Курсовая История развития генетики 3
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Курсовая работа на тему:
История развития генетики
Выполнил: студент группы ПиФ-112
Сорокина А.П.
Проверил: Тепляков Ю.Н.
Аннотация
Работа посвящена изучению истории развития генетики – науки о наследственности и изменчивости. Рассмотрены важнейшие процессы в развитии, важные, получившие известность открытия. Некоторое внимание уделено изучению отношения к генетике, как к науке, в России.
Ключевые слова: генетика, наследственность, изменчивость, генотип, фенотип, ген, геном, ДНК, РНК, белки, ферменты.
Содержание
Введение. 3
1. Глава первая. Зарождение науки и «эра классической генетики». 3
1.1. Зарождение науки.. 3
1.2. «Эра классической генетики». Примерная хронология. 3
1.3. Опыты Г.Менделя. 3
1.4. Хромосомная теория наследственности: зарождение и развитие. 3
1.5. Гены 3
1.6. Краткие итоги 3
2. Глава вторая. Современный этап генетики или «эра ДНК» и «геномная эра». 3
2.
2.1. Примерная хронология. 3
2.2. История изучения ДНК.. 3
2.3. Механизм реализации генетической информации.. 3
2.4. Проект „Геном человека“. 3
2.5. the 1000 Genomes Project 3
2.6. Краткие итоги 3
3. Глава третья. Немного об особенностях развития генетики в России. 3
Приложения. 3
Введение
Гене́тика (от греч. γενητως — происходящий от кого-то) — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.
Генетика — одна из главных теоретических основ селекции, и потому ее прогресс способствует повышению плодородия полей, продуктивности животноводства, а в целом успешному разрешению продовольственной проблемы. С генетикой связаны также надежды в борьбе за здоровье человека, главным образом за счет ранней диагностики, профилактики и эффективного лечения наследственных болезней.[1]
Термин «генетика» ввёл в 1905 английский натуралист Уильям Бэтсон в письме к Адаму Сэджвику. В 1906 г. термин введён публично.
Первоначально генетика изучала общие законы наследственности и изменчивости на основании фенотипических данных.
Понимание механизмов наследственности, то есть роли генов как элементарных носителей наследственной информации, хромосомная теория наследственности и т. д. стало возможным с применением к проблеме наследственности методов цитологии, молекулярной биологии и других смежных дисциплин.
Генетика прошла долгий путь развития от опытов Менделя (и его предшественников) до масштабных международных проектов по расшифровке последовательностей нуклеотидов в ДНК(секвенированию), таких как «Геном человека» и «the 1000 Genomes Project»
Сегодня известно, что гены реально существуют и являются специальным образом отмеченными участками ДНК или РНК — молекулы, в которой закодирована вся генетическая информация. Известны белки, кодируемые отдельными генами и их роль в организме человека.
Мне было интересно, с чего всё начиналось, и какие этапы прошла генетика на пути своего становления, почему я и приступила к выполнению этой работы, цель которой: проследить путь развития одной из самых, на мой взгляд, интересных наук – генетики.
В ходе работы я постаралась рассмотреть наиболее значимые открытия и процессы, определяющие эволюцию и прогресс этой науки.
Глава первая. Зарождение науки и «эра классической генетики».
Зарождение науки
Родоначальником генетики, её «отцом», считается Г.Мендель. В ходе работ, выполнявшихся в период с 1856 по 1863 г. им были раскрыты основы законов наследственности, что и явилось основой генетики. Годом «рождения» генетики считается 1900, когда законы Менделя были переоткрыты сразу тремя учёными: в Голландии Дэ Фризом, в Германии Корренсом, в Австрии - Чермаком. Однако зарождение её произошло несколько раньше – о чём рассказывает нам Л.Я. Бляхер (История биологии (с начала ХХ века до наших дней) – М.: Наука, 1975. – 660 с.):
Опыты по гибридизации растений.
Накопление сведений о наследуемых признаках
Попытки понять природу передачи признаков по наследству от родителей детям предпринимались еще в древности. Размышления на эту тему встречаются в сочинениях Гиппократа, Аристотеля и других мыслителей. (Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения к другому. Отбирая определённые организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами. На вавилонских глиняных табличках указывались возможные признаки при скрещивании лошадей.[2]) В XVII–XVIII вв., когда биологи начали разбираться в процессе оплодотворения и искать, с каким началом – мужским или женским – связана тайна оплодотворения, споры о природе наследственности возобновились с новой силой. Знаменитая борьба преформистов («анималькулистов» и «овистов») немало способствовала выяснению природы этого процесса у животных. У растений половая дифференциация была открыта Р. Я. Каммерариусом (1694), обнаружившим в опытах со шпинатом, коноплей и кукурузой, что для завязывания плодов необходимо опыление.
Тем самым к концу XVII в. была подготовлена научная почва для начала опытов по гибридизации растений. Первые успехи в этом направлении были достигнуты в начале XVIII в. Полагают, что первый межвидовой гибрид получил англичанин Т. Фэйрчайлд при скрещивании гвоздик Dianthus
barbatus и D
.
caryophyllus
. С получением других гибридов практика гибридизации стала расширяться, но ботаники еще продолжали считать спорным вопрос о наличии двух полов у растений и их участии в оплодотворении. В 1759 г. Петербургская Академия наук для выяснения этого вопроса объявила даже специальный конкурс. Премии за работу «Исследование пола у растений» («Disquisitio de sexu plantanun») был удостоен в 1760 г. К. Линней, получивший межвидовой гибрид козлобородников (Tragopogon), легко дающих помеси в естественных условиях. Однако сути гибридизации и роли пыльцы в скрещивании Линней не понял. Научно обоснованное решение этого вопроса было достигнуто в опытах члена Российской Академии наук И. Г. Кельрейтера.
В 1760 г. Кельрейтер начал первые тщательно продуманные опыты по изучению передачи признаков при скрещивании растений. В 1761–1766 гг., почти за четверть века до Л. Спалланцани, изучавшего проблему скрещивания на животных объектах, Кельрейтер в опытах с табаком, дурманом и гвоздиками показал, что после переноса пыльцы одного растения на пестик другого растения, отличающегося по своим морфологическим признакам, образуются завязи и семена, дающие растения со свойствами, промежуточными по отношению к обоим родителям. В результате Кельрейтер пришел к выводу фундаментальной важности: в формировании потомства и передаче признаков, прослеживаемых у потомков, принимают участие оба родительских организма. Кельрейтер ввел также метод обратных скрещиваний с одним из исходных родителей, благодаря чему ему удалось доказать наследование признаков и равноправие мужских и женских элементов в формировании дочерних особей. Точный метод скрещивания, разработанный Кельрейтером, обусловил быстрый прогресс в изучении наследственной передачи признаков.
В конце XVIII – начале XIX в. английский селекционер-растениевод Т. Э. Найт, проводя скрещивания различных сортов, столкнулся с проблемой сочетания признаков родителей у потомков. Подбирая разные пары для скрещиваний, он обнаружил, что каждый сорт характеризуется комплексом присущих ему мелких признаков. Число признаков, которыми два сорта отличаются друг от друга, тем больше, чем меньше степень их родства. Важным выводом Найта явилось обнаружение неделимости мелких признаков при различных скрещиваниях. Дискретность наследственного материала, провозглашенная еще в древности, получила в его исследованиях первое научное обоснование. Найту принадлежит заслуга открытия «элементарных наследственных признаков».
Дальнейшие существенные успехи в развитии метода скрещиваний связаны с французской школой селекционеров, особенно с ее наиболее яркими представителями – О. Сажрэ и Ш. Нодэном. Интересы обоих ученых формировались под непосредственным влиянием Кельрейтера и Найта. Они сделали шаг вперед в отношении подбора объектов исследований, целиком перейдя к опытам с относительно быстро развивающимися растениями (овощными культурами), вегетационный цикл которых ограничивается несколькими месяцами. Излюбленными объектами Сажрэ и Нодэна стали представители семейства тыквенных.
Крупнейшим достижением Сажрэ явилось обнаружение феномена доминантности. При скрещивании сортов, различающихся наследственными задатками, он нередко наблюдал подавление признака одного родителя признаком другого. Это явление в максимальной степени проявлялось в первом поколении после скрещивания, а затем подавленные признаки снова выявлялись у части потомков следующих поколений. Тем самым Сажрэ подтвердил, что элементарные наследственные признаки при скрещиваниях не исчезают. К этому же выводу вполне самостоятельно пришел и Нодэн в 1852–1869 гг. Но Нодэн пошел еще дальше, приступив к количественному изучению перекомбинации наследственных задатков при скрещиваниях. Видимо, он сознавал, что именно количественное описание результатов скрещиваний может дать в руки исследователей ту нить, которая позволит разобраться в сути процессов, развертывающихся при гибридизации. Однако на этом пути Нодэна ждало разочарование. Неверный методический прием – одновременное изучение большого количества признаков – привел к такой путанице в результатах, что он был вынужден отказаться от своей попытки. Немалую долю неопределенности в трактовку полученных результатов внесли и объекты, использовавшиеся Нодэном: он еще не смог уяснить роль самоопылителей в проведении таких опытов. Недостатки, присущие опытам Нодэна и его предшественников, были устранены в работе Г. Менделя.[3]
«Эра классической генетики». Примерная хронология
• 1865 Грегор Мендель делает доклад «Опыты над растительными гибридами»
• 1869 Фридрих Мишер открыл главную составную часть ядер, названную им нуклеином (Nuclein)
• 1903 Высказано предположение о том, что хромосомы являются носителями наследственности.
• 1905 Уильям Бэтсон в письме к Адаму Сэджвику вводит термин генетика.
• 1908 Открыт закон Харди-Вайнберга.
• 1910 Томас Хант Морган доказывает, что гены расположены в хромосомах.
• 1913 Альфред Стертевант составляет первую генетическую карту хромосомы.
• 1918 Рональд Фишер публикует работу «On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance», которая знаменует начало работ по созданию Синтетической теории эволюции.
• 1927 Для обозначения изменений в генах введен термин мутация.
• 1928 Фредерик Гриффит обнаруживает молекулу наследственности, которая передаётся от бактерии к бактерии (Эксперимент Гриффита)
• 1931 Кроссинговер как причина рекомбинации (Барбара Мак-Клинток)
• 1941 Эдвард Тейтем и Джордж Бидл показывают, что в генах закодирована информация о структуре белков.[4]
Опыты Г.Менделя
В 1856–66 годах чешским монахом Грегором Менделем были поставлены знаменитые опыты, результатом которых стало появление новой науки – генетики. Объектом для экспериментов был выбран огородный горох, так как существует множество его сортов, чётко различающихся по ряду признаков; растения легко выращивать и скрещивать. Успех Менделя объясняется тщательным планированием и аккуратным проведением экспериментов, а также наличие большого количества опытов, позволявших получить статистически достоверные сведения.
Для своих первых опытов Мендель выбирал растения, чётко различающиеся по какой-либо паре признаков, например, по расположению цветов («пазушные» или «верхушечные»). Выращивая растения каждого типа на протяжении нескольких поколений, Мендель убедился в их пригодности для проведения эксперимента. Мендель проводил скрещивание – опылял растения одного типа пыльцой растений другого типа. Ряд предосторожностей (например, удаление тычинок у цветков, которые впоследствии опылялись, и надевание колпачков на цветы, чтобы избежать дополнительного опыления со стороны других растений) позволили получить достоверные результаты. Во всех случаях из семян, собранных с этих гибридов, вырастали растения с пазушными цветками. Признак «пазушные цветки», наблюдаемый у гибридов первого поколения, был назван доминантным, признак «верхушечные цветки» – рецессивным.
Далее растениям первого гибридного поколения была предоставлена возможность самоопылиться. Во втором гибридном поколении у части растений образовались пазушные цветки, а у другой части – верхушечные. Мендель предположил, что признак «верхушечные цветки» присутствовал и в первом поколении, но в скрытом виде. Во всех подобных опытах, проведённых с какой-либо парой признаков, примерно три четверти гибридов второго поколения обладали признаком, проявлявшимся и в первом поколении гибридов (его назвали доминантным), а четверть потомства второго поколения обладала признаком, не проявившимся у гибридов первого поколения (рецессивным). Важно, что чем больше опытов было поставлено, тем ближе был полученный результат к отношению 3:1.
На основании этой серии опытов были сделаны следующие выводы:
- У родительских растений было по два одинаковых «фактора» (например, «пазушные цветки» либо «верхушечные цветки»).
- Гибриды первого поколения получили по одному фактору от каждого родителя, причём эти факторы не слились, а сохранили свою индивидуальность.
Таким образом, был сформулирован закон расщепления (первый закон Менделя).
Признаки данного организма детерминируются парами внутренних факторов (генов). Второе поколение потомков от моногибридного скрещивания примерно на четверть состоит из особей с рецессивным признаком.
<…>
В описанных опытах проводилось моногибридное скрещивание – брались особи, различавшиеся только по одному признаку. В дальнейшем Мендель перешёл к изучению дигибридного скрещивания, когда по той же методике ставились опыты над чистосортными (гомозиготными) особями, различающимися по двум признакам (например, жёлтые и зелёные семена, морщинистые и гладкие семена). В результате, во втором поколении могли получиться особи с семенами четырёх типов: жёлтые и гладкие, жёлтые и морщинистые, зелёные и гладкие, зелёные и морщинистые. Соотношение разных фенотипов во втором поколении составило примерно 9:3:3:1(Приложение 2). При этом для каждой пары признаков приближённо выполнялось соотношение 3:1. На основании этого Мендель вывел принцип независимого распределения (второй закон Менделя).
Каждый признак из одной пары признаков может сочетаться с любым признаком из другой пары. При этом пары признаков распределяются по потомкам независимо одна от другой.
Схему дигибридного скрещивания удобно записывать в специальной таблице – так называемой решётке Пеннета; при этом количество возможных ошибок при определении генотипа потомства сводится к минимуму. Все генотипы мужских гамет вносятся в заголовки вертикальных столбцов, а все генотипы женских гамет – в заголовки горизонтальных. Если вернуться к примеру с семенами гороха, то можно выяснить, что вероятность появления во втором поколении особей с гладкими семенами (доминантный аллель) равняется 3/4, с морщинистыми семенами – 1/4 (рецессивный аллель), с жёлтыми семенами – 3/4 (доминантный аллель) и с зелёными семенами – 1/4 (рецессивный аллель). Таким образом, вероятности сочетания аллелей в генотипе равны:
- гладкие и жёлтые – 9/16 (3/4 ∙ 3/4);
- гладкие и зелёные – 3/16 (3/4 ∙ 1/4);
- морщинистые и жёлтые – 3/16 (1/4 ∙ 3/4);
- морщинистые и зелёные – 1/16 (1/4 ∙ 1/4);
Законы Менделя не были восприняты мировым научным сообществом. В 1900 году Хуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих Чермак независимо друг от друга заново открыли законы Менделя, сформулировав их в форме, близкой к современной.[5]
Современные формулировки законов Менделя:
1-й закон Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения.
При скрещивании гомозигот все гибриды первого поколения единообразны по генотипу и фенотипу.
Правило чистоты гамет.
При гаметогенезе у гетерозигот в каждую из гамет с равной вероятностью переходит один из двух аллелей
2-й закон Менделя – закон расщепления.
При моногибридном скрещивании гетерозигот примерно четвертая часть их потомков обладает рецессивным вариантом признака.
3-й закон Менделя – закон независимого наследования отдельных признаков.
Отдельные признаки наследуются независимо друг от друга, если гены, отвечающие за развитие этих признаков, не сцеплены между собой.
Условия выполнения законов Менделя
Законы И. Менделя являются фундаментальными законами генетики (подобно законам Ньютона в физике). Однако они (как и любые законы природы) выполняются только при наличии определенных условий:
1. Подразумевается моногенное наследование. Это означает, что за один признак отвечает один ген. Тогда выстраивается логическая цепочка: «один ген – один полипептид; один полипептид – один фермент; один фермент – одна реакция; одна реакция – один признак».
2. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В) не влияют друг на друга, не взаимодействуют между собой.
3. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В), не сцеплены между собой, а сочетания их аллелей образуются случайным образом в равных соотношениях.
4. Выполняется правило чистоты гамет (правило чистоты гамет не является законом).
5. Равновероятность встречи гамет и образования зигот.
6. Жизнеспособность особей не зависит от их генотипа и фенотипа.
7. Законы Менделя носят статистический характер: отклонение от теоретически ожидаемого расщепления тем меньше, чем больше число наблюдений.
8. Каждому генотипу соответствует определенный фенотип (100%-ная пенетрантность признаков).
9. У всех особей с данным генотипом признак выражен в равной степени (100%-ная экспрессивность признаков).
10. Изучаемые признаки не сцеплены с полом.
При несоблюдении перечисленных условий наследование признаков приобретает более сложный характер.[6]
Хромосомная теория наследственности: зарождение и развитие
Своими исследованиями Мендель определил развитие науки на десятилетия. В 60-е годы XIXв о наследственности и наследовании признаков создавались самые невероятные теории. Ученые лишь шаг за шагом приближались к истине, хотя и с другого направления. В 1875 г. Оскар Гертвиг описал процесс оплодотворения как соединения двух клеток. Обобщив исследования, касающиеся деления клеток, Август Вейсман назвал носителями наследственных свойств ядра клеток. Изучение хромосом привело к предположениям о том, как могут распределяться наследственные факторы между двумя клетками. Эти «цветные тельца» в клеточном ядре были открыты Фридрихом Антоном Шнейдером в 1873 г. Вскоре выяснилось, что у каждого определенного вида растений и животных число хромосом одинаково. В 1883 г. Эдуард Ван Бенеден заметил, что в половых клетках их в два раза меньше. При их соединении получается двойной набор хромосом, характерный для взрослых индивидуумов. Так, в начале нашего века эмбриология и цитология заложили надежную основу для исследования материальных носителей наследственности. Оставалось только «открыть генетику». Это сделали Карл Эрих Корренс, Хуго Де Фриз и Эрих Чермак, работавшие соответственно в Германии, Нидерландах и Австрии.
В 1900 г. эти трое ученых опубликовали независимо друг от друга результаты исследований по скрещиванию растений. Чемрак обнаружил забытую работу Менделя, и она была вновь напечатана в 1901 г. Вскоре после этого два цитолога, Уолтер Сеттен и Теодор Бовери, показали, что законы Менделя очень хорошо объясняют распределение хромосом при делении клеток. Так медленно набирала темпы хромосомная теория наследственности.
В первое десятилетие нашего века развитие генетики происходило довольно бурно. При исследовании наследственности умело пользовались математической статистикой, но мало интересовались биологической стороной вопроса, искали средние показатели количественных признаков и отклонения от них. Позже стало понятно, что эти признаки определяются большим числом генов и их анализ крайне затруднителен. Однако в 1908 г. Уильям Бетсон и его сотрудник Р. Пеннет, исследуя парные признаки, установили, что их распределение не согласуется с законами Менделя. Молодая наука генетика попала в кризисную ситуацию.
Эти противоречия, в сущности, стали началом нового открытия. И его сделал Томас Морган, профессор экспериментальной зоологии Колумбийского университета в Нью-Йорке. Он сумел объединить данные статистики и результаты исследования процессов, происходящих в клетках. В 1908 г. Морган начал генетическое изучение плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это маленькое насекомое идеально подходит для генетических исследований: у мушки 4 хромосомы, она начинает размножаться через 2 недели после появления на свет, и ее легко изучать в течение жизни, продолжительность которой 3 месяца. Морган и его коллеги по Колумбийскому университету пришли к убеждению, что хромосомы действительно напрямую связаны с наследственностью.
Результаты некоторых проведенных Морганом экспериментов по разведению плодовой мушки, казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования. Группа, руководимая Морганом, установила, что некоторые признаки, очевидно, связаны между собой. Иными словами, их сочетание встречается у потомков чаще, чем предполагают статистические законы Менделя. Так, например, белоглазость – мутантный признак – почти всегда встречалась только у самцов. Морган назвал это явление сцеплением с полом. Тенденция к сцеплению подсказала Моргану, что гены, по-видимому, располагаются в тесной близости друг к другу на одной и той же хромосоме. Были обнаружены четыре такие сцепленные группы генов у плодовой мушки, которые соответствовали четырем ее парам хромосом.[7]
Благодаря цитолого-генетическим экспериментам <…> удалось установить участие некоторых хромосом в определении пола. У дрозофилы, например, наряду с тремя парами хромосом (аутосом), не имеющих отношения к определению пола, была обнаружена пара половых хромосом. Половые хромосомы, в свою очередь оказались двух типов – длинные палочковидные Х-хромосомы и маленькие изогнутые Y-хромосомы. Их сочетаниями и определяется пол мухи. Дальнейшие эксперименты показали, что у дрозофилы, как и у большинства млекопитающих (в том числе человека), амфибий, рыб и большинства растений попадание в зиготу двух Х-хромосом приводит к формированию женской особи, объединение же одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы дает начало мужской особи. Следовательно, все женские гаметы одинаковы – они несут по одной Х-хромосоме; мужские особи дают гаметы двух типов: половина содержит Х-хромосому, половина – Y-хромосому. Поэтому при оплодотворении половина зигот получает набор хромосом XX, а половина – XY, и отношение полов равняется 1:1.
У большинства птиц, насекомых и части растений определение пола происходит иным образом: мужской пол получается от сочетания двух Х-хромосом; женский пол характеризуется сочетанием Х- и Y-хромосом.[8]
В начале 1912 г. к группе исследователей, работавших вместе с Морганом, в «мушиной комнате», присоединились два студента Колумбийского университета – Альфред Х. Стертевант и Кальвин Б.Бриджис. Спустя два года их примеру последовал студент-выпускник Герман Дж. Меллер. К своему удивлению, Морган и его сотрудники отмечали, что гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались вместе реже, чем этого можно было ожидать. В большинстве клеток организма имелось по две хромосомы каждого типа, и Морган подозревал, что хромосомы в паре могут расщепляться и рекомбинировать, тем самым позволяя производить обмен генами. Эта мысль подтверждалась полученными под микроскопом данными переплетающихся хромосом, которые, по мнению впервые наблюдавшего их в 1909 г. бельгийского ученого Ф. А. Янсена, могли обмениваться между собой своими участками.
Чем больше расстояние между двумя генами в одной хромосоме, рассуждал Морган, тем больше вероятность разрыва. Если это так, то гены не будут наследоваться вместе. И наоборот, гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов быть разделенными. Уже в 1911 г. Стертевант осознал, что степенью сцепления двух генов в хромосоме может служить величина линейного расстояния между ними. Представление о том, что гены локализуются в хромосоме в специфической линейной последовательности и, далее, что основу сцепления составляет близость двух генов на хромосоме, можно отнести к числу основных достижений генетической теории.
Замечательное открытие Моргана дало мощный толчок развитию генетики. Молодая наука обогатилась первыми теоретическими обоснованиями и получила признание в мире ученых. Морган получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1933 г. «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности».
С развитием концепции гена стало ясно, что в основе мутации лежат какие-то химические изменения в веществе – носителе наследственной информации. (Различают три уровня организации наследственных структур: генный, хромосомный и геномный. Соответственно этому может быть три типа мутаций. Если изменение возникает на молекулярном уровне с ДНК, то мутация называется генной. Если изменяется структура хромосом, то говорят о хромосомных мутациях. В случае изменения числа хромосом речь идет о мутациях геномных.[9]) Этот вопрос был подробно изучен Германом Дж. Меллером, который со студенческих лет начал работать в группе Моргана. Он выяснил, что большинство мутаций вредны и смертельны. Что скорость мутации не зависит от окружающих факторов и мутации происходят с постоянной скоростью, независимо от необходимости в них. В 1926 г. Меллер обнаружил, что рентгеновские лучи увеличивают скорость мутации в сотни и тысячи раз по сравнению с нормой. Эти эксперименты положили начало радиобиологии.
Открытие, согласно которому наследственность и эволюция могут преднамеренно изменяться в лабораторных условиях, вызвало сенсацию. Меллер внезапно стал известным и почитаемым. В 1934 г. он принял приглашение Н.И.Вавилова, директора Института растениеводства Академии наук СССР, приехать в Ленинград в качестве ведущего генетика для проведения исследований мутаций генов. В 1946 г. Меллеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения».
Хромосомная теория наследственности явилась высшим достижением генетики. Хромосомные карты и возможность создания искусственных мутаций с помощью радиации или химических мутагенов оказалась мощным оружием в руках селекционеров. Благодаря ему чисто интуитивный искуственный отбор, осуществляемый в течение тысячелетий, превратился в точную науку, и это позволило неимоверно ускорить создание новых сортов. В 50-60-е годы были получены новые высокоурожайные культуры; результат их внедрения оказался столь впечатляющим, что в мире заговорили о «зеленой революции».[10]
Гены
По статье В. В. Велькова «Опять актуален вопрос: что такое ген?» (http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
Один ген — один признак
Создатель генетики, монах августинского монастыря Георг Иоанн Мендель, слова „ген“ не знал. Но благодаря результатам своих чётко продуманных и безупречных опытов пришёл к выводу, что у организмов существуют какие-то дискретные наследственные факторы, определяющие дискретные морфологические признаки. Гениальный и дерзкий труд смиренного монаха, опубликованный в 1866 г., остался незамеченным.
В 1900 г законы Менделя были переоткрыты <…> Но термин „ген“ предложил датский исследователь Вильгельм Иоганнсен. В 1909 г он написал: „свойства организмов обуславливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами. В настоящее время нельзя составить никакого определённого представления о природе генов; мы можем лишь довольствоваться тем, что подобные элементы действительно существуют. Не являются ли они химическими образованиями — об этом мы пока не знаем решительно ничего“. Что ж, в 1909 г Иоганнсен действительно не знал, что ещё в 1902 г английский врач А. Гаррод, исследуя родословные семей, пришёл к выводу, что алкаптонурия, болезнь, связанная с нарушением обмена веществ (нарушением „биохимии“, то есть), передаётся по наследству. К открытию английского врача судьба была не более благосклонна, чем к открытию католического монаха — оно было признано и оценено через 30 лет.
Один ген — одна биохимическая реакция
Когда мы говорим о том, что такое ген, будем различать его структуру и его функции. Структура — из чего и как организован ген, функция, — что и как он делает. Из работ Георга Менделя следует, что функция гена — определение морфологического признака. Сэр Арчибальд Гаррод, работая врачом в госпитале для больных детей и „демонстратором“ химической патологии в больнице Св. Варфоломея, обнаружил, что алкаптонурия вызывается повреждением одного рецессивного гена и что болезнь проявляется, согласно анализу родословных, когда мутантный аллель находится в гомозиготном состоянии. Отсюда был сделан вывод, что повреждение одного гена вызывает отсутствие одной биохимической реакции. А раз биохимические реакции катализируются ферментами то, предположил сэр Арчибальд, ген предопределяет наличие активного фермента. А отсюда рукой подать до вывода „один ген — один фермент“. Но он был сделан только через 30 лет. Детский врач А. Гаррод публиковал свои результаты в самом респектабельном, но медицинском журнале „Lancet“ — генетики его не читают.
Один ген — один фермент
В 1935 г Джордж Бидл и Борис Эфрусси изучали, как мутации в генах плодовых мушек дрозофил влияют на окраску их глаз и обнаружили, что различные мутации приводят к прекращению синтеза различных предшественников в пути биосинтеза глазного пигмента. Был сделан вывод: в норме гены обеспечивают наличие ферментов, осуществляющих биохимические реакции.
В 1940 г Дж. Бидл и Эдвард Татум использовали новый подход для изучения того, как гены обеспечивают метаболизм у более удобного объекта исследований — у микроскопического грибка Neurospora crassa. Ими были получены мутации, у которых отсутствовала активность того или иного фермента метаболизма. А это приводило к тому, что мутантный гриб был не способен сам синтезировать определённый метаболит (например, аминокислоту лейцин) и мог жить только тогда, когда лейцин был добавлен в питательную среду. Сформулированная Дж. Бидлом и Э. Татумом теория „один ген — один фермент“ — быстро получила широкое признание у генетиков, а сами они были награждены Нобелевской Премией.
Методы селекции так называемых „биохимических мутаций“, приводящих к нарушениям действия ферментов, обеспечивающих разные пути метаболизма, оказались очень плодотворными не только для науки, но и для практики. Сначала они привели к возникновению генетики и селекции промышленных микроорганизмов, а потом и к микробиологической промышленности, которая использует штаммы микроорганизмов, сверх продуцирующие такие стратегически важные вещества, как антибиотики, витамины, аминокислоты и др.. В основе принципов селекции и генной инженерии штаммов сверхпродуцентов лежит представление, что „один ген кодирует один фермент“. И хотя это представление отлично работает на практике, приносит многомиллионные прибыли и спасает миллионы жизней (антибиотики) — оно не является окончательным. Один ген — это не только один фермент.[11]
Краткие итоги
Итак, в своем развитии генетика прошла ряд этапов.
Первый этап ознаменовался открытием Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкой гибридологического метода, изучения наследственности, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.
Значение открытий Г. Менделя оценили после того, как его законы были вновь переоткрыты в 1900 г. тремя биологами независимо друг от друга. Результаты гибридизации, полученные в первое десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).
Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена — величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии.
В 1901 —1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную теорию изменчивости, которая сыграла большую роль в дальнейшем развитии генетики.
Важное значение имели работы датского ботаника В. Иоганнсена, который изучал закономерности наследования на чистых линиях фасоли.
Он сформулировал также понятие “популяциям (группа организмов одного вида, обитающих и размножающихся на ограниченной территории), предложил называть менделевские “наследственные факторы” словом ген, дал определения понятий “генотип” и “фенотип”.
Второй этап характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне (питогенетика). Т. Бовери (1902—1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902—1907) установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз).
Развитие учения о клетке привело к уточнению строения, формы и количества хромосом и помогло установить, что гены, контролирующие те или иные признаки, не что иное, как участки хромосом. Это послужило важной предпосылкой утверждения хромосомной теории наследственности.
Решающее значение в ее обосновании имели исследования, проведенные на мушках дрозофилах американским генетиком Т. Г. Морганом и его сотрудниками (1910—1911).
Ими установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Число групп сцепления генов соответствует числу пар гомологичных хромосом, и гены одной группы сцепления могут перекомбинироваться в процессе мейоза благодаря явлению кроссинговера, что лежит в основе одной из форм наследственной комбинативной изменчивости организмов. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.
Третий, современный этап развития генетики отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук — физики, химии, математики, биофизики и др. — в изучении явлений жизни на уровне молекул. Его изучением мы и займемся далее.
Глава вторая. Современный этап генетики или «эра ДНК» и «геномная эра»
Примерная хронология
Эра ДНК
• 1944 Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти изолируют ДНК (тогда его называли трансформирующим началом (transforming principle)).
• 1950 Эрвин Чаргафф показывает, что, хотя доля нуклеотидов в ДНК не постоянна, наблюдаются определённые закономерности (например, что количество аденина, A, равно количеству тимина, T) (Правило Чаргаффа). Барбара Мак-Клинток обнаруживает транспозоны у кукурузы.
• 1952 Эксперимент Херши—Чейз доказывает, что генетическая информация бактериофагов (и всех других организмов) содержится в ДНК.
• 1953 Структура ДНК (двойная спираль) расшифрована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью Розалин Франклин
• 1956 Jo Hin Tjio и Алберт Леван впервые верно устанавливают Хромосомное число человека: 46 хромосом в диплоидном наборе.
• 1958 Эксперимент Мезельсона—Шталя показывает, что удвоение ДНК носит полуконсервативный характер.
• 1961 Выяснено, что генетический код состоит из триплетов.
• 1964 Говард Тёмин на примере РНК-содержащих вирусов показал, что центральная догма Уотсона не всегда верна.
• 1970 При изучении бактерии Haemophilius influenzae обнаружены ферменты рестриктазы, которые позволяют вырезать и встраивать участки молекул ДНК.[12]
Геномная эра
• 1977 ДНК секвенирована впервые независимо Фредериком Сенгером, Уолтером Гилбертом и Алланом Максемом. Лаборатория Сенгера полностью секвенирует геном бактериофага Φ-X174;.
• 1983 Кэри Бэнкс Мёллис открывает Полимеразную цепную реакцию, открывающую возможности простой и быстрой амплификации ДНК.
• 1989 Впервые секвенирован ген человека (Фрэнсис Коллинс и Лап-Че Цуи). Ген кодирует белок CFTR. Дефекты в последовательности гена приводят к развитию опухолей .
• 1995 Впервые полностью секвенирован геном организма невирусной природы — бактерии Haemophilus influenzae.
• 1996 Впервые полностью секвенирован геном эукариотного организма — пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
• 1998 Впервые полностью секвенирован геном многоклеточного эукариотного организма — нематоды C. elegans.
• 2001 Обнародованы первые наброски полной последовательности генома человека одновременно Проектом «Геном человека» (Human Genome Project) и Celera Genomics.
• 2003 (14 апреля) Проект «Геном человека» успешно завершён: 99 % генома секвенировано с точностью 99.99%.
• 2008 Стартовал международный проект по расшифровке геномов 1000 человек.[13]
История изучения ДНК
ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.[14]
Разработка методов выделения и изучение химического состава нуклеиновых кислот были продолжены в лабораториях А. Косселя, У. Джонса, П. Левина, О. Гаммерстена, Дж. Гулланда и др.
Усилиями этих ученых и их сотрудников удалось установить, что в природе существует два типа нуклеиновых кислот. Один из них содержит два пурина – аденин и гуанин, два пиримидина – цитозин и тимин, остатки дезоксипентозы и фосфорной кислоты. Другой вместо тимина содержит урацил, а вместо дезоксипентозы – пентозу. Так как дезоксипентозонуклеиновые кислоты (в современной терминологии – дезоксирибонуклеиновые кислоты, ДНК) выделяли в основном из тимуса теленка, а пентозонуклеиновые кислоты (рибонуклеиновые кислоты, РНК) – из дрожжей и растений, то долгое время существовала уверенность в том, что ядра клеток животных содержат только ДНК, а ядра клеток растений – только РНК. И лишь к середине 1930-х годов было доказано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положения принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. С развитием методов цитохимии и гистохимии (Т. Касперссон, Ж. Браше и др.), а также методов фракционирования субклеточных структур (А. Даунс, А. Мирский, Дж. Паладе и др.) к концу 1940-х годов было установлено, что ДНК локализуется преимущественно в ядре, а РНК–в цитоплазме клеток.[15]
Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (Эксперимент Херши—Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.[16]
К началу 1950-х годов были завершены работы по изучению принципов химического строения нуклеиновых кислот (А. Тодд, В. Кон и сотр.), когда было установлено строение их мономеров – нуклеозидов и нуклеотидов, и доказано, что и в ДНК, и в РНК нуклеотидные остатки связаны 3'–5'-фосфодиэфирной связью. К этому же времени с помощью бумажной хроматографии были выяснены основные закономерности нуклеотидного состава ДНК и РНК (Э. Чаргафф и сотр.). В частности, было показано, что в ДНК аденин и тимин, гуанин и цитозин всегда содержатся в равных количествах; это имело принципиальное значение при установлении ее макромолекулярной структуры.[17]
Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.[18]
Чтобы понять точное воспроизведение наследственности из поколения в поколение, надо было расшифровать механизм точного удвоения (репликации) ДНК. Ведь наследственность копируется без ошибок (кроме редких мутаций). Надежность точного воспроизведения молекулы молекулой давала модель Уотсона и Крика. Если нити ДНК разъединить (расплести), то на каждой из них может синтезироваться зеркальная копия, в которой аденин соединяется с тимином водородными связями, а гуанин с цитозином также водородными связями. А это и создает две точные копии одной исходной молекулы. Казалось бы, вопрос решен, но изучение ДНК на этом не закончилось.[19]
Через пять лет М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, а несколько раньше (1956) А. Корнберг открыл фермент ДНК-полимеразу, который на расплетенных цепях, как на матрицах, синтезирует новые, комплементарные им цепи ДНК.[20]
Механизм реализации генетической информации
Но ведь явление наследственности — это не только передача наследственной информации, но и ее реализация в признак. Открытие ДНК и расшифровка ее структуры еще не давали убедительных объяснений ее функциям или механизмам реализации генетической информации.[21]
В 1953 г американский генетик Сеймур Бензер, исследуя особенности рекомбинации между двумя различными мутантами бактериофага Т4, одновременно заражавших кишечную палочку Escherichia coli, установил, что ген — это линейная структура, кодирующая синтез одного полипептида, а функциональный белок может состоять из нескольких полипептидов, при этом полипептиды в индивидуальном виде свою функцию, например, ферментативную, выполнять не могут за исключением случаев, когда функциональный белок (фермент, например) состоит из одной полипептидной цепи.
После обнаружения, что наследственные признаки определяются именно ДНК, сделанного в 1928 г Ф. Гриффитом и О. Эвери, и подтверждённого Ч. Мак-Леодом и М. Мак-Карти в 1944 г, а так же после открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г того, что ДНК — это линейная двунитевая молекула, стало ясным, что
ген — это участок ДНК, в котором последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.
Участок ДНК, в котором расположена нуклеотидная последовательность, кодирующая единый полипетид иногда называется цистроном (от наименования т. н., „цистранс теста“, с помощью которого С. Бензер сделал своё открытие). Кроме этого названия употребляется так же термин „структурный ген“, ибо ген кодирует структуру белковой молекулы.[22]
<…> в период интенсивного внимания к изучению ДНК (50-е годы) было уже ясно, что, во-первых, гены отвечают за синтез фермента или белка и, во-вторых, аминокислоты в белке расположены в определенной последовательности (первичная структура белка). После выяснения строения ДНК сам собой напрашивался вопрос: если белковая молекула состоит из строгой последовательности аминокислот, а ДНК — из строгого чередования нуклеотидов, то нельзя ли экстраполировать структуру ДНК на структуру белка?
Оказалось — можно. И новая блестящая глава была вписана в генетику: это расшифровка генетического кода, или молекулярная азбука наследственности. Над этой задачей трудились такие известные ученые, как Г. Гамов, С. Очоа, А Корнберг, Ф. Крик, М. Ниренберг и другие. <…> Основной вывод по генетическому коду предельно ясный: три нуклеотида (триплет ДНК) в определенном сочетании отвечают за присоединение конкретной аминокислоты при синтезе белка. Сочетания нуклеотидов для всех аминокислот теперь хорошо известны, так же, как и общие характеристики генетического кода (универсальность, вырожденность и т. п.).
<...> Как бы подробно ни изучалась ДНК, все еще оставался неясным вопрос о тех событиях, которые совершаются между нею как носителем наследственной информации и синтезируемым белком, точнее, между триплетом ДНК и аминокислотой. Естественно, напрашивалось предположение, что между кодом генетической информации (ДНК) и ее продуктом (белок) должны существовать некие промежуточные молекулы. На основе таких рассуждений была сформулирована гипотеза промежуточных молекул. Но недостаточно сформулировать гипотезу, надо было найти доказательства. И они были найдены.
В конечном счете возник постулат о нескольких типах РНК как промежуточных молекулах: информационной, рибосомной и транспортной.
Основную смысловую нагрузку в процессе передачи информации несет матричная (ее называют также информационной) РНК. Образуется она в результате «переписывания» (транскрипции) информации с ДНК. Как известно, основания РНК строго соответствуют основаниям ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Процесс этот сводится к синтезу РНК на основе «расплетенной» нити ДНК. Он включает три ступени.
Его начало — инициация, осуществление — элонгация и остановка — терминация — связаны с определенными участками ДНК. А «дирижирует» этим грандиозным действием, происходящим в ДНК, ферментативный комплекс, называемый РНК-полимеразой. Именно РНК-полимераза, «расплетая» молекулы ДНК, контролирует образование РНК на ДНК. Но и это еще не конкретный продукт для начала следующего процесса — считывания информации (трансляции), то есть синтеза полипептидных цепей на молекуле матричной РНК. Дело в том, что ген представляет собой прерывистое образование. И кодирующие последовательности (экзоны) чередуются в нем некодирующими участками (интронами). Некодирующие последовательности РНК с помощью определенных ферментов (рибонуклеаз) «вырезаются», а остающиеся «нужные» участки РНК соединяются между собой с помощью еще одного фермента — РНК-лигазы.
Таким образом, образуется молекула «зрелой» матричной РНК (мРНК). Она соединяется с белком и переносится в цитоплазму клетки в виде особых частиц, названных «информоферами». Их структура и функции подробно изучены советскими учеными — академиками А. С. Спириным и Г. П. Георгиевым, удостоенными за эту работу Ленинской премии. В составе информофер «зрелые» мРНК переносятся в цитоплазму, которую называют фабрикой-кухней по производству белков и ферментов.
<…> В клетке есть еще два других типа РНК: рибосомная и транспортная.
Рибосомная РНК является составной частью внутриклеточных частиц — рибосом. Они обнаружены у всех живых организмов. Именно в них происходит синтез белка на основе матричной РНК, несущей информацию о последовательности аминокислот в белке.
Транспортную РНК называют посредником трансляции. Это она осуществляет доставку аминокислот к мРНК, и на рибосомах происходит формирование соответствующей (коллинеарной, как ее называют) полипептидной цепи.
Как видите, ген работает с поразительной точностью: последовательно осуществляет комплементарный синтез РНК на ДНК, удаляет участки РНК и формирует «зрелую» мРНК, точно чередует аминокислоты в соответствии с его кодом, прекращает деятельность при наработке достаточного количества продукта. Все идет своим чередом по раз и навсегда установленному порядку.[23]
Регуляторные гены
<...> фенотип мутации указывает на то, что может определять ген. Г.Мендель обнаружил, что мутации изменяют морфологию („морфологические мутации“), Арчибальд Гаррод, — что биохимическую реакцию („биохимические мутации“), Сеймур Бензер, — что структуру полипептида (мутации в структурных генах). Новый тип мутаций и новые функции генов в пятидесятые годы прошлого века обнаружили французские генетики Франсуа Жакоб, Жак Моно и Андрэ Львов. Оказалось, что у кишечной палочки одна мутация может приводить к исчезновению активности сразу нескольких генов. Для того, чтобы использовать в качестве пищи молочный сахар — лактозу E.coli применяет сразу три фермента. Была обнаружена мутация, которая находилась вне этих трёх генов, но приводила к тому, что активности всех трёх ферментов отсутствовали и такие мутантные клетки не могли расти на среде с лактозой. Выяснилось, что эти три гена транскрибируются ДНК зависимой РНК полимеразой без остановок. (ДНК зависимая РНК полимераза — фермент, осуществляющий синтез РНК на матрице ДНК, далее для краткости — РНК полимераза). В результате образуется единая длинная матричная РНК, которая кодирует все три соответствующих фермента. Поскольку одна мРНК кодирует несколько полипептидов (цистронов), она была названа полицистронной. Стало ясным, что мутации в той части ДНК, которая находится перед тремя структурными генами, приводит к невозможности транскрипции и, как результат, одна мутация приводила к отсутствию трёх ферментов. [24]
Американский ученый В. Геринг с коллегами, применив новые методы молекулярной биологии к анализу развития дрозофилы, обнаружил, что многие гены, контролирующие пространственную организацию развития эмбриона, содержат один и тот же сегмент ДНК. Он был назван гомеобоксом и представляет собой короткую последовательность ДНК — короткий ее участок.
Те гены, в состав которых входит гомеобокс, обладают способностью регулировать активность других генов. Последовательность аминокислот (полипептид), образованная при трансляции гомеобокса, связывается с двойной спиралью ДНК, благодаря чему соответствующие гены «включаются» или «выключаются». Гомеобокс выявлен у многих организмов, в том числе у человека.[25]
Участки ДНК, необходимые для транскрипции структурных генов, к которым присоединяются либо РНК-полимераза, либо специальные белки, регулирующие, включающие или выключающие, транскрипцию, были названы регуляторными генами. В этих генах расположены особые последовательности нуклеотидов, с которыми связываются регуляторные белки, которые, в свою очередь, имеют для этого в составе своей молекулы специфические последовательности аминокислот, „узнающие особые последовательности“ нуклеотидов. Понимание молекулярных механизмов такого „белок-нуклеинового“ узнавания необходимо, в частности, для генной инженерии при конструировании организмов с заранее заданными механизмами регуляции генов. Наиболее распространённые типы регуляторных генов — это промоторы (к ним присоединяется РНК полимераза, чтобы начать транскрипцию), терминаторы (на таких участках РНК полимераза кончает транскрипцию), операторы (к ним присоединяются белки — репрессоры. выключающие работу РНК полимеразы), энхансеры и сайленсеры — участки ДНК, к которым присоединяются особые белки. изменяющие скорость транскрипции и тем самым, скорость синтеза соответствующих белков.[26]
Опероны
Если несколько ферментов участвуют в выполнении какой-то одной определённой задачи, например, последовательно катализируют цепь биохимических реакций, расщепляющих, например, лактозу или синтезирующих, например, лейцин или триптофан, то очевидно, что синтез каждого из этих ферментов должен быть скоординирован с синтезом других ферментов этого метаболического, иначе единый метаболический путь не будет работать нормально. У прокариот такая координация достигается тем, что гены таких ферментов расположены рядом (без „пробелов“, останавливающих транскрипцию) и транскрибируются они с единой регуляторной зоны (в которой расположены промотор и оператор) в виде полицистронной мРНК. Такая организация регуляторных и структурных генов названа опероном.
Чтобы оперон заработал РНК-полимераза должна присоединиться к промотору, а репрессор, под действием определённого регуляторного сигнала, отсоединиться от оператора и, тем самым, открыть РНК полимеразе путь для транскрипции структурных генов. В геноме бактерий расположены тысячи оперонов, в которых, в свою очередь содержатся структурные гены, кодирующих белки (или стабильные РНК), участвующие в выполнении какой либо единой функции. Например, в геноме кишечной палочки содержится 2584 оперона, среди них 73% оперонов содержат только один цистрон, 16% — 2 цистрона, 4,6% — три цистрона, 6% — 4 и более цистронов. В 1965 г Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов за открытие оперонов были удостоены Нобелевской премии.
Наверное, предполагали генетики, гены и геномы эукариот устроены так же, как и гены прокариот. Но то что, обнаружилось — было ошеломляющим.
Альтернативный сплайсинг
Оказалось, что внутри генов эукариот всегда есть участки, которые информационного смысла не имеют и не кодируют ни полипептидов, ни стабильных РНК. Эти участки назвали интронами. Термин интрон образован из английских слов — intervening zone — зона, „перемежающая, смысловую последовательность гена“. А те участки, которые смысл имеют, т. е кодируют, были названы экзонами. Экзон — от англ. expressing zone — экспрессируемая зона гена. Экзоны, как оказалось, кодируют так называемые части белковых молекул — модули или домены (компактные структуры), играющие важную роль в функционировании белковых молекул. Белковые молекулы состоят из нескольких модулей. Как правило, экзон кодирует участок полипептидной цепи длиной 30–40 аминокислот. А большинство интронов имеет длину от 40 до 125 нуклеотидных пар. Открытие мозаичной структуры эукариотных генов было сделано в 1977 г группами учёных, возглавляемых американскими исследователями Ричардом Робертсом и Филиппом Шарпом.
Но как работает такой ген? Состоящий из мозаики экзонов и интронов? А вот как:
Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю
Бессмысленное слово, не так ли? Но если из него удалить все интроны? Тогда получится сплайсинг. Именно этот процесс и необходим для реализации функции эукариотного гена — все не смысловые (не кодирующие) участки должны быть удалены. Но не из гена, а из комплементарной ему РНК, которая должна быть синтезирована РНК полимеразой. Термин „сплайсинг“ в буквальном переводе с английского означает „соединение“. После вырезания интронов экзоны должны быть соединены.
Итак, чтобы эукариотный ген заработал необходимо создать (путём транскрипции) комплементарную РНК — копию мозаичного гена, состоящую из экзонов и интронов, из РНК интроны удалить, а экзоны объединить. Полученный окончательный транскрипт (теперь приобретший смысл) уже может быть использован для реализации его функции, для трансляции, например. Что важно, интроны из первичного транскрипта удаляются по очереди, а не все сразу. Вот так:
Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю
Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр
Сплайсиитбцнгорлю + еолдр + ситьц
Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц
Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю
Таким образом, если в гене есть N интронов, то для сплайсинга необходимо N стадий вырезания интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдёт ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид из экзона — это приведёт к тому, что ген свою функцию не выполнит и „наказанием“ за такую неточность будет или смерть, или тяжёлое нарушение жизнеспособности, что в ряду поколений кончится тем же летальным исходом.
Для чего же такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность? А для
Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс
В этом „гене“ 12 экзонов и 12 интронов. Если в 12 стадий удалить поочерёдно все интроны, то получится название особого типа сплайсинга:
Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс
И вот в чём смысл альтернативного сплайсинга: некоторые, чётко определённые экзоны вырезаются вместе с интронами. И тогда из
Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс
Получится:
Альтернативный + ища + цуюофе + ол + жиу + ке + ую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс
Альт + ища + цуюофе + ол + жиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс
нативный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюу + ха + про + бюу + ьцф + ооопс
наивный + Аищалцуюофеьолтжиуекерую + бюутха + про + бюу + ьцф + ооопс
левый + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцф + ооопс
лев + Аища + цуюофеьолтжиу + керуюнабюутхаипро + бюуньцфыйооопс
В итоге, из одного, казалось бы, бессмысленного слова, получено шесть вполне осмысленных. А если это слово — ген?
Действительно, путь стыковки экзонов, принадлежащих одному гену, может быть множественным. Некоторые экзоны могут удаляться вместе с интронами. Такой альтернативный сплайсинг приводит к тому, что один и тот же ген может кодировать семейство структурно схожих, но функционально разных белков. На данный момент известное максимальное количество разных белков, которое может кодировать один ген, составляет около 40 000! Например, ген дрозофилы, который кодирует один из белков рецептора аксона за счёт альтернативного сплайсинга может приводить к образованию 38016 различных информационных РНК. Этот ген содержит 95 альтернативных экзонов. Но все ли гены экспрессируются за счёт альтернативного сплайсинга? Согласно текущим знаниям, по крайней мере, 74% генов человека работает с помощью альтернативного сплайсинга!
Теперь самое время задаться вопросом: что такое ген?
Ген (эукариотный) это длинная и преимущественно случайная, не кодирующая последовательность нуклеотидов, в которой расположены участки (экзоны), способные после вырезания из транскрипта этого гена и их объединения в строго определённой очерёдности, кодировать определённую функцию.
Особо отметим, что при альтернативном сплайсинге порядок расположения экзонов не нарушается. В окончательном варианте сплайсированной РНК некоторые экзоны могут присутствовать или отсутствовать, но местами они не меняются. Например, в окончательно сплайсированной РНК экзоны 1–2–3–4–5–6 могут быть в последовательности 2–4–6, но не в последовательностях 4–2–6 или 6–4–2. Таким образом, из одного и того же транскрипта гена, используя разные варианты распознавания, вырезания и соединения разных экзонов можно получить множество разных изоформ белков, у которых будут общими некоторые аминокислотные последовательности, но которые будут отличаться по своим функциональным свойствам. И то, что сначала наивно полагали бессмысленным — интроны, перемежающие гены, на самом деле оказалось весьма эффективным и экономичным способом кодирования множества смыслов за счёт ограниченного числа знаков. Правда, это привело к значительному усложнению правил обнаружения этих смыслов. Путь альтернативного сплайсинга в большой степени определяется регуляторными сигналами клетки, характеризующими её состояние. В ответ на изменение физиологической ситуации из одного и того же гена реализуются разные функции.
Весьма принципиально, что при эволюционном усложнении организмов среднее количество интронов, приходящихся на один ген, возрастает. На основе статистического анализа сделаны выводы, что размер генома коррелирует с общей длиной интронов, содержащихся в гене данного вида; интроны беспозвоночных короче, чем интроны генов человека, а интроны дрожжей короче, чем интроны беспозвоночных. По мере усложнения организмов увеличивается и длина интронов. В общем, в гене суммарная длина интронов может превосходить суммарную длину экзонов в десятки и сотни раз.
Если секвенирование (определение нуклетотидной последовательности, от англ. sequence — последовательность) эукариотных генов привело к ошеломляющему открытию их мозаичной структуры, то массовое секвенирование целых геномов разных организмов привело к результатам просто изумляющим. У мыши, человека у рыбы фугу (рыба шар) количество генов практически одинаково — 30000 — 40000. Что же тогда определяет эволюционную сложность?
Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99%! Почему же мы так не похожи на мышей?
Может быть и потому, что несмотря на то, что наши гены похожи на мышиные, у нас альтернативный сплайсинг идёт или по другому пути, или более множественный. Или и то и другое одновременно. Ведь не зря же по мере прогрессивной эволюции среднее количество интронов (а значит, и экзонов), приходящихся на один ген, возрастает? Ведь это расширяет спектр белков, потенциально кодируемых одним геном. Не так ли? И в результате из-за разного альтернативного сплайсинга из почти одних тех же генов получается или мышь, или шимпанзе, или тот, кто в данный момент читает эти строки.
Альтернативный сплайсинг предоставляет эволюции практически безграничные возможности. Материал эволюции — генетическое разнообразие, а двигатель — естественный отбор. А ведь альтернативный сплайсинг приводит к такому разнообразию белков, что… Посудите сами. Комбинация только из трёх генов, каждый из которых может кодировать только 1 000 вариантов белков, даёт 1 000 000 000 возможностей для естественного отбора (1 млрд изоформ трёх белков). А если таких генов 1000? А если 10000?
Каковы молекулярные механизмы эволюции? Как происходит видообразование? Поисками ответов на эти вопросы занимаются такие новые научные направления, как молекулярная генетика развития и эволюционная биология развития (по-английски сокращённое название этой волнующей науки звучит очень романтично — evodevo, от evolutionary developmental biology). Большие успехи в выяснении молекулярных механизмов эволюции делает сравнительная геномика, которая с помощью мощнейших методов компьютерного анализа анализирует и сравнивает гены и геномы разных организмов.
Итак, открытие принципов организации и экспрессии эукариотных генов поставило перед наукой новые проблемы и новые задачи. Это нормально. А что дали эти открытия для практики? [27]
Проект „Геном человека“
Проект „Геном человека“ — секвенирование генома Homo sapiens, содержащего около 3 млрд нуклеотидов, по свой научной значимости и амбициозности сравнивают с программой пилотируемых полётов на Луну „Аполлон“. Стоимость этих программ соизмерима. Миллиарды долларов. Но инициаторы проекта „Геном человека“, кроме научных целей имели ещё и грандиозные планы практического использования генетической информации, которая должна быть получена в результате его выполнения. А там, где практическое использование — там и коммерческий интерес. Предполагалось, что информация о строении генома человека будет полезна для ранней молекулярной диагностики наследственных заболевания и для их лечения путём, так называемой, заместительной генетической терапии (дефектный ген замещается на нормальный). Планировалась, что информация о геноме человека приведёт к революции в разработке нового поколения лекарственных препаратов, создаваемых на основе знаний о нарушениях функционирования определённых белков. Если знать, как кодируется и экспрессируется конкретный белок, приводящий к первопричине заболевания, то будет возможным, как полагалось, создать такие искусственные молекулы, которые будут направленно, а не в слепую, исправлять патологические процессы уже на молекулярном уровне. А это, как прогнозировалось, может принести многомиллиардные прибыли. Но сначала были необходимы многомиллионные инвестиции. И они были сделаны. Были созданы коммерческие фирмы, которые проводили секвенирование генома человека. Информация о нуклеотидных последовательностях генов, которая, как полагалась, может привести к разработке новых методов диагностики и терапии, патентовалась.[28]
Что же представляет собой основной предмет проекта - геном человека?
Известно, что в ядре каждой соматической клетки (кроме ядра ДНК есть еще и в митохондриях) человека содержится 23 пары хромосом, каждая хромосома представлена одной молекулой ДНК. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке равна приблизительно 2 м, они содержат около 3,2 млрд пар нуклеотидов. Общая длина ДНК во всех клетках человеческого тела составляет 1011 км, что почти в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Как же помещаются в ядре такие длиннющие молекулы? Оказывается в ядре существует механизм "насильственной" укладки ДНК в виде хроматина - уровни компактизации (Приложение 4).
Первый уровень предполагает организацию ДНК с гистоновыми белками - образование нуклеосом. Молекулы специальных нуклеосомных белков образуют октамер в виде катушки, на которую наматывается нить ДНК. На одной нуклеосоме размещается около 200 пар оснований. Между нуклеосомами остается фрагмент ДНК размером до 60 пар оснований, называемый линкером. Этот уровень укладки позволяет уменьшить линейные размеры ДНК в 6-7 раз.
На следующем уровне нуклеосомы укладываются в фибриллу (соленоид). Каждый виток составляет 6-7 нуклеосом, при этом линейные размеры ДНК уменьшаются до 1 мм, т.е. в 25-30 раз.
Третий уровень компактизации - петельная укладка фибрилл - образование петельных доменов, которые под углом отходят от основной оси хромосомы. Их можно увидеть в световой микроскоп как интерфазные хромосомы типа "ламповых щеток". Поперечная исчерченность, характерная для митотических хромосом, отражает в какой-то степени порядок расположения генов в молекуле ДНК.
Если у прокариот линейные размеры гена согласуются с размерами структурного белка, то у эукариот размеры ДНК намного превосходят суммарные размеры значимых генов. Это объясняется, во-первых, мозаичным, или экзон-интронным, строением гена: фрагменты, подлежащие транскрипции - экзоны, перемежаются незначащими участками - интронами. Последовательность генов сначала полностью транскрибируется синтезирующейся молекулой РНК, из которой затем вырезаются интроны, экзоны сшиваются и в таком виде информация с молекулы иРНК считывается на рибосоме. Второй причиной колоссальных размеров ДНК является большое количество повторяющихся генов. Некоторые повторяются десятки или сотни раз, а есть и такие, у которых встречается до 1 млн повторов на геном. Например ген, кодирующий рРНК повторяется около 2 тыс. раз.
Еще в 1996 г. считалось, что у человека около 100 тыс. генов, сейчас специалисты по биоинформатике предполагают, что в геноме человека не более 40 тыс. генов, причем на их долю приходится всего 3% общей длины ДНК клетки, а функциональная роль остальных 97% пока не установлена.[29]
Доноры генома
В межгосударственном проекте «Геном человека» (HGP), исследователи из IHGSC взяли у большого числа доноров образцы крови (женщин) и спермы (мужчин). Из числа собранных образцов источником ДНК стали лишь несколько. Таким образом, личности доноров были скрыты, чтобы ни доноры, ни учёные не могли знать, чья именно ДНК была секвенирована. Во всём проекте были использованы многочисленные клоны ДНК из различных библиотек (англ.). Большинство из этих библиотек были созданы доктором Питером де Хонгом (англ. Pieter J. de Jong). Неформально сообщалось, и в сообществе генетиков хорошо известно, что большая часть ДНК в государственном проекте получена от единственного анонимного донора — мужчины из Буффало (кодовое название RP11).
Учёные HGP использовали белые кровяные клетки из крови двух мужчин и двух женщин доноров (случайно выбранных из 20 образцов каждого пола) — каждый донор стал источником отдельной библиотеки ДНК. Одна из этих библиотек (RP11) использовалась значительно больше, чем другие по соображениям качества. Небольшой технический нюанс заключается в том, что мужские образцы содержали только половину количества ДНК, поступившего из X и Y хромосом в сравнении с другими 22 хромосомами (аутосомами); это происходит потому, что каждая мужская клетка содержит только одну X и одну Y хромосому, а не две, как другие хромосомы (аутосомы).
Хотя главная секвенирующая фаза проекта «Геном человека» завершена, исследования изменчивости ДНК продолжаются в международном проекте HapMap, цель которого состоит в идентификации структуры групп однонуклеотидного полиморфизма (SNP) (которые называются гаплотипами). Образцы ДНК для HapMap получены от, в общей сложности, 270 человек: народа Йоруба в Ибадане (Нигерия), японцев из Токио, китайцев из Пекина и французского источника Centre d'Etude du Polymorphisms Humain (англ.) (CEPH), который состоит из резидентов США, имеющих происхождение из западной и северной европы.
В проекте компании Celera Genomics для секвенирования использовалась ДНК, поступившая от пяти различных человек. Крейг Вентер, в то время бывший главным научным руководителем Celera Genomics, позднее признался (в публичном письме в журнал Science), что его ДНК была одним из 21 образцов в общем фонде, пять из которых были отобраны для использования в проекте.
4 сентября 2007 года, команда под руководством Крейга Вентера опубликовала полную последовательность его собственной ДНК, впервые сняв покров тайны с шестимиллиарднонуклеотидной последовательности генома единственного человека.[30]
Завершенность
Существуют многочисленные определения «полной последовательности человеческого генома». Согласно некоторым из них, геном уже полностью секвенирован, а согласно другим, этого ещё предстоит добиться. В популярной прессе было множество статей, сообщающих о «завершении» генома. Согласно определению, которое использует Международный проект по расшифровке генома человека, геном расшифрован полностью. График истории расшифровки проекта показывает, что большая часть человеческого генома была закончена в конце 2003 года. Однако ещё остаётся несколько регионов, которые считаются незаконченными:
· Прежде всего, центральные регионы каждой хромосомы, известные как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК; их сложно секвенировать при помощи современных технологий. Центромеры имеют длину миллионы (возможно десятки миллионов) пар нуклеотидов, и, по большому счёту, остаются несеквенированными.
· Во-вторых, концы хромосом, называемые теломерами, также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 хромосом их расшифровка не завершена. Точно не известно, какая часть последовательности остаётся не расшифрованной до теломер, но как и с центромерами, существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию.
· В-третьих, в геноме каждого индивидуума есть несколько локусов, которые содержат членов мультигенных семейств, которые также сложно расшифровать с помощью основного на сегодняшний день метода фрагментирования ДНК (англ.). В частности, эти семейства кодируют белки, важные для иммунной системы.
· Кроме перечисленных регионов, остаётся ещё несколько брешей, разбросанных по всему геному, некоторые из которых довольно крупные, но есть надежда, что все они будут закрыты в ближайшие годы.
Бо́льшая часть остающейся ДНК сильно повторяющаяся, и маловероятно, что она содержит гены, однако это останется неизвестным, пока они не будут полностью секвенированы. Понимание функций всех генов и их регуляции далека от завершения. Роль мусорной ДНК, эволюция генома, различия между индивидуумами, и многие другие вопросы по-прежнему являются предметом интенсивных исследований в лабораториях всего мира.[31]
the 1000 Genomes Project
По материалам «портаал
MEMBRANA: люди, идеи, технологии»
(http://www.membrana.ru)
Национальный исследовательский институт генома человека (National Human Genome Research Institute — NHGRI) в США, британский институт Сенгера (Wellcome Trust Sanger Institute) и Пекинский институт геномики в Шэньчжэне (Beijing Genomics Institute-Shenzhen) взялись за реализацию глобального проекта расшифровки геномов 1000 человек со всего мира.
На данный момент установлена полная последовательность генов всего нескольких человек, (например доктора Ватсона). Чтобы создать общедоступную полную карту генома человека со всеми возможными вариациями, учёным понадобятся все доступные новые методы и около $30-50 миллионов (проведение всех операций устаревшими способами потребовало бы как минимум $500 млн).
Проект назван незамысловато — "1000 Genomes Project".
За первый год устроители надеются провести три первых пробных мероприятия (подробнее читайте в этом пресс-релизе), после которых они решат, как максимально эффективно добиться результата и при этом потратить поменьше денег.
Какова же цель столь масштабного исследования?
Все люди генетически схожи примерно на 99%. Однако тот самый один процент различия генов определяет восприимчивость того или иного человека к разным болезням, побочное действие лекарств и реакцию на условия окружающей среды, что весьма важно не только для учёных, но и для самих людей.
Предыдущие исследования обнаружили примерно 100 регионов мира, в которых наследственность определяла предрасположенность местного населения, например, к диабету или раку молочной железы (а также к заболеванию сердечной артерии, воспалению кишечника или суставному артриту и так далее).
Сейчас из-за недостатка информации учёным приходится проводить дорогостоящее исследование ДНК пациента, чтобы установить, какое именно "отклонение от нормы" в хромосомах вызвало болезнь. Исследователи надеются, что по завершении прочтения тысячи геномов такой анализ будет более дешёвым, быстрым и эффективным – помогут открытые закономерности. Кстати, все полученные данные будут доступны любому пользователю Сети.
Где же биологи возьмут столько образцов ДНК? Планируется, что донорами станут прежде всего люди, участвующие в международном проекте HapMap(направлен на понимание индивидуальных вариаций геномов людей и их ассоциирование с риском развития разных заболеваний[32]).
Среди тех, чья ДНК будет расшифрована, уже точно присутствуют: африканец, говорящий на языке йоруба, из Ибадана в Нигерии; японец из Токио; китаец из Пекина; постоянный житель штата Юта, чьи предки приехали в США из северной и Западной Европы; житель итальянской Тосканы; индиец, говорящий на языке гуджарати, из Хьюстона; китаец из Денвера; люди с мексиканскими корнями, проживающие в Лос-Анджелесе, а также жители юго-запада США, чьи предки проживали в Африке.
Авторы 1000 Genomes Project пока не решили, насколько тщательно биологи будут исследовать каждую последовательность генов. Из-за этого одни учёные полагают, что установленные временные и денежные рамки негативно скажутся на качестве результатов. Другие же считают результаты "нежизнеспособными" без дополнительных данных о доноре (например, истории болезни и основных параметров, вроде веса и роста).
На все эти "подозрения" организаторы проекта отвечают, что их целью не является определение всех генетических корней тех или иных черт человека (это весьма усложнит исследования и, кроме того, может привести к раскрытию личности доноров).
"Исследование даже тысячи людей не позволит лучшим умам человечества установить точную связь между генотипом и фенотипом людей, — говорит Фрэнсис Коллинз (Francis Collins), директор NHGRI, — оставим это открытие будущим исследованиям".[33]
Краткие итоги
На этом этапе были изучены взаимоотношения между генами и ферментами, генами и структурой белка.
В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. Предложенная ими модель ДНК хорошо согласуется с биологической функцией этого соединения: способностью к самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению его в поколениях — от клетки к клетке.
Эти свойства молекул ДНК объяснили и молекулярный механизм изменчивости: любые отклонения от исходной структуры гена, ошибки самоудвоения генетического материала ДНК, однажды возникнув, в дальнейшем точно и устойчиво воспроизводятся в дочерних нитях ДНК.
В последующее десятилетие эти положения были экспериментально подтверждены: уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке.
Возникло новое направление в молекулярной генетике —генная инженерия — система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы.
Генная инженерия основывается на универсальности генетического кода: триплеты нуклеотидов ДНК программируют включение аминокислот в белковые молекулы всех организмов — человека, животных, растений, бактерий, вирусов.
Благодаря этому можно синтезировать новый ген или выделить его из одной бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии, лишенной такого гена.
Таким образом, третий, современный этап развития генетики открыл огромные перспективы направленного вмешательства в явления наследственности и селекции растительных и животных организмов, выявил важную роль генетики в медицине, в частности, в изучении закономерностей наследственных болезней и физических аномалий человека.
Глава третья. Немного об особенностях развития генетики в России.
Начало развития генетики в нашей стране приходится на первые годы Советской власти. В 1919 г. в Петроградском университете была создана кафедра генетики, которую возглавил Юрий Александрович Филипченко. В 1930 г. открылась Лаборатория генетики Академии наук СССР под руководством Николая Ивановича Вавилова (с 1933 г. – Институт генетики).
В 1920–1930-е гг. наша страна лидировала по всем разделам генетики
Кольцов Николай Константинович – предсказал свойства носителей генетической информации; разрабатывал теорию гена; разрабатывал учение о социальной генетике (евгенике).
Вавилов Николай Иванович – сформулировал закон гомологических рядов, разработал учение о виде как системе.
Мичурин Иван Владимирович – открыл возможность управления доминированием.
Серебровский Александр Сергеевич – создал учение о генофонде и геногеографии: «Совокупность всех генов данного вида я назвал генофондом, чтобы подчеркнуть мысль о том, что в лице генофонда мы имеем такие же национальные богатства, как и в лице наших запасов угля, скрытых в наших недрах».
Четвериков Сергей Сергеевич – в работе «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики» доказал генетическую неоднородность природных популяций.
Дубинин Николай Петрович – доказал делимость гена; независимо от западных исследователей установил, что важную роль в эволюции играют вероятностные, генетико-автоматические процессы.
Шмальгаузен Иван Иванович – разработал теорию стабилизирующего отбора; открыл принцип интеграции биологических систем.
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский – заложил основы современной генетики популяций.
На августовской (1948 г.) сессии ВАСХНИЛ власть в науке захватил президент ВАСХНИЛ академик Т.Д. Лысенко. Научной генетике он противопоставил лжеучение под названием «мичуринская биология». Многие ученые-генетики (Н. П. Дубинин, И. А. Рапопорт) были лишены возможности заниматься наукой. Только в 1957 г. М.Е. Лобашев возобновил преподавание генетики. В 1965 г. Т.Д. Лысенко под давлением прогрессивной общественности (ученых-математиков, химиков, физиков) утратил монополию на научную истину. Был создан Институт общей генетики АН СССР, создано Общество генетиков и селекционеров им. Н. И. Вавилова. В конце 1960-ых гг. наша страна вновь обрела утраченные позиции в мировой науке.[34]
В Приложении 7 мной приведена статья из электронной версии газеты «Биология» (раздел «история науки»), в которой рассказано о состоянии российской генетики в так называемый период «лысенковщины».
Заключение
В ходе работы мною были рассмотрены основные процессы в развитии генетики: доменделевские опыты, явившиеся предпосылками для её появления, опыты Менделя, переоткрытые лишь через 35 лет, зарождение хромосомной теории, эволюция представлений о гене, о структуре и функциях ДНК, формирование представлений о генетическом коде и его расшифровка и т.д.
Наука к настоящему моменту прошла в своём развитии ряд этапов, условно их можно выделить три:
· Первый этап – связан с открытиями Менделя;
· Второй этап – характеризуется переходом к изучению процессов наследственности на клеточном уровне. Установлена связь между менделеевскими законами и распределением хромосом в процессе деления клеток. Важную роль на этом этапе сыграли опыты Моргана на мушках дрозофилах.
· Третий, современный этап, в основном, связан с развитием представлений о ДНК и дальнейшем её изучении: механизмов реализации наследственной информации, генетического кода, функций генов и т.д.
Путь генетики был непростым, открытия учёных-генетиков не всегда сразу признавались общественностью вследствие её неготовности к таким, зачастую, сенсационным выводам. Однако это не помешало ей добиться наблюдаемых сейчас довольно значительных результатов.
Начиная с изучения растений и поисков способов выведения новых, лучших сортов, генетика пришла к изучению человека и поискам борьбы с наследственными заболеваниями, старением и т.д. – прогресс налицо.
Кто знает, может быть, наши внуки уже будут застрахованы от многих заболеваний, передающихся по наследству. Возможно, они уже смогут жить дольше нас (а то и вечно).
А пока мы будем ждать. Ждать результатов производящихся научных исследований, в том числе и the 1000 Genomes Project, ждать, какие ещё невероятные факты откроет нам генетика, и будут ли они нам полезны.
Список источников
1. История биологии (с начала ХХ века до наших дней) / Под ред. Л.Я. Бляхера. – М.: Наука, 1975. – 660 с.
2. Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
3. Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология» (http://afonin-59-bio.narod.ru)
4. Агамалян Е.Н, журнал "Научные среды" № 7,8 2005 года, статья «Пионеры генетики» (http://dbserv.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line0578/n4a.htm)
5. Электронная версия газеты «Биология» (http://bio.1september.ru)
6. Портал MEMBRANA: люди, идеи, технологии.
(http://www.membrana.ru)
7. Журнал «Новые грани» ( http://www.noviyegrani.com)
8. Научная сеть. (http://nature.web.ru)
9. В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?» (http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
10. Биология. Электронный учебник. (http://www.ebio.ru/evo07.html)
11. http://ru.wikipedia.org
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Эксперимент Гриффита.
Схема эксперимента Гриффита (по Стенту):
· а — мышь, которой введена культура патогенного капсулированного штамма S пневмококов, погибает;
· б — мышь, которой введена культура непатогенного бескапсульного R—мутанта нормального S—штамма, не погибает;
· в — мышь, которой введена культура S—штамма, убитого предварительно нагреванием, не погибает;
· г — мышь, которой введена смесь живой культуры R—мутанта и убитой нагреванием культуры нормального S—штамма, погибает; в этом случае присутствие убитых нагреванием S—бактерий вызвало трансформацию живых R—бактерий, в результате чего у них восстановилась способность к образованию капсулы и патогенность.
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Таблица генетического кода.
Прочерками обозначены триплеты, кодирующие стоп-кодоны.
Приложение 7
«История генетики: объективность и этика»
(И.А. ЗАХАРОВ-ГЕЗЕХУС,
Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН)
В 1948 г. все генетические исследования в СССР были прекращены. Генетики выбирали для себя одну из двух возможных линий поведения: либо ни с чем не соглашаться, «ошибок» не признавать и, как следствие, уйти из науки, либо признать «ошибки», но сохранить возможность работы в близких к генетике областях, обычно платя за это обязанностью включать в публикации и в лекции дежурные фразы о «мичуринском учении».
Живущим в другую историческую эпоху трудно судить, кто и почему избрал ту или иную линию поведения. Безусловного осуждения заслуживают лишь те, кто перешел в лагерь Лысенко, став в нем активными функционерами. Об этом приходится напоминать потому, что в некоторых публикациях до последнего времени продолжаются попытки опорочить ученых, много в дальнейшем сделавших для восстановления генетики.
Преследования генетики продолжались 30 лет. Шельмование науки переросло в идеологические и политические обвинения ученых, за которыми, естественно, последовали репрессии вплоть до физической расправы. Действующими лицами этой драмы были ученые-генетики разного возраста, воспитания, разных идеологических взглядов и человеческих качеств.
Драма генетики разыгрывалась на фоне гораздо более масштабных и трагических событий – сначала «большого террора» второй половины 1930-х гг., потом Великой Отечественной войны. Естественно, судьбы и поведение ученых в этих обстоятельствах были очень разными, и их невозможно разделить на две категории (по С.Э. Шнолю – «герои и злодеи») или даже на три («герои, конформисты, злодеи» как сделал тот же автор во втором издании своей книги).
Приведу еще слова старого генетика П.К. Шкварникова, сказанные им в 1987 г., о тех трех сотрудниках Института общей генетики им. Н.И. Вавилова, которые перешли на службу к Т.Лысенко: «Первый – темный человек, второму – жить надо было, а третий – это подлая личность».
За последние годы издано немало исследований, посвященных истории генетики. Появились книги и другого жанра – мемуары, написанные как видными учеными, так и менее известными или совсем неизвестными авторами.
Казалось бы, при таком количестве публикаций читатель может составить полную и точную картину того, что происходило в биологической науке в 1935–1965 гг. и позднее. Чтение этой литературы показывает, однако, что из ряда упомянутых книг читатель почерпнет далекие от объективности характеристики многих деятелей нашей генетики и соответственно искаженные описания обстановки в мире науки и происходящих в то время событий.
Ученые – люди со своими симпатиями и антипатиями. Очень часто отношения между учителем (руководителем) и учеником (сотрудником) складываются трудно. Не всем удается при этом воздержаться от ссор, избежать предательств и преследований. Все подобные коллизии оказываются так или иначе описанными в мемуарах. Авторам очень трудно при этом удержаться от субъективных оценок, выражения антипатии, от обвинений.
Надо отдать должное Н.Н. Зоз – достаточно подробно описывая свой вынужденный уход из отдела И.А. Рапопорта, она не стала порочить этого известного ученого. Противоположный пример – мемуары Т.С. Ростовцевой и Р.Л. Берг, работавших в новосибирском Институте цитологии и генетики. Обиды на директора института Д.К. Беляева подтолкнули их к тому, чтобы дать ему злую и, очевидно, несправедливую характеристику.
В конце концов, упомянутые книги – мемуары. Надо признать право авторов мемуаров описывать людей так, как они их воспринимали. Приходится только сожалеть, и книги Р.Л. Берг и Т.С. Ростовцевой тому пример, что для будущих историков науки останутся весьма субъективные описания жизни больших научных коллективов и искаженные портреты видных ученых. Одному из основных отрицательных персонажей мемуаров Р.Л. Берг, Д.К. Беляеву, посвящена недавно изданная книга воспоминаний многих его коллег и сотрудников, в том числе и тех, которые считались «обиженными» директором. Личность Беляева в этой книге представлена совсем в другом свете.)
По-другому надо оценивать публикации, которые относятся не к мемуарному жанру, а претендуют на то, чтобы быть историко-научными исследованиями. В ряде недавно изданных подобных книг можно найти пассажи, которые показывают, что авторы не стремятся к истине, а сводят старые счеты или претендуют на то, чтобы быть одновременно и историками науки, и прокурорами. Наряду с этим появляются и просто неквалифицированные публикации, в которых история предстает в «кривом зеркале».
Начну с примера последнего рода.
Некто А.Е. Степушин, зоотехник в хозяйстве «Горки Ленинские» в 1970-е гг., когда там продолжал работать Т.Д. Лысенко, не ограничился воспоминаниями о своем общении с академиком, а несколько глав книги посвятил истории гонений на генетику, начиная с 1930-х гг. Книге предшествует предисловие академика Н.П. Дубинина, где говорится: «Научный уровень повести А.Е. Степушина не оставляет сомнений... Повесть А.Е. Степушина дает богатую пищу для нравственных раздумий». По-видимому, с текстом книги Н.П. Дубинин внимательно не познакомился.
На с. 87 содержится омерзительная клевета на одного из лучших учеников Н.И. Вавилова, блестящего селекционера и честного человека (фамилию здесь не называю, чтобы не тиражировать клевету). Он назван «лжесвидетелем» и «включен» в состав экспертной комиссии, которая давала заключение о деятельности Н.И. Вавилова после его ареста. А.Е. Степушин далее пишет, что сотрудник НКВД, внедренный в ВИР, С.Н. Шунденко, «по указанию Лысенко написал кандидатскую диссертацию» этому ученому.
Приведенный пример, вероятнее всего, связан с полным невежеством автора. Однако нередка и другая ситуация.
Изданный в 2000 г. 1-й том избранных трудов Н.П. Дубинина предваряет «Очерк научной биографии академика Н.П. Дубинина», составленный А.П. Акифьевым и Л.Г. Дубининой. В этот очерк авторы включили (с. 27) достаточно большой отрывок из выступления С.М. Гершензона в сентябре 1948 г., в котором тот заявил о «своем полном отречении от формальной генетики». Очевидная цель включения этого отрывка – по контрасту показать неколебимую принципиальность Н.П. Дубинина. Очерк этот был опубликован всего лишь через 2 года после смерти С.М. Гершензона – известного ученого, внесшего значительный вклад в науку.
Авторы не удержались от того, чтобы бросить комок грязи на свежую могилу крупного генетика. Не буду комментировать и сравнивать человеческие качества С.М. Гершензона и Н.П. Дубинина, но скажу, что первому действительно грозили более тяжкие преследования: Н.П. Дубинин – пролетарского происхождения, в детстве – беспризорник, в то время как С.М. Гершензон – сын буржуазного философа, в свое время раскритикованного В.И. Лениным.
Описываемые события происходили всего лишь через 7 лет после расстрела Г.Д. Карпеченко и смертного приговора Н.И. Вавилову. Как известно, репрессии продолжались и после войны, и в 1948 г. нельзя было предвидеть, обойдется ли осуждение генетики без последующих арестов сторонников этой «буржуазной науки».
В.Н. Сойфер выпустил несколькими изданиями книгу «Власть и наука», собрав в ней множество документов и материалов, которые, несомненно, интересны и поучительны. Не ограничиваясь рассмотрением отношений власти и науки, В.Н. Сойфер принимает не подходящую для него роль общественного обвинителя и следующим, например, образом комментирует сообщаемые им факты, относящиеся ко времени сразу после 1948 г.:
– «лобашевы, гайсиновичи и кривиские ловчили и пресмыкались» (стр. 349);
– «...правда жизни и прогресса заключалась лишь в том, что не все были алиханянами» (стр. 350);
– о С.И. Алиханяне – «...конечно, если он не фальсифицировал данные, как это он не раз делал позже» (с. 349).
Поясню: все названные – известные ученые, внесшие заметный вклад в нашу науку. М.Е. Лобашев и С.И. Алиханян, кроме того, сыграли важную роль в восстановлении генетики в СССР, начиная со второй половины 1950-х гг., т.е. еще в период господства Т.Лысенко и его сторонников.
В.Н. Сойфера судьба, по-видимому, не сводила с М.Е. Лобашевым. Что же касается С.И. Алиханяна и А.С. Кривиского, то он, очевидно, не может простить, что в 1960–70-е гг. они не воспринимали его как серьезного молодого ученого.[35]
[1] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[2] http://ru.wikipedia.org
[3] История биологии (с начала ХХ века до наших дней) /
Под ред. Л.Я. Бляхера. – М.: Наука, 1975. – 660 с.
[4] http://ru.wikipedia.org
[5]Биология. Электронный учебник. ( http://www.ebio.ru/evo07.html)
[6] Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология»
(http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_02_mendel.htm)
[7]Агамалян Е.Н, журнал "Научные среды" № 7,8 2005 года, статья «Пионеры генетики» (http://dbserv.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line0578/n4a.htm)
[8] История биологии (с начала ХХ века до наших дней) /
Под ред. Л.Я. Бляхера. – М.: Наука, 1975. – 660 с.
[9] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[10]Агамалян Е.Н, журнал "Научные среды" № 7,8 2005 года, статья «Пионеры генетики» (http://dbserv.pnpi.spb.ru/ioc/ioc/line0578/n4a.htm)
[11] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
(http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[12] http://ru.wikipedia.org
[13] http://ru.wikipedia.org
[14] http://ru.wikipedia.org
[15] Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология» (http://afonin-59-bio.narod.ru)
[16] http://ru.wikipedia.org
[17] Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология» (http://afonin-59-bio.narod.ru)
[18] http://ru.wikipedia.org
[19] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[20] Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология» (http://afonin-59-bio.narod.ru)
[21] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[22] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[23] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[24] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[25] Бочков Н.П. Гены и судьбы. - М.: Мол. Гвардия, 1990.- 255 с.
[26] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[27] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[28] В. В. Вельков. «Опять актуален вопрос: что такое ген?»
http://wsyachina.narod.ru/biology/gene_1.html)
[29] Научная сеть. Статья: «Проект "Геном человека": десять лет и еще чуть-чуть...»(http://nature.web.ru)
[30]http://ru.wikipedia.org
[31]http://ru.wikipedia.org
[32] Журнал «Новые грани»( http://www.noviyegrani.com)
[33]Портал MEMBRANA: люди, идеи, технологии. (http://www.membrana.ru)
[34] 3. Афонин Алексей Алексеевич. «Общая и теоретическая биология» (http://afonin-59-bio.narod/ru)
[35] Электронная версия газеты «Биология»(http://bio.1september.ru)
