Molecular genetics is a branch of biology that addresses how differences in the structures or expression of DNA molecules manifests as variation among organisms.  Molecular genetics often applies an "investigative approach" to determine the structure and/or function of genes in an organism's genome using genetic screens.  

The field of study is based on the merging of several sub-fields in biology: classical Mendelian inheritance, cellular biology, molecular biology, biochemistry, and biotechnology. It integrates these disciplines to explore things like genetic inheritance, gene regulation and expression, and the molcular mechanims behind various life processes. 

A key goal of molecular genetics is to identfiy and study genetic mutations. Researchers search for mutations in a gene or induce mutations in a gene to link a gene sequence to a specific phenotype. Therefore molecular genetics is a powerful methodology for linking mutations to genetic conditions that may aid the search for treatments of various genetics diseases.

History 
For molecular genetics to develop as a discipline, several scientific discoveries were necessary.  The discovery of DNA as a means to transfer the genetic code of life from one cell to another and between generations was essential for identifying the molecule responsible for heredity.  Molecular genetics arose initially from studies involving genetic transformation in bacteria.  In 1944 Avery, McLeod and McCarthy isolated DNA from a virulent strain of S. pneumoniae, and using just this DNA were able to convert a harmless strain to virulence.  They called the uptake, incorporation and expression of DNA by bacteria "transformation".  This finding suggested that DNA is the genetic material of bacteria.  Since its discovery in 1944 genetic transformation has been found to occur in numerous bacterial species including many species that are pathogenic to humans.  Bacterial transformation is often induced by conditions of stress, and the function of transformation appears to be repair of genomic damage.

The phage group was an informal network of biologists centered on Max Delbrück that contributed substantially to molecular genetics and the origins of molecular biology during the period from about 1945 to 1970. The phage group took its name from bacteriophages, the bacteria-infecting viruses that the group used as experimental model organisms.  Studies by molecular geneticists affiliated with this group contributed to current understanding of how gene-encoded proteins function in DNA replication, DNA repair and DNA recombination, and on how viruses are assembled from protein and nucleic acid components (molecular morphogenesis). Furthermore, the role of chain terminating codons was elucidated. One noteworthy study was performed by Sydney Brenner and collaborators using amber mutants defective in the gene encoding the major head protein of bacteriophage T4.  This study demonstrated the co-linearity of the gene with its encoded polypeptide, thus providing strong evidence for the "sequence hypothesis" that the amino acid sequence of a protein is specified by the nucleotide sequence of the gene determining the protein. 

Watson and Crick (in conjunction with Franklin and Wilkins) figured out the structure of DNA, a cornerstone for molecular genetics.  The isolation of a restriction endonuclease in E. coli by Arber and Linn in 1969 opened the field of genetic engineering.  Restriction enzymes were used to linearize DNA for separation by electrophoresis and Southern blotting allowed for the identification of specific DNA segments via hybridization probes.  In 1971, Berg utilized restriction enzymes to create the first recombinant DNA molecule and first recombinant DNA plasmid.  In 1972, Cohen and Boyer created the first recombinant DNA organism by inserting recombinant DNA plasmids into E. coli, now known as bacterial transformation, and paved the way for molecular cloning.  The development of DNA sequencing techniques in the late 1970s, first by Maxam and Gilbert, and then by Frederick Sanger, was pivotal to molecular genetic research and enabled scientists to begin conducting genetic screens to relate genotypic sequences to phenotypes.  Polymerase chain reaction (PCR) using Taq polymerase, invented by Mullis in 1985, enabled scientists to create millions of copies of a specific DNA sequence that could be used for transformation or manipulated using agarose gel separation. A decade later, the first whole genome was sequenced (Haemophilus influenzae), followed by the eventual sequencing of the human genome via the Human Genome Project in 2001. The culmination of all of those discoveries was a new field called genomics that links the molecular structure of a gene to the protein or RNA encoded by that segment of DNA and the functional expression of that protein within an organism.  Today, through the application of molecular genetic techniques, genomics is being studied in many model organisms and data is being collected in computer databases like NCBI and Ensembl.  The computer analysis and comparison of genes within and between different species is called bioinformatics, and links genetic mutations on an evolutionary scale.

The central dogma 
This image shows an example of the central dogma using a DNA strand being transcribed then translated and showing important enzymes used in the processes

The Central Dogma is the basis of all genetics and plays a key role in the study of molecular genetics. The Central Dogma states that DNA replicates itself, DNA is transcribed into RNA, and RNA is translated into proteins. Along with the Central Dogma, the genetic code is used in understanding how RNA is translated into proteins. Replication of DNA and transcription from DNA to mRNA occurs in the nucleus while translation from RNA to proteins occurs in the ribosome. The genetic code is made of four base pairs: adenine, cytosine, uracil, and guanine and is redundant meaning multiple combinations of these base pairs (which are read in triplicate) produce the same amino acid. Proteomics and genomics are fields in biology that come out of the study of molecular genetics and the Central Dogma.

Techniques

Forward genetics

Forward genetics is a molecular genetics technique used to identify genes or genetic mutations that produce a certain phenotype. In a genetic screen, random mutations are generated with mutagens (chemicals or radiation) or transposons and individuals are screened for the specific phenotype.  Often, a secondary assay in the form of a selection may follow mutagenesis where the desired phenotype is difficult to observe, for example in bacteria or cell cultures. The cells may be transformed using a gene for antibiotic resistance or a fluorescent reporter so that the mutants with the desired phenotype are selected from the non-mutants.

Mutants exhibiting the phenotype of interest are isolated and a complementation test may be performed to determine if the phenotype results from more than one gene. The mutant genes are then characterized as dominant (resulting in a gain of function), recessive (showing a loss of function), or epistatic (the mutant gene masks the phenotype of another gene). Finally, the location and specific nature of the mutation is mapped via sequencing.  Forward genetics is an unbiased approach and often leads to many unanticipated discoveries, but may be costly and time consuming. Model organisms like the nematode worm Caenorhabditis elegans, the fruit fly Drosophila melanogaster, and the zebrafish Danio rerio have been used successfully to study phenotypes resulting from gene mutations.

Reverse genetics

Reverse genetics is the term for molecular genetics techniques used to determine the phenotype resulting from an intentional mutation in a gene of interest. The phenotype is used to deduce the function of the un-mutated version of the gene.  Mutations may be random or intentional changes to the gene of interest. Mutations may be a mis-sense mutation caused by nucleotide substitution, a nucleotide addition or deletion to induce a frameshift mutation, or a complete addition/deletion of a gene or gene segment. The deletion of a particular gene creates a gene knockout where the gene is not expressed and a loss of function results (e.g. knockout mice). Mis-sense mutations may cause total loss of function or result in partial loss of function, known as a knockdown. Knockdown may also be achieved by RNA interference (RNAi). Alternatively, genes may be substituted into an organism's genome (also known as a transgene) to create a gene knock-in and result in a gain of function by the host. Although these techniques have some inherent bias regarding the decision to link a phenotype to a particular function, it is much faster in terms of production than forward genetics because the gene of interest is already known.

See also

 Complementation (genetics)
 DNA damage (naturally occurring)
 DNA damage theory of aging
 Epigenetics
 Gene mapping
 Genetic code
 Genetic recombination
 Genomic imprinting
 History of genetics
 Homologous recombination
 Mutagenesis
 Regulation of gene expression
 Timeline of the history of genetics
 Transformation (genetics)

Sources and notes

Further reading
 Sites and databases related to genetics, cytogenetics and oncology, at Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
 Jeremy W. Dale and Simon F. Park. 2010. Molecular Genetics of Bacteria, 5th Edition

External links
분자유전학(分子遺傳學, )은 유전학적 검사법을 사용하여 생명체의 게놈에서 유전자의 구조 또는 기능을 조사하는 유전학의 하위 분야이다. 연구 분야는 고전적인 멘델의 유전법칙, 세포생물학, 분자생물학, 생화학 및 생명 공학 기술과 같은 생물학의 여러 하위 분야의 통합을 기반으로 한다. 연구자들은 유전자에서 돌연변이를 조사하거나 유전자에서 돌연변이를 유도하여 유전자 서열을 특정 표현형에 연관시킨다. 분자유전학을 통해 돌연변이를 유전 조건과 연관시켜 다양한 유전 질환에 대한 치료에 도움이 될 수 있다.

역사 
분자유전학이 학문으로 발전하기 위해서는 몇 가지 과학적 발견이 필요했다. 유전 암호를 한 세포에서 다른 세포로, 그리고 세대 간에 전이시키는 수단으로서 DNA와 같은 유전을 담당하는 분자를 확인하는 것이 필수적이었다. 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 로절린드 프랭클린과 모리스 윌킨스와 함께 분자유전학의 초석이라 할 수 있는 DNA의 구조를 알아냈다. 1969년, 알버와 린이 대장균(E. coli)에서 제한 효소를 분리함으로써 유전공학 분야가 열렸다. 제한 효소는 전기영동에 의한 분리를 위해 DNA를 선형화하기 위해 사용되었으며, 서던 블랏은 Hybridization probe를 통해 특정 DNA 조각을 식별 할 수 있게 해주었다. 1971년, 베르그는 제한 효소를 사용하여 첫 번째 재조합 DNA 분자와 첫 번째 재조합 DNA 플라스미드를 만들었다. 1972년에 코헨과 보이어는 재조합 DNA 플라스미드를 대장균에 삽입하여 최초의 재조합 DNA 유기체를 만들어 분자 복제의 길을 열었다. 1970년대 후반, 맥삼과 길버트, 프레더릭 생어는 DNA 시퀀싱 기술을 개발하였다. 이는 분자유전자 연구에 중추였으며 과학자들이 유전자형 서열을 표현형과 관련시키기 위해 유전자 검사를 수행했다. 1985년에 Mullis가 고안한 Taq 중합 효소를 사용한 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 통해 특정 DNA 서열의 복사본을 만들 수 있었다. 10년 후, 최초의 전체 게놈이 시퀀싱되었고(Haemophilus influenzae), 2001년 인간 게놈 프로젝트를 통해 인간 게놈의 최종 시퀀싱이 완성이 되었다. 오늘날, 분자 유전 기술의 적용을 통해, 많은 모델 유기체에서 유전체학이 연구되고 있으며 NCBI 및 Ensembl과 같은 컴퓨터 데이터베이스에서 데이터가 수집되고 있다. 같은 종 내에서 그리고 다른 종들 사이의 유전자의 컴퓨터 분석 및 비교를 생물정보학(Bioinformatics)이라고 한다.

분자 유전학의 기술

정유전학 
정유전학(Forward Genetics)은 특정 표현형을 생성하는 유전자 또는 유전자 돌연변이를 식별하는 데 사용되는 분자유전학 기술이다. 유전자적 검사법에서 돌연변이(화학 물질 또는 방사선) 또는 트랜스포손으로 무작위 돌연변이가 생성되고 개체는 특정 표현형에 대해 스크리닝된다. 원하는 표현형을 갖는 돌연변이 체가 비돌연변이 체로부터 선택되도록 항생제 저항성 유전자 또는 형광 리포터용 유전자를 사용하여 세포를 형질 전환 시킬 수 있다. 관심 표현형을 나타내는 돌연변이체를 분리하고, 표현형이 하나 이상의 유전자로부터 유래 하는지를 결정하기 위해 상보적 시험을 수행할 수 있다. 돌연변이 유전자는 우성(기능의 이득을 초래 함), 열성(기능의 상실을 나타냄) 또는 상위성(돌연변이 유전자가 다른 유전자의 표현형을 가리는 것)으로 특징지어진다. 마지막으로, 돌연변이의 위치와 특이성은 시퀀싱을 통해 매핑된다 종종 정유전학은 예상치 못한 많은 발견으로 이어진다는 장점이 있지만, 많은 비용과 시간이 소요될 수 있다는 단점도 존재한다. 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans), 초파리(Drosophila melanogaster) 및 제브라피시(Danio rerio)와 같은 모델 유기체는 유전자 돌연변이로 인한 표현형을 연구하는데 사용된다.

역유전학 
역유전학 (Reverse genetics)은 관심있는 유전자에서 의도적인 돌연변이로 인한 표현형을 결정하는 데 사용되는 분자유전학 기술이다. 표현형은 돌연변이 되지 않은 유전자의 기능을 추론하는 데 사용된다. 돌연변이는 관심 유전자에 대한 무작위적이거나 의도적인 변화 일 수 있다. 돌연변이는 뉴클레오타이드 치환, 프레임 시프트 돌연변이를 유도하기위한 뉴클레오타이드 첨가, 결실, 또는 유전자의 완전한 첨가/삭제에 의해 야기되는 돌연변이 일 수 있다. 특정 유전자의 결실은 유전자가 발현되지 않고 기능 결과 상실(예 : 녹아웃 마우스)의 유전자 제거(Gene Knock-Out)를 생성한다. 잘못 감지된 돌연변이는 기능의 전체 손실을 유발하거나 기능 저하의 일부를 잃을 수 있다. 녹다운은 또한 RNA 간섭(RNAi)에 의해 달성 될 수 있다. 대안적으로, 유전자는 유기 유전자(트랜스진으로도 알려짐)로 치환되어 유전자 녹인(Gene Knock-In)을 생성하고 숙주에 의해 기능이 향상 될 수있다. 비록 이들 기술이 표현형을 특정 기능에 연결시키는 결정에 관한 편견이 있지만, 관심 유전자가 이미 알려져 있기 때문에 정유전학보다 생산적인 측면에서는 훨씬 빠르다.

참고 

 상보성 (유전학)
 DNA 손상
 후성유전학
 유전자 지도
 유전 부호
 유전자 재조합
 유전체 각인
 유전학의 역사
 상동 재조합
 돌연변이
 유전자 발현의 조절
 형질 전환

각주 

 
분자생물학