Molecular  Biology  in  a  Nutshell    (via  UCSC  Genome  Browser)  

02-­‐223  Personalized  Medicine:  

Understanding  Your  Own  Genome  Fall  2014  

DNA  

•  Double-­‐stranded  helix  made  up  of  the  nucleoFdes  A,  C,  G,  and  T  

•  Sugar  in  its  nucleoFdes  is  deoxyribose  

•  NucleoFdes  form  A–T  and  G–C  base  pairs  across  the  helix  

Central  Dogma:  How  the  InformaBon  in  DNA  is  Expressed  

DNA  (Sequence  of  A,  T,  C,  G’s)  

(Sequence  of  A,  U,  C,  G’s)  

Gene  

TranscripFon  

Protein  (Sequence  of  amino  

acids)  

TranslaFon  

Nearly  universal  across  all  species!  

Genes  

•  In  the  recent  human  Encyclopedia  of  DNA  elements  (ENCODE)  project  –  ~20,000  protein-­‐coding  genes  were  studies,  which  covers  2.94%  of  the  

genome  

–  Non-­‐protein  coding  regions  of  the  genome?  

•  >80%  of  the  genome  is  funcFonal  as  regulatory  sequences,  based  on  the  analysis  of  ENCODE  data  

h_p://www.nature.com/encode/#/threads  

RNA  

•  RNA  is  similar  to  DNA,  except  that:  –  it  is  usually  single-­‐stranded    –  Sequence  of  A,  U,  C,  G  

•  it  has  U  in  place  of  T,  compared  to  DNA  

–  the  sugar  in  RNA  nucleoFdes  is  ribose  instead  of  deoxyribose  

–  Protein-­‐coding  RNA:  mRNA  

         Non-­‐protein-­‐coding  RNA  

TranscripBon    

•  TranscripFon  begins  with  binding  by  RNA  polymerase  at  a  promoter  region  of  DNA.  

•  The  σ  subunit  is  responsible  for  promoter  recogniFon  (in  bacteria).  

•  Once  iniFaFon  has  been  completed  with  the  synthesis  of  the  first  8–9  nucleoFdes,  sigma  (σ)  dissociates  and  elongaFon  proceeds  with  the  core  enzyme.  

Prokaryote  vs  Eukaryote  Genomes  

•  EukaryoFc  mRNAs  require  processing  to  produce  mature  mRNAs.  –  Introns  (intervening  sequences)  are  regions  of  the  iniFal  RNA  transcript  

that  are  not  expressed  in  the  amino  acid  sequence  of  the  protein.  

–  Introns  are  removed  by  splicing  and  the  exons  (expressed)  are  joined  together  in  the  mature  mRNA.    

•  The  size  of  the  mature  mRNA  is  usually  much  smaller  than  that  of  the  iniFal  RNA.  

•  Prokaryote  genomes  do  not  have  introns  

Splicing  out  the  Introns  

TranscripBon  in  Eukaryotes:  Introns  and  Exons  

TranscripBon  in  Eukaryotes:  Introns  and  Exons  

Transcription Has Been Visualized by Electron Microscopy  

Central  Dogma  

Central  Dogma  

RNA  derived  from  complementary  bases  in  DNA  

In  mRNA,  triplet  codons  specify  1  amino  acid  

GeneBc  Code  for  TranslaBon  

•  GeneFc  code  is  degenerate,  with  many  amino  acids  specified  by  more  than  one  codon.  

•  Only  tryptophan  and  methionine  are  encoded  by  a  single  codon.  

•  The  geneFc  code  shows  order  in  that  chemically  similar  amino  acids  oeen  share  one  or  two  middle  bases  in  the  triplets  encoding  them.  

IniBator  and  TerminaBon  Codons  

•  TerminaBon  codons:  UAG,  UAA,  and  UGA  do  not  code  for  any  amino  acid.  

•  IniBator  codon:  AUG  is  the  only  codon  to  encode  for  methionine.  

Synonymous  and  Nonsynonymous  MutaBons  

•  Synonymous  mutaFons:  mutaFons  that  does  not  cause  the  protein  code  to  change  

•  Nonsynonymous  mutaFons:  mutaFons  that  cause  the  protein  code  to  change  

Summary  

•  Central  dogma  –  TranscripFon  of  DNA  to  mRNA  

–  TranslaFon  of  mRNA  to  proteins  

•  Introns/Exons  in  eukaryote  genomes