Молекулярна генетика

Молекулярна генетика, розділ генетики і молекулярній біології, що ставить за мету пізнання матеріальних основ спадковості і мінливості живих істот шляхом дослідження процесів передачі, реалізації і зміни генетичній інформації, а також способу її зберігання, що протікають на субклітинному, молекулярному рівні.

загрузка...

М. р. виділилася в самостійний напрям в 40-х рр. 20 ст у зв'язку з впровадженням в біологію нових фізичних і хімічних методів (рентгеноструктурний аналіз, хроматографія, електрофорез, високошвидкісне центрифугування, електронна мікроскопія, використання радіоактивних ізотопів і т. д.), що дозволило набагато глибше і точніше, чим раніше, вивчати будову і функції окремих компонентів клітки і всю клітку як єдину систему. З новими методами в біологію прийшли нові ідеї фізики і хімії, математики і кібернетики. Велику роль в швидкому розвитку М. р. зіграло перенесення центру тяжіння генетичних досліджень з вищих організмів ( еукаріотов ) — основних об'єктів класичної генетики, на нижчі ( прокаріоти ) — бактерії і багато інших мікроорганізмів, а також віруси. Переваги використання простіших форм життя для вирішення генетичних проблем полягають в швидкій зміні поколінь в цих форм і можливості вивчати одночасне величезне число особин; завдяки цьому сильно зростає роздільна здатність генетичного аналізу і підвищується його точність. Крім того, порівняльна простота організації бактерій і особливо вірусів полегшує з'ясування молекулярної природи генетичних явищ. Висловлювана інколи думка про тотожність М. р. і генетики мікроорганізмів помилково. М. р. вивчає молекулярні основи генетичних процесів як в нижчих, так і у вищих організмів і не включає приватної генетики прокаріотов, що займає видне місце в генетиці мікроорганізмів.

За свою недовгу історію М. р. досягла значних успіхів, поглибивши і розширивши уявлення про природу спадковості і мінливості, і перетворилася на те, що веде і найбільш напрям генетики, що швидко розвивається.

Одне з головних досягнень М. р. — з'ясування хімічної природи гена. Класична генетика встановила, що всі спадкові потенції організмів (їх генетична інформація ) визначаються дискретними одиницями спадковості — генами, локалізованими головним чином в хромосомах клітинного ядра, а також в деяких органелах цитоплазми ( пластидах, мітохондріях і ін.). Проте методи класичної генетики не дозволяли розкрити хімічну природу генів, що було відмічене ще в 1928 видатним радянським біологом Н. До. Кольцовим, що обгрунтував необхідність вивчення механізму спадковості на молекулярному рівні. Перший успіх в цьому напрямі був досягнутий при вивченні генетичною трансформації у бактерій. У 1944 американський учений О. Т. Ейвері із співробітниками виявив, що спадкові ознаки одного штаму пневмококів можуть бути передані іншому, генетично відмінному штаму шляхом введення в його клітки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), виділеною з першого штаму. Згодом подібна генетична трансформація за допомогою ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) була здійснена у інших бактерій, а останнім часом — і в деяких багатоклітинних організмів (квіткові рослини, комахи). Т. о., було показано, що гени складаються з ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Цей вивід був підтверджений дослідами з ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) -содержащимі вірусами: для розмноження вірусу досить введення молекул вірусної ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) в клітку сприйнятливого господаря; всі ін. компоненти вірусу (білки, ліпіди) позбавлені інфекційних властивостей і генетично інертні. Аналогічні досліди з вірусами, що містять замість ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) рибонуклеїнову кислоту (РНК), показали, що в таких вірусів гени складаються з РНК(рибонуклеїнова кислота). З'ясування генетичної ролі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК(рибонуклеїнова кислота) послужило потужною стимул-реакцією для вивчення нуклеїнових кислот біохімічними, физико-хімічними і рентгеноструктурнимі методами. У 1953 американський учений Дж. Уотсон і англійський учений Ф. Крик запропонували модель структури.

ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), передбачивши, що її гігантські молекули є подвійною спіраллю, що складається з пари ниток, освічених нуклеотидами, розташованими аперіодично, але в певній послідовності. Кожен нуклеотид однієї нитки спарений з нуклеотидом другої нитки, що протилежить, за правилом комплементу . Багаточисельні експериментальні дані підтвердили гіпотезу Уотсона і Крику. Декілька пізніше було встановлено, що аналогічною структурою володіють молекули різних РНК(рибонуклеїнова кислота), лише вони переважно складаються з однієї полінуклеотідной нитки. Подальші роботи, в яких хімічні і физико-хімічні методи поєднувалися з точними генетичними методами (використання всіляких мутантів, явищ трансдукції, трансформації і т. д.), показали, що різні гени розрізняються як числом тих, що входять в них пара нуклеотидів (від декількох десятків до півтора тисяч і більш), так і строго визначеною для кожного гена послідовністю нуклеотидів, в якій закодована генетична інформація. (Принципово схожу хімічну структуру мають і гени, що складаються з РНК(рибонуклеїнова кислота), — у вірусів РНК(рибонуклеїнова кислота) -тіпа.)

Класична генетика розглядала ген як дискретну і неділиму одиницю спадковості. Важливе значення в тому, що передивляється цієї концепції мали роботи радянського генетика А. С. Серебровського і його учнів, в 1930-х рр. тих, що вперше вказали на можливість подільності гена. Проте роздільна здатність методів класичної генетики була недостатньою для вивчення тонкої будови гена. Лише з розвитком М. р. удалося в 50—60-х рр. вирішити цю проблему. Багатьма роботами, проведеними спочатку на бактеріях і вірусах, а потім і на багатоклітинних організмах, було з'ясовано, що ген володіє складною будовою: він складається з десятків або сотень ділянок — сайтів, здатних незалежно мутувати і рекомбінувати (див. Мутації, Рекомбінація ) . Межею дробимості гена, а отже, і мінімальним розміром сайту є одна пара нуклеотидів (у вірусів, які містять одну нитку РНК(рибонуклеїнова кислота), — один нуклеотид). Встановлення тонкої будови генів дозволило значно поглибити уявлення про механізм генетичної рекомбінації і закономірностях виникнення генних мутацій, воно сприяло також з'ясуванню механізму функціонування генів.

Дані про хімічну природу і тонку будову генів дозволили розробити методи їх виділення. Вперше це було виконано в 1969 американським ученим Дж. Беквітом із співробітниками для одного з генів кишкової палички. Потім те ж удалося здійснити в деяких вищих організмів (земноводних). Ще значніший успіх М. р. — перший хімічний синтез гена (що кодує аланіновую транспортну РНК(рибонуклеїнова кислота) дріжджів), здійснений Х. Корана в 1968. Роботи в цьому напрямі ведуться в ряду лабораторій світу. Для позаклітинного синтезу крупніших генів успішно застосовані новітні біохімічні методи, засновані на явищі т.з. зворотній транскрипції (див. нижчий). Використовуючи ці методи, С. Спігелмен, Д. Балтімор, П. Ледер і їх співробітники (США) далеко просунулися по шляху штучного синтезу генів, що визначають структуру білка в молекулах гемоглобіну у кролика і людини. Такі ж роботи проведені в останнім часом і у ряді інших лабораторій, у тому числі і в СРСР.

Т. о., М. р. вже з'ясувала в принципі питання про те, як записана і зберігається генетична інформація, що отримується нащадками від батьків, хоча розшифровка конкретного вмісту цієї інформації для кожного окремого гена вимагає ще величезної роботи.

Встановлення структури ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) відкрило можливості для експериментального дослідження біосинтезу молекул ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) — їх реплікації . Цей процес лежить в основі передачі генетичної інформації від клітки до клітки і від покоління до покоління, тобто визначає відносну постійність генів. Вивчення реплікації ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) привело до важливого виводу про матричний характер біосинтезу ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота): для його здійснення необхідна наявність готової молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), на якій, як на шаблоні (матриці), синтезуються нові молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). При цьому подвійна спіраль ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) розкручується, і на кожній її нитці синтезується нова, комплемент нею нитка, так що дочірні молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) складаються з однієї старої і одній новій нитці (напівконсервативний тип реплікації). Виділений білок, що викликає розкручування подвійної спіралі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), а також ферменти, що здійснюють біосинтез нуклеотидів і їх з'єднання («зшивання») один з одним. Поза сумнівом, що в клітці є механізми, регулююча синтез ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Дороги такої регуляції ще в багато чому неясні, але очевидно, що вона у великій мірі визначається генетичними чинниками.

М. р. досягла видатного успіху і в рішенні найважливішої задачі, сформульованою ще класичною генетикою, — яким чином ген визначає ознака, або як відбувається реалізація генетичної інформації. Передумовою послужило сформульоване ще в 1941 Дж. Бідлом і Е. Тейтемом положення «один ген — один фермент». Це положення дозволило поставити питання наступному вигляді: як гени, т. е., по суті справи, ділянки молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), визначають хімічну структуру і властивості білків, специфічну для даного організму? Розкриття хімічної структури ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) і білка дало можливість зіставити цих двох типів біополімерів, що привело до концепції генетичної коди, згідно якої порядок чергування 4 сортів нуклеотидів в ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) визначає порядок чергування 20 сортів амінокислот в білковій молекулі. Від послідовності розташування амінокислот в білковій молекулі (її первинної структури) залежать всі її властивості. Розшифровка принципів, на яких заснований генетичний код, була здійснена в 1962 Ф. Кріком із співробітниками в генетичних дослідах з мутантами одного бактерійного вірусу. Виявилось, що кожна трійка нуклеотидів в ланцюзі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) (триплет, кодон ) визначає, яка саме з 20 амінокислот займе дане місце в поліпептидному ланцюзі білка, що синтезується, тобто кожен триплет кодує певну амінокислоту. Подальші роботи дозволили повністю розшифрувати генетичний код і встановити нуклеотідний склад всіх триплетів, що кодують амінокислоти, а також склад кодону, що ініціює, визначає початок синтезу даного поліпептидного ланцюга, і трьох кодонів, що термінують, визначають кінець синтезу. Було знайдено, що генетичний код універсальний для всього живого, тобто що він один і той же для будь-якого організму, починаючи від вірусів і кінчаючи вищими тваринами і людиною. Ділянка молекули ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), що становить один ген, визначає, як правило, послідовність амінокислот в молекулі одного білка (або в одному поліпептидному ланцюзі, якщо даний білок складається з декількох таких ланцюгів).

Розшифровка генетичної коди зіграла видатну роль в з'ясуванні механізму біосинтезу білка — процесу, що включає перенесення увязненої в ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) генетичної інформації на молекули т.з. інформаційною, або матричною, РНК(рибонуклеїнова кислота) (І-РНК). Цей процес, суть якого складає синтез І-РНК на матриці ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), отримав назву транскрипції . Інформаційна РНК(рибонуклеїнова кислота) зв'язується потім з особливими клітинними структурами — рибосомами, на яких і здійснюється синтез поліпептидного ланцюга відповідно до інформації, записаної в молекулі І-РНК. Цей процес синтезу поліпептидних ланцюгів при посредстве І-РНК названий трансляцією .

Т. о., передача генетичної інформації відбувається за схемою: ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота)® РНК(рибонуклеїнова кислота)® білок. Це основне положення (догма), правильність якого встановлена багатьма дослідженнями на різних організмах, отримало в 1970 важливе доповнення. Американські учені Х. Темін і Д. Балтімор виявили, що при репродукції деяких РНК(рибонуклеїнова кислота) -содержащих вірусів, що викликають пухлини у тварин, генетична інформація передається від РНК(рибонуклеїнова кислота) вірусу до ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Подібна зворотна транскрипція здійснюється особливими ферментами, що містяться в цих вірусах. Явище зворотній транскрипції було виявлене також в деяких здорових клітках тварин і людини. Вважають, що зворотна транскрипція грає істотну роль у виникненні принаймні деяких форм злоякісних пухлин і лейкозу, а, можливо, також в процесах диференціювання при нормальному розвитку організмів. Слід підкреслити, що відкриття зворотної транскрипції не протіворечит основному положенню М. р. про те, що генетична інформація передається від нуклеїнових кислот до білок, але не може передаватися від білка до нуклеїновим кислотам.

Чудове досягнення М. р. — розкриття генетичних механізмів регуляції синтезу білків в бактерійній клітці. Як показали в 1961 французькі учені Ф. Жакоб і Ж. Моно, біосинтез білка в бактерії знаходиться під подвійним генетичним контролем. З одного боку, молекулярна структура кожного білка детермінується відповідним структурним геном, з іншої — можливість синтезу цього білка визначається особливим геном-регулювальником, який кодує спеціальний регуляторний білок, здатний зв'язуватися із специфічною ділянкою ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), — т.з. оператором — і при цьому «включати» або «вимикати» функціонування структурних генів, керованих цим оператором. Система з одного або декількох структурних генів і їх оператора складає т.з. оперон . Здатність регуляторних білків зв'язуватися з оператором залежить від низькомолекулярних з'єднань, що взаємодіють з цими білками, — еффекторов. Еффектори поступають в клітку ззовні або синтезуються нею і служать сигналами про необхідність синтезу цією кліткою тих або інших білків або припинення їх синтезу. Регуляторні білки бувають двох типів: белки-репрессори, які, зв'язуючись з оператором блокують синтез білка (негативна регуляція), і білки-активатори, які, зв'язуючись з оператором, індукують синтез білка (позитивна регуляція). При негативній регуляції в одних випадках репрессор до взаємодії з еффектором знаходиться в активній формі і, зв'язуючись з оператором, перешкоджає транскрипції структурних генів оперону (а отже, і синтезу відповідних білків). Еффектор переводить репрессор в неактивну форму, оператор звільняється і транскрипція структурних генів (а звідси і синтез кодованих ними білків) стає можливою. У інших випадках взаємодія репрессора з еффектором переводить репрессор в активну форму, в якій він здатний зв'язатися з оператором, що і приводить до блокування синтезу білка. При позитивній регуляції, навпаки, лише активна форма білка-активатора, здатна зв'язуватися з оператором, обумовлює синтез білка. Активна форма білка-активатора теж визначається його взаємодією з еффектором.

В багатоклітинних організмів генетична регуляція синтезу білка складніше і доки вивчена недостатньо. Проте ясно, що і тут велику роль грає зворотний зв'язок, подібна описаною у бактерій для системи еффектор — регуляторний білок — оператор, причому сигнальними речовинами у ряді випадків служать гормони.

З розвитком М. р. глибшим стало розуміння мутаційного процесу, тобто зміни генетичній інформації. Було показано, що мутаціями є або заміни окремих нуклеотидів, або вставки або випадання нуклеотидів в молекулі ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Мутації виникають як унаслідок випадкових помилок при реплікації ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), так і в результаті ушкоджувального нуклеїнові кислоти дії різних фізичних і хімічних агентів — мутагенів ; вони виникають також із-за змін т.з. генів-мутаторів, що кодують ферменти, що беруть участь в реплікації, що виправляють генетичні пошкодження і ін. Зміни хімічної структури ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), що викликаються мутагенами, або безпосередньо представляють мутації, або ведуть до виникнення мутацій унаслідок обумовлених цими змінами помилок в ході подальшої реплікації ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Значна доля молекулярних пошкоджень ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), що викликається мутагенами, не реалізується в мутації, а виправляється (репаріруєтся). Суть явища репарації полягає в тому, що у всіх організмів є гени, що кодують особливі ферменти, здатну «взнавати» пошкоджені ділянки ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота), «вирізувати» їх з молекули і замінювати повноцінними. Деякі з цих ферментів ідентифіковані, встановлений і механізм їх дії, але повне розуміння процесу репарації ще не досягнуто.

Вивчення репарації відкрило нові підходи до дослідження механізму рекомбінації зчеплених (тобто лежачих в одній хромосомі) генів, що представляє одну з причин комбінатівной мінливості, яка поряд з мутаціями грає важливу роль в еволюції. Класичною генетикою було показано, що рекомбінація зчеплених генів відбувається шляхом обміну гомологічних хромосом ділянками ( кросинговер ) , але тонкий механізм такого обміну залишався невідомим. Експериментальні дані останніх 10—15 років дозволяють розглядати внутрішньохромосомну і внутрішньогенну (межсайтовую) рекомбінацію як ферментативний процес, що відбувається при взаємодії молекул ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Акт рекомбінації здійснюється шляхом розривів і з'єднання в новому поєднанні відрізань полінуклеотідних ниток. При цьому розриви з подальшим возз'єднанням можуть відбуватися як одночасно в обох нитках ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота) (кросинговер), так і в межах однієї нитки (т.з. напівкросинговер). Щоб мав місце кросинговер, так само як і для репарації, необхідні розриви, репараційний синтез пошкоджених ділянок і відновлення порушених фосфатних зв'язків, здійснювані відповідними ферментами.