История развития генетики

   • 2001 Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.

   • 2003 (14 апреля) Проект «Геном человека» успешно завершён: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99%.

   • 2008 Стартовал международный проект по расшифровке геномов 1000 человек.¹³

История изучения ДНК

   ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером  в 1869 году. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это  вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая  кислота. Биологическая функция  новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась  запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК  не имеет никакого отношения к  передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком  однообразным и не могло содержать  закодированную информацию.¹⁴

   Разработка  методов выделения и изучение химического состава нуклеиновых кислот были продолжены в лабораториях А. Косселя, У. Джонса, П. Левина, О. Гаммерстена, Дж. Гулланда и др.

   Усилиями  этих ученых и их сотрудников удалось  установить, что в природе существует два типа нуклеиновых кислот. Один из них содержит два пурина –  аденин и гуанин, два пиримидина – цитозин и тимин, остатки  дезоксипентозы и фосфорной кислоты. Другой вместо тимина содержит урацил, а вместо дезоксипентозы – пентозу. Так как дезоксипентозонуклеиновые кислоты (в современной терминологии – дезоксирибонуклеиновые кислоты, ДНК) выделяли в основном из тимуса теленка, а пентозонуклеиновые кислоты (рибонуклеиновые кислоты, РНК) – из дрожжей и растений, то долгое время существовала уверенность в том, что ядра клеток животных содержат только ДНК, а ядра клеток растений – только РНК. И лишь к середине 1930-х годов было доказано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положения принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. С развитием методов цитохимии и гистохимии (Т. Касперссон, Ж. Браше и др.), а также методов фракционирования субклеточных структур (А. Даунс, А. Мирский, Дж. Паладе и др.) к концу 1940-х годов было установлено, что ДНК локализуется преимущественно в ядре, а РНК–в цитоплазме клеток.¹⁵

   Постепенно  было доказано, что именно ДНК, а  не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств  принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось  показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в  результате добавления в неё мёртвых  болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты  Чейз (Эксперимент Херши—Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами  белками и ДНК бактериофагов  показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота  фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую  кислоту, как исходный фаг.¹⁶

     К началу 1950-х годов были завершены  работы по изучению принципов химического  строения нуклеиновых кислот (А. Тодд, В. Кон и сотр.), когда было установлено  строение их мономеров – нуклеозидов  и нуклеотидов, и доказано, что  и в ДНК, и в РНК нуклеотидные остатки связаны 3'–5'-фосфодиэфирной связью. К этому же времени с помощью бумажной хроматографии были выяснены основные закономерности нуклеотидного состава ДНК и РНК (Э. Чаргафф и сотр.). В частности, было показано, что в ДНК аденин и тимин, гуанин и цитозин всегда содержатся в равных количествах; это имело принципиальное значение при установлении ее макромолекулярной структуры.¹⁷

   Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных  данных, полученных Морисом Уилкинсом  и Розалинд Франклин, и «правил  Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие  соотношения, связывающие между  собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.¹⁸

   Чтобы понять точное воспроизведение наследственности из поколения в поколение, надо было расшифровать механизм точного удвоения (репликации) ДНК. Ведь наследственность копируется без ошибок (кроме редких мутаций). Надежность точного воспроизведения молекулы молекулой давала модель Уотсона и Крика. Если нити ДНК разъединить (расплести), то на каждой из них может синтезироваться зеркальная копия, в которой аденин соединяется с тимином водородными связями, а гуанин с цитозином также водородными связями. А это и создает две точные копии одной исходной молекулы. Казалось бы, вопрос решен, но изучение ДНК на этом не закончилось.¹⁹

   Через пять лет М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, а несколько раньше (1956) А. Корнберг открыл фермент ДНК-полимеразу, который на расплетенных цепях, как на матрицах, синтезирует новые, комплементарные им цепи ДНК.²⁰

Механизм  реализации генетической информации

   Но  ведь явление наследственности — это не только передача наследственной информации, но и ее реализация в признак. Открытие ДНК и расшифровка ее структуры еще не давали убедительных объяснений ее функциям или механизмам реализации генетической информации.²¹

   В 1953 г  американский генетик Сеймур Бензер, исследуя особенности рекомбинации между двумя различными мутантами  бактериофага Т4, одновременно заражавших кишечную палочку Escherichia coli, установил, что ген — это линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида, а функциональный белок может  состоять из нескольких полипептидов, при этом полипептиды в индивидуальном виде свою функцию, например, ферментативную, выполнять не могут за исключением случаев, когда функциональный белок (фермент, например) состоит из одной полипептидной цепи.

   После обнаружения, что наследственные признаки определяются именно ДНК, сделанного в 1928 г Ф. Гриффитом и О. Эвери, и  подтверждённого Ч. Мак-Леодом и  М. Мак-Карти в 1944 г, а так же после  открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом  Криком в 1953 г того, что ДНК —  это линейная двунитевая молекула, стало ясным, что

   ген — это участок  ДНК, в котором  последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в  полипептидной цепи.

   Участок ДНК, в котором расположена нуклеотидная последовательность, кодирующая единый полипетид иногда называется цистроном (от наименования т. н., „цистранс теста“, с помощью которого С. Бензер сделал своё открытие). Кроме этого названия употребляется так же термин „структурный ген“, ибо ген кодирует структуру белковой молекулы.²²

   <…> в период интенсивного внимания к изучению ДНК (50-е годы) было уже ясно, что, во-первых, гены отвечают за синтез фермента или белка и, во-вторых, аминокислоты в белке расположены в определенной последовательности (первичная структура белка). После выяснения строения ДНК сам собой напрашивался вопрос: если белковая молекула состоит из строгой последовательности аминокислот, а ДНК — из строгого чередования нуклеотидов, то нельзя ли экстраполировать структуру ДНК на структуру белка?

   Оказалось — можно. И новая блестящая  глава была вписана в генетику: это расшифровка генетического кода, или молекулярная азбука наследственности. Над этой задачей трудились такие известные ученые, как Г. Гамов, С. Очоа, А Корнберг, Ф. Крик, М. Ниренберг и другие. <…> Основной вывод по генетическому коду предельно ясный: три нуклеотида (триплет ДНК) в определенном сочетании отвечают за присоединение конкретной аминокислоты при синтезе белка. Сочетания нуклеотидов для всех аминокислот теперь хорошо известны, так же, как и общие характеристики генетического кода (универсальность, вырожденность и т. п.).

   <...> Как бы подробно ни изучалась ДНК, все еще оставался неясным вопрос о тех событиях, которые совершаются между нею как носителем наследственной информации и синтезируемым белком, точнее, между триплетом ДНК и аминокислотой. Естественно, напрашивалось предположение, что между кодом генетической информации (ДНК) и ее продуктом (белок) должны существовать некие промежуточные молекулы. На основе таких рассуждений была сформулирована гипотеза промежуточных молекул. Но недостаточно сформулировать гипотезу, надо было найти доказательства. И они были найдены.

   В конечном счете возник постулат о  нескольких типах РНК как промежуточных  молекулах: информационной, рибосомной и транспортной.

   Основную  смысловую нагрузку в процессе передачи информации несет матричная (ее называют также информационной) РНК. Образуется она в результате «переписывания» (транскрипции) информации с ДНК. Как известно, основания РНК строго соответствуют основаниям ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Процесс этот сводится к синтезу РНК на основе «расплетенной» нити ДНК. Он включает три ступени.

   Его начало — инициация, осуществление — элонгация и остановка — терминация — связаны с определенными участками ДНК. А «дирижирует» этим грандиозным действием, происходящим в ДНК, ферментативный комплекс, называемый РНК-полимеразой. Именно РНК-полимераза, «расплетая» молекулы ДНК, контролирует образование РНК на ДНК. Но и это еще не конкретный продукт для начала следующего процесса — считывания информации (трансляции), то есть синтеза полипептидных цепей на молекуле матричной РНК. Дело в том, что ген представляет собой прерывистое образование. И кодирующие последовательности (экзоны) чередуются в нем некодирующими участками (интронами). Некодирующие последовательности РНК с помощью определенных ферментов (рибонуклеаз) «вырезаются», а остающиеся «нужные» участки РНК соединяются между собой с помощью еще одного фермента — РНК-лигазы.

   Таким образом, образуется молекула «зрелой» матричной РНК (мРНК). Она соединяется с белком и переносится в цитоплазму клетки в виде особых частиц, названных «информоферами». Их структура и функции подробно изучены советскими учеными — академиками А. С. Спириным и Г. П. Георгиевым, удостоенными за эту работу Ленинской премии. В составе информофер «зрелые» мРНК переносятся в цитоплазму, которую называют фабрикой-кухней по производству белков и ферментов.

   <…> В клетке есть еще два других типа РНК: рибосомная и транспортная.

   Рибосомная  РНК является составной частью внутриклеточных частиц — рибосом. Они обнаружены у всех живых организмов. Именно в них происходит синтез белка на основе матричной РНК, несущей информацию о последовательности аминокислот в белке.

   Транспортную  РНК называют посредником трансляции. Это она осуществляет доставку аминокислот  к мРНК, и на рибосомах происходит формирование соответствующей (коллинеарной, как ее называют) полипептидной цепи.

   Как видите, ген работает с поразительной  точностью: последовательно осуществляет комплементарный синтез РНК на ДНК, удаляет участки РНК и формирует «зрелую» мРНК, точно чередует аминокислоты в соответствии с его кодом, прекращает деятельность при наработке достаточного количества продукта. Все идет своим чередом по раз и навсегда установленному порядку.²³

Регуляторные  гены

   <...> фенотип мутации указывает на то, что может определять ген. Г.Мендель обнаружил, что мутации изменяют морфологию („морфологические мутации“), Арчибальд Гаррод, — что биохимическую реакцию („биохимические мутации“), Сеймур Бензер, — что структуру полипептида (мутации в структурных генах). Новый тип мутаций и новые функции генов в пятидесятые годы прошлого века обнаружили французские генетики Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов. Оказалось, что у кишечной палочки одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу нескольких генов. Для того, чтобы использовать в качестве пищи молочный сахар — лактозу E.coli применяет сразу три фермента. Была обнаружена мутация, которая находилась вне этих трёх генов, но приводила к тому, что активности всех трёх ферментов отсутствовали и такие мутантные клетки не могли расти на среде с лактозой. Выяснилось, что эти три гена транскрибируются ДНК зависимой РНК полимеразой без остановок. (ДНК зависимая РНК полимераза — фермент, осуществляющий синтез РНК на матрице ДНК, далее для краткости — РНК полимераза). В результате образуется единая длинная матричная РНК, которая кодирует все три соответствующих фермента. Поскольку одна мРНК кодирует несколько полипептидов (цистронов), она была названа полицистронной. Стало ясным, что мутации в той части ДНК, которая находится перед тремя структурными генами, приводит к невозможности транскрипции и, как результат, одна мутация приводила к отсутствию трёх ферментов. ²⁴

Американский  ученый В. Геринг с коллегами, применив новые методы молекулярной биологии к анализу развития дрозофилы, обнаружил, что многие гены, контролирующие пространственную организацию развития эмбриона, содержат один и тот же сегмент ДНК. Он был назван гомеобоксом и представляет собой короткую последовательность ДНК — короткий ее участок.