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第1章 基因组学概论1

1.1 人类基因组2

1.2 人类基因组的内容4

1.3 编码蛋白质组的基因7

1.4 基因组结构种类11

1.4.1 染色体、细胞器和质粒11

1.4.2 基因12

1.4.3 基因组的动态组成15

1.5 基因组测序计划17

1.6 种群内和种群间的差异21

1.7 人类基因组测序21

1.8 人类基因组和医学22

1.8.1 疾病的预防23

1.8.2 检测和精确诊断24

1.8.3 有效治疗手段的发现和实施24

1.8.4 卫生保健服务24

1.9 数据库的进化和发展25

1.9.1 数据库的进化和发展（evo-devo）26

1.9.2 基因组浏览器27

1.10 蛋白质进化：物种内和物种间序列及结构的分歧32

1.11 伦理、法律和社会问题32

1.12 推荐阅读36

1.13 练习、问题和网络问题37

第2章 基因组是生物学的集线器（Hub）41

2.1 个体、群体、生物圈：过去、现在和未来42

2.2 中心法则和周边规则43

2.3 表达模式43

2.3.1 基因表达的调控44

2.3.2 蛋白质组学49

2.3.3 基因组学和发育生物学49

2.3.4 基因和思维：神经基因组学51

2.4 群体54

2.4.1 单核苷酸多态性和单体型54

2.4.2 临床上重要的单体型：主要组织相容性复合物58

2.4.3 突变和疾病59

2.5 遗传性疾病的诱因及其治疗的病例61

2.5.1 血红蛋白病是由异常血红蛋白引发的分子疾病61

2.5.2 苯丙酮尿症62

2.5.3 阿尔茨海默病64

2.5.4 SNP和癌症64

2.6 物种68

2.7 生物圈69

2.7.1 物种灭绝70

2.7.2 袋狼的灭绝72

2.7.3 麋鹿的幸存72

2.8 推荐阅读74

2.9 练习、问题和网络问题75

第3章 图谱、测序、注释和数据库82

3.1 经典遗传学背景83

3.2 图谱和旅行指南84

3.2.1 遗传图谱85

3.2.2 连锁86

3.2.3 连锁不平衡87

3.2.4 染色体带型图89

3.2.5 直接基于DNA序列的高分辨率图谱92

3.2.6 限制性酶切图谱93

3.3 DNA结构的发现94

3.4 DNA测序98

3.4.1 Frederick Sanger和DNA测序的发展98

3.4.2 Maxam-Gilbert化学裂解法103

3.4.3 DNA自动化测序103

3.5 组织大规模测序计划105

3.5.1 产生克隆：分层或“BAC to BAC”基因组测序105

3.5.2 全基因组鸟枪法测序106

3.5.3 高通量测序107

3.5.4 生命科学技术的快速发展（life in the fast lane）111

3.6 分子生物学数据库112

3.6.1 核酸序列数据库113

3.6.2 蛋白质序列数据库114

3.6.3 遗传性疾病数据库：OMIM和OMIA114

3.6.4 结构数据库114

3.6.5 蛋白质结构的分类115

3.6.6 专业或精品（boutique）数据库115

3.6.7 表达和蛋白质组学数据库115

3.6.8 代谢路径数据库117

3.6.9 文献数据库118

3.6.10 分子生物学数据库和服务器概观118

3.7 推荐阅读118

3.8 练习、问题、网络问题119

第4章 比较基因组学124

4.1 引言125

4.2 生命的一致性和多样性125

4.3 基因组的大小和结构131

4.4 病毒基因组134

4.4.1 重组病毒136

4.4.2 流感：过去和当前的威胁136

4.5 原核生物的基因组结构140

4.5.1 复制和转录142

4.5.2 基因转移142

4.6 真核生物基因组结构142

4.7 如何区别基因组144

4.7.1 单核苷酸水平的多样性144

4.7.2 复制145

4.7.3 染色体水平上的比较：共线性154

4.8 是什么让我们成为人类？154

4.8.1 比较基因组学154

4.8.2 结合的方法：FOXP2基因156

4.9 黑猩猩和人类基因组156

4.10 小鼠和大鼠基因组157

4.11 研究人类疾病的模式生物158

4.11.1 秀丽隐杆线虫基因组158

4.11.2 黑腹果蝇基因组159

4.11.3 人类、线虫和果蝇的同源基因160

4.12 DNA元件百科全书计划163

4.13 推荐阅读166

4.14 练习、问题和网络问题167

第5章 进化和基因组变化172

5.1 进化是探索173

5.2 生物系统学175

5.2.1 生物学命名175

5.2.2 生物学相似性和差异性的测定176

5.3 同源性和家族178

5.4 模式匹配——生物信息学的基本工具178

5.4.1 序列比对179

5.4.2 最佳比对的定义183

5.4.3 快速扫描数据库的近似方法185

5.4.4 三维结构的匹配模式188

5.5 蛋白质序列、结构及功能的进化190

5.5.1 单个点突变的影响191

5.5.2 蛋白质结构和功能的进化192

5.6 系统发育193

5.6.1 系统进化树196

5.6.2 聚类法197

5.6.3 分支法198

5.6.4 进化率变化的问题199

5.6.5 贝叶斯法200

5.7 快速进化：遗传工程200

5.8 推荐阅读201

5.9 练习、问题及网络问题202

第6章 原核生物基因组205

6.1 原核生物进化与系统发育的关系206

6.1.1 原核生物的主要类型207

6.1.2 是否了解生命系统发生树的根源？209

6.2 古细菌210

6.2.1 甲烷球菌基因组211

6.2.2 极端温度下的生命212

6.2.3 超嗜热古菌比较基因组学：热球菌和火球菌216

6.3 细菌219

6.3.1 致病菌基因组220

6.3.2 基因组学和疫苗的研发222

6.4 宏基因组学：同一个环境样品中收集的全部基因组223

6.5 推荐阅读227

6.6 练习、问题和网络问题228

第7章 真核生物基因组230

7.1 真核生物的起源和进化231

7.2 真核生物的进化及其系统发育关系231

7.2.1 酵母基因组232

7.2.2 植物的进化233

7.2.3 玻璃海鞘基因组236

7.2.4 河豚基因组238

7.2.5 鸡基因组240

7.2.6 鸭嘴兽基因组241

7.2.7 狗基因组243

7.3 古测序（Palaeosequencing）-古DNA246

7.4 灭绝鸟类的DNA247

7.4.1 新西兰恐鸟247

7.4.2 渡渡鸟和愚鸠250

7.5 猛犸象DNA高通量测序250

7.5.1 猛犸象核基因组251

7.5.2 大象系统发育251

7.6 推荐阅读252

7.7 练习、问题和网络问题253

第8章 基因组学和人类生物学255

8.1 个性化鉴定基因组学256

8.1.1 线粒体DNA258

8.1.2 性别鉴定258

8.1.3 体型特征259

8.2 作物驯化259

8.2.1 玉米261

8.2.2 水稻264

8.2.3 可可264

8.2.4 可可基因组267

8.3 人类基因组学269

8.3.1 尼安德特人基因组269

8.3.2 古代人类群体及其迁徙270

8.4 基因组学和语言278

8.5 推荐阅读279

8.6 练习、问题和网络问题281

第9章 芯片和转录组学283

9.1 简介284

9.2 芯片数据分析286

9.3 不同生理状态的表达模式290

9.3.1 酿酒酵母的两阶段生长转变290

9.3.2 大鼠和果蝇的休眠294

9.4 发育表达模式的变化296

9.4.1 黑腹果蝇生命周期表达模式的变化296

9.4.2 玫瑰花的形成298

9.5 学习和记忆的表达模式：长时程增强302

9.6 表达模式的进化307

9.7 芯片在医学上的应用309

9.7.1 抗生素耐药性细菌的发展309

9.7.2 儿童白血病313

9.8 全转录组鸟枪法测序：RNA测序315

9.9 推荐阅读316

9.10 练习、问题和网络问题317

第10章 蛋白质组学319

10.1 引言320

10.2 蛋白质的性质和类型320

10.3 蛋白质结构321

10.3.1 蛋白质化学结构321

10.3.2 多肽链的构象323

10.3.3 蛋白质折叠模式325

10.4 翻译后修饰327

10.5 蛋白质分离和分析329

10.5.1 聚丙烯酰胺凝胶电泳330

10.5.2 二维聚丙烯酰胺凝胶电泳330

10.5.3 质谱331

10.6 蛋白质结构的分类334

10.6.1 蛋白质结构分类数据库335

10.6.2 蛋白质进化过程中折叠模式的变化336

10.7 许多蛋白质将构象改变作为它们功能机制的一部分337

10.7.1 酶催化过程中的构象变化338

10.7.2 马达蛋白340

10.7.3 蛋白质功能的变构调节343

10.7.4 丝氨酸蛋白酶抑制剂的构象状态346

10.8 蛋白质结构预测和建模347

10.8.1 同源建模348

10.8.2 蛋白质结构预测的有效方案352

10.8.3 结构基因组学353

10.9 定向进化和蛋白质设计353

10.9.1 枯草杆菌蛋白酶E的定向进化354

10.9.2 酶的设计355

10.10 蛋白质复合物和聚合体355

10.10.1 蛋白质聚集疾病356

10.10.2 蛋白质-蛋白质复合物的特性358

10.10.3 多亚基蛋白360

10.11 推荐阅读361

10.12 练习、问题和网络问题362

第11章 系统生物学366

11.1 系统生物学介绍367

11.1.1 两个平行的网络：物理和逻辑367

11.1.2 网络的静力学和动力学368

11.2 网络图369

11.3 系统生物学的思想来源372

11.3.1 序列的复杂性372

11.3.2 香农熵的定义373

11.3.3 序列的随机性374

11.3.4 静态和动态的复杂性375

11.3.5 计算机的复杂性376

11.4 代谢组学377

11.4.1 蛋白质功能的分类和分配377

11.4.2 代谢网络381

11.4.3 代谢途径数据库382

11.4.4 大肠杆菌内甲硫氨酸的合成382

11.4.5 京都基因与基因组百科全书384

11.4.6 代谢路径的进化和系统发生385

11.4.7 古细菌的碳水化合物代谢387

11.4.8 代谢网络的重建389

11.5 调控网络389

11.5.1 信号转导和转录调控390

11.5.2 调控网络的结构391

11.6 动力学、稳定性和稳健性391

11.6.1 通过冗余性提高稳健性393

11.6.2 动态建模393

11.7 蛋白质互作网络395

11.8 蛋白质-DNA相互作用402

11.8.1 蛋白质-DNA结合的主体结构和序列识别402

11.8.2 转录调控因子的合集403

11.9 基因调控406

11.9.1 大肠杆菌的转录调控网络407

11.9.2 大肠杆菌乳糖操纵子的调控410

11.10 酿酒酵母的遗传调控网络412

11.11 推荐阅读415

11.12 练习、问题和网络问题416

索引420

后记429