Taq DNA polymerase from Thermus aquaticus has been shown to be very useful in the polymerase chain reaction method, which is being used for amplifying DNA. Not only does Taq DNA polymerase have high commercial value commercial value for the polymerase chain reaction application, but it is also important in studying DNA replication, because it is apparently an homologue to E. coli DNA polymerase I, which has long been used for DNA replication study (Lawyer et ai., 1993). The crystal structure determination of Taq DNA polymerase was initiated. An X-ray diffraction pattern breaks down a crystal structure into discrete sine waves in a Fourier series. The original shape of a crystal object in terms of electron density may be represented as the sum of those sine waves with varying amplitudes and phases in three dimensions. The molecular replacement method was initially employed to provide phase information for the structure of Taq DNA polymerase. The rotation search using the program MERLOT resulted in a solution peak with 5.4 r.m.s. PC-refinement of the X-PLOR program verified the result and also optimized the orientation angles. Next, the translation search using the X-PLOR program resulted in a unique solution peak with 7.35 r.m.s. In addition, the translation search indicated $P3_121$ to be the true space group out of two possible ones. The phase information from the molecular replacement was useful in the MIR phasing experiment.
The PRD1 DNA polymerase is a small multi-functional enzyme containing conserved amino acid sequences shared by family B DNA polymerases. Thus the PRD1 DNA polymerase provides an useful model system with which to study structure-functional relationships of DNA polymerase molecules. In order to investigate the functional and structural roles of the highly conserved amino acid sequences, we have introduced three mutations into a conserved amino acid of the PRD1 DNA polymerase. Genetic complememtation study indicated that each mutation inactivated DNA polymerase catalytic activity.
PRDI DNA polymerase is the smallest member of the family B DNA polymerase (Jung et al., 1987). This DNA polyerase is specified by bacteriophage PRDI which infects a wide variety of gram-negative bacteria(Mindich and Bamford, 1988). Because PRDI is highly amenable to genetic and biochemical manipulation, it is a convenient model system with which to study structure-function relationships of DNA polymerase molecules. To determine the functional roles of the highly conserved regions of the family B DNA polymerases, we have initiated site-directed mutagenesis with PRD1 DNA polymerase, and our results show that mutations at the conserved regions within PRD1 DNA polymerase inactivate polymerase complementing activity and catalytic activity.
This study is an analysis of the process of the discovery of the DNA double helix structure from an engineering literacy education perspective. The explanation of the DNA double helix structure by James Watson and Francis Crick in 1952 is a well-known scientific episode. The process is also a combination of various incidents that can frequently happen in competitive engineering research and development situations. Therefore, the process of the discovery of the DNA structure is a remarkable event that can cover all subjects, such as engineering and ethics, research ethics, communication between researchers, engineering and leadership, engineering and teamwork, and engineering and women. This paper focuses on analyzing the research ethics issues associated with Rosalind Franklin and comparing and analyzing the three teams that were very close to the discovery of the DNA structure. By looking at why the Watson and Crick team got the final answer instead of the Linus Pauling's team or the Maurice Wilkins and Rosalind Franklin's team, the virtues of the technology development process that should be taught in engineering literacy education will be naturally presented.
Proceedings of the Botanical Society of Korea Conference
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1987.07a
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pp.149-155
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1987
Growth and development of a higher plant, or any living organism for that matter, could be defined as an orderly expression of the genome in time and space in close interaction with the environment. During differentiation and development of a tissue or organ a group of genes must be selectively turned on or turned off mainly by trans-acting regulators. In this general concept of regulation of regulation of gene expression, a DNA molecule is recognized at a specific nucleotide sequence by DNA-binding factors. Molecular biology of the regulatory factors such as hormones, and their receptors, target DNA sequences and DNA-binding proteins are well advanced. What is not clearly understood is the molecular basis of the interactions between DNA and binding factors, expecially of the usages of the dyad symmetry of the target DNA sequences and the dimeric nature of the DNA-binding proteins. A unique 3-dimensional structure of DNA has been proposed that may play an important role in the orderly expression of the gene. A foldback intercoil (FBI) DNA configuration which was originally found by electron microscopy among mtDNA molecules from pearl millet has some unique features. The FBI configuration of DNA is believed to be formed when a flexible double helix folds back and interwines in the widened major grooves resulting in a four stranded, intercoil DNA whose thickness is the same as that of double stranded DNA. More recently, the FBI structure of DNA has been also induced in vitro by a novel enzyme which was purified from pearl millet mitochondria. It has been proposed that the FBI DNA could be utillized in intramolecular recombination which leads to inversion or deletion, and in intermolecular recombination which can lead to either site-specific recombination, genetic recombination via single strand invasion, or cross strand recombination. The structure and function of DNA in 3-dimensional aspect is emphasized for better understanding orderly expression of genes during growth and development.
The right-handed double-helical structure of DNA (B-DNA), which follows the Watson-Crick model, is the canonical form of DNA existing in normal physiological settings. Even though an alternative left-handed structure of DNA (Z-DNA) was discovered in the late 1970s, Z-form nucleic acid has not received much attention from biologists, because it is extremely unstable under physiological conditions, has an ill-defined mechanism of its formation, and has obscure biological functions. The debate about the physiological relevance of Z-DNA was settled only after a class of proteins was found to potentially recognize the Z-form architecture of DNA. Interestingly, these Z-DNA binding proteins can bind not only the left-handed form of DNA but also the equivalent structure of RNA (Z-RNA). The Z-DNA/RNA binding proteins present from viruses to humans function as important regulators of biological processes. In particular, the proteins ADAR1 and ZBP1 are currently being extensively re-evaluated in the field to understand potential roles of the noncanonical Z-conformation of nucleic acids in host immune responses and human disease. Despite a growing body of evidence supporting the biological importance of Z-DNA/RNA, there remain many unanswered principal questions, such as when Z-form nucleic acids arise and how they signal to downstream pathways. Understanding Z-DNA/RNA and the sensors in different pathophysiological conditions will widen our view on the regulation of immune responses and open a new door of opportunity to develop novel types of immunomodulatory therapeutic possibilities.
To investigate the importance of the hydrophobic interaction in the spermine-induced collapse of DNA to a compact structure, the effect of urea on the anomalous absorbance-temperature profile of calf thymus DNA has been investigated. With the increase of the urea concentration, the trough phase of the anomalous absorbance-temperature profile was eliminated eventually. The cooperativity, enthalpy, and the midpoint of the transition to the trough region are more sensitive to urea than those of the Tm-region transition. The present data of the adverse effect of urea, a hydrophobic environmental reagent, on the thermal stabilization of the condensed state of DNA, suggest that hydrophobic interaction may play an important role in the stabilization of the tertiary structure of the collapsed state of DNA.
Structural and physical properties of type wild type and various selected mutants of the vnd/NK-2 homeodomain, the protein product of the homeobox, and the implication in genetic disease are reviewed. The structure, dynamics and thermodynamics have been Investigated by NMR and by calorimetry. The interactions responsible for the nucleotide sequence-specific binding of the homeodomain to its consensus DNA binding site have been identified. There is a strong correlation between significant structural alterations within the homeodomain or its DNA complex and the appearance of genetic disease. Mutations in positions known to be important in genetic disease have been examined carefully For example, mutation of position 52 of vnd/NK-2 results in a significant structural modification and mutation of position 54 alters the DNA binding specificity and amity The $^{15}N$ relaxation behavior and heteronuclear Overhauser effect data was used to characterize and describe the protein backbone dynamics. These studies were carried out on the wild type and the double mutant proteins both in the free and in the DNA bound states. Finally, the thermodynamic properties associated with DNA binding are described for the vnd/NK-2 homeodomain. These thermodynamic measurements reinforce the hypothesis that water structure around a protein and around DNA significantly contribute to the protein-DNA binding behavior. The results, taken together, demonstrate that structure and dynamic studies of proteins combined with thermodynamic measurements provide a significantly more complete picture of the solution behavior than the individual studies.
Recent advances in scientific computing enable the full atomistic simulation of DNA molecules. However, there exists length and time scale limitations in molecular dynamics (MD) simulation for large DNA molecules. In this work, a two-level homogenization of DNA molecules is proposed. A wavelet projection method is first introduced to form a coarse-grained DNA molecule represented with superatoms. The coarsened MD model offers a simplified molecular structure for the continuum description of DNA molecules. The coarsened DNA molecular structure is then homogenized into a three-dimensional beam with embedded molecular properties. The methods to determine the elasticity constants in the continuum model are also presented. The proposed continuum model is adopted for the study of mechanical behavior of DNA loop.
The helical periodicity of the triple-stranded $(dT)_n{\cdot}(dA)_n{\cdot}(dT)_n$ sequence was determined by measuring gel-mobilities of bent DNA fragments containing the sequence. In the bent DNA fragments, a $GA_{22}G$$CT_{22}C$ sequence was located between two bent DNA loci composed of six $A_{6}{\cdot}T_{6}$ repeats. and the DNA length between the bent DNA loci was varied by 1 base pair over a full helical turn. The gel mobility of each bent DNA fragment reflected the overall extent of DNA bending and varied with the DNA length between the two bent loci. Mobilities of the bent DNA fragments in 5% polyacrylamide gel were measured after preincubating the DNA fragments both in the presence and absence of $CT_{22}C$ oligonucleotide. By comparing the bent DNA fragments containing an intermolecular triplex structure with those of a genuine duplex structure in the gel mobilities, the helical periodicity of the $T_n{\cdot}A_n{\cdot}T_n$ triplex DNA was determined to be $11.5({\pm}0.3)bp/turn$.
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