Роль ДНК в процессе передачи наследственной информации

     Иначе говоря, в конце XIX - начале XX вв. в  генетике распространилось ошибочное  мнение о том, что материальным носителем  генетической информации являются белки. О значении нуклеиновых кислот в  данных процессах, а равно и о  функциях этих химических соединений в организме ничего не было известно. Поэтому этот период в истории  изучения ДНК можно смело назвать  нуклеопротеидным.

       Решающим поворотом в генетике  было открытие в 1944 г. трансформирующей  функции ДНК. Группа американских  бактериологов - О. Эвери, Ч.  Мак-Леод и М. Мак-Карти - проводила  исследования вирулентности возбудителя  пневмонии бактерии Diplococcus pneumoniae (Гуляев  Г. В., 1971). Их опыты повторил  английский бактериолог Ф. Гриффитс. В его опытах использовались  два штамма пневмококков с  противоположными признаками: с  наличием и отсутствием капсул. Клетки капсульного штамма S были  вирулентными, а бескапсульного - R - безвредными.

     Ф. Гриффитс вводил суспензию данных микроорганизмов  белым мышам в различных комбинациях. Животные, зараженные вирулентным штаммом S, погибали. При введении бескапсульных  бактерий (R) и клеток S-штамма, убитых нагреванием, мыши выживали. Казалось бы, полученные результаты были закономерны, а их причины - очевидны. Но совершенно обескураживающие результаты были получены у последней группы белых мышей. Этим животным вводили суспензию, содержащую живые клетки бескапсульного штамма и убитые вирулентные бактерии. Через некоторое время у мышей обнаруживались клинические признаки пневмококковой инфекции и животные погибали. Проведенный бактериологический анализ показал, что в тканях погибших мышей содержатся клетки пневмококка, окруженные капсулой. Следовательно, невирулентный бескапсульный штамм пневмококков под воздействием убитых бактерий S-штамма получал новый признак - капсулу - и приобретал вирулентные свойства. Такое явление Гриффитс назвал трансформацией. Однако природу трансформирующего агента в то время установить не удалось. Было известно, что это вещество небелкового происхождения, т. к. все белки при нагревании подвергались денатурации. Явление трансформации наблюдалось также и в пробирке (in vitro), где смешивали живые клетки бескапсульного и мертвые бактерии вирулентного штаммов Diplococcus pneumoniаe. Через определенное время часть бескапсульных бактерий приобрели капсулу и вирулентность. Эксперименты in vitro полностью исключали участие в феномене трансформации каких-либо систем макроорганизмов.  
Задача О. Эвери с сотрудниками состояла в том, чтобы выяснить, какое именно вещество способствует трансформации. Методика определения была выбрана относительно простая. Лизированные клетки капсульного штамма разделялись на различные химические составляющие. Каждый компонент испытывался на наличие трансформирующих свойств. Путем такого отбора удалось получить вещество, обладающее высокой трансформирующей активностью. Это была дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК.  
Однако выводы группы О. Эвери о том, что посредством ДНК клетки-реципиенты получали от клеток-доноров новый генетический признак, долгое время многие ученые-генетики подвергали сомнению.  
Например, существенные сомнения вызывал уровень очистки ДНК в экспериментах О. Эвери. Предполагалось, что присутствующие в препаратах нуклеиновых кислот белковые примеси и были причиной передачи нового генетического признака, что абсолютно не противоречило нуклеопротеидной теории. Стремясь проверить правильность выводов О. Эвери, Хочкисс добился такой степени очистки ДНК, что доля балластных веществ, в т. ч. и белков, в препарате составляла всего 0,02 %. Полученная таким образом чистая ДНК, тем не менее, обладала трансформирующими свойствами.  
Другое возражение против генетической роли ДНК сводилось к тому, что ДНК как химическое соединение каким-то образом препятствовало биосинтезу основного вещества капсулы - полисахарида. То есть ДНК приписывалось физиологическое, а не генетическое воздействие. Чтобы опровергнуть это возражение, Гарриет Тейлор в 1949 г. получила новые данные о пневмококковой трансформации: она использовала два штамма, полностью лишенных капсул. Первый R-штамм был типичной бескапсульной бактерией, образующей шероховатые колонии. Второй, названный ей eхtremely R (ER), отличался ярко выраженными характеристиками и образовывал сильно шероховатые колонии. Выделенная из штамма R ДНК вносилась на среду с клетками ER. Через определенное время большая часть ER-бактерий превращалась в R-формы. Таким образом было показано, что наличие или отсутствие капсулы не отражается на трансформирующей роли ДНК.

     В 1949 г. Хочкисс провел ряд экспериментов, которые подтвердили, что определенной зависимости между ДНК и синтезом бактериальными клетками капсулы на уровне метаболизма не существует. В его опытах трансформации подвергались бактериальные признаки, которые  не имеют никакого отношения к  капсулообразованию, - устойчивость микробов определенного штамма к пенициллину  и стрептомицину передавалась к  другому штамму бактерий. Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял в том, что белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы - потомство фага - подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Исследования показали, что новое поколение фаговых частиц содержало только фосфор - Р32. Исследователи сделали справедливый вывод о том, что именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству.

       О роли ДНК в передаче наследственной  информации свидетельствует также  открытие в 1952 г. Зайндером  и Ледербергом явления трансдукции,  заключающееся в переносе генетического  материала фагами от одних  бактерий к другим. Ученые при  этом показали, что в процессе трансдукции активное участие принимает ДНК (Лехов А. П., 1973).

       Кроме прямых доказательств об участии ДНК в процессах наследования признаков, наукой был накоплен обширный фактический материал, косвенно подтверждающий высказанные ранее предположения. В частности, об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых химическими веществами и радиацией генетических изменений - мутаций.  
Значительный вклад в изучение мутагенеза внесли отечественные ученые. Впервые в 1925 г. сотрудники Ленинградского радиевого института Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов воспроизвели мутацию у дрожжевых грибков под влиянием лучей радия (Гулиев Г. В., 1971). В 1932 г. В. В. Сахаров получил мутацию у дрозофилы под воздействием раствора йодистого калия, в 1933 г. М. Е. Лобашев открыл мутагенное действие аммиака (Беляев Д. К., Иванов В. И., 1980). Несколько позже было показано, что мишенью для действия мутагенов является ДНК. Следовательно, изменение в структуре ДНК способствовало изменению генетической информации.

     Открытия, сделанные в конце 40 - начале 50 гг. ХХ в. в области молекулярной генетики, предопределили современное направление  исследований не только в изучении наследственности, но и биологии в  целом. Важнейшее значение открытия явлений трансформации и трансдукции, а также расшифровки действия мутационных факторов заключается  прежде всего в доказательстве генетической роли ДНК. Теперь генетики могли с  уверенностью констатировать: ДНК является материальным носителем наследственности. Именно эта молекула ответственна за передачу важнейших признаков от родительских особей потомству.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Воспроизводство себе подобных и наследование признаков  осуществляются с помощью наследственной информации, материальным носителем  которой являются молекулы ДНК. Основой  воспроизводства является синтез белков, который происходит в клетках  организма по программе, заложенной в ДНК и реализуемой через  РНК. Необходимость такого синтеза  обусловлена тем, что большинство  компонентов живого находится в  динамическом состоянии и постоянно  обновляется. Белки все время  распадаются и их необходимо замещать вновь синтезируемыми молекулами, а  для этого нужна генетическая информация о том, как это надо сделать.

     Работы  М. Уилкинса, Д. Уотсона и Ф. Крика, Э. Чаргаффа и многих других ученых заложили фундамент в понимание  процессов наследственности, а именно - структуры и биологической роли ДНК в передаче генетической информации. Наука не стоит на месте, и в настоящее время внесены значительные дополнения и коррективы в представления о строении ДНК, разработанные в середине ХХ в. Уотсоном и Криком. Без изменения этих данных история изучения ДНК была бы неполной и незаконченной.

     Прежде  всего установлено, что ДНК обладает полиморфизмом, т. е. способностью молекулы принимать различные конфигурации. На данный момент описано шесть таких  форм. В-форма имеет стандартную  структуру, соответствующую модели Уотсона-Крика. Это основной тип  ДНК. А-форма представляет собой  структуру, схожую для РНК-ДНК дуплексов. Она обнаружена в среде с высокой  концентрацией ионов К и Nа  и низким содержанием влаги. С-форма  менее спирализованная, чем В-форма, т. е. имеет меньше нуклеотидов на один оборот спирали, чем остальные  разновидности. Д- и Е-формы - крайние  варианты С-формы имеют наименьшее число пар оснований на виток - 8 или 7,5. Они обнаружены только в  молекулах ДНК, не содержащих гуанина. Z-форма представляет собой спираль  с чередованием лево- и правозакрученности. В ДНК человека имеются участки, которые потенциально способны переходить в Z-форму. В 1993 г. установили, что в  организме человека существуют условия, которые стабилизируют Z-форму. Установлено, что некоторые из конфигураций ДНК  могут переходить друг в друга: А - В; Z - В.  
Ученые полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов.

     Исследования, направленные на поиск материального  носителя наследственности, определили собой рождение новой науки - молекулярной генетики. История изучения одной молекулы перевернула прежние представления о наследственности и передаче генетических признаков из поколения в поколение. Методом проб и ошибок была установлена важнейшая роль ДНК в переносе наследственной информации. Отброшены ошибочные теории о том, что генетическую роль в организме выполняют белки, отвергнута бесперспективная и упрощенная тетрануклеотидная схема строения нуклеиновых кислот.

     В начале 50-х гг. Д. Уотсоном и Ф. Криком разработана модель строения молекулы ДНК, разъясняющая, как происходит копирование  генетического материала. Вскрыты  механизмы этого процесса.  
Значительные достижения молекулярной генетики обеспечили прочную основу для таких перспективных направлений, как генная инженерная и биотехнология, планирование генов и многоклеточных организмов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Беляев  Д. К., Иванов В. И. Выдающиеся советские  генетики (сборник биографических очерков). М.: Наука, 1980. С. 147.
2. Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. М.: Наука, 1988. С. 422.
3. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. В 2 ч.: Учебное пособие М.: Издательство МГУП, 2000.  274 с.  400 экз.
4. Приходченко Н. Н., Шкурат Т. П. Основы генетики человека. Ростов-на-Дону: Феликс, 1997. С. 360.
5. Пехов А. П. Введение в молекулярную генетику. М.: Медицина, 1973. С. 265.
6. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биографии. М.: Мир, 1991. С. 110.
7. http://www.hi-edu.ru
8. http://detskaya-medicyna.ru