Lecture 2: Biology Basics Con4nued Central Dogma DNA: The - PowerPoint PPT Presentation

Lecture ¡2: ¡Biology ¡Basics ¡Con4nued ¡

Central ¡Dogma ¡

DNA: ¡The ¡Code ¡of ¡Life ¡ • The ¡structure ¡and ¡the ¡four ¡genomic ¡le=ers ¡code ¡for ¡ all ¡living ¡organisms ¡ ¡ • Adenine, ¡Guanine, ¡Thymine, ¡and ¡Cytosine ¡which ¡pair ¡ A-­‑T ¡and ¡C-­‑G ¡on ¡complimentary ¡strands. ¡

DNA: ¡The ¡Code ¡of ¡Life ¡ • DNA ¡has ¡a ¡double ¡helix ¡ structure ¡which ¡ composed ¡of ¡ ¡ ¡ – sugar ¡molecule ¡ – phosphate ¡group ¡ – and ¡a ¡base ¡(A,C,G,T) ¡ ¡ • DNA ¡always ¡reads ¡from ¡ 5 ’ ¡end ¡to ¡3 ’ ¡end ¡for ¡ transcrip4on ¡replica4on ¡ ¡

DNA ¡Replica4on ¡ • DNA ¡can ¡replicate ¡by ¡ spliLng, ¡and ¡rebuilding ¡ each ¡strand. ¡ • Note ¡that ¡the ¡rebuilding ¡ of ¡each ¡strand ¡uses ¡ slightly ¡different ¡ mechanisms ¡due ¡to ¡the ¡ 5 ’ ¡3 ’ ¡asymmetry, ¡but ¡ each ¡daughter ¡strand ¡is ¡ an ¡exact ¡replica ¡of ¡the ¡ original ¡strand. ¡ ¡ http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/D/DNAReplication.html

Inverse ¡Complement ¡of ¡DNA ¡ What ¡is ¡the ¡inverse ¡complement ¡sequence ¡of ¡ TATAGCCCG? ¡

Inverse ¡Complement ¡of ¡DNA ¡ What ¡is ¡the ¡inverse ¡complement ¡sequence ¡of ¡ TATAGCCCG? ¡ ¡CGGGCTATA ¡

Genotype/Phenotype ¡ • To ¡prevent ¡confusion ¡between ¡ genes ¡ (which ¡ are ¡inherited) ¡and ¡ developmental ¡outcomes ¡ (which ¡are ¡not), ¡gene4cists ¡make ¡a ¡dis4nc4on ¡ between ¡the ¡ genotype ¡and ¡the ¡ phenotype ¡of ¡ an ¡organism ¡ – Genotype : ¡complete ¡set ¡of ¡genes ¡inherited ¡by ¡an ¡ individual ¡ ¡ – Phenotype : ¡all ¡aspects ¡of ¡the ¡individual’s ¡ physiology, ¡behavior, ¡and ¡ecological ¡rela4onships ¡

DNA ¡the ¡Gene4cs ¡Makeup ¡ • Genes ¡are ¡inherited ¡and ¡ are ¡expressed ¡ • genotype ¡(gene4c ¡ makeup) ¡ • phenotype ¡(physical ¡ expression ) ¡ On ¡the ¡leX, ¡is ¡the ¡eye’s ¡phenotypes ¡of ¡green ¡and ¡black ¡eye ¡genes. ¡

• Two ¡organisms ¡whose ¡genes ¡differ ¡at ¡one ¡ locus ¡are ¡said ¡to ¡have ¡different ¡genotypes. ¡ • A ¡locus ¡(loci ¡for ¡plural) ¡is ¡the ¡specific ¡loca4on ¡ of ¡a ¡gene ¡of ¡a ¡DNA ¡sequence ¡on ¡a ¡ chromosome. ¡ • A ¡variant ¡of ¡the ¡DNA ¡sequence ¡at ¡a ¡given ¡ loca4on ¡is ¡called ¡a ¡ allele . ¡ • The ¡ordered ¡list ¡of ¡loci ¡known ¡for ¡a ¡par4cular ¡ genome ¡is ¡called ¡a ¡ gene4c ¡map . ¡ ¡

Diploid ¡and ¡polyploid ¡cells ¡whose ¡chromosomes ¡have ¡the ¡same ¡ allele ¡of ¡a ¡given ¡gene ¡at ¡some ¡locus ¡are ¡called ¡ homozygous , ¡with ¡ respect ¡to ¡that ¡gene ¡(otherwise, ¡it ¡is ¡ heterzygous ). ¡ The ¡chromosomal ¡locus ¡of ¡a ¡ gene ¡might ¡be ¡wri=en ¡"6p21.3” ¡ • 6 : ¡chromosome ¡number ¡ • p : ¡posi4on ¡on ¡the ¡ chromosome’s ¡short ¡arm ¡ (“p”) ¡or ¡long ¡arm ¡(“q”) ¡ • 21.3 : ¡the ¡posi4on ¡on ¡the ¡ arm: ¡region ¡2, ¡band ¡1, ¡sub-­‑ band ¡3. ¡The ¡bands ¡are ¡visible ¡ under ¡a ¡microscope ¡when ¡ the ¡chromosome ¡is ¡stained. ¡ ¡

Genotype/Phenotype ¡ Phenotype: ¡ ¡ Blue ¡eyes ¡ Brown ¡eyes ¡ Genotype: ¡ ¡ Recessive: ¡bb ¡ Dominant: ¡Bb ¡or ¡BB ¡

• Genes ¡are ¡shown ¡in ¡ rela4ve ¡order ¡ and ¡ distance ¡from ¡each ¡other ¡based ¡on ¡pedigree ¡ studies. ¡ • The ¡chance ¡of ¡the ¡chromosome ¡breaking ¡ between ¡A ¡& ¡C ¡is ¡higher ¡than ¡the ¡chance ¡of ¡ the ¡chromosome ¡breaking ¡between ¡A ¡& ¡B ¡ during ¡meiosis ¡ • Similarly, ¡the ¡chance ¡of ¡the ¡chromosome ¡ breaking ¡between ¡E ¡& ¡F ¡is ¡higher ¡than ¡the ¡ chance ¡of ¡the ¡chromosome ¡breaking ¡ between ¡F ¡& ¡G ¡ • The ¡closer ¡two ¡genes ¡are, ¡the ¡more ¡likely ¡ they ¡are ¡to ¡be ¡inherited ¡together ¡(co-­‑ occurrence) ¡ • If ¡pedigree ¡studies ¡show ¡a ¡high ¡incidence ¡of ¡ co-­‑occurrence, ¡those ¡genes ¡will ¡be ¡located ¡ close ¡together ¡on ¡a ¡gene4c ¡map ¡

• Pleiotropy : ¡when ¡one ¡gene ¡affects ¡many ¡ different ¡traits. ¡ • Polygenic ¡traits : ¡when ¡one ¡trait ¡is ¡governed ¡by ¡ mul4ple ¡genes, ¡which ¡maybe ¡on ¡the ¡same ¡ chromosome ¡or ¡on ¡different ¡chromosomes. ¡ ¡ – The ¡addi4ve ¡effects ¡of ¡numerous ¡genes ¡on ¡a ¡single ¡ phenotype ¡create ¡a ¡con4nuum ¡of ¡possible ¡ outcomes. ¡ ¡ – Polygenic ¡traits ¡are ¡also ¡most ¡suscep4ble ¡to ¡ environmental ¡influences. ¡ ¡

Pleiotropy ¡in ¡humans: ¡Phenylketonuria ¡ ¡ A ¡disorder ¡that ¡is ¡caused ¡by ¡a ¡deficiency ¡of ¡the ¡enzyme ¡ phenylalanine ¡hydroxylase, ¡which ¡is ¡necessary ¡to ¡convert ¡the ¡ essen4al ¡amino ¡acid ¡phenylalanine ¡to ¡tyrosine. ¡ ¡ A ¡ defect ¡in ¡the ¡single ¡gene ¡ that ¡codes ¡for ¡this ¡enzyme ¡ therefore ¡results ¡in ¡the ¡ mul4ple ¡phenotypes ¡ associated ¡with ¡PKU, ¡ including ¡mental ¡retarda4on, ¡ eczema, ¡and ¡pigment ¡defects ¡ that ¡make ¡affected ¡ individuals ¡lighter ¡skinned ¡ ¡

Polygenic ¡Inheritance ¡in ¡Humans ¡ • Height ¡is ¡controlled ¡by ¡polygenes ¡for ¡skeleton ¡height, ¡but ¡their ¡ effect ¡may ¡be ¡affected ¡by ¡malnutri4on, ¡injury, ¡and ¡disease. ¡ • Weight, ¡skin ¡color, ¡and ¡intelligence. ¡ • Birth ¡defects ¡like ¡clubfoot, ¡cleX ¡palate, ¡or ¡neural ¡tube ¡defects ¡are ¡ also ¡the ¡result ¡of ¡mul4ple ¡gene ¡interac4ons. ¡ • Complex ¡diseases ¡and ¡traits ¡have ¡a ¡tendency ¡to ¡have ¡low ¡ heritability ¡(tendency ¡to ¡be ¡inherited) ¡compared ¡to ¡single ¡gene ¡ disorders ¡(i.e. ¡sickle-­‑cell ¡anemia, ¡cys4c ¡fibrosis, ¡PKU , ¡Hemophelia, ¡ many ¡extremely ¡rare ¡gene4c ¡disorders). ¡ ¡

Selec4on ¡ • Some ¡genes ¡may ¡be ¡subject ¡to ¡ selec4on , ¡where ¡ individuals ¡with ¡advantages ¡or ¡“adap4ve” ¡traits ¡ tend ¡to ¡be ¡more ¡successful ¡than ¡their ¡peers ¡ reproduc4vely ¡ • When ¡these ¡traits ¡have ¡a ¡gene4c ¡basis, ¡selec4on ¡ can ¡increase ¡the ¡prevalence ¡of ¡those ¡traits, ¡ because ¡the ¡offspring ¡will ¡inherit ¡those ¡traits. ¡ This ¡may ¡correlate ¡with ¡the ¡organism's ¡ability ¡to ¡ survive ¡in ¡its ¡environment. ¡ • Several ¡different ¡genotypes ¡(and ¡possibly ¡ phenotypes) ¡may ¡then ¡coexist ¡in ¡a ¡popula4on. ¡In ¡ this ¡case, ¡their ¡gene4c ¡differences ¡are ¡called ¡ polymorphisms. ¡

Gene4c ¡Muta4on ¡ • The ¡simplest ¡is ¡the ¡point ¡muta4on ¡or ¡subs4tu4on; ¡here, ¡a ¡single ¡ nucleo4de ¡in ¡the ¡genome ¡is ¡changed ¡ (single ¡nucleo4de ¡ polymorphisms ¡(SNPs)) ¡ • Other ¡types ¡of ¡muta4ons ¡include ¡the ¡following: ¡ – Inser4on. ¡A ¡piece ¡of ¡DNA ¡is ¡inserted ¡into ¡the ¡genome ¡at ¡a ¡ certain ¡posi4on ¡ – Dele4on. ¡A ¡piece ¡of ¡DNA ¡is ¡cut ¡from ¡the ¡genome ¡at ¡a ¡certain ¡ posi4on ¡ – Inversion. ¡A ¡piece ¡of ¡DNA ¡is ¡cut, ¡flipped ¡around ¡and ¡then ¡re-­‑ inserted, ¡thereby ¡conver4ng ¡it ¡into ¡its ¡complement ¡ – Transloca4on. ¡A ¡piece ¡of ¡DNA ¡is ¡moved ¡to ¡a ¡different ¡posi4on. ¡ – Duplica4on. ¡A ¡copy ¡of ¡a ¡piece ¡of ¡DNA ¡is ¡inserted ¡into ¡the ¡ genome ¡