Введение в молекулярную биологию. 1 страница

Часть 1. Молекулярные основы наследственности

Предмет молекулярной биологии. Основные этапы развития молекулярной биологии и молекулярной генетики, их взаимосвязь с классической генетикой. Практическое значение молекулярной биологии. Современные важнейшие достижения биотехнологии, перспективы ее использования в клинической медицине. Понятие о молекулярной медицине.

Предмет молекулярной биологии. Молекулярная биология - нау­ка, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности пу­тём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекуляр­ному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, изменчивость, размножение, биосинтез, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, пре­вращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта молекулярной биологии — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые прими­тивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточ­ного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные кле­точные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; да­лее — системы, стоящие на границе жи­вой и неживой природы, — вирусы, в т. ч. и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой мате­рии — нуклеиновых кислот и белков. В основе концепции молекулярной биологии лежит представление, что организмы – это динамические формы живой материи, частицы (молекулы) которой и силы, действующие на них, непрерывно изменяются и взаимодействуют друг с другом и с открытой средой.

Биологические процессы, происходящие в различных формах организмов, подчиняются общим законам физики и химии. В связи с этим при изучении структуры молекул, а также их систем, следует обращать особое внимание на химические связи, кинетику химических реакций и другие физические и химические внутри- и межмолекулярные взаимодействия.

Однако определенные стереохимические различия и индивидуализация молекул ДНК приводят к тому, что одни и те же химические компоненты связываются друг с другом в различных последовательностях, положениях, количествах, обеспечивая появление индивидуальных и различных форм жизни.

Конечный результат биохимического исследо­вания может быть представлен в виде той или иной системы химических уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличительной чертой молекулярной биологии яв­ляется её трёхмерность. Сущность молекулярной биологии усматривается М. Перуцем в том, что­бы истолковывать биологические функции в понятиях молекулярной структуры.

Решающую роль приобретают взаимное расположение атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуаль­ных, компонентов, так и общей конфигу­рации молекулы в целом. Именно в ре­зультате возникновения строго детермини­рованной объёмной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу которых они оказываются способны­ми служить материальной основой био­логических функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типичную черту молекулярной биологии.

Предметом изучения молекулярной биологии является также исследование молекулярных факторов вирулентности и иммунохимической специфичности.

Молекулярные факторы вирулентности. Специфические участки и компоненты микробных макромолекул и более крупных структур, способные вызывать заметные физико-химические, функциональные и структурные изменения в более высокоорганизованной живой единице, такой, например, как человек, можно назвать факторами вирулентности.

У микроорганизмов, обитающих в более высокоразвитых хозяевах, основной механизм связи хозяин-паразит представляет собой специфическую реакцию на молекулярном уровне, вызывающую губительные изменения, как в хозяине, так и в паразите.

Взаимодействия между вирулентным агентом и мутантным хозяином, утратившим один или несколько своих ферментов или структур, необходимых для ассоциации паразита с хозяином и для репродукции вирулентного агента, не вызывают таких губительных последствий.

Очевидно, вирулентность зависит, в сущности, от взаимодействия между уникальными по конформации субъединицами патогенных микроорганизмов и комплементарными субъединицами в чувствительном хозяине. В результате этих взаимодействий в хозяине разрушаются жизненно важные биомолекулы и биоструктуры. Однако молекулярная природа вирулентности изучена недостаточно.

Молекулярные факторы иммунохимической специфичности. Иммунохимические свойства молекулы складываются из двух основных факторов. Первый – это иммуногенность или способность вызывать образование специфических иммуноглобулинов, содержащих участки (сайты), комплементарные специфическим областям поверхности молекулы. Второй – способность к объединению, направленная непосредственно на стереохимические сайты макромолекулы иммуноглобулина, комплементарной молекуле, индуцировавшей данную конфигурацию. Как следует из квантовой иммунохимии, иммунная реакция индуцируется в том случае, когда электроны атомов иммунокомпетентной клетки получают энергию от молекул антигена, в результате чего они переходят в возбужденное состояние с большей энергией. Поглощение энергии приводит к молекулярным перестройкам в клетках, которые передаются клеткам потомства. Эти клетки продуцируют молекулы иммуноглобулинов с определенной электронной конфигурацией, которые могут благодаря этому специфически реагировать с исходной молекулой антигена. Лишь молекулы антигена и антитела, образованные в результате поглощения и передачи квантов энергии и отличающиеся по энергии внешних орбиталей их электронов, могут взаимодействовать с образованием продуктов иммунной реакции. Для проявления иммуногенности необходимо, очевидно, наличие кольцевой структуры молекул. Так, простые сахара и олигосахариды становятся иммуногенами, если присоединяют по крайней мере одну молекулу с кольцевой структурой.

Антигенность молекул белков и пептидов в основном зависит от присутствия молекул определенных аминокислот, например тирозина или глутамина, расположенных на поверхности белковой или пептидной молекулы. Антигенный характер молекулы определяется расположением, пространственной конфигурацией и последовательностью аминокислот или моносахаридов на поверхности макромолекулы.

Иммунохимически активный участок (сайт) на белковой макромолекуле – это такой участок, в котором определенные остатки аминокислот приближаются к новосинтезирующейся молекуле иммуноглобулина на расстояние связи, составляющее примерно 0.2 нм.

Связывающий центр молекул иммуноглобулинов можно наглядно представить в виде неглубокой полости размером около 700 А0. В зависимости от класса иммуноглобулинов в молекуле антитела можно обнаружить от двух до десяти связывающих сайтов или комплементарных областей.

Задачи молекулярной биологии. В числе важнейших задач практического характера, ответ на которые ожидается от молекулярной биологии (М. б.), на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачественного роста, далее — пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследственных заболеваний — молекулярных болезней. Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологического катализа, т.е. действия ферментов. К числу современных важнейших направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов, токсических и лекарственных веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б.— познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важнейших разделов М. б.— генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетическим аппаратом (геномом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетических дефектов). В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживающие (напр., получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хозяйственных или медицинских веществ.

Основные этапы развития молекулярной биологии и молекулярной генетики, их взаимосвязь с классической генетикой. Молекулярная биология — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта при­меняемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элемен­тарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно свя­зана с молекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя, и сформировалась уже в самостоятельную, дисциплину.

Огромное зна­чение исследований биологических проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов, говоривший о последней ступени в науке о жизни — физиологии живой молекулы. Самый термин «Молекулярная биология» был впервые употреблён в начале 40-х годов английским учёным У. Астбери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и физическими и биологическими свойствами фибрилляр­ных (волокнистых) белков, таких, как кол­лаген, фибрин крови или сократитель­ные белки мышц. Широко применять термин «Молекулярная биология» стали с начала 50-х гг. 20 в. Возникновение М. б., как сформировав­шейся науки, принято относить к 1953г., когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Кем­бридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это позволи­ло говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологические функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало извест­но несколько раньше (1944) в результате ра­бот американского генетика О. Т. Эйвери с сотруд­никами, но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строе­ния ДНК. Это стало возможным лишь пос­ле того, как в лабораториях У. Л. Брэгга, Дж. Бернала и др. были разработаны но­вые принципы рентгеноструктурного ана­лиза, обеспечившие применение этого ме­тода для детального познания прост­ранственного строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмер­ную структуру миоглобина, а в после­дующие годы это было сделано М. Пе­руцем в отношении гемоглобина. Были сформулированы представления о раз­личных уровнях пространственной организа­ции макромолекул.

Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологические функции моле­кулы, служит ДНК.

Так же и в случае гемоглобина оказа­лось, что его биологическая функция — спо­собность обратимо присоединять кисло­род в лёгких и затем отдавать его тка­ням — теснейшим образом связана с осо­бенностями трёхмерной структуры гемо­глобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физиологической роли. При связывании и диссоциа­ции О2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемо­глобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кис­лороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин «молеку­лярными лёгкими».

Одна из важнейших черт живых объек­тов — их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. в научные открытия сле­дует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма обозначаемого как аллостерический эффект. Он заключается в способности веществ низкой молекулярной массы— т. н. лигандов — видоизменять специфические биологические функции макромоле­кул, в первую очередь каталитически действующих белков—ферментов, гемо­глобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран, в синаптической передаче.

В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являю­щейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический уникальный отпечаток.

Молекулярная генетика (М.г.), раздел генетики и молекулярной биологии, ста­вящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования про­текающих на субклеточном, молекуляр­ном уровне процессов передачи, реализа­ции и изменения генетической информации, а также способа её хранения.

М. г. выделилась в самостоятельное, направ­ление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических мето­дов (рентгеноструктурный анализ, хро­матография, электрофорез, высокоскоро­стное центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактив­ных изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компо­нентов клетки и всю клетку как единую систему. С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики и кибернетики. Большую роль в быстром развитии М. г. сыграло перенесение центра тяжести генетических ис­следований с высших организмов (эукариотов) — основных объектов классической гене­тики, на низшие (прокариоты) — бак­терии и многие другие микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования бо­лее простых форм жизни для решения ге­нетических проблем заключаются в быстрой смене поколений у этих форм и возмож­ности изучать одновременно огромное число особей; благодаря этому сильно воз­растает разрешающая способность гене­тического анализа и повышается его точность. Кроме того, сравнительная простота орга­низации бактерий и особенно вирусов облегчает выяснение молекулярной при­роды генетических явлений. Высказываемое иногда мнение о тождестве М. г. и гене­тики микроорганизмов ошибочно. М. г. изучает молекулярные основы генетических процессов как у низших, так и у высших организмов и не включает частной гене­тики прокариотов, занимающей видное место в генетике микроорганизмов.

За свою недолгую историю М. г. до­стигла значительных успехов, углубив и расши­рив представления о природе наследст­венности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развиваю­щееся направление генетики.

Одно из главных достижений М. г.— выяснение химической природы гена. Классическая генетика установила, что все наследст­венные потенции организмов (их генети­ческая информация) определяются дис­кретными единицами наследственно­сти — генами, локализованными гл. обр. в хромосомах клеточного ядра, а также в некоторых органеллах цитоплазмы (пла­стидах, митохондриях и др.). Однако методы классической генетики не позволяли вскрыть химическую природу генов, что было отмечено ещё в 1928г. выдающимся биологом Н. К. Кольцовым, обосновав­шим необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уров­не. Первый успех в этом направлении был достигнут при изучении генетической трансформации у бактерий. В 1944 американский учёный О. Т. Эйвери с сотрудни­ками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетиче­ски отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетическая трансформация с помощью ДНК была открыта у других бактерий, а в послед­нее время — и у некоторых многоклеточных организмов (цветковые растения, насеко­мые). Т. о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был под­тверждён опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса до­статочно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все другие компоненты вируса (белки, липиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состо­ят из РНК. Выяснение генетической роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимическими, физико-химическими и рентгеноструктурными методами. В 1953 американский учёный Дж. Уотсон и английский учёный Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, предположив, что её гигантские молекулы представ­ляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными апериодически, но в определённой последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити по правилу комплементарности. Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика. Несколько позже было установлено, что аналогичной структурой обладают моле­кулы разных РНК, только они большей частью состоят из одной полинуклеотидной нити. Дальнейшие работы, в которых химические и физико-химические методы сочета­лись с точными генетическими методами (ис­пользование разнообразных мутантов, явлений трансдукции, трансформации и т. д.), показали, что разные гены раз­личаются как числом входящих в них пар нуклеотидов (от нескольких десятков до полутора тысяч и более), так и строго определённой для каждого гена последо­вательностью нуклеотидов, в которой зако­дирована генетическая информация. Принци­пиально сходную химическую структуру имеют и гены, состоящие из РНК,— у вирусов РНК-типа.

Классическая генетика рассматривала ген как дискретную и неделимую единицу на­следственности. Большое значение в пере­смотре этой концепции имели работы А. С. Серебровского и его учени­ков, в 1930-х гг. впервые указавших на возможность делимости гена. Однако разрешающая способность методов клас­сической генетики была недостаточной для изучения тонкого строения гена. Только с развитием М. г. удалось в 50—60-х гг. решить эту проблему. Многими работами, проведёнными сначала на бактериях и вирусах, а затем и на многоклеточных организмах, было выяснено, что ген обла­дает сложным строением: он состоит из десятков или сотен участков — сайтов, способных независимо мутировать и рекомбинировать. Пределом дробимости гена, а, следовательно, и минимальным разме­ром сайта является одна пара нуклео­тидов (у вирусов, которые содержат одну нить РНК,— один нуклеотид). Установ­ление тонкого строения генов позволило значительно углубить представление о ме­ханизме генетической рекомбинации и зако­номерностях возникновения генных му­таций, оно способствовало также выясне­нию механизма функционирования генов.

Данные о химической природе и тонком строении генов позволили разработать методы их выделения. Впервые это было выполнено в 1969г. американским учёным Дж. Бэквитом с сотрудниками для одного из ге­нов кишечной палочки. Затем то же уда­лось осуществить у некоторых высших организмов (земноводных). Ещё более значительный успех М. г. — первый химический синтез гена (кодирующего аланиновую транспортную РНК дрожжей), осущест­влённый X. Корана в 1968г. Работы в этом направлении ведутся в ряде лабо­раторий мира. Для внеклеточного синтеза более крупных генов успешно при­менены новейшие биохимические методы, основанные на явлении так называемой обратной транскрипции. Используя эти методы, С. Спигелмен, Д. Балти­мор, П. Ледер и их сотрудники (США) в 1972г. смогли синтезировать ген гемоглобина.

Таким образом, М. г. уже выяснила в принципе вопрос о том, как записана и хранится генетическая информация, получаемая потом­ками от родителей, хотя расшифровка конкретного содержания этой информа­ции для каждого отдельного гена требует ещё огромной работы.

Установление структуры ДНК открыло возможности для экспериментального ис­следования биосинтеза молекул ДНК — их репликации. Этот процесс лежит в основе передачи генетической инфор­мации от клетки к клетке и от поколения к поколению, т. е. определяет относительное постоянство генов. Изучение репликации ДНК привело к важному выводу о мат­ричном характере биосинтеза ДНК: для его осуществления необходимо наличие готовой молекулы ДНК, на которой, как на шаблоне (матрице), синтезируются новые молекулы ДНК. При этом двойная спираль ДНК раскручивается и на каж­дой её нити синтезируется новая, компле­ментарная ей нить, так что дочерние мо­лекулы ДНК состоят из одной старой и одной новой нити (полуконсервативный тип репликации). Выделен белок, вызы­вающий раскручивание двойной спирали ДНК, а также ферменты, осуществляю­щие биосинтез нуклеотидов и их соедине­ние («сшивание») друг с другом. Несом­ненно, что в клетке имеются механизмы, регулирующие синтез ДНК. Пути такой регуляции ещё во многом неясны, но очевидно, что она в большой степени определяется генетическими факторами.

М. г. достигла выдающегося успеха и в решении важнейшей задачи, сформу­лированной ещё классической генетикой,— каким образом ген определяет признак, или как происходит реализация генетической информации. Предпосылкой по­служило сформулированное ещё в 1941 Дж. Бидлом и Э. Тейтемом положение «один ген — один фермент». Это положе­ние позволило поставить вопрос в следую­щем виде: как гены, т. е., по сути дела, участки молекулы ДНК, определяют хи­мическую структуру и свойства белков, специфичных для данного организма? Раскры­тие химической структуры ДНК и белка дало возможность сопоставить эти два типа биополимеров, что привело к концеп­ции генетического кода, согласно которой порядок чередования 4 сортов нуклеоти­дов в ДНК определяет порядок чередо­вания 20 сортов аминокислот в белковой молекуле. От последовательности распо­ложения аминокислот в белковой моле­куле (её первичной структуры) зависят все её свойства. Расшифровка принципов, на которых основан генетический код, была осуще­ствлена в 1962 Ф. Криком с сотрудника­ми в генетических опытах с мутантами одного бактериального вируса. Оказалось, что каждая тройка нуклеотидов в цепи ДНК (триплет, кодон) определяет, какая имен­но из 20 аминокислот займёт данное ме­сто в полипептидной цепи синтезируемо­го белка, т. е. каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Последующие работы позволили полностью рас­шифровать генетический код и установить его свойства.

Расшифровка генетического кода сыграла выдающуюся роль в выяснении механиз­ма биосинтеза белка.

Как показали в 1961г. французские учёные Ф. Жакоб и Ж. Моно, биосинтез белка в бактерии находится под двойным гене­тическим контролем. Ими предложена и модель оперона.

С развитием М. г. более глубоким стало понимание мутационного процесса, т. е. изменения генетической информации. Было показано, что мутации представляют собой либо замены отдельных нуклеотидов, либо вставки или выпадения нуклеотидов в молекуле ДНК. Мутации возникают как вследствие случайных ошибок при репликации ДНК, так и в результате повреждающего нуклеиновые кислоты дейст­вия различных физических и химических агентов — мутагенов.

Изучение репарации открыло новые подходы к исследованию механизма рекомбинации сцепленных (т. е. лежащих в одной хромосоме) генов, представляющей одну из причин комбинативной изменчивости, которая наряду с мутациями играет важную роль в эволюции. Классической генетикой было показано, что рекомбинация сцепленных генов происходит путём обмена гомологичных хромосом участками (кроссинговер), но тонкий механизм такого обмена оставался неизвестным. Экспериментальные данные последних лет позволяют рассматривать внутрихромосомную и внутригенную (межсайтовую) рекомбинацию как ферментативный процесс, происходящий при взаимодействии молекул ДНК. Акт рекомбинации осуществляется путём раз­рывов и соединения в новом сочетании отрезков полинуклеотидных нитей.

М. г. своими замечательными открытиями оказала плодотворное влияние на все биологические науки. Она явилась той основой, на которой выросла молекулярная биология, значительно ускорила прогресс биохимии, биофизики, цитологии, микробиологии, вирусологии, биологии развития, открыла новые подходы к пониманию происхождения жизни и эволюции органического мира.

Так, исследования в области генетики микроорганизмов наряду с решением общебиологических проблем имеют и свои специфические микробиологические задачи. Основными из них являются познания молекулярных основ наследственности и изменчивости микробов, разработка методов и принципов управления их жизнедеятельностью и получение видов микробов, полезных для человека. Применительно к задачам медицинской микробиологии генетические исследования имеют целью познание генетических основ патогенности и иммуногенных свойств микробов, получение на основе этих данных вакцинных штаммов, продуцентов антибиотиков и устранение вредоносного действия микробов.

Многочисленные исследования изменчивости микробов, несомненно, имели и имеют важнейшее практическое значение. Они дают возможность ставить более точный микробиологический диагноз инфекционных заболеваний, выбирать наиболее полноценные штаммы для производства вакцин.

В конце 80-х годов XX ст. группа ученых во главе с Д. Уотсоном (один из авторов модели ДНК) составили программу расшифровки генома человека, работы над которой начались в 1990 г. Всего на ее выполнение израсходовано около 6 млрд долларов. Наряду с этим исследовались и геномы других организмов (около 820 видов).

Первым крупным успехом стало полное картирование в 1995 г. генома бактерии Haemophilus influenzae. Позднее были полностью описаны геномы еще более 20 бактерий, среди которых возбудители туберкулеза, сыпного тифа, сифилиса и др. В 1996 г. картировали ДНК первой эукариотической клетки - дрожжей, а в 1998 г. впервые был картирован геном многоклеточного организма - круглого червя Caenorhabditis elegans. К 1998 г. установлены последовательности нуклеотидов в 30 261 гене человека, т.е. расшифрована примерно половина, как тогда считали, генетической информация человека. Полученные данные позволили впервые реально оценить функции генов в организме человека.

В декабре 1999 г. исследователи Великобритании и Японии объявили об установлении структуры 22-й хромосомы. Это была первая декодированная хромосома человека. Она содержит 33 млн пар оснований, и в ее структуре остались нерасшифрованными 11 участков (около 3% длины ДНК). Для этой хромосомы определены функции примерно половины генов, из 545 обнаруженных. Установлено, например, что с дефектами этой хромосомы связано 27 различных заболеваний, среди которых такие, как шизофрения, миелоидная лейкемия и трисомия 22 - вторая по значению причина выкидышей у бременных.

В апреле 2000 года была расшифрована структура 21 хромосомы и выявлено 225 генов. Наличие данных о числе генов в двух разных хромосомах, на долю которых приходится 2 % ДНК генома, позволило рассчитать общее число генов в кариотипе человека равным 40 000.

В феврале 2001 г. было опубликовано две предшествующих версии генома человека. Это результат многолетней работы многих ученых, которые составили две группы. Первая из них — Международный некоммерческий проект «Геном человека» — Human Genom Ргоyесt (НGP) — объединил 20 лабораторий, сотни ученых из разных стран мира. Эта группа поставила перед собой цель расшифровку генома человека и получение данных, которые могло бы стать общедоступными. Частная же компания «Целера Геномикс» (Сеlега Gеnomics) также поставила перед собой задачу расшифровки генома человека, но планировала предоставлять полученную информацию на коммерческой основе.

Обе версии содержат еще много белых пятен и неточностей, поэтому работа продолжается. Тем не менее полученные результаты разрешили сопоставить геном человека с геномами других эукариотов (дрожжей, червя, мухи дрозофилы и растения). Установлено, что последовательность генома человека, как и других эукариотов, состоит из участков, которые кодируют белки (? 2 %), участков, которые кодируют РНК (? 20 %), а свыше 50 % составляют повторяемые последовательности, которые тяжело клонируются и потому создается много пробелов.

Итак, большая часть генома человека не кодирует белки. В эту часть входят фрагменты, которые кодируют только РНК и участки ДНК повторов.

Тысячи генов у человека только транскрибируются и продуцируют РНК, которая не кодирует белок (нкРНК). Идентифицировано также около 500 генов для транспортных РНК. Пока нет полных последовательностей для рибосомальних РНК (рРНК), хотя интерес к ним очень большой учитывая их роль в образовании пептидних связей при трансляции.

Кроме того, идентифицировано около 80 маленьких ядерных РНК, которые принимают участие в сплайсинге незрелой РНК, а также почти сотня генов маленьких ядрышковых РНК, которые принимают участие в процессинге.

Гены нкРНК и псевдогены, которые образовались из них, по своим размерам являются маленькими и не делятся на группы — это специфические структурные особенности, поиск их с помощью компьютерных методов очень труден, хотя они очень распространены в геноме человека.

Дата добавления: 2014-11-29