home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.stepware.com / ftp.stepware.com.tar / ftp.stepware.com / arp.hqx / arp.dmg / AceReader Pro / DrillText / # Drill Text Set 1 (Partials) / Lev 13 DrlTxt 02 03-of-03.txt < prev    next >
Text File  |  2004-01-12  |  11KB  |  25 lines

  1.  
  2.  
  3. The first steps in the Human Genome Project are to develop the needed technologies, then to "map" and to "sequence" the genome. But in a sense, these well-publicized efforts aim only to provide the raw material for the next, longer strides. The ultimate goal is to exploit those resources for a truly profound molecular-level understanding of how we develop from embryo to adult, what makes us work, and what causes things to go wrong. In the offing is a new era of molecular medicine characterized not by treating symptoms, but rather by looking to the deepest causes of disease. Rapid and more accurate diagnostic tests will make possible earlier treatment for countless maladies. Even more promising, insights into genetic susceptibilities to disease and to environmental insults, coupled with preventive therapies, will thwart some diseases altogether. New, highly targeted pharmaceuticals, not just for heritable diseases, but for communicable ailments, as well, will attack diseases at their molecular foundations. And even gene therapy will become possible, in some cases actually "fixing" genetic errors. All of this in addition to a new intellectual perspective on who we are and where we came from. 
  4.  
  5. But how is it possible, with the incredible diversity of the world's five and a half billion people, to determine an "average" genome that can be considered even reasonably accurate? The answer lies in an understanding that DNA, with its millions of base pairs, is not the workhorse of the human body -- proteins are -- and that the body is built and run with fewer than 100,000 different kinds of protein molecules. For each of these proteins, we can imagine a single corresponding gene composed of many base pairs (though there is sometimes some redundancy), whose job it is to ensure an adequate and timely supply of the structural or regulatory materials. In a very real sense, then, all of the subtlety of our species, all of our art and science, is ultimately accounted for by a surprisingly small set of discrete genetic instructions. More surprising still, the differences between two unrelated individuals, between the man next door and Mozart, for example, may reflect a mere handful of differences in their genomic recipes -- perhaps one altered word in five hundred. We are far more alike than we are different. At the same time, there is room for near-infinite variety. 
  6.  
  7. It is no overstatement to say that to decode our 100,000 genes in some fundamental way would be an epochal step toward unraveling the manifold mysteries of life û but only if we understand what those genes produce and how they regulate that production. It is the difference between seeing a string of letters on a page and recognizing which of those letters actually form words, and which of those words form sentences. Meaningful information only derives from the relationship between the words to form discrete ideas.
  8.  
  9. The human genome is the full complement of genetic material in a human cell. The genome, in turn, is distributed among 23 sets of chromosomes, which, in each of us, have been replicated and re-replicated since the fusion of sperm and egg that marked our conception. The source of our personal uniqueness, our full genome, is therefore preserved in each of our body's several trillion cells. At a more basic level, the genome is DNA, deoxyribonucleic acid, a natural polymer built up of repeating nucleotides, each consisting of a simple sugar, a phosphate group, and one of four nitrogenous bases. In the chromosomes, two DNA strands are twisted together into an entwined spiral -- the famous double helix -- held together by weak bonds between complementary bases, adenine (A) to thymine (T) and cytosine to guanine (C-G); structurally the molecule resembles a twisted ladder. In the language of molecular genetics, each of these linkages constitutes a base pair. All told, if we count only one of each pair of chromosomes, the human genome comprises about three billion base pairs. 
  10.  
  11. The specificity of these base-pair linkages underlies all that is wonderful about DNA. First, replication becomes straightforward. Unzipping the double helix provides unambiguous templates for the synthesis of daughter molecules: One helix begets two with near-perfect fidelity. Second, by a similar template-based process, a means is also available for producing a DNA-like messenger known as messenger @RNA (or @mRNA). This faithful complement of a particular DNA segment transports its information to the cell's cytoplasm where it directs the synthesis of a particular protein. Many subtleties are entailed in the synthesis of proteins, but in a schematic sense, the process is elegantly simple.
  12.  
  13. Every protein is made up of one or more polypeptide chains, each a series of (typically) several hundred molecules known as amino acids, linked by so-called peptide bonds. Remarkably, only 20 different kinds of amino acids suffice as the building blocks for all human proteins in nature. The synthesis of a protein chain, then, is simply a matter of specifying a particular sequence of amino acids. Each linear sequence of three bases (both in RNA and in DNA) corresponds uniquely to a single amino acid. The RNA sequence AAU (RNA uses the base uracil instead of thymine) thus dictates that the amino acid asparagine should be added to a polypeptide chain, GCA specifies alanine -- and so on. A segment of the chromosomal DNA that directs the synthesis of a single type of protein constitutes a single gene. 
  14.  
  15. As we have seen before, one of the central goals of the Human Genome Project is to produce a detailed "map" of the human genome. But, just as there are topographic maps and political maps and highway maps of the United States, so there are different kinds of genome maps. One type, a genetic linkage map, is based on careful analysis of human inheritance patterns. It indicates for each chromosome the whereabouts of genes or other "heritable markers," with distances measured in centimorgans, a measure of recombination frequency. During the formation of sperm and egg cells, a process of genetic recombination -- or "crossing over" -- occurs in which pieces of genetic material are swapped between paired chromosomes. This process of chromosomal scrambling accounts for the differences invariably seen even in siblings (apart from identical twins, whose genomes are equivalent). Logically, the closer two genes are to each other on a single chromosome, the less likely they are to get split up during genetic recombination. When they are close enough that the chances of being separated are only one in a hundred, they are said to be separated by a distance of one centimorgan. 
  16.  
  17. The role of human pedigrees now becomes clear. By studying family trees and tracing the inheritance of diseases and physical traits, or even unique segments of DNA identifiable only in the laboratory, geneticists can begin to pin down the relative positions of these genetic markers. By the end of 1994, a comprehensive map was available that included more than 5800 such markers, including genes implicated in cystic fibrosis, myotonic dystrophy, Huntington disease, @Tay-@Sachs disease, several cancers, and many other maladies. The average gap between markers was about 0.7 centimorgan.
  18.  
  19. Other maps are known as physical maps, so called because the distances between features are measured not in genetic terms, but in "real" physical units, typically, numbers of base pairs. A close analogy can thus be drawn between physical maps and the road maps familiar to us all. Indeed, the analogy can be extended further. Just as small-scale road maps may show only large cities and indicate distances only between major features, so a low-resolution physical map includes only a relative sprinkling of chromosomal landmarks. A well-known low-resolution physical map, for example, is the familiar chromosomal map, showing the distinctive staining patterns that can be seen in the light microscope. Further, by a process known as in situ hybridization, specific segments of DNA can be targeted in intact chromosomes by using complementary strands synthesized in the laboratory. These laboratory-made "probes" carry a fluorescent or radioactive label, which can then be detected and thus pinpointed on a specific region of the chromosome. Fishing for genes shows some results of fluorescence in situ hybridization (FISH). Of particular interest are probes known as @cDNA (for complementary DNA), which are synthesized by using molecules of messenger RNA as templates. These molecules of cDNA thus hybridize to "expressed" chromosomal regions -- regions that directly dictate the synthesis of proteins. However, a physical map that depended only on in situ hybridization would be a fairly coarse one. Fluorescent tags on intact chromosomes cannot be resolved into separate spots unless they are two to five million base pairs apart. 
  20.  
  21. Fortunately, means are also available to produce physical maps of much higher resolution -- analogous to large-scale county maps that show every village and farm road, and indicate distances at a similar level of detail. Just such a detailed physical map is one that emerges from the use of restriction enzymes -- DNA-cleaving enzymes that serve as highly selective cleavers of the genetic material. A typical restriction enzyme known as @EcoRI, for example, recognizes the DNA sequence @GAATTC and selectively cuts the double helix at that site. One use of these handy tools involves cutting up a selected chromosome into small pieces, then cloning and ordering the resulting fragments. The cloning, or copying, process is a product of recombinant DNA technology, in which the natural reproductive machinery of a "host" organism -- a bacterium or a yeast, for example -- replicates a "parasitic" fragment of human DNA, thus producing the multiple copies needed for further study.
  22.  
  23. By cloning enough such fragments, each overlapping the next and together spanning long segments (or even the entire length) of the chromosome, workers can eventually produce an ordered library of clones. Each contiguous block of ordered clones is known as a contig, and the resulting map is a contig map. If a gene can be localized to a single fragment within a contig map, its physical location is thereby accurately pinned down. Further, these conveniently sized clones become resources for further studies by researchers around the world -- as well as the natural starting points for systematic sequencing efforts.
  24.  
  25. Once the DNA has been mapped, and all the genes placed within the chromosomal framework, the real work begins û making sense of the information encoded within those genes. Specifically, this involves determining whether the genes code for a particular protein, and if so, which one, or whether they are involved in the regulation of other genes. The task then falls to understanding what the proteins' functions are within the body, so that effective therapies can be developed for instances when they malfunction. While much progress has been made in the mapping of the human genome, it is clear to all involved that there is clearly much work yet to be done to gain a full understanding of the complex functioning of the human genetic material.