High-Yield™ Cell and Molecular Biology

Contents
ix
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .vii
Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xiii
Chromosomal DNA
I. The Biochemistry of Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
II. Levels of DNA Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
III. Centromere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
IV. Heterochromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
V. Euchromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
VI. Studying Human Chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
VII. Staining of Chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
VIII. Chromosome Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
IX. DNA Melting Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 Chromosome Replication
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
II. The Chromosome Replication Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
III. DNA Topoisomerases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
IV. The Telomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
V. DNA Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
VI. DNA Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
VII. Clinical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
VIII. Summary of Chromosome Replication Machinery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 Meiosis and Genetic Recombination
I. Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
II. Genetic Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 The Human Nuclear Genome
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
II. Protein-Coding Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
III. RNA-Coding Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
IV. Epigenetic Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
V. Noncoding DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22 The Human Mitochondrial Genome
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
II. The 13 Protein-Coding Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
III. The 24 RNA-Coding Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
IV. Other Mitochondrial Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
V. Mitochondrial Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 Protein Synthesis
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
II. Transcription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
III. Processing the RNA Transcript into mRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
IV. Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
V. Clinical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Control of Gene Expression
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
II. Mechanism of Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
III. The Structure of DNA-Binding Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
IV. Other Mechanisms of Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
V. The
VI. The
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Lac Operon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 trp Operon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Mutations of the DNA Sequence
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
II. Silent (Synonymous) Mutations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
III. Non-Silent (Nonsynonymous) Mutations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
IV. Loss of Function and Gain of Function Mutations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
V. Other Types of Polymorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Proto-Oncogenes, Oncogenes, and Tumor-Suppressor Genes
I. Proto-Oncogenes and Oncogenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
II. Tumor-Suppressor Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
III. Hereditary Cancer Syndromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 The Cell Cycle
I. Mitosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
II. Control of the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 Molecular Biology of Cancer
I. The Development of Cancer (Oncogenesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
II. The Progression of Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
III. Signal Transduction Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Cell Biology of the Immune System
I. Neutrophils (Polys, Segs, or PMNs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
II. Eosinophils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
III. Basophils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
IV. Mast Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
V. Monocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
VI. Macrophages (Histiocytes; Antigen-Presenting Cells) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
VII. Natural Killer CD16
VIII. B Lymphocyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
IX. T Lymphocyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
X. Immune Response to Exogenous Protein Antigens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
XI. Immune Response to Endogenous Antigens (Intracellular Virus or Bacteria) . . . . . .86
XII. Cytokines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 Molecular Biology of the Immune System
I. Clonal Selection Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
II. The B Lymphocyte (B Cell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
III. The T Lymphocyte (T Cell) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
IV. Clinical Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
V. Disorders of Phagocytic Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
VI. Systemic Autoimmune Disorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
VII. Organ-Specific Autoimmune Disorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Molecular Biology Techniques
I. Action of Restriction Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
II. Electrophoresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
III. The Enzymatic Method of DNA Sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
IV. Southern Blotting and Prenatal Testing for Sickle Cell Anemia . . . . . . . . . . . . . . . .107
V. Isolating a Human Gene by DNA Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
VI. Construction of cDNA Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
VII. Polymerase Chain Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
VIII. Producing a Protein from a Cloned Gene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
IX. Site-Directed Mutagenesis and Knockout Animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
X. Northern Blot (mRNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
XI. Western Blot (Protein) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
XII. Human Immunodeficiency Virus (HIV) Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
XIII. Ligase Chain Reaction (LCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
XIV. Flow Cytometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Identification of Human Disease Genes
I. General Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
II. Identification of a Human Disease Gene Through a Chromosome Abnormality . . . . .129
III. Identification of a Human Disease Gene Through Pure Transcript Mapping . . . . . .130
IV. Identification of a Human Disease Gene Through Large Scale DNA Sequencing . . . . .131
V. Identification of a Human Disease Gene Through Comparison of Human
and Mouse Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 Gene Therapy
I. Gene Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
II. Ex Vivo and In Vivo Gene Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
III. Integration into Host Cell Chromosomes or as Episomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
IV. Viral Vectors Used in Gene Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
V. Nonviral Vectors Used in Gene Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
Appendix 1: The Genetic Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Appendix 2: Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
Appendix 3: Chromosomal Locations of Human Genetic Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . .139
Figure Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
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