История генетики: её прошлое и перспективы (стр. 2 из 4)
Другой советский учёный-биолог Н.К. Кольцов предположил гипотезу о матричной репродукции (удвоение) хромосом в 1928. Репродукция – то же, что репликация. Сам термин «репликация» заимствован из вычислительных технологий.
Американские генетики Э. Тэйтем и Д.У. Бидл в 1944 открыли механизмы регуляции генами всех процессов жизнедеятельности организма на примере плодовой мушки Drosophila. Дрозофила представляет собой универсальный предмет изучения генетики, модель, так как имеет всего 8 хромосом, быстро размножается (за небольшой промежуток времени можно наблюдать несколько поколений), довольно хорошо проявляются мутации.
Английский врач Ф. Гриффит известен своим экспериментом с бактериями Diplococcus pneumoniae и мышами, у которых эти бактерии вызывали летальную пневмонию (то есть со смертельным исходом). Он вводил мышам смесь живых клеток бактерий (штамм IIIR, не приносивших им вреда) и мёртвых (штамм IIIS, возбуждавших болезнь), вследствие чего зверьки погибали. Штамм – культура микроорганизмов. Ф. Гриффит предположил нахождение трансформатора материала в бактериальных клетках. Эксперимент был проведён в 1928 году. Таким образом, он обнаружил, что вещество умерших клеток может переносить свою наследственную информацию живым клеткам.
Американский биолог Освальд Т. Эйвери и его коллеги в 1944 году доказали, что фактором трансформации служит ДНК. Они разрушали белки и другие всевозможные вещества клетки, но при этом трансформация продолжалась. Когда они разрушили ДНК, изменения в клетках прекратились.
Большой вклад в науку принесли итальянский микробиолог Сальвадор Лурия, американский А.Д. Херши и немецкий Макс Дельбрюк. Они способствовали открытиям структуры и принципов функционирования генов, изучав размножения бактериофагов (вирусов- «пожирателей» бактерий) в начале 1940-ых годов.
Классическим доказательством того, что генетическая информация находится в молекулах ДНК, является эксперимент Альфреда Херши, проведённый в 1952 совместно с Мартой Чейз. Они, зная, что бактерии состоят наполовину из ДНК (содержит фосфор P, но нет серы S), а наполовину из белков (есть сера S, но нет P), поместили одну часть фагов в среду с питательной смесью с радиоактивной серой 35S, а другую вырастили на питательной среде с радиоактивным фосфором 32P. В итоге, оказалось, что клетки бактерий, заражённые фагом 35S, были менее радиоактивны, чем клетки с фагом 32P. Исследователи показали, что потомство фагов содержит большую часть радиоактивной ДНК и практически не имеет в составе радиоактивного белка. А так как развитие потомства зависит от внедряемого материала, из этого был сделан правильный вывод: функция (одна из) ДНК – перенос информации о постройке белков.
В тоже время Э. Чарграфф установил, что нуклеотиды в НК (аденин А, гуанин G, цитозин C, тимин T, в РНК тимин заменяется урацилом U – азотистые основания, составляющие нуклеотидов) содержатся не в равных пропорциях, а наблюдается следующее соотношение:
1) количество А равно Т, а количество G = С
2) общее количество пуринов (А+G) соответствует общему количеству пиримидов (С+Т)
Пиримидовые основания – азотистые основания НК – С, Т (U), образующие собой кольцо из 6 атомов. Пуриновые основания – азотистые основания НК – А и G, образующие кольцо из 5 атомов. Связываясь, кольца строят молекулы ДНК. Сами основания соединяются по принципу комплиментарности, то есть соответствия друг другу (рис. 1)
Рисунок 1 «Азотистые основания»
В 1953 году Д.Уотсоном и Ф. Криком была окончательно установлена структура ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи позволяют определить структуру молекул, отклоняясь на своём пути от атомов. Таким образом, английские биофизики М. Уилкинс и Р. Франклин получили рентгенограммы, указывающие на спиралевидную форму ДНК. Уотсон и Крик построили её модель, объединив данные Уилкинса, Франклин и Чаргаффа. Но так как решающую роль в структуре ДНК играют азотистые основания (составляющие нуклеотидов) и нужно ещё учитывать правило Чаргаффа (А=Т, G=C), учёные предположили, что молекула образуется из двух закрученных по спирали цепей за счёт принципа комплиментарности (соответствия оснований друг другу).
В 1954 году М. Меселсон и Ф. Сталь занимались исследованиями репликации ДНК. Они выращивали бактерий в среде с содержанием разных изотопов азота (тяжёлого 15N и легкого 14N). Включая тяжёлый азот в свои клетки, бактерии становились красными; после перенесения их в среду с обычным азотом, они вновь зеленели. После центрифугирования через различные промежутки времени проводился анализ. Сначала все ДНК были плотными; после первого деления они стали плотными наполовину, после второго – одна половина ДНК была плотной, другая – лёгкой. Так они показали, как должна была себя вести ДНК по модели Уотсона-Крика, то есть по приведённой ниже схеме, где сплошными линиями обозначены изначальные молекулы, а новые – прерывистыми (см. рис.2):
Рис.2 «Репликация ДНК».
В 1960-ых годах С. Бензер исследовал тонкие структуры генов с помощью фагов Т4 (вирусы, поражающие бактерию E. Coli, или кишечную палочку), ему удалось выделить редкие внутригенные рекомбинанты (продукты рекомбинаций). Рекомбинация – процесс перераспределения генетической информации обменом участков хромосом, источник изменчивости, обмен участками хромосом, позволяет приспосабливаться к окружающей среде и эволюционировать.
В 1962 году Ф. Крик и его коллеги установили, что генетический код состоит из триплетов (или кодонов – определённой последовательности азотистых оснований). После разработок методов искусственного синтеза белка М. Ниренбергом и Ф. Ледером в 1961 во многих лабораториях стали проводиться опыты, в которых учёные пытались подобрать код к каждой аминокислоте. В конце концов, в 1965 был расшифрован генетический код всех аминокислот при помощи М. Ниренберга, С. Очоа и Г. Кораны и составлена таблица соответствия кодов с иРНК (см. рис.3):
Рис.3 «Генетический код»
Генетический код – последовательность азотистых оснований на ДНК, которая соответствует последовательности аминокислоте в белке, обладает следующими свойствами:
1) Триплетность. Триплет, или кодон, шифрует одну аминокислоту;
2) Избыточность – одна аминокислота может кодироваться несколькими кодонами;
3) Неперекрываемость, то есть часть одного триплета не может входить в состав другого (см. рис.4);
4) Специфичность, то есть типичность, у каждого вида организма свой генетический код.
Рис.4 «Неперекрываемость кодонов».
Генетический код нужен для получения информации о построении белков.
В 1961 Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему синтеза белков на уровне транскрипции (транскрипция – считывание информации с ДНК и синтез иРНК). В ходе исследований были открыты РНК. РНК делят на несколько типов:
1) иРНК (информационная РНК) передают информацию о строении белка с ДНК на рибосомы;
2) тРНК (транспортная РНК) приносят нужные аминокислоты рибосоме;
3) рРНК (рибосомальная РНК) считывают информация с иРНК.
Генетика изучает деление клеток, потому что при этом происходит репликация хромосом перед делением, а также конъюгация (максимальное сближение хромосом) и кроссинговер (обмен участками гомологичных хромосом) в мейозе. Процессы деления наблюдались ещё в 1924 французскими учёными Ж. Л. Прево и Ж. Б. Дюма, в 1926 итальянский эмбриолог М. Рускони подробно описал, что происходит при делении. Однако только в 1978 году благодаря Ф. Флемингу появился термин митоз (от древнегреч. «митос» - нить).
Общее строение хромосом описал В. Гофмейстер в 80-ые, хотя сам термин хромосома (от древнегреч. «хрома» — цвет, краска; «сома» — тело) ввёл немецкий гистолог В. Вальдейер в 1888.
После этих основных достижений в генетике, учёные продолжали ставить эксперименты, используя полученные знания. Например, в 1972 году несколько учёных, Анни Чанг, Поль Берг и Сеймур Коэн, установили, что при помощи рестриказ (ферментов, разрушающих ДНК) можно «порезать» две любые молекулы ДНК и соединить из них одну рекомбинантную.
В нашей обычной жизни пытаются найти место такие современные генетические исследования как клонирование, трансгенез (продуктом которого являются ГМО – генетически-модифицированные организмы, выводятся трансгенные растения и животные, обладающих признаками разных видов), развиваются многие другие ответвления генетики. Возможности современной генетики очень широки. Учёные могут создавать новые виды организмов путём скрещиваний (генная инженерия), улучшать качество продуктов, создавать новые сорта растений, пород животных (селекция), жизни человечества (геномика).
В перспективах генетики лежит изучение генома человека, изменчивости его организма для усовершенствования следующих поколений, улучшения качества жизни. В медицине появились новые методы лечения некоторых наследственных заболеваний (такие как бронхиальная астма, сахарный диабет): генодиагностика, генотерапия, без которых уже не обойтись, если нужно выявить какое-нибудь генетическое заболевание или, при его устранении, осуществить трансплантацию клеток реципиенту. Генетические исследования стали неотъемлемой частью нашей жизни.