Substansigenetika

Dasar Biologi Molekuler

SUBSTANSI GENETIKA

Nukleus

Kromatin

Solenoid

Nukleosom/Nukleoprotein

Asam Nukleat

Protein

DNA RNA Struktur RNA

Tipe-tipe RNA

RNAm

RNAt

RNAr

Struktur DNA Replikasi

DNA

Apa itu RNA

RNA a/ penyimpan informasi genetik (pada virus)

RNA a/ penyalur informasi genetik (pada proses translasi sintesis protein)

RNA juga dapat menjadi enzim (ribozim) untuk mengkatalis RNA sendiri.

Komponen : Gula Ribosa

Basa N : Adenin, Guanin

Sitosin Urasil

Bentuk: rantai pendek, tunggal, tdk berpilin

Letak : nukleus, sitoplasma, kloroplas, mitokondria

Kadar tidak tetap

Apa itu DNA

DNA a/ penyimpan informasi genetik

DNA a/ makromolekul yang terdiri dari banyak urutan nukleotida (kode genetik)

Komponen : Gula Dioksiribosa

Basa N : Adenin, Guanin

Sitosin Timin

Bentuk : rantai panjang double helix

Letak : nukleus, kloroplas, mitokondria

Kadar : tetap

Konservatif

Semikonservatif

Dispersif

Kromatid

Kromosom Bentuk kromosom

Tipe dan jumlah kromosom

SUBSTANSI GENETIKA

• Molekul besar yang bertanggung jawab mengatur jalannya seluruh peristiwa kimia (metabolisme) di dalam tubuh mahluk hidup adalah DNA dan atau RNA.

• DNA dan RNA juga berfungsi sebagai unit informasi genetik yang dapat diwariskan kepada keturunan.

• DNA dan RNA digolongkan sebagai Asam Nukleat

• DNA adalah salah satu komponen penyusun kromosom.

PERKEMBANGAN PEMIKIRAN TENTANG

GEN

•MENDEL•Johansen

Hubungan Intisel-Kromosom dan Gen

KROMOSOM• Terdapat dalam nukleus (inti sel)• Kromosom berasal dari benang-

benang kromatin yang kemudian menebal menjadi kromosom ketika sel siap untuk membelah.

• Adalah struktur padat yang terdiri dari dua komponen yaitu : Asam Nukleat dan protein.

BAGIAN-BAGIAN KROMOSOM

KROMOSOM (2)

Bagian-bagian kromosom.

Bab 3 Substansi Genetika

Konstriksi (lekukan) sekunder

Konstriksi primer

Satelit

Sentromer

Sentromer

Kromomer

Kromonema

Bereplikasi

KROMOSOM (3)

Macam-macam bentuk kromosom.

Kariotipe manusia.

Bab 3 Substansi Genetika

Akrosentrik

SubmetasentrikMetasentrik

Telosentrik

XY

1. KROMATID : Adalah salah satu lengan dari dua lengan kromosom.

2. KROMOMER : Adalah akumulasi dari materi kromatin

3. SENTROMER : Adalah daerah pelekukan disekitar bagian tengah kromosom.

4. SATELIT : Adalah bulatan diujung lengan kromatid yang terbentuk karena ada pelekukan kedua.

5. TELOMER : Adalah daerah terujung pada lengan kromosom yang berfungsi menjaga stabilitas daerah tersebut agar DNA tidak terurai.

BENTUK-BENTUK KROMOSOM

• Kromosom Metasentrik : Adalah kromosom yang letak sentromernya ditengah lengan kromatid.

• Kromosom Submetasentrik : Adalah kromosom yang letak sentromernya tidak ditengah lengan kromatid.– Kromosom Aksosentrik : adalah kromosom

yang letak sentromernya di daerah antara ujung dengan bagian tengah lengan kromatid

– Kromosom Telosentrik : adalah kromosom yang sentromernya terletak di ujung lengan kromatid.

A. TELOSENTRIK

B. AKROSENTRIK

C. METASENTRIK

Bentuk-bentuk kromosom berdasarkan letak sentromernya :

TIPE & JUMLAH KROMOSOM

• Tampilan Visual kromosom setiap individu disebut KARIOTIPE

• Kromosom yang memiliki pasangan dengan panjang, letak sentromer dan pola pewarnaan yang sama disebut Kromosom Homolog

Organisme Jumlah kromosom

Manusia 46

Lalat buah 8

Simpanse 48

Katak 26

Kuda 64

Genotype SpecificityEach individual is identified by a relatively unique combination of nucleotides found in long coiled

strands of DNA organized as chromosomes found in a cell’s

nucleus. The number and arrangement of chromosomes in an

organism is characteristic of that organism, and can be represented as a karyotype, which derived by

arranging the chromosomes in pairs by size. The karyotype can be used

to show differences in genetic makeup (genotype), which

determines the features that person has (phenotype). Karyotypes of

various humans are shown.

KARIOTIPE LAKI - LAKI NORMAL

Shows 23 pairs of chromosomes.

Twenty two pairs are called autosomes, 1 pair is called the sex chromosomes ; XY in a male.

Males are associated with secondary sexual characteristics – abundant facial hair, voice, others.

Differences are also evident in the genitalia.

• Tipe Kromosom :– AUTOSOM : Kromosom tubuh menentukan

karakter fisik– GONOSOM : Kromosom seks penentu jenis

kelamin

• Jumlah kromosom pada manusia : – Pada setiap sel somatik ( sel tubuh)

terdapat 22 pasang autosom dan 1 pasang gonosom

– Pada setiap gamet (sel kelamin)• Sperma (sel kelamin jantan) terdapat 22 autosom

dan gonosom X atau gonosom Y• Ovum (sel kelamin betina) terdapat 22 autosom

dan gonosom X

PENGEMASAN DNA DALAM KROMOSOM• Struktur padat kromosom hanya jelas terlihat

pada tahap metafase dalam pembelahan sel• Pada tahap profase terjadi pengemasan DNA

dalam kromosom dengan tahapan : – 1. DNA diikat oleh protein menjadi suatu unit

yang disebut nukleosom/nukleoprotein.– 2. Nukleosom/nukleoprotein membentuk

pintalan benang yang disebut solenoid.– 3. Solenoid tersusun menjadi benang padat

yang disebut Benang Kromatin.– 4. Benang kromatin tersusun menjadi lengan

kromatid.– 5. Dua lengan kromatid kembar menjadi

kromosom.

Bahan genetik yang baik harus memenuhi ciri-ciri sebagai berikut:

1. Mengandung informasi untuk struktur, fungsi, perkembangan, dan reproduksi sel.

2. Bereplikasi secara akurat → sel keturunan memiliki bahan genetik yang sama seperti induknya.

3. Mampu bervariasi (melalui mutasi dan

rekombinasi) → adaptasi terhadap perubahan dan evolusi

BAHAN GENETIKA

MENCARI MOLEKUL MATERI GENETIK

• Mendel → Ada faktor yang diturunkan• Percobaan Frederick Griffith

• Avery-MacLeod

Hubungan Kromosom, gen dan

DNA

GEN• Gen adalah fragmen DNA yang diikat atau diselubungi oleh protein.

• Gen adalah unit informasi genetik.• Sifat Gen :

– Dominan : adalah gen yang sekalipun bersama dengan gen lain tetapi karakternya diekspresikan sepenuhnya.

– Resesif : adalah gen yang karakternya tidak muncul, tertutup oleh gen yang dominan.

– Intermedier : adalah gen yang saling mempengaruhi.

• Total informasi genetik yang disimpan dalam kromosom disebut GENOM.

• Gen penentu karakter tertentu disimbolkan dengan huruf tertentu :– Huruf besar untuk gen yang dominan– Huruf kecil untuk gen yang resesif

ALEL• Setiap gen yang menentukan karakter

fisik tertentu menempati Lokus pada masing kromosom homolog.

• Misal : gen penentu warna mata menempati suatu lokus pada satu kromosom, maka kromosom homolognya juga memiliki gen penentu warna mata pada lokus yang setara.

• Pasangan gen yang seperti ini disebut Alel. Alel atau disebut juga alternatif gen menentukan variasi pada pewarisan suatu sifat.

STRUKTUR DNA

• DNA sudah terbukti merupakan substansi genetika (penyusun gen)

• Bagaimana strukturnya?• Bagaimana mekanisme

pengaturannya

Komponen DNA• Polimer, polinukleotida

– Deoksiribosa– Basa nitrogen: purin dan pirimidin– Gugus fosfat

STRUKTUR DNA: DOUBLE HELIX

• Aturan Chargaff :

• Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins– Difraksi sinar-X

Rantai DNA

Gugus fosfat terikat pada karbon nomor 5 gula deoksiribosa

Basa nitrogen terikat pada karbon no 1 gula deoksiribosa

Untuk membentuk rantai, nukleotida-nukleotida saling berikatan menggunakan ikatan fosfodiester

• Crick dan Watson: DNA double Helix

• Hadiah Nobel

KROMOSOM

A. DNA dan Kromosom ditemukan pada sel prokariot dan eukariot

1. Sel Prokaryot- DNA berada di sitoplasma, sirkuler, 1 atau lebih

DNA bakteri panjangnya berukuran 1000 kali dari panjang bakteri itu sendiri

2. Sel Eukaryotik- DNA berada di dalam inti sel

B. Struktur Kromosom- kromosom terkecil manusia berukuran 30 juta pasang basa

1. Kromosom Eukaryotik terpaket dalam suatu struktur yang disebut chromatinchromatin. DNA mengulir pada protein histoneshistones

2. NucleosomeNucleosome

Gen Organisme EukariotGen Organisme Eukariot

Area Penyandi ProteinArea Penyandi Protein(Exons)(Exons)

Termination of Termination of transcriptiontranscription

PromotorPromotor – –transkripsi dimulai di transkripsi dimulai di sinisini

a g q

C. Replikasi DNADNA

1. Duplikasi DNA- sebelum sel membelah, DNA menduplikasi dalam proses yang disebut replikasireplikasi

REPLIKASI DNA• Replikasi adalah peristiwa sintesis DNA. Ketika sel

membelah secara mitosis sel anak harus mengandung DNA penuh dan identik dengan DNA pada sel induk. Karena itu DNA harus direplikasi (diperbanyak) dengan secara tepat sebelum proses pembelahan sel dimulai.

• Replikasi terjadi dengan tiga model:– Konservatif : dua rantai DNA lama tidak berubah, berfungsi

sebagai cetakan untuk dua rantai DNA baru.– Semi Konservatif : dua rantai DNA lama terpisah kemudian

rantai baru disintesis dengan prinsip komplementasi pada masing-masing rantai DNA lama tsb. Akhirnya dihasilkan dua rantai DNA baru yang masing-masing mengandung satu rantai lama dan satu rantai baru hasil sintesis.

– Dispersif : beberapa bagian dari kedua rantai DNA lama digunakan sebagai cetakan untuk sintesis rantai DNA baru, Akhirnya diperoleh dua rantai DNA yang masing-masing mengandung sebagian rantai DNA lama dan rantai DNA baru.

3 model replikasi DNA

KODE GENETIK

• Kode Genetik adalah pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA untuk menentukan urutan asam amino pada saat pembuatan protein (sintesis protein)

• Informasi pada kode genetik ditentukan oleh basa Nitrogen pada rantai DNA yang akan menentukan susunan asam amino.

• Susunan tiap tiga nukleotida akan membentuk satu macam asam amino Mis : AGU, GAS, SGS dll

• Kombinasi triplet dari 4 macam basa Nitrogen akan menghasilkan 64 macam asam amino padahal ditubuh kita hanya ada sekitar 20 asam amino. Hal ini menyebabkan adanya “kelimpahan” dalam kode genetika yang disebut dengan “redundasi”

KODON (Kode Genetik)

• Kodon (Kode Genetik) adalah susunan tiap tiga nukleotida yang mewakili informasi bagi suatu asam amino tertentu

KAMUS KODE GENETIK

TIPE RNA

• RNAd adalah RNA yang urutan basanya komplementer (berpasangan) dengan salah satu urutan basa rantai DNA. RNAd membawa pesan atau kode genetik (kodon) dari kromosom di dalam inti sel ke ribosom. RNAd berupa rantai tunggal yang relatif panjang.

• RNAr adalah RNA yang merupakan komponen utama penyusun ribosom. Setiap unit ribosom terdiri dari 30-46% molekul RNAr dan 70-80% protein.

• RNAt adalah RNA pembawa asam amino satu persatu ke ribosom yang akan digunakan dalam pengurutan asam amino sesuai urutan kodon pada RNAd. Pada salah satu ujung RNAt terdapat tiga basa N yang disebut antikodon, sedang ujung yang lain adalah tempat melekatnya asam amino.

Perbedaan DNA dan RNA

Parameter DNA RNAKomponen :•Gula•Basa Nitrogen-Purin-Pirimidin

Deoksiribosa

Adenin, GuaninTimin, Sitosin

Ribosa

Adenin, GuaninUrasil, Sitosin

Bentuk Rantai panjang, ganda dan berpilin(double helix)

Rantai pendek, tunggal dan tidak berpilin

Letak Di dalam nukleus, kloroplas, mitokondria

Di dalam nukleus, sitoplasma, kloroplas, mitokondria

Kadar Tetap Tidak tetap

Ekspresi gen : SINTESIS PROTEIN

• Fenotip suatu individu ditentukan oleh aktivitas enzim. Enzim yang berbeda akan menimbulkan fenotip yang berbeda. Perbedaan satu enzim dan enzim lain ditentukan oleh jumlah, jenis dan susunan asam amino penyusun enzim. Susunan asam amino ini ditentukan oleh gen/DNA

• Ekspresi gen adalah proses dimana kode genetik yang dibawa oleh gen diterjemahkan menjadi urutan asam amino.

• Ekspresi gen merupakan sintesis protein yang berlangsung dalam 2 tahap yaitu :

• Transkripsi : yaitu penyalinan urutan rantai nukleotida templat dari DNA untuk menghasilkan satu rantai RNA. Proses ini berlangsung di dalam inti sel.

• Translasi : Penterjemahan urutan nukleotida rantai RNA menjadi urutan asam amino untuk membentuk rantai polipeptida.

TRANSKRIPSI (PENYALINAN)• Adalah sintesis RNA dari salah satu rantai DNA, yaitu rantai

cetakan (sense) sedang rantai DNA komplemennya disebut antisense.

• Transkripsi berlangsung di dalam inti sel dalam 3 tahap yaitu :• Inisiasi (permulaan) : adalah tahap dimana enzyme RNA

polimerase melekat pada rantai DNA untuk memutuskan ikatan hidrogen antara 2 rantai DNA sekaligus memilih rantai DNA yang berfungsi sebagai template (sense) dan mana yg sebagai antisense

• Elongasi (perpanjangan) : adalah tahap dimana RNA polimerase bergerak disepanjang DNA sambil menambahkan nukleotida ke ujung 3’ dari rantai RNA yang sedang tumbuh.

• Terminasi (penutup) : Elongasi terus berlangsung sampai RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang disebut terminator. Terminator adalah urutan DNA yang berfungsi menghentikan proses transkripsi.

TRANSKRIPSI

Transkripsi• Sintesis RNA

• RNA eukariot akan diproses terlebih dahulu sebelum keluar nukleus

TRANSLASI (PENTERJEMAHAN)• Adalah proses penterjemahan kode genetik (kodon) dari rantai RNAd hasil

transkripsi menjadi urutan asam amino untuk membentuk rantai polipeptida.• Translasi berlangsung dengan syarat : ada RNAd hasil transkripsi, satu RNAt yang

membawa asam amino pertama (Metionin) serta dua unit ribosom. • Translasi berlangsung di ribosom dalam 3 tahap yaitu :• Inisiasi : adalah tahap dimana ribosom unit kecil melekat pada kodon AUG RNAd

yang memberikan sinyal dimulainya proses translasi, lalu Kodon triplet AUG membentuk ikatan dengan antikodon RNAt yang membawa asam amino metionin. Kodon AUG disebut kodon start karena berfungsi sebagai kodon awal translasi.

• Elongasi : Pada tahap ini asam amino-asam amino berikutnya ditambahkan satu persatu pada asam amino pertama (Metionin), dengan cara Kodon RNAd berikutnya berikatan dengan antikodon yang komplemen. Pada tahap ini asam amino sebelumnya memisahkan diri dengan RNAt pembawanya lalu bergabung dengan asam amino yang dibawa oleh RNAt berikutnya, sementara itu anti kodon RNAt yang sdh kehilangan asam amino masih melekat pada kodon RNAd. Demikian seterusnya RNAt bergeser samapai akhirnya meninggalkan ribosom sementara rNAt yang membawa asam amino lain masuk ke ribosom.

• Terminasi : Elongasi berlanjut sampai kodon stop. Triplet kodon stop adalah UAA, UAG dan UGA. Kodon stop tidak mengkode asam amino tetapi bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi.

Translasi

• Inisiasi translasi

• Perpanjangan

MUTATIONSMUTATIONS

DNADNADNADNA

RNARNARNARNA

Normal Normal PHENOTYPEPHENOTYPE(wild-type)(wild-type)

Normal Normal PHENOTYPEPHENOTYPE(wild-type)(wild-type)

Correct PROTEINCorrect PROTEIN( functional enzyme)( functional enzyme)

Correct PROTEINCorrect PROTEIN( functional enzyme)( functional enzyme)

Mutant DNAMutant DNAMutant DNAMutant DNA

Altered RNAAltered RNAAltered RNAAltered RNA

Mutant Mutant PHENOTYPEPHENOTYPE

Mutant Mutant PHENOTYPEPHENOTYPE

Defective PROTEINDefective PROTEIN(non-functional enzyme)(non-functional enzyme)

Defective PROTEINDefective PROTEIN(non-functional enzyme)(non-functional enzyme)

Wild-type strain (dominant allele)

Mutant strain (recessive allele)

What are Mutations ?What are

Mutations ?• Mutations are results of changes to the normal DNA sequence for a gene

• Typical gene - a linear sequence of about 2000 base pairs

AGCCGTGCTGTCGAAAACGTTCAGACTCATTGGCAATCCGAAGTCGGCA

TCGGCACGACAGCTTTTGCAAGTCTGAGTAACCGTTAGGCTTCAGCCGT

AGCCGTGCTGTCGAAAACTTTCAGACTCATTGGCAATCCGAAGTCGGCA

TCGGCACGACAGCTTTTGAAAGTCTGAGTAACCGTTAGGCTTCAGCCGT

• A mutant allele could result from change in only one of them - knocking out the function of that gene

Some types of point mutationsSome types of point mutations

• A neutral mutation - no effect on phenotype

5’ AUG UUA UU5’ AUG UUA UUAA ACU AAG 3’ ACU AAG 3’((RNA)RNA)

met leu leu thr lys (protein)

AUG UUA UUAUG UUA UUGG ACU AAG ACU AAGmet leu leu thr lys

• A nonsense mutation -- will make shorter protein


met leu leu thr lys (protein)• A missense mutation -- may cause defective protein

AUG UUA UUAUG UUA UUUU ACU AAG ACU AAGmet leu phe thr lys

Changes ‘sense’ of one amino-acid

AUG UUA UAUG UUA UGGA ACU A ACU AAGmet leu stop . .


AUG UUA UUAUG UUA UUUU ACU AAG ACU AAGmet leu phe thr lys

AUG UUA UUA ACU AAUG UUA UUA ACU AAGAGmet leu leu thr lysAUG UUA UUA ACU AAUG UUA UUA ACU AAGAGmet leu leu thr lys

• A base substitution mutation• A base substitution mutation

• An insertion or a deletion (frameshift)• An insertion or a deletion (frameshift)


met leu leu thr lys (protein)

UUstopAA G-- AA G--


AUG UUA UUA ACU AACAUG UUA UUA ACU AACmet leu leu thr asnmet leu leu thr asn

AUG AUG UUUU AUU AAC UAA CUU AUU AAC UAA Cmet met phe ile asn phe ile asn stop stop ......

Insertion of 1 base

AUG AUG UUUUU UAU UAA CUA ACU UAU UAA CUA ACmet met phe tyr phe tyr stop stop ...... ......

Insertion of 2 bases

AUG AUG UUAUUA UUA UUA ACU AACUUA UUA ACU AACmet met leuleu leu leu thr asn leu leu thr asn

Insertion of 3 bases

All amino acids now scrambled from this point on

All amino acids now scrambled from this point on

Amino acids now OK again


• Mutations can be

– Neutral - no change to protein– Missense - change one a.a. for another– Nonsense - cause premature stop signal– frameshift - cause scrambled sequence of

a.a’s

• Mutations can be:-

– Substitutions - change one base for another– Insertions/Deletions - gain or loss of a base

resulting in frameshifts

Summary : types of mutationsSummary : types of mutations

• A substitution mutation can be…

– a transition A G C T•purine purine•pyrimidine pyrimidine

– a transversion A T G C•purine pyrimidine

• Transversions are less likely because they result in a change in helix diameter

Base SubstitutionsBase Substitutions

An example: sickle-cell anaemia

An example: sickle-cell anaemia

• DNA template strand -CTC- -CTC- -C -CAAC-C-

-GAG- -GAG- -G -GUUG- G-

-glu- -glu- - -valval-- (acidic) (aliphatic)(acidic) (aliphatic)

• mRNA

• amino acid #6 in chain of hemoglobin

HHAA HHSS • Allele

Chromosomal mutations

• So far have been talking about point mutations - changes to individual base pairs.

• However, other mutations can involve large scale changes to chromosomes

• Deletions of large sections of a chromosome.

• Duplications of large sections of a chromosome

• Inversions (inverted sections of a chromosome).

• Translocations (exchanges of sections of non-homologous chromosomes)

• Transposons - bits of DNA that suddenly ‘jump’ to a new location - also knock out genes and cause mutation

Genetika Virus

• Virus HIV

DNA TECHNOLOGY AND HUMAN

GENOME

• Research on E. coli revealed that these bacteria have a sexual mechanism that can bring about the combining of genes from two different cells

• This discovery led to the development of recombinant DNA technology– a set of techniques for combining

genes from different sources

From E.coli to a Map of Our Genes

• DNA technology has many useful applications– The Human Genome Project– The production of vaccines, cancer drugs,

and pesticides– Engineered

bacteria that can clean up toxic wastes

• Transformation, the taking up of DNA from the fluid surrounding the cell

In nature, bacteria can transfer DNA in three ways

BACTERIA AS TOOLS FOR MANIPULATING DNA

Figure 12.1A

DNA enterscell

Fragment ofDNA from anotherbacterial cell

Bacterial chromosome(DNA)

• Transduction, the transfer of bacterial genes by a phage

• Conjugation, the union of cells and the DNA transfer between them

Fragment ofDNA from anotherbacterial cell(former phagehost)

Phage

Sex pili

Mating bridge

Donor cell(“male”)

Recipient cell(“female”)

Figure 12.1CFigure 12.1B

• The transferred DNA is then integrated into the recipient cell’s chromosome

Figure 12.1D

Donated DNA

Recipient cell’schromosome

Crossovers

Degraded DNA

Recombinantchromosome

• An F factor is a DNA segment in bacteria that enables conjugation and contains an origin of replication

Bacterial plasmids can serve as carriers for gene

transfer

Figure 12.2A

F factor (integrated)

Male (donor) cell

Origin of F replication

Bacterial chromosome

F factor startsreplication andtransfer of chromosome

Only part of thechromosome transfers

Recipient cell

Recombination can occur

• An F factor can exist as a plasmid, a small circular DNA molecule separate from the bacterial chromosome

Figure 12.2B, C

F factor (plasmid)

Male (donor) cell

Bacterial chromosome

F factor startsreplication andtransfer

Plasmid completestransfer andcircularizes

Cell now male

Plasmids

• Plasmids are key tools for DNA technology– Researchers use plasmids to insert

genes into bacteria

Plasmids are used to customize bacteria: An

overview

Figure 12.3

Plasmidisolated

1Bacterium

Bacterialchromosome

Plasmid

2DNAisolated

Cell containing geneof interest

DNAGene ofinterest

3 Gene inserted into plasmid

Recombinant DNA(plasmid)

4 Plasmid put intobacterial cell

Recombinantbacterium

5

Copies of gene Copies of protein

Clones of cellGene for pestresistanceinserted intoplants

Gene used to alter bacteriafor cleaning up toxic waste

Protein used to dissolve bloodclots in heart attack therapy

Protein used to make snow format highertemperature

Cell multiplies withgene of interest

• Restriction enzymes cut DNA at specific points

• DNA ligase “pastes” the DNA fragments together

• The result is recombinant DNA

Enzymes are used to “cut and paste” DNA

Figure 12.4

DNA1

Restriction enzymerecognition sequence

Restriction enzymecuts the DNA intofragments

Sticky end

2

3

4

5

Restriction enzymecuts the DNA intofragments

Addition of a DNAfragment fromanother source

Two (or more)fragments sticktogether bybase-pairing

DNA ligasepastes the strand

Recombinant DNA molecule

• Bacteria take the recombinant plasmids and reproduce

• This clones the plasmids and the genes they carry– Products of the gene can then be

harvested

Genes can be cloned in recombinant plasmids: A

closer look

Figure 12.5

Isolate DNAfrom two sources

1E. coli

Cut both DNAs with the same

restrictionenzyme

2

Plasmid

Human cell

DNA

Gene VSticky ends

Mix the DNAs; they joinby base-pairing

3

Add DNA ligaseto bond the DNA covalently

4

Recombinant DNAplasmid Gene V

Put plasmid into bacteriumby transformation

5

Clone the bacterium6

Bacterial clone carrying manycopies of the human gene

• Restriction fragments of DNA can be sorted by size

Gel electrophoresis sorts DNA molecules by size

Figure 12.10

Mixture of DNAmolecules ofdifferent sizes

Powersource

Gel

Glassplates

Longermolecules

Shortermolecules

Completed gel

• Scientists can compare DNA sequences of different individuals based on the size of the fragments

Restriction fragment analysis is a powerful method that detects differences in DNA sequences

Figure 12.11A

Allele 1 Allele 2

w

x

y

Cut

Cut Cut

z

y

DNA from chromosomes

Figure 12.11B

1 2

Longer fragments

Shorter fragments

• Radioactive probes are also used to make comparisons

Figure 12.11C

Radioactive, single-stranded DNA (probe)

Restriction fragmentpreparation

1

Restrictionfragments

Gel electrophoresis2

Blotting3 Filter paper

Probe

Radioactive probe4

Detection of radioactivity(autoradiography)

5

Film

• The polymerase chain reaction (PCR) can quickly clone a small sample of DNA in a test tube

The PCR method is used to amplify DNA sequences

Figure 12.12

InitialDNAsegment

1 2 4 8Number of DNA molecules

• The 23 chromosomes in the haploid human genome contain about 3 billion nucleotide pairs– This DNA is believed to include about 35,000

genes and a huge amount of noncoding DNA

Most of the human genome does not consist of genes

THE CHALLENGE OF THE HUMAN GENOME

• Much of the noncoding DNA consists of repetitive nucleotide sequences– One

example includes telomeres at the end of the chromosomes Figure 12.13A

End ofDNAmolecule

Repeated unit

NUCLEOTIDE SEQUENCE OF A HUMAN TELOMERE

• The Human Genome Project involves:– genetic and physical

mapping of chromosomes– DNA sequencing– comparison of

human genes with those of other species

The Human Genome Project is unlocking the secrets of our

genes

Figure 12.14

• DNA fingerprinting can help solve crimes

DNA technology is used in courts of law

OTHER APPLICATIONS OF DNA TECHNOLOGY

Figure 12.15A, B

Defendant’sblood

Blood fromdefendant’sclothes

Victim’sblood

• Recombinant cells and organisms are used to manufacture useful proteins

Recombinant cells and organisms can mass-produce gene

products

Table 12.16

• These sheep carry a gene for a human blood protein that is a potential treatment for cystic fibrosis

Figure 12.16

• Hormones, cancer-fighting drugs, and new vaccines are being produced using DNA technology– This lab equipment

is used to produce a vaccine against hepatitis B

DNA Technology is changing the pharmaceutical industry and

medicine

Figure 12.17

• New genetic varieties of animals and plants are being produced– A plant with a new trait can be created

using the Ti plasmid

Genetically modified organisms are transforming agriculture

Figure 12.18A

Insertion ofgene into plasmidusing restrictionenzyme and DNAligase

1

Agrobacteriumtumefaciens

Tiplasmid

T DNA

Restrictionsite

Introductioninto plantcells inculture

2

RecombinantTi plasmid

Plant cell

T DNAcarrying

new genewithin plant

chromosome

Regenerationof plant

3

Plant withnew trait

DNA containinggene for desired trait

• “Golden rice” has been genetically modified to contain beta-carotene– This rice could help prevent vitamin A

deficiency

Figure 12.18B

• Techniques for manipulating DNA have potential for treating disease by altering an afflicted individual’s genes– Progress is slow, however– There are also ethical

questions related to gene therapy

Gene therapy may someday help treat a variety of

diseases

Figure 12.19

Cloned gene (normal allele)

1 Insertnormal geneinto virus

Viral nucleicacid

Retrovirus

2 Infect bonemarrow cellwith virus

3 Viral DNAinserts intochromosome

Bone marrowcell from patient

Bone marrow

4 Inject cellsinto patient

A. Selective BreedingSelective Breeding- selecting animals with desired characteristics to produce next generation (domestic animals: horses, cats, farm animals, crop plants)

Genetic Engineering

1. HybridizationHybridization- crossing dissimilar individuals to bring together the best of both organisms. (e.g. disease resistance and food-producing capacity)

Hereford, bred for meat production

2. InbreedingInbreeding- continued breeding of individuals with similar characteristics. Can create serious problems (bringing together 2 recessive alleles)

Albinism present in Hopi Indians. Only albino children are produced by albino parents. Two phenotypically normal individuals produce albino and non-albino children. Frequency in US while population = 1 in 37,000. Hopi and Navajo Indians = 1 in 200

B. Increasing Variation

1. Can increase variation by inducing mutations (using radiation or chemicals)

These “oil-eating” bacteria were produced by treating the bacteria with chemicals and radiation, thus inducing a mutation. Hundreds of other useful bacterial strains have been produced this way.

2. Many mutations are harmful. A few can be beneficial

C. Manipulating DNA

1. Scientist use knowledge of DNA to change DNA molecules

2. Techniques used to extract DNA, cut into smaller pieces and identify base sequences, make unlimited copies of DNA

3. Genetic engineeringGenetic engineering- making changes to DNA code and putting back into cell (by injection into cell, by bacteria, viruses)

Applications of Genetic Engineering

A. Transgenic organismsTransgenic organisms- contains genes from other organisms

1. Transgenic microorganismsTransgenic microorganisms- bacteria used to produce many important substances for health and industry (e.g. transformed bacteria now make insulin, growth hormone, clotting factor cheaply and in great abundance)

Transgenic tobacco plant- glows in the dark. Produced by transferring a gene from a firefly into a tobacco plant

2. Transgenic AnimalsTransgenic Animals- faster growing animals, resistance to disease, etc.

A transgenic pig with higher levels of growth hormone produced the meatier pork chop.

3. Transgenic PlantsTransgenic Plants- important part of our food supply. (52% of soybeans and 25% of corn are transgenic) resistant to disease, produce their own insecticide, resist weed-killing chemicals, increase vitamin content

Transgenic tomato plants containing genes for viral resistance and healthier than those without the resistant genes (right)

B. CloningCloning- a member of a population of genetically identical cells produced from a single cell

The adult sheep is Dolly, the first mammal cloned from an adult cell. The lamb is Dolly’s offspring, called Bonnie.

1. May find wide use in medical and scientific research

2. Raises serious ethical issues

• Genetic engineering involves some risks– Possible ecological damage

from pollen transfer between GM and wild crops

– Pollen from a transgenic variety of corn that contains a pesticide may stunt or kill monarch caterpillars

Could GM organisms harm human health or the environment?

RISKS AND ETHICAL QUESTIONS

Figure 12.20A, B

• Our new genetic knowledge will affect our lives in many ways

• The deciphering of the human genome, in particular, raises profound ethical issues– Many scientists have

counseled that we must use the information wisely

DNA technology raises important ethical questions

Figure 12.21A-C

Terima Kasih

Substansigenetika

Education

Transcript of Substansigenetika