DNA科学是建立在生命分子基础上的科学，本书就是一本将这门科学生动地介绍给学生的书。它不仅仅是罗列事实，而且是进一步让学生深入了解当今的实验技术，介绍学科发展中的重要人物和他们做的一些重要实验。而采用实验技术经检验证明是、最好的，并且是在教学实验中应用最为广泛的基因操作技术。分子生物学和发育生物学家David Crotty也为新版提供了许多资料和深刻见解。

DNA科学是一门建立在生命分子基础上的科学。本书是冷泉港实验室出版社出版的DNA Science:A First Course第二版的中文翻译版，介绍了学科发展中的重要人物和他们做的一些重要实验，深入浅出阐释实验技术，展示了现今研究的最前沿，让读者深入了解当今的实验技术。主要内容包括：遗传学的基本原理，DNA的结构和功能，基因调控；小规模及大规模的DNA分析技术，研究单基因的现代技术，全基因组分析的现代方法；癌症的DNA科学原理，DNA科学在人类遗传和进化中的应用，人类物种形成问题等等。本书所包含的思想和技术是DNA实验操作中必需的、最基本的思想和技术，借助本书能正确地预见和阐释在未来很多年里科学发展的主流趋势。本书也是初次探索生命分子的人手中一张简单的地图。  本书适于生物化学、分子生物、细胞生物学、遗传学、免疫学、蛋白质组学、功能基因组学等生命科学相关领域研究院所、高校相关院系、实验室的教师、研究生、科研人员，以及生物技术企业的研发者和决策者参考阅读。

译者序

前言

致谢

第一章 如何得知DNA是遗传物质/3

第二章 如何了解DNA的功能/32

第三章 基因调控/56

第四章 DNA科学的基本工具和技术/86

第五章 重要基因的鉴别和表达/113

第六章 全基因分析的现代方法/152

第七章 癌症的DNA科学原理/182

第八章 DNA科学在人类遗传学和进化研究中的应用/214

实验教程篇

实验室安全操作和国家卫生研究院安全条例/265

实验一 称量、微量移液和来菌消毒技术/268

实验二 细菌的培养技术/276

实验三 DNA的限制性内切核酸酶分析/292

实验四 DNA甲基化对限制性内切核酸酶反应的影响/310

实验五 质粒DNA快速转化大肠杆菌的方法/319

实验六 抗生素抗性酶的分析/330

实验七 GFP重组体的纯化和鉴定/338

实验八 质粒DNA的纯化和鉴定/346

实验九 具有抗生素抗性基因的重组/361

实验十 重组DNA转化大肠杆菌/370

实验十一 影印培养鉴定大肠杆菌菌落/381

实验十二 纯化和鉴定重组DNA/386

答案与讨论/400

附录1 仪器、耗材与试剂/413

附录2 培养基、试剂、贮存液的配制

附录3 pAMP、pKAN、pBLU、pGREEN及λ噬菌体的限制酶切图谱/434

附录4 注意事项/439

索引/444

的测序工作团队都宣布大约35000个基因数目时，几乎所有的人都觉得很诧异。这引出了一个很明显的问题：人类基因总数怎么会不到微小生物线虫基因数(19 099个基因)的2倍。初次公布之后，另有一些研究认为人类基因总数要大于这个数字，大约50000个。蛋白质编码序列总数相应地也从原来认为的占基因组5%下降到少于1.5%。在过去30年中，虽然对人类基因组非编码部分的认识已增加不少，但99%的人类基因组序列是不编码基因的事实还是让许多人迷惑不解。

一般公众和大多数科学家关注的是人类基因组计划发现的基因。命名和认识所有这些基因将大大提高对人体细胞工作方式的了解，特别是对各种疾病在分子水平上的认识的帮助。到目前为止，人类已知的几千个遗传性疾病中只有一小部分的致病基因被鉴定出来。测序和描绘这些疾病基因图谱将为诊断提供方便，对它们的蛋白产物进行详细的生化研究将有助于提高疗效。使人的生活更健康并且如预测的那样更幸福是人类基因组计划的现实意义。但大量的非编码DNA的存在暗示了人类基因组的有些意义存在于这些基因之间的所谓的"垃圾"之中，就如一首诗，它的某些意义存在于诗句之间。

在这一章里，我们回忆了人类基因组计划的发展过程，从一个引起争议的提议发展到世界范围内数以千计的科学家参与的合作研究。接着我们对确定和组装DNA序列的实验室方法，发现和比较基因的计算机方法和新的用来一次性分析数以千计基因的微阵列技术进行讨论。最后对人类基因组的基本结构，为什么我们只有相对如此少的基因以及为什么只有这么少的DNA编码蛋白质这些问题进行了讨论，以此作为本章的总结。

第一节 人类基因组计划的产生

1985年在加利福尼亚大学Santa Cruz分校举行的一次会议上有人第一次提出了共同努力测出人类基因组序列的可能性。虽然这个主意引起了许多人的兴趣，但刚开始，这个提议很少有强的支持者。批评者从一开始并在正式启动这个计划之后仍然坚持他们的一系列反对意见。

大多数反对大规模测序计划的意见主要集中在以下几个关键问题上。

它对生物学有什么用?

纵观生物学的大部分发展史，生物学是以单个研究人员加上一小群学生，以及少数几个较年轻研究伙伴和实验技术员为中心的。在20世纪80年代，一个典型的分子生物学群体平均只有十二人左右；只有成名很早的科学家才有较大的研究群体。一个松散的基因组计划将使得研究力量从许多单个研究机构中转移到几个大的团体里。在那个时候，学术性和商业性的生物学研究的分界还非常明显，一个大规模的研究工作当时看起来多少带有工厂化的"大科学"的味道。一句话，许多人认为基因组计划将改变生物学研究的精神。

如何资助这个计划?

当考虑人类基因组计划的花费和持续时间这些数字时，一般估计需要多达30亿美元(一个核苷酸一美元)，15年的时间。在20世纪80年代中叶，研究经费的竞争是非常尖锐的，许多生物学家因此担心一个巨大的基因组计划将把经费从已确立的研究计划以及单个研究机构中移走(图6-6)。

它是真的科学吗?

虽然从基因计划中得到的信息肯定是有意义的，但实际测序看起来像是单调的技术工作。对某些人来说，这似乎没有达到严格的并由假说推动的科学水平。Sydney Brenner曾说了一句有名的话来讽刺大规模DNA测序：大规模DNA测P152

1984年，Greg是冷泉港实验室的一个博士后，导师是Rich Robert。如果说研究工作是Greg生活中的首要内容，那么本书的撰写工作则可以看作Greg生活内容的第二个组成部分。本书的另一作者Dave①认为，书中涉及的内容是引导读者通向未知的DNA世界的钥匙。鉴于当时没有为中学高年级学生和大学低年级学生开设的分子生物学实验技术课程，Greg想到：为什么不建立一系列实验方法，让任何学生都有机会制备和分析重组DNA分子呢?

由此[)ave开始了本书的撰写工作，利用在Robert实验室工作之余的零碎时间，他写了一个14页的参考手册，其中包含了Greg对开设重组DNA技术实验室入门教程的内容的设想。Rich Robert(后来荣膺诺贝尔奖)以及很多杰出的科学家，非常慷慨地将他们的想法和各种实验技巧提供给了我们。Doug}tanahan将他所采用的转化大肠杆菌的极为简化的方法与我们分享，EDHarlow实验室的吹风机则向我们提供了一种灵敏而时髦的干燥DNA沉淀的方法。

最终呈现在眼前的《重组DNA技术入门指南》是一部长达124页的手稿，该手稿于1985年夏季在长岛的师生中首次试用。次年我们添置了两辆"载体大篷车"，装载着离心机、加液器、电泳槽、水浴锅、温箱、试剂等物品，一直塞到了车顶，这么多装备足以在任何地方"重组"搭建起一个分子遗传学实验室。很多年夏天，我们驾驶着大篷车往来于美国各地，用本书中提及的实验技术对成千上万的生物教师进行培训，因此在那些夏天里浮现在我们脑海中的记忆是很多地方和很多张面孔的模糊印象。此间，Greg离开了冷泉港，赴哥伦比亚大学执教。Dave则成立了Dolan DNA学习中心。

1988年吉姆·沃森(Jim Watson)在冷泉港的一次午餐时，提出了"DNA科学(DNAscience)"一词。对吉姆而言那不过是日常的、无意的评论--到那时他从事DNA研究差不多已经40年了。但对我们而言则是听者有意，因为这个词恰到好处地反映了我们想向学生介绍的新的DNA世界所具有的简单特性：一门建立在生命分子基础上的科学和一本将这门科学生动地介绍给学生的书。

在本书的第二版中，我们沿用了第一版中深入浅出的说明文字讲解屡经验证的实验技术的成功套路。我们保留了第一版中基本的实验顺序安排，即先介绍DNA的限制酶切、转化、分离和分析，然后介绍如何应用这些技术来构建分析一个简单的DNA重组分子。我们在新版里避免对实验技术进行过多的修改，因为这些实验技术经检验证明是最好的，并且是在教学实验中应用最为广泛的基因操作技术。这些实验和另外一些类似的实验为带领美国高中和大学生物系的学生登堂入室、了解分子遗传学提供了帮助。

在过去的几年中，我们对实验技术和实验思想的教学进行了改进，国家癌症中心(Na-tional Cancer Instute)的Steve Hlaghes向我们提供了用玻璃珠涂布大肠杆菌的方法，这让我们再也不必使用酒精灯。我们也收录了另外一些专门对基因产物进行操作的实验技术，这至少也是对"生物学不只是研究DNA"批评的部分回应。有人提供了用比色法测β内酰胺酶(即青霉素酶、氨苄青霉素抗性基因的蛋白产物)活性的简易方法，以及用绿色荧光蛋白(GFP)来跟踪蛋白质的表达和蛋白质纯化的原理，免除了使用柱子纯化的麻烦。

新版虽然保留了第一版中一些经典的实验方法，但对全书文字比例进行了大幅度的调整，增加了200多页的新内容，展示了现今研究的最前沿。本书不仅仅是罗列事实，而且是进一步让学生深入了解当今的实验技术，介绍学科发展中的重要人物和他们做的一些重要实验。分子生物学和发育生物学家David Crotty也为新版提供了许多资料和深刻见解。

本书第二版前三章内容主要讲述遗传学的基本原理、DNA的结构和功能。在第一、二章中，通过简单讲解"如何得知DNA是遗传物质"和"如何了解DNA的功能"来介绍发现DNA的历史背景。第三章"基因调控"则讲述了从经典的乳糖操纵子的研究时代直到现在我们所了解的基因的多重调控机制。

接下来的三章介绍的是小规模及大规模的DNA分析技术：第四章"DNA科学的基本工具和技术"讲解实验原理，第五章"重要基因的鉴别和表达"讲述了研究单基因的现代技术，第六章"全基因组分析的现代方法"介绍了人类基因组测序时的各种竞争和同时处理上百个基因的新技术。

最后几章着重讨论了人类面临的主要问题。第七章"癌症的DNA科学原理"描述了人们与癌症抗争的历程以及近年来在与这种最为恐怖的疾病斗争中所取得的进步；第八章"DNA科学在人类遗传学和进化研究中的应用"探索了人类遗传变异的分子基础及其与疾病的关系，还讨论了人类物种形成问题，这一章也涉及了美国生物学意义上最初的优生学的真实情形。

尽管从第一版付梓至今，生物学有了很大的发展，但本书所包含的思想和技术是DNA实验操作中必需的、最基本的思想和技术。尽管当前分子生物学研究越来越依靠测序仪和基因芯片，然而凝胶电泳仍然是初学者初登DNA殿堂的必经之路。虽然高等生物实验材料在实验中越来越受重视，但是只要有温箱等简单的设备，以及花费几个小时，低等的大肠杆菌仍能对生物学研究有所裨益。

与第一版的初衷相同，我们希望第二版的《DNA科学导论》①能正确地预见和阐释在未来很多年里科学发展的主流趋势。我们希望《DNA科学导论》成为初次探索生命分子的人手中一张简单的地图。随着世界上越来越多的生物教师认识到为学生自由操作DNA提供机会的重要性，我们相信本书的意义将弥显重要。