Молекулярная генетика — Введение и основы

Принцип передачи наследственных признаков конкретного организма следующим поколениям всегда интересовал человечество.

Первые эксперименты по закреплению «полезных» генов проводились задолго до появления классической науки. Передавая опыт из поколения в поколение, древние люди провели колоссальную работу по селекции культурных растений и одомашниванию всех существующих сегодня сельскохозяйственных животных.

Позднее, с появлением классической генетики, ученые смогли объединить в общую базу результаты предшественников и подвести под научное обоснование множество ранее необъяснимых явлений. Но даже традиционная генетика, подарившая миру огромное число уникальных открытий в XIX веке, не смогла дать ответы на ряд ключевых вопросов. Более того, результаты некоторых экспериментов противоречили даже тем фундаментальным основам, что успели сложиться в данной области.

Именно эти множественные противоречия заставили ученых задуматься о более глубоком изучении вопросов изменения, проявления и наследования генетической информации. Поэтому, как только техническое оснащение научных лабораторий и исследовательских центров позволило заглянуть вглубь генетического кода, на стыке традиционной генетики и молекулярной биологии появилась новая наука – молекулярная генетика (М.г.). Она изучает принципы наследственности и эволюции живых организмов за счет процессов, протекающих на субклеточном уровне, более глубоком, чем исследуется в классической генетике. И дает более обширное поле не только для внешних наблюдений, но и для практических экспериментов по изменению и наследованию генетической информации.

История возникновения

Одним из важнейших открытий, предшествующих появлению молекулярной генетики, является определение роли ДНК в вопросе передачи наследственной информации. В ходе знаменитого эксперимента Эйвери-Маклауда-Маккарти в 1944 году было установлено, что характерные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически иному штамму, путем внесения в его ядро дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), полученной от первого образца. В стройную теорию о значении ДНК на тот момент не вписывались только РНК-содержащие вирусы. Однако позднее ученые доказали, что в их случае носителем наследственной информации выступает рибонуклеиновая кислота.

К тому моменту ученые нескольких независимых школ уже нашли подтверждение сложной структуре гена и установили его делимость. Однако для доказательства этих теорий не хватало соответствующего оснащения. Так, еще в 20-30-х гг XX века советский ученый Серебровский проследил рекомбинацию в гене scute-achaete (sc-ac) у плодовой мушки Drosophila melanogaster. А его австрийский коллега Грегор Мендель к этому времени уже установил сложные аллельные отношения на примере гороха. Позднее эти принципы наследования оформились в закон Менделя.

Однако увидеть доказательства своих теорий ученые смогли лишь спустя несколько десятилетий. В 1953 году американский генетик Дж. Уотсон совместно со своим британским коллегой Ф. Криком представили научному сообществу модель молекулы ДНК, представляющею собой спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, связанными между собой попарно. Это открытие стало знаковым для молекулярной генетики – оно не только доказало возможность рекомбинации (и мутации) гена путем замещения нуклеотидных пар (сайтов), но и дало толчок к изучению последовательности кодирования генной информации и принципам реализации наследственности.

Создание новой жизни

Расшифровав структуру генетического кода в молекуле ДНК, ученые смогли отследить механизм передачи наследственной информации от исходного образца к его следующим поколениям.

На первом этапе воспроизведения генетического кода информация из ДНК переносится на молекулы РНК. Данный процесс называется транскрипцией генов и происходит в ядре клетки. Для его проведения специальные ферменты (ДНК-зависимые РНК-полимеразы) копируют информацию с цепочки ДНК и в ходе сложной химической реакции созревают в полноценные информационные носители. Только после завершения «копирования» и-РНК покидает ядро.

На втором этапе информационная РНК (и-РНК) с помощью специальных нуклеопротеидов (рибосом) осуществляет синтез белков по заданной матрице. Если быть более точными, рибосомы формируют не сам белок, а его полипептидную цепочку, в соответствии с которой аминокислоты занимают предназначенный участок в структуре белка, и тот принимает заданную форму и связанные с ней функции. Данный процесс моделирования белков с матрицы и-РНК называется трансляцией.

Описанная схема передачи наследственной информации «ДНК → РНК→ Белок» была признана догмой. Однако в 1970 году американские генетики Хауард Темин и Дэйвид Балтимор заставили частично пересмотреть устоявшееся мнение. Как показали их опыты, часть генетической информации может транслироваться в обратном порядке – от РНК к ДНК. Позднее явление обратной транскрипции было доказано не только у вирусов, но и у млекопитающих, дав частичное обоснование явлению дифференцировки (специализацию) тканей и клеток.

К настоящему времени теория передачи наследственной информации от нуклеиновых кислот к белкам прошла подтверждение всеми доступными методами. Единственным исключением, несколько выбивающимся из правила, служат прионная гипотеза. Эти белки с аномальной третичной структурой способны без участия нуклеиновых кислот перестраивать структуру других белков в подобную себе. Однако они не смогли полностью нарушить центральную догму молекулярной генетики: прионы не оказывают влияния на ДНК или РНК, а значит, даже аномальный белок не способен передать информацию на нуклеиновые кислоты.

О роли белков в функциональности организма

Принципы формирования белков и закрепления их мутаций является одной из наиболее обширных тем в молекулярной генетике. Суть в том, что почти все функциональные элементы любого живого организма являются белками.

В их задачи входит:

• Формирование новых структур и поддержка уже существующих – различные белки являются основным строительным материалом для клеточных и внеклеточных систем организма.
• Обеспечение организма питательными веществами и энергией, транспортировка «материала» (кислорода, аминокислот и пр.) и его точечная доставка.
• Размножение, половая активность, регуляция всех внутренних процессов – все гормоны являются белками по природе.
• Защита организма – иммунитет любого живого существа построен на реакции антител, которые связывают потенциальные раздражители на клеточном уровне.
• Движение и реакция на внешние раздражители – белки отвечают за восприятие организмом сигналов извне, а также регулируют сокращение любых мышц: в процессе осознанной деятельности или неосознанно (перистальтика кишечника, сокращение матки и пр.).
• Сопровождение всех биохимических процессов в организме: высвобождение энергии при переработке пищи, образование и использование «стратегических запасов», биосинтез новых белков из поступившего извне сырья.

Как возникает белок

Любой белок представляет собой сложную многомерную структуру. При этом его функции во многом определяются формой самого протеина и характеристиками его поверхности: заряд, гидрофобные взаимодействия, водородные связи. Одним из наиболее популярных сравнений в молекулярной генетике является аллегория «ключ-замок». Ведь от того, насколько правильно и плотно белок может соединиться с рецептором,клеткой или субклеточным компонентом, зависит качество и даже возможность протекания той или иной реакции.

Всего для создания любого белка используется порядка 20 α-аминокислот. Однако в зависимости от их порядка и расположения протеин может принимать самые разные формы. Причем один и тот же белок может одновременно выполнять несколько взаимонезависимых функций, соединяясь с тем или иным рецептором.

Общая схема воспроизведения любого белка неизменна: генный код с ДНК транскрибируется на и-РНК и транслируется на готовую молекулу белка. Однако в реальности процесс намного сложнее. Дело в том, что любая цепочка ДНК достаточно объемна: если у простейших организмов она состоит всего из нескольких пар нуклеотидов, то у сложноорганизованных млекопитающих ДНК может включать более полутора тысяч сайтов. При этом размер «генного кода» каждого белка может существенно различаться: чем сложнее протеин, тем больше информации в коде.

Создание нового белка начинается с поиска «рамки считывания» - участка цепочки, отвечающего за конкретную единицу генной информации. Она состоит из последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК. Всего существует 4 вида нуклеотидов: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Между собой они связываются по принципу комплементарности водородными связями: «A – G» и «C – T». Каждые три последовательно расположенных нуклеотида одной нити ДНК образуют триплет (кодон), в котором и кодируется структура будущего белка.

Несмотря на ограниченное число возможных сочетаний, код имеет высокий уровень сложности. Сигналом к началу считывания обычно служит промотор – это старт-кодон запускает транскрипцию генетической информации с последующих триплетов. Завершением рамки считывания служит стоп-кодон. В случае с белками он «закрывает» полипептидную цепь и завершает строительство новой структуры.

Однако важно учитывать, что рамка считывания на спирали ДНК млекопитающих редко бывает однородной. Чаще всего отдельные отрезки матрицы разбросаны в самых неожиданных участках. В этом случае в силу вступает сплайсинг – с помощью сложной ферментной реакции необходимые отрезки генетической информации просто вырезаются из общего объема и склеиваются между собой в правильном порядке в процессе созревания и-РНК. И чем сложнее организм – тем выше вероятность сплайсинга. К примеру, в человеческом ДНК больше половины кода состоит из повторяющихся отрезков, не несущих программных функций. А для образования похожих белков РНК использует альтернативный сплайсинг, используя одни и те же участки по нескольку раз с тем или иным дополнением.

Итак, и-РНК считал информацию с ДНК, собрал ее воедино и транслировал на новый белок. Но это еще не все. Генная информация определяет тип аминокислот, что используются в структуре протеина, и их порядок. Но это лишь первичная структура белка. Она не может существовать в произвольном состоянии. С помощью водородных связей полипептидные цепочки сворачиваются в альфа-спирали или складчатые листы. Так проявляется вторичная структура белка.

Третичная структура протеина зависит от типа использованных аминокислот. Гидрофильные и гидрофобные отрезки дифференцируются друг от друга с образованием защитного слоя на поверхности молекулы.

В процессе образования четвертичной структуры белка несколько третичных систем, созданных отдельно друг от друга, объединяются в единый комплекс.

Казалось бы, этот процесс совершенно случаен. Однако все закономерности образования вторичной, третичной и четвертичной структуры белка предусмотрены составом и порядком аминокислот. А значит, уже заложены в генетическом коде. И любая ошибка при воспроизводстве белка так или иначе является ошибкой в генетическом материале.

Если в код закралась ошибка

Несложно догадаться, что чем сложнее код, тем выше вероятность случайных ошибок. Именно за счет подобных ошибок возникают мутации. Большинство из них не оставляют значительных последствий. Однако самые успешные результаты мутагенеза являются двигателем эволюции.

Как это происходит. Основным источником наследственной информации при воспроизводстве новых структур является триплет. При этом каждый кодон состоит из трех нуклеотидов. В норме их последовательность не должна меняться. Однако структура ДНК не статична. Она может измениться в процессе репликации (прямого дублирования ДНК), репарации (повреждения структуры ДНК), под воздействием внешних факторов (токсины, излучение, пр.) в результате рекомбинации (сборка новой ДНК из двух родительских).

Каковы бы ни были причины негативных изменений ДНК, природа изначально разработала механизм защиты. В случае репарации поврежденные участки цепи просто вырезаются и дублируются правильными. Однако в ряде случаев этот механизм дает сбой, и мутация сохраняется, но не всегда передается следующему поколению.

В случае рекомбинации вероятность мутации зависит от процессов кроссинговера – замены соответствующих участков хромосом от родительских образцов. При этом сам процесс обмена может идти несколькими путями: замена может происходить как в обеих нитях ДНК, так и в пределах одной нити, и в каждом отдельном случае на выходе получается совершенно новый образец с новыми комбинациями триплетов.

Сложность мутации и ее проявление зависит от ряда факторов. Если в кодоне поменялся всего один нуклеотид, мы имеем дело с точечной мутацией. В зависимости от расположения неправильно закодированного нуклеотида на выходе можно получить:

• сохранение верной генетической информации – триплет продолжает корректно кодировать белок;
• полное нарушение кода – образуется стоп-кодон, который прекращает синтез белка;
• изменение кода – после замены основания триплет несет информацию для создания совсем другого белка.

Если же в процессе неравного кроссинговера из цепочки «выпал» один нуклеотид (делеция) или присоединился дополнительный (инсерция), рамка считывания сдвигается на один знак и возникает совершенно новый нуклеотидный состав кода. Он гарантированно не сможет закодировать нужный белок.

При более сложных мутациях замене подвергаются целые участки цепочки. Предсказать результат каждого реализации каждого отдельного кода в этом случае достаточно сложно. Однако в ряде случаев наблюдается обратная мутация, которая за счет изменений на дублирующих участках возвращает организм к приемлемым для выживания «настройкам».

Виды мутаций и их эволюционные последствия

Подавляющее большинство мутаций не оставляет следа в эволюции. В случае незначительных точечных мутаций, сохраняющих возможность воспроизводить заданные протеины, выявление ошибок несет исключительно научную ценность, позволяя отследить происхождение той или иной особи (штамма, колонии, пр.). Когда речь идет о более сложных мутациях, будет вернее ставить вопрос о выживании образца в целом, чем о закреплении признаков и передаче их потомству.

Как показала практика, наиболее жизнеспособными в плане закрепления и передачи потомству оказались именно мелкие точечные мутации, которые дают носителю какие-либо преимущества в конкретных условиях.

Так, наглядным примером может служить случайная мутация у британской бабочки-пяденицы. Традиционный светлый окрас на протяжение всего времени существования вида являлся маскирующим – на светлых стволах деревьев бабочек было не видно. Однако деятельность человека привела к загрязнению региона. И случайное появление темноокрашенных особей (мутация) позволило сохранить популяцию. А изначально светлые особи потеряли преимущество в маскировке и стали добычей хищных птиц.

Если вести речь об эволюции человека, то одним из наиболее наглядных (и удачных) примеров точечных мутаций можно назвать ген FOXP2. Как удалось расшифровать американским ученым, он прямо связан с коммуникативными возможностями, отвечая за воспроизведение и восприятие информации, в частность, за речь.

Аналоги FOXP2 были обнаружены практически у всех представителей животного мира. Однако человеческий ген имеет значительно более сложную структуру. Отследить изменения в гене удалось примерно на четверть миллиона лет назад. Если провести параллель с развитием человечества, можно предположить, что мутации FOXP2 давали своим носителям некоторое преимущество в сравнении с остальной группой. Выгодные признаки закреплялись и постепенно (через несколько поколений) становились нормой. Если упростить до минимума принципы мутагенеза и наследования, примерно так осуществляется закрепление любой мутации.

Можно ли сформировать ген с нужными опциями

Если ученые смогли проследить мутации гена на 250 000 лет назад и установили участки ДНК, отвечающие за ту или иную функцию организма, может ли человечество усовершенствовать себя?

Данный вопрос имеет скорее этическую подоплеку. В настоящее время эксперименты с генной инженерией запрещены. К радости ученых, еще до наложения вето общественность успела познакомиться со знаменитой овечкой Долли, ставшей первым известным клоном и прожившей под наблюдением ученых 6 лет. Более того, она успела выносить и родить 6 ягнят.

Однако есть ряд направлений, где молекулярная генетика уже успела добиться существенных результатов и доказать свою практическую пользу. Речь идет о генной модификации ряда сельскохозяйственных культур, позволившей получать стабильные урожаи даже в ранее непригодных для этого регионах. В настоящее время продукция с ГМО подвергается жесткой цензуре, однако ее низкая стоимость и высокие объемы производства позволили снизить продовольственный кризис в ряде регионов, что можно считать достаточно высоким достижением.

Огромные перспективы молекулярная генетика предлагает медицине. Путем точечного вмешательства можно бороться не только с опухолями и вирусными заболеваниями, но и помогать людям с врожденными заболеваниями. В настоящий момент М.г. уже активно используется при синтезировании ряда искусственных белков: гормонов и ферментов, необходимых людям с различными заболеваниями. А будущим родителям молекулярная генетика предлагает диагностику высочайшего уровня, позволяющую выявить риски для плода на самых ранних сроках и скорректировать их.