home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / schoolsucks / gene.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  14KB  |  286 lines

  1.  
  2. Biology - Genetics
  3.  
  4. The Cystic Fibrosis Gene
  5.  
  6.  
  7. Introduction:
  8.         Cystic fibrosis is an inherited autosomal recessive disease 
  9. that exerts its main effects on the digestive system and the 
  10. lungs.  This disease is the most common genetic disorder 
  11. amongst Caucasians.  Cystic fibrosis affects about one in 
  12. 2,500 people, with one in twenty five being a heterozygote.  
  13. With the use of antibiotics, the life span of a person 
  14. afflicted with CF can be extended up to thirty years 
  15. however, most die before the age of thirteen.1  Since so 
  16. many people are affected by this disease, it's no wonder 
  17. that CF was the first human genetic disease to be cloned by 
  18. geneticists.  In this paper, I will be focusing on how the 
  19. cystic fibrosis gene was discovered while at the same time, 
  20. discussing the protein defect in the CF gene, the 
  21. bio-chemical defect associated with CF, and possible 
  22. treatments of the disease.  
  23.  
  24. Finding the Cystic Fibrosis Gene:
  25.         The classical genetic approach to finding the gene that is 
  26. responsible for causing a genetic disease has been to first 
  27. characterize the bio-chemical defect within the gene, then 
  28. to identify the mutated protein in the gene of interest, and 
  29. finally to locate the actual gene.  However, this classical 
  30. approach proved to be impractical when searching for the CF 
  31. gene.  To find the gene responsible for CF, the principle of 
  32. "reverse genetics" was applied.  Scientists accomplished 
  33. this by linking the disease to a specific chromosome.  After 
  34. this linkage, they isolated the gene of interest on the 
  35. chromosome and then tested its product.2
  36.         Before the disease could be linked to a specific 
  37. chromosome, a marker needed to be found that would always 
  38. travel with the disease.  This marker is known as a 
  39. Restriction Fragment Length Polymorphism or RFLP for short.  
  40. RFLP's are varying base sequences of DNA in different 
  41. individuals which are known to travel with genetic 
  42. disorders.3  The RFLP for cystic fibrosis was discovered 
  43. through the techniques of Somatic Cell Hybridization and 
  44. through Southern Blot Electrophoresis (gel separation of 
  45. DNA).  By using these techniques, three RFLP's were 
  46. discovered for CF; Doc RI, J3.11, and Met.  Utilizing in 
  47. situ hybridization, scientists discovered the CF gene to be 
  48. located on the long arm of chromosome number seven.  Soon 
  49. after identifying these markers, another marker was 
  50. discovered that segregated more frequently with CF than the 
  51. other markers.  This meant the new marker was closer to the 
  52. CF gene.  At this time, two scientists named Lap-Chu Tsui 
  53. and Francis Collins were able to isolate probes from the CF 
  54. interval.  They were now able to utilize to powerful 
  55. technique of chromosome jumping to speed up the time 
  56. required to isolate the CF gene much faster than if they 
  57. were to use conventional genetic techniques.3
  58.         In order to determine the exact location of the CF gene, 
  59. probes were taken from the nucleotide sequence obtained from 
  60. chromosome jumping.  To get these probes, DNA from a horse, 
  61. a cow, a chicken, and a mouse were separated using Southern 
  62. Blot electrophoresis.  Four probes were found to bind to all 
  63. of the vertebrate's DNA.  This meant that the base pairs 
  64. within the probes discovered contained important 
  65. information, possibly even the gene.  Two of the four probes 
  66. were ruled out as possibilities because they did not contain 
  67. open reading frames which are segments of DNA that produce 
  68. the mRNA responsible for genes.
  69.         The Northern Blot electrophoresis technique was then used 
  70. to distinguish between the two probes still remaining in 
  71. order to find out which one actually contained the CF gene.  
  72. This could be accomplished because Northern Blot 
  73. electrophoresis utilizes RNA instead of DNA.  The RNA of 
  74. cell types affected with CF, along with the RNA of 
  75. unaffected cell types were placed on a gel.  Probe number 
  76. two bound to the RNA of affected cell types in the pancreas, 
  77. colon, and nose, but did not bind to the RNA from 
  78. non-affected cell types like those of the brain and heart.  
  79. Probe number one did not bind exclusively to cell types from 
  80. CF affected areas like probe number two did.  From this 
  81. evidence, it was determined that probe number two contained 
  82. the CF gene.
  83.         While isolating the CF gene and screening the genetic 
  84. library made from mRNA (cDNA library), it was discovered 
  85. that probe number two did not hybridize.  The chances for 
  86. hybridization may have been decreased because of the low 
  87. levels of the CF gene present within the probe.  
  88. Hybridization chances could also have been decreased because 
  89. the cDNA used was not made from the correct cell type 
  90. affected with CF.  The solution to this lack of 
  91. hybridization was to produce a cDNA library made exclusively 
  92. from CF affected cells.  This new library was isolated from 
  93. cells in sweat glands.  By using this new cDNA library, 
  94. probe number two was found to hybridize excessively.  It was 
  95. theorized that this success was due to the large amount of 
  96. the CF gene present in the sweat glands, or the gene itself 
  97. could have been involved in a large protein family.  
  98. Nevertheless, the binding of the probe proved the CF gene 
  99. was present in the specific sequence of nucleotide bases 
  100. being analyzed.  
  101.         The isolated gene was proven to be responsible for causing 
  102. CF by comparing its base pair sequence to the base pair 
  103. sequence of the same sequence in a non-affected cell.  The 
  104. entire CF cDNA sequence is approximately 6,000 nucleotides 
  105. long.  In those 6,000 n.t.'s, three base pairs were found to 
  106. be missing in affected cells, all three were in exon #10.  
  107. This deletion results in the loss of a phenylalanine residue 
  108. and it accounts for seventy percent of the CF mutations.  In 
  109. addition to this three base pair deletion pattern, up to 200 
  110. different mutations have been discovered in the gene 
  111. accounting for CF, all to varying degrees.
  112.         
  113. The Protein Defect:
  114.         The Cystic Fibrosis gene is located at 7q31-32 on 
  115. chromosome number seven and spans about 280 kilo base pairs 
  116. of genomic DNA.  It contains twenty four exons.4  This gene 
  117. codes for a protein involved in trans-membrane ion transport 
  118. called the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance 
  119. Regulator or CFTR.  The 1,480 amino acid protein structure 
  120. of CFTR closely resembles the protein structure of the 
  121. ABC-transporter super family.  It is made up of similar 
  122. halves, each containing a nucleotide-binding fold (NBF), or 
  123. an ATP-binding complex, and a membrane spanning domain 
  124. (MSD).  The MSD makes up the transmembrane Cl- channels.  
  125. There is also a Regulatory Domain (R-Domain) that is located 
  126. mid-protein which separates both halves of the channels.  
  127. The R-Domain is unique to CFTR and is not found in any other 
  128. ABC-transporter.  It contains multiple predicted binding 
  129. sites for protein kinase A and protein Kinase C.4  
  130.  
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136.  
  137.  
  138.  
  139.  
  140.  
  141.  
  142.  
  143.  
  144.         Mutations in the first MDS are mainly found in exon #4 and 
  145. exon #7.  These types of mutations have been predicted to 
  146. alter the selectivity of the chloride ion channels.4  
  147.         Mutations that are in the first NBF are predominant in 
  148. CFTR.  As previously mentioned, 70 percent of the mutations 
  149. arising in CF cases are deletions of three base pairs in 
  150. exon #10.  These three base pairs give rise to phenylalanine 
  151. and a mutation at this site is referred to as DF508.5  Such 
  152. a mutation appears not to interfere with R-Domain 
  153. phosphorylation and has even been reported to transport 
  154. chloride ions.6&7  
  155.         There are five other frequent mutations that occur in the 
  156. first NBF.  The first is a deletion of an isoleucine 
  157. residue, DF507.  The second is a substitution of glycine or 
  158. amino acid #551 by aspartic acid/F551D. The third involves  
  159. stop mutations at arginine #553 and glycine #542.  The 
  160. fourth is substitutions of serine #549 by various other 
  161. residues.  The fifth is a predicted splicing mutation at the 
  162. start of exon #11.7
  163.         Mutations within the R-Domain are extremely rare.  The only 
  164. reason they do occur is because of frameshifts.  Frameshifts 
  165. are mutations occurring due to the starting of the reading 
  166. frame one or two nucleotides later than in the normal gene 
  167. translation.4
  168.         Mutations in the second membrane spanning domain of the 
  169. CFTR are also very rare and have only been detected in exon 
  170. #17b.  These have no relevance to mutations occurring in the 
  171. first membrane spanning domain.  They apparently do not have 
  172. a significant impact on the Cystic Fibrosis Transmembrane 
  173. Conductance Regulator either.4
  174.         Mutations in the second nucleotide-binding fold occur 
  175. frequently in exon #19 and exon #20 by the deletion of a 
  176. stop signal at amino acid number 1282.  Exon #21 is 
  177. sometimes mutated by the substitution of asparagine #1303 
  178. with lysine #N1303K.4
  179.  
  180. The Bio-Chemical Defect:
  181.         Studies of the chloride channels on epithelial cells lining 
  182. the lungs, sweat glands, and pancreas have shown a consensus 
  183. in that the activation of chloride secretion in response to 
  184. cAMP (adenosine 3', 5'-monophosphate) is impaired in cystic 
  185. fibrosis cases.  Another affected, independently regulated 
  186. chloride channel that has been discovered is activated by 
  187. calcium-dependent protein kinases.  Sodium ions have also 
  188. been noted to be increasingly absorbed by apical sodium 
  189. channels.8  Therefore, the lack of regulated chloride ion 
  190. transport across the apical membranes and apical absorption 
  191. of sodium ions, impedes the extracellular presence of water.  
  192. Water will diffuse osmotically into cells and will thus 
  193. cause the dehydration of the sol (5- mm fluid layer of the 
  194. cell membrane) and the gel (blanket of mucus) produced by 
  195. epithelial cells.9  As a result of this diffusion of water, 
  196. airways become blocked and pancreatic proteins turn 
  197. inactive.  
  198.         
  199. An Account of the Absorption and Secretion of Cl-, Na+, and 
  200. Proteins:
  201.         An inward, electrochemical Na+ gradient is generated by the 
  202. Na+, K+-ATPase pump located in the basolateral membrane (the 
  203. cell side facing the organ it is lining).  A basolateral 
  204. co-transporter then uses the Na+ gradient to transport Cl- 
  205. into the cell against its own gradient.  This is done in 
  206. such a way that when the apical Cl- channels within the 
  207. membrane spanning domain open, Cl- diffuse passively with 
  208. their gradient through the cell membrane.4
  209.         In pancreatic duct cells, a Na+, H+-ATPase pump is used and 
  210. a bicarbonate secretion is exchanged for Cl- uptake in the 
  211. apical membrane.  Chloride ions then diffuse passively when 
  212. the Cl- channels are opened.  Such secretions also allow for 
  213. the exocytosis of proteins in the pancreas which will later 
  214. be taken into the small intestines for the breaking down of 
  215. carbohydrates.4
  216.         In addition to the pump-driven gradients and secretions, 
  217. there exists autonomic neurotransmitter secretions from 
  218. epithelial cells and exocrine glands.  Fluid secretion, 
  219. including Cl-, is stimulated predominately by cholinergic, 
  220. a-adrenergic mechanisms, and the b-adrenergic actions.4  
  221. Such chemical messengers cannot enter the cell, they can 
  222. only bind to specific receptors on the cell surface and 
  223. transmit messages to and through an intracellular messenger 
  224. such as Ca2+ and cAMP by increasing their concentration.  
  225. The intracellular message is transmitted across the cell by 
  226. either diffusion or by a direct cascade.  One example of a 
  227. directed cascade is the following:
  228.  
  229.  
  230.  
  231.  
  232.  
  233.  
  234.  
  235.  
  236.  
  237.  
  238.  
  239. Possible Treatments For Cystic Fibrosis:
  240.         One suggested treatment for CF has been to provide the 
  241. missing chemicals to the epithelial cells.  This can be 
  242. accomplished by the addition of adenosine 
  243. 3',5'-monophosphate (cAMP) or the addition of the nucleotide 
  244. triphosphates ATP or UTP to cultures of nasal and tracheal 
  245. epithelia.  This has been proven to alter the rate of Cl- 
  246. secretion by removing the 5-mmeter sol layer of fluid in the 
  247. respiratory tract.9  Moreover, luminal application of the 
  248. compound amiloride, which inhibits active Na+ absorption by 
  249. blocking Na+ conductance in the apical membrane, reduced 
  250. cell secretion and absorption to a steady state value.
  251.         Another treatment that has been suggested is to squirt 
  252. solutions of genetically engineered cold viruses in an 
  253. aerosol form into the nasal passages and into the lungs of 
  254. people infected with CF.  This is done in hopes that the 
  255. virus will transport corrected copies of the mutated gene 
  256. into the affected person's airways so it can replace the 
  257. mutated nucleotides.10  This form of treatment is known as 
  258. gene therapy.
  259.         A different approach taken in an attempt to cure cystic 
  260. fibrosis involves correcting the disease while the affected 
  261. "person" is still an embryo.  Test tube fertilization (in 
  262. vitro fertilization) and diagnosis of F508 during embryonic 
  263. development can be accomplished through a biopsy of a 
  264. cleavage-stage embryo, and amplification of DNA from single 
  265. embryonic cells.5  After this treatment, only unaffected 
  266. embryos would be selected for implantation into the uterus.  
  267. Affected embryo's would be discarded.
  268.  
  269. Conclusion:
  270.         Chloride conductance channels have dramatic potentials.  
  271. One channel can conduct from 1x106 to 1x108 ions per 
  272. second.8  This is particularly impressive when you consider 
  273. the fact that there are not many channels present on cells 
  274. to perform the required tasks.  As a result of this, a 
  275. mutation of one channel or even a partial mutation of a 
  276. channel, that causes a decrease in the percentage of channel 
  277. openings, can exert a major effect.
  278.         Even the mildest of cures altering the Cystic Fibrosis 
  279. Conductance Regulator in CF afflicted people would lead to 
  280. significant improvements in that individuals health.  Since 
  281. cystic fibrosis is the most common genetic disorder, 
  282. particularly amongst Caucasians, in today's society, intense 
  283. research efforts towards its cure would be invaluable.  When 
  284. will cystic fibrosis be completely cured?  No one can say 
  285. for sure but, strong steps have already been taken towards 
  286. reaching this goal.