مواضيع المحاضرة: Genetic Material
background image

 

1

 

3

rd

 Lecture                               Medical students                              Medical Biology 

 

Genetic Material 

 

In this section, we will focus on some techniques used in molecular genetics.

 
 

Nucleic acid hybridization:

 

Extremely  sensitive  detection  method,  capable  of  picking  out  specific  DNA 

sequences from complex mixtures. Usually a single pure sequence is labeled with P³² and 

used as a probe. The probe is denatured before use so that the strands are free to base-pair 

with  their  complements.  When  DNA  is  hybridized  with  a  RNA  probe,  the  DNA-RNA 

hybrids  are  immobilized  onto  a  plate  using  anti-DNA-RNA  antibodies.  Antihybrid 

antibodies conjugated to an enzyme are used for detection in combination with appropriate 

chemiluminescent substrates. 

 

Gel electrophoresis: 

The  technique  of  gel  electrophoresis  is  vital  to  the  genetic  engineer,  as  it 

represents  the  main  way  by  which  nucleic  acid  fragments  may  be  visualized  directly. 

When  an  electric  field  is  applied  to  an  agarose  gel  in  the  presence  of  a  buffer  solution 

which will conduct electricity, DNA fragments move through the gel towards the positive 

electrode  (DNA  is  highly  negatively  charged)  at  a  rate  which  is  dependent  on  their  size 

and  shape.  Hence,  this  process  of  electrophoresis  may  be  used  to  separate  mixtures  of 

DNA  fragments  on  the  basis  of  size.    The  DNA  samples  are  placed  in  wells  in  the  gel 

surface. DNA is allowed to migrate through the gel in separate lanes. The DNA is stained 

by  the  inclusion  of  ethidium  bromide.  After  electrophoresis,  The  DNA  shows  up  as  an 

orange band on illumination by UV light. 


background image

 

2

 

 

 

DNA sequencing: 

The ability to determine the sequence of bases in DNA is a central part of modern 

molecular  biology  and  provides  what  might  be  considered  the  ultimate  structural 

information.  The  two  main  methods  of  DNA  sequencing  are  the  Maxam  and  Gilbert 

chemical  method  in  which  end-labeled  DNA  is  subjected  to  base-specific  cleavage 

reactions prior to gel separation, and Sanger’s enzymic method. If, however, the aim is to 

sequence  a  much  larger  piece  of  DNA  (such  as  an  entire  chromosome),  the  problem  is 

much greater. 

 

 

 

لالطالع

 

لالطالع

 


background image

 

3

 

The polymerase chain reaction: 

 

The polymerase chain reaction (PCR) is used to amplify a sequence of DNA using 

a  pair  of  oligonucleotide  primers  each  complementary  to  one  end  of  the  DNA  target 

sequence. These are extended towards each other by a thermostable DNA polymerase in a 

reaction  cycle  of  three  steps:  denaturation,  primer  annealing  and  polymerization.  The 

reaction  cycle  comprises  a  95°C  step  to  denature  the  duplex  DNA,  an  annealing  step  of 

around  55°C  to  allow  the  primers  to  bind  and  a  72°C  polymerization  step.  Mg  2+  and 

dNTPs are required in addition to template primers, buffer and enzyme. 

 

 

Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA): 

ELISA    is  a  test  that  uses  antibodies  and  color  change  to  identify  a  substance 

(antigen or antibody).Antigens from  the sample are attached to a surface. Then, a further 

specific antibody is applied over the surface so it can bind to the antigen. This antibody is 

linked to an enzyme, and, in the final step, a substance containing the enzyme's  substrate 

is  added.  The  subsequent  reaction  produces  a  detectable  signal,  most  commonly  a  color 

change in the substrate. 

 

Southern and northern blotting: 

 

The  nucleic  acid  in  lanes  of  a  gel  is  transferred  to  a  membrane,  bound  and  then 

hybridized with a labeled nucleic acid probe. Washing removes non hybridized probe, and 

the  membrane  is  then  treated  to  reveal  the  bands  produced.  Specific  RNA  species  are 

detected on Northern blots, whereas the DNA bands on Southern blots could be genes in 

genomic DNA or parts of cloned genes. 

 

DNA Microarray:

  

DNA  microarrays  are  small,  solid  supports  (e.g.  glass  slides)  on  to  which  are 

spotted  individual  DNA  samples  corresponding  to  every  gene  in  an  organism.  When 

hybridized to labeled cDNA (complementary) representing the total mRNA population of 

a cell, each cDNA (mRNA) binds to its corresponding gene DNA and so can be separately 

quantified.  Commonly,  a  mixture  of  cDNAs  labeled  with  two  different  fluorescent  tags 

and representing a control  and experimental condition  are hybridized to  a single array  to 

provide a detailed profile of differential gene expression.  


background image

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

DNA fingerprinting:   

Cloning  and  genomic  sequencing  projects  have  identified  many  repetitive 

sequences in the human genome. Some of these are simple nucleotide repeats that vary in 

number  between  individuals  but  are  inherited  (VNTRs).  If  Southern  blots  of  restriction 

enzyme-digested  genomic  DNA  from  members  of  a  family  are  hybridized  with  a  probe 

that detects one of these types of repeats, each sample will show a set of bands of varying 

lengths. Some of these bands will be in common with those of the mother and some with 

those  of  the  father  and  the  pattern  of  bands  will  be  different  for  an  unrelated  individual. 

This  is  the  technique  of  DNA  fingerprinting  which  is  used  in  forensic  science  to 

eliminate the innocent and convict criminals. It is also applied for maternity and paternity 

testing in humans. 

 

Gene therapy

 Attempts have been made to  treat  some genetic disorders by delivering a normal 

copy of the defective gene to patients. This is known as gene therapy. For some disorders, 

the bone marrow is destroyed and replaced with treated cells that have had a normal gene, 

or  a  protective  gene.  Gene  therapy  will  produce  transgenic  somatic  cells  in  the  patient. 

Gene therapy is in its infancy, but it seems to have great potential. 

 

Bioinformatics:  

Bioinformatics is the interface between biology and computer science. It comprises 

the  organization  of  many  kinds  of  large-scale  biological  data,  particularly  that  based  on 

لالطالع

 


background image

 

5

 

DNA  and  protein  sequence,  into  databases  (normally  Web-accessible),  and  the  methods 

required to analyze these data. 

 

 

 

REGULATION OF GENE TRANSCRIPTION 

 

Promoters 

The  promoter  region  of  a  gene  is  usually  several  hundred  nucleotides  long  and 

immediately upstream from the transcription initiation site. The promoter constitutes the 

binding site for the enzyme machinery that is responsible for the transcription of DNA to 

RNA, the RNA polymerase. Promoters often contain the consensus sequence 5´-TATA-3´ 

box, 30 to 50 base pairs upstream of the site at which transcription begins in prokaryote. 

Many  eukaryotic  promoters  also  have  a  so-called  CAAT  box  with  a  GGNCAATCT 

consensus  sequence  centered  about  75  base  pairs  upstream  of  the  initiation  start  site.  In 

general,  the  promoter  region  has  a  high  importance  for  the  regulation  of  expression  of 

any gene.  

 

Enhancers:

  

These are sequence elements which can activate transcription from thousands of 

base  pairs  upstream  or  downstream.  They  may  be  tissue-specific  or  ubiquitous  in  their 

activity  and  contain  a  variety  of  sequence  motifs.  There  is  a  continuous  spectrum  of 

regulatory sequence elements which span from the extreme long-range enhancer elements 

to the short-range promoter elements.  

 

لالطالع

 


background image

 

6

 

Operators 

Operators  are  nucleotide  sequences  that  are  positioned  between  the  promoter  and 

the structural gene. They constitute the region of DNA to which repressor proteins bind 

and  thereby  prevent  transcription.  Repression  of  transcription  is  accomplished  by  the 

repressor protein attaching to the operator sequence downstream of the promoter sequence 

(the  point  of  attachment  of  the  RNA  polymerase).  The  enzyme  must  pass  the  operator 

sequence  to  reach  the  structural  genes  start  site.  The  repressor  protein  bound  to  the 

operator physically prevents this passage and, as a result, transcription by the polymerase 

cannot occur. Repressor proteins themselves can be affected by a variety of other proteins 

or small molecules. 

 

Biotechnology 

is  defined  as  “any  technological  application  that  uses  biological  systems,  living 

organisms,  or  derivatives  thereof,  to  make  or  modify  products  or  processes  for  specific 

use”.  Several  branches  of  industry  rely  on  biotechnological  tools  for  the  production  of 

food,  beverages,  pharmaceuticals  and  biomedicals.  The  techniques  used  for  this  purpose 

include: 

» isolation of the gene coding for a protein of interest. 

» cloning (i.e. transfer) of this gene into an appropriate production host. 

» improving gene and protein expression by using stronger promoters, improving 

fermentation conditions etc. Together, these techniques are known as recombinant DNA 

technology. 

 

 

 

 

Up By Fahad A. 




رفعت المحاضرة من قبل: Fahad Ahmed
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 94 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل