Открывая ленту новостей, мы часто натыкаемся на такие громкие заголовки: «Тест ДНК на телешоу подтвердил подмену детей в роддоме на Ставрополье», «ДНК возрастом более 115 тысяч лет указала на уязвимость белых медведей перед потеплением климата». Почему же эта молекула получила столько пристального внимания? Давайте же окунёмся в историю науки и посмотрим, как ДНК стала самой главной молекулой XXI века.
| Автор сообщества Фанерозой: биолог и эколог Евгений Будько, а также редактор, Зам. руководителя проекта Фанерозой, биолог Ефимов Самир |
Открытие ДНК
Художник сообщества Фанерозой Мухаммад
Существует распространённое заблуждение, что Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли ДНК в 1950-х годах. В действительности ДНК была открыта за несколько десятилетий до этого. Джеймс и Фрэнсис смогли прийти к революционному выводу о структуре ДНК в 1953 году, проследив за работой первооткрывателей этой молекулы.
Сама история открытия ДНК начинается в 1800-х годах… Но вначале нужно отметить, что история ДНК в науке тесно связано с историей изучения наследственности. Итак, первый кто выдвинул более научно обоснованные идеи о наследственности, которые актуальны по сей день, был Грегор Мендель. В XIX в. он был монахом, а затем аббатом августинского монастыря в Бруно (современный Брно).
В те времена монастырь давал образование тем, кто не мог позволить себе оплатить светское университетское образование. В период с 1854 по 1862г. Мендель обучаясь там, проводил эксперименты по скрещиванию гороха. Проанализировав полученные результаты, он разработал концепцию генетического задатка — вещества, определяющего тот или иной признак. Позже он предположил, что признак определяется не одним задатком, а комбинацией двух.
Августинское аббатство Святого Фомы в Старом Брно
На тот момент результаты исследований Менделя остались почти незамеченными. Повторение опыта на ястребинке не дали тех же результатов, что и с горохом. Это совсем разуверило учёного в важности своих результатов. В итоге исследования Менделя не были восприняты, как фундаментальное исследование. Заслуженное значение эти открытия получили только после их переоткрытия в начале XX в.
Слово «ген» вместо наследственного задатка появилось в 1900-е гг, когда произошло переоткрытие законов Менделя. Это в дальнейшем привело к возникновению вопроса о том, что является материальным носителем генов. Наблюдения показали, что это некая молекула, которая содержится в хромосомах — палочкообразных структурах в ядрах клеток. После исследований Томаса Моргана была установлена хромосомная теория наследственности. Таким образом, можно сказать, что далёкий путь к раскрытию тайн ДНК в науке начинается во 2-й половине XIX в. Сама же эта молекула была впервые идентифицирована уже в 1860-х годах, швейцарским химиком Иоганном Фридрихом Мишером.
Иоганн Фридрих Мишер
Иоганн намеревался исследовать ключевые компоненты лейкоцитов, главных клеток иммунной системы нашего организма. Основным источником этих клеток были покрытые гноем бинты, взятые из ближайшей медицинской клиники. При изучении лейкоцитов Мишером был разработан метод выделения ядер клеток. В последующем ему удалось выделить из ядер вещество, которому он дал название «нуклеин». При исследовании этого вещества Иоганн понял, что оно обладает неожиданными свойствами, отличными от свойств других белков, с которыми он был знаком. Так, не зная важности своего открытия, Мишер показал миру молекулярную основу всей жизни — ДНК.
Флакон, содержащий одну из первых ДНК, выделенных Фридрихом Мишером. Находится в Турбингенском университете (Германия).
В 1877 году эстафету по изучению ДНК принял немецкий биохимик Альбрехт Коссель. Учёный, после успешного завершения университетского образования, был принят на работу своим бывшим научным руководителем Феликсом Гоппе-Зейлером в качестве научного сотрудника в Страсбургский университет. В этот период Гоппе-Зейлер проявлял большой интерес к веществу, которое впервые было выделено в 1869 году его бывшим студентом из Швейцарии Фридрихом Мишером.
Альбрехт Коссель.
Это соединение не походило на органические вещества, которые уже были известны к этому времени. Поэтому выделенный Мишером нуклеин и был проанализирован Косселем. В ходе исследования он установил, что нуклеин состоит из двух компонентов, белкового и небелкового. Второй компонент проявлял свойства кислоты хоть и слабой и получил название нуклеиновая кислота.
В дальнейшем Коссель со своими учениками открыл азотистые основания. А вот наличие в составе ДНК дезоксиребозы установил Феб Левен из Рокфеллеровского института. Так, в 1881 году вещество приобрело новое название «ДезоксирибоНуклеиновая кислота», которое используется по сей день. Эта работа была хорошо вознаграждена в 1910 году, когда Коссель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Физика и биология
В первой половине двадцатого века господство в науке принадлежало физике. Относительность и квантовая механика дали неслыханный новый импульс поиску универсальных физических законов. К началу 1930-х годов физики были убеждены в своём всемогуществе. Они обратили своё внимание к тому, что раньше даже не могли себе представить, — к самой жизни.
В то время молодой немецкий физик-теоретик Макс Дельбрюк искал область науки, в которой он мог бы сделать карьеру. Учёный попробовал в квантовую химию. Позже он занимался исследованиями в области ядерной физики. Но ни одна из наук не пришлась Дельбрюку по душе.
Макс Дельбрюк
Но однажды, в августе 1932 года, занимаясь исследованиями в Институте Бора в Копенгагене, Дельбрюк посетил лекцию, прочитанную Бором на Международном конгрессе по светотерапии. Лекция носила название «Свет и жизнь». В этой лекции известный учёный высказал свои мысли по вопросу жизни в свете последних достижений квантовой механики. Учитывая, что в то время Дельбрюк был новичком в биологии, он был вдохновлён лекцией и решил посвятить себя этой науке.
По возвращении Дельбрюк начал налаживать контакты с биологами. В то время ему особенно нравилось находиться в обществе русских учёных, собственно он и познакомился с известным русским генетиком Николаем Владимировичем Ресовским, который работал в Берлине. Дельбрюк стал приглашать его домой на встречи своих друзей-физиков. На этих собраниях генетик часами обучал их своей науке. Тимофеев-Ресовский рассказывал о плодовой мушке дрозофиле, о мутациях в генах, которые можно вызвать воздействием рентгеновских лучей. Как раз последним вопросом генетик занимался вместе с физиком-экспериментатором Карлом Циммером.
Николай Тимофеев-Ресовский (слева), Макс Дельбрюк (в центре) и Карл Циммер (справа)
Дельбрюка очень заинтересовала их работа. Он считал, что именно в генетике много того, что связывает её с квантовой механикой. Квантовая механика принесла в физику дискретность, скачкообразность. Но главной особенностью квантовой механики было серьёзное отношение к случайности. В то же самое время биологи обнаружили дискретную неделимую частицу (ген), которая может случайным образом переходить из базового состояния (известного в генетике как «дикий тип») в «мутантное» состояние.
Что же такое ген и как он устроен? Это был один из главных вопросов, о котором спорили на вечерах у Дельбрюка. По словам самого Тимофеева-Ресовского, генетиков эта проблема не особо интересовала на тот момент. Для них гены — такая же фундаментальная частица наследственности, как электроны для физиков. Николай Владимирович говорил:
«Вот, я вас спрошу, из чего состоит электрон?» Раздался громкий смех. «Вот видите, также смеются генетики, когда их спрашивают, из чего состоит ген. Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики, и его бессмысленно адресовать генетикам. Вы, физики, должны искать ответ на него».
Дельбрюк, в свою очередь, спросил:
«Неужели нет гипотезы о структуре гена?».
Тимофеев-Ресовский на мгновение задумался, потом воскликнул:
«Ну, как же! Мой учитель, Николай Константинович Кольцов, считает, что ген — это полимерная молекула, скорее всего, молекула белка.»
Такая гипотеза не сильно устроила Дельбрюка. Он парировал Николаю Владимировичу:
«Ну и что это объясняет? От того, что мы назовём ген белком, мы поймём, как гены удваиваются? Ведь главная-то загадка в этом! Ты же сам рассказывал нам, как в роду Габсбургов из поколения в поколение переходила характерная форма губы? Что делает возможным столь точное копирование генов в течение веков? Каков механизм? Разве химия даёт нам такие примеры? Во всяком случае, я никогда ничего подобного не слышал. Нет, тут нужна совершенно иная идея. Тут действительно таится загадка. Великая загадка. Возможно, новый закон природы. Сейчас главный вопрос — как к этому подступиться экспериментально».
Таким образом, генетик Тимофеев-Ресовский и физик по имени Карл Циммер стали участниками сообщества Дельбрюка. Собственно благодаря стараниям Тимофеева-Ресовского — Макс Дельбрюк начал неплохо разбираться в генетике. Его больше не смущала терминология в генетике, которая отпугивала многих физиков.
Результатом работы такого сообщества стала статья, которая получила название «Документ трёх человек», и она оказала большое влияние как на карьеру Дельбрюка, так и на размышления о природе гена (Тимофеев-Ресовский и др., 1935). Вывод, основанный на стабильности гена, измеренной по частоте мутаций при разных дозах ионизирующего излучения по сравнению с разными температурами, заключался в том, что ген, вероятно, представляет собой молекулу. Дельбрюк выразил это следующим образом:
Несколькими годами раньше Г. Дж. Мюллер обнаружил, что ионизирующие излучения вызывают мутации, и работа берлинской группы очень ясно показала, что эти мутации вызываются либо отдельными парами ионов, либо их небольшими кластерами. Обсуждение этих открытий в нашей небольшой группе укрепило представление о том, что гены обладают своего рода стабильностью, аналогичной стабильности химических молекул. Оглядываясь назад, на наши нынешние знания, можно было бы счесть это тривиальным утверждением: чем ещё могут быть гены, как не молекулами? Однако в середине тридцатых годов это не было тривиальным утверждением. Гены в то время были алгебраическими единицами комбинаторной науки генетики, и было совсем неясно, что эти единицы были молекулами, поддающимися анализу с точки зрения структурной химии. Они могли оказаться субмикроскопическими стационарными системами, Кэрнс и др. 1966 ).
Работа этой троицы оказала значительное влияние на дальнейшее развитие науки. Нужно отметить, что на тот момент работа Т. Моргана и его группы «Теория гена», давала подробное объяснение способов наследования этих единиц, но не давала намёка на то, что они из себя представляли и как работали. Генетики тогда не видели связи своей науки с физикой и химией. Область биохимической генетики, прямой предшественницы молекулярной биологии, также находилась в очень зачаточном состоянии. Но эта статья, напечатанная хоть и в малоизвестном журнале, стала очень популярной. Особенно важен тот факт, что статью заметил всемирно известный физик Эрвин Шрёдингер.
Эта статья стала основой для двух глав рассуждений в книге Шрёдингера «Что такое жизнь?» Данная брошюра была написана на основе лекций, которые учёный прочитал при содействии Дублинского института перспективных исследований в Тринити-колледже в феврале 1943г.
Эрвин Шрёдингер
Являясь одним из основоположников квантовой физики, Эрвин Шрёдингер попытался в своей работе показать взгляд классического физика на биологию. В частности, были сделаны первые шаги к переходу от квантовой физики к квантовой биологии — направлению, которое рассматривает живые системы с точки зрения квантовой теории. Шрёдингер популяризовал и развил идеи Дельбрюка и Тимофеева-Ресовского о связи генетики и квантовой механики.
В своей работе учёный писал:
«Взаимодействия атомов в жизненно важных частях организма фундаментальным образом отличаются от всех соединений атомов, которые до настоящего времени являлись объектом экспериментальных и теоретических исследований физиков и химиков. Однако это различие, которое я считаю фундаментальным, может показаться малозначимым любому, кроме физика, сознающего, что законы химии и физики — сугубо статистические… Не-физик вряд ли окажется способен хотя бы уловить — не говоря уже о том, чтобы оценить — различие в «статистической структуре», выраженное столь абстрактными терминами. Чтобы придать утверждению живость и цвет, позвольте мне упомянуть то, что позднее будет описано намного детальнее, а именно самую значимую оставляющую живой клетки — хромосомную фибриллу, которую можно назвать апериодическим кристаллом. До настоящего времени в физике мы имели дело лишь с периодическими кристаллами».
Не имея представления о том, что такое ферменты и что они кодируются ДНК, Шрёдингеру удалось создать труд, в котором он задаёт, казалось бы, наивные, но самые главные вопросы. Непосвящённого эти вопросы могут отпугнуть, а остроумный исследователь начнёт со рвением на них отвечать. Даже не найдя достоверных ответов на свои вопросы, Эрвин Шрёдингер зажёг интерес к изучению материала наследственности. Главное, что читатели Шрёдингера узнали о работах Дельбрюка.
Великий бактериофаг
Что такое гены? Этот вопрос, в конце концов, заинтересовал Макса Дельбрюка. Больше всего его интересовало, как гены удваиваются (реплицируются) во время деления клетки. Физики, думающие о биологии, склонны искать простые системы, поддающиеся анализу. Дельбрюк не был исключением. Взгляд учёного привлекли бактериофаги — вирусы бактерий. Дельбрюк считал их ключом к разгадке всех интересовавших его вопросов.
Эти удивительные частицы, которые вне клетки не проявляют признаков живого и выглядят просто как большие молекулы. Из бактериофагов даже выращивают кристаллы. Но когда вирус попадает в клетку, то через 20 минут клеточная оболочка лопается, и из неё вываливается сотня абсолютно точных копий исходной частицы. Дельбрюка осенило, что на бактериофагах гораздо легче будет изучать процесс репликации (удвоения генов), чем на бактериях, не говоря уже о животных; возможно, удастся понять наконец, как устроен ген. Так, физик-теоретик превратился в биолога-экспериментатора. Но его мышление осталось чисто физическим.
В 1937 году из-за прихода к власти нацистов Дельбрюк покидает Германию. В том же году Фонд Рокфеллера начал финансировать работы по применению физико-химических идей и методов в биологии. Представители фонда предложили Максу Дельбрюку переехать в США, где он продолжил свои исследования по репликации фагов. Представитель фонда в Европе посетил Дельбрюк в 1936 году, чтобы узнать, готов ли он покинуть Европу. Макс выбрал Калифорнийский технологический институт как подходящее место и написал Моргану.
В результате «документа трёх человек» Т. Х. Морган пригласил Дельбрюка в Калифорнийский технологический институт на должность научного сотрудника. На тот момент это был рискованный шаг для генетика, т.к. физики-теоретики в биологических лабораториях были редкостью. В дальнейшем Дельбрюк продолжит свою работу на физическом факультете Университета Вандербильта в Нэшвилле, Теннесси.
В США Дельбрюк собрал группу энтузиастов, которые заинтересовались его идеей изучения природы наследственности на бактериофагах. Так возникла «фаговая группа». Год от года участники группы всё больше узнавали, как протекает фаговая инфекция и как на это влияют внешние условия. В ходе ряда уникальных экспериментов были изучены мутационный процесс у бактерий и бактериофагов. Именно за работы этого периода, много лет спустя, Дельбрюк был удостоен Нобелевской премии.
▍ Эксперимент Эвери, Маккарти и Маклеода
В дальнейшем появились научно обоснованные доказательства того, что за перенос генетической информации отвечает всё-таки ДНК, а не белок. Это открытие принадлежит американским генетикам Освальду Эвери, Колину Маклеоду и Маклину Маккарти. Они продолжали исследования британского военного медика Фредерика Гриффита, которые он проводил ещё в 1928г. Исследование заключалось в проведении опытов со Streptococcus pneumoniae, который является возбудителем пневмонии.
У Streptococcus pneumoniae есть два штамма — один образует шероховатые колонии, другой — гладкие. Как в будущем было выяснено, клетки «гладких» бактерий заключены в полисахаридную капсулу, которая обеспечивает им защиту от иммунной системы хозяина. Поэтому инъекция гладких бактерий убивает подопытную мышку, а животное, которому ввели «шероховатый» штамм, выздоравливает. При этом гладкие штаммы погибают при нагревании. Инъекция такого убитого штамма, соответственно, не вызывает гибели животного. Гриффит решил смешать живых безвредных «шероховатых» стрептококков с убитыми «гладкими».
Впоследствии он ввёл их мышам, животное умерло, а из его организма удалось выделить живых «гладких» стрептококков. Было такое впечатление, будто живые «гладкие» бактерии при контакте с мёртвым «шероховатыми» — становились вирулентными. Возможно, они позаимствовали у них какое-то вещество, которое способствовало защите их от иммунной системы хозяина и которое к тому же сумели передать новым поколениям бактерий.
Так вот, Эвери, Маклеод и Маккарти сумели определить, что это вещество — ДНК. Только при удалении ДНК из экстракта «гладких» бактерий, его смешивание с безвредными «шероховатыми» не делала их вирулентными, инфицированные мыши не погибли. Во всех остальных случаях, когда экстракт очищали от других веществ, но не от ДНК, эффект был тот же, что и при смешивании с целыми мёртвыми бактериями мыши погибали, из них можно было выделить живой патогенный штамм.
Опыт Эвери — Маклеода — Маккарти
Эксперимент Херши — Чейз
Ещё одно подтверждение того, что веществом наследственности, является именно ДНК, получили американские генетики Альфред Херши и Марта Чейз. За эти эксперименты Херши вручили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины в 1969г. Марту Чейз на Нобелевскую премию не выдвинули. Дополнительно обидно, что в некоторых русских источниках встречается «эксперимент Херши — Чейза». Об исполнителе эксперимента и соавторе статьи многие не знают даже, что это женщина.
Для своих экспериментов Херши и Чейз выбрали бактериофаг Т4 — вирус бактерий, одни из самых простых объектов живой природы. Херши и Чейз показали, что фаги вводят в бактериальную клетку свою ДНК, а не белок. Для этого они использовали две разновидности фагов: одни имели в своём составе радиоактивную серу 35S, другие — радиоактивный фосфор 32P, который содержится только в ДНК. Когда фаги первого типа инфицировали бактерий, метка оставалась снаружи, в растворе. Но когда брали бактериофаги второго типа — меченый фосфор попадал внутрь клетки. Далее исследователи наблюдали, что новые фаги, которые выходили из инфицированной клетки, тоже были немного радиоактивными.
Схема эксперимента Херши — Чейз
Двойная спираль ДНК
Открытие Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком структуры двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в 1953 году стало важной вехой в истории науки и положило начало современной молекулярной биологии, которая в первую очередь занимается изучением того, как гены контролируют химические процессы в клетках. Их открытия вскоре позволили получить принципиально новые сведения о генетическом коде и синтезе белков.
В 1970-х и 1980-х годах открытие помогло создать новые и мощные научные подходы, в частности, исследования рекомбинантной ДНК, генную инженерию, быстрое секвенирование генов и моноклональные антитела, которые являются основой сегодняшней многомиллиардной биотехнологической индустрии.
Рентгенограмма ДНК и модель её строения. Учёные, сделавшие открытие
Первая рентгенограмма ДНК была получена Флоренс Белл и Уильямом Эстбери ещё в 1938 году, которые описали соответствующую форму как «плотную последовательность сплюснутых или плоских нуклеотидов, стоящих перпендикулярно длинной оси молекулы, образуя относительно жёсткую структуру». Структура, по сути, представляла собой гребёнку.
Всё резко изменилось в 1951 году, когда Розалинда Франклин, которая работала над всё более точными картинами дифракции рентгеновских лучей, показала изображения ДНК в Королевском колледже в Лондоне. Когда Д. Уотсон и Ф. Крик начали изучать структуру ДНК, ситуация в науке складывалась следующим образом:
М. Уилкинс, много лет, работавший в Англии над разгадкой строения ДНК, накопил огромный фактический материал и был близок к правильному решению задачи. Р. Фрэнклин — кристаллограф, работавшая с ним вместе, сумела получить отлично выполненные рентгенограммы ДНК.
Первые учёные быстро построили структуру ДНК, которая имела форму спирали, но с тремя нитями, туго скрученными вместе и торчащими основаниями. В последующем стало ясно, что такая модель неверна. В 1953 году Крик и Уотсон получили новые данные, собранные Розалинд Франклин, через молекулярного биолога Макса Перутца. Уотсон, в очередной раз неверно истолковав данные, попытался построить нить, образующую половину двойной спирали, с винтом 18°, тогда как данные явно подразумевали, что винт должен быть 36°. Благодаря комментариям тогдашнего аспиранта — Джерри Донохью Фрэнсис начал строить модель с винтом 36°, подгоняя основания между двумя витками спирали. Уотсон в своей предыдущей попытке обнаружил, что пары оснований AT и GC имеют одинаковую форму. Из этого Крик сделал вывод, что цепи должны быть антипараллельными. Так и «родилась» современная форма ДНК.
И вот в 1953 г. в журнал «Nature» вышла статья, насчитывающая всего 900 слов. В ней были представлены окончательные результаты исследований. Уотсон и Крик выдвинули предположение, что ДНК состоит из двух нитей, соединённых друг с другом азотистыми основаниями и закрученных одна вокруг другой. За это открытие учёные были удостоены Нобелевской премии в 1962г. Нобелевской премией был награждён и М. Уилкинс.
В 50 — 60-х годах Фрэнсис Крик вместе со своими сотрудниками открыли основные свойства генетического кода. Ими было доказано, что код триплетный, т.е. одной аминокислоте соответствует последовательность из трёх нуклеотидов. К тому моменту было известно, что в состав белков входит 20 типов аминокислот. В то же время было подсчитано, что всего существует 43 = 64 различных кодона. Также было установлено, что не каждому кодону соответствует аминокислота. Но таких «бессмысленных», кодонов очень немного. Они выполняют специальную функцию — служат стоп-сигналами, которые обозначают конец белковой цепи. В то же время был открыт и тот факт, что аминокислоте могут соответствовать несколько триплетов — код вырожденный, как говорят математики. Помимо этого, стало известно, что один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета. Это называется неперекрываемостью.
Данные открытия были сделаны благодаря методике разработанной американским биохимиком и генетиком из Национального института здравоохранения Маршаллом Ниренбергом и его немецким постдоком — Генрихом Маттеи. Если белковые последовательности к этому времени уже умели успешно расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК — читать не умели. Поэтому пришлось пойти по иному пути. Учёные предположили, что если клетки «знают» генетический код, то, нужно предложить им распознавать разные последовательности нуклеотидов. Главное, чтобы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени биохимики, как раз научились синтезировать кое-какие искусственные РНК. Например, Ниренберг и Маттеи использовали неживые клетки, а клеточные экстракты, которые сохраняли способность синтезировать белок на РНК. Очень важно, они были способны синтезировать белок по внесённой извне РНК. Такие экстракты назвали бесклеточной системой. Собственно, для своих опытов они использовали экстракт из кишечной палочки. Им удалось определить, что кодону УУУ отвечает аминокислота фенилаланин.
О своём открытии Ниренберг сообщил на Международном биохимическом конгрессе в Москве в 1961г. Это было сенсацией в мире науки. Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако определение последовательности нуклеотидов на тот момент было ещё весьма трудным занятием. Окончательно проблема была решена, когда на помощь биохимикам пришли химики-синтетики. Главный вклад внёс Хар Гобинд Корана.
Учёные, расшифровавшие генетический код
К 1967 году расшифровка генетического кода была окончательно завершена. Биологам стало очевидно, что ДНК в ядре клетки — это своеобразная «библиотека», в которой книги не выдают на дом, но позволяют снимать копии и забирать с собой. Копии книг — это матричные РНК.
В последующем биологами будет выяснено, что всё же небольшое отклонение от стандартного генетического кода есть у некоторых инфузорий. У них один или даже два стоп-кодона стандартного генетического кода могут кодировать аминокислоту глутамин. Таким образом, учёные пришли к выводу, что у некоторых организмов можно сделать небольшое искусственное изменение генетического кода.
Далее в науке предстояло не менее важное открытие структуры гена. Было установлено, что впереди каждого гена на молекуле ДНК расположена последовательность, которая регулирует его активность: «включение — выключение», интенсивность, место и время работы. Эту регуляторную последовательность называли промотором. Кодирующая область гена начинается с триплета нуклеотидов АТГ. Это место начала считывания информации с мРНК. Заканчивается кодирующая область так называемым стоп-кодоном (ТАГ, или ТАА, или ТГА), указывающий на то место, где должна закончиться трансляция. Кодирующую область называют экзоном. У высших организмов, а также у многих прокариот кодирующую область гена могут прерывать одним или несколько интронов — участков ДНК, которые не несут генетической информации о последовательности аминокислот закодированного белка.
Схема строения гена эукариот. Промотор, энхансер, сайленсер — регуляторные последовательности. Кодирующая последовательность гена включает экзоны и интроны
Информация, записанная на мРНК с интронов, удаляется в ходе «созревания» (посттранскрипционного преобразования) молекулы мРНК. Терминальные последовательности гена включают кодоны, кодирующие место отсоединения РНК-полимеразы от молекулы ДНК и место присоединения так называемого поли-А хвоста молекулы мРНК (состоящего из остатков аденина).
Дальнейшее развитие изучения ДНК
Все эти открытия привели к тому, что возрос интерес к ДНК. Можно сказать, что в биологии начался бум открытий, связанных с этой молекулой. Очень важным этапом развития в молекулярной генетике стало открытие методов секвенирования (от англ. Sequence. В переводе дословно означает «определение последовательности»).
Эра секвенирования геномов началась после изобретения метода ПЦР. Данный метод позволил получать неограниченное количество копий выбранного исследователем участка ДНК.
Открытие первого наиболее работоспособного метода секвенирования принадлежит английскому биохимику Фредерику Сенгеру (1918-2013). За это открытие он был удостоен Нобелевские премии по химии.
Фредерик Сенгер
Сенгеру принадлежит разработка секвенирования методом терминаторов. В научной литературе иногда его называют методом обрыва цепи, или дидезоксиметодом. В последующем этот инструмент назовут в честь учёного «Методом по Сенгеру» (хотя сейчас этот метод является отчасти устаревшим).
С развитием инструментария секвенирования и ПЦР стало возможным появление методов ДНК-дактилоскопии — системы научных методов биологической идентификации индивидуумов, которая основана на уникальности последовательности нуклеотидов ДНК каждого живого существа (исключением являются однояйцевые близнецы), открытие которых принадлежит Сэру Алеку Джеффрису.
Сэр Алек Джеффрис
В свою очередь, развитие методов секвенирования, ПЦР и ДНК-дактилоскопии привели к скачку фармакологии и появления таких наук, как фармакогеномика — клинической и научной дисциплины, которая основана на корреляции фенотипа, генотипа и/или кариотипа. В этой науке используется генетическая информация, которая предназначена для предсказания лекарственной эффективности и токсичности, а также для выявления лиц, чувствительных или нечувствительных к препаратам.
При изучении ДНК нельзя забывать про вопросы эволюционной биологии. Генетика, в том числе и молекулярная, неизбежно повлияла и на процесс развития эволюционных представлений. Главным образом молекулярная генетика повлияла на вопросы, которые касаются происхождения видов в природе.Генетические программы в ходе эволюции не возникают заново, а редуцируются специализированным матричным способом.
В процессе эволюционного развития видов генетические программы развития изменяются — не направлено. Приспособительными, полезными эти изменения становятся случайным образом. Доказано, что отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и основная причина её становления, потому что без мутаций отбор не действует. Это уже стало аксиомой основанной на принципах статистической физики и принципе неопределённости.
Генетика также доказала, что в ходе эволюции происходит процесс многократного увеличения силы случайных генетических изменений. Это делает возможным укрепление процесса влияния внешней среды на организм. В связи с этим эволюционный процесс зачастую непредсказуемый и его трудно просчитать.
При изучении взаимодействия генетики и эволюционной биологии невозможно не упомянуть о фундаментальном биологическом труде всемирно известного английского биолога Ричарда Докинза, который носит название «Эгоистичный ген». Главная идея работы состоит в обосновании геноцентричного взгляда на эволюцию. Эволюция в книге рассматривается прежде всего как эволюция генов. Учёный считает, что естественный отбор на уровне особей или популяций почти никогда не может одержать верх над естественным отбором на уровне генов. Исходя из этого, Докинз утверждает, что эволюция по Дарвину происходит на уровне генов, но никак не особей или видов. В науке это получило название теории эгоистичного гена.
Докинз называет гены репликаторами, а организмы — машинами для выживания.
Заключение
Изучение ДНК в науке имеет долгий путь. Всё началось с открытия химической природы ДНК. В дальнейшем науке удалось открыть генетический код и двойную спираль. Всё это способствовало появлению ДНК-дактилоскопии и технологий рекомбинантной ДНК. Что смогло продвинуть вперёд развитие таких областей, как криминалистика, персонализированная медицина и генная инженерия. Но это ещё не конец пути. Учёными уже сделаны первые шаги в создании ДНК-чипов, которые используются в биологии и медицине и при создании…
вышек 5G!
Разумеется, это шутка
На этом исследователи не останавливаются и проводят исследования по созданию ДНК- компьютеров. В целом, можно сказать, что изучение структуры гена и генома смогут дать человечеству ещё множество открытий. Эти открытия будут способны стать основой прорывных технологий, которые послужат на благо человечества.
Список литературы
- Билич Г.Л., Крыжановский В.А. Биология для поступающих в вузы / Г.Л. Билич, В.А. Крыжановский. — 33е изд., испр. и доп. — М.: Издательство Оникс, 2008. — 1088 с.
- Ермишин, А. П. Генетически модифицированные организмы и биобезопасность / А. П. Ермишин. — Минск: Беларус. навука, 2013.-171 с.
- Клещенко Е. В. ДНК и её человек. Краткая история ДНК-идентификации / Е. В. Клещенко. — Издательство Альпина нон-фикшн, 2019. — 314 с.
- Медицинская биология и общая генетика: учебник / Р. Г. Заяц [и др.]. — 2-е изд. испр. — Минск: Издательство Выш. шк., 2012.- 496 с.
- Павлович, С. А. Микробиология с вирусологией и иммунологией: учеб. пособие / С. А. Павлович. — 33е изд., испр. — Минск: Издательство Вышэйшая школа, 2013. — 799 с.
- Панчин А. Ю. Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей / А. Ю. Панчин. — Издательство Corpus (АСТ), 2015. — 440 с.
- Ричард Докинз Эгоистичный ген./Р.Докинз, Москва Издательство Corpus, 2018. — 512 с.
- Румянцев Е. Ф. Закономерные чудеса / Е. Ф. Румянцев. — Москва: Издательство Молодая гвардия, 1976.- 191 с.
- Савченко В. К. Ценогенетика: генетика биотических сообществ / В. К. Савченко; Национальная академия наук Беларуси, Отделение биологических наук. — Минск Издательство Беларуская навука, 2010. — 270 с.
- Самая главная молекула: От структуры ДНК к биомедицине XXI века / Максим Франк-Каменецкий; — М.: Издательство Альпина нон-фикшн, 2017. — 336 с. — (Серия «Библиотека ПостНауки»).
- Стома И.О., Микробном человека / И.О. Стома, И.А. Карпов; Белорусский государственный медицинский университет, Минский научно-практический центр хирургии, трансплантологии и гематологии. — Минск: Издательство Доктор Дизайн, 2018. — 122 с.
- Что такое жизнь?: [сборник] /Эрвин Шрёдингер; [пер. с англ. К.Егоровой]. — Москва: Издательство АСТ, 2018. — 288 с. — (Эксклюзивная классика).
- Щипков В. П., Кривошеина Г. Н., Общая и медицинская генетика. В. П./ Щипков, Г. Н. Кривошеина. М.: Издательство Академия, 2003. 256c.
- The discovery of DNA
- A Physicist’s Quest in Biology: Max Delbrück and «Complementarity»
- The Discovery of the Double Helix, 1951-1953
