Genetics. Genetics Vocab:

Genetics     Genetics  Vocab:   Gene   a  heritable  factor  that  controls  a  specific  characteristic.   Allele   one  specific  form  of  a  gene,...
Author: Charlotte Grant
1 downloads 2 Views 8MB Size
Genetics     Genetics  Vocab:   Gene   a  heritable  factor  that  controls  a  specific  characteristic.   Allele   one  specific  form  of  a  gene,  differing  from  other  alleles  by  one  or  a  few  bases   only  and  occupying  the  same  locus  as  other  alleles  of  the  gene.   Genome   The  whole  of  the  genetic  information  of  an  organism   gene  mutation   a  change  in  the  base  sequence  of  a  gene.   Base  substitution   The  smallest  possible  change  is  when  one  base  in  a  gene  is  replaced  by   another.  An  example  of  this  type  of  mutation  is  sickle  cell  anemia   Meiosis   a  reduction  division  of  a  diploid  nucleus  to  form  haploid  nuclei.   Homologous  chromosomes   chromosomes  with  the  same  genes  in  the  same  loci  but  not  necessarily  the   same  alleles  of  those  genes.   Random  orientation   during  prophase  I  the  position  of  each  pair  of  chromosomes  when  the   spindle  attaches  is  random   Non-­‐disjunction   sometimes  chromosomes  that  should  separate  and  move  to  opposite  poles   during  meiosis  do  not  separate  and  instead  they  both  move  to  the  same  pole   Karyotyping   chromosomes  are  arranged  in  pairs  according  to  their  size.  Performed  using   cells  collected  by  chorionic  villus  sampling  for  prenatal  diagnosis  of   chromosome  abnormalities.   Prophase  I   Chromosome  supercoil,  homologous  chromosomes  ( bivalents)  pair  up   (synapsis),  crossing  over  occurs  resulting  in  chiasma,  centrioles  move  to   opposite  poles  in  animal  cells  and  the  nuclear  membrane  breaks  down.   Metaphase  I   spindle  microtubules  attach  to  centromeres,  bivalents  line  up  at  the  equator.   Anaphase  I   the  two  chromosomes  of  each  bivalent  move  to  opposite  poles,  thus  halving   the  chromosome  number,  each  chromosome  consists  of  two  identical  sister   chromatids,  if  crossing  over  occurred  they  are  not  identical.  

Telophase  I   nuclear  membranes  form,  the  cell  divides  to  form  two  haploid  cells   Prophase  II   Chromosome  supercoil,  homologous  chromosomes  ( bivalents)  pair  up   (synapsis),  crossing  over  occurs  resulting  in  chiasma,  centrioles  move  to   opposite  poles  in  animal  cells  and  the  nuclear  membrane  breaks  down.   [EXCEPT  THERE  ARE  NO  HOMOLOGOUS  CHROMOSOMES  TO  PAIR  UP,  THUS   NO  CROSSING  OVER]   Metaphase  II   spindle  microtubules  attach  to  centromeres,  bivalents  line  up  at  the  equator,   at  the  end  of  the  phase  the  centromeres  divide.   Anaphase  II   The  centromeres  split,  then  the  two  chromatids  of  each  chromosome  move   to  opposite  poles   Telophase  II   nuclear  membranes  form,  the  cell  divides  to  form  two  haploid  cells  [EXCEPT   TWO  CELLS  DIVIDE  TO  FORM  FOUR  HAPLOID  CELLS  WHICH  WILL  DEVELOP   INTO  GAMETES,  THE  CHROMATIDS  ARE  NOW  KNOWN  AS  CHROMOSOMES   synapsis   during  crossing  over  in  prophase  I,  all  the  chromatids  of  two  homologous   chromosomes  become  tightly  paired.   chiasma   where  there  was  crossing  over  there  is  an  x-­‐shaped  structure   recombination   the  reassortment  of  genes  or  characters  into  different  combinations  from   those  of  the  parents   Independent  assortment   the  way  one  pair  of  homologous  chromosome  is  segregated  ( assorted)   during  formation  of  gametes  ( meiosis)  is  independent  of  the  way  any  other   pair  is  segregated.  ( due  to  random  orientation)   autosome   a  chromosome  that  has  no  genes  involved  with  sex  determination.  Humans   have  22  pairs.   Sex  chromosome   a  chromosome  that  has  genes  involved  with  sex  determination.  Humans   have  1  pair.   Linkage  group   all  of  the  genes  that  have  their  loci  on  the  same  chromosome.   Polygenic  inheritance   inheritance  of  characteristics  controlled  by  more  than  one  gene.  

Genotype   the  alleles  of  an  organism   Phenotype   the  characteristics  of  an  organism.   Dominant  allele   an  allele  that  has  the  same  effect  on  the  phenotype  whether  it  is  present  in   the  homozygous  or  heterozygous  state   Recessive  allele   an  allele  that  only  has  an  effect  on  the  phenotype  when  present  in  the   homozygous  state   Codominant  allele   pairs  of  alleles  that  both  affect  the  phenotype  when  present  in  a   heterozygote   Locus   the  particular  position  on  homologous  chromosomes  of  a  gene   homozygous   having  two  identical  alleles  of  a  gene   heterozygous   having  two  different  alleles  of  a  gene.   carrier   an  individual  that  has  one  copy  of  a  recessive  allele  that  causes  a  genetic   disease  in  individuals  that  are  homozygous  for  this  allele   test  cross   testing  a  suspected  heterozygote  by  crossing  it  with  a  known  homozygous   recessive   multiple  alleles   some  genes  have  more  than  two  alleles   ABO  blood  group   are  an  example  of  codominance  and  multiple  alleles   blood  type  O   ii   blood  type  A   I^AI^A  or  I^Ai   blood  type  B   I^BI^B  or  I^Bi   blood  type  AB   I^AI^B  

sex  linkage   the  association  of  a  characteristic  with  gender,  because  the  gene  controlling   the  characteristic  is  located  on  a  sex  chromosome.  ( usually  the  X)   Hemophilia   are  produced  by  a  recessive  sex  allele  on  the  X  chromosome.  The  allele  is  X^h   and  the  dominant  allele  is  X^H   colorblindness   are  produced  by  a  recessive  sex  allele  on  the  X  chromosome.  The  allele  is  X^b   and  the  dominant  allele  is  X^B   PCR  (polymerase  chain  reaction)   is  used  to  copy  and  amplify  minute  quantities  of  DNA/   Gel  e lectrophoresis   fragments  of  DNA  move  in  an  electric  field  and  are  separated  according  to   their  size.   Clone   a  group  of  genetically  identical  organisms  or  a  group  of  cells  derived  from  a   single  parent.  

 

Genetics  Practice  problems:   Question  1  of  10   Which  enzymes  are  needed  to  produce  recombinant  plasmids  that  are  used  in  gene   transfer?           A.  Restriction  enzymes  and  ligase     B.  Helicase  and  restriction  enzymes     C.  DNA  polymerase  and  ligase     D.  DNA  polymerase  and  restriction  enzymes  

Question  2  of  10   What  constitutes  a  linkage  group?           A.  Genes  controlling  a  polygenic  characteristic       B.  Alleles  for  the  inheritance  of  ABO  blood  groups     C.  Genes  whose  loci  are  on  different  autosomes     D.  Genes  carried  on  the  same  chromosome  

Question  3  of  10  

A  cell  with  a  diploid  number  of  12  chromosomes  undergoes  meiosis.  What  will  be  the   product  at  the  end  of  meiosis?           A.  4  cells  each  with  12  chromosomes     B.  2  cells  each  with  6  chromosomes     C.  4  cells  each  with  6  chromosomes     D.  2  cells  each  with  12  chromosomes  

Question  4  of  10   A  parent  organism  of  unknown  genotype  is  mated  in  a  test  cross.  Half  of  the  offspring   have  the  same  phenotype  as  the  parent.  What  can  be  concluded  from  this  result?           A.  The  parent  is  heterozygous  for  the  trait.     B.  The  parent  is  homozygous  recessive  for  the  trait.     C.  The  parent  is  homozygous  dominant  for  the  trait.     D.  The  trait  being  inherited  is  polygenic.  

Question  5  of  10   Which  process  results  in  the  greatest  genetic  variation  in  a  population?           A.  natural  selection     B.  mitosis     C.  meiosis     D.  cytokinesis  

Question  6  of  10   A  cross  is  performed  between  two  organisms  with  the  genotypes  AaBb  and  aabb.  What   genotypes  in  the  offspring  are  the  result  of  recombination?           A.  Aabb,  AaBb     B.  aabb,  Aabb     C.  AaBb,  aabb     D.  Aabb,  aaBb  

Question  7  of  10   What  is  a  difference  between  autosomes  and  sex  chromosomes?           A.  Autosomes  are  not  found  in  gametes  but  sex  chromosomes   are.     B.  Sex  chromosomes  determine  gender  and  autosomes  do  not.     C.  Autosomes  are  diploid  and  sex  chromosomes  are  haploid.  

 

D.  Sex  chromosomes  are  found  in  animal  cells  and  autosomes  are found  in  plant  cells.  

Question  8  of  10   If  red  (RR)  is  crossed  with  white  (rr)  and  produces  a  pink  flower  (Rr),  and  tall  (D)  is   dominant  to  dwarf  (d),  what  is  the  phenotypic  ratio  from  a  cross  of  Rr  dd  and  rr  Dd?           A.  1:1:1:1,  in  which  50%  are  tall,  50%  dwarf,  50%  pink  and  50%   white     B.  3:1     C.  50%  pink,  50%  white  and  all  tall     D.  9:3:3:1  

Question  9  of  10   What  is  a  possible  consequence  of  two  base  substitution  mutations  occurring  in  the   same  gene?           A.  Amino  acids  in  two  polypeptides  coded  for  the  gene  are   changed.     B.  All  of  the  codons  from  the  first  mutation  onward  are  changed.     C.  Two  amino  acids  coded  for  the  gene  are  changed.     D.  All  of  the  codons  between  the  two  mutations  are  changed.  

Question  10  of  10   If  a  person  inherited  an  allele  with  the  same  base  substitution  mutation  from  both   parents,  what  sequences  could  be  altered  from  normal  in  the  person's  cells?           A.  One  mRNA  base  sequence  only     B.  One  mRNA  base  sequence  and  one  polypeptide  amino  acid   sequence  only     C.  Two  mRNA  base  sequences  only     D.  Two  mRNA  base  sequences  and  two  polypeptide  amino  acid   sequences  only  

 Answers:   ADCAC    DBACB   Other  multiple  Choice  questions  link:   http://wps.aw.com/bc_goodenough_boh_3/104/26717/6839635.cw/index.ht ml     1.  Explain  the  difference  between  incomplete  dominance  and  codominance:  

  2.  In  some  chickens,  the  gene  for  feather  color  is  controlled  by  codiminance.  The  allele  for  black  is   B  and  the  allele  for  white  is  W.  The  heterozygous  phenotype  is  known  as  erminette.   a.  What  is  the  genotype  for  black  chickens?  ____   b.  What  is  the  genotype  for  white  chickens?  ____   c.  What  is  the  genotype  for  erminette  chickens?  ____     3.  If  two  erminette  chickens  were  crossed,  what  is  the  probability  that:   a.  They  would  have  a  black  chick?  ____%   b.  They  would  have  a  white  chick?  ____%   Parents:  ____  X  ____     4.  A  black  chicken  and  a  white  chicken  are  crossed.  What  is  the  probability  that  they  will  have   erminette  chicks?  ____%   Parents:  ____  X  ____     5.  In  snapdragons,  flower  color  is  controlled  by  incomplete  dominance.  The  two  alleles  are  red  ( R)   and  white  ( W).  The  heterozygous  genotype  is  expressed  as  pink.   a.  What  is  the  phenotype  of  a  plant  with  the  genotype  RR?  ___________   b.  What  is  the  phenotype  of  a  plant  with  the  genotype  WW?  ___________   c.  What  is  the  phenotype  of  a  plant  with  the  genotype  RW?  ___________     II.  Blood  type  questions:   1.  A  man  with  AB  blood  is  married  to  a  woman  with  AB  blood.  What  blood  types  will  their  children   be  and  in  what  proportion?   2. A  man  who  has  type  B  blood  ( genotype:  BB)  is  married  to  a  woman  with  type  O  blood.  What   blood  type  will  their  children  have?   3.  A  woman  with  type  A  blood  ( genotype:  AO)  is  married  to  a  type  B  person  ( genotype:  BO).  What   blood  types  will  their  children  have?   4. A  woman  with  type  A  blood  is  claiming  that  a  man  with  type  AB  blood  is  the  father  of  her  child,   who  is  also  type  AB.  Could  this  man  be  the  father?  Show  the  possible  crosses;  remember  the   woman  can  have  AO  or  AA  genotypes.   5. A  man  with  type  AB  blood  is  married  to  a  woman  with  type  O  blood.  They  have  two  natural   children,  and  one  adopted  child.  The  children's  blood  types  are:  A,  B,  and  O.  Which  child  was   adopted?   6. A  person  with  type  A  blood  ( unknown  genotype)  marries  a  person  with  type  O  blood.  What   blood  types  are  possible  among  their  children   7.  Two  people,  both  with  AB  blood  have  four  children.  What  blood  types  should  the  children  be?   8. A  person  with  type  B  blood  ( genotype  BO)  has  children  with  a  type  AB  person.  What  blood   types  are  possible  among  their  children?   9. A  person  with  type  O  blood  is  married  to  a  person  with  type  A  blood  ( unknown  genotype).  They   have  6  children,  3  of  them  have  type  A  blood,  three  of  them  have  type  O  blood.  What  is  the   genotype  of  the  two  parents?  

10. A  person  has  type  B  blood.  What  are  ALL  the  possible  blood  types  of  his  parents.  Show  the   crosses  to  prove  your  answer.   11. A  man  of  unknown  genotype  has  type  B  blood,  his  wife  has  type  A  blood  ( also  unknown   genotype).  List  ALL  the  blood  types  possible  for  their  children.  ( you  may  need  to  do  multiple   crosses  to  consider  the  different  possible  genotypes  of  the  parents)     III.  Sex-­‐linked  traits,  punnet  squares  and  pedigree     Usually,  sex-­‐linked  disorders  are  recessive  disorders  found  on  the  X  chromosome.  Because  women  have   two  X  chromosomes,  they  need  to  inherit  two  bad  X  chromosomes  to  become  afflicted  with  the   disease.  This  is  not  likely  to  happen  so  women  with  sex-­‐linked  disorders  are  very  rare.  Men  however   only  have  one  single  X  chromosome.  Therefore  if  a  male  has  the  damaged  gene  on  his  only  X   chromosome  he  will  have  the  disorder  because  he  does  not  have  a  “backup”  X  chromosome.  A  male’s  Y   chromosome  does  not  offset  any  damage  done  to  the  X  chromosome.  Examples  of  SexLinked   disorders  are  hemophilia,  colorblindness,  and  muscular  dystrophy.     1.  Two  normal-­‐visioned  parents  produce  a  colorblind  son.  Draw  a  pedigree  that  includes  every  person  ( 3   people)  mentioned  in  the  story.  Include  a  Punnett  square  of  the  parents.   Draw  a  Punnett  square  for  the  mother  and  father  Draw  a  pedigree  below  that  shows  all  three  people  of   this  family   a.  What  are  the  genotypes  of  the  parents?   Mom  =  ________________  Dad  =  _________________   b.  What  are  the  chances  of  their  next  child  being  a  colorblind  daughter?  _______________   c.  Before  having  this  first  child,  what  was  the  probability  this  couple  would  have  three   children,  all  healthy?     2.  In  humans,  the  gene  for  normal  blood  clotting  ( XH)  is  dominant  to  the  gene  for  hemophilia  ( Xh).  This   is  a  sexlinked  trait  found  on  the  X  chromosome.  A  woman  with  normal  blood  clotting  has  four  children.   They  are  a  normal  son,  a  hemophiliac  son,  and  two  normal  daughters.  The  father  has  normal  blood   clotting.  Draw  a  pedigree  that  includes  every  person  mentioned  in  the  story.  Draw  a  Punnett  square  for   the  mother  and  father.  Draw  pedigree  below  that  shows  all  six  people  of  this  family   a.  Write  in  the  probable  genotype  next  to  or  inside  of  each  circle  and  square  in  your  pedigree   above.   b.  If  they  decide  to  have  another  child,  what  are  the  chances  the  child  will  be  a  girl  who  carries   the  disorder?   3.  A  man,  whose  mother  is  homozygous  dominant  and  whose  father  is  a  hemophiliac,  marries  a  woman   with  no  history  of  hemophilia  in  her  family.  The  man  and  woman  decide  to  raise  a  family  and  have  3   children,  a  boy,  a  girl,  and  another  boy.  Draw  a  pedigree  that  includes  every  person  mentioned  in  the   story.  Include  a  Punnett  square  of  the  man  and  woman.   a. Draw  the  Punnett  Square  below  showing  the  man  and  woman   b. Draw  pedigree  below  that  shows  all  seven  people  in  this  family   c. Write  in  the  probable  genotype  next  to  or  inside  of  each  circle  and  square  in  your  pedigree   above.   d. What  are  the  chances  that  the  man  and  woman  can  have  a  child  with  hemophilia?  

  IV.  Probability  of  inheritance   1. A  man  has  six  fingers  on  each  hand  and  six  toes  on  each  foot.  His  wife  and  their  daughter  have   the  normal  number  of  digits  ( 5).  Extra  digits  is  a  dominant  trait.  What  fraction  of  this  couple's   children  would  be  expected  to  have  extra  digits?     2. Imagine  you  are  a  genetic  counselor,  and  a  couple  planning  to  start  a  family  came  to  you  for   information.  Charles  was  married  once  before,  and  he  and  his  first  wife  had  a  child  who  has   cystic  fibrosis.  The  brother  of  his  current  wife  Elaine  died  of  cystic  fibrosis.  What  is  the   probability  that  Charles  and  Elaine  will  have  a  baby  with  cystic  fibrosis?  ( Neither  Charles  nor   Elaine  has  the  disease)     3. In  mice,  black  color  ( B  )  is  dominant  to  white  ( b  ) .  At  a  different  locus,  a  dominant  allele  ( A  )   produces  a  band  of  yellow  just  below  the  tip  of  each  hair  in  mice  with  black  fur.  This  gives  a   frosted  appearance  known  as  agouti.  Expression  of  the  recessive  allele  ( a  )  results  in  a  solid  coat   color.  If  mice  that  are  heterozygous  at  both  loci  are  crossed,  what  will  be  the  expected   phenotypic  ratio  of  their  offspring?      

IB  Objectives     4.1  Chromosomes,  genes,  alleles  and  mutation   4.1.1    State  that  eukaryotic  chromosomes  are  made  of  DNA  and  protein   ❖

Eukaryotic  chromosomes  consist  of  DNA  wrapped  around  histone  proteins  



This  forms  the  basic  structure  of  the  nucleosome,  which  is  packed  together  to  form   chromatin  (in  a  'beads  on  a  string'  arrangement)  



Chromatin  will  supercoil  and  condense  during  prophase  to  form  chromosomes  that  can   be  visualised  under  a  light  microscope  



Prokaryotic  DNA  is  not  wrapped  around  proteins  and  is  thus  considered  to  be  'naked'  

  Fig:  Arrangement  of  DNA  into  chromosomes  

4.1.2    Define  gene,  allele  and  genome  

❖ Gene:    A  heritable  factor  that  controls  a  specific  characteristic,  consisting  of  a  length  of   DNA  occupying  a  particular  position  on  a  chromosome  (locus)   ❖ Allele:    One  specific  form  of  a  gene,  differing  from  other  alleles  by  one  or  a  few  bases   only  and  occupying  the  same  locus  as  other  alleles  of  the  gene   ❖ Genome:    The  whole  of  the  genetic  information  of  an  organism   4.1.3    Define  gene  mutation   ❖ Gene  mutation:    A  change  in  the  nucleotide  sequence  of  a  section  of  DNA  coding  for  a   particular  feature     4.1.4    Explain  the  consequence  of  a  base  substitution  mutation  in  relation  to  the  process  of   transcription  and  translation  using  the  example  of  sickle  cell  anaemia   ❖ Cause  of  Sickle  Cell  Anaemia   ● A  base  substitution  mutation  is  the  change  of  a  single  base  in  a  sequence  of  DNA,   resulting  in  a  change  to  a  single  mRNA  codon  during  transcription   ● In  the  case  of  sickle  cell  anaemia,  the  6th  codon  for  the  beta  chain  of  haemoglobin  is   changed  from  GAG  to  GTG  (on  the  non-­‐coding  strand)   ● This  causes  a  change  in  the  mRNA  codon  (GAG  to  GUG),  resulting  in  a  single  amino  acid   change  of  glutamic  acid  to  valine  (Glu  to  Val)   ● •  DNA:    GAG  to  GTG  (non-­‐coding  strand)                                                                      •  mRNA:    GAG  to  GUG   •  Amino  Acid:    Glu  to  Val     ● The  amino  acid  change  alters  the  structure  of  haemoglobin,  causing  it  to  form  fibrous,   insoluble  strands   ● This  causes  the  red  blood  cell  to  adopt  a  sickle  shape  

 

Normal  Red  Blood  Cell                                                                                                                                                                                                                                                    Sickle  Cell  

❖ Consequences  of  Sickle  Cell  Anaemia   ● The  insoluble  haemoglobin  cannot  effectively  carry  oxygen,  causing  individual  to  feel   constantly  tired   ● The  sickle  cells  may  accumulate  in  the  capillaries  and  form  clots,  blocking  blood  supply   to  vital  organs  and  causing  a  myriad  of  health  problems   ● Also  causes  anaemia  (low  RBC  count),  as  the  sickle  cells  are  destroyed  more  rapidly   than  normal  red  blood  cells   ● Sickle  cell  anaemia  occurs  in  individuals  who  have  two  copies  of  the  codominant  'sickle   cell'  allele  (i.e.  homozygotes)   ● Heterozygous  individuals  have  increased  resistance  to  malaria  due  to  the  presence  of  a   single  'sickle  cell'  allele  (heterozygous  advantage)  

Fig:  Sickle  Cell  Anaemia    

4.2:  Meiosis     4.2.1    State  that  meiosis  is  a  reduction  division  of  a  diploid  nucleus  to  form  haploid  nuclei   Meiosis  is  the  process  by  which  sex  cells  (gametes)  are  made  in  the  reproductive  organs:   ❖

Most  sexually  reproducing  animals  are  diploid  -­‐  meaning  they  have  two  copies  of  every   chromosome  (one  of  maternal  origin,  one  of  paternal  origin)  



In  order  to  reproduce,  these  organisms  need  to  make  gametes  that  are  haploid  (have   only  one  copy  of  each  chromosome)  



Fertilisation  of  two  haploid  gametes  (egg  +  sperm)  will  result  in  the  formation  of  a   diploid  zygote  that  will  grow  into  a  new  organism  



Meiosis  consists  of  two  cell  divisions:  



The  first  division  is  a  reduction  division  of  the  diploid  nucleus  to  form  haploid  nuclei  



The  second  division  separates  sister  chromatids  (this  division  is  necessary  because   meiosis  is  preceded  by  interphase,  wherein  DNA  is  replicated)  

4.2.2    Define  homologous  chromosomes   Homologous  chromosomes  are  chromosomes  that  share:     ❖

The  same  structural  features  (e.g.  same  size,  same  banding  pattern,  same  centromere   position)  



The  same  genes  at  the  same  loci  positions  (while  genes  are  the  same,  alleles  may  be   different)  

4.2.3    Outline  the  process  of  meiosis,  including  pairing  of  homologous  chromosomes  and   crossing  over,  followed  by  two  divisions,  which  results  in  four  haploid  cells   ❖ The  process  of  meiosis  involves  two  divisions,  both  of  which  follow  the  same  basic  stages   as  mitosis  (prophase,  metaphase,  anaphase  and  telophase)   ❖ Meiosis  is  preceded  by  interphase,  which  includes  the  replication  of  DNA  (S  phase)  to   create  chromosomes  with  genetically  identical  sister  chromatids  

 

 

Meiosis  I   Homologous  chromosomes  must  first  pair  up  in  order  to  be  sorted  into  separate  haploid   daughter  cells   In  prophase  I,  homologous  chromosomes  undergo  a  process  called  synapsis,  whereby   homologous  chromosomes  pair  up  to  form  a  bivalent  (or  tetrad)   ■

The  homologous  chromosomes  are  held  together  at  points  called  chiasma  (singular:   chiasmata)  



Crossing  over  of  genetic  material  between  non-­‐sister  chromatids  can  occur  at  these   points,  resulting  in  new  gene  combinations  (recombination)  

  The  remainder  of  meiosis  I  involves  separating  the  homologous  chromosomes  into  separate   daughter  cells   ■

In  metaphase  I,  the  homologous  pairs  line  up  along  the  equator  of  the  cell  



In  anaphase  I,  the  homologous  chromosomes  split  apart  and  move  to  opposite  poles  



In  telophase  I,  the  cell  splits  into  two  haploid  daughter  cells  as  cytokinesis  happens   concurrently  

  Meiosis  II   In  meiosis  II,  the  sister  chromatids  are  divided  into  separate  cells    

 



In  prophase  II,  spindle  fibres  reform  and  reconnect  to  the  chromosomes  



In  metaphase  II,  the  chromosomes  line  up  along  the  equator  of  the  cell  



In  anaphase  II,  the  sister  chromatids  split  apart  and  move  to  opposite  poles  



In  telophase  II,  the  cell  splits  in  two  as  cytokinesis  happens  concurrently  

Because  sister  chromatids  may  no  longer  be  genetically  identical  as  a  result  of  potential   recombination,  the  process  of  meiosis  results  in  the  formation  of  four  genetically  distinct   haploid  daughter  cells     4.2.4    Explain  that  non-­‐disjunction  can  lead  to  a  change  in  chromosome  number,  illustrated  by   reference  to  Down  syndrome  (trisomy  21)   Non-­‐disjunction  refers  to  the  chromosomes  failing  to  separate  correctly,  resulting  in  gametes   with  one  extra,  or  one  missing,  chromosome  (aneuploidy)   The  failure  of  the  chromosomes  to  separate  may  either  occur  via:   ■

Failure  of  homologues  to  separate  during  Anaphase  I  (resulting  in  four  affected   daughter  cells)  



Failure  of  sister  chromatids  to  separate  during  Anaphase  II  (resulting  in  two  affected   daughter  cells)  

  Non-­‐Disjunction  

   

Individuals  with  Down  syndrome  have  three  copies  of  chromosome  21  (trisomy  21)   ■

One  of  the  parental  gametes  had  two  copies  of  chromosome  21  as  a  result  of   non-­‐disjunction  



The  other  parental  gamete  was  normal  and  had  a  single  copy  of  chromosome  21  



When  the  two  gametes  fused  during  fertilisation,  the  resulting  zygote  had  three  copies   of  chromosome  21,  leading  to  Down  syndrome  

  4.2.5    State  that,  in  karyotyping,  chromosomes  are  arranged  in  pairs  according  to  their  structure   A  karyotype  is  a  visual  profile  of  all  the  chromosomes  in  a  cell   The  chromosomes  are  arranged  into  homologous  pairs  and  displayed  according  to  their   structural  characteristics     Human  Male  Karyotype  

    Karyotyping  involves:   ■

Harvesting  cells  (usually  from  foetus  or  white  blood  cells  of  adults)  



Chemically  inducing  cell  division,  then  halting  it  during  mitosis  when  chromosomes  are   condensed  and  thus  visible   The  stage  during  which  mitosis  is  halted  will  determine  whether  chromosomes   appear  with  sister  chromatids   Staining  and  photographing  chromosomes,  before  arranging  them  according  to   ■



structure     4.2.6    State  that  karyotyping  is  performed  using  cells  collected  by  chorionic  villus  sampling  or   amniocentesis,  for  pre-­‐natal  diagnosis  of  chromosome  abnormalities   Pre-­‐natal  karyotyping  is  often  used  to:   ■

Determine  the  gender  of  an  unborn  child  (via  identification  of  sex  chromosomes)  



Test  for  chromosomal  abnormalities  (e.g.  aneuploidies  resulting  from  non-­‐disjunction)  

  Amniocentesis   ■

A  needle  is  inserted  through  the  abdominal  wall,  into  the  amniotic  cavity  in  the  uterus,   and  a  sample  of  amniotic  fluid  containing  foetal  cells  is  taken  



It  can  be  done  at  ~  16th  week  of  pregnancy,  with  a  slight  chance  of  miscarriage  (~0.5%)  

  Chorionic  Villus  Sampling   ■

A  tube  is  inserted  through  the  cervix  and  a  tiny  sample  of  the  chorionic  villi  (contains   foetal  cells)  from  the  placenta  is  taken  



It  can  be  done  at  ~  11th  week  of  pregnancy,  with  a  slight  risk  of  inducing  miscarriage   (~1%)  

 

                                                                                                                           Amniocentesis   Chorionic  Villus  Sampling  

    4.2.7    Analyse  a  human  karyotype  to  determine  gender  and  whether  non-­‐disjunction  has   occurred   Every  cell  in  the  human  body  has  46  chromosomes  (except  anucleate  red  blood  cells  and   haploid  gametes)   Males  (X,Y)  and  females  (X,X)  can  be  differentiated  on  the  basis  of  their  sex  chromosomes   Non-­‐disjunction  during  gamete  formation  can  lead  to  individuals  with  an  abnormal  number  of   chromosomes  (aneuploidy)   These  disorders  can  be  classified  according  to  the  chromosome  number  affected  and  the   number  of  chromosomes  present   Analysing  Karyotypes   4.3.1    Define  genotype,  phenotype,  dominant  allele,  recessive  allele,  codominant  alleles,  locus,   homozygous,  heterozygous,  carrier  and  test  cross  

Genotype:    The  allele  combination  of  an  organism   Phenotype:    The  characteristics  of  an  organism  (determined  by  a  combination  of  genotype  and   environmental  factors)   Dominant  Allele:    An  allele  that  has  the  same  effect  on  the  phenotype  whether  it  is  present  in   the  homozygous  or  heterozygous  state   Recessive  Allele:    An  allele  that  only  has  an  effect  on  the  phenotype  when  present  in  the   homozygous  state   Codominant  Alleles:    Pairs  of  alleles  that  both  affect  the  phenotype  when  present  in  a   heterozygote   Locus:    The  particular  position  on  homologous  chromosomes  of  a  gene   Homozygous:    Having  two  identical  alleles  of  a  gene   Heterozygous:    Having  two  different  alleles  of  a  gene   Carrier:    An  individual  that  has  one  copy  of  a  recessive  allele  that  causes  a  genetic  disease  in   individuals  that  are  homozygous  for  this  allele   Test  Cross:    Testing  a  suspected  heterozygote  by  crossing  it  with  a  known  homozygous  recessive   4.3.2    Determine  the  genotypes  and  phenotypes  of  the  offspring  of  a  monohybrid  cross  using  a   Punnett  grid   A  genetic  cross  is  a  means  of  determining  the  genetic  characteristics  of  potential  offspring   based  on  the  genetic  characteristics  of  the  prospective  parents   A  monohybrid  cross  determines  the  allele  combinations  of  offspring  for  one  particular  gene   only  (HL  students  may  refer  to  topic  10.2  for  dihybrid  crosses)    

  Monohybrid  crosses  can  be  calculated  according  to  the  following  steps:   Step  1:    Designate  characters  to  represent  the  alleles    



Capital  letter  for  dominant  allele,  lower  case  letter  for  recessive  allele  

  Step  2:    Write  down  the  genotype  and  phenotype  of  the  parents     ■

This  is  the  P  generation  (parental  generation)  

  Step  3:    Write  down  the  genotype  of  the  parental  gametes     ■

These  will  be  haploid  as  a  result  of  meiotic  division  

  Step  4:    Use  a  Punnett  grid  to  work  out  the  potential  gamete  combinations     ■

As  fertilisation  is  random,  all  combinations  have  an  equal  probability  

  Step  5:    Write  out  the  genotype  and  phenotype  ratios  of  potential  offspring     ■

This  is  the  F1  generation  (first  filial  generation)  



Subsequent  generations  through  interbreeding  labeled  F2,  F3,  etc.  

  Note:    The  genotypic  and  phenotypic  ratios  calculated  are  only  probabilities   4.3.3    State  that  some  genes  have  more  than  two  alleles  (multiple  alleles)   Some  genes  have  more  than  two  alleles  for  a  given  trait  (e.g.  the  ABO  blood  group  system)   The  alleles  which  are  not  recessive  may  either:     ■

Share  codominance  (be  expressed  equally  in  the  phenotype)    



Share  incomplete  dominance  (neither  is  fully  expressed  in  the  phenotype,  resulting  in   blending)    



Demonstrate  a  dominance  order  (e.g.  allele  A  >  allele  B  >  allele  C)  

4.3.4    Describe  ABO  blood  groups  as  an  example  of  codominance  and  multiple  alleles   When  assigning  alleles  for  codominance,  the  convention  is  to  use  a  common  letter  to  represent   dominant  and  recessive  and  use  superscripts  to  represent  the  different  codominant  alleles     ■

I  stands  for  immunoglobulin  (antigenic  protein  on  blood  cells)  



A  and  B  stand  for  the  codominant  variants  

  The  ABO  gene  has  three  alleles:  IA,  IB  and  i   ■

IA  and  IB  are  codominant,  wherease  i  is  recessive  (no  antigenic  protein  is  produced)  



Codominance  means  that  both  IA  and  IB  alleles  will  be  expressed  within  a  given   phenotype  

  The  genotypes  and  phenotypes  of  the  ABO  blood  groups  are:  

    The  ABO  Blood  Group  System  

    4.3.5    Explain  how  sex  chromosomes  control  gender  by  referring  to  the  inheritance  of  X  and  Y   chromosomes  in  humans   Humans  have  23  pairs  of  chromosomes  for  a  total  of  46  (excluding  instances  of  aneuploidy)   The  first  22  pairs  are  autosomes  -­‐  each  chromosome  pair  possesses  the  same  genes  and   structural  features   The  23rd  pair  of  chromosomes  are  heterosomes  (or  sex  chromosomes)  and  determine  gender   ■

Females  are  XX  -­‐  they  possess  two  X  chromosomes  



Males  are  XY  -­‐  they  posses  one  X  chromosome  and  a  much  shorter  Y  chromosome  

  The  Y  chromosome  contains  the  genes  for  developing  male  sex  characteristic  -­‐  hence  the  father   is  always  responsible  for  determining  gender  



If  the  male  sperm  contains  the  X  chromosome  the  growing  embryo  will  develop  into  a   girl  



If  the  male  sperm  contains  a  Y  chromosome  the  growing  embryo  will  develop  into  a  boy  



In  all  cases  the  female  egg  will  contain  an  X  chromosome  (as  the  mother  is  XX)  

  Because  the  X  and  Y  chromosomes  are  of  a  different  size,  they  cannot  undergo  crossing  over  /   recombination  during  meiosis   This  ensures  that  the  gene  responsible  for  gender  always  remains  on  the  Y  chromosome,   meaning  that  there  is  always  ~  50%  chance  of  a  boy  or  girl     4.3.6    State  that  some  genes  are  present  on  the  X  chromosome  and  absent  from  the  shorter  Y   chromosome     The  Y  chromosome  is  much  shorter  than  the  X  chromosome  and   contains  only  a  few  genes     ■

Includes  the  SRY  sex-­‐determination  gene  and  a  few  

others  (e.g.  hairy  ears  gene)     The  X  chromosome  is  much  longer  and  contains  several  genes   not  present  on  the  Y  chromosome   ■

Includes  the  genes  for  haemophilia  and  red-­‐green  colour  

blindness     In  human  females,  only  one  of  the  X  chromosomes  remains  active  throughout  life    



The  other  is  packaged  as  heterochromatin  to  form  a  condensed  Barr  body  



This  inactivation  is  random  and  individual  to  each  cell,  so  heterozygous  women  will  be  a   mosaic  -­‐  expressing  both        alleles  via  different  cells  

  4.3.7    Define  sex  linkage   Sex  linkage  refers  to  when  a  gene  controlling  a  characteristic  is  found  on  a  sex  chromosome   (and  so  we  associate  the  trait  with  a  predominant  gender)   ■

Sex-­‐linked  conditions  are  usually  X-­‐linked,  as  very  few  genes  exist  on  the  shorter  Y   chromosome  

  4.3.8    Describe  the  inheritance  of  colour  blindness  and  haemophilia  as  examples  of  sex  linkage   ■

Colour  blindness  and  haemophilia  are  both  examples  of  X-­‐linked  recessive  conditions  



The  gene  loci  for  these  conditions  are  found  on  the  non-­‐homologous  region  of  the  X   chromosome  (they  are  not  present  of  the  Y  chromosome)  



As  males  only  have  one  allele  for  this  gene  they  cannot  be  a  carrier  for  the  condition    



This  means  they  have  a  higher  frequency  of  being  recessive  and  expressing  the  trait  



Males  will  always  inherit  an  X-­‐linked  recessive  condition  from  their  mother  



Females  will  only  inherit  an  X-­‐linked  recessive  condition  if  they  receive  a  recessive  allele   from  both  parents  

  When  assigning  alleles  for  sex-­‐linked  traits  the  convention  is  to  write  the  allele  as  a  superscript   to  the  sex  chomosome  (usually  X)   ■

Haemophilia:    XH  =  unaffected  ;  Xh  =  affected  



Colour  Blindness:    XA  =  unaffected  ;  Xa  =  affected  

  Male  and  Female  Genotypes  for  a  Sex-­‐Linked  Condition  

    4.3.9    State  that  a  human  female  can  be  homozygous  or  heterozygous  with  respect  to  sex-­‐linked   genes   As  human  females  have  two  X  chromosomes  (and  therefore  two  alleles  for  any  given  X-­‐linked   gene),  they  can  be  either  homozygous  or  heterozygous   Males  only  have  one  X  chromosome  (and  therefore  only  one  allele)  and  are  hemizygous     4.3.10    Explain  that  female  carriers  are  heterozygous  for  X-­‐linked  recessive  alleles   ■

An  individual  with  a  recessive  allele  for  a  disease  condition  that  is  masked  by  a  normal   dominant  allele  is  said  to  be  a  carrier  



Carriers  are  heterozygous  and  can  potentially  pass  the  trait  on  to  the  next  generation,   but  do  not  suffer  from  the  defective  condition  themselves  



Females  can  be  carriers  for  X-­‐linked  recessive  conditions  because  they  have  two  X   chromosomes  -­‐  males  (XY)  cannot  be  carriers  



Because  a  male  only  inherits  an  X  chromosome  from  his  mother,  his  chances  of   inheriting  the  disease  condition  from  a  carrier  mother  is  greater  

4.3.11    Predict  the  genotypic  and  phenotypic  ratios  of  offspring  of  monohybrid  crosses  involving   any  of  the  above  patterns  of  inheritance   Autosomal  Dominance  /  Recessive   ■

Choose  a  letter  where  the  upper  and  lower  case  forms  are  easily  distinguishable  (e.g.   E/e,  A/a,  B/b)  



Use  the  capital  letter  for  the  dominant  allele  and  the  lower  case  letter  for  the  recessive   allele  



Example:  

    Codominance   ■

Choose  a  letter  to  denote  the  general  trait  encoded  by  the  gene  (capital  =  dominant,   lower  case  =  recessive)  



Use  different  superscript  letters  (capitals)  to  represent  the  different  codominant  alleles  



Example:  

    X-­‐linked  Recessive   ■

Use  a  capital  "X"  to  denote  the  X  chromosome  



Choose  a  superscript  letter  to  represent  the  trait  (capital  =  dominant,  lower  case  =   recessive)  



Example:  

  4.3.12    Deduce  the  genotype  and  phenotype  of  individuals  in  pedigree  charts   A  pedigree  is  a  chart  of  the  genetic  history  of  a  family  over  several  generations   ■

Males  are  represented  as  squares,  while  females  are  represented  as  circles  



Shaded  symbols  means  an  individual  is  affected  by  a  condition,  while  an  unshaded   symbol  means  they  are  unaffected  



A  horizontal  line  between  a  man  and  woman  represents  mating  and  resulting  children   are  shown  as  offshoots  to  this  line  

  Autosomal  Dominance   ■

All  affected  individuals  must  have  at  least  one  affected  parent  



If  two  parents  are  unaffected,  all  offspring  must  be  unaffected  (homozygous  recessive)  



If  two  parents  are  affected,  they  may  have  offspring  who  are  unaffected  (if  parents  are   heterozygous)  

  Autosomal  Recessive   ■

If  two  parents  show  a  trait,  all  children  must  also  show  the  trait  (homozygous  recessive)  



An  affected  individual  may  have  two  normal  parents  (if  parents  are  both  heterozygous   carriers)  

 

X-­‐Linked  Recessive   ■

If  a  female  shows  the  trait,  so  must  all  sons  as  well  as  her  father  



The  disorder  is  more  common  in  males  

  Identifying  Modes  of  Inheritance  

    4.4.1    Outline  the  use  of  polymerase  chain  reaction  (PCR)  to  copy  and  amplify  minute  quantities   of  DNA​    

PCR  is  a  way  of  producing  large   quantites  of  a  specific  target   sequence  of  DNA   It  is  useful  when  only  a  small  amount   of  DNA  is  avaliable  for  testing    



E.g.  crime  scene  samples  of  blood,  semen,  tissue,  hair,  etc.  

  PCR  occurs  in  a  thermal  cycler  and  involves  a  repeat  procedure  of  3  steps:   1.    Denaturation:    DNA  sample  is  heated  to  separate  it  into  two  strands   2.    Annealing:    DNA  primers  attach  to  opposite  ends  of  the  target  sequence   3.    Elongation:    A  heat-­‐tolerant  DNA  polymerase  (Taq)  copies  the  strands       One  cycle  of  PCR  yields  two  identical  copies  of  the  DNA  sequence   ■

A  standard  reaction  of  30  cycles  would  yield  1,073,741,826  copies  of  DNA  (230)  

  4.4.2    State  that,  in  gel  electrophoresis,  fragments  of  DNA  can  move  in  an  electric  field  and  are   separated  according  to  their  size   Gel  electrophoresis  is  a  technique  which  is  used  to  separate  fragments  of  DNA  according  to  size  

  ■

Samples  of  fragmented  DNA  are  placed  in  the  wells  of  an  agarose  gel  



The  gel  is  placed  in  a  buffering  solution  and  an  electrical  current  is  passed  across  the   gel  



DNA,  being  negatively  charged  (due  to  phosphate),  moves  to  the  positive  terminus   (anode)  



Smaller  fragments  are  less  impeded  by  the  gel  matrix  and  move  faster  through  the  gel  



The  fragments  are  thus  separated  according  to  size    



Size  can  be  calculated  (in  kilobases)  by  comparing  against  a  known  industry  standard  

4.4.3    State  that  gel  electrophoresis  of  DNA  is  used  in  DNA  profiling   ■

DNA  profiling  is  a  technique  by  which  individuals  are  identified  on  the  basis  of  their   respective  DNA  profiles  



Within  the  non-­‐coding  region  of  an  individual's  genome,  there  exists  satellite  DNA  -­‐  long   stretches  of  DNA  made  up  of  repeating  elements  called  short  tandem  repeats  (STRs)  



These  repeating  sequences  can  be  excised  to  form  fragments,  by  cutting  with  a  variety   of  restriction  endonucleases  (which  cut  DNA  at  specific  sites)  



As  individuals  all  have  a  different  number  of  repeats  in  a  given  sequence  of  satellite   DNA,  they  will  all  generate  unique  fragment  profiles  



These  different  profiles  can  be  compared  using  gel  electrophoresis     DNA  Profiling  Using  STR  Analysis  

 

  4.4.4    Describe  the  application  of  DNA  profiling  to  determine  paternity  and  also  in  forensic   investigation   ■

A  DNA  sample  is  collected  (blood,  saliva,  semen,  etc.)  and  amplified  using  PCR  



Satellite  DNA  (non-­‐coding)  is  cut  with  specific  restriction  enzymes  to  generate   fragments  



Individuals  will  have  unique  fragment  lengths  due  to  the  variable  length  of  their  short   tandem  repeats  (STR)  



The  fragments  are  separated  with  gel  electrophoresis  (smaller  fragments  move  quicker   through  the  gel)  



The  DNA  profile  can  then  be  analysed  according  to  need  

  Two  applications  of  DNA  profiling  are:   ■

Paternity  testing  (comparing  DNA  of  offspring  against  potential  fathers)  



Forensic  investigations  (identifying  suspects  or  victims  based  on  crime-­‐scene  DNA)    

  4.4.5    Analyse  DNA  profiles  to  draw  conclusions  about  paternity  or  forensic  investigations   Paternity  Testing:    Children  inherit  half  of  their  alleles  from  each  parent  and  thus  should   possess  a  combination  of  their  parents  alleles   Forensic  Investigation:    Suspect  DNA  should  be  a  complete  match  with  the  sample  taken  from  a   crime  scene  if  a  conviction  is  to  occur                                                                                                              Paternity  Test   Forensic  Investigation  

    4.4.6    Outline  three  outcomes  of  the  sequencing  of  the  complete  human  genome   The  Human  Genome  Project  (HGP)  was  an  international  cooperative  venture  established  to   sequence  the  3  billion  base  pair  (~25,000  genes)  in  the  human  genome     The  outcomes  of  this  project  include:   ■

Mapping:    We  now  know  the  number,  location  and  basic  sequence  of  human  genes  



Screening:    This  has  allowed  for  the  production  of  specific  gene  probes  to  detect   sufferers  and  carriers  of  genetic  disease  conditions  



Medicine:    With  the  discovery  of  new  proteins  and  their  functions,  we  can  develop   improved  treatments  (pharmacogenetics  and  rational  drug  design)  



Ancestry:    It  will  give  us  improved  insight  into  the  origins,  evolution  and  historical   migratory  patterns  of  humans    

  With  the  completion  of  the  Human  Genome  Project  in  2003,  researcher  have  begun  to   sequence  the  genomes  of  several  non-­‐human  organisms   In  Situ  Hybridisation    

4.4.7    State  that,  when  genes  are  transferred  between  species,  the  amino  acid  sequence  of   polypeptides  translated  from  them  is  unchanged  because  the  genetic  code  is  universal   The  genetic  code  is  universal,  meaning  that  for  every  living  organism  the  same  codons  code  for   the  same  amino  acids  (there  are  a  few  rare  exceptions)   This  means  that  the  genetic  information  from  one  organism  could  be  translated  by  another  (i.e.   it  is  theoretically  transferable)     Current  Examples  of  Transgenic  Modification   4.4.8    Outline  a  basic  technique  used  for  gene  transfer  involving  plasmids,  a  host  cell   (bacterium,  yeast  or  other  cell),  restriction  enzymes  (endonucleases)  and  DNA  ligase   1.    DNA  Extraction   ■

A  plasmid  is  removed  from  a  bacterial  cell  (plasmids  are  small,  circular  DNA  molecules   that  can  exist  and  replicate  autonomously)  



A  gene  of  interest  is  removed  from  an  organism's  genome  using  a  restriction   endonuclease  which  cut  at  specific  sequences  of  DNA  



The  gene  of  interest  and  plasmid  are  both  amplified  using  PCR  technology  

  2.    Digestion  and  Ligation   ■

The  plasmid  is  cut  with  the  same  restriction  enzyme  that  was  used  to  excise  the  gene  of   interest  



Cutting  with  certain  restriction  enzymes  may  generate  short  sequence  overhangs   ("sticky  ends")  that  allow  the  the  two  DNA  constructs  to  fit  together  



The  gene  of  interest  and  plasmid  are  spliced  together  by  DNA  ligase  creating  a   recombinant  plasmid  

 

3.    Transfection  and  Expression   ■

The  recombinant  plasmid  is  inserted  into  the  desired  host  cells  (this  is  called   transfection  for  eukaryotic  cells  and  transformation  for  prokaryotic  cells)  



The  transgenic  cells  will  hopefully  produce  the  desired  trait  encoded  by  the  gene  of   interest  (expression)  



The  product  may  need  to  subsequently  be  isolated  from  the  host  and  purified  in  order  to   generate  sufficient  yield  

  Treating  Haemophilia  via  the  Isolation  of  Human  Factor  IX  Clotting  Protein  from  Transgenic   Sheep  Milk  

    4.4.9    State  two  examples  of  current  uses  of  genetically  modified  crops  or  animals   Crops   1.    Engineering  crops  to  extend  shelf  life  of  fresh  produce   ■

Tomatoes  (Flavr  Savr)  have  been  engineered  to  have  an  extended  keeping  quality  by   switching  off  the  gene  for  ripening  and  thus  delaying  the  natural  process  of  softening  of   fruit  

2.    Engineering  of  crops  to  provide  protection  from  insects  



Maize  crops  (Bt  corn)  have  been  engineered  to  be  toxic  to  the  corn  borer  by  introducing   a  toxin  gene  from  a  bacterium  (Bacillus  thuringiensis)    

  Animals   1.    Engineering  animals  to  enhance  production   ■

Sheep  produce  more  wool  when  engineered  with  the  gene  for  the  enzyme  responsible   for  the  production  of  cysteine  -­‐  the  main  amino  acid  in  the  keratin  protein  of  wool  

2.    Engineering  animals  to  produce  desired  products   ■

Sheep  engineered  to  produce  human  alpha-­‐1-­‐antitrypsin  in  their  milk  can  be  used  to   help  treat  individuals  suffering  from  hereditary  emphysema  

4.4.10    Discuss  the  potential  benefits  and  potential  harmful  effects  of  one  example  of  genetic   modification   Example:    Maize  introduced  with  a  bacterial  gene  encoding  a  toxin  to  the  European  Corn  Borer   (i.e.  Bt  Corn)     Potential  Benefits   ■

Allows  for  the  introduction  of  a  characteristic  that  wasn't  present  within  the  gene  pool   (selective  breeding  could  not  have  produced  desired  phenotype)  



Results  in  increased  productivity  of  food  production  (requires  less  land  for  comparable   yield)  



Less  use  of  chemical  pesticides,  reducing  the  economic  cost  of  farming  



Can  now  grow  in  regions  that,  previously,  may  not  have  been  viable  (reduces  need  for   deforestation)  

 

Potential  Harmful  Effects   ■

Could  have  currently  unknown  harmful  effects  (e.g.  toxin  may  cause  allergic  reactions  in   a  percentage  of  the  population)  



Accidental  release  of  transgenic  organism  into  the  environment  may  result  in   competition  with  native  plant  species  



Possibility  of  cross  pollination  (if  gene  crosses  the  species  barrier  and  is  introduced  to   weeds,  may  have  a  hard  time  controlling  weed  growth)  



Reduces  genetic  variation  /  biodiversity  (corn  borer  may  play  a  crucial  role  in  local   ecosystem)  

4.4.11    Define  clone   A  clone  is  a  group  of  genetically  identical  organisms  or  a  group  of  cells  derived  from  a  single   parent  cell   4.4.12    Outline  a  technique  for  cloning  using  differentiated  animal  cells   Somatic  Cell  Nuclear  Transfer  (SCNT)  is  a  method  of  reproductive  cloning  using  differentiated   animal  cells   ■

A  female  animal  (e.g.  sheep)  is  treated  with  hormones  (such  as  FSH)  to  stimulate  the   development  of  eggs  



The  nucleus  from  an  egg  cell  is  removed  (enucleated),  thereby  removing  the  genetic   information  from  the  cell  



The  egg  cell  is  fused  with  the  nucleus  from  a  somatic  (body)  cell  of  another  sheep,   making  the  egg  cell  diploid  



An  electric  shock  is  delivered  to  stimulate  the  egg  to  divide,  and  once  this  process  has   begun  the  egg  is  implanted  into  the  uterus  of  a  surrogate  



The  developing  embryo  will  have  the  same  genetic  material  as  the  sheep  that   contributed  the  diploid  nucleus,  and  thus  be  a  clone  

  Different  Uses  of  Cloning  

    4.4.13    Discuss  the  ethical  issues  of  therapeutic  cloning  in  humans   ■

Refer  to  Topic  2.1.10  for  an  outline  of  uses  for  therapeutic  cloning  in  humans  

  Arguments  for  Therapeutic  Cloning   ■

May  be  used  to  cure  serious  diseases  or  disabilities  with  cell  therapy  (replacing  bad  cells   with  good  ones)  



Stem  cell  research  may  pave  the  way  for  future  discoveries  and  beneficial  technologies   that  would  not  have  occurred  if  their  use  had  been  banned  



Stem  cells  can  be  taken  from  embryos  that  have  stopped  developing  and  would  have   died  anyway  (e.g.  abortions)  



Cells  are  taken  at  a  stage  when  the  embryo  has  no  nervous  system  and  can  arguably   feel  no  pain  

  Arguments  Against  Therapeutic  Cloning  



Involves  the  creation  and  destruction  of  human  embryos  (at  what  point  do  we  afford  the   right  to  life?)  



Embryonic  stem  cells  are  capable  of  continued  division  and  may  develop  into  cancerous   cells  and  cause  tumors  



More  embryos  are  generally  produced  than  are  needed,  so  excess  embryos  are  killed  



With  additional  cost  and  effort,  alternative  technologies  may  fulfil  similar  roles  (e.g.   nuclear  reprogramming  of  differentiated  cell  lines)  

10.1.1    Describe  the  behaviour  of  the  chromosomes  in  the  phases  of  meiosis   Interphase:    Cell  growth  and  DNA  replication  (duplication  of  DNA  creates  sister  chromatid   chromosomes)     Meiosis  I   ■

Prophase  I:    DNA  supercoils  and  chromosomes  condense,  nuclear  membrane  dissolves,   homologous  pairs  form  bivalents,  crossing  over  occurs  



Metaphase  I:    Spindle  fibres  from  centrioles  (at  poles)  attach  to  centromeres  of   bivalent,  bivalents  line  up  along  the  equator  of  the  cell  



Anaphase  I:    Spindle  fibres  contract  and  split  the  bivalent,  homologous  chromosomes   move  to  opposite  poles  of  the  cell  



Telophase  I:    Chromosomes  decondense,  nuclear  membranes  may  reform,  cell  divides   (cytokinesis)  forming  two  haploid  daughter  cells  

  Interkinesis:    An  optional  rest  period  between  meiosis  I  and  meiosis  II,  no  DNA  replication   occurs  in  this  stage    

Meiosis  II   ■

Prophase  II:    Chromosomes  condense,  nuclear  membrane  dissolves  (if  reformed),   centrioles  move  to  opposite  poles  (perpendicular  to  previous  poles)  



Metaphase  II:  Spindle  fibres  from  centrioles  attach  to  centromeres  of  chromosomes,   chromosomes  line  up  along  the  equator  of  the  cell  



Anaphase  II:    Spindle  fibres  contract  and  split  the  chromosome  into  sister  chromatids,   chromatids  (now  called  chromosomes)  move  to  opposite  poles  



Telophase  II:    Chromosomes  decondense,  nuclear  membrane  reforms,  cells  divide   (cytokinesis)  resulting  in  four  haploid  daughter  cells  

  Summary   ■

Meiosis  is  the  division  of  a  cell  to  form  four  haploid  gametes,  all  of  which  may  be   genetically  distinct  if  recombination  occurs  in  prophase  I  

  Overview  of  Meiosis  

 

  10.1.2    Outline  the  formation  of  chiasmata  in  the  process  of  crossing  over   ■

Crossing  over  involves  the  exchange  of  segments  of  DNA  between  homologous   chromosomes  during  Prophase  I  of  meiosis  



The  process  of  crossing  over  occurs  as  follows:  



Homologous  chromosomes  become  connected  in  a  process  called  synapsis,   forming  a  bivalent  (or  tetrad)   ■ Non-­‐sister   chromatids   break   and   r ecombine   with   their   homologous   partner,   effectively  exchanging  genetic  material  (crossing  over)   ■ The   non-­‐sister   chromatids   r emain   connected   in   an   X-­‐shaped   structure   and   the   positions  of  attachment  are  called  chiasmata   Chiasma  hold  homologous  chromosomes  together  as  a  bivalent  until  anaphase  I  



As  a  result  of  crossing  over,  chromatids  may  consist  of  a  combination  of  DNA  derived  



from  both  homologues  -­‐  these  are  called  recombinants     Crossing  Over  in  Prophase  I  

    10.1.3    Explain  how  meiosis  results  in  an  effectively  infinite  genetic  variety  in  gametes  through   crossing  over  in  prophase  I  and  random  orientation  in  metaphase  I  



During  anaphase  I,  homologous  chromosomes  separate,  such  that  each  resultant   daughter  cell  (and  subsequent  gametes)  contains  a  chromosome  of  either  maternal  or   paternal  origin  



The  orientation  of  these  homologues  in  metaphase  I  is  random,  such  that  there  is  an   equal  probability  of  the  daughter  cell  having  either  the  maternal  or  paternal   chromosome  



As  humans  have  a  haploid  number  of  23  chromosomes,  this  means  that  there  is  223   potential  gamete  combinations  (over  8  million  combinations)  



Crossing  over  in  prophase  I  results  in  entirely  new  chromosome  combinations,  as   recombination  through  gene  exchange  produces  wholly  original  chromosomes   containing  both  maternal  and  paternal  DNA,  resulting  in  near  infinite  genetic  variability  



Other  sources  of  genetic  variation  include  random  fertilisations,  DNA  mutations,   chromosome  mutations  and  non-­‐disjunction  

  10.1.4    State  Mendel's  law  of  independent  assortment   Gregor  Mendel  was  a  19th  century  Moravian  monk  who  demonstrated  that  the  inheritence  of   traits  (i.e.  genes)  followed  particular  laws:   ■

Law  of  Segregation:    Each  hereditary  characteristic  is  controlled  by  two  alleles,  which   segregate  and  pass  into  different  reproductive  cells  (gametes)  



Law  of  Independent  Assortment:    The  separation  of  alleles  for  one  gene  will  occur   independently  of  the  separation  of  alleles  for  another  gene     ■ ■

According  to  the  law  of  independent  assortment,  different  allele  combinations   should  always  be  equally  possible   However  this  law  only  holds  for  genes  that  are  on  different  chromosomes  -­‐  the   law  of  independent  assortment  does  not  apply  to  linked  genes  

  10.1.5    Explain  the  relationship  between  Mendel's  law  of  independent  assortment  and  meiosis  



The  law  of  independent  assortment  relates  to  the  random  orientation  of  homologous   chromosomes  in  metaphase  I  of  meiosis  



Because  the  orientation  of  a  homologous  pair  is  random,  and  does  not  affect  the   orientation  of  any  other  homologous  pair,  any  one  of  a  pair  of  alleles  on  a  chromosome   has  an  equal  chance  of  being  paired  with,  or  separated  from,  any  one  of  a  pair  of  alleles   on  another  chromosome  



This  means  the  inheritance  of  two  different  traits  will  occur  independently  of  each  other   (provided  the  genes  aren't  linked)  

  Linked  versus  Unlinked  Genes    

 

10.2.1    Calculate  and  predict  the  genotypic  and  phenotypic  ratio  of  offspring  of  dihybrid  crosses   involving  unlinked  autosomal  genes   A  dihybrid  cross  determines  the  allele  combinations  of  offspring  for  two  particular  genes  that   are  unlinked  (not  on  the  same  chromosome)   Because  there  are  two  genes  with  two  alleles  per  gene  (multiple  alleles  not  required),  there   can  be  up  to  four  different  gamete  combinations   To  work  out  gamete  combinations  remember  FOIL:     •  First    (AaBb  =  AB)                                        •  Outside  (AaBb  =  Ab)                                        •  Inside  (AaBb  =  aB)   •  Last  (AaBb  =  ab)   When  calculating  genotype,  always  pair  alleles  from  the  same  gene  (e.g.  ABab  should  be  AaBb)   and  always  write  capitals  first     Calculating  genotypic  and  phenotypic  ratios  from  a  dihybrid  cross  

  10.2.2    Distinguish  between  autosomes  and  sex  chromosomes   Autosomes:    Pairs  of  chromosomes  that  are  identical  in  appearance  (e.g.  same  size,  same  gene   loci,  etc.)  and  are  not  involved  in  sex  determination   Sex  chromosomes:    Pairs  of  chromosomes  involved  in  sex  determination  and  are  not  identical   in  appearance  (e.g.  X  and  Y  chromosome  in  humans)     10.2.3    Explain  how  crossing  over  between  non-­‐sister  chromatids  of  a  homologous  pair  in   prophase  I  can  result  in  the  exchange  of  alleles   ■

During  crossing  over  in  prophase  I,  non-­‐sister  chromatids  of  a  homologous  pair  may   break  and  reform  at  points  of  attachment  called  chiasmata  



As  these  chromatids  break  at  the  same  point,  any  gene  loci  below  the  point  of  the  break   will  be  exchanged  as  a  result  of  recombination  



This  means  that  maternal  and  paternal  alleles  may  be  exchanged  between  the  maternal   and  paternal  chromosomes,  creating  new  gene  combinations  



The  further  apart  two  gene  loci  are  on  a  chromosome,  the  more  likely  they  are  to  be   exchanged  

  The  Formation  of  Recombinant  Chromosomes  via  Crossing  Over  

      10.2.4    Define  linkage  group   ■

A  linkage  group  is  a  group  of  genes  whose  loci  are  on  the  same  chromosome  and   therefore  do  not  follow  the  law  of  independent  assortment  



Linked  genes  will  tend  to  be  inherited  together  -­‐  the  only  way  to  separate  them  is   through  recombination  (via  crossing  over  during  synapsis)  

 

    10.2.5    Explain  an  example  of  a  cross  between  two  linked  genes   ■

When  two  genes  are  linked,  they  do  not  follow  the  expected  phenotypic  ratio  for  a   dihybrid  cross  between  heterozygous  parents  



Instead  the  phenotypic  ratio  will  follow  that  of  a  monohybrid  cross  as  the  two  genes  are   inherited  together  



This  means  that  offspring  will  tend  to  produce  the  parental  phenotypes  



Recombinant  phenotypes  will  only  be  evident  if  crossing  over  occurs  in  prophase  I  and   would  thus  be  expected  to  appear  in  low  numbers  (if  at  all)  



An  example  of  a  cross  between  two  linked  genes  is  the  mating  of  a  grey  bodied,  normal   wing  fruit  fly  with  a  black  bodied,  vestigial  wing  mutant  

Example  of  a  Cross  between  Two  Linked  Genes   10.2.6    Identify  which  of  the  offspring  are  recombinants  in  a  dihybrid  cross  involving  linked   genes   Recombinants  of  linked  genes  are  those  combinations  of  genes  not  found  in  parents   For  example,  in  a  test  cross  of  a  heterozygous  fruit  fly  (grey  bodied,  normal  wings)  with  a   homozygous  recessive  mutant  (black  bodied,  vestigial  wings),  the  recombinants  would  be  the   grey  bodied,  vestigial  winged  offsprings  and  the  black  bodied,  normal  winged  offspring  

    Linked  genes  that  have  undergone  recombination  can  be  distinguished  from  unlinked  genes  via   a  test  cross  because  the  frequency  of  the  recombinant  genotypes  will  always  be  less  than  would   occur  for  unlinked  genes  (crossing  over  does  not  happen  every  time)   ■

For  example:   ■ ■

Heterozygous  test  cross  of  unlinked  genes  =    1  :  1  :  1  :  1  phenotypic  ratio   Heterozygous  test  cross  of  linked  genes  =  1  :  1  :  0.1  :  01  phenotypic  ratio   (uncommon  phenotypes  are  recombinants)  

  Recombination  in  Linked  Genes   10.3.1    Define  polygenic  inheritance   ■

Polygenic  inheritance  refers  to  a  single  characteristic  that  is  controlled  by  more  than   two  genes  (also  called  multifactorial  inheritance)  



Polygenic  inheritance  patterns  normally  follow  a  normal  (bell-­‐shaped)  distribution  curve   -­‐  it  shows  continuous  variation  



By  increasing  the  number  of  genes  controlling  a  trait,  the  number  of  phenotype   combinations  also  increase,  until  the  number  of  phenotypes  to  which  an  individual  can   be  assigned  are  no  longer  discrete,  but  continuous  

10.3.2    Explain  that  polygenic  inheritance  can  contribute  to  continuous  variation  using  two   examples,  one  of  which  must  be  human  skin  colour   Human  Skin  Colour   ■

The  colour  of  human  skin  is  determined  by  the  amount  of  dark  pigment  (melanin)  it   contains  



At  least  four  (possibly  more)  genes  are  involved  in  melanin  production;  for  each  gene   one  allele  codes  for  melanin  production,  the  other  does  not  



The  combination  of  melanin  producing  alleles  determines  the  degree  of  pigmentation,   leading  to  continuous  variation   TED  Talks:  Inheritance  of  Human  Skin  Colour  

  Grain  Colour  in  W heat   ■

Wheat  grains  vary  in  colour  from  white  to  dark  red,  depending  on  the  amount  of  red   pigment  they  contain  



Three  genes  control  the  colour  and  each  gene  has  two  alleles  (one  coding  for  red   pigment,  the  other  coding  for  no  pigment)  



The  most  frequent  combinations  have  an  equal  number  of  'pigment  producing'  and  'no   pigment'  alleles,  whereas  combinations  of  one  extreme  or  the  other  are  relatively  rare  



The  overal  pattern  of  inheritance  shows  continuous  variation  

  Polygenic  Inheritance  of  Grain  Wheat  Colour  

       Sources  used:     -­‐ Bioninjia  for  IB  obejectives   -­‐ http://reviewgamezone.com/mc/candidate/test/?test_id=9393&title=Genetics%20SL%20%20 HL  for  multiple  choice