Файл: Cell and Molecular Biology [High-Yield].pdf

Contents

ix

Preface  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .vii
Abbreviations  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xiii

Chromosomal DNA

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

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

Chromosome Replication

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

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

Meiosis and Genetic Recombination

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

I. Meiosis  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

II. Genetic Recombination   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

The Human Nuclear Genome

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

I. General Features  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

II. Protein-Coding Genes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

III. RNA-Coding Genes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

IV. Epigenetic Control.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

V. Noncoding DNA  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

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CONTENTS

The Human Mitochondrial Genome

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

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

Protein Synthesis

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

I. General Features   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

II. Transcription   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

III. Processing the RNA Transcript into mRNA  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

IV. Translation  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

V. Clinical Considerations   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Control of Gene Expression

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

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 Lac Operon  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

VI. The trp Operon  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

Mutations of the DNA Sequence

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

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

Proto-Oncogenes, Oncogenes, and Tumor-Suppressor Genes

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

I. Proto-Oncogenes and Oncogenes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

II. Tumor-Suppressor Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

III. Hereditary Cancer Syndromes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

The Cell Cycle

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

I. Mitosis  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

II. Control of the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68

Molecular Biology of Cancer

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

I. The Development of Cancer (Oncogenesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

II. The Progression of Cancer  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

III. Signal Transduction Pathways  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

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CONTENTS

Cell Biology of the Immune System

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

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

Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

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

Molecular Biology of the Immune System

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

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

Molecular Biology Techniques

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

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

Identification of Human Disease Genes

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129

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

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Gene Therapy

 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133

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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