مواضيع المحاضرة: Genetic Engineering
background image

 

1

 

Medical students                           Medical Biology     

                                  

lesson

 

th

4

                         

 

Genetic Engineering

 

 

Genetic Engineering

 

There are several terms that can be used to describe the technology, including 

gene  manipulation,  gene  cloning,  recombinant  DNA  technology,  genetic 

modification,  and  the  new  genetics.  There  are  also  legal  definitions  used  in 

administering  regulatory  mechanisms  in  countries  where  genetic  engineering  is 

practiced. The discovery of the structure of DNA by James Watson and Francis Crick 

in 1953 provided the stimulus for the development of genetics at the molecular level, 

and  the  next  few  years  saw  a  period  of  intense  activity  and  excitement  as  the  main 

features  of  the gene  and  its  expression  were determined.  This  work  culminated  with 

the establishment  of the  complete  genetic code  in  1966  --  the stage  was  now  set  for 

the appearance of the new genetics.

 

Gene expression 

The  flow  of  genetic  information  is  from  DNA  to  protein.  Whilst  a  detailed 

knowledge of gene expression is not required in order to understand the principles of 

genetic engineering, it is useful to be familiar with the main features of transcription 

and translation and to have some knowledge of how gene expression is controlled. 

 

DNA cloning 

One  approach  is  to  isolate  the  gene(s)  responsible  for  the  expression  of  a 

protein  or  the  formation  of  a  product.  The  solution  to  this  dilemma  is  to  place  a 

relatively  short  fragment  of  a  genome,  which  might  contain  the  gene  or  other 

sequence  of  interest,  in  an  autonomously  replicating  piece  of  DNA,  known  as  a 

vector,  forming  recombinant  DNA,  which  can  be  replicated  independently  of  the 

original genome, and normally in another host species altogether. These plasmids are 

several  types  like  F-plasmid  (fertility)  and  R-plasmid  (resistant).  Propagation  of  the 

host  organism  containing  the  recombinant  DNA  forms  a  set  of  genetically  identical 

organisms,  or  a  clone.  This  process  is  hence  known  as  DNA  cloning.  The  initial 

isolation  and  analysis  of  DNA  fragments  is  almost  always  carried  out  using  the 

bacterium E. coli as the host organism, although the yeast Saccharomyces cerevisiae 

is being used to manipulate very large fragments of the human genomePlasmid and 


background image

 

2

 

phage  vectors  have  been  used  to  express  genes  in  a  range  of  bacteria  other  than  E. 

coli,  and  some  phages  may  be  used  to  incorporate  DNA  into  the  host  genome,  for 

example phage λ . In the case of plasmid vectors in E. coli which is the most common 

situation. 

The  various  applications  of  gene  cloning:  include  recombinant  protein 

production,  genetically  modified  organisms,  DNA  fingerprinting,  diagnostic  kits  and 

gene therapy. 

 

) (لالطالع

 

This process may be divided into the following steps

●  Isolation of plasmid DNA containing the cloned sequence of interest. 

●  Digestion  (cutting)  of  the  plasmid  into  discrete  fragments  with  restriction 

endonucleases. 

●  Separation of the fragments by agarose gel electrophoresis

●  Purification of the desired target fragment . 

●  Ligation  (joining)  of  the  fragment  into  a  new  plasmid  vector,  to  form  a  new 

recombinant molecule. 

● Transformation: transfer of the ligated plasmid into an E. coli strain. 

●  Selection of transformed bacteria. 

●  Analysis of recombinant plasmids. 

 

Restriction enzymes – cutting DNA 

Restriction  endonucleases  are  bacterial  enzymes  which  cut  (hydrolyze)  DNA 

into defined and reproducible fragments. In bacteria, they form part of the restriction–

modification  defense  mechanism  against  foreign  DNA.  They  are  the  basic  tools  of 

gene  cloning.  To  prevent  the  enzyme  acting  on  the  host  cell  DNA,  the  modification 

enzyme  of  the  system  (a  methylase)  modifies  the  host  DNA  by  methylation  of 


background image

 

3

 

particular bases in the restriction enzyme’s recognition sequence, which prevents the 

enzyme  from  cutting  the  DNA.  Restriction  enzymes  are  of  three  types  (I,  II,  or  III). 

Most  of  the  enzymes  commonly  used  today  are  type  II  enzymes,  which  have  the 

simplest mode of action. These enzymes are that cut at an internal position in a DNA 

strand  (as  opposed  to  beginning  degradation  at  one  end)  they  are  known  as 

endonucleases. In essence they may be thought of as molecular scissors

.

 

 

) (لالطالع

 

DNA ligation 

 To  insert  a  target  DNA  fragment  into  a  vector,  a  method  for  the  covalent 

joining  of  DNA  molecules  is  essential.  DNA  ligase  enzymes  perform  just  this 

function;  they  will  repair  (ligate)  a  break  in  one  strand  of  a  dsDNA  (double  strand) 

molecule provided the 5´ end has a phosphate group.  

 

Recombinant DNA  

We can  now envisage  an experiment  in  which  a DNA  fragment containing  a 

molecules gene (X) of interest (the target DNA) is inserted into a plasmid vector. The 

target  DNA  may  be  a  single  fragment  isolated  from  an  agarose  gel,  or  a  mixture  of 

many fragments from, for example, genomic DNA. If the target has been prepared by 

digestion with EcoRI, then the fragment can be ligated with vector DNA cut with the 

same enzyme. In practice, the vector should have only one site for cleavage with the 

relevant  enzyme,  since  otherwise;  the  correct  product  could  only  be  formed  by  the 

ligation of three or more fragments, which would be very inefficient. There are many 

possible  products  from  this  ligation  reaction,  and  the  outcome  will  depend  on  the 

relative concentrations of the fragments as well as the conditions, but the products of 


background image

 

4

 

interest will be circular molecules with the target fragment inserted at the EcoRI site 

of the vector molecule (with either orientation), to form a recombinant molecule. 

 

Transformation: 

Transformation is  the process  of take-up  of foreign  DNA, normally  plasmids 

by bacteria. Plasmids are cloned by transfer into strains of E. coli with defined genetic 

properties.  The  E.  coli  cells  can  be  made  competent  to  take  up  plasmid  DNA  by 

treatment  with  Ca  ²+.  The  cells  are  plated  out  on  agar  and  grown  to  yield  single 

colonies, or clones. 

 

Selection: 

 Bacteria  which  have  taken  up  a  plasmid  are  selected  by  growth  on  a  plate 

containing  an  antibiotic  to  which  the  plasmid  vector  encodes  resistance.  If  all  the 

competent cells present in a transformation reaction were allowed to grow on an agar 

plate,  then  many  thousands  or  millions  of  colonies  would  result.  Furthermore, 

transformation  is  an  inefficient  process;  most  of  the  resultant  colonies  would  not 

contain a plasmid molecule and it would not be obvious which did.  

 

Gel analysis 

 

Tracks corresponding to the vector plasmid and to recombinants are indicated. 

The  larger  size  of  the  recombinant  plasmid  is  seen  by  comparing  the  undigested 

plasmid  samples,  containing  supercoiled  and  nicked  bands,  and  the  excision  of  the 

insert from the recombinant is seen in the EcoRI digest. 

 

 

Lytic and lysogenic infection

:  

In  lytic  infection,  virions  are  released  from  the  cell  by  lysis.  However,  in 

lysogenic infection viruses integrate their genomes into that of the host cell, and may 

be stably inherited through several generations before returning to lytic infection.  

 

Transduction: 

Transduction is the process by which foreign DNA is introduced into a cell by 

a virus or viral vector. This process has two types: 

Generalized Transduction 

The  process  in  which  any  bacterial  gene  is  may  be  transferred  to  another 

bacterium via a bacteriophage. 


background image

 

5

 

Specialized Transduction 

 

Specialized  transduction  occurs  when  the  prophage  excises  imprecisely  from 

the chromosome so that bacterial genes lying adjacent to the prophage are included in 

the excised DNA. 

 

 

) (لالطالع


background image

 

6

 

Protein engineering 

This  involves  altering  the  structure  of  proteins  via  alterations  to  the  gene 

sequence  and  has  become  possible  because  of  the  availability  of  a  range  of 

techniques,  as  well  as  a  deeper  understanding  of  the  structural  and  functional 

characteristics  of  proteins.  This  has  enabled  workers  to  pinpoint  the  essential  amino 

acid  residues  in  a  protein  sequence;  thus,  alterations  can  be  carried  out  at  these 

positions  and  their  effects  studied.  The  desired  effect  might  be  alteration  of  the 

catalytic activity of an enzyme by modification of the residues around the active site

an improvement in the nutritional status of a storage protein, or an improvement in the 

stability of a protein used in industry or medicine. Proteins that have been engineered 

by  the  incorporation  of  mutational  changes  have  become  known  as  muteins

Furthermore, the yields of biochemical production can be increased much faster than 

what was originally possible with classical fermentation. 

 

Medical and forensic applications of gene manipulation 

The  diagnosis  and  treatment  of  human  disease  is  one  area  in  which  genetic 

manipulation is beginning to have a considerable effect. As many therapeutic proteins 

are  now  made  by  recombinant  DNA  (rDNA)  methods.  The  techniques  of  gene 

manipulation  impact  more  directly  on  medical  diagnosis  and  treatment,  and  use  of 

rDNA  technology  in  forensic  science.  Recent  progress  in  both  of  these  areas  is  of 

course  closely  linked  to  our  increasing  knowledge  of  the  human  genome,  and  new 

developments in medical and forensic. 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Fahad Ahmed
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 129 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