Начало систематического изучения наследственности связано с исследованием растений и животных, которые представляют собой сложные генетические объекты. Эти ранние исследования привели к формулировке концепции неделимого гена как функциональной единицы наследственности и признанию того, что перенос генов от одного поколения к другому подвержен воздействию различных случайных факторов. Однако до понимания химической природы генов и механизма их функционирования было еще далеко.
Исследование генетических молекул и механизмов регуляции наследственности стало возможным только после использования бактерий и вирусов в качестве экспериментальных моделей. Ранее генетики даже не подозревали о существовании этих организмов. Благодаря бактериям и вирусам впервые было показано, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), рибонуклеиновая кислота (РНК) и белок являются универсальными детерминантами генетического поведения.
Особые биологические свойства микроорганизмов позволили проводить манипуляции, необходимые для анализа генетических структур, и обеспечили стремительный прогресс в этой области. Однако аналитические исследования более сложных генетических систем на животных и растениях были невозможны. Развитие технологии рекомбинантной ДНК позволило преодолеть технические и концептуальные барьеры и расшифровать и понять сложные генетические системы.
В результате, наши представления о структуре и функции генов существенно изменились, а новое мышление радикально изменило перспективы биологии.
История исследования наследственности
Изучение истории исследования наследственности позволяет выявить несколько предпосылок последних достижений в этой области. Еще в V веке перед нашей эрой греческие философы высказали предположение, что оба пола вносят свой вклад в формирование нового индивидуума. Они полагали, что эта информация сконцентрирована в мужском или женском «семени» и поступает туда из разных частей тела зрелых индивидуумов. Демокрит дополнил это мнение, предположив, что свойства потомства определяют частицы в «семени».
Важным препятствием на пути создания единой теории наследственности служило обширное разнообразие живых организмов. В начале XIX века основой единой теории в биологии стала клетка, которую можно рассматривать как свободно живущее единство или составную часть организма. Создание более совершенных микроскопов и новаторские методы подготовки и окрашивания материала позволяли все более детально описывать содержимое клеток, а также установили, что новые клетки появляются только в результате деления предыдущих.
Исследования. Структура и объем курсовой работы
... о возможности исследования функциональной роли определенных областей головного мозга стало известно как наука о локализации функций в мозгу. Растущий интерес к изучению и исследованию особенностей строения мозга леворуких или левшей связан и ... Число правшей в человеческой популяции, по различным данным, колеблется в пределах 80-95%, в то время как оставшуюся часть составляют левши и амбидекстры ...
Хромосомы и их роль в размножении
В настоящее время все живые организмы подразделяют на две группы. Первая-эукариоты — многоклеточные организмы, клетки которых содержат оформленное ядро; внутри ядра заключены хромосомы-хранители генетической информации. Вторая-прокариоты — представлена одноклеточными бактериями, лишенными ядра, с хромосомами, находящимися в цитоплазме.
За немногими исключениями, все клетки многоклеточного организма содержат одинаковый полный набор хромосом. Эукариотические организмы имеют более сложное строение и, как правило, содержат больше генетической информации. Кроме того, эукариоты способны к истинному половому воспроизведению и для многих из них этот способ обязателен для образования потомства.
Одним из важных моментов процесса полового размножения является наличие в дочерних ядрах двух копий каждой хромосомы; такие эукариотические клетки называются диплоидными. Прокариоты, содержащие только одну хромосому, называются гаплоидами.
При некоторых обстоятельствах у прокариот наблюдаются процессы, аналогичные по результату процессу оплодотворения у эукариот, вследствие которых они могут стать частично диплоидными; эти процессы широко используются в генетических исследованиях.
Изучение хромосом и статистический анализ наследования одиночных признаков
Сразу после принятия клеточной теории в изучении живых организмов выделились три направления: исследование хромосом, статистический анализ наследования одиночных признаков, выделение и характеристика компонентов хромосом.
Стадии деления клеток
В анафазе пары сестринских хроматид разделяются и каждый член пары движется по направлению к полюсу веретена. В это же время и нити веретена, и клетка начинают растягиваться. Когда в телофазе хроматиды достигают противоположных полюсов, вокруг каждого набора хроматид формируется новая ядерная оболочка и начинается деконденсация хромосом. Наконец, плазматическая мембрана разделяет два ядра и окружающую цитоплазму на две клетки. Хромосомы приобретают растянутую, диффузную форму, типичную для интерфазы, и процесс деления начинается снова.
Б. Микрофотографии митоза в клетках лилии Haemanthuskatherinae. Клетки окрашены иммунозолотом/серебром. Увеличение 600.
Выделение и характеристика компонентов хромосом
Правления параллельно развивались и превращались в важные научные дисциплины до момента их слияния в середине нашего века.
Хромосомы
Во второй половине XIX в. продолжалось детальное изучение морфологии и поведения хромосом. Оказалось, что во всех клетках любого организма, за одним лишь существенным исключением, содержится одно и то же, вполне определенное число хромосом. Например, плодовая мушка Dro-sophilamelanogaster имеет 8 хромосом, человек и летучая мышь-46, пшеница-20, носорог — 84. Хромосомы на основе сходства их морфологии могут быть разделены на гомологичные пары: 4 пары у D. melanogaster, 23 — у человека и т.д. Микроскопическое исследование фиксированных и окрашенных клеток дает лишь статическую картинку, но эти картинки можно расположить во временной последовательности, начиная с момента образования клетки при делении и кончая ее делением на две себе подобные. И тогда становится очевидным, что дупликация каждой хромосомы, происходящая в цикле клеточного деления, приводит к удвоению числа хромосом. При делении этот удвоенный набор распределяется таким образом, что каждая из двух дочерних клеток получает такое же число и тип хромосом, что и родительская клетка. Весь процесс в целом называется митозом.
Клеточный цикл
События, происходящие в период от одного клеточного деления до другого, называются клеточным циклом. Фаза митоза цикла охватывает период деления и хромосом, и клеток. После расхождения клеток каждая дочерняя клетка вступает в период повышенной биосинтетической активности — в так называемую Gj-фазу. Gj-фаза заканчивается перед началом удвоения хромосом, или, в молекулярных терминах, с началом дупликации хромосомной ДНК; период репликации генома называется фазой синтеза. С момента завершения S-фазы в клетках инициируются события, характерные для митотической профазы,-части цикла, называемой Gj-фазой. В конце концов опять начинаются митоз и цитокинез, и цикл повторяется. Как правило, G r , S — и G2 -периоды, вместе составляющие интерфазу, занимают около 90% времени клеточного цикла, а М-фаза — менее 10%. Полное время прохождения клеточного цикла в клетках разного типа сильно варьирует в зависимости от условий роста. Основным показателем продолжительности всего цикла является продолжительность Gj-фазы. Например, покоя:
Изучение клеточного цикла является важным аспектом биологических и медицинских исследований. Клеточный цикл состоит из нескольких фаз, включая интерфазу, митоз и цитокинез. Во время интерфазы клетка проходит через несколько стадий, включая G1-фазу, S-фазу и G2-фазу.
Во время G1-фазы клетка находится в активном состоянии и готовится к репликации ДНК. Затем следует S-фаза, во время которой происходит дупликация хромосом и ДНК. После S-фазы клетка переходит в G2-фазу, где она готовится к делению.
М-фаза является кульминацией клеточного цикла и включает в себя митоз и цитокинез. Во время митоза происходит деление ядра и хромосом, а цитокинез — деление цитоплазмы. В результате митоза образуются две дочерние клетки, каждая из которых может начать новый клеточный цикл.
Клетки, которые не вступают в новый клеточный цикл, останавливаются в фазе G0. Обычно эукариотические клетки завершают цикл за 24 часа, если они не находятся в фазе G0.
Мейоз — это процесс деления диплоидной клетки на четыре гаплоидные дочерние клетки. Этот процесс отличается от митоза тем, что включает два клеточных деления и только один «раунд» репликации хромосом.
Во время мейоза происходят различные этапы, включая профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В профазе хромосомы начинают конденсироваться, а в метафазе они приходят в тесное соприкосновение, образуя тетрады. В анафазе гомологичные хромосомы начинают перемещаться к противоположным полюсам клетки.
После первого деления мейоза образуются две дочерние клетки, каждая из которых содержит по одной гомологичной паре сестринских хроматид. Затем происходит второе деление мейоза, в результате которого образуются четыре гаплоидные клетки, предшественники половых клеток.
Изучение клеточного цикла и мейоза позволяет лучше понять процессы деления клеток и их роли в различных биологических процессах.
 |
Образование яйцеклеток и сперматозоидов подразумевает уменьшение нормального числа хромосом ровно вполовину; этот процесс называется мейозом. Гаметы, или половые клетки, гаплоидны, т.е. в них содержится по одному члену каждой пары гомологичных хромосом, и, таким образом, только половинное число хромосом каждого из родителей попадает во все другие, соматические, клетки организма потомка. Распределение хромосом в мейозе происходит случайно, поэтому любой из членов гомологичной пары может оказаться во вновь образовавшихся зародышевых клетках.
При оплодотворении гаплоидные наборы хромосом сперматозоидов и яйцеклеток объединяются. Таким образом восстанавливается полный набор гомологичных хромосомных пар, каждый из членов которых произошел из яйцеклетки и из сперматозоида соответствующих родителей. Диплоидное состояние оплодотворенной яйцеклетки поддерживается далее во всех соматических клетках механизмом митотического деления. Иногда зрелые организмы могут развиться из неоплодотворенных гаплоидных яйцеклеток или из оплодотворенных яйцеклеток с неполным набором родительских хромосом. Как уже отмечалось, любой из членов гомологичной пары может попасть в функциональную гамету. В зрелую яйцеклетку или сперматозоид попадает по одному члену каждой пары в процессе редукции числа хромосом в мейозе.
Строение хромосом
Легче всего наблюдать метафазные хромосомы. Под микроскопом их фотографируют или зарисовывают. В этой стадии хромосомы наиболее сконденсированны и образуют дискретные структуры. У многих организмов индивидуальные хромосомы и их гомологи легко различимы по размеру и форме. Каждая метафазная хромосома действительно состоит из двух идентичных частей, называемых сестринскими хроматидами, поскольку дупликация хромосомной ДНК протекает как раз перед метафазой, в S-фазе клеточного цикла.
У хромосомы имеется перетяжка, называемая центромерой. Положение центромеры для каждой хромосомы строго определено. С центромерой связаны специфические хромосомные функции; это последняя точка, соединяющая плечи сестринских хроматид перед полным расхождением при митотическом или II мейотическом делении. Сами плечи имеют вид
 |
отдельных образований задолго до расхождения центромер в анафазе.
Образование гаплоидных гамет при мейозе и слияние двух гамет с образованием диплоидной клетки при оплодотворении. Обратите внимание на то, что у D. melanogaster, рассмотренной здесь в качестве примера, как и у других организмов, включая млекопитающих, две половые хромосомы у самца не гомологичны друг другу. При мейозе формируются два типа сперматозоидов, из которых один несет Х-, а другой — Y-хромосому. У самок, несущих пару Х-хромосом, в результате мейоза образуются гаметы одного типа. Пол потомков зависит от того, какую из хромосом — X или Y — несут оплодотворяющие сперматозоиды. У некоторых организмов негомологичную, определяющую пол хромосому несет самка.
Различие между областью центромеры и плечами хромосом становится очевидным после обработки определенными красителями. После окрашивания центромеры выглядят более плотными и компактными по сравнению с плечами. Такие плотные, интенсивно окрашиваемые хромосомные области называются гетерохроматиновыми. Гетерохроматин центромеры можно наблюдать после окрашивания даже в плохо различимых интерфазных хромосомах. Другие, негетерохроматиновые области хромосом принято называть эухроматиновыми. Эухроматиновые области окрашиваются гораздо менее интенсивно, чем гетерохроматиновые.
Введение
Цель данного исследования заключается в изучении особенностей структуры хромосом в различных фазах клеточного цикла. Особый интерес представляют интерфазные и политенные хромосомы, которые отличаются от метафазных хромосом своей формой и рисунком полос.
Методы
Для исследования были использованы прометафазные хромосомы клеток человека и политенные хромосомы личинок насекомых. Хромосомы были окрашены специальными красителями, позволяющими выявить структурные особенности.
Результаты
В ходе исследования было обнаружено, что концевые участки хромосом, называемые теломерами, часто являются гетерохроматиновыми. Также были наблюдены перетяжки, которые получили название районов ядрышкового организатора. В мейотических хромосомах они представляют собой утолщения.
В интерфазе хромосомы сильно растягиваются и не видны, однако некоторые исключения были выявлены. В секреторных клетках личинок некоторых насекомых было обнаружено формирование политенных хромосом, состоящих из множества хроматид, сцепленных и лежащих рядом друг с другом. При окрашивании политенных хромосом был выявлен рисунок чередования темных и светлых полос.
Обсуждение
Наблюдаемые особенности структуры хромосом в различных фазах клеточного цикла подтверждают их динамическую природу и изменения во время деления клетки. Также выявленные различия в структуре хромосом могут иметь значимость для понимания процессов репликации и сегрегации генетического материала.
Заключение
В результате исследования были выявлены особенности структуры хромосом в различных фазах клеточного цикла. Концевые участки хромосом, теломеры, часто являются гетерохроматиновыми. Районы ядрышкового организатора представляют собой перетяжки на митотических и утолщения на мейотических хромосомах. Интерфазные хромосомы растягиваются и не видны, за исключением политенных хромосом, которые образуются в некоторых клетках насекомых и имеют рисунок чередования темных и светлых полос.
Введение
Хромосомы являются основными носителями наследственной информации в клетках всех организмов. Изучение их структуры и функций является важной задачей в биологии. Морфологические признаки хромосом могут служить индикаторами повреждений хромосомного материала и наследственных заболеваний.
Транслокации и другие изменения хромосом
Необычная форма хромосом или характер полос, а также атипичное число хромосом, могут указывать на повреждение хромосомного материала. Наличие измененных хромосом часто связано с наследственными заболеваниями. Например, перестройки, такие как транслокации или реципрокные обмены фрагментами между хромосомами, могут вызывать изменения в их размере и полосах. Делеции, дупликации и инверсии сегментов хромосом также являются примерами аберраций хромосом.
Примеры изменений хромосом
Одним из примеров изменений хромосом является синдром Дауна, вызванный наличием трех копий 21-й хромосомы вместо обычных двух. Это приводит к характерным физическим и умственным особенностям у людей с этим синдромом. Успехи в изучении структуры хромосом были достигнуты благодаря выбору подходящих экспериментальных объектов, таких как политенные хромосомы D. melanogaster и мелкие хромосомы человека и других млекопитающих.
Ограничения и перспективы исследования
Хромосомы прокариот и некоторых низших эукариот не видны в световом микроскопе, поэтому их структура не доступна для анализа с помощью этого метода. Тем не менее, развитие новых экспериментальных техник позволяет продолжать исследования и расширять наши знания о структуре и функциях хромосом.
Наследование одиночных признаков
Концепция гена восходит к началу 1860 г. и связана с именем Грегора Менделя, хотя до тех пор, пока другие ученые не повторили и не углубили его исследования в начале XX в., самого этого термина не существовало. Слово ген было введено В. Йогансеном в 1910 г. и относилось к гипотетической единице информации, регулирующей наследование индивидуальных признаков организма. Предположение о существовании генов было высказано на основании данных о статистическом распределении простых наследуемых признаков в потомстве известных родителей в течение нескольких поколений. В этих первых исследованиях генами оперировали как абстрактными статистическими понятиями, поскольку не было никакой информации относительно химической природы изучаемых признаков. Например, форма или цвет семян или цветков рассматривались как видимый наглядный наследуемый признак независимо от химической или метаболической основы этого свойства. Тем не менее, логический интеллектуальный фундамент, заложенный Менделем и его последователями, вполне соответствует нашим теперешним представлениям о химической структуре генов и тому, как эта структурная информация воплощается в свойства организма.
Независимая сегрегация и независимое комбинирование
Взгляд Менделя на наследственность у эукариот определялся двумя главными обнаруженными им явлениями. Первое — существование независимой сегрегации. Любой организм содержит пару генов для любого одиночного наследуемого признака, при этом каждый из членов пары имеет либо отцовское, либо материнское происхождение. В каждом поколении члены каждой пары генов расходятся с образованием новых яйцеклеток или сперматозоидов, и во время оплодотворения формируются новые пары генов. Теперь члены пары называются аллелями, и особенность признака зависит от объединения одинаковых аллелей или различных. Так, аллельные пары, детерминирующие некий признак, могут быть а1 а1, а1 а2 или а2 а2 у разных индивидуумов. Тогда сперматозоиды или яйцеклетки должны содержать аллель а1 или а2. И хотя в каждом отдельном организме имеется не более двух разных аллелей определенного гена, в популяции данного вида циркулирует много различных аллелей. Например, могут существовать множественные формы гена а: а1, а2, а3, а4 и т.д., поэтому отдельные индивидуумы могут содержать такие пары, как а1 а2, а2 а2, а3 а2, а1 а4, а4 а5 и а4 а4.
Второе важное наблюдение Менделя касалось независимого комбинирования различных аллельных пар генов, каждая из которых определяет различные признаки. Например, яйцеклетки или сперматозоиды в организме, содержащем аллельные пары а1 а2 для признака а и Ь1 Ь2 для b, могут иметь сочетания аллелей al bl, al b2, a2 bl или a2 b2. При образовании гамет сегрегация аллельных пар «а» не зависит от сегрегации аллельных пар «b»; то же самое можно сказать и о других аллельных парах.
Связь между генами и хромосомами
В начале XX в. была обнаружена корреляция между физическим поведением хромосом и положениями менделевской генетики. Каждый член аллельной пары генов мог быть ассоциирован с одной из хромосом пары, а независимое распределение аллелей можно было объяснить, если считать, что различные аллельные пары находятся на разных хромосомах.
Томас Гент Морган и его коллеги доказали, что у D. melanogaster гены ассоциированы с хромосомами. Они выбрали этот организм для генетических исследований, поскольку короткое время генерации и большое число особей в потомстве, получаемом от каждого скрещивания, делает генетический анализ удобным и точным; кроме того, хромосомы D. melanogaster легкоразличимы в световом микроскопе.
В ходе экспериментов было установлено, что наследование аллеля, приводящего к появлению у потомства белых, а не обычных красных глаз, всегда сцеплено с наследованием Х-хромосом и никогда-Y-хромосомы. Были обнаружены и другие аллели, коррелирующие с разными признаками, также связанные с наследованием Х-хромосом, и аллели, наследуемые совместно, сцепленными группами, но независимо от Х-хромосомы.
Таким образом, стало очевидным, что число групп совместно наследуемых аллелей соответствует числу хромосомных пар. В ходе исследования было установлено, что аллели, ассоциируемые с различными хромосомами, распределяются в потомстве независимо, а группы аллелей, связанные с определенной хромосомой, остаются сцепленными и в потомстве.
Рекомбинация
Почти одновременно с выявлением групп сцепления были обнаружены и неожиданные исключения. Например, такие аллели, как а1 и b1 или а2 и b2, как правило, наследовались сцепленно, но иногда появлялись новые сочетания, a1 b2 и а2 ^, которые наследовались в последующих поколениях. С помощью цитогенетического анализа было установлено, что при мейозе гомологичные хромосомы обвиваются друг вокруг друга, поэтому Морган предположил, что они могут обмениваться между собой частями, давая тем самым новые комбинации сцепленных аллелей. Этот процесс получил название кроссинговера или рекомбинации. Совершенно не зная химической природы этого явления, генетики использовали феномен рекомбинации в качестве основного инструмента генетических исследований. Определение частот рекомбинации между сцепленными парами аллелей у D. melanogaster позволило сделать три важных заключения: гены расположены в линейном порядке, и члены аллельных пар обычно занимают одинаковое относительное положение на гомологичных хромосомах; рекомбинация происходит только внутри одной группы сцепления; частота, с которой два разных сцепленных аллеля перекрещиваются, зависит от расстояния между ними на хромосоме. Относительное положение различных генов на хромосоме D. melanogaster, а в дальнейшем и других организмов было установлено именно исходя из этих принципов. К 1922 г. Морган и его коллеги смогли картировать несколько сотен генов на четырех хромосомах D. melanogaster.
Связь между генами и белками
Одно из первых предположений о том, как информация, заключенная в генах, проявляется в специфических свойствах клетки и целого организма, было высказано еще до того, как изобрели слово «ген». В первом десятилетии XX в. английский врач Арчибальд Гаррод заметил, что наследование некоторых метаболических идиосинкразий и других расстройств у людей происходит в соответствии с правилами Менделя. Он предположил, что причиной подобных наследственных расстройств служит недостаток или отсутствие особых ферментов, необходимых для нормального метаболизма.
В начале 20 века произошла значительная революция в изучении наследственности, благодаря работе группы ученых Гугенхайма, Моргана, Стюарта и Маллекса. Было открыто, что ген – это сущность, наследуемая по законам, подобным законам Менделя. В 1930-х годах Бейсом и Якобсеном были определены некоторые параметры, регулирующие процессы, приводящие к изменению появления клеток и тканей наследуемых признаков. В 1934 году Гаррод предположил, что детерминанты наследственности контролируют образование ферментов. Предположение было очень заманчивым даже без экспериментальных доказательств, поскольку оно связывало генетические данные, полученные для различных организмов, с биологией человека.
В конце 1930-х годов были разработаны новые экспериментальные подходы, благодаря использованию микроорганизмов в качестве экспериментальных объектов. Ведущими организмами стали низшие грибы Aspergillus и Neurospora, которые хорошо росли в определенных условиях культивирования и быстро размножались. В середине 1940-х годов было собрано достаточно генетических и биохимических данных, чтобы прийти к выводу, что наличие или отсутствие ферментов в этих организмах является наследственным и зависит от экспрессии одного гена.
Джордж Бидл и Эдвард Татум обобщили связь между ферментом и геном в виде постулата «один фермент — один ген». Постулат, который в дальнейшем стал формулироваться как «один полипептид — один ген», был продвинут на основе исследования белков гистонов, не связанных с известными ферментами. Некоторые гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а другие гены контролируют образование молекул РНК, необходимых для синтеза белков.
Для обоих компонентов этой информационной цепочки часто используются термины «генотип» и «фенотип». Термин «генотип» иногда трактуется как вся генетическая информация отдельной клетки или организма. Термин «фенотип» более широко применяется для описания видимых свойств клетки или организма, будь то особые белки или функции либо морфологические и даже поведенческие признаки. Фенотип, как правило, является результатом взаимодействия между генетической информацией и условиями окружающей среды, в которой она реализуется.
Таким образом, исследования генетики микроорганизмов показали, что гены управляют образованием ферментов, особых белков и РНК, необходимых для синтеза белков. Принцип «один полипептид — один ген» стал первым шагом к пониманию единой информационной цепочки, руководящей всеми физиологическими процессами поли- и моноцитовых организмов.
Исследование связей между генами и функциями клеток через эксперименты на E. coli и бактериофагах
В 1950 году была обнаружена экспериментальная система для исследования связей между генами и функциями клетки — кишечная бактерия Escherichiacoli. У нее было обнаружено множество легко выявляемых генетически контролируемых признаков, что открыло путь для формального генетического анализа и создания генетической карты единственной хромосомы E. coli.
E. coli также является хозяином для нескольких вирусов, называемых фагами, которые оказались еще более удобной системой для генетических исследований. Фаги могут обмениваться фрагментами своих геномов, порождая фаговое потомство с новыми генетическими свойствами, а также могут обратимо интегрироваться с бактериальной хромосомой, включая часть бактериального генома в свой геном и становясь носителем бактериальных генов.
Анализ подобного обмена генетическим материалом показал, что даже у таких примитивных организмов, как E. coli и фаги, существует упорядоченный геном, и индивидуальные гены могут составить генетическую карту.
Современная биохимическая генетика начала свое развитие с открытия ДНК в 1869 году Фридрихом Мишером. Он обнаружил, что вещество, извлекаемое из гнойной массы и клеточных ядер, отличается от белков как по содержанию органического фосфора, так и по устойчивости к расщеплению протеолитическими ферментами. В последующие 85 лет были разработаны различные методы извлечения ДНК для изучения ее химического состава и связей между ними.
Кульминацией этих исследований стало установление основной структурной единицы ДНК: фосфорилированный сахар, дезоксирибозофосфат, связанный с азотистым основанием — либо пуриновым, либо пиримидиновым. Также с помощью биофизических методов было установлено, что молекула ДНК является очень длинной цепью, состоящей из дезоксирибозофосфатных единиц, связанных фосфодиэфирными мостиками. Каждой дезоксирибозной единице цепи присоединено либо пуриновое, либо пиримидиновое основание.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик объединили накопленные данные о составе и структуре ДНК, разработав классическую теорию двойной спирали ДНК. Это открытие было вдохновлено работой Освальда Эвери, Альфреда Херши и Маргарет Чейз, которые показали, что только ДНК является носителем генетической информации. Таким образом, центральная роль в наследственности, ранее приписываемая хромосомам, была отдана ДНК, которую они содержат.
ДНК — не единственная нуклеиновая кислота, обнаруживаемая в клетке. Рибонуклеиновые кислоты, близкородственные молекулы ДНК, отличаются от нее в основном тем, что содержат рибозу вместо дезоксирибозы и чаще имеют одноцепочечную структуру.
Расшифровка структуры ДНК и установление ее центральной роли в наследственности увенчали накопленные наукой данные и позволили генетике из статистической и феноменологической науки превратиться в науку с преобладанием химических и молекулярных направлений развития.
Незамедлительная бурная реакция ученых на открытие двойной спирали свидетельствовала об ее адекватности. Модель структуры ДНК не только соответствовала химическим и физическим данным, но и полностью отвечала функциям, присущим генетическому материалу. В линейной последовательности четырех пуринов и пиримидинов могло быть закодировано огромное количество информации, и в принципе эта структура могла обеспечить свою собственную репликацию. Расшифровка структуры ДНК проливала свет на самые разные аспекты биологии и создавала основу для объяснения многих разноречивых данных, полученных ранее. Она обеспечила фундаментальную целостность при интерпретации огромного многообразия жизненных форм. Раз и навсегда наследственность связывалась с определенной молекулярной структурой.
Проблемы механизмов переноса, перераспределения и экспрессии генетических признаков, долгое время не находившие решения, с начала 50-х годов перешли на молекулярный и химический уровни. Как реплицируются и рекомбинируют молекулы ДНК? Каким образом они сохраняются в последующих поколениях? Каким способом информация, закодированная в ДНК, обеспечивает образование фенотипических продуктов — белков? Как регулируется считывание информации, закодированной в ДНК, в процессе роста клеток или развития организма и при других физиологических состояниях? Как нарушаются эти процессы при заболеваниях? Эти и еще многие другие вопросы стояли в центре молекулярно-генетических исследований в течение последних 35 лет.
Бурный прогресс в первые 20 из них был достигнут благодаря использованию систем прокариот и связан с идентификацией молекулярных структур, участвующих в процессах хранения, поддержания, передачи и использования генетической информации.
Перенос генетической информации в клетке
Информационные взаимоотношения между ДНК, РНК и белками теперь точно установлены. Репликация, с помощью которой создаются идентичные копии родительской молекулы ДНК, обеспечивает генетическую непрерывность в ряду поколений. Транскрипция ДНК с образованием РНК опосредует трансляцию этой информации на уровень белков. Итак, ДНК выполняет две основополагающие функции. Первая-это осуществление своей собственной репликации. Вторая — это формирование фенотипа через образование молекул РНК, участвующих в трансляции информации, содержащейся в ДНК, на язык белков. И, насколько это известно, только у эукариот информация может передаваться в обратном направлении, от РНК к ДНК, посредством процесса, именуемого обратной транскрипцией.
В основе переноса информации от ДНК к РНК или от РНК к ДНК лежит универсальная способность нуклеиновых кислот служить матрицей. Нуклеиновые кислоты направляют сборку идентичных или родственных молекул и непосредственно участвуют в процессе синтеза белка. Насколько известно, информация не передается от белков к нуклеиновым кислотам. Однако белки помимо самосборки осуществляют важнейшую функцию катализа и информационного переноса между нуклеиновыми кислотами.
Далее мы рассмотрим вкратце ключевые характеристики генетического аппарата и его функционирования: структурные особенности важнейших компонентов молекул — ДНК, РНК и белков — и то, как они работают, обеспечивая сохранение целостности генома и трансляцию генотипа организма в его фенотип. Эти вопросы детально рассматриваются в гл.1, 2 и 3, составляющих первую часть книги.
Структура и сохранение геномной ДНК
Все клеточные ДНК состоят из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Наружную поверхность спирали составляет остов каждой цепи, состоящий из повторяющихся остатков дезоксирибозы. Цепи удерживаются вместе благодаря водородным связям между пуриновыми основаниями одной цепи и пиримидиновыми — другой: аденин всегда спарен с тимином, а гуанин — с цитозином. В результате образования таких практически инвариантных пар последовательность оснований одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой — иными словами, цепи двойной спирали ДНК комплиментарны.
Расплетение цепей и репликация ДНК
Молекулы ДНК выполняют две разные функции. Первая — последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований каждой цепи служит матрицей, с которой копируется новая цепь. Вторая — гены, составляющие ДНК, детерминируют синтез ферментов и других белков, необходимых для синтеза новых молекул ДНК.
При репликации в особом участке двойной спирали ДНК происходит расплетание цепей. В результате каждая цепь начинает функционировать как матрица, на которой синтезируется новая, комплиментарная цепь. Таким образом, каждая из обеих образовавшихся дочерних спиралей получает одну цепь от родительской спирали, а другую — образованную в результате синтеза denovo.
Несмотря на кажущуюся логическую простоту, процесс репликации в действительности очень сложен и для его осуществления необходимо множество белков. Важнейшими из них являются ферменты, называемые ДНК-полимеразами. Их роль в репликации состоит в сборке полинуклеотидных цепей из отдельных мононуклеотидов. Все ДНК-полимеразы удлиняют полинуклеотидную цепь последовательным добавлением отдельных дезоксинуклеотидов.
Выбор нуклеотида, который должен быть присоединен к цепи, определяется способностью входящего в его состав основания образовывать комплиментарную пару со следующим свободным основанием цепи-матрицы. Высокая надежность процесса репликации гарантирует практически безошибочную передачу генетической информации в ряду поколений.
Одно из открытий, сделанных при изучении простейших геномов, состояло в том, что они кодируют аппарат для собственного увековечения и сохранения. Более того, генетическая программа допускает возможность перестроек ДНК, и хотя при этом часто образуются невыгодные, неблагоприятные перестройки, создаваемые новые комбинации генов являются материалом для эволюционного экспериментирования. Все геномы содержат информацию, необходимую для синтеза РНК, ферментов и различных белков, участвующих в этих процессах. Один из таких процессов — генетическая рекомбинация, в результате которой происходит обмен между сегментами гомологичных хромосом.
Ранее мы отмечали, что генетические обмены связаны, по-видимому, со спариванием хромосом в мейозе; более того, процесс кроссинговера можно визуализировать. Если рассматривать эти события на молекулярном уровне, то рекомбинация происходит в местах перекреста и состоит в разрыве и воссоединении цепей в пределах соответствующих областей ДНК рекомбинирующих хромосом. Рекомбинация, также генетически детерминированная, может происходить и между определенными участками ДНК негомологичных хромосом; в результате создаются новые связи между генетическими структурами. Для осуществления различных процессов рекомбинации, обнаруженных у прокариот, требуется целая армия ферментов, обеспечивающих спаривание гомологов или особых последовательностей и катализирующих разрывы и воссоединение цепей.
Существуют также и специальные механизмы репарации повреждений ДНК. Облучение клеток ультрафиолетовым светом или рентгеновскими лучами либо обработка различными химическими агентами приводят к повреждениям, затрагивающим основания или остов молекулы ДНК. В ДНК закодирована информация о синтезе репарирующих ферментов и белков, поддерживающих целостность генома любого организма.
Экспрессия и регуляция генов
Белки — основные детерминанты фенотипа организма. Из них построены и ферментативный аппарат, обеспечивающий метаболическую, энергетическую и биосинтетическую активность всех клеток, и регуляторные элементы, координирующие эти виды активности в ответ на эндогенные и экзогенные сигналы. Белки являются также основными компонентами многих структурных элементов, характеризующих морфологию клетки и опосредующих ее движение. Говоря в двух словах, организмы — это в конечном счете те белки, которые они сами и производят.
Раскрытие молекулярных основ генетического кода
Постулат «один ген — один полипептид» создал концептуальную базу для анализа связи генотипа организма с его фенотипом. Однако, до начала 50-х годов, эта теория не имела молекулярной основы, так как проблема структурной организации белков и ДНК оставалась нерешенной.
С разработкой новых методов анализа белковой структуры было установлено, что каждый белок обладает уникальной линейной аминокислотной последовательностью, которая определяет его первичную структуру. Эта последовательность кодируется генами и определяет характер укладки полипептидной цепи в трехмерную форму. Мутации в гене приводят к изменению аминокислотной последовательности соответствующего белка, а последовательности мутантных сайтов в генах и измененных аминокислот в белках коллинеарны, что свидетельствует о взаимосвязи между линейным расположением нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках.
Идея генетического кода подразумевает существование механизма перевода нуклеотидной последовательности ДНК в аминокислотную последовательность белков. С середины 50-х до начала 60-х годов были установлены молекулярные основы генетического кода и механизм его расшифровки при сборке полипептидной цепи.
Раскрытие этой тайны стало одним из монументальных достижений молекулярной генетики. Оказалось, что генетический код является простым и абсолютно одинаковым для всех жизненных форм. Более того, были выяснены универсальные и общие правила трансляции генетически закодированных посланий.
Генетический словарь состоит из 64 кодонов, каждый из которых представлен тремя последовательно расположенными нуклеотидами в цепи ДНК.61 из 64 триплетов кодируют аминокислоты, причем каждый триплет — только одну аминокислоту. Один из этих триплетов имеет двойную функцию: кодирует аминокислоту метионин и обозначает начало фрагмента ДНК, кодирующего белок. Каждый из трех остальных триплетов может служить сигналом окончания последовательности, кодирующей белок. Генетический код вырожден, поскольку одной и той же аминокислоте может соответствовать более чем один кодон; но, с другой стороны, код не двусмысленный, потому что любой кодон обозначает только одну аминокислоту. Если известен словарь кодонов, то перевести генную последовательность в соответствующий белковый продукт не составляет труда.
Для экспрессии гена в виде белкового продукта сначала должна произойти транскрипция ДНК с образованием РНК. Этот процесс осуществляется с помощью РНК-полимераз — ферментов, катализирующих синтез цепи РНК путем копирования нуклеотидной последовательности одной цепи ДНК с помощью комплиментарного спаривания оснований. Гены, кодирующие белки, детерминируют синтез молекулы «мессенджер», или матричной РНК, называемой так потому, что она несет генетическую информацию, закодированную в соответствующем сегменте ДНК, и непосредственно участвует в сборке белков. Некоторые гены не кодируют никаких белков. При их транскрипции образуются не мРНК, а молекулы РНК, необходимые для образования зрелых РНК разного типа и для трансляции мРНК в белки.
Исследование взаимодействия РНК-полимераз и других вспомогательных белков транскрипции с ДНК расширило наши знания о специфичности и прочности межмолекулярных взаимодействий. Так, было показано, что осуществляются очень точные молекулярные контакты между белками и специфичными группами нуклеотидов в ДНК, а это в свою очередь открыло новые перспективы в исследовании проблем экспрессии и регуляции генов. Мы вкратце прокомментируем, как такие взаимодействия опосредуют регуляцию работы генов.
В рамках вводной главы невозможно описать такой совершенный процесс, как трансляция последовательности нуклеотидов матричной РНК в белковую цепь. Он действительно очень сложен и состоит из множества повторяющихся этапов. Трансляцию молекул мРНК в белки катализируют рибонуклеопротеиновые частицы, содержащие более 50 различных белков и три вида молекул РНК. Синтез белковой цепи начинается с присоединения рибосом к матричной РНК. Белковая цепь удлиняется на одну аминокислоту, когда рибосома продвигается вдоль молекулы мРНК на один кодон. Ключевой момент трансляции — перевод генетической информации, закодированной в триплетных кодонах матричной РНК, в специфические аминокислоты — зависит от комплиментарного спаривания оснований. Каждая аминокислота присоединяется к особой, родственной ей транспортной РНК, содержащей триплет, комплиментарный кодоновому триплету в матричной РНК. Благодаря спариванию оснований между кодоном мРНК и антикодоном тРНК нужная аминокислота занимает свое место в растущей полипептидной цепи. За один цикл перемещения рибосомы по всей длине молекулы мРНК, кодирующей данный белок, образуется одна молекула этого белка.
Изучение экспрессии генов — только один из аспектов исследования механизма их действия. Другой связан с регуляторными процессами, контролирующими время и степень экспрессии при разных условиях. Неудивительно, что прогресс в понимании механизма транскрипции и трансляции позволил прояснить и проблему регуляции. Так, было показано, что у бактерий регуляция экспрессии генов происходит дифференцированно. Действительно, при некоторых условиях многие гены не экспрессируются вовсе, а степень экспрессии других различается на порядки. Однако изменение условий может приводить к активации молчавших ранее генов и, напротив, к репрессии активных. Это предоставляет клеткам широкие возможности для изменчивости, обеспечивающей приспособленность их фенотипов к условиям среды.
репрессорными
