Зміст
Молекулярні основи спадковості
Хромосоми
Клітинний цикл
Мейоз і утворення гамет
Будова хромосом
Спадкування одиночних ознак
Незалежна сегрегація та незалежне комбінування
Зв'язок між генами і хромосомами
Рекомбінація
Зв'язок між генами і білками
Гени і ДНК
Перенесення генетичної інформації в клітині
Структура і збереження геномної ДНК
Експресія і регуляція генів
Молекулярні основи спадковості
Систематичне вивчення спадковості починалося зі складних у генетичному відношенні об'єктів - рослин і тварин. Завдяки цим раннім дослідженням була сформульована концепція неподільного гена як функціональної одиниці спадковості і прийнято положення, що перенесення генів від одного покоління до іншого піддається дії різних випадкових факторів. Проте до розуміння хімічної природи генів і механізму їх функціонування було ще далеко. Дослідження генетичних молекул і тонких механізмів регуляції спадковості стало можливим лише тоді, коли в якості експериментальних моделей почали використовуватися бактерії і віруси, про існування яких перші генетики навіть не підозрювали. Тільки завдяки цим організмам вперше було показано, що дезоксирибонуклеїнова кислота, рибонуклеїнова кислота і білок - універсальні детермінанти генетичного поведінки. Стрімкість подальшого прогресу в цій області і переконливість отриманих результатів стали реальними завдяки особливим біологічним властивостям мікроорганізмів, які дозволяли проводити маніпуляції, необхідні для аналізу генетичних структур. Аналогічні аналітичні дослідження більш складних генетичних систем тоді були неможливі, тому на тварин і рослини цей прогрес не поширювався. Розвиток технології рекомбінантних ДНК зруйнувало труднопреодолімие технічні та концептуальні бар'єри на шляху розшифровки і розуміння складних генетичних систем. Не дивно, що наші погляди на структуру і функцію генів значно змінилися, а нове мислення в свою чергу радикально змінило перспективи біології.
Деякі передумови останніх досягнень можна виявити, вивчаючи історію створення фундаментальних положень про спадковість і їх наступних змін. Основною перешкодою на шляху формування єдиних принципів спадковості служило виключне різноманітність живих форм. Першим, хто простежив аналогії між процесами відтворення тварин і рослин і ввів слова "самець" і "самка" стосовно до учасників цього процесу, був учень Арістотеля - Теофраст. Ще раніше грецькі філософи V ст., Погляди яких зробили помітний вплив на подальший розвиток наукових ідей, прийшли до висновку, що, оскільки діти схожі на обох батьків, обидві статі вносять певний внесок у формування нового індивідуума. Вони вважали, що цим внеском є свого роду інформація, яка сконцентрована у чоловічому чи жіночому "насіння" і що надійшла до нього з різних частин тіла зрілих індивідуумів. Демокріт, думка якого не було загальноприйнятим, припустив, що інформація міститься в частках, що розмір, форма і будова яких впливають на властивості потомства.
На початку XIX ст., Після створення більш досконалих мікроскопів, основний уніфікує одиницею в біології стала клітина. Всі організми могли розглядатися як поодинокі, вільно живуть клітини або як спільнота клітин. Постійне вдосконалення оптичних систем мікроскопа і новаторські методи підготовки і фарбування матеріалу дозволяли все більш детально описувати вміст клітин не мають ядра. Було встановлено, що нові клітини з'являються тільки в результаті поділу предсуществующих клітин.
В даний час всі живі організми поділяють на дві групи. Перша-еукаріоти - багатоклітинні організми, клітини яких містять оформлене ядро; всередині ядра укладені хромосоми-охоронці генетичної інформації. Друга - прокаріоти - представлена одноклітинними бактеріями, позбавленими ядра, з хромосомами, що знаходяться в цитоплазмі. За небагатьма винятками, всі клітини багатоклітинного організму містять однаковий повний набір хромосом. Еукаріотичні організми мають більш складну будову і, як правило, містять більше генетичної інформації. Крім того, еукаріоти здатні до істинного статевою відтворенню і для багатьох з них цей спосіб обов'язковий для утворення потомства. Одним з важливих моментів процесу статевого розмноження є наявність в дочірніх ядрах двох копій кожної хромосоми; такі еукаріотичні клітини називаються диплоїдними. Прокаріоти, які містять тільки одну хромосому, називаються гаплоїдів. За деяких обставин у прокаріот спостерігаються процеси, аналогічні за результатом процесу запліднення у еукаріотів, внаслідок яких вони можуть стати частково диплоїдними; ці процеси широко використовуються в генетичних дослідженнях.
Відразу після прийняття клітинної теорії у вивченні живих організмів виділилися три напрямки: дослідження хромосом, статистичний аналіз успадкування одиночних ознак, виділення і характеристика компонентів хромосом.
У анафазі пари сестринських хроматид поділяються і кожен член пари рухається в напрямку до полюса веретена. У цей же час і нитки веретена, і клітина починають розтягуватися. Коли в телофазе хроматиди досягають протилежних полюсів, навколо кожного набору хроматид формується нова ядерна оболонка і починається деконденсації хромосом. Нарешті, плазматична мембрана розділяє два ядра і навколишнє цитоплазму на дві клітини. Хромосоми набувають розтягнуту, дифузну форму, типову для інтерфази, і процес розподілу починається снова.Б. . Мікрофотографії мітозу в клітинах лілії Haemanthus katherinae. Клітини пофарбовані іммунозолотом / сріблом. Збільшення 600. правління паралельно розвивалися і перетворювалися на важливі наукові дисципліни до моменту їх злиття в середині нашого століття.
Хромосоми
У другій половині XIX ст. тривало детальне вивчення морфології і поведінки хромосом. Виявилося, що у всіх клітинах будь-якого організму, за одним лише суттєвим винятком, міститься одна і та ж, цілком певне число хромосом. - sophila melanogaster имеет 8 хромосом, человек и летучая мышь-46, пшеница-20, носорог - 84. Наприклад, плодова мушка Dro - sophila melanogaster має 8 хромосом, людина і летюча миша-46, пшениця-20, носоріг - 84. . melanogaster , 23 - у человека и т.д. Хромосоми на основі подібності їх морфології можуть бути розділені на гомологічні пари: 4 пари у D. Melanogaster, 23 - у людини і т.д. Мікроскопічне дослідження фіксованих і забарвлених клітин дає лише статичну картинку, але ці картинки можна розташувати у часовій послідовності, починаючи з моменту утворення клітини при поділі та закінчуючи її розподілом на дві собі подібні. І тоді стає очевидним, що дуплікація кожної хромосоми, яка відбувається в циклі клітинного ділення, призводить до подвоєння числа хромосом. При розподілі цей подвоєний набір розподіляється таким чином, що кожна з двох дочірніх клітин отримує таке ж число і тип хромосом, що і батьківська клітина. Весь процес в цілому називається митозом.
Клітинний цикл
Події, що відбуваються в період від одного клітинного розподілу до іншого, називаються клітинним циклом. Фаза мітозу циклу охоплює період поділу і хромосом, і клітин. -фазу. Gj -фаза заканчивается перед началом удвоения хромосом, или, в молекулярных терминах, с началом дупликации хромосомной ДНК; период репликации генома называется фазой синтеза. Після розбіжності клітин кожна дочірня клітина вступає в період підвищеної биосинтетической активності - в так звану Gj-фазу. Gj-фаза закінчується перед початком подвоєння хромосом, або, в молекулярних термінах, з початком дуплікації хромосомної ДНК; період реплікації генома називається фазою синтезу. -фазы в клетках инициируются события, характерные для митотической профазы,-части цикла, называемой Gj -фазой. З моменту завершення S-фази в клітинах ініціюються події, характерні для мітотичної профази,-частини циклу, званої Gj-фазою. Врешті-решт знову починаються мітоз і цитокінез, і цикл повторюється. , S - и G 2 -периоды, вместе составляющие интерфазу, занимают около 90% времени клеточного цикла, а М-фаза - менее 10%. Як правило, G r, S - і G 2-періоди, що разом становлять інтерфазу, займають близько 90% часу клітинного циклу, а М-фаза - менше 10%. Повний час проходження клітинного циклу в клітинах різного типу сильно варіює залежно від умов росту. -фазы. Основним показником тривалості всього циклу є тривалість Gj-фази. Наприклад, спокою:
Клітинний цикл: мітоз і цитокінез складають М-фазу циклу, кульмінацією якої є утворення двох дочірніх клітин. Кожна дочірня клітина вступає в G 1-період інтерфази і може почати новий клітинний цикл. 1 следует S -фаза, во время которой ДНК и хромосомы дуплицируются, и далее - фаза G 2 . За періодом G 1 слід S-фаза, під час якої ДНК і хромосоми дупліціруются, і далі - фаза G 2. Початок мітозу означає кінець інтерфази. 1 и, как говорят, находятся в фазе G 0 . Спочиваючі клітини затримуються у фазі G 1 і, як кажуть, знаходяться у фазі G 0. 0 , завершают цикл за 24 ч. Зазвичай еукаріотичні клітини, які не зупинилися у фазі G 0, завершують цикл за 24 год
Мейоз: етапи поділу диплоїдної клітини на чотири гаплоїдні дочірні клітини. Цей процес відрізняється від мітозу тим, що включає два клітинних поділу і тільки один "раунд" реплікації хромосом. На схемі показані дві пари гомологічних хромосом. Під час інтерфази хромосоми мають вигляд тонких дифузних ниток. Після реплікації сестринські хроматиди залишаються тісно пов'язаними і починають конденсуватися, що вказує на початок профази. Потім гомологічні пари сестринських хро-Матіда приходять в тісне зіткнення, утворюючи тетради; цей процес називається сінапсісом. Початок мейотичний метафази I характеризується подальшою конденсацією хромосом і дезінтеграцією ядерної мембрани. члены гомологичной пары сестринских хроматид начинают перемещаться к разным полюсам удлиняющейся клетки. У анафазі I члени гомологічною пари сестринських хроматид починають переміщатися до різних полюсів подовжуючої клітини. и клеточного деления I образуются две дочерние клетки, в каждой из которых имеется по одной гомологичной паре сестринских хроматид. До кінця телофази I і клітинного ділення I утворюються дві дочірні клітини, в кожній з яких є по одній гомологічною парі сестринських хроматид. , с переходом в метафазу II . Другий раунд клітинного ділення відбувається без додаткової дуплікації хромосом і починається з профази II, з переходом в метафазі II. две сестринские хроматиды, которые оставались до этого момента вместе, начинают перемещаться к противоположным концам удлиняющейся клетки. У стадії анафази II дві сестринські хроматиди, які залишалися до цього моменту разом, починають переміщатися до протилежних кінцях подовжуючої клітини. Після телофази II і клітинного ділення II утворюються чотири гаплоїдні клітини - попередники статевих клітин. У кожну дочірню клітину потрапляє тільки по одній хромосомі з вихідних гомологічних пар.
Мейоз і утворення гамет
Освіта яйцеклітин і сперматозоїдів увазі зменшення нормального числа хромосом рівно наполовину; цей процес називається мейозом. Гамети, або статеві клітини, гаплоїдний, тобто в них міститься по одному члену кожної пари гомологічних хромосом, і, таким чином, тільки половинне число хромосом кожного з батьків потрапляє в усі інші, соматичні, клітини організму нащадка. Розподіл хромосом в мейозі відбувається випадково, тому будь-який з членів гомологічною пари може виявитися у новоутворених зародкових клітинах.
При заплідненні гаплоїдні набори хромосом сперматозоїдів і яйцеклітин об'єднуються. Таким чином відновлюється повний набір гомологічних хромосомних пар, кожен з членів яких стався з яйцеклітини і з сперматозоїда відповідних батьків. Диплоидное стан заплідненої яйцеклітини підтримується далі у всіх соматичних клітинах механізмом мітотичного поділу. Іноді зрілі організми можуть розвинутися з незапліднених гаплоїдних яйцеклітин або з запліднених яйцеклітин з неповним набором батьківських хромосом. Як вже зазначалося, будь-який з членів гомологічною пари може потрапити у функціональну гамету. У зрілу яйцеклітину чи сперматозоїд попадає по одному члену кожної пари в процесі редукції числа хромосом у мейозі.
Будова хромосом
Легше за все спостерігати метафазні хромосоми. Під мікроскопом їх фотографують або замальовують. У цій стадії хромосоми найбільш сконденсірованни і утворюють дискретні структури. У багатьох організмів індивідуальні хромосоми і їх гомологи легко помітні за розміром і формою. -фазе клеточного цикла. Кожна метафазних хромосома дійсно складається з двох ідентичних частин, які називаються сестринськими хроматидами, оскільки дуплікація хромосомної ДНК протікає якраз перед метафазі, в S-фазі клітинного циклу.
У хромосоми є перетяжка, звана центромерой. Положення центромери для кожної хромосоми суворо визначено. мейотическом делении. З центромерой пов'язані специфічні хромосомні функції; це остання точка, що з'єднує плечі сестринських хроматид перед повним розбіжністю при мітотичної або II мейотичному розподілі. Самі плечі мають вигляд окремих утворень задовго до розбіжності центромер в анафазі.
Освіта гаплоїдних гамет при мейозі і злиття двох гамет з утворенням диплоїдної клітини при заплідненні. . melanogaster , рассмотренной здесь в качестве примера, как и у других организмов, включая млекопитающих, две половые хромосомы у самца не гомологичны друг другу. Зверніть увагу на те, що у D. Melanogaster, розглянутої тут, для прикладу, як і в інших організмів, включаючи ссавців, дві статеві хромосоми у самця не гомологічних один одному. -хромосому. При мейозі формуються два типи сперматозоїдів, з яких один несе Х-, а інший - Y-хромосому. У самок, несучих пару Х-хромосом, в результаті мейозу утворюються гамети одного типу. или Y - несут оплодотворяющие сперматозоиды. Пол нащадків залежить від того, яку з хромосом - X або Y - несуть запліднюючі сперматозоїди. У деяких організмів негомологичностью, визначальну підлогу хромосому несе самка.
Різниця між областю центромери і плечима хромосом стає очевидним після обробки певними барвниками. Після фарбування центромери виглядають більш щільними і компактними в порівнянні з плечима. Такі щільні, інтенсивно фарбується хромосомні області називаються гетерохроматинового. Гетерохроматин центромери можна спостерігати після фарбування навіть в погано помітних інтерфазних хромосомах. Інші, негетерохроматіновие області хромосом прийнято називати еухроматіновимі. Еухроматіновие області фарбуються набагато менш інтенсивно, ніж гетерохроматинового.
Кінцеві ділянки хромосом називаються теломерами. Часто вони теж гетерохроматинового. Нерідко в мітотичних хромосомах можна спостерігати невеликі перетяжки, звані районом ядерцеву організатора. У мейотичних хромосомах вони мають вигляд потовщень. У межах даного виду райони ядерцевих організаторів зустрічаються на одній або декількох специфічних хромосомах, і якщо вони є, то завжди знаходяться в одному і тому ж місці. До G 1-фазі клітинного циклу деякі ядерцеві організатори починають розростатися, якщо їх більше, ніж один, то такі розрослися області об'єднуються в одну або кілька великих, майже сферичних структур - нуклеоламі. Цей малюнок достовірно відтворюється, і кожну хромосому в наборі можна ідентифікувати. .9 представлен полный набор прометафазных хромосом в клетке человека. На рис. I .9 представлений повний набір прометафазних хромосом в клітині людини. На цьому зображенні, званому каріотипом людини, відображені відносний розмір і форма хромосом поряд з положеннями центромери і характерним видом смуг.
У інтерфазі хромосоми сильно розтягуються і, як правило, не видні. Зустрічаються, однак, і суттєві винятки, які вже багато років інтенсивно досліджуються. -фаз без митоза и клеточного деления. Секреторні клітини личинок деяких комах розростаються до величезних розмірів і проходять кілька S-фаз без мітозу і клітинного поділу. У результаті формується комплекс з безлічі, іноді аж до тисячі, хроматид, які залишаються зчепленими і лежать поруч один з одним, утворюючи товсті нитки, звані політенних хромосомами. Так само як і всі інтерфазних хромосоми, політенні хромосоми розтягнуті значно сильніше, ніж конденсовані метафазні хромосоми. При фарбуванні політенних хромосом спеціальними барвниками виявляється певний малюнок чергування темних і світлих смуг. На відміну від того, що спостерігається в висококонденсірованних метафазних хромосомах, число смуг величезна. . me - lanogaster можно насчитать почти 5000 темных полос, а в полном наборе из 23 метафазных хромосом человека видны по крайней мере 2000 полос. Наприклад, на чотирьох політенних хромосомах D. Me - lanogaster можна нарахувати майже 5000 темних смуг, а в повному наборі з 23 метафазних хромосом людини видно принаймні 2000 смуг.
Чітко помітні морфологічні ознаки індивідуальних прометафазних і політенних хромосом стабільно відтворюються з покоління в покоління у даного виду. Незвичайна форма хромосом або характер смуг поряд з атиповим числом хромосом сигналізують про пошкодження хромосомного матеріалу. Наявність таких змінених хромосом часто пов'язано зі спадковими захворюваннями. Наприклад, сегмент однієї хромосоми іноді переміщається на зовсім неспоріднених хромосому, і такі перебудови відразу виявляються за незвичним розміром або характером смуг. Подібні транслокації іноді бувають реципрокного, тобто два неспоріднені хромосоми можуть обмінятися фрагментами. Іншим прикладом змін, або аберацій, хромосом служать делеції частини нормальної хромосоми, дуплікації деяких областей і навіть інверсії сегментів. Іноді спостерігаються втрати хромосом або, навпаки, поява зайвих. Наприклад, захворювання людини, відоме як синдром Дауна, обумовлено присутністю трьох копій 21-ї хромосоми замість звичайних двох. Успіхи у вивченні структури хромосом визначалися вибором відповідних експериментальних об'єктів. . melanogaster стали излюбленной экспериментальной системой еще на заре развития области биологии, именуемой теперь цитогенетикой; систематическое изучение небольших по размеру хромосом человека и других млекопитающих могло начаться лишь с усовершенствованием экспериментальной техники в начале 50-х годов. Так, величезні політенні хромосоми D. Melanogaster стали улюбленою експериментальної системою ще на зорі розвитку галузі біології, іменованої тепер цитогенетикою; систематичне вивчення невеликих за розміром хромосом людини та інших ссавців могло початися лише з удосконаленням експериментальної техніки на початку 50-х років. Хромосоми прокаріотів не видно в світловому мікроскопі; недоступні для аналізу за допомогою світлового мікроскопа і дрібні, дифузні хромосоми таких нижчих еукаріот, як дріжджі і трипаносоми.
Спадкування одиночних ознак
в., самого этого термина не существовало. Концепція гена сходить до початку 1860 р. і пов'язана з ім'ям Грегора Менделя, хоча до тих пір, поки інші вчені не повторили і не поглибили його дослідження на початку XX ст., Самого цього терміна не існувало. Слово ген було введено В. Йогансеном в 1910 р. і відносилося до гіпотетичної одиниці інформації, яка регулює успадкування індивідуальних ознак організму. Припущення про існування генів було висловлено на підставі даних про статистичному розподілі простих успадкованих ознак у потомстві відомих батьків протягом кількох поколінь. У цих перших дослідженнях генами оперували як абстрактними статистичними поняттями, оскільки не було ніякої інформації щодо хімічної природи досліджуваних ознак. Наприклад, форма або колір насіння або квіток розглядалися як видимий наочний успадковані ознака незалежно від хімічної або метаболічної основи цієї властивості. Тим не менш, логічний інтелектуальний фундамент, закладений Менделем і його послідовниками, цілком відповідає нашим теперішнім уявленням про хімічну структуру генів і тому, як ця структурна інформація втілюється у властивості організму.
Незалежна сегрегація та незалежне комбінування
Погляд Менделя на спадковість у еукаріотів визначався двома головними виявленими їм явищами. Перше-існування незалежної сегрегації. Будь-який організм містить пару генів для будь-якого одиночного успадкованого ознаки, при цьому кожен з членів пари має або батьківське, або материнське походження. У кожному поколінні члени кожної пари генів розходяться з утворенням нових яйцеклітин або сперматозоїдів, і під час запліднення формуються нові пари генів. Тепер члени пари називаються алелями і особливість ознаки залежить від об'єднання однакових алелів або різних. Так, алельні пари, що детермінують якийсь ознака, можуть бути а 1 а 1, а 1 а 2 або а 2 а 2 у різних індивідуумів. Тоді сперматозоїди чи яйцеклітини повинні містити аллель а 1 або а 2. І хоча в кожному окремому організмі є не більше двох різних алелів певного гена, в популяції цього виду циркулює багато різних алелей. Наприклад, можуть існувати множинні форми гена а: а 1, а 2, а 3, а 4 і т.д., тому окремі індивідууми можуть містити такі пари, як а 1 а 2, а 2 а 2, а 3 а 2, а 1 а 4, а 4 а 5 і а 4 а 4.
Друге важливе спостереження Менделя стосувалося незалежного комбінування різних алельних пар генів, кожна з яких визначає різні ознаки. , могут иметь сочетания аллелей a l b l , a l b 2 , a 2 b l или a 2 b 2 . Наприклад, яйцеклітини або сперматозоїдів в організмі, що містить алельних пари а 1 а 2 для ознаки а і Ь 1 Ь 2 для b, можуть мати поєднання алелей a l b l, a l b 2, a 2 b l або a 2 b 2. "; то же самое можно сказать и о других аллельных парах. При утворенні гамет сегрегація алельних пар "а" не залежить від сегрегації алельних пар "b"; те ж саме можна сказати і про інші алельних парах.
Зв'язок між генами і хромосомами
в. На початку XX ст. була виявлена кореляція між фізичним поведінкою хромосом і положеннями менделевської генетики. Кожен член алельному пари генів міг бути асоційований з однією з хромосом пари, а незалежне розподіл алелей можна було пояснити, якщо вважати, що різні алельних пари знаходяться на різних хромосомах. . melanogaster гены ассоциированы с хромосомами. Томас Гент Морган і його колеги довели, що у D. Melanogaster гени асоційовані з хромосомами. . melanogaster легкоразличимы в световом микроскопе. Вони обрали цей організм для генетичних досліджень, оскільки короткий час генерації та велика кількість особин у потомстві, одержуваному від кожного схрещування, робить генетичний аналіз зручним і точним; крім того, хромосоми D. Melanogaster легкоразлічіми у світловому мікроскопі. -хромосомы. У ході експериментів було встановлено, що спадкування алелі, що приводить до появи у потомства білих, а не звичайних червоних очей, завжди зчеплене зі спадкуванням Х-хромосом і ніколи-Y-хромосоми. Були виявлені і інші алелі, що корелюють з різними ознаками, також пов'язані зі спадкуванням Х-хромосом, і алелі, успадковані спільно, зчепленими групами, але незалежно від Х-хромосоми. Таким чином, стало очевидним, що кількість груп спільно успадкованих алелів відповідає числу хромосомних пар. У ході дослідження було встановлено, що алелі, асоційовані з різними хромосомами, розподіляються в потомстві незалежно, а групи алелей, пов'язані з певною хромосомою, залишаються зчепленими і в потомстві.
Рекомбінація
Майже одночасно з виявленням груп зчеплення були виявлені і несподівані винятки. 1 или а 2 и b 2 , как правило, наследовались сцепленно, но иногда появлялись новые сочетания, a 1 b 2 и а 2 ^, которые наследовались в последующих поколениях. Наприклад, такі алелі, як а 1 і b 1 або а 2 і b 2, як правило, успадковувалися сцепленно, але іноді з'являлися нові сполучення, a 1 b 2 і а 2 ^, які успадковувалися в наступних поколіннях. За допомогою цитогенетичного аналізу було встановлено, що при мейозі гомологічні хромосоми обвиваються один навколо одного, тому Морган припустив, що вони можуть обмінюватися між собою частинами, даючи тим самим нові комбінації зчеплених алелів. Цей процес одержав назву кросинговеру або рекомбінації. Зовсім не знаючи хімічної природи цього явища, генетики використовували феномен рекомбінації в якості основного інструменту генетичних досліджень. . melanogaster позволило сделать три важных заключения: гены расположены в линейном порядке, и члены аллельных пар обычно занимают одинаковое относительное положение на гомологичных хромосомах; рекомбинация происходит только внутри одной группы сцепления; частота, с которой два разных сцепленных аллеля перекрещиваются, зависит от расстояния между ними на хромосоме. Визначення частот рекомбінації між зчепленими парами алелів у D. Melanogaster дозволило зробити три важливих висновки: гени розташовані в лінійному порядку, і члени алельних пар зазвичай займають однакову відносне становище на гомологічних хромосомах; рекомбінація відбувається тільки всередині однієї групи зчеплення; частота, з якою два різних зчеплених алелі перехрещуються, залежить від відстані між ними на хромосомі. . melanogaster , а в дальнейшем и других организмов было установлено именно исходя из этих принципов. Відносне положення різних генів на хромосомі D. Melanogaster, а згодом і інших організмів було встановлено саме виходячи з цих принципів. . melanogaster . До 1922 р. Морган і його колеги змогли картировать кілька сотень генів на чотирьох хромосомах D. Melanogaster.
Зв'язок між генами і білками
Одне з перших припущень про те, як інформація, укладена в генах, проявляється в специфічних властивостях клітини та цілого організму, було висловлено ще до того, як винайшли слово "ген". У першому десятилітті XX ст. англійський лікар Арчибальд Гаррод зауважив, що успадкування деяких метаболічних ідіосинкразії і інших розладів у людей відбувається відповідно до правил Менделя. Він припустив, що причиною подібних спадкових розладів служить недолік або відсутність особливих ферментів, необхідних для нормального метаболізму.
Тоді ж Гаррод висловив гіпотезу, що детермінанти спадковості контролюють утворення ферментів. Таким чином, здатність до синтезу особливих ферментів або навіть їх властивості зв'язувалися з генами. Припущення здавалося дуже привабливим навіть за відсутності експериментальних доказів, тому що воно пов'язувало наявні в той час генетичні дані, отримані для мух і рослин, з біологією людини.
Подальший розвиток ідеї Гаррода могли отримати лише з появою нових експериментальних підходів. В кінці 1930-х років такі підходи з'явилися завдяки використанню в якості експериментальних об'єктів мікроорганізмів. и Neurospora . Спочатку в центрі уваги дослідників виявилися нижчі гриби з родів Aspergillus і Neurospora. Ці організми добре росли в певних умовах культивування і досить швидко розмножувалися. До середини 40-х років було накопичено та проаналізовано досить генетичних і біохімічних даних для того, щоб прийти до висновку, що наявність або відсутність ферменту наследуемо і залежить від експресії одного гена. Джордж Бідл і Едвард Татум узагальнили зв'язок між ферментом і геном у вигляді постулату один фермент - один ген. Оскільки ферменти - це білки, а багато білки складаються з більш ніж одного типу поліпептидних ланцюгів, постулат в подальшому став формулюватися як "один поліпептид - один ген". Проведені дослідження показали, що деякі гени кодують білки, які не є ферментами, а інші гени контролюють утворення молекул РНК, які необхідні для синтезу білків.
Для обох компонентів цієї інформаційної ланцюжка часто використовуються такі терміни, як генотип і фенотип, пов'язані відповідно до гену і ознакою, який їм кодується. У загальному вигляді генотип іноді трактується як вся генетична інформація окремої клітини або організму. Аналогічно і термін фенотип застосовується більш широко для опису видимих властивостей клітини або організму, будь то особливі білки чи функції або морфологічні і навіть поведінкові ознаки. Фенотип, як правило, є результатом взаємодії між генетичною інформацією та умовами навколишнього середовища, в якій вона реалізується. Термін геном застосовується до сукупності хромосом, властивих окремому організму, на відміну від терміна генотип, який відноситься до інформації, що містяться в цих хромосомах.
До 1950 р. була виявлена ще більш приваблива і багатообіцяюча експериментальна система для дослідження зв'язків між генами і функціями клітини. имеет примитивные питательные потребности и делится каждые 20-60 мин, давая в потомстве огромное число клеток. Звичайна кишкова бактерія Escherichia coli має примітивні поживні потреби і ділиться кожні 20-60 хв, даючи в потомстві величезне число клітин. У неї було виявлено безліч легко виявляються генетично контрольованих фізіологічних ознак. Крім того, використання мутантів, які досить просто виділити і охарактеризувати, дозволило ідентифікувати гени, що кодують специфічні функції клітини. . coli . Таким чином був відкритий шлях для більш формального генетичного аналізу та створення генетичної карти єдиною хромосоми E. Coli. . coli оказалось то, что эта бактерия является хозяином для нескольких вирусов, для которых в свою очередь характерно значительное генетическое разнообразие инфекционных свойств. Ще однією перевагою E. Coli виявилося те, що ця бактерія є господарем для декількох вірусів, для яких у свою чергу характерно значне генетичну різноманітність інфекційних властивостей.
Бактеріофаги, або, для стислості, фаги, виявилися ще більш зручною системою для генетичних досліджень. Два або навіть більше фагів можуть обмінюватися фрагментами своїх гомологічних геномів, породжуючи фагової потомство з новими генетичними властивостями. Фагових геноми навіть здатні до оборотної інтеграції з бактеріальною хромосомою. При відщепленні з хромосоми фаг може включити в свій геном частина бактеріального геному і, таким чином, стати носієм бактеріальних генів. Аналіз подібного обміну генетичним матеріалом показав, що навіть такі примітивні організми мають упорядкованим геномом та індивідуальні гени можуть скласти генетичну карту.
Гени і ДНК
Сучасна біохімічна генетика веде свій початок від відкриття ДНК в 1869 р. Фрідріхом Мишером. Він встановив, що речовина, екстрагуються з гнійної маси і клітинних ядер, хімічно відрізняється від білків як за змістом органічного фосфору, так і по стійкості до розщеплення протеолітичними ферментами. Протягом наступних 85 років були розроблені різні методи виділення ДНК з метою дослідження природи її хімічних складових і зв'язку між ними. Кульмінацією цих досліджень стало встановлення основної структурної одиниці ДНК: вона складається з фосфорильованого цукру, дезоксірібозофосфата, поєднаного з азотистим підставою-або з одним з пуринів, або з одним з піримідинів. Крім того, за допомогою біофізичних методів було стаю, що молекула ДНК-це дуже довгий ланцюжок, кістяк якої побудований з дезоксірібозофосфатних одиниць, з'єднаних один з одним фосфодіефірних містками; до кожної дезоксірібозной одиниці ланцюга приєднано або пуріновоє, або пиримидиновое підставу. У 1953 р. Джеймс Уотсон і Френсіс Крік узагальнили накопичені на той час дані про склад і структуру ДНК, побудувавши що стала тепер класичною теорію подвійної спіралі ДНК. Імпульсом до її створення послужило збагатила науку відкриття Освальда Евері та його колег, а також Альфреда Херші і Маргарет Чейз, що складалося в тому, що тільки ДНК є носієм генетичної інформації. Центральна роль у спадковості, приписувана хромосомами, могла бути тепер віднесена до ДНК, яку вони містять.
ДНК - не єдина нуклеїнова кислота, що виявляється в клітці. Близькоспоріднені молекули - РНК - відрізняються від ДНК в основному тим, що замість дезоксирибози містять рибозу і частіше мають одноланцюжкову структуру.
Розшифровка структури ДНК і встановлення її центральної ролі в спадковості увінчали накопичені наукою дані і дозволили генетиці із статистичної та феноменологічної науки перетворитися на науку з переважанням хімічних і молекулярних напрямків розвитку. Негайна бурхлива реакція вчених на відкриття подвійної спіралі свідчила про її адекватності. Модель структури ДНК не тільки відповідала хімічним і фізичним даним, але і повністю відповідала функцій, властивим генетичному матеріалу. У лінійній послідовності чотирьох пуринів і піримідинів могло бути закодовано величезну кількість інформації, і в принципі ця структура могла забезпечити свою власну реплікацію. Розшифровка структури ДНК проливала світло на самі різні аспекти біології і створювала основу для пояснення багатьох суперечливих даних, отриманих раніше. Вона забезпечила фундаментальну цілісність при інтерпретації величезного різноманіття життєвих форм. Раз і назавжди спадковість пов'язувалася з певною молекулярною структурою.
Проблеми механізмів перенесення, перерозподілу та експресії генетичних ознак, довгий час не знаходили рішення, з початку 50-х років перейшли на молекулярний та хімічний рівні. Як реплицируются і рекомбінують молекули ДНК? Яким чином вони зберігаються в наступних поколіннях? Яким способом інформація, закодована в ДНК, забезпечує утворення фенотипічних продуктів - білків? Як регулюється зчитування інформації, закодованої у ДНК, у процесі росту клітин або розвитку організму і при інших фізіологічних станах? Як порушуються ці процеси при захворюваннях? Ці та ще багато інших питань стояли в центрі молекулярно-генетичних досліджень протягом останніх 35 років. Бурхливий прогрес в перші 20 з них був досягнутий завдяки використанню систем прокаріотів і пов'язаний з ідентифікацією молекулярних структур, що беруть участь в процесах зберігання, підтримки, передачі та використання генетичної інформації.
Перенесення генетичної інформації в клітині
Інформаційні взаємовідносини між ДНК, РНК і білками тепер точно встановлені. Реплікація, за допомогою якої створюються ідентичні копії батьківської молекули ДНК, забезпечує генетичну безперервність у низці поколінь. Транскрипція ДНК з утворенням РНК опосередковує трансляцію цієї інформації на рівень білків. Отже, ДНК виконує дві основні функції. Перша-це здійснення своєї власної реплікації. Друга - це формування фенотипу через освіту молекул РНК, які беруть участь у трансляції інформації, що міститься в ДНК, на мову білків. І, наскільки це відомо, тільки у еукаріотів інформація може передаватися у зворотному напрямку, від РНК до ДНК, за допомогою процесу, іменованого зворотною транскрипцією.
У основі перенесення інформації від ДНК до РНК або від РНК до ДНК лежить універсальна здатність нуклеїнових кислот служити матрицею. Нуклеїнові кислоти направляють збірку ідентичних чи родинних молекул і безпосередньо беруть участь у процесі синтезу білка. Наскільки відомо, інформація не передається від білків до нуклеїнових кислот. Однак білки крім самозбірки здійснюють найважливішу функцію каталізу та інформаційного переносу між нуклеїновими кислотами.
Далі ми розглянемо коротко ключові характеристики генетичного апарату і його функціонування: структурні особливості найважливіших компонентів молекул - ДНК, РНК і білків - і те, як вони працюють, забезпечуючи збереження цілісності геному і трансляцію генотипу організму на його фенотип. Ці питання детально розглядаються в гл.1, 2 і 3, складових першу частину книги.
Структура і збереження геномної ДНК
Усі клітинні ДНК складаються з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених навколо загальної осі з утворенням подвійної спіралі. Зовнішню поверхню спіралі складає кістяк кожному ланцюзі, що складається з повторюваних залишків дезоксирибози. Ланцюги утримуються разом завдяки водневим зв'язкам між пуриновими підставами одного ланцюга і піримідинових - інший: аденін завжди спарений з тиміном, а гуанін - з цитозином. У результаті утворення таких практично інваріантних пар послідовність підстав одного ланцюга однозначно визначає їх послідовність в іншій - іншими словами, ланцюги подвійної спіралі ДНК компліментарні.
Молекули ДНК виконують дві різні функції. Перша - послідовність пуринових і піримідинових основ кожному ланцюзі служить матрицею, з якою копіюється новий ланцюг. Друга - гени, що складають ДНК, детермінують синтез ферментів та інших білків, необхідних для синтезу нових молекул ДНК. При реплікації в особливій дільниці подвійної спіралі ДНК відбувається розплітання ланцюгів. У результаті кожна ланцюг починає функціонувати як матриця, на якій синтезується нова, компліментарна ланцюг. . Таким чином, кожна з обох утворилися дочірніх спіралей отримує один ланцюг від батьківської спіралі, а іншу - утворену в результаті синтезу de novo. Незважаючи на гадану логічну простоту, процес реплікації в дійсності дуже складний і для його здійснення необхідно безліч білків. Найважливішими з них є ферменти, ДНК-полімеразами. Їх роль у реплікації полягає в складанні полінуклеотидних ланцюгів з окремих мононуклеотидів. Всі ДНК-полімерази подовжують полінуклеотидний ланцюг послідовним додаванням окремих дезоксинуклеотидов.
Вибір нуклеотиду, який повинен бути приєднаний до ланцюга, визначається здатністю входить до його складу підстави утворювати компліментарну пару з наступним вільним підставою ланцюги-матриці. Висока надійність процесу реплікації гарантує практично безпомилкову передачу генетичної інформації в ряді поколінь.
Одне з відкриттів, зроблених при вивченні найпростіших геномів, полягало в тому, що вони кодують апарат для власного увічнення та збереження. Більше того, генетична програма допускає можливість перебудов ДНК, і хоча при цьому часто утворюються невигідні, несприятливі перебудови, створювані нові комбінації генів є матеріалом для еволюційного експериментування. Всі геноми містять інформацію, необхідну для синтезу РНК, ферментів і різних білків, що беруть участь в цих процесах. Один з таких процесів - генетична рекомбінація, в результаті якої відбувається обмін між сегментами гомологічних хромосом. Раніше ми відзначали, що генетичні обміни пов'язані, мабуть, із спаровуванням хромосом у мейозі, більше того, процес кросинговеру можна візуалізувати. Якщо розглядати ці події на молекулярному рівні, то рекомбінація відбувається в місцях перехрещення і полягає в розриві і возз'єднання ланцюгів в межах відповідних областей ДНК рекомбінує хромосом. Рекомбінація, також генетично детермінована, може відбуватися і між певними ділянками ДНК хромосом; в результаті створюються нові зв'язки між генетичними структурами. Для здійснення різних процесів рекомбінації, виявлених у прокаріотів, потрібна ціла армія ферментів, що забезпечують спаровування гомологів або особливих послідовностей і каталізують розриви і возз'єднання ланцюгів.
Існують також і спеціальні механізми репарації пошкоджень ДНК. Опромінення клітин ультрафіолетовим світлом або рентгенівськими променями або обробка різними хімічними агентами приводять до пошкоджень, які зачіпають підстави або остов молекули ДНК. У ДНК закодована інформація про синтез репаруючу ферментів і білків, що підтримують цілісність геному будь-якого організму.
Експресія і регуляція генів
Білки - основні детермінанти фенотипу організму. З них побудовані і ферментативний апарат, який забезпечує метаболічну, енергетичну і біосинтетичні активність всіх клітин, і регуляторні елементи, координуючі ці види активності у відповідь на ендогенні та екзогенні сигнали. Білки є також основними компонентами багатьох структурних елементів, що характеризують морфологію клітини і опосредующих її рух. Говорячи в двох словах, організми - це в кінцевому рахунку ті білки, які вони самі і виробляють.
Постулат "один ген - один поліпептид" створив концептуальну базу для аналізу зв'язку генотипу організму з його фенотипом. Але до вирішення проблеми структурної організації білків і ДНК, тобто до початку 50-х років, ця теорія не мала молекулярної основи. З розробкою нових методів аналізу білкової структури було встановлено, що кожен білок володіє унікальною лінійної амінокислотною послідовністю. Ця послідовність, звана первинної структурою, визначає характер укладки поліпептидного ланцюга з утворенням біологічно активної тривимірної форми. Таким чином, структура білка визначається його амінокислотної послідовністю, яка в свою чергу кодується генами. Доказом цього служить той факт, що мутації в гені призводять до зміни амінокислотної послідовності відповідного білка. Більш того, послідовності мутантних сайтів в генах і послідовності змінених амінокислот у відповідних білках колінеарні, тобто порядок їх прямування однаковий. Таким чином, було показано, що лінійне розташування нуклеотидів в ДНК і амінокислот в білках взаємопов'язано, тобто одна з характеристик генетичного коду встановлена.
Ідея генетичного коду увазі існування певного механізму переказу нуклеотидної послідовності ДНК в амінокислотну послідовність білків. З середини 50-х до початку 60-х років молекулярні основи генетичного коду та механізм його розшифровки при складанні поліпептидного ланцюга були встановлені. Розкриття цієї таємниці стало одним з монументальних досягнень молекулярної генетики. Несподівано код виявився дуже простим і абсолютно однаковим для всіх життєвих форм. Більше того, з'ясувалося, що універсальні і загальні правила трансляції генетично закодованих послань.
Генетичний словник складається з 64 кодонів, кожен з яких представлений трьома послідовно розташованими нуклеотидами в ланцюжку ДНК.61 з 64 кодонів кодують амінокислоти, причому кожен триплет - тільки одну амінокислоту. Один з цих триплетів має подвійну функцію: кодує амінокислоту метіонін і позначає початок фрагмента ДНК, що кодує білок. Кожен з трьох інших триплетів може служити сигналом закінчення послідовності, що кодує білок. Генетичний код виродилися, оскільки однією і тією ж амінокислоті може відповідати більш ніж один кодон; але, з іншого боку, код не двозначний, тому що будь-кодон позначає тільки одну амінокислоту. Якщо відомий словник кодонів, то перевести генну послідовність у відповідний білковий продукт не складає труднощів.
Для експресії гена у вигляді білкового продукту спочатку повинна відбутися транскрипція ДНК з утворенням РНК. Цей процес здійснюється за допомогою РНК-полімераз - ферментів, що каталізують синтез ланцюга РНК шляхом копіювання нуклеотидної послідовності одного ланцюга ДНК за допомогою компліментарного спарювання підстав. Гени, що кодують білки, детермінують синтез молекули "месенджер", або матричної РНК, званої так тому, що вона несе генетичну інформацію, закодовану у відповідному сегменті ДНК, і безпосередньо бере участь у складанні білків. Деякі гени не кодують жодних білків. При їх транскрипції утворюються не мРНК, а молекули РНК, необхідні для утворення зрілих РНК різного типу і для трансляції мРНК у білки.
Дослідження взаємодії РНК-полімераз та інших допоміжних білків транскрипції з ДНК розширило наші знання про специфічність і міцності міжмолекулярних взаємодій. Так, було показано, що здійснюються дуже точні молекулярні контакти між білками і специфічними групами нуклеотидів в ДНК, а це в свою чергу відкрило нові перспективи у дослідженні проблем експресії і регуляції генів. Ми коротко прокоментуємо, як такі взаємодії опосередковує регуляцію роботи генів.
У рамках вступної глави неможливо описати такою досконалий процес, як трансляція послідовності нуклеотидів матричної РНК в білкову ланцюг. Він дійсно дуже складний і складається з безлічі повторюваних етапів. Трансляцію молекул мРНК в білки каталізують рібонуклеопротеіновие частки, що містять більше 50 різних білків і три види молекул РНК. Синтез білкового ланцюга починається з приєднання рибосом до матричної РНК. Білкова ланцюг подовжується на одну амінокислоту, коли рибосома просувається уздовж молекули мРНК на один кодон. Ключовий момент трансляції - переклад генетичної інформації, закодованої в триплетних кодонах матричної РНК, в специфічні амінокислоти - залежить від компліментарного спарювання підстав. Кожна амінокислота приєднується до особливої, близької їй транспортної РНК, яка містить триплет, комплементарний кодоновому триплети в матричній РНК. Завдяки парування підстав між кодоном мРНК і антикодоном тРНК потрібна амінокислота займає своє місце в зростаючій поліпептидного ланцюга. За один цикл переміщення рибосоми по всій довжині молекули мРНК, що кодує даний білок, утворюється одна молекула цього білка.
Вивчення експресії генів - тільки один з аспектів дослідження механізму їх дії. Інше пов'язане з регуляторними процесами, контролюючими час і ступінь експресії при різних умовах. Не дивно, що прогрес у розумінні механізму транскрипції і трансляції дозволив прояснити і проблему регулювання. Так, було показано, що у бактерій регуляція експресії генів відбувається диференційовано. Дійсно, при деяких умовах багато гени не експресуються зовсім, а ступінь експресії інших різниться на порядки. Однак зміна умов може призводити до активації мовчали раніше генів і, навпаки, до репресії активних. Це надає клітинам широкі можливості для мінливості, що забезпечує пристосованість їх фенотипів до умов середовища.
Експресія генів зазвичай регулюється на рівні освіти РНК. Як правило, ініціація транскрипції регулюється або репрессорнимі білками, блокуючими транскрипцію, або активаторний, необхідними для її запуску. У першому випадку експресія починається після зняття репресії в результаті модифікації білка-репрессора. У другому ген транскрибується тільки в тому випадку, якщо активаторний білок знаходиться у відповідному функціональному стані. Репрессорние і активаторний білки - не єдині засоби регулювання транскрипції. У деяких випадках білки - продукти генної експресії - самі служать регуляторами транскрипції власних генів. Відомі також випадки, коли на ефективність транскрипції впливають структурні зміни в ДНК. Освіта РНК може регулюватися і шляхом контролю швидкості елонгації або місця її закінчення, тобто транскрибувати може весь ген або якась його частина при наявності специфічного стоп-сигналу. Експресія генів може також регулюватися на рівні трансляції матричної РНК в білки. У цьому випадку специфічна регуляція теж зазвичай здійснюється на початкових етапах процесу декодування.