З ДНК, яка потрапила в другу клітину відбувається наступне. Господарська хромосома містить такі ж гени, як і той шматок ДНК, який був перенесений в клітину. Проте варіанти генів у вихідній, донорной клітці, і в клітині-реципієнті можуть відрізнятися. Наприклад, у вихідній клітці ген кодував синтез ферменту лактази (розщеплює молочний цукор лактозу), а в рецепієнта такий же ген зіпсований, тобто лактазу не кодує через якийсь мутації. При цьому бактерія не здатна використовувати цукор лактозу в середовищі.
Вновьпрібивашая ДНК і хазяйська ДНК обмінюються гомологічними (тобто містять однакові гени) шматками. Утворюється нове поєднання генів в господарській клітини. Серед її старих генів виявляється вбудований шматок з новим геном, який прибув з клітки-донора. Цей процес обміну шматками ДНК називається рекомбінацією. Та ДНК, яка в процесі рекомбінації виявилася не включеної в хромосому, деградує і зникає. Новий ген проявляє себе, клітина виявляється здатною розщеплювати той цукор, який раніше використовувати не могла. Це все детектується дослідником. У такій ситуації ген лактази називають генетичним «маркером», він маркує ділянку хромосоми, пов'язаний з певною властивістю бактерії (здатністю розщеплювати цукор, яку може детектувати дослідник).
Процес реплікації у кишкової палички триває 20 хвилин, а процес кон'югації триває 3-5 хвилин. За цей час встигає перейти не вся хромосома, а тільки її шматочок. Чим довше триває кон'югація, тим більший шматочок встигає перейти з однієї клітини в іншу. Цей процес дозволяє визначить які маркери надійшли в клітину, якщо початково клітини розрізнялися за кількома генами. F-фактор здатний вбудовуватися в різні ділянки хромосоми, і коли починається передача, різні маркери потрапляють в іншу клітку. Проводили експеримент. Після кон'югації клітини струшували, і містки між ними розривалися. Це струшування проводили через 2, 3, 5 хвилин, і дивилися, які маркери (і, відповідно, який фрагмент хромосоми) за цей час увійдуть.

За цими даними будували генетичну карту (розташування відносно один одного генетичних маркерів). Генетична карта кишкової палички була побудована в 60-х роках. На цій карті були гени-маркери, розташовані по всій кільцевої хромосомі, а координати генів на карті позначалися у хвилинах. Підсумкова карта, побудована в 60-х роках, мала координати в проміжку від 0 до 90 хвилин. Тому один відомий мікробіолог жартував, що кишкова паличка - це дивовижний організм, у якої життя триває 20 хвилин, а статевий процес - 90 хвилин.

Побудова такої карти було великим досягненням, так як для кишкової палички вона була побудована вперше; для інших організмів існують інші методи побудови генетичних карт, але всі вони засновані на рекомбінації. На початку 20-ого століття були побудовані рекомбінаційні карти для вивчення геному мухи, а потім подібні карти стали використовуватися для вивчення геному людини.
З'явилися більш точні технології вивчення геному бактерій, межею точності є визначення нуклеотидної послідовності, точніше карту побудувати неможливо. На цій карті відстань позначається вже не в хвилинах, а в парах нуклеотидів.
Метод визначення послідовності нуклеотидів, або секвенування, був розроблений у 70-х роках. Дві групи вчених незалежно один від одного розробляли ці методи. Один з них був розроблений Сенгером, другий - Максамом та Гілбертом, і всі вони отримали в 1980 році Нобелівську премію. До цих пір створені ними принципи використовуються при секвенування, зараз вже проводиться не вручну, а автоматами.
У 1995 році був прочитаний перший щодо невеликий геном бактерії Haemophilus influenzae. Це було величезним досягненням, дуже великою сенсацією. До цього вдавалося визначити повністю тільки геноми вірусів, які на порядок менше геномів бактерій. На даний момент повністю прочитані геноми більше 100 видів бактерій.
Що вдається дізнатися про бактеріях за їх геному?
Склад генома (які гени присутні)
Раніше, щоб дізнатися щось про бактерії, треба було довгі роки дослідити її здатність розщеплювати ті чи інші цукру, інші поживні речовини, встановити, яка температура оптимальна для її зростання, отримати безліч мутантів, для того, щоб побудувати генетичну карту геному бактерії. Але зараз можна дуже багато чого довідатися про невідому бактерії, якщо прочитати її геном. По тому, які гени входять до складу геному, можна визначити, який спосіб життя веде бактерія. Це важливо для збудників різних захворювань - за складом їх генів можна встановити, до яких речовин вони чутливі, і точно підібрати ліки або створити новий ефективний препарат для лікування.
Наприклад, розмір генома паразитичної бактерії мікоплазми (Mycoplasma genitalium) - 580000 пар нуклеотидів. 90% її геному кодує білки, 10% містять регуляторні послідовності білків, тобто білки не кодує. У неї 468 генів (це можна з точністю визначити по нуклеотидної послідовності генома).

Що означають розбіжності у кількості кластерів Хвороби? Кишкова паличка ділиться раз на двадцять хвилин, туберкульозна мікобактерія ділиться раз на добу. До речі, це становить труднощі в діагностики туберкульозу (для того, щоб виділити з мокротиння хворого цю бактерію, необхідно її вирощувати тижнями, щоб там щось можна було проаналізувати). Через те, що вона так повільно зростає, їй не потрібно активно синтезувати рибосоми, тому в неї менше генів, потрібних для синтезу рибосом (в 10 разів менше, ніж у вільно живе і активно зростаючої Bacillius subtilis).
Відсоток кодують послідовностей найвищий у мікоплазми Mycoplasma genitalium. Вона живе в постійних умовах всередині клітини, їй мало що потрібно регулювати. В інших бактерій велику частку займають кодують білки, а в людини, в порівнянні з бактеріями, що кодують білки займають набагато меншу частину геному (2%). У принципі, це відповідає розвитку суспільства: все меншу частину займає виробництво, і все більшу частину займає сервіс та інформаційні технології.

Орієнтація генів (напрямок транскрипції)
Коли ДНК реплікується, одна нитка синтезується безперервно (ведуча нитка), а на другий нитки синтезується фрагменти Окадзакі, які потім зшиваються (запізнюється нитка). Напрямок транскрипції більшості генів співпадає з напрямком синтезу провідною нитки. Реплікація ДНК починається з точки ori, і йде в обидві сторони. І відповідно, гени розташовані переважно в тому ж напрямку, в якому йде реплікація. Тому при реплікації транскрипція не переривається надовго.

Нижче наведено кількість генів з функцій в геномі кишкової палички.

Гомологічні гени і копійность генів

У геномі бактерій можуть бути присутніми гени, схожі за нуклеотидної послідовності. Такі гени називаються гомологічними (гомо - однаковий). Гомологічні гени можуть з'явитися в геномі в результаті подвоєння (дуплікації) одного гена. У цьому випадку їх називають паралогі. При наявності в геномі декількох гомологічних генів вони можуть придбати різні функції. Якщо ж два види бактерій, що мали спільного предка, розійшлися, і в них збереглися гени, схожі по послідовності і часто збігаються з функцій, то ці гени називаються ортолога. Якщо ген потрапив в організм при горизонтальному перенесенні з іншого організму в інший, то він називається ксенологом (ксено - чужий).

Деякі гени, подібні за будовою, але трохи відрізняються за функціями, мають велику копійность в геномі. Нижче представлено кількість копій різних генів у геномі вільноживучих бактерії Bacillus subtilis. Копійность генів пов'язана зі способом життя бактерій. Це можна порівняти, наприклад, з мовою. Так, у народів, що займаються скотарством, кінь має безліч назв (не як у нас: кінь, лоша, мерин, а безліч назв для коней різного призначення та різного віку); у ескімосів багато слів, що позначають сніг. Також, в геномі бактерій многокопійни ті гени, які важливі для життя бактерій. Кажуть, це ті гени, які обумовлюють екологічну специфічність.

Зміна функції гена в процесі еволюції
Гени, що відповідають за сусідні реакції в метаболічної ланцюга, часто розташовані поруч на хромосомі. Наприклад, на малюнку зображено 7 генів, що відповідають за синтез речовини хорізмата. Реакція проходить в 7 етапів. І ці 7 генів кодують 7 ферментів, які проводять реакцію. У геномі гени розташовані в тому ж порядку, в якому потім працюють закодовані ними ферменти. З цих генів зчитується одна мРНК, на якій проходить трансляція. Синтезовані ферменти виявляються в цитоплазмі клітини поруч один з одним і передають субстрат один одному, послідовно проводячи реакції.
У дріжджів знайшли білок, який об'єднує 5 функцій. Він складається з п'яти глобул, пов'язаних поліпептидного зв'язком, які виконують ті ж функції, що й окремі білки в інших організмах. Це приклад того, що білки можуть виконувати ті ж функції, незалежно від того, об'єднані вони в одну поліпептидний ланцюг чи ні.
Цікавим прикладом є археї. У них є білки з аналогічними функціями. Коли подивилися геном архей, виявилося, що 6 генів у них такі ж, тобто ці 6 генів є ортолога вже відомих генів бактерій. Проте один ген тут стоїть зовсім інший, не ортологічний бактеріального, а родинні генам зовсім іншого ферменту. При біохімічної перевірці функції цього неортологічного гена виявилося, що вона збігається з функціями того гена, який повинен знаходитися на цьому місці.
І хоча новий ген повністю відрізняється за нуклеотидної послідовності від стоять поруч, але виконує він ті ж функції, що і стоїть на цьому місці у бактерій білок. Це явище назвали неортологічекім заміщенням.

Ми говорили, що цикл Кребса міг виникнути при замиканні двох реакцій при додаванні всього одного ферменту, і такі от приклади показують, що такий фермент міг бути рекрутувати з ферменту з близькою ферментативною активністю.

Яким чином, геноми бактерій змінюються в процесі еволюції? Всі зміни можна класифікувати на п'ять груп: точкові заміни (заміни однієї «букви» на іншу), дуплікації і ампліфікації (копіювання ділянок геному), делеції (випадання ділянок геному), інверсії і транслокації (перестановка ділянки гена в іншу частину геному або зміна його орієнтації в геномі), горизонтальний перенос генів (фрагмент ДНК переноситься з однієї бактерії до іншої).

Дослідження генома людини

Як наука генетика виникла на рубежі XIX і XX століть. Багато офіційною датою її народження вважають 1900 рік, коли Корренс, Чермак і де Фриз незалежно одна від одної виявили певні закономірності в передачі спадкових ознак. Відкриття законів спадковості відбулося, по суті, вдруге - ще в 1865 році чеський учений-натураліст Грегор Мендель отримав ті ж результати, експериментуючи з садовим горохом. Після 1900 року відкриття в області генетики йшли одне за одним, дослідження, присвячені будовою клітини, функцій білків, будовою нуклеїнових кислот, відкритих Мишером в 1869 році, крок за кроком наближали людини до розгадки таємниць природи, створювалися нові наукові напрямки, удосконалювалися нові методи. І, нарешті, в кінці XX століття генетика впритул підійшла до вирішення одного з фундаментальних питань біологічної науки - питання про повну розшифровку спадкової інформації про людину.
У реалізації грандіозного проекту по розшифровці генетичного коду ДНК, названих HUGO (Human Genome Organization) взяли участь 220 вчених з різних країн, у тому числі і п'ять радянських біологів. У нашій країні була створена власна програма «Геном людини», керівником якої став академік Олександр Олександрович Баєв.
Вперше ідея організації подібної програми була висунута в 1986 році. Тоді ідея видалася неприйнятною: геном людини, тобто сукупність всіх його генів містить близько трьох мільярдів нуклеотидів, а в кінці 80-х років витрати на визначення одного нуклеотиду становили близько 5 доларів США. Крім того технології 80-х дозволяли одній людині визначати не більше 100 000 нуклеотидів в рік. Тим не менш, уже в 1988 році Конгрес США схвалив створення американського проекту досліджень у цій області, керівник програми Дж. Уотсон так визначив її перспективи: «Я бачу виняткову можливість для поліпшення людства в найближчому майбутньому». Здійснення російської програми розпочалося у 1989 році.
Зараз визначення одного нуклеотиду обходиться всього в один долар, створені апарати, здатні секвенувати (від лат. Sequi - слідувати) до 35 млн. послідовностей нуклеотидів в рік. Одним з важливих досягнень стало відкриття так званої полімеразної ланцюгової реакції, що дозволяє з мікроскопічних кількостей ДНК за кілька годин отримати обсяг ДНК, достатній для генетичного аналізу. За оцінками фахівців існує можливість завершення проекту через 15 років, і тепер програма приносить корисні результати. Суть робіт полягає в наступному: спочатку проводиться картування геному (визначення положення гена в хромосомі), локалізація деяких генів, а після цього секвенування (визначення точної послідовності нуклеотидів у молекулі ДНК). Першим геном, який вдалося локалізувати, став ген дальтонізму, картіровани в статевій хромосомі в 1911 році. До 1990 року кількість ідентифікованих генів досягло 5000, з них картіровани 1825, секвенувати - 460. Вдалося локалізувати гени, пов'язані з важкими спадковими хворобами, такими, як хорея Гентінгтона, хвороба Альцгеймера, м'язова дистрофія Дюшена, кістозний фіброз і ін
Таким чином, проект дослідження геному людини має колосальне значення для вивчення молекулярних основ спадкових хвороб, їх діагностики, профілактики та лікування. Слід звернути увагу на те, що за останні десятиріччя в індустріально розвинених країнах частка спадкових хвороб в загальному обсязі захворювань значно збільшилася. Саме спадковістю обумовлена ​​схильність до ракових і серцево-судинних захворювань. Значною мірою це пов'язано з екологічною ситуацією, з забрудненням навколишнього середовища, так як багато відходи промисловості і сільського господарства є мутагенами, тобто змінюють людський генофонд. З огляду на сучасний рівень розвитку генетики можна припустити, що наукові відкриття майбутнього дозволять шляхом зміни геному адаптувати людини до несприятливих умов зовнішнього середовища. Що ж стосується боротьби зі спадковими захворюваннями, їх лікування шляхом заміни хворих генів на здорові здається реальним вже зараз. Все це означає, що людина отримає можливість не тільки змінювати живі організми, а й конструювати нові форми життя. У зв'язку з цим виникає цілий ряд серйозних питань.
На мій погляд одним з найбільш важливих питань є питання про використання генетичної інформації в комерційних цілях. Незважаючи на те, що й учасники проекту HUGO, і представники міжнародних організацій, зокрема ЮНЕСКО, одностайні в тому, що будь-які результати досліджень з картування і секвенированию геному мають бути доступні всім країнам і не можуть бути джерелом прибутку, приватний капітал починає грати все більшу роль в генетичних дослідженнях. Коли з'явилася програма HUGO, виникли так звані геномні компанії, які зайнялися самостійно зайнялися розшифровкою генома. В якості прикладу можна навести американську організацію під назвою Institute of Genomic Research (TIGR) або компанію Human Genome Sciences Inc. (HGS). Між великими фірмами йде запекла боротьба за патенти. Так у жовтні 1994 Крек Вентер, голова вищезгаданої компанії TIGR, про те, що у розпорядженні його корпорації знаходиться бібліотека з 35000 фрагментів ДНК, синтезованих за допомогою РНК на генах, отриманих лабораторним шляхом. Ці фрагменти порівняли з 32 відомими генами спадкових захворювань. Виявилося, що 8 з них повністю ідентичні, а 19 гомологічних. TIGR виявився володарем цінної наукової інформації, але його керівники заявили, що хімічна будова всіх послідовностей з цієї бібліотеки засекречено і буде надбанням гласності тільки в тому випадку, якщо за компанією визнають право власності на всі 35000 фрагментів. Це не єдиний випадок, а між тим, розвиток генетики набагато випереджає розвиток відповідної законодавчої бази. Хоча кроки в цьому напрямку робляться (в Росії, наприклад, в кінці 1996 року був прийнятий закон "Про державне регулювання в галузі генно-інженерної діяльності", в1995 був прийнятий закон про біоетику у Франції, в США Акт про цивільні права забороняє дискримінацію при наймі на расовим, статевим, релігійним і національними ознаками, при цьому ген серповидноклеточной анемії, зокрема у негрів, може вважатися расовою ознакою, інший закон забороняє дискримінацію при наймі на роботу осіб із зниженою працездатністю, а такими можуть вважатися та особи з обтяженою спадковістю , велике значення має так званий принцип Тарасової, що зобов'язує лікарів порушувати конфіденційність лікарських відомостей з метою запобігання можливої ​​шкоди суспільству), міжнародних актів, що регулюють всі сторони діяльності, пов'язаної з генетикою, поки не існує.