Молекулярная генетика

Целью молекулярной генетики является
познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования протекающих на молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа её хранения.

Молекулярная генетика выделилась в самостоятельное направление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических методов, что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компонентов клетки и всю клетку как единую систему.
За свою недолгую историю молекулярная генетика достигла значительных успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся направление генетики.
Достижения М. несомненно будут широко использованы в практике сельского хозяйства и медицины (замены вредных генов полезными, в том числе искусственно синтезированными; управление мутационным процессом; борьба с вирусными болезнями и злокачественными опухолями и т. д.).

Несмотря на то, что молекулярная генетика выделилась в самостоятельное направление в 40-х гг. 20 в. история изучения нуклеиновых кислот началась намного раньше

История изучения нуклеиновых кислот
Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера.
После окончания медицинского факультета Мишер был послан в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Для получения материала пришлось связаться с хирургическим отделением местной больницы, где собирались бинты, снятые с больных при перевязках. Мишер вымачивал бинты в разбавленных солевых растворах, и гнойные клетки (лейкоциты) осаждались на дно сосуда.
Из ядер лейкоцитов Мишер выделил новое вещество, которое содержало большое количество фосфора.
Ввиду ядерного происхождения Мишер предложил для выделенного им вещества название «нуклеин» (лат. «нуклеус» – ядро).

Фридрих Мишер

Сейчас в замке расположен музей Тюбингского университета, а недавно была открыта для посетителей и бывшая лаборатория, в которой работал ученый
Среди экспонатов здесь можно увидеть, например, пробирку, подписанную собственноручно ученым, в которую он в 1871 году всыпал препарат ДНК. Надпись на пробирке с розоватым порошком гласит: "Нуклеин"

Осенью 1869 г. Мишер вернулся в Базель. Он решил выделить нуклеин из ядер других клеток..
Мишер изолировал из молок рейнского лосося высокоочи­щенный нуклеин, который ему удалось разделить на составные части: белковоподобный компонент, обладающий щелочными свойствами, и остаток, не содержащий белка.
Этот остаток содержал высокий процент фосфора и обладал кислотными свойствами.
Белковоподобный компонент нуклеина исследователь назвал протамином.
Свободный от белка остаток нуклеина был назван в 1889 г. нуклеиновой кислотой. Это название оказалось удачным и сохранилось до настоящего времени.

Так как хромосомы находятся в ядре, было высказано пред­положение, что они содержат нуклеин. Далее можно было пред­полагать, что нуклеин является веществом, ответственным за передачу наследственных признаков от клетки к клетке.
Ботаник Захариас в 1881 г. экспериментально показал, что нуклеин дейст­вительно содержится в хромосомах.

Исследованием химического состава нуклеина, полученного Мишером, занялся Альбрехт Коссель.

Коссель выделил из продуктов гидролиза нуклеиновых кислот ранее не­известные химикам вещества — азотистые основания аденин и гуанин.
Затем Косселем и его учениками были выделены азотистые основания тимин и цитозин, относящие­ся к пиримидинам.
Коссель был первым ученым, получившим за работы в области нуклеиновых кислот Нобелевскую премию.
Важная заслуга Косселя состоит в открытии белка со щелочными свойствами в ядрах клеток разных тканей. Белки, выделенные Косселем из ядер многих тканей, играли, по-видимому, ту же роль, что и протамин.
Ученый предложил для обнаруженного им белка название «гистон» (от «histos» — ткань, греч.).

В лаборатории Косселя нуклеиновые кислоты научились выделять из многих источников. Их легко получали из зобной железы (тимуса) теленка и из дрожжей.
Нуклеиновая кислота зобной железы теленка – тимонуклеиновая кислота – содержала тимин, а дрожжевая нуклеиновая кислота – урацил вместо тимина.
Поскольку тимонуклеиновая кислота была выделена из животных клеток, распространилось убеждение, что она характерна для объектов животного происхождения, в то время как дрож­жевая нуклеиновая кислота — для объектов растительного про­исхождения.
Таким образом, возникло представление о хими­ческом различии в составе ядерного материала растительной и животной клеток. Эта точка зрения впоследствии оказалась неверной.

Дальнейшее исследование состава и структуры нуклеиновых кислот проводилось в лаборатории уроженца России Петра Левена в США и в ряде других лабораторий.
Первые работы Левена и сотрудников были посвящены изучению состава и строения углеводного компонента нуклеиновой кислоты.
Сначала был выделен в кристаллическом виде углеводный компонент дрожжевой нуклеиновой кислоты. Он оказался пентозой, которую назвали D-рибозой. Этот сахар был неизвестен к тому времени химикам, он встречался только в нуклеиновой кислоте.
Затем выделили углеводный компонент тимонуклеиновой кислоты - дезоксирибозу.
После идентификации рибозы и дезоксирибозы нуклеиновые кислоты получили новые названия. Те, которые содержали рибозу, стали называть рибонуклеиновыми кислотами или, сокра­щенно, РНК, а те, которые содержали дезоксирибозу, стали на­зывать дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или ДНК.

В 1936 г. молодой советский ученый, ставший впоследствии академиком, А. Н. Белозерский впервые препаративно выделил ДНК в чистом виде из растительного материала – из ростков конского каштана.
Работами Браше, Дэвидсона и других исследователей в то же время было показано, что РНК всегда встречается в животных клетках. Таким образом, оба вида нуклеиновых кислот оказались присущими как животным, так и растительным организмам.

Явление трансформации было открыто в 1928 году микробиологом Гриффитсом (Англия). Гриффитс работал с пневмококками и пытался понять природу их вирулентности. Гриффитс обнаружил, что один штамм пневмококка утратил способность к синтезу своего полисахарида и был авирулентным (R-форма), а другой, имеющих капсулы, (S-форма) был вирулентным.
Открытие Гриффитса состояло в том, что прибавление к бескапсульным формам бактерий экстракта из капсульных форм вызывало трансформацию (превращение): R-формы пневмо­кокков превращались в S-формы.
Он вводил мышам небольшое количество живых R-форм и большие дозы S-форм, убитых нагреванием.
В результате мыши погибали, причем из погибших животных удалось выделить жизнеспо­собные S-формы пневмококков.
Таким образом, стало ясно, что от одного штамма бактерий к другому возможна передача наследственного начала, однако химическая природа его не была обнаружена.

Ф.Гриффитс

Сотрудники поставили перед собой задачу выяснить химическую природу трансформирующего агента.
Они разру­шали суспензию пневмококков дезоксихолатом и удаляли из экстракта белки, капсульный полисахарид и РНК, однако трансформирующая активность экстракта сохранялась.
Трансформирующая активность препарата не терялась при его обработке кристаллическим трипсином или химотрипсином, панкреатической рибонуклеазой. Было ясно, что препарат не являлся ни белком, ни РНК.
Однако трансформирующая активность препарата полностью утрачивалась при обработке его панкреатической дезоксирибонуклеазой, причем ничтожные количества фермента вызывали полную инактивацию препарата.
Таким образом, было установлен но, что трансформирующий фактор у бактерий является чис­той ДНК.
Эксперимент Эвери, Маклеода и Маккарти

Опыты А.Херши и М.Чейз
Новым доказательством прямой генетической роли ДНК явились опыты вирусологов Херши и Чейз.
Им удалось вклю­чить в состав ДНК и белка бактериофага Т2, который зара­жает бактерию Escherichia coli (кишечную палочку), радио­активные изотопы фосфора и серы. При этом ДНК фага мети­лась Р, а белок фага – S.
Используя такой фаг с двойной меткой, они показали, что при фаговом заражении клеток Е. coli внутрь бактериальной клетки проникает в основном толь­ко фаговая ДНК и лишь ничтожное количество белка фага. Основная масса вирусного белка остается снаружи бактериаль­ной клетки.
Эта ДНК фага Т2 затем обеспечивает синтез себя самой, а также синтез белков фага Т2 в больших количествах внутри клетки-хозяина. Из полученных ДНК и белков вновь собираются характерные фаговые частицы.

Альфред Херши и Марта Чейз

Доказательство генетической роли РНК Х.Л.Френкель-Конратом, Г. Шраммом, 1956 г. Объект – вирус табачной мозаики (ВТМ)
В 1956 году X. Френкель-Конрат (США) и Г. Шрамм (ФРГ) установили, что РНК вируса табачной мозаики обладает инфекционностью.
Разрушив белковый компонент вирусных частиц фенолом, они выделили РНК и очистили ее.
Полученная РНК не содержала даже следов белка. Тем не менее введение ее в листья здоровых растений вызвало развитие типичной мозаичной болезни.

Правила Чаргаффа
Первое правило Чаргаффа: А/Т = Г/Ц = 1.
Второе правило Чаргаффа: А+Г=Ц+Т, т. е. количество пуринов в ДНК равно коли­честву пиримидинов.
Третье правило Чаргаффа: A+Ц=Г+T, т. е. количество оснований с аминогруппами в положении 6 равно количеству оснований с 6-кетогруппами.

Модель двойной спирали ДНК построили Д. Уотсон и Ф. Крик

1961 г. Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Франсуа Жакоб, Жак Моно

1962 г. Расшифровка генетического кода.

1967 г. Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг открыл ДНК-полимеразу I
Нобелевская премия по физиологии или медицине 1959 года (1/2 премии, совместно с Северо Очоа). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот

С развитием технологий молекулярных исследований, начавшихся в начале 70-х годов прошлого века:
введения быстрых методов секвенирования ДНК;
генно-инженерных приемов клонирования фрагментов ДНК;
разработкой методов гибридизации нуклеиновых кислот;
полимеразной цепной реакции (ПЦР) и др.
темпы развития генетики приняли стремительный характер. Началась структурно-функциональная расшифровка генов и геномов не только прокариотических, но и огромного числа эукариотических организмов, включая геномы людей.

Достижения молекулярной генетики легли в основу новых современных научных направлений:
Геномики
Генной инженерии
Эпигенетики
Генной терапии
5. Биоинформатики
6. Молекулярной генетики человека и его заболеваний
Молекулярной и практической генетики растений и животных
Спортивной генетики
Фармакогенетики и нутригенетики и др.
Синтетической биологии