Молекулярная генетика

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА

Авторы: С.Г. Инге-Вечтомов

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА, направление молекулярной биологии, связанное с исследованием воспроизведения и изменчивости генетич. материала, его репарации (восстановление после первичных повреждений или превращение их в мутации - стойкие наследуемые изменения), рекомбинации генов и экспрессии генетич. информации посредством транскрипции и трансляции, регуляции этих процессов в клетке и при индивидуальном развитии.

История развития

Возникновение М. г. является результатом взаимодействия трёх ранее независимых направлений исследования и логически вытекало из разработки теории гена. Первое направление связано с изучением нуклеиновых кислот и доказательством их генетич. роли, прежде всего ДНК. Молекулярная природа генетич. материала была установлена амер. учёными О. Эвери, К. Мак-Леодом и М. Маккарти в 1944 в результате идентификации химич. природы агента, переносящего наследств. признаки при трансформации бактерий - явления, открытого англ. учёным Ф. Гриффитсом в 1928. Структура молекулы ДНК расшифрована Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953. Второе направление - исследование сложной структуры гена - начато в 1920-30-х гг. в СССР работами А.С. Серебровского и его школы, обнаруживших сложные аллельные отношения и рекомбинацию в гене scute-achaete (sc-ac) у плодовой мушки Drosophila melanogaster; дальнейшее развитие получило в 1940-50-е гг. в связи с изучением т. н. псевдоаллелизма, в частности - рекомбинационной делимости генов у того же объекта (К. Оливер, М. Грин, Э. Льюис, США). Сложная структура гена была детально исследована в кон. 1950-х - нач. 1960- х гг. для локуса rII бактериофага T4 С. Бензером, доказавшим, что ген состоит из линейно расположенных, самостоятельно мутирующих и рекомбинирующих элементов генетич. материала, представляющих собой пары нуклеотидов ДНК. Третье направление - доказательство роли генов в определении первичной структуры и функции белков. В 1941 Дж. Бидл и Э. Тейтем сформулировали принцип «один ген - один фермент», согласно которому гены осуществляют свою функцию через контроль синтеза белков-ферментов. В дальнейшем было доказано, что линейная последовательность нуклеотидов ДНК кодирует линейную последовательность аминокислотных остатков в первичной структуре (полипептидной цепи) белка. В 1961 Крик определил универсальные свойства генетического кода и правила считывания генетич. информации с матричной (информационной) РНК (мРНК), переносящей информацию от ДНК к рибосомам, синтезирующим белок. мРНК была открыта Э. Волкиным и Ф. Астрачаном (США) в 1956. Триплетный генетич. код был окончательно расшифрован к 1965 преим. трудами Х.Г. Кораны, М.У. Ниренберга и С. Очоа. Положения, на которых основывается М. г., Ф. Крик суммировал в виде центр. догмы молекулярной биологии, которая воплотила матричный принцип в репликации (синтезе ДНК), транскрипции (синтезе РНК) и трансляции (синтезе белка). Центр. догма претерпела лишь одну модификацию, когда были открыты белки прионы, которые могут служить цитоплазматич. наследств. детерминантами дрожжей Saccharomyces cerevisiae и cапрофитного гриба Podospora anserine (концепцию прионов разработал С. Прузинер). При этом не происходит репликации полипептидной цепи, а имеет место воспроизведение её пространственной укладки. Важным этапом в развитии М. г. было установление в 1961 Ф. Жакобом и Ж. Моно механизма регуляции (включения и выключения) работы генов у бактерий. Принципиальная схема регуляции действия генов оказалась универсальной для прокариот и эукариот. Правда, в последнем случае она организована значительно сложнее, поскольку ДНК существует в комплексе с гистоновыми белками хроматина, также вовлечёнными в регуляцию действия генов.

Современная молекулярная генетика

Совр. состояние и возможности М. г. в значит. степени определяют методы клонирования генов, т. е. получения их в препаративных количествах путём размножения в составе векторов - плазмид или вирусов и выяснения их первичной структуры (последовательности нуклеотидов) на основании спец. методов. Последние предложены Ф. Сенгером, а также А. Максамом (США) и У. Гилбертом и базируются на использовании эндонуклеаз рестрикции (рестриктаз), расщепляющих ДНК в районе определённых последовательностей нуклеотидов. Существенный вклад в разработку методов секвенирования ДНК на раннем этапе внесли А.Д. Мирзабеков и Е.Д. Свердлов. Крупнейшим в М. г. стало открытие К. Маллисом (США) в 1983 полимеразной цепной реакции, позволяющей многократно копировать выбранные гены. Разработка методов трансформации практически для всех биологич. объектов вместе с методами клонирования и направленного изменения генов легли в основу генетической инженерии. В кон. 1980-х гг. сформировалась наука о структуре и функции генома разных организмов - геномика; расшифрованы геномы десятков видов бактерий, ряда растений, животных и человека. Достижения М. г. связаны с установлением т. н. эпигенетич. явлений наследственности и изменчивости (эпигенетика), определяемых регуляторными взаимодействиями генов и имеющих лишь косвенное отношение к нуклеотидным последовательностям ДНК. Гипотеза эпигена - структуры, состоящей из взаимно регулируемых генов, впервые была предложена рос. учёными В.А. Ратнером и Р.Н. Чураевым в 1975. На рубеже 20-21 вв. эта гипотеза доказана экспериментально Чураевым, а затем мн. др. исследователями с использованием методов генетич. инженерии. Эпигенетич. явления играют гл. роль в индивидуальном развитии - детерминации и дифференцировке тканей многоклеточных организмов. При этом регуляция экспрессии генетич. информации происходит на всех уровнях, включая репликацию, транскрипцию, трансляцию и посттрансляционные процессы созревания и укладки полипептидов. М. г. находит применение в медицине - в установлении молекулярной природы наследственных заболеваний и их лечении (генотерапия). Ведутся работы по созданию индивидуальной геномики, которая обеспечивает раннюю диагностику наследственной предрасположенности к тем или иным заболеваниям и позволяет принимать необходимые профилактич. меры. Совр. с. х-во применяет методы М. г., прежде всего генетич. инженерии, для искусств. конструирования организмов с заданными свойствами. Микроорганизмы и с.-х. растения «научили» вырабатывать порой не свойственные им соединения, в частности белки, используемые как терапевтич. средства (напр., инсулин, интерферон, противовирусные антигены). Методы М. г. обеспечили также создание спец. высокочувствительных биологич. систем для генетич. токсикологии - индикаторов генетически активных факторов (мутагенов, канцерогенов) в окружающей среде и продуктах, производимых человеком.

Литература Лит.: Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1978; Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. 2-е изд. М., 1981; Крик Ф. Безумный поиск: Личный взгляд на научное открытие. М.; Ижевск, 2004; Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М., 2009.

Источники: [ БРЭ ] [ P ] [ B ] и дополнительная информация: [ W ] [ G ] [ Y ]