传分析456

15.7 总览和摘要457

15.7.1 为什么这么困难？457

15.7.2 如果全部成功，且我们找出易感性对偶基因-接下来要做什么？457

第十六章 分子病理461

16.1 导文462

16.2 简单的对偶基因（allele）命名法（A和a）背后，隐藏的是复杂且变化多端的DNA序列462

16.3 突变的第一种分类就是功能丧失突变以及功能获得突变462

16.3.1 对分子病理学来说，重要的是突变基因的效应而非序列本身462

Box 16.1 突变的主要类别462

Box 16.2 描述序列改变的命名法463

16.3.2 功能丧失突变里常可见基因的点突变造成和基因缺失一样的病理学改变463

Box 16.3 描述对偶基因效应的命名法则463

16.3.3 功能获得只会发生在基因里一个特定的突变而导致特定的病理464

16.3.4 要决定一个DNA序列是否导致疾病的产生可能会颇具难度465

16.4 「功能丧失」的突变465

16.4.1 对基因而言，许多不同的改变会造成功能丧失465

Box 16.4 血色素疾病465

Box 16.5 检测DNA序列改变显著性之准则466

16.4.2 单一对偶基因表现不足，基因的功能会减少50%，造成不正常的表现型467

16.4.3 突变如发生在以二聚物或多聚物型态作用的蛋白质中，有时候会造成显性负向的效应469

16.4.4 外遗传修饰能破坏基因的功能，甚至不需要DNA序列的改变469

16.5 「功能获得」的突变469

16.5.1 「获得新功能」常见于癌症，在遗传疾病中则很罕见469

16.5.2 过度表现可能致病470

16.5.3 基因产物数量的变化可能导致功能获得471

16.6 分子病理学：从基因到疾病471

16.6.1 功能丧失型突变：残余的基因功能程度决定表现型471

Box 16.6 Prader-Willi和Angelman症候群的分子病理学472

16.6.2 同一基因上，功能丧失型及功能获得型突变会导致不同疾病474

16.6.3 家族内变异是修饰基因的结果，还是单纯突变的结果475

16.6.4 新病因：不稳定扩展的重复序列476

16.6.5 蛋白质聚集：功能获得型疾病的共同致病机制478

16.6.6 粒线体突变、异质化及不稳定：增加基因型与表现型之间的变数478

16.7 分子病理学：从疾病到基因478

16.7.1 引起疾病的基因也许不是最明显的那一个479

16.7.2 遗传异质性的情形是常见的而不是例外479

16.7.3 同一个基因家族中不同成员的突变会造成一系列的相关症候群479

16.7.4 临床或是分子生物的疾病分类方法提供思考疾病的不同工具，而这两种方法在各自的领域里都是可令人信服的480

16.8 染色体异常之分子病理学480

16.8.1 微基因缺失症候群连接起单一基因与染色体异常症候群关联性的鸿沟480

16.8.2 非整倍数染色体可能起因于某些少数可鉴定之基因间的剂量不平衡483

第十七章 癌症遗传学487

17.1 导言488

17.2 癌症的演化488

17.3 致癌基因489

17.3.1 致癌基因的历史489

Box 17.1 两种方式让制造一系列成功突变更为可能489

17.3.2 致癌基因的功能490

17.3.3 前致癌基因的活化490

17.4 肿瘤抑制基因492

17.4.1 以视网膜母细胞瘤为例492

17.4.2 筛检异型合子性状消失广泛地应用在确认肿瘤抑制基因的位置497

17.4.3 肿瘤抑制基因的活性常因甲基化等外遗传因素而被默化497

17.5 基因体的稳定性497

17.5.1 染色体的不稳定497

17.5.2 DNA的修复和DNA的不稳定499

17.5.3 遗传性非息肉结肠癌与微卫星不稳定499

17.5.4 p53与细胞凋亡500

17.6 细胞周期的调控501

17.6.1 G1-S检查点501

17.7 整合性资料：路径和能力502

17.7.1 结肠直肠癌的发展路径502

17.7.2 一个成功的肿瘤必须得到6种能力503

17.8 如何整合所有的知识？504

第十八章 个人与族群的遗传检验509

18.1 导论510

18.2 检验材料的选择：DNA、RNA或蛋白质510

18.3 扫描突变基因511

18.3.1 以定序为基础的方法511

18.3.2 利用错配侦测或异质双股的方法511

18.3.3 利用单股构形分析的方法512

18.3.4 以转译为基础的方法：蛋白质截断检测513

18.3.5 侦测基因缺失的方法513

18.3.6 侦测DNA甲基化样式的方法514

18.4 检测是否带有特定的序列改变515

18.4.1 数种可用于特定变异基因型鉴定的简易方法516

Box 18.1 多引子可增幅探针杂合法518

18.4.2 利用高通量基因型鉴定的方法519

18.4.3 三核苷酸重复疾病的遗传检测519

18.4.4 地缘关系为某些检验的重要考量521

18.5 基因追踪521

18.5.1 基因追踪三步骤521

Box 18.2 两种高通量基因型鉴定的方法524

18.5.2 重组使得基因追踪的准确性有其基本限制523

18.5.3 基因追踪的风险估算524

Box 18.3 基因追踪的逻辑527

18.5.4 裘馨氏肌肉萎缩症的特殊问题527

18.6 族群筛检529

18.6.1 可接受的筛检程序必须符合某些要求529

Box 18.4 贝氏定理在结合机率中之应用529

18.6.2 以明确性与灵敏性评估筛选检测技术的完成度530

18.6.3 遗传筛检计画的架构530

18.7 DNA特征在个体识别及鉴定亲缘关系之应用532

18.7.1 许多不同类型的DNA多型性变异都可用来定出特征532

18.7.2 DNA特征可用于决定孪生中的同卵或异卵双生532

18.7.3 DNA概廓可用于反驳或证实父方的亲缘534

18.7.4 DNA特征是刑案调查上的一个强大工具534

Box 18.5 原告的谬误535

第四部分 迎向二十一世纪的新视野537

第十九章 深入基因体计划：功能基因体学，蛋白质体学及生物资讯学539

19.1 功能基因体学概论540

19.1.1 由人类基因体计画所产生的资料如果没有加上基因注解的话，用途将十分有限540

19.1.2 个别基因的功能，可以透过生化、细胞与个体的层级来加以描述540

19.1.3 基因与基因间的功能关系必须以转录体与蛋白质体的角度来探讨540

Box 19.1 葡萄糖激酶的功能541

19.1.4 体现功能基因体学的科技：高通量分析技术与生物资讯学541

19.2 以序列比对来进行功能的注解541

19.2.1 基因的可能功能可以透过序列比对来加以注解541

19.2.2 透过保守序列搜寻的方法能增加具同源关系的序列资讯数量543

19.2.3 比较基因体间的异同能找出保守及功能上重要的序列543

19.2.4 利用比较基因体学能找出及了解与人类疾病相关的基因544

19.2.5 有少数的基因无法以同源序列搜寻来加以注解545

19.3 整体mRNA的表现概况（转录体学）545

19.3.1 透过基因表现的分析可以呈现出正常与罹病细胞中基因表现模式的改变，与整个生化反应调控机制545

19.3.2 序列的直接抽样分析是一种可以决定不同相对转录程度的统计方法546

Box 19.2 以序列抽样的技术来进行基因表现的全面性分析547

19.3.3 DNA微阵列乃是利用多重杂合反应来一次同时侦测成千以上的转录基因表现量548

19.3.4 DNA晶片的数据分析乃牵涉到以反覆的演算法来进行相关资料点距离矩阵的建立与丛集分析550

19.3.5 DNA基因晶片已被广泛地应用在人类细胞株、组织检体与疾病模式动物的整体基因表现之研究552

19.4 蛋白质体学553

19.4.1 蛋白质体学涵盖了蛋白质表现、蛋白质结构与蛋白质间交互作用的分析553

19.4.2 由于二维胶体电泳与质谱仪这两种主要新技术平台的组合，使得表现蛋白质体学得以蓬勃发展554

Box 19.3 蛋白质晶片554

Box 19.4 蛋白质体学上的质谱分析应用557

19.4.3 藉由蛋白质表现的程度，可以用来研究与疾病及毒性相关的蛋白质变化558

19.4.4 蛋白质结构提供了重要的功能资讯559

19.4.5 有许多不同的方法可以用来研究蛋白质交互作用562

Box 19.5 蛋白质结构的决定563

19.4.6 利用选殖库为基础的方法可以进行高通量的交互作用筛选564

Box 19.6 蛋白质的结构分类567

19.4.7 蛋白质交互作用研究所面临的挑战，乃是如何去建构出细胞功能交互作用的网路571

19.4.8 蛋白质与小分子配位体的交互作用资料，可以增加我们对于生物分子的了解，并提供合理化药物设计的基础572

19.5 总结572

第二十章 动物与细胞的遗传操控575

20.1 基因转殖技术概观576

20.2 基因转殖的原理576

20.2.1 基因转殖可在培养的动物细胞中，导入带有特定功能的新DNA序列，使其短暂或稳定表现576

20.2.2 要产生基因转殖动物，必须有稳定转型的生殖系细胞577

Box 20.1 常用于动物细胞培养的基因转殖方法578

Box 20.2 适用于动物细胞的筛选标记579

Box 20.3 哺乳类胚胎干细胞的分离与操作582

20.2.3 在进行基因转殖实验中，如何控制转殖基因的表现是非常重要的584

20.2.4 基因转殖也可以用来产生特定突变类型，与破坏内在原有基因的表现586

20.2.5 透过基因标定的方法，可以产生全身细胞都带有特定类型突变的动物588

20.2.6 位置专一性重组使我们能够控制条件化基因失能与染色体工程589

20.2.7 转殖基因策略可以用来抑制内在基因的功能591

20.3 以基因转殖研究基因的表现与其功能594

20.3.1 应用回报基因以研究基因的表现与调节594

Box 20.4 适用于动物细胞的回报基因595

20.3.2 基因功能可藉由产生功能缺失与获得功能的突变与拟表型等方法进行研究595

20.3.3 以大规模的嵌入致变与有系统的RNA干扰试验分析，是功能基因体学的基石597

Box 20.5 用以产生嵌入致变的嵌入载体，本身带有精巧的设计599

20.4 以基因转殖与基因标定技术产生疾病模式599

20.4.1 以细胞培养模拟疾病发生过程与药物治疗的模型599

20.4.2 要辨识出自发性或随机突变产生的动物疾病模式有时很困难600

20.4.3 小鼠已广泛应用为人类疾病模式，因为可依照预期位点产生特定突变类型602

20.4.4 「失去功能」的突变可用基因标定的方法模拟，「获得功能」的突变则可用表现显性突变基因产生602

Box 20.6 不同物种模拟人类疾病的潜力603

20.4.5 越来越多的研究者注意到可应用基因转殖动物来建立复杂缺陷的模型604

20.4.6 以小鼠建立人类疾病模式的目标，也许会因人与小鼠之间的差异而难以达成605

第二十一章 治疗疾病的新方法609

21.1 遗传性疾病的治疗与用遗传方式治疗疾病并不相同610

21.2 遗传性疾病的治疗610

21.3 运用遗传知识改进既有的疗法并促使传统疗法升级610

21.3.1 药物遗传学提供提升药物有效性和减低药物副作用的愿景610

21.3.2 药厂大量投资基因体研究以期找到新的药物目标611

21.3.3 以细胞为基础的治疗法为器官移植带来新契机611

21.3.4 重组蛋白质与疫苗613

Box 21.1 1995年美国国家卫生院对基因疗法调查小组的报告619

21.4 基因疗法的原理616

21.5 在标的细胞或组织中插入并表现基因的方法616

21.5.1 基因被转殖入受体细胞可在实验室内或病人体内完成616

21.5.2 基因建构物可被设计成嵌入到宿主细胞的染色体中或自成一个附加基因体616

伦理Box 1人类复制的伦理议题614

伦理Box 2生殖细胞基因疗法对上体细胞基因疗法617

伦理Box 3订制婴儿619

21.5.3 病毒是基因疗法上最常使用的载体619

21.5.4 非病毒载体系统避免了大多数重组病毒的安全问题，但基因转殖率普遍较低622

21.6 在细胞或组织中修补或抑制致病基因的方法624

21.6.1 利用同源重组修复突变基因624

21.6.2 利用反意寡核苷酸抑制转译624

21.6.3 利用核醣酶选择性地破坏或修复mRNA625

21.6.4 利用RNA干扰法（RNAi）选择性地抑制突变基因625

21.7 人类基因疗法的例子625

21.7.1 第一个成功的例子：X染色体连锁的严重复合免疫不全症626

21.7.2 囊胞性纤维症基因疗法的尝试626

21.7.3 裘馨氏肌肉萎缩症（DMD）基因疗法的尝试627

21.7.4 癌症的基因疗法628

21.7.5 感染症的基因疗法：自体免疫缺乏病毒（HIV）628

专有名词631

疾病索引645

索引647