ebook img

The New Genetics PDF

2010·5.9 MB·English
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview The New Genetics

FindingsMagazine NIGMS Science Education Publications CD­ROM Containing NIGMS  Science Education Materials Posters S We would like your comments on The New Genetics.  Please give us your feedback by filling out this postage­paid card. Browse and order free NIGMS educational publications R at http://publications.nigms.nih.gov/order 1. How do you use this publication? Send me free poster(s) on: E ❑Living Laboratories  D 2. What do you like best about this publication? ❑Chemistry  ❑Find Out (what it’s like to be a scientist) A 3. How could we improve this publication? ❑Send me a free CD­ROM containing all NIGMS  E science education materials for high school and  early college students. The  New  Genetics R 4. Do you have other suggestions or comments? Send me a free copy of the NIGMS science education    booklet(s) on: N ❑cell biology Name ❑chemistry and biochemistry O School/Organization* ❑computers and biology Grade Level* ❑genetics I ❑pharmacology T Address ❑structural biology/proteins NIH Publication No. 10­662 N ❑Send me a copy of Findings, a free magazine with  Revised April 2010 City profiles of scientists and more. http://www.nigms.nih.gov E State                                                         ZIP Code ❑Add my name to the mailing list for free future  T U.S.  DEPARTMENT  OF   issues ofFindings. E­mail (optional) Printed on XX% recycled paper. HEALTH  AND  HUMAN  SERVICES T ❑single copy National  Institutes  of  Health Phone (optional) ❑class set ____ copies (limit 30) Read, Share, Recycle. National  Institute  of  General  Medical  Sciences A *required for multiple­copy orders Discrimination Prohibited Under provisions of applicable public laws enacted by Congress since 1964, no person in the United States shall, on the grounds ofrace, color, national origin, handicap, or age, be excluded from participation in, be denied the benefits of, or be subjected to discrimination under any program or activity (or, on the basis of sex, with respect to any education program or activity) receiving Federal financial assistance. In addition, Executive Order 11141 prohibits discrimi ­ nation on the basis of age by contractors and subcontractors in the performance ofFederal contracts, and Executive Order WHAT  IS  NIGMS? The  National  Institute  of  General  Medical 11246 states that no f ederally funded  contractor may discriminate against any  Sciences  (NIGMS)  supports  basic  research  on  genes,  proteins  and employee or applicant for employment cells.  It  also  funds  studies  on  fundamental  processes  such  as  how because of race, color, religion, sex, or national origin. Therefore, the programs of cells  communicate,  how  our  bodies  use  energy  and  how  we the National Institute of General Medical respond  to  medicines.  The  results  of  this  research  increase  our Sciences must be o perated in compliance with these laws and Executive Orders. understanding  of  life  and  lay  the  foundation  for  advances  in  the Accessibility diagnosis,  treatment  and  prevention  of  disease.  The  Institute’s This publication can be made available DEPT OF HEALTH AND HUMAN SERVICES informats that are more accessible to  research  training  programs  produce  the  next  generation  of  NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH people with disabilities. To request this NATIONAL INSTITUTE OF GENERAL MEDICAL SCIENCES scientists,  and  NIGMS  has  programs  to  increase  the  diversity  of  the material in a different format, contact the 45 CENTER DR RM 3AN.32 MSC 6200 NIGMS Office of Communications and BETHESDA MD  20892­6200 biomedical  and  behavioral  research  workforce.  NIGMS  supported Public Liaison at 301­496­7301; send  e­mail to [email protected]; or write OFFICIAL BUSINESS the  research  of  most  of  the  scientists  mentioned  in  this  booklet. PENALTY FOR PRIVATE USE $300 tothe office at the following address: 45Center Drive MSC 6200, Bethesda, MD 20892­6200. If you have questions or  comments about this publication, you  can use the same contact information toreach the office. Additional Copies and Web Links To order additional copies of The New Geneticsor other free NIGMS publications, go to http://publications.nigms.nih.gov/order NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH NATIONAL INSTITUTE OF GENERAL MEDICAL SCIENCES or use the contact information above.  OFFICE OF COMMUNICATIONS AND PUBLIC LIAISON The New Geneticsis available online  45 CENTER DR RM 3AN.32 MSC 6200 BETHESDA MD  20814­9692 at http://publications.nigms.nih.gov/ thenewgenetics. Produced  by  the  Office  of  Communications  and  Public  Liaison National  Institute  of  General  Medical  Sciences National  Institutes  of  Health U.S.  Department  of  Health  and  Human  Services The  New  Genetics NIH  Publication No.10 ­662 Revised April  2010 http://www.nigms.nih.gov Contents FOREWORD   2 CHAPTER  1:  HOW  GENES  WORK   4 Beautiful  DNA  5 Copycat  8 Let’s  Call  It  Even  9 Getting  the  Message  11 Nature’s  Cut­and­Paste  Job 14 All  Together  Now  16 Genetics and You: Nursery Genetics  17 Found  in  Translation  18 RNA  Surprises  19 An  Interesting  Development  20 The Tools of  Genetics: Mighty Microarrays  22 CHAPTER  2:  RNA  AND  DNA  REVEALED:  NEW  ROLES,  NEW  RULES 24 RNA  World  25 Molecular  Editor  26 Healthy  Interference  29 Dynamic  DNA  30 Secret  Code  30 Genetics and You: The Genetics of  Anticipation  32 Battle  of  the  Sexes  33 Starting  at  the  End  34 The  Other  Human  Genome  36 The Tools of  Genetics: Recombinant DNA and Cloning  38 CHAPTER  3:  LIFE’S  GENETIC  TREE 40 Everything  Evolves  40 Selective  Study  42 Clues  from  Variation  43 Living Laboratories  46 The  Genome  Zoo  52 Genes  Meet  Environment  53 Genetics and You: You’ve Got Rhythm!  56 Animals  Helping  People  58 My  Collaborator  Is  a  Computer  58 The Tools of  Genetics: Unlimited DNA 60 CHAPTER  4:  GENES  ARE  US 62 Individualized  Prescriptions  64 The  Healing  Power  of  DNA  65 Cause  and  Effect  67 Us  vs. Them  68 Genetics and You: Eat Less,  Live Longer?  69 Gang  Warfare  70 The Tools of  Genetics: Mathematics and Medicine 72 CHAPTER  5:  21ST­CENTURY  GENETICS 74 No  Lab?  No  Problem!  76 Hard  Questions  78 Good  Advice  80 Genetics and You: Crime­Fighting DNA  81 Genetics,  Business,  and  the  Law  82 Careers  in  Genetics  85 The Tools of  Genetics: Informatics and Databases 86 GLOSSARY   88 Foreword And  every  living  thing Consider  just  three  of  Earth’s  inhabitants: does  one  thing  the  same a bright  yellow  daffodil  that  greets  the way:  To make  more  of itself,  it  first  copies  its spring,  the  single­celled  creature  called molecular  instruction manual—its  genes—and  then  passes  this  infor­ Thermococcus that  lives  in  boiling  hot mation  on  to  its  offspring.  This  cycle  has  been springs,  and  you.  Even  a  science­fiction repeated  for  three  and  a  half  billion  years. But  how  did  we  and  our  very  distant  rela­ writer  inventing  a  story  set  on  a  distant tives  come  to  look  so  different  and  develop  so many  different  ways  of  getting  along  in  the   planet  could  hardly  imagine  three  more  dif­ world?  A  century  ago,  researchers  began  to  answer ferent  forms  of  life.  Yet  you,  Thermococcus that  question  with  the  help  of  a  science  called genetics.  Get  a  refresher  course  on  the  basics  in and  the  daffodil  are  related!  Indeed,  all  of Chapter  1,  “How  Genes  Work.” It’s  likely  that  when  you  think  of  heredity  the Earth’s  billions  of  living  things  are  kin you  think  first  of  DNA,  but  in  the  past  few  years, to each  other. researchers  have  made  surprising  findings  about The New Genetics I Foreword 3 another  molecular  actor  that  plays  a  starring  role. Can  DNA  and  RNA  help  doctors  predict Check  out  the  modern  view  of  RNA  in  Chapter  2, whether  we’ll  get  diseases  like  cancer,  diabetes  or “RNA  and  DNA  Revealed:  New  Roles,  New  Rules.” asthma?  What  other  mysteries  are  locked  within When  genetics  first  started,  scientists  didn’t the  6  feet  of  DNA  inside  nearly  every  cell  in  our have  the  tools  they  have  today.  They  could  only bodies?  Chapter  4,  “Genes Are  Us,” explains  what look  at  one  gene,  or  a  few  genes,  at  a  time.  Now, researchers  know,  and  what  they  are  still  learning, researchers  can  examine  all  of  the  genes  in  a  liv­ about  the  role  of  genes  in  health  and  disease. ing  organism—its  genome—at  once.  They  are Finally,  in  Chapter  5,  “21st­Century doing  this  for  organisms  on  every  branch  of  the Genetics,”  see  a  preview  of  things  to  come.  Learn tree  of  life  and  finding  that  the  genomes  of  mice, how  medicine  and  science  are  changing  in  big frogs,  fish  and  a  slew  of  other  creatures  have ways,  and  how  these  changes  influence  society. many  genes  similar  to  our  own. From  metabolism  to  medicines  to  agriculture, So  why  doesn’t  your  brother  look  like  your the  science  of  genetics  affects  us  every  day.  It  is dog  or  the  fish  in  your  aquarium?  It’s  because  of part  of  life  …  part  of  your life! evolution.  In  Chapter  3,  “Life’s  Genetic  Tree,” find  out  how  evolution  works  and  how  it  relates to  genetics  and  medical  research. C H A P T E R  1  How  Genes  Work P eople have known for many years that  Proteins do many other things,  too.  They living things inherit traits from their parents. p rovide the body’s main building materials, That common­sense observation led to agricul­ f orming the cell’s architecture and structural ture,  the purposeful breeding and cultivation of components.  But one thing  proteins can’t do is animals and plants for desirable characteristics. make copies of  themselves.  When a cell needs Firming up the details took quite some time, more proteins,  it uses the manufacturing instruc­ though.  Researchers did not understand exactly tions coded in DNA. how traits were passed to the next generation The DNA code of  a gene—the sequence  of until the middle of  the 20th century. its individual DNA building blocks,  labeled A Now it is clear that genes are what carry our (adenine),  T (thymine),  C (cytosine) and G traits through generations and that genes are ( guanine) and collectively called nucleotides— made of deoxyribonucleic acid (DNA).  But spells out the exact order of  a protein’s building genes themselves don’t do the actual work. blocks,  amino acids. Rather,  they serve as instruction books for mak­ Occasionally,  there is a kind of  typographical ing functional molecules such as ribonucleic error in a gene’s DNA sequence.  This mistake— acid (RNA) and proteins,  which perform the which can be a change,  gap or duplication—is chemical reactions in our bodies. called a mutation. Genetics in the Garden In  1900,  three  European  scientists  inde­  The  monk  Gregor Mendel  first  described pendently  discovered  an  obscure  research how  traits are  inherited paper  that  had  been  published  nearly  35 from  one  generation  to years  before.  Written  by  Gregor  Mendel, the  next. an  Austrian  monk  who  was  also  a  scien­ tist,  the  report  described  a  series  of offspring  and  learned  that  these  characteristics breeding  experiments  performed  with  pea were  passed  on  to  the  next  generation  in  orderly, plants  growing  in  his  abbey  garden. predictable  ratios. Mendel  had  studied  how  pea  plants When  he  cross­bred  purple­flowered  pea  plants inherited  the  two  variant  forms  of  easy­to­see with  white­flowered  ones,  the  next  generation  had traits.  These  included  flower  color  (white  or  purple) only  purple  flowers.  But  directions  for  making  white and  the  texture  of  the  peas  (smooth  or  wrinkled). flowers  were  hidden  somewhere  in  the  peas  of  that Mendel  counted  many  generations  of  pea  plant  generation,  because  when  those  purple­flowered The New Genetics I How  Genes  Work 5 A mutation can cause a gene to encode a  Beautiful  DNA protein that works incorrectly or that doesn’t Up  until  the  1950s,  scientists  knew  a  good  deal work at all.  Sometimes,  the error means that no about  heredity,  but  they  didn’t  have  a  clue  what protein is made. DNA  looked  like.  In  order  to  learn  more  about But  not  all  DNA  changes  are  harmful.  Some DNA  and  its  structure,  some  scientists  experi­ mutations  have  no  effect,  and  others  produce  mented  with  using  X  rays  as  a  form  of  molecular new  versions  of  proteins  that  may  give  a  survival photography. advantage  to  the  organisms  that  have  them.  Over Rosalind  Franklin,  a  physical  chemist  work­ time,  mutations  supply  the  raw  material  from ing  with  Maurice  Wilkins  at  King’s  College  in which  new  life  forms  evolve  (see  Chapter  3, London,  was  among  the  first  to  use  this  method “Life’s  Genetic  Tree”). to  analyze  genetic  material.  Her  experiments plants  were  bred  to  each  other,  some  of  their  off­ factors,  whatever  they  were,  must  be  physical  spring  had  white  flowers.  What’s  more,  the material  because  they  passed  from  parent  to  second­generation  plants  displayed  the  colors  in  a offspring  in  a  mathematically  orderly  way.  It  wasn’t predictable  pattern.  On  average,  75  percent  of  the until  many  years  later,  when  the  other  scientists second­generation  plants  had  purple  flowers  and unearthed  Mendel’s  report,  that  the  factors  were 25  percent  of  the  plants  had  white  flowers.  Those named  genes. same  ratios  persisted,  and  were  reproduced  when Early  geneticists  quickly  discovered  that the  experiment  was  repeated  many  times  over. Mendel’s  mathematical  rules  of  inheritance  applied Trying  to  solve  the  mystery  of  the  missing  color not  just  to  peas,  but  also  to  all  plants,  animals  and blooms,  Mendel  imagined  that  the  reproductive people.  The  discovery  of  a  quantitative  rule  for cells  of  his  pea  plants  might  contain  discrete  inheritance  was  momentous.  It  revealed  that  a “factors,”  each  of  which  specified  a  particular  trait, common,  general  principle  governed  the  growth such  as  white  flowers.  Mendel  reasoned  that  the and  development  of  all  life  on  Earth. 6 National  Institute  of  General  Medical  Sciences    produced  what  were  referred  to  at  the  time  as “the most  beautiful  X­ray  photographs  of  any CO subsOtathnecre    secvieern  ttaisktes,n  i.”n cluding  zoologist  James   LDSPRINGHARBO Watson  and  physicist  Francis  Crick,  both  work­  RLABO RATO Kinign  gadt  oCmam,  wberirde  gter  yUinngiv  teor  sditeyt  eirnm  thinee  U  thneit  sehda pe  RYARCHIVES . In 1953, Watson and Crick  created their historic of DNA  too.  Ultimately,  this  line  of  research model of the shape of DNA: the double helix. revealed  one  of  the  most  profound  scientific  discoveries  of  the  20th  century:  that  DNA  exists handrails—were complementary to each other, as  a double  helix. and this unlocked the secret of  how genetic The  1962  Nobel  Prize  in  physiology  or  medi­ information is stored,  transferred and copied. cine  was  awarded  to  Watson,  Crick  and  Wilkins In  genetics,  complementary  means  that  if   for  this  work.  Although  Franklin  did  not  earn  a you  know  the  sequence  of  nucleotide  building share  of  the  prize  due  to  her  untimely  death  at  age blocks  on  one  strand,  you  know  the  sequence  of 38,  she  is  widely  recognized  as  having  played  a  nucleotide  building  blocks  on  the  other  strand:  significant  role  in  the  discovery. A  always  matches  up  with  T  and  C  always  links The  spiral  staircase­shaped  double to  G  (see  drawing,  page  7).  helix  has  attained  global  status  as Long  strings  of  nucleotides  form  genes,  the  symbol  for  DNA.  But what and  groups  of  genes  are  packaged  tightly  into is so beautiful about the  structures  called  chromosomes.  Every  cell  in  your discovery of  the twisting  body  except  for  eggs,  sperm  and  red  blood  cells ladder structure isn’t just  contains  a  full  set  of  chromosomes  in  its  nucleus. its good looks.  Rather,  the If  the  chromosomes  in  one  of  your  cells  were structure of  DNA taught uncoiled  and  placed  end  to  end,  the  DNA  would researchers a fundamental  be  about  6  feet  long.  If  all  the  DNA  in  your  body lesson about genetics.  It taught were  connected  in  this  way,  it  would  stretch them that the two connected approximately  67  billion  miles!  That’s  nearly strands—winding together like parallel 150,000  round  trips  to  the  Moon. . Rosalind Franklin’s  original X­ray diffraction photo revealed the physical structure of DNA. OREGON  STATE  UNIVERSITY  LIBRARIES SPECIAL COLLECTIONS

See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.