Доказательства генетической роли днк кратко

Обновлено: 30.06.2024

В основе открытий Г. Менделя о закономерностях наследования признаков (1865) лежит представление о дискретности – генетический материал состоит из дискретных единиц наследственности – генов. Вторичное открытие законов Менделя (1900) привело к бурному развитию менделевской генетики.

В начале XX в. Т. Морганом и его сотрудниками была доказана физическая связь между геном и хромосомой.

К началу 40-ых годов в результате принципиально новых подходов (физических и химических методов) создались реальные условия для раскрытия материальной основы гена, ранее абстрактного и неделимого. Многие физики обратились к решению биологических проблем, среди которых – какая физическая основа генетической информации.

Нуклеиновые кислоты – носители наследственной информации

Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). С помощью химического анализа и гистохимических методов окрашивания было установлено, что ДНК содержится в ядре клетки и, по-видимому, локализуется в хромосомах, тогда как РНК обнаруживается повсеместно – и в ядре, и в цитоплазме.

В клеточном ядре ДНК обнаруживается в виде нуклеопротеида. До 1944 г. о химическом составе и структуре хромосом и генов было известно крайне мало. Предполагалось, что генетическим материалом могут служить как нуклеиновые кислоты, так и хромосомные белки.

Генетические функции хромосом, такие как способность определять развитие признаков, способность к самоудвоению до начала 40-ых годов XX в. большинство ученых связывали с белками, так как белок может принимать множество уникальных конфигураций.

Косвенные доказательства генетической роли ДНК

1. ДНК присутствует во всех клетках – растительных, животных и бактериальных и содержится фактически только в ядрах этих клеток.

2. Все соматические клетки одного вида содержат строго постоянное количество ДНК независимо от их функциональной дифференцировки и метаболического состояния в противоположность РНК.

3. В гаплоидных зародышевых клетках количество ДНК составляет половину количества ДНК в диплоидных соматических клетках, то есть количество ДНК изменяется прямопропорционально плоидности соматических клеток.

4. Обнаружена прямая зависимость между поглощением УФ лучей определенной волны и количеством наследственных изменений у микроорганизмов. Максимальным мутагенным действием обладают УФ лучи той части спектра, (2537 А), в которой специфически поглощают нуклеиновые кислоты.

Прямые доказательства генетической роли ДНК

Исследования, поведенные период с 1944 по1953 гг., доказали, что генетическую основу жизненных процессов составляет молекула ДНК.

Ранние генетические исследования были сконцентрированы на высших организмах, но первые сведения о физических и химических основах наследственности были получены при работе с микроорганизмами. Бактерии, вирусы оказались удобными объектами для исследования наследственности и природы генетического материала.

Преимущества микроорганизмов как генетических объектов:

1. Они обычно гаплоидны, нет перекрытия рецессивных генов доминантными, что позволяет сразу проявляться мутантному гену.

2. При размножении создают точные копии самих себя.

3. Скорость размножения. В питательной среде за один день плотность популяции, возникшей из одной клетки Escherichia coli, может достигнуть 2-3 10 9 бактерий в миллилитре.

Наиболее интенсивно исследуемый вид бактерий Escherichia coli – кишечная палочка.

Уникальная роль нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации была показана в опытах трех совершенно различных типов.

1. ДНК – трансформирующий фактор пневмококка (Diplococcus pneumoniae).

Любой из этих типов может дать мутантов, неспособных к образованию капсульных полисахаридов (утрачивается ферментативная активность, необходимая для синтеза слизистых оболочек). Невирулентные штаммы на твердой питательной среде образуют шероховатые колонии, обозначаемые букой R (от англ. rough – шероховатый). При инфицировании они фагоцитируются в организме животного и не вызывают воспаление легких.

R бактерии размножаются также успешно, как и S бактерии. Мутация S R идет исключительно в одном направлении, обратные мутации R S восстанавливают способность синтеза полисахаридной капсулы, тип которой в ривертантах всегда совпадает с типом полисахарида исходного родительского типа: I S I R, II S II R, III S III R и т.д ( различные серотипы).

1. Инъекция бактериями R штамма – мыши выживали.

2. Инъекция бактериями S штамма, убитых нагреванием – мыши выживали. При t = 65 0 C прекращается ферментативная активность бактериальной клетки, но сохраняется активность трансформирующего фактора.

3. Инъекция смеси клеток – штамма типа II R вместе с убитыми нагреванием клетками III S – мыши погибали от пневмококковой инфекции, вызванной вирулентными бактериями III S. Тот факт, что вирулентные бактерии синтезируют полисахаридную капсулу типа III, а не II, свидетельствовало о том, что эти клетки не могли возникнуть в результате обратной мутации в клетках II R (II R II S).

Вывод: какой-то компонент мертвых бактерий типа III S может трансформировать живых бактерий типа II R так, что они начинают синтезировать капсульный полисахарид типа III S.

Впоследствии трансформация невирулентных штаммов в вирулентные была обнаружена и в лабораторной культуре клеток. Метод in vitro (в пробирке) позволил исследовать природу трансформирующего фактора убитых нагреванием клеток III S непосредственно, не вводя их мышам и не дожидаясь гибели последних.

В 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти показали, что трансформирующий фактор – это ДНК. Разделили разрушенные клетки капсульного штамма на различные химические компоненты и определили их трансформирующую активность. Добавление в растущую культуру клеток II R очищенной ДНК пнемококка III S оказалось достаточным для возникновения способности синтезировать капсульный полисахарид типа III S. Добавление фермента дезоксирибонуклеазы, расщепляющего ДНК, необратимо инактивирует трансформирующий фактор.

О. Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти впервые показали, что наследственная способность клетки осуществлять определенную биосинтетическую функцию может передаваться другой клетке вместе с очищенной ДНК.

Механизм трансформации: фрагменты ДНК, в том числе содержащие ген, ответственный за синтез полисахарида, из убитых нагреванием клеток S попадают в R-клетки и посредством рекомбинации включаются в их ДНК.

Фундаментальное значение этого открытия не было оценено по следующим причинам:

1. Знания о химической структуре ДНК были неполными и неправильно интерпретировались. Считалось, что ДНК недостаточно сложноорганизованное химическое вещество для содержания огромного количества информации.

2. Многие ученые полагали, что химической основой генов служат белки, относительно которых было известно, что они устроены сложно, тогда как ДНК была оставлена роль структурного вещества.

3. Изучение наследственных основ бактерий в 1944 г. только начиналось, и не было установлено, что бактериальные гены во всех отношениях аналогичны генам высших организмов.

2. Нуклеиновые кислоты – наследственный материал вирусов

Бактериофаг Т2 – это вирус, инфицирующий бактериальную клетку E. сoli (от. греч фагиен – пожиратель). Вирус содержит ДНК (50 %), заключенную в белковую оболочку. При инфекции бактериальной клетки вирусная частица абсорбируется на клеточной поверхности, фаг прикрепляется к поверхности бактериальной клетки с помощью хвостовых нитей (фибрилл), расщепляет ферментами мембрану клетки и впрыскивает ДНК, белковая оболочка при этом остается на поверхности клетки. Вирусы паразитируют на генетическом уровне, фаговая ДНК разрушает бактериальную ДНК и использует ферментативную систему бактериальной клетки для синтеза вирусных частиц.

После заражения в клетке E. сoli образуются новые вирусные частицы и через 20 мин. при =37 С бактериальная клетка лизируется и около 100 дочерних вирусных частиц, идентичных обычно заразившей клетку частице, выходит наружу.

В 1952 г. Альфред Херши и Марта Чейз доказали роль ДНК для синтеза новых вирусных частиц.

Белок фага был помечен радиоактивным изотопом серы 35 S, лишь белковая составляющая содержит серу в составе аминокислот метионина и цистеина. ДНК пометили радиоактивным изотопом фосфора 32 Р, около 99 % 32 Р в фаге приходится на ДНК. Для введения меток, бактериофагом заражали бактериальные клетки, культивируемые в среде, компоненты которой содержали соответствующие изотопы. Меченными бактериофагами заражали клетки E. сoli, не содержащие 35 S и 32 Р.

Неадсорбированные частицы удаляли методом центрифугирования, Инфицированные бактерии подвергались сильному встряхиванию и разделяли полученный препарат путем центрифугирования на две фракции. Одна фракция содержала пустые фаговые оболочки, отделившиеся от клеточной стенки бактерий, при этом отделяется большая часть меченного белка 35 S (75-80 %). Другая фракция – сами бактерии, большая часть меченной 32 Р ДНК не отделяется при этом от бактериальной клетки, она оказалась внутри инфицированных бактерий. 20 % фаговой серы, которую не удается отделить от поверхности бактериальной клетки, составляют части отростков, прочно прикрепленных к поверхности бактерии и не отделяющиеся при втсряхивании.

В потомстве фага, образованном после инфицирования было найдено примерно 30 % исходной метки 32 Р, а от исходного белка менее 1 %.

Вывод:для образования копий фага в зараженнойбактериальной клетке существенна лишь ДНК родительского фага, тогда как новые фаговые частицы содержат как ДНК, так и белок. Было высказано проедположение, что белковый компонент фага защищает ДНК от расщепляющих ферментов и обеспечивает попадание ДНК в бактериальную клетку, тогда как ДНК представляет сбой собственно вещество наследственности.

Таким образом,на примере бактериофага Т2 еще раз был подтвержден общий вывод о генетической роли ДНК.

Данный эксперимент был признан в качестве решающего доказательства генетической роли ДНК. Было известно, что по характеру наследования признаков бактериофаг аналогичен высшим организмам. Его признаки точно воспроизводятся и подчиняются тем же правилам, что делает возможным линейное картирование мутаций.

К 1952 г было показано, что ДНК обладает достаточной химической сложностью для носителя наследственной информации.

3. Опыты на вирусе табачной мозаики (ВТМ)

ВТМ, как и большинство растительных вирусов, состоит из белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Каждая частица вируса содержит РНК, состоящую из 6400 нуклеотидов, заключенных в белковую оболочку. Белковая оболочка состоит примерно из 2130 одинаковых субъединиц, каждая из которых представляет собой цепь из 158 аминокислот. При сборке аминокислот образуется спиральный желобок, в котором укладывается одна одноцепочечная РНК.

С помощью химических методов можно разделить РНК и белок вируса.

Обычно очищенный препарат РНК ВТМ сохраняет не более 0,1 % инфицирующей активности препарата интактного (неповрежденного) вируса. Инфекционность очищенной РНК быстро разрушается рибонуклеазой, не влияющей на инфекционность интактного вируса.

Исследователи Френкель-Конрат и Вильямс обнаружили, что при смешивании расфракционированных и очищенных белка и РНК происходит соединение обеих фракций и образуются морфологически зрелые, полностью инфекционные частицы.

Имеется множество разновидностей ВТМ, различающихся по кругу растений хозяев по вирулентности на разных растениях, между ними существуют различия в аминокислотном составе белков.

стандартный штамм ВТМ (тип S) = белок S + S РНК

штамм Н R = белок Н R + Н R РНК

сконструирован гибридный вирус = очищенный белок Н R + очищенная S РНК

Потомство гибридных вирусов имело тип белковой оболочки, соответствующий типу РНК в сконструированном вирусе. Состав белковой оболочки не наследовался. Он определялся исключительно РНК.

Таким образом, результаты проведенных исследований доказали, что именно нуклеиновые кислоты являются носителем наследственной информации во всех организмах (генетический материал всех организмов, исключая вирусов, представлен ДНК).

Обзор

ДНК не то, чем кажется. И то, чем кажется, тоже. Но не всегда.

иллюстрация автора статьи

Автор

Редакторы

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Место ДНК в клетке и обществе

Всё это радует и служит популяризации науки, однако не стоит забывать что в жизни — в биологической жизни — ДНК — это, чаще всего, правозакрученная двойная спираль, шаг которой охватывает примерно 10 нуклеотидов.

В тени молекулярной догмы

реплицироваться в новую копию ДНК;
транскрибироваться в РНК.

И уже РНК далее способна (хотя и не обязательно — может просто функционировать в клетке сама по себе):

или в особом, описанном позже, случае

Рисунок 2. Центральная догма молекулярной биологии

Что же осталось в тени процессов, объединенных информационными потоками центральной догмы? Что бы это ни было, ему есть где развернутся. На некодирующие области приходится большая часть эукариотических геномов (в случае человека — увесистые 98%). У прокариот их поменьше — в среднем, 20%. По началу такие области, не содержащие послание для передачи в РНК, называли мусорной ДНК (junk DNA) [1] и относились к ним с пренебрежением. Прошли годы, методики совершенствовались, знания неуклонно копились. И теперь мы знаем: в этом сумраке таится много полезного. Что же именно и в какой пропорции?

В некодирующей области ДНК есть, скажем, мобильные генетические элементы (прежде всего, способные перемещаться по геному транспозоны [2]), тандемные повторы разного сорта (от сателлитов до микросателлитов) [3] и прочее. Наконец, огромное значение имеют области ДНК, нужные для регуляции. Действительно, помимо блоков, ЦДМБ имеет еще и стрелки — они обозначают процессы передачи информации, вполне конкретные биохимические процессы.

Что регулирует эти сложные процессы, что управляет ими? Специфичное, хорошо оркестрованное взаимодействие ДНК и ДНК-связывающих белков. Дело в том, что в живой клетке (ткани, природе. ) все должно быть динамично и управляемо. Это жизненно необходимо и для разумного реагирования на удары судьбы (стрессы), и для разного рода взаимодействий клеток, и для индивидуального развития (онтогенеза).

Притча о слепых белках и ДНК

Безусловно, ДНК далеко до структурного разнообразия белков с их неисчислимыми фолдами, укладками и т.п. Однако и у нее можно выделить иерархию уровней организации: от первичной (последовательность нуклеотидов) через небольшое разнообразие вторичных и третичных структурных блоков до четвертичной. Последняя представляет собой надмолекулярные объединения — как между разными молекулами ДНК, так и между ДНК и ДНК-связывающими белками.

триплетность;
неперекрываемость;
вырожденность;
универсальность;
наличие кодонов — знаков препинания;

и некоторыми другими.

Все эти законы не действуют на некодирующей части генома. А действуют совсем другие и для каждого типа последовательности они, в общем, свои.

Таковы принципы кодирования и хранения генетической информации, изображенные в виде блоков ЦДМБ. А как насчет способов ее воплощения, то есть перевода информации одного биополимера в другой, а также всех последующих этапов экспрессии генов? Что стоит за стрелками на схеме догмы, соединяющей квадраты? Большая биохимическая работа и сложные структурные основы. Эти процессы протекают во вполне физической реальности — на них согласованно работают многие ферменты, факторы. Вовлечены в эту 3D-хореографию и специализированные области ДНК. Что же делает их такими специализированными?

В первом приближении — им следует связывать белковые молекулы. Для этого служат опять-таки разные уровни организации регуляторных ДНК: особая последовательность, структура и физико-химические свойства.

Рисунок 3. Сайт специфичного и точного связывания важной рестриктазы EcoRI и место разреза — расщепления ДНК

рисунок автора статьи

Рисунок 4. Сайт связывания фактора транскрипции CEBPB

видят ДНК совершенно по-разному.

Пo мере того, как ученые вникали в интимные стороны взаимодействий ДНК и ДНК-связывающих белков, они стали различать прямое (direct) и непрямое прочтения (indirect readout) нуклеотидной последовательности. В случае прямого прочтения распознавание и связывание двух биомолекул определяется теми парами оснований, которые, собственно, контактируют с белком. Здесь все понятно. Но уже довольно давно биологи стали отмечать: не вовлеченные в прямые взаимодействия нуклеотиды определяют стабильность и специфичность связывания. В этом и состоит непрямое прочтение.

В числе первых этот аспект распознавания описан на примере такого важного фактора транскррипции, как TATA-связывающий белок (TATA-binding protein, TBP). После этого последовало множество других примеров непрямого прочтения [6].

Но и этого мало: выделили также прочтение формы (shape readout) — оно определяется трехмерной формой дуплекса ДНК. В основе этого нового видения той же ДНК — вандерваальсовы и электростатические взаимодействия. Напомним, что прямое прочтение ДНК белком зависит от водородных связей, образованных конкретными нуклеотидами и аминокислотными остатками [7].

Следующий пункт. Важность великого множества одних только физико-химических и структурных свойств (не забывая и первичную структуру!) связано с тем, что, скажем, транскрипция — процесс многостадийный, и на разных этапах одни параметры ДНК могут быть важнее других. Даже инициация транскрипции насчитывает несколько этапов: посадка белков, образование закрытого комплекса, плавление дуплекса (то есть расхождение цепей) с образованием открытого комплекса и т.д. Кстати, именно инициация транскрипции — в особенности на примере прокариотических промоторов и простых РНК-полимераз, — служит элементарной системой для изучения всей сложной кухни молекулярного узнавания [8], [9].

Рисунок 5. Бактериофаг Т7 — срез через вирион (слева) и общий вид

Биография Т7 от начала до конца. До 3′-конца

Далее включается область генов II класса и соответствующих промоторов. Их задача — активная наработка ДНК бактериофага (ее репликация), а также синтез лизоцима — антибактериального фермента, с помощью которого потомкам бактериофага предстоит выбраться из гибнущей клетки. Стандартный сценарий для такого литического фага, как Т7.

Наконец, область генов и промоторов III класса. Их задача — обеспечить созревание фаговой ДНК, сборку новых вирусных частиц и затем упаковать одно в другое.

На этом жизненный цикл Т7 заканчивается литической и трагической концовкой. Весь экшн занимает обычно 17 мин, по минутам же расписано переключение между его фазами [13], [14]. Но остается довольно животрепещущий вопрос: что переключает активность областей этого элементарного генома?

Промоторы — промотируют, полимераза — полимеразит

Рисунок 7. Едва различимые последовательности очень непохожих по своим свойствам нативных промоторов бактериофага T7

Здесь на сцену выходят физико-химические свойства дуплекса промоторных областей. Они могут объяснить, как РНК-полимераза Т7 распознает их и специфично, и переключаемо. Для этого процесса молекулярного узнавания важнее именно уровень физико-химических свойств ДНК — что особенно явственно в случае предельно простой транскрипционной системы Т7 [14].

Какими же параметрами ДНК могут направляться взаимодействия биомолекул?

Задолго до прямого контакта молекулярному узнаванию промотора и полимеразы может способствовать электростатический потенциал. Действительно, если мы вспомним, что каждый ее мономер-нуклеотид имеет заряженную отрицательно фосфатную группу, станет понятно — на ДНК есть к чему притянутся положительному заряду. В полном соответствии со школьным законом Кулона. Действительно, ДНК-связывающие белки с этой целью снабжены положительно заряженными участками. В случае же промоторов Т7 присутствуют и особые мотивы распределения заряда [15]. Если мы рассчитаем значение заряда вдоль оси ДНК (на основе известной последовательности нуклеотидов), то получим характерные профили (рис. 8). Заметим, что свой профиль есть и у промоторов II и III класса — по ним, в частности, фаговая РНК-полимераза их и различает.

Рисунок 8. Профили электростатического потенциала для промоторов Т7: ранних, II класса и III класса

Следующее важное свойство ДНК — дестабилизация при скручивании. Сложно подобрать простое название этому параметру, так что приведем какое есть: вызванная суперспирализацией дестабилизации дуплекса ДНК (Stress-Induced Duplex Destabilization). Если коротко, модель SIDD — это способ описать, что будет с ДНК, если на нее как следует надавить, а точнее — скрутить. Дело в том, что одни последовательности в такой напряженной ситуации могут легко расплавиться (так называют расхождение цепей ДНК), другие — выстоят, третьи — плавятся совсем не там, где от них ждешь. Это свойство важно для взаимодействия ДНК с белками и, в частности, хорошо зарекомендовало себя для предсказания промоторов [9]. Как же обстоят дела с SIDD у промоторов Т7?

Рисунок 9. Профиль SIDD для генома Т7

рисунок автора статьи

Из набора промоторов Т7 SIDD показывает следующий тренд. Если промотор представляет класс III, то он гораздо более легкоплавкий — цепи дуплекса такого участка ДНК расходятся при меньшей температуре и более низкой суперспирализации. Это неплохо соотносится с экспериментальными данными о том, что промоторы разных классов активны при разных условиях окружающей среды — включая как раз таки показатель суперспиральности [4], [9].

Другая закономерность затрагивает репликацию, для которой Т7-ДНК также является хорошей моделью. Этот геном имеет специализированный ориджин (точку начала репликации), отдаленный от 5′-конца на 17% длины генома. Однако его копирование может начинаться также в ряде других точек — и это как раз таки некоторые промоторы. Удивительно, но именно они относятся к числу дестабилизированных. Удивительно и осмысленно, поскольку репликация также может требовать особых физико-химических свойств дуплекса. В частности, легкость плавление дуплекса ДНК здесь точно не помешает [5].

Исчерпывающие мутанты

Сложный характер зависимости промоторной активности от физико-химических свойств ДНК и от нуклеотидной последовательности требует полных или по меньшей мере больших данных. Вот если бы получить все или почти все возможные варианты промотора Т7 и узнать, насколько они активны. А ведь в постгеномную эпоху и век дешевых NGS это как раз таки реализуемо! И уже проделано в отношении промотора Т7. В работе [17] использована высокопроизводительная методология: в небольшие фрагменты ДНК встроили почти 8 тысяч случайным образом измененных последовательностей промотора фага Т7, а также последовательности-метки (баркоды) — чтобы потом разобрать, кто есть кто. Далее напрямую замерили их промоторную активность. Имея в распоряжении полные последовательности (промотор + небольшой контекст), нетрудно и рассчитать те физико-химические параметры дуплекса, которые не требуют значительных участков ДНК на входе (SIDD здесь, к сожалению, отпадает — ведь для расчета этого параметра дуплекса нужны очень крупные фрагменты ДНК).

Что показала данная работа и последующий анализ данных о последовательности, физико-химии и величине промоторной активности? Прежде всего, она подтвердила многие выводы о важности отдельных нуклеотидов в конкретных положениях и согласованности таких замен. Нетривиальный результат: ранее для этого ученые не одно десятилетие скрупулезно изучали геном T7 с помощью доступных тогда методов. И теперь мы знаем, что высокопроизводительный, основанный на NGS подход — хороший способ разобраться в устройстве других промоторов и вообще вовлеченных в регуляцию областей ДНК. В том числе в новых, не исследованных геномах, которые нам поставляют бесчисленные секвенаторы.

В современном научном сообществе существует несколько теорий по поводу способа передачи информации от родителей потомкам: от волновых до футуристических типа сверхразума коллективов. Однако то, что именно молекулы ДНК являются материальной основой преемственности организмов, споров не вызывает. Понять, как в научной среде формировались доказательства генетической роли ДНК и что они собой представляют, – вот цель данной статьи.

Немного теории для не биологов

Для понимания предмета и самой сути доказательства роли ДНК в наследственности напомним лишь некоторые общие понятия и термины, применяемые в тексте. Молекулярные биологи и другие профессиональные биологи могут эту часть не читать – понятия даются в упрощенном варианте для интересующейся части читателей. Хотя современная специализация в биологии сегодня настолько возросла, что профессионал-эколог не всегда прорвется к пониманию сути эволюционных механизмов, а ботанику совсем не однозначно понятна специфика развития эмбриона лягушки. Итак, вот эти термины:

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) – длинные и большие молекулы, состоящие из мономеров – нуклеотидов.
ДНК и РНК называют нуклеиновыми кислотами.
ДНК и РНК образованы всего четырьмя нуклеотидами (три одинаковых, один разный в ДНК и РНК) – нуклеотиды универсальны для всего живого на планете. Это сложные органические соединения из азотистого основания, углеводного остатка и фосфорной кислоты. Называются они адеин, гуанин, тимин и цитозин (урацил).
Нуклеотиды образуют триплеты – они кодируют одну аминокислоту из двадцати.
Триплеты образуют цепочки в составе нуклеиновых кислот, что соответствует цепочке аминокислот или одному специфическому белку. Белки – основа жизни на планете, они специфичны и уникальны.
Ген – это кусочек нуклеиновой кислоты, отвечающий за один белок.
Геном – совокупность всего генетического материала организма.

Немного истории

Швейцарский биолог Ф. Мишер в 1869 году увидел в ядрах клеток гноя (лейкоцитах) цепочки, которые назвал нуклеиновыми кислотами.

Немец А. Кассель как биохимик вычислил их состав: сахар, фосфорная кислота и пять разновидностей азотистых оснований. Он же в 1891 году доказал, что нуклеиновых кислот две – ДНК и РНК. В период от этих открытий до 1953 года велись исследования химического состава и структурной организации нуклеиновых кислот. Известные фамилии этого периода – Ф. Левен, А. Тодд, Э. Чаргафф. Опыты, начатые Ф. Гриффитом (1928) и продолженные О. Эвери, К. МакЛеодом и М. МакКарти (1944), представили доказательства роли ДНК в передаче генетической информации, о чем подробнее позже. В 1953 году американцы Дж. Уотсон и Ф.Крик предложили известную даже школьнику модель структуры ДНК в виде двойной закрученной спирали. Все, молекулярная биология родилась!

От белка к ДНК

На тот момент времени нуклеиновые кислоты представлялись странным материалом в ядре клетки. Для чего нужны эти образования, не знали, и тем более не искали доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. Уже были открыты белки, состоящие из аминокислот и имеющие более сложную химическую структуру. Именно белки считали носителями наследственной информации.

В материале, который несет наследственную информацию, первым усомнился английский бактериолог Ф. Гриффит в 1928 году. И хотя он не смог представить убедительных доказательств генетической роли ДНК, его опыты заслуживают внимания.

Штаммы пневмококков Гриффита

Экспериментальные доказательства роли ДНК в передаче информации

Практически то же самое, что проделал Гриффит, только без бедных мышей, сделали в 1944 году О. Т. Эвери, К. М. МакЛеод и М. МакКарти. В Рокфеллеровском институте медицинских исследований в Нью-Йорке они получили in vitro (в пробирке) чистый трансформирующий агент Гриффита из убитых вирулентных форм и смешивали его, опять же в пробирке, с авирулентными формами. Получали капсулированных возбудителей. А потом изучали состав этого самого агента. Вначале они доказали, что это не белок, и это само по себе уже было новаторством. Ну а потом и пришли к тому, что этот агент и есть нуклеиновая кислота. Эти опыты американцев – прямые доказательства генетической роли ДНК в передаче наследственной информации. Но не единственные, которые наука считает классикой.

Второе из классических доказательств генетической роли ДНК

Первый мы уже описали – это опыты Эвери - МакЛеод - М. МакКарти.

Классика биологии – еще два опыта как прямые доказательства генетической роли ДНК. Описание сократим до сути.

Американский генетик Альфред Херши получил Нобелевскую премию (1969) за эти опыты. Интересна и серия опытов Херши и Марты Чейз, проведенная в 1952 году в Университете Вашингтона в Сент-Луисе с бактериями и бактериофагами, меченными радиоактивным фосфором и серой. Их выводы о том, что именно ДНК бактериофага проникает в бактерии и дает начало новым бактериофагам, – классика доказательства генетической роли ДНК.

Третий опыт

Немецко-американский биохимик Хейнц Людвиг Френкель-Конрат получил за свои изыскания премию Ласкера (1958). В калифорнийском университете в 1957 году он проводил опыты с вирусом табачной мозаики. Схема их схожа с Гриффитовскими. Его достижение - в том, что он доказал участие РНК в передаче наследственной информации.

Интересные современные доказательства

Современная молекулярная биология и генетика постоянно поставляют нам новые доказательства генетической роли ДНК. Несколько весьма занимательных, неожиданных и впечатляющих фактов из исследований современной науки, которые так или иначе доказывают роль ДНК в формировании организма, приведено далее.

В 2007 году ученые сумели выделить участок ДНК амфибий, который отвечает за формирование глаза. Сегодня уже есть саламандры с глазами на лапах и хвосте.

В геном коз ученые вживили ген паука, отвечающий за белок паутины, в результате этот белок появился в молоке коз. После специальной обработки и извлечения белка из молока образуется паучий шелк.

Голландцы вырастили коров с человеческим геном, отвечающим за специфический белок молока женщин – лактоферрин. Этот белок играет важную роль в первичном иммунитете младенцев. Тестирование молока коров продолжается, но перспективы применения его в медицине впечатляют.

Дополнив ген эмбриона поросят геном белка флуоресцентной медузы, китайские ученые вырастили двух светящихся зеленым цветом поросят.

В 2008 году мир облетело известие о рождении ребенка с искусственно измененным геномом. Произошло это в Лондоне, где женщина согласилась на эксперимент из-за обнаруженных генетических нарушений в геноме эмбриона.

Человеческие химеры существуют. В 2002 году при анализе ДНК на отцовство тест показал, что американка Лидия Фэйрчайлд не является матерью своего еще не рожденного ребенка. Исследования повторили, но анализ показал те же результаты. Оказалось, что организм Лидии развился из двух яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами и слившихся на ранних стадиях онтогенеза. Поэтому ее тело состоит из тканей и клеток с разным набором хромосом.

О ДНК-тестировании на установление отцовства или в судебной практике знают все. Но ДНК-тесты используют и при проверке продуктов на подлинность. Например, можно установить место сбора икры или винограда для марочного вина.

В мире известно 4 семьи, члены которых не имеют отпечатков пальцев. Адерматоглифия вызвана редкой мутацией одного-единственного гена.

Чередование сна и бодрствования у человека контролирует ген hDEC2, его мутация сокращает необходимость сна до 4 часов.

И немного о самой уникальной молекуле

Подведем итог

Что такое ДНК, и из чего она состоит? Кто и когда открыл эту молекулу в клетках человека и других живых организмов? Чем уникален открытый учеными механизм наследования, и какие последствия ждал весь мир после этого открытия? Всю необходимую информацию Вы можете узнать, прочитав эту статью.

Иоганнес Фридрих Фишер – врач и биолог-исследователь родом из Швейцарии, стал первым в мире ученым, выделившим нуклеиновую кислоту. Открытие случилось в 1869 году, когда он занимался изучением животных клеток, а именно лейкоцитов, которых много содержалось в гное. Совершенно случайно молодой ученый заметил, что при отмывании лейкоцитов с гнойных повязок от них остается загадочное соединение. Под микроскопом Иоганн обнаружил, что оно содержится в ядрах клеток. Это соединение Мишер назвал нуклеином, а в процессе изучения его свойств переименовал в нуклеиновую кислоту, из-за наличия свойств, как у кислот.

Роль и функции только открытой нуклеиновой кислоты были неизвестны. Однако многие ученые того времени уже высказывали свои теории и предположения о существовании механизмов наследования.

Нынешние взгляды на состав молекулы ДНК ассоциируются у людей с именами английских ученых Джорджа Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые открыли структуру данной молекулы в 1953 году. За несколько лет до этого, в тридцатые годы, ученые из советского союза А.Н. Белозерский и А.Р. Кезеля доказали наличие ДНК в клетках во всех живых организмах, тем самым они опровергли теорию о том, что молекула ДНК находится только в клетках животных, а в клетках растений присутствует только РНК. Лишь спустя несколько лет, в 1944 году, группой освальдских ученых было установлено, что молекула ДНК является механизмом сохранения наследственной информации клетки. Таким образом, благодаря совместным усилиям и трудам исследователей человечество познало тайну процесса эволюции и его основных принципов.

ДНК в медицине

Открытие состава молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты позволило перейти медицине на новый уровень развития. Появилось большое количество новых направлений практической медицины, стали доступны новые методы лечения, диагностики. Благодаря этому фундаментальному открытию для науки и современным технологиям, человечеству стали доступны:

Возможность поставить диагноз на ранней стадии заболевания, когда оно еще находится в скрытом периоде, и никаких симптомов не проявляется. у человека.
Тесты на наличие у человека аллергии или непереносимости некоторых пищевых продуктов. Индивидуальные исследования помогут выявить, какая пища хорошо усваивается организмом, а какая плохо или вообще не усваивается, и что может стать причиной аллергической реакции у исследуемого. Возможность узнать, какие этносы формируют Вашу внешность, и из каких народов были Ваши далекие предки
Тест на наличие врожденных заболеваний, передающиеся через поколения, оценка риска их возникновения у тестируемого человека.

И это еще не все доступные для людей услуги, которые может предложить медицина, изучающая генетику. Выше были представлены только самые популярные среди людей тесты. Перспективой для многих ученых-генетиков является создание таких лекарств, способных победить все болезни на Земле и даже смертность.

Строение молекулы ДНК

Молекула ДНК состоит из органических соединений - нуклеотидов, которые скручиваются в две спиралевидные цепи. Нуклеотиды в этих цепях – это базовые элементы, с помощью которых потом будут кодироваться и выстраиваться гены. В составе одного гена возможны несколько вариантов расположения некоторых нуклеотидов, поэтому вместе с тем, как меняется структура гена, меняется и его функциональность.

От цепочки к хромосоме

В каждом живом организме находится миллионы клеток, а внутри этих клеток находится ядро. Клетки, содержащие в себе ядро, называются эукариотами или ядерными. У древних одноклеточных нет оформленного ядра. К таким безъядерным одноклеточным, или прокариотам, относятся бактерии и археи, например, кишечная палочка или серая анаэробная бактерия. Также ядро отсутствует в клетках вирусов и вироидов, однако причисление вирусов к живым организмам – вопрос спорный, о котором по сей день дискуссируют ученые.

В ядре находятся хромосомы – структурный элемент, в котором содержится молекула ДНК в виде спирали, хранящая внутри себя всю генетическую информацию клетки.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Количество нуклеотидов в ДНК велико, и нужны длинные цепочки, чтобы вместить все их число, поэтому нити ДНК закручиваются в две спирали, что позволяет укоротить цепочки в 5 раз, сделав их более компактными. Нити ДНК могут также закручиваться в форму суперспирали. Двойная спираль пересекает свою ось и накручивается на специальные гистоновые белки – гиразы, образуя при этом супервитки. Таким образом, двойная спираль закручивается в спираль более высокого порядка. Сокращение цепочек в этом случае произойдет в 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Ген – самый изученный на сегодняшний день участок ДНК. Гены являются структурной единицей наследственности всех живых организмов. Цепочки нуклеотидов в ДНК состоят из генов, которые определяют генотип особи, например, цвет и разрез глаз, тип кожи, рост, группу и резус фактор крови и другие физиологические качества и особенности внешности.

Еще много отраслей генетики до конца не изучены, и до конца не раскрыты все функции генома, но ученые до сих пор продолжают изучение генов, чтобы добиться новых открытий в области генетики.

Хромосома: определение и описание

Хромосомы – структурный элемент клетки, находящийся внутри ядра. Они содержат в себе молекулы ДНК, в которых содержится вся наследственная информация.

Строение и виды хромосом:

Отсюда возникают различные типы хромосом:

Равноплечая – центромера перетягивает хроматиды точно посередине;
Неравноплечая – центромера неточно перетягивает хроматиды, из-за чего одно плечо хромосомы будет длиннее, а другое – короче. К этому типу относится Y-хромосома;
Палочковидная – центромера перетягивает хроматиды практически на их концах, из-за чего по форме хромосома напоминает палочку;
Точковые – очень мелкие хромосомы, форму которых трудно определить. В науке существуют 3 основные формы хромосом:
Х-хромосома, встречающаяся у особей женского и мужского пола;
Y-хромосома, встречающаяся только у мужских особей;
В-хромосома, которая очень редко встречается в клетках растений. Обычно их число доходит до 6, редко – до 12. Ее наличие обуславливает различные болезни и побочные эффекты в организме

Всего в клетке человека находится 46 хромосом: 22 пары аутосом, встречающиеся у обоих полов, и одна пара половых хромосом: XY – у мужчин, XX – у женщин. Забавно, что если прибавить к количеству хромосом хотя бы одну пару, то человек мог бы быть шимпанзе или тараканом, а если отнять, то – кроликом.

Еще интересно то, что человек и ясень имеют одинаковое количество хромосом, несмотря на принадлежность к разным видам и царствам.

Генетический код – система записи генетической информации в ДНК и РНК в виде определенной последовательности в цепочке нуклеотидов. Он должен сохранять наследственную информацию в первоначальном виде, восстанавливая повреждения цепочки в последующем поколении с помощью ДНК. Однако ген может каким-то образом быть поврежден, либо в нем может произойти мутация.

Генные мутации – изменение в последовательности нуклеотидов, например выпадение, замена, вставка другого нуклеотида в цепочку. Последствия этих мутаций могут быть полезные, вредные или нейтральные. Примером полезных мутаций является устойчивость к минусовым температурам, увеличенная плотность костей, меньшая потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другие. Примером вредных мутаций является аллергия на солнечный свет, глухота слепота и так далее. К нейтральным мутациям относятся те мутации, которые не влияют на жизнеспособность, например, гетерохромия.

Существуют также летальные и полулетальные мутации. Летальные мутации несовместимы с жизнью и приводят к гибели организма на ранних этапах его развития, например, при рождении у особи отсутствует головной мозг. Полулетальные мутации не приводят к смерти особи, но значительно уменьшают ее жизнеспособность. К таким мутациям относятся заболевания человека, передающиеся по наследству. Например, наличие 47-й хромосомы может вызвать у человека синдром Дауна, а, наоборот, отсутствие 46-й парной хромосомы – сидром Шерешевского-Тернера.

Расшифровка цепочки ДНК

Расшифровка цепочки ДНК в клетке – это исследование всех известных генов в клетках человека. Хоть цена за такую услугу значительно упала за последние десять лет, однако такое исследование по-прежнему остается дорогим удовольствием, и не каждый человек сможет позволить себе оплатить такую услугу. Чтобы уменьшить цену этого исследования, расшифровку ДНК стали делить по тематикам. Таким образом, появились различные тесты, которые исследуют интересующую человека группу генов и ее функции.

Как происходит расшифровка цепочки ДНК?

Взятые на пробу образцы ДНК нагревают, чтобы двойная спираль раскрутилась и распалась на две нити.
К интересующему участку цепочки генов прилепляется полимераза - фермент, синтезирующий полимеры нуклеиновых кислот. Процедура проходит при низких температурах.
С помощью полимеразы в интересующих участков происходит синтезов генов, необходимых для изучения.
Участки пропитывают светящейся краской, которая светится при лазерном воздействии.

Таким образом, ученые получают картину гена, которую можно изучить и расшифровать. Синтез РНК Нуклеотиды делятся на четыре базовых элемента, служащими основой для формирования генов: АТГЦ, или аденин, тимин, гуанин, цитозин. В их состав входят фосфорные остатки, азотистые основания и пептоза.

В ДНК эти нуклеотиды располагаются строго по парам параллельно друг другу строгими парами: аденин - с тимином, гуанин - с цитозином.

Важно, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты не должна выходить за пределы мембраны ядра. С помощью РНК, которая играет роль копии участка цепи с генетическим кодом, генетическая цепочка может покинуть ядро, попасть вовнутрь клетки и воздействовать на ее внутренние процессы.

Как это происходит:

Один конец генной спирали раскручивается, формируя две развернутые нити с цепочкой генов.
К развернутому участку спирали подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует его копию.
У копии в структуре нуклеотидов тимин во всех парах заменяется на урацил, что позволяет копии генетической цепи покинуть ядро клетки. Синтез белка при помощи генов Основное взаимодействие, происходящее между генами и клеткой, состоит в том, что различные гены могут заставлять клетку производить синтез разных белков с самыми непредсказуемыми свойствами.

Итак, группа генов, участвующих в процессе старения клеток может, как заставить процесс старения идти быстрее, так и вовсе его остановить и запустить процесс омолаживания. То есть, каждый из генов может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Сутягина Дарья Сергеевна
Эксперт-генетик
В нашей ДНК содержится очень много информации, но пока мы можем расшифровать лишь небольшой процент генов. Добавлю несколько интересных фактов о ДНК: возможность двойной ДНК у человека. Такое явление случается, когда при беременности в утробе развиваются близнецы, но в процессе развития плода они сливаются в одного человека. Длина одной молекулы ДНК человека равна 2 метрам, а общая длина цепочки ДНК всех клеток тела человека равна 16 млрд. километрам, что равно расстоянию от Земли до Плутона. ДНК человека и кенгуру всего лишь 150 млн. лет назад были одинаковыми. Все знания и информация во всем мире могла бы уместиться всего лишь в 2 граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Читайте также: