home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Cream of the Crop 1 / Cream of the Crop 1.iso / EDUCATE / GENETICS.ARJ / GENETICS.BIO next >
Text File  |  1992-08-07  |  43KB  |  919 lines

  1. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:04 AM
  2.  
  3.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  4.  
  5. GENETIC DISEASES
  6.  
  7. Genetic diseases are inherited disorders reflecting gene
  8. MUTATIONS or abnormalities in chromosome structure or number
  9. and resulting in functional or anatomical changes.  Common
  10. genetic diseases include deformities, such as cleft lip and
  11. palate;  metabolic disorders, such as phenylketonuria, which
  12. results in mental retardation;  and albinism, which results in
  13. lack of skin pigmentation.
  14.  
  15. In the half-century between 1935 and 1985 infant mortality from 
  16. infectious disease, primarily diarrhea, declined from 25% to
  17. 3%, and infant mortality from BIRTH DEFECTS increased from 5%
  18. to 15%.  The frequency of chromosome abnormalities in the
  19. United States is 1 in about 200 live births.  Approximately
  20. 50-60% of all recognized spontaneous abortions are
  21. chromosomally abnormal.  Six in every 100 stillbirths have
  22. chromosome abnormalities, and 6 in every 100 neonatal deaths
  23. are associated with chromosome defects.
  24.  
  25. GENE TRANSMISSION IN FAMILIES
  26.  
  27. Gene transmission, or HEREDITY, in families is most often
  28. identified by the function of an altered GENE.  Genetic
  29. diseases can be inherited in a manner similar to that of normal 
  30. traits.  These diseases include single-gene disorders that are
  31. autosomal dominant, autosomal recessive, or sex-linked
  32. recessive.  They also include multifactorial disorders,
  33. resulting from more than one gene often interacting with
  34. environmental factors.  Autosomal means that the gene pair is
  35. present in a chromosome pair other than the sex chromosomes.
  36.  
  37. SINGLE-GENE DISORDERS
  38.  
  39. Disorders caused by the mutation of a single gene are often
  40. called inborn errors of metabolism because they reflect
  41. alterations of a biochemical pathway.  As a result of the
  42. mutation of a single gene, the gene product normally
  43. manufactured is absent or is present in low amounts.
  44. Therefore, either an important end product is not synthesized
  45. in sufficient quantity, or an excessive accumulation of
  46. intermediate products that may be toxic occurs.  Many inborn
  47. errors of metabolism are fatal in early childhood or at best
  48. impair health to the extent that the maintenance of proper body 
  49. function is difficult if not impossible.
  50.  
  51. Autosomal Dominant Genes
  52.  
  53.  
  54. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  55. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:04 AM
  56.  
  57.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  58.  
  59. GENETIC DISEASES
  60.  
  61.  
  62. Autosomal dominant genes, of which more than a thousand are
  63. fully identified, are expressed in both heterozygous and
  64. homozygous individuals.  Many are found to be lethal when the
  65. individual is homozygous.  Dominant traits are usually
  66. expressed equally in both the male and the female.  If one
  67. parent is affected, therefore, each pregnancy involves a 50%
  68. risk of recurrence.  The sex of the parent contributing the
  69. gene can also play a role in the course of the disease (see
  70. GENETIC IMPRINTING).  An example is HUNTINGTON'S CHOREA, which
  71. is characterized by ceaseless, involuntary jerky movements,
  72. dementia, and finally death.  Symptoms are manifested after 35
  73. years of age, usually after the affected person has had
  74. offspring, 50% of whom inherit the disease.
  75.  
  76. Autosomal Recessive Genes
  77.  
  78. Autosomal recessive traits, of which 600 are fully identified,
  79. are expressed phenotypically only in homozygotic individuals.
  80. Most of these traits, if not all, result from a single-gene
  81. mutation affecting a single step in a biochemical pathway.
  82. Most autosomal recessive traits are expressed to some extent in 
  83. heterozygotic individuals, although their physical appearance
  84. and general health are normal.  These people are known as
  85. carriers because they can transmit the gene to their children,
  86. who manifest the disease.  Usually, affected children will have 
  87. unaffected carrier parents.  Frequently, parents who are
  88. closely related, like first cousins, transmit autosomal
  89. recessive disorders.  The recurrence risk for heterozygous
  90. parents is 1 chance in 4, or 25%, for each pregnancy.
  91.  
  92. TAY-SACHS DISEASE, GALACTOSEMIA, and PHENYLKETONURIA are
  93. examples of autosomal recessive disorders.  In Tay-Sachs
  94. disease the affected gene does not produce an enzyme needed to
  95. metabolize lipids.  As a result, they build up in the brain,
  96. causing neurologic deterioration and eventually death.  In
  97. galactosemia the enzyme that converts the milk sugar galactose
  98. to glucose is not produced.  Newborns with this disorder who
  99. are fed milk accumulate galactose in their blood.  The infant
  100. develops cataracts, cirrhosis of the liver, and mental
  101. retardation.  The disorder is reversible by omitting milk and
  102. milk products from the child's diet.  Children having
  103. phenylketonuria (PKU) lack the ability to produce an enzyme
  104. that metabolizes the amino acid phenylalanine.  Excess
  105. phenylalanine causes skin-pigment deficiency and mental
  106.  
  107.  
  108. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  109. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:04 AM
  110.  
  111.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  112.  
  113. GENETIC DISEASES
  114.  
  115. retardation.  Other such disorders include SICKLE-CELL DISEASE
  116. and thalassemia (see COOLEY'S ANEMIA).
  117.  
  118. Sex-Linked Recessive Genes
  119.  
  120. In most cases of sex-linked recessive traits, of which 125 are
  121. fully identified, the mother is heterozygous but
  122. unaffected--she is a carrier.  She has a 50% chance of
  123. producing affected sons through transmission of an X chromosome 
  124. carrying the gene mutation.  Her daughters have a 50% chance of 
  125. being heterozygous like the mother.  If an affected male is
  126. able to reproduce, and marries a homozygous normal female, none 
  127. of his children will be affected, but all of his daughters will 
  128. be heterozygous for the sex-linked gene.  His sons do not
  129. inherit the disease.
  130.  
  131. MUSCULAR DYSTROPHY and HEMOPHILIA are representative sex-linked  
  132. recessive disorders.  In muscular dystrophy male children have
  133. weakness and degeneration of their muscles, progressing from
  134. extremities to the entire body.  Hemophilia, which also affects 
  135. male children with mothers who are unaffected carriers, is
  136. characterized by severe hemorrhaging and the inability of the
  137. blood to clot and heal a wound.
  138.  
  139. Sex-Linked Dominant Genes
  140.  
  141. Only a few disorders with sex-linked dominant inheritance are
  142. known, such as vitamin D-resistant rickets, which may produce
  143. severe bowing of the legs.  Mutations occur on the X
  144. chromosome, so if the female carries the mutation, recurrence
  145. risks are 50% for both female and male progeny;  if the male
  146. has the disorder, no sons but all of the daughters will be
  147. affected.
  148.  
  149. MULTIFACTORIAL INHERITANCE
  150.  
  151. Disorders that reflect the activity of several genes rather
  152. than one are known as multifactorial traits.  In most cases the 
  153. environment, especially during pregnancy, plays an important
  154. role in determining the severity of the disease in the child.
  155. Several relatively common disorders fall into this category;
  156. for example, cleft lip and palate, pyloric stenosis
  157. (obstruction of the stomach), and spina bifida (defect of the
  158. bony spinal column).  In general, the recurrence risk for
  159. parents who have an affected child is in the range of 3-5%.  If 
  160.  
  161.  
  162. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  163. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:04 AM
  164.  
  165.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  166.  
  167. GENETIC DISEASES
  168.  
  169. one parent is affected, the risk for any pregnancy is also in
  170. the 3-5% range.
  171.  
  172. CHROMOSOME ABNORMALITIES
  173.  
  174. Chromosome abnormalities constitute an increasing frequency of
  175. birth defects.  The most common type of chromosome abnormality
  176. is a change in total chromosome number.  In general, reduction
  177. of the total number of autosomes is incompatible with life.  An 
  178. infant with an extra chromosome involving virtually any
  179. autosome pair also has a limited life span, with multiple
  180. physical abnormalities and mental retardation.
  181.  
  182. The most common chromosomal abnormality is DOWN'S SYNDROME, or
  183. mongolism, which involves the chromosome designated as number
  184. 21.  This defect is termed Trisomy 21 because all cells in the
  185. infant's body carry an extra number 21 chromosome.  This
  186. condition occurs in 1 out of 800 liveborn infants.  Maternal
  187. age is a factor in the frequency of Down's syndrome;  for
  188. example, 1 out of 300 mothers in their 30s, and 1 out of 40
  189. mothers over 40 produce such infants.  Other well-described
  190. trisomies in humans are Trisomy 13 (Patau's syndrome) and
  191. Trisomy 18 (Edward's syndrome).  Both aberrations are
  192. associated with multiple birth defects, including mental
  193. retardation and limited life span.  All human chromosome
  194. abnormalities can be detected in the developing fetus either
  195. through chorionic villus sampling, which can be done as early
  196. as the 9th week of gestation, or though amniocentesis, possible 
  197. as early as the 14th to 16th week.
  198.  
  199. Like autosomal abnormalities, aberrations of the sex
  200. chromosomes may result in impaired or absent fertility.  For
  201. example, one abnormality is known as 45X, or Turner's syndrome. 
  202. Individuals with this condition, who are classified as female,
  203. most commonly are short in stature and show impaired
  204. development of female genitalia and of such secondary sex
  205. characteristics as the breasts and distribution of body hair;
  206. they are also sterile.  Another abnormality, called
  207. KLINEFELTER'S SYNDROME, occurs when the individual has 47
  208. chromosomes in the cells of the body, with an XXY
  209. sex-chromosome composition.  The individual is male in
  210. appearance, tall in stature, has sparse hair distribution over
  211. the body, and is sterile.
  212.  
  213. Regardless of other sex-chromosome anomalies, when the Y
  214.  
  215.  
  216. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  217. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:05 AM
  218.  
  219.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  220.  
  221. GENETIC DISEASES
  222.  
  223. chromosome is present the physical appearance is nearly always
  224. male.  As the total number of sex chromosomes present
  225. increases, greater prevalence of associated birth defects and
  226. mental retardation results.
  227.  
  228. Oliver W. Jones, M. D.
  229.  
  230. GENE THERAPY
  231.  
  232. One goal of recombinant-DNA technology (see GENETIC
  233. ENGINEERING) is the cure of human genetic diseases.  Gene
  234. therapy may involve one or more of the following:  (1) Gene
  235. Replacement Therapy, in which the normal form of a gene
  236. replaces a mutant gene.  This type of gene therapy becomes
  237. important if the location of the gene at a specific point on a
  238. particular chromosome is essential for its proper functioning.
  239. (2) Gene Augmentation Therapy, in which the normal form of a
  240. gene is inserted in one of the cell's chromosomes without
  241. removal of the abnormal gene.  This will be effective if the
  242. genetic disease is caused by a deleted gene or a gene with
  243. either reduced or no activity.  (3) Gene Inactivation Therapy,
  244. in which the transferred gene produces a protein that
  245. neutralizes either a defective protein formed by a mutated gene 
  246. or the excess number of proteins formed by an amplified gene (a 
  247. gene that is duplicated abnormally to give many extra copies of 
  248. itself).
  249.  
  250. Therapeutic genes can be introduced directly into a cell
  251. through various chemical or physical processes that make the
  252. cell membrane temporarily permeable to foreign DNA.  This
  253. method of gene transfer is called transfection.  An indirect
  254. transfer method, called transduction, incorporates a beneficial 
  255. gene into the genetic material of a virus, which is then
  256. allowed to infect the target cell.  The most efficient method
  257. of transferring genes has been found to be transduction using a  
  258. type of RNA virus called a RETROVIRUS.  After infecting a host
  259. cell the retrovirus makes a DNA copy of itself, which is then
  260. inserted into the genetic material of the host cell.
  261.  
  262. In 1990 the first trial of gene therapy was made, involving a
  263. child with lymphocytes that could not produce the enzyme
  264. adenosine deaminase (ADA), which is crucial for the normal
  265. development of the immune system.  Using gene augmentation
  266. therapy, lymphocytes were removed from the child's blood and
  267. retrovirally altered by the addition of an ADA gene.  These
  268.  
  269.  
  270. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  271. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:05 AM
  272.  
  273.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  274.  
  275. GENETIC DISEASES
  276.  
  277. cells were then returned to the child's bloodstream.  Early
  278. reports after monthly infusions showed improved immune
  279. function.
  280.  
  281. A second gene therapy trial, involving two patients suffering
  282. from malignant melanoma skin cancer, began in early 1991.
  283. Trials using gene therapy to treat other genetic diseases, such 
  284. as hemophilia, cystic fibrosis, and muscular dystrophy, are
  285. being developed.
  286.  
  287. GENE MAPPING AND ANALYSIS
  288.  
  289. In many cases where a person may be heterozygous for a
  290. disease-causing recessive gene or a carrier of a late-acting
  291. dominant gene, it is not yet possible to determine the presence 
  292. or absence of the mutated gene directly.  Instead it is
  293. necessary to look for some easily identifiable gene or section
  294. of DNA located nearby to act as a "marker" for the presence of
  295. the disease-causing gene.  The genetic marker permits
  296. identification of a pattern of inheritance of the mutated gene
  297. in a family, a process known as linkage analysis.
  298.  
  299. In 1983 a study of an extended family group with a high
  300. incidence of Huntington's chorea revealed that the gene was
  301. associated and passed along with a particular DNA fragment that 
  302. could be located at a specific point on chromosome 4.  The
  303. identification of this particular DNA fragment in a child of
  304. this extended family indicates the child has the gene for this
  305. disorder, many years before the first symptoms of the disease
  306. occur.  In similar fashion the genes for Duchenne muscular
  307. dystrophy, cystic fibrosis, and neurofibromatosis have been
  308. mapped to specific locations on their chromosomes.  As work in
  309. this field continues more and more disease-causing genes will
  310. be mapped to specific locations on particular chromosomes,
  311. permitting more precise GENETIC TESTING and counseling.
  312.  
  313. Louis Levine
  314. Bibliography:  Childs, B., et al., Molecular Genetics in
  315. Medicine (1988);  Kirby, L.T., DNA Fingerprinting (1990);
  316. Nora, J.J., and Fraser, F.C., Medical Genetics, 3d ed. (1989);
  317. Pierce, B.A., The Family Genetic Sourcebook (1990);  Verma,
  318. I.M., "Gene Therapy," Scientific American, November 1990;
  319. White, R., and Lalouel, J.M., "Chromosome Mapping with DNA
  320. Markers," Scientific American, February 1988.
  321.  
  322.  
  323.  
  324. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  325. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:06 AM
  326.  
  327.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  328.  
  329. GENETICS
  330.  
  331. Genetics is the area of biology concerned with the study of
  332. inheritance, the process by which certain characteristics of
  333. organisms are handed down from parent to offspring.  Modern
  334. genetics began in 1865, when the Austrian monk Gregor MENDEL
  335. demonstrated the inheritance patterns of the garden pea, Pisum
  336. savitum, and provided a new way of looking at HEREDITY.
  337. Mendel's theories were based on hereditary factors, or genes
  338. (see GENE), the existence of which he deduced without seeing
  339. them or having any notion of what they were or where they were
  340. located.
  341.  
  342. Gregor Mendel's results and theories, however, went unnoticed
  343. until 1900, when Hugo De Vries in the Netherlands, Carl Correns 
  344. in Germany, and Erich von Ischermak-Seysenegg in Austria--who
  345. almost simultaneously rediscovered Mendel's work and
  346. independently performed similar experiments--arrived at the
  347. same conclusions reached by Mendel.  It is now known that genes 
  348. dictate the characteristic structures and functions of all
  349. organisms, from viruses to redwood trees and elephants, and
  350. that these characteristics are in turn passed on from parent to 
  351. offspring.  It is also known that the variety of hereditary
  352. traits are caused by variations in the genes themselves.
  353.  
  354. MENDEL'S EXPERIMENTS
  355.  
  356. Mendel studied seven characteristics of the garden pea and
  357. obtained experimental results that suggested a similar
  358. hereditary mechanism for all.  In one experiment, he crossed
  359. plants that differed in the characteristic of plant height.  He 
  360. had previously obtained a line of pea plants that always
  361. produced tall plants and a line that always produced short
  362. plants, and he crossed them by transferring pollen from one
  363. plant to another.  He found that the progeny (the first filial
  364. generation) were all tall.  He then allowed these to
  365. self-pollinate and produce another generation of progeny (the
  366. second filial generation), three-quarters of which were tall
  367. and one-quarter short.
  368. Mendel's Laws
  369.  
  370. From these results, Mendel deduced an explanation for the
  371. mechanism of inheritance and assumed certain principles to be
  372. true:  (1) hereditary factors (genes) must exist;  (2) two
  373. factors exist for each characteristic;  (3) at the time of
  374. sex-cell formation, the hereditary factors of a pair separate
  375. equally into the gametes (law of segregation);  (4) the gametes 
  376.  
  377.  
  378. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  379. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:06 AM
  380.  
  381.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  382.  
  383. GENETICS
  384.  
  385. bear only one factor for each characteristic;  (5) hereditary
  386. factors for different traits sort independently of one another
  387. at gamete formation (law of independent assortment);  and (6)
  388. gametes join randomly, irrespective of the factors that they
  389. carry.  The characteristic that appeared in the first
  390. generation plants--in this case, tall plants--seemed to
  391. dominate over the one that did not appear.  Mendel called
  392. tallness a dominant trait and shortness recessive;  this
  393. phenomenon was referred to as the law of dominance.
  394.  
  395. A capital A is now usually used to represent the gene that
  396. determines the dominant character, and a small a for one that
  397. determines the recessive character.  When a pair of hereditary
  398. factors, or genes, are of the same type (AA), the condition is
  399. said to be homozygous for that character.  On the other hand,
  400. if the two members of a pair are different (Aa), the condition
  401. is called heterozygous.
  402.  
  403. The second generation plants of Mendel's experiment were
  404. composed of one-quarter AA, one-half Aa, and one-quarter aa.
  405. Since tallness is dominant, AA and Aa both appear tall,
  406. accounting for the three-quarter:  one-quarter ratio of tall to 
  407. short.  The alternate forms of a gene, known as alleles,
  408. combine to produce different genetic types, or genotypes.
  409. Mendel demonstrated that the three-quarter:  one quarter ratio
  410. existed for all seven characteristics of peas that he studied;
  411. he also showed that the separate gene pairs behaved
  412. independently of each other during gamete formation.
  413.  
  414. CHROMOSOMES
  415.  
  416. Mendel's knowledge of genes and their behavior was entirely
  417. theoretical.  Subsequent studies of CELL structure and cell
  418. division have supplied physical evidence supporting his
  419. theories.  It is now generally believed that genes behave as
  420. they do because of their location on chromosomes (see GENETIC
  421. CODE), structures found in the nucleus of each CELL of an
  422. organism.  Chromosomes are not all the same length, and, when
  423. stained in the appropriate way, each may show characteristic
  424. bands, thickenings, or constrictions.
  425.  
  426. The cells of each species contain a fixed and characteristic
  427. number of chromosomes.  Some organisms, such as fungi and
  428. single-celled algae, have only a single set, or haploid number
  429. (n), of chromosomes in their cell nuclei.  The somatic cells of 
  430.  
  431.  
  432. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  433. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:07 AM
  434.  
  435.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  436.  
  437. GENETICS
  438.  
  439. most higher organisms, including humans, contain two sets, or a 
  440. diploid number (2n), of chromosomes.  Still other organisms,
  441. such as mosses, ferns, and horsetails, alternate between
  442. diploid and haploid during different stages of their life
  443. cycles.
  444.  
  445. Meiosis
  446.  
  447. In diploid cells, gene pairs are located at specific sites
  448. (loci) on each chromosome.  These gene pairs can be composed
  449. either of two identical genes or two alleles.  A diploid cell
  450. therefore contains two genes for each hereditary
  451. characteristic.  The gametes (sex cells) of diploid organisms,
  452. however, contain only a haploid (n) number of chromosomes;  the 
  453. union of two gametes, one from each parent, produces a diploid
  454. (2n) zygote, from which the offspring develops.
  455.  
  456. The process of cell division by which such gametes are produced 
  457. is called meiosis.  It takes place in the testes and ovaries of 
  458. animals, in the anthers and ovaries of higher plants, and in
  459. the sporophyte (2n) stage of organisms that alternate between
  460. haploid and diploid.  In meiosis a single diploid cell divides
  461. into two diploid cells, each of which divides into two haploid
  462. cells.  During this process, the two sets of chromosomes
  463. separate, thereby separating the members of the gene pairs.
  464. Each of the four resulting gametes therefore contains only one
  465. gene for each characteristic, and different gametes from the
  466. same parent may carry different alleles.
  467.  
  468. Mendel's postulates may therefore be restated in physical terms 
  469. as follows:  (1) genes are located on chromosomes;  (2) genes
  470. occur in pairs, occupying specific loci on a chromosome pair;
  471. (3) the first meiotic division separates the chromosome pairs,
  472. producing an equal division of the members of a gene pair in
  473. the product cells;  (4) since there are two cell divisions and
  474. only one replication of chromosomes, the chromosome number is
  475. halved;  (5) different gene pairs on separate chromosome pairs
  476. behave independently of each other;  and (6) collision of egg
  477. and sperm is a chance process.
  478.  
  479. Linkage and Crossing-Over
  480.  
  481. In the early 1900s, Thomas Hunt MORGAN used the fruit fly
  482. Drosophila melanogaster to test a situation that Mendel did not 
  483. encounter, in which two gene pairs are located on the same
  484.  
  485.  
  486. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  487. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:07 AM
  488.  
  489.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  490.  
  491. GENETICS
  492.  
  493. chromosome pair.  In this case they do not behave
  494. independently, since genes on the same chromosome tend to stay
  495. together during meiosis.  This is called linkage.  The
  496. combinations can be separated by the simultaneous breaking of
  497. homologous chromosomes during the first meiotic division, and
  498. the joining of the broken segments from each chromosome to the
  499. homologous broken segments.  This process, called
  500. crossing-over, occurs regularly during meiosis and randomly
  501. between any chromosome pair in a bundle of four.  Crossovers
  502. can be detected genetically if they involve two heterozygous
  503. gene pairs (the alleles producing distinct gene products).
  504. Under a microscope, they appear as cross-shaped structures
  505. called chiasmata.
  506.  
  507. Mapping
  508.  
  509. Crossing-over can be used to produce a chromosome map showing
  510. the relative positions of the loci of the known gene pairs.
  511. Two organisms having homozygous gene pairs are bred, and the
  512. offspring (first generation) has heterozygous gene peirs
  513. (AaBb).  This heterozygote is then crossed with a tester strain 
  514. of the genotype aabb, a standard tool known as a testcross.
  515. The progeny of a testcross are screened for the appearance of
  516. the genotype Aabb and aaBb, which can only arise from
  517. crossovers.  The frequency of these types is a standard measure 
  518. and is assumed to be proportional to the distance between the
  519. two loci on their chromosome.  Using different combinations of
  520. gene pairs, an internally self-consistent map can be
  521. constructed in which the number of map units is defined as the
  522. percentage of progeny in a testcross derived from a crossover.
  523.  
  524. The Role of Chromosomes
  525.  
  526. It is now known that genes are lengths of a threadlike chemical 
  527. called deoxyribonucleic acid (DNA) and form a continuous string 
  528. that constitutes the chromosomes.  Several researchers have
  529. attempted to explain the significance of the long assemblages
  530. of genes in chains, or chromosomes.  First, some combinations
  531. of genes have adaptive value and need to be inherited as a
  532. package.  Having them linked closely on one chromosome is one
  533. way of ensuring this.  Second, genes with related functions
  534. often need to be activated simultaneously;  their proximity
  535. allows them to be activated by one common switch mechanism.
  536. Third, the packaging of genes into units facilitates the
  537. orderly production of daughter cells in cell division.
  538.  
  539.  
  540. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  541. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:07 AM
  542.  
  543.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  544.  
  545. GENETICS
  546.  
  547. Crossing-over and independent assortment of genes result in
  548. combinations of genes in progeny that are different from the
  549. parental arrangements.  This process, called recombination, is
  550. believed to be an important mechanism for generating new
  551. genotypes.  Recombination most frequently occurs among genes
  552. widely separated from each other;  closely linked genes,
  553. however, have a random chance of rearrangement.
  554.  
  555. POLYGENES AND GENE-ENVIRONMENT INTERACTION
  556.  
  557. Mendel explained the phenomenon of discontinuous hereditary
  558. variation, which is expressed in separate and distinct forms
  559. that are associated with one kind of allele, such as tall
  560. versus short or wrinkled versus smooth.  Continuous variations
  561. occur in many phenotypes, however, such as length or weight, is 
  562. also commonly observed in nature and forms an apparently
  563. unbroken range from one extreme to another.  This phenomenon,
  564. known as polygenic inheritance, results from the complex
  565. interaction among a set of genes.  Human skin color, shades
  566. ranging from black through brown and yellow to white, is a good 
  567. example of a trait determined by polygenes.  Only an infinite
  568. number of polygenes, however, could give a perfectly continuous  
  569. variation.
  570.  
  571. The phenotype of an organism is shaped not only by its genotype 
  572. but also by the interaction of that genotype with the
  573. environment.  It is often difficult to determine the relative
  574. contribution of genetic and environmental variation to a
  575. particular phenotype.
  576.  
  577. SEX DETERMINATION
  578.  
  579. The sex of an organism is usually an inherited phenotype.  In
  580. haploid forms, alleles of one gene pair can determine sex, but
  581. in higher organisms sex is often associated with a special pair 
  582. of chromosomes called sex chromosomes.  For example, human
  583. cells contain 22 pairs of autosomes, or nonsex chromosomes, and 
  584. one pair of sex chromosomes.  Women possess two identical sex
  585. chromosomes (X and X), and men possess two different sex
  586. chromosomes (X and Y).  The presence or absence of the Y
  587. chromosome determines sex in humans;  therefore, the Y contains 
  588. the genes for male sex determination, called the "testis
  589. determining factor" (tdf).  In many higher plants, anthers and
  590. ovaries are located on separate plants (dioecism), and some of
  591. these have an X/Y-like chromosomal determination of sex.
  592.  
  593.  
  594. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  595. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:07 AM
  596.  
  597.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  598.  
  599. GENETICS
  600.  
  601.  
  602. In humans, the X chromosome bears genes that affect traits
  603. having nothing to do with the sex.  Because they are located on 
  604. the X, however, they show a special inheritance pattern
  605. different from autosomal gene inheritance;  the Y chromosome
  606. apparently has no counterpart to these genes.  Red-green color
  607. blindness and hemophilia are two genetic traits determined by
  608. X-linked genes.  The X and the Y genes are able to separate
  609. into equal numbers of sperm in the male and produce a 1:1 ratio 
  610. of males to females in the eggs that they fertilize.
  611.  
  612. THE NATURE OF THE GENE
  613.  
  614. The genetic material for most organisms, DNA, is a
  615. double-stranded helix comprising a long chain of nucleotide
  616. bases with a sugar-phosphate backbone, as proposed by James D.
  617. WATSON and Francis H.  C.  CRICK in 1953.  Eukaryotic cells
  618. contain two kinds of DNA sequences:  unique DNA, one copy
  619. present in a haploid gene set;  and repetitive DNA, identical
  620. copies (one million or more) found dispersed throughout the
  621. chromosome.  The unique segments probably contain regular
  622. genes.  The function of repetitive DNA segments is not known,
  623. although they may be involved either in the process of
  624. chromosome pairing or in regulating the activity of the unique
  625. sequence.
  626. DNA of eukaryotic organisms appears to be wound around
  627. nucleosomes--small, beadlike units that each consist of about
  628. 200 base pairs of DNA and a complex structure of proteins known 
  629. as histones.  Nucleosomes help package the DNA into the
  630. chromosome--an average human chromosome is about 0.005 mm in
  631. length and contains 50 mm of DNA.
  632.  
  633. During mitotic cell division chromosomal replication produces
  634. two identical daughter cells, each of which contains identical
  635. DNA, assuring the stability of the hereditary material.  The
  636. DNA replication is semiconservative.  This means that free
  637. nucleotides hydrogen-bond to each half of the separate DNA
  638. strands, resulting in two new DNA double helices each
  639. consisting of one-half old and one-half newly formed strands.
  640. Genes of the DNA in eukaryotic organisms (RNA in some viruses)
  641. control phenotype by coding for the structure of PROTEINS,
  642. which are the main structural and catalytic molecules in an
  643. organism;  hair, muscle, skin, tendons, and enzymes are all
  644. proteinaceous.  The order of the nucleotide bases in DNA
  645. dictates the corresponding order of amino acids that give
  646.  
  647.  
  648. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  649. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:08 AM
  650.  
  651.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  652.  
  653. GENETICS
  654.  
  655. proteins their specific shape and function during PROTEIN
  656. SYNTHESIS.  The protein-building information in DNA is copied
  657. into a single-stranded molecule, called messenger RNA (mRNA),
  658. that then moves to the cytoplasm, where protein synthesis
  659. occurs.  The nucleotides in mRNA can be thought of as letters
  660. that are read in groups of three, called codons, each codon
  661. standing for an amino acid.  The amino acids are transported to 
  662. the mRNA by transfer RNA molecules, and the protein is
  663. assembled on the surface of ribosomes.
  664.  
  665. In humans the DNA in each cell contains about 3 billion base
  666. pairs, distributed among 22 sets of autosomal chromosomes and
  667. one set of sex chromosomes in the nucleus as well as one set of 
  668. chromosomes in each mitochondrion.  If all of this DNA were
  669. stretched out, it would have a length of about 1 m (3 ft), but
  670. the DNA is tightly compressed into the chromosome.  Only about
  671. 2 percent of a person's DNA forms the actual genes, as well;
  672. the rest constitutes either noncoding "spacer" regions between
  673. genes or noncoding "intron" regions within genes.  The amount
  674. of DNA per cell varies tremendously within both animal and
  675. plant kingdoms and is unrelated to the taxonomic group
  676. concerned (see GENETIC CODE;  GENOME).
  677. MUTATION
  678.  
  679. MUTATION is the process by which genes change from one form to
  680. another.  Mutations may be caused by such mutagens as X rays,
  681. ultraviolet rays, nitrous acid, ethyl methane sulfonate, and
  682. nitrosoguanidine;  less frequently, mutations may occur
  683. spontaneously as a result of accidental changes in the
  684. chemistry of the cell.  Because mutation is random, haphazard
  685. change, most mutants contain damaged genes that are
  686. nonfunctional.  Mutants usually do not live long in nature;
  687. geneticists and breeders, however, may keep mutants alive for
  688. study or for use in producing new plant and animal forms in
  689. agriculture.
  690.  
  691. A mutation in DNA usually results in an altered nucleotide
  692. sequence, either by substitution, addition, deletion, or
  693. insertion, which is translated into an altered amino-acid
  694. sequence that usually produces a change in the organism's
  695. normal body function.  The alteration of amino acids can have a 
  696. drastic effect on function, as in the case of sickle-cell
  697. hemoglobin.  A mutation of the chromosome by transposition,
  698. translocation, or insertion can cause similar effects.
  699. Mutations of cells other than sex cells are considered to be a
  700.  
  701.  
  702. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  703. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:08 AM
  704.  
  705.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  706.  
  707. GENETICS
  708.  
  709. primary cause of cancer in those tissues.
  710.  
  711. All humans carry quite a large number of deleterious and lethal 
  712. mutant genes that are recessive.  Each mating is a kind of a
  713. lottery, in which the offspring reveal whether or not the
  714. parents' mutations are at identical loci.  For example, if both 
  715. parents are heterozygous (Aa) for a gene pair in which the
  716. recessive allele is deleterious, then one-fourth of their
  717. children will show genetic disease of the kind controlled by
  718. that locus.  Genetic counseling can often help prospective
  719. mates in determining whether such diseases will manifest in
  720. their offspring (see also GENETIC IMPRINTING).
  721.  
  722. GENES IN DEVELOPMENT
  723.  
  724. Most organisms start life as single cells (zygotes) and grow
  725. into massive multicellular bodies with cells of considerable
  726. differences in form and function.  This process, which involves 
  727. growth and differentiation, is called DEVELOPMENT.  Although
  728. skin cells, liver cells, brain cells, and so on, are highly
  729. differentiated, they are all derived from the original zygote
  730. as a result of the high-fidelity copying of DNA during mitotic
  731. division.  This is achieved by a complex, little-understood
  732. process whereby different genes are active in different
  733. tissues.
  734.  
  735. The best examples of gene regulation are found in bacteria,
  736. where genes of related function are grouped on the chromosome
  737. together with a special class of regulatory genes to form an
  738. operon, which is a kind of control unit.  The operon theory was 
  739. proposed by Francois Jacob and Jacques Monod in 1961.
  740. Regulatory genes, usually responding to environmental cues,
  741. either assist or prevent the passage of the mRNA synthesis
  742. enzyme, RNA polymerase, along the operon, thereby controlling
  743. gene activity.  No satisfactory examples of operons have been
  744. found at present in higher organisms, but several examples of
  745. regulatory genes are known, although these are not necessarily
  746. linked to a controlled locus.  Repetitive DNA that is
  747. interspersed between unique DNA has been postulated as a site
  748. of a vast system of regulatory genes.
  749.  
  750. GENES IN CYTOPLASMIC ORGANELLES
  751.  
  752. Although most genes are found in the chromosomes of the
  753. nucleus, two kinds of cytoplasmic organelles, mitochondria and
  754.  
  755.  
  756. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  757. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:08 AM
  758.  
  759.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  760.  
  761. GENETICS
  762.  
  763. chloroplasts, also contain certain genes.  Phenotypes
  764. determined by these genes are inherited through the female
  765. parent.  Maternal or uniparental inheritance has been
  766. extensively studied in microorganisms, notably the unicellular
  767. algae, chlamydomonas, and several fungi.  In Chlamydomonas, a
  768. variety of drug-resistant and morphological phenotypes are
  769. involved.  In fungi, sensitivity to certain drugs, such as
  770. erythromycin, paramomycin, and oligoomycin, can be
  771. cytoplasmically inherited, as can some kinds of poor growth
  772. phenotypes ("petites" in yeast and "poky" in the bread mold
  773. Neurospora).
  774.  
  775. The mitochondria and chloroplasts carry their own DNA, which is 
  776. circular and unlike nuclear DNA in nucleotide composition.
  777. They also contain their own autonomous protein-synthesizing
  778. system, many parts of which are coded by organellar DNA genes.
  779. Many other components of the mitochondria and chloroplasts,
  780. such as cytochromes, are coded by genes of nuclear DNA.  These
  781. organelles are therefore composed of a mixture of components
  782. with DNA blueprints located in both the nucleus and the
  783. organelle.
  784.  
  785. The specific synthesizing machinery of mitochondrion, together
  786. with its shape and size, have suggested to some that the
  787. mitochondrion is a vestige of a primitive symbiotic association 
  788. with bacteria.  Similarly, the structure and functions of a
  789. chloroplast are reminiscent of the primitive blue-green algae.
  790. This kind of evolution, in which complexity results from the
  791. adoption of an internal collection of simpler cells, is called
  792. hereditary symbiosis and may have been important in the
  793. development of modern cells.
  794.  
  795. GENES IN POPULATIONS
  796.  
  797. Mendelian genetics can predict the inheritance patterns within
  798. families, but one should not expect to see similar patterns and 
  799. ratios in populations, which are complex mixtures of different
  800. families.  A different approach, sometimes called population
  801. genetics, is used to analyze genetic distribution in
  802. populations.  Each locus contains two alleles (A and a) of one
  803. gene.  The gene pool of a population is derived by considering
  804. each diploid individual to be one cell bearing two genes at
  805. that locus.  The total number of A and a genes in a population
  806. is calculated and an allele frequency for each is obtained.
  807. Usually, the frequency of A is called p, and the frequency of a 
  808.  
  809.  
  810. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  811. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:08 AM
  812.  
  813.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  814.  
  815. GENETICS
  816.  
  817. is called q, where p + q = 1 (or 100%).  The allele frequencies  
  818. are the main determinants of the genetic structure of
  819. populations.  If mating is random for example, there will be pp 
  820. of AA, 2 pq of Aa, and qq of aa.
  821.  
  822. This genotype distribution, which is stable if all other
  823. factors are constant, is called Hardy-Weinberg equilibrium,
  824. named after its discoverers.  At its most fundamental level,
  825. evolution is little more than a change in relative allele
  826. frequencies.
  827.  
  828. The actual values of p and q at each locus are determined by
  829. the complex interaction of many forces, including mutation from A 
  830. to a, mutation from a to A (reversion, which is usually less
  831. frequent than forward mutation), chance fluctuation due to
  832. small populations (producing genetic drift of allele
  833. frequencies), and natural selection for or against certain
  834. genotypes.  In turn, selection can be directional, ultimately
  835. eliminating one allele from the population, or stabilizing,
  836. favoring intermediate genotypes and tending to maintain several 
  837. alleles and phenotypes in an interbreeding population, a
  838. phenomenon called genetic polymorphism.
  839.  
  840. Preliminary results of a different form of genetic study of
  841. human evolution aroused controversy at the 1987 meeting of the
  842. American Anthropological Association.  The research involved
  843. analyses of mitochondrial DNA in placental samples from women
  844. with a worldwide distribution of ancestry.  Such DNA is
  845. inherited only from the mother, and through mutation studies
  846. the researchers hoped to trace human ancestry back to a
  847. "single" source--some generation of first humans.  The results
  848. of a team of geneticists working at the University of
  849. California, Berkeley, suggested a human family tree with roots
  850. in sub-Saharan Africa some 140,000 to 200,000 years ago.
  851. Another team, at Emory University, proposed a common ancestor
  852. of similar age but in southeastern Asia.  Anthropologists
  853. expressed considerable skepticism, however, about these results 
  854. of what came to be known as the "Eve" hypothesis.  Most
  855. anthropologists consider that the first true humans appeared
  856. much longer ago (see PREHISTORIC HUMANS).
  857.  
  858. MODERN GENETICS
  859.  
  860. Genetics is an important aspect of many areas of pure and
  861. applied biology.  Viral genetics, microbial genetics, plant
  862.  
  863.  
  864. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  865. PRODIGY(R) interactive personal service         08/07/92         2:08 AM
  866.  
  867.                  ACADEMIC AMERICAN ENCYCLOPEDIA
  868.  
  869. GENETICS
  870.  
  871. genetics, animal genetics, and human genetics focus research on 
  872. specific types of organisms.  Research in molecular genetics
  873. involves studies on chemical structure and function;
  874. cytogenetics on location of the genetic material in cells and
  875. on cell division;  developmental genetics on the genetic
  876. function in embryological phenomena;  behavior genetics on the
  877. role of the gene in regulating behavior;  and population
  878. genetics on the evolutionary process.
  879.  
  880. At the applied level, genetics is of direct use in
  881. understanding genetic diseases and environmental mutation.  It
  882. is used in plant and animal breeding to improve the quality and 
  883. quantity of food.  It also is a tool in basic research by which 
  884. complex biological processes can be analyzed, often at the
  885. molecular level.
  886.  
  887. A. J. W. Griffiths
  888. Bibliography:  Ayala, F.  J., Population and Evolutionary
  889. Genetics (1982);  Briggs, David, and Walters, Max, Plant
  890. Variation and Evolution (1969);  Burnet, Frank Macfarlane,
  891. Endurance of Life:  The Implications of Genetics for Human Life 
  892. (1978);  Dobzhansky, Theodosius, Genetics of the Evolutionary
  893. Process (1970);  Goodenough, U., Genetics, 3d ed.  (1983);
  894. Lerner, I.  Michael, and Libby, William J., Heredity,
  895. Evolution, and Society, 2d ed.  (1976);  Levine, Louis, Biology 
  896. of the Gene, 3d ed.  (1980);  Lewontin, R.  C., Rose, Steven,
  897. and Kamin, L.  J., Not in Our Genes:  Biology, Ideology and
  898. Human Nature (1984);  McKusick, V.  S., Mendelian Inheritance
  899. in Man, 7th ed.  (1986);  Mertens, Thomas R., ed., Human
  900. Genetics:  Readings on the Implications of Genetic Engineering
  901. (1975);  Scandalious, J.  G., Molecular Genetics of Development  
  902. (1987);  Smith, Anthony, The Human Pedigree (1976);  Spiess, E. 
  903. B., Genes in Populations (1977);  Suzuki, David T., and
  904. Griffiths, A.  J., An Introduction to Genetic Analysis, 3d ed.
  905. (1986);  Stent, G.  S., and Calendar, R., Molecular Genetics
  906. (1978);  Watson, James D., The Double Helix (1968);  Watson, J. 
  907. D., et al, The Molecular Biology of the Gene, 2 vols.  (1987).
  908.  
  909.  
  910.  
  911.  
  912.  
  913.  
  914.  
  915.  
  916.  
  917.  
  918. Copyright (c) 1992 Grolier Electronic Publishing, Inc.  All rights reserved.
  919.