Великие открытия в генетике

12 Ноя
2013

Законы наследственности

Когда нас зачинают родители, мы наследуем их черты. Но как они перемешиваются?

В середине 19 века монах-августинец по имени Грегор Мендель занялся вопросом биологического наследования, он провел серию экспериментов.

У Менделя от природы был пытливый ум и чрезвычайная любовь к Природе. Его научный интерес простирался от исследования растений до метеорологии и теории эволюции.

Работая в монастыре на территории нынешней Чехии, Мендель начал экспериментировать с горохом, он наблюдал признаки получения видов. Почему горох? Сам он говорил – ради смеха.

Мендель заметил, что скрещивая круглый горошек с морщинистым, он все равно получал круглый, а не смесь двух видов, как он ожидал. Однако в следующем поколении появилась смесь: встречались как круглые, так и морщинистые семена.

Он продолжал экспериментировать, пытаясь понять, какой биологический механизм является причиной исчезновения определенных характеристик в первом поколении и проявления их во втором.

И вот однажды Мендель подсчитал число гороха во втором поколении, имеющего характеристики сморщенного вида – их было ровно четверть. Мендель в своих экспериментах обнаружил биологический феномен, который мы относим к раздельному наследованию и независимому наследованию, только тогда Мендель этого не знал.

И все же его эксперименты показали удивительные факты, которые, как он говорил, «сами просились на поверхность к моему изумлению». Не важно, как он скрещивал разные виды гороха, скрытые признаки проявлялись лишь на четверть и только во втором поколении.

И это было открытие Менделя. Впервые он мог продемонстрировать определенные закономерности в цепи наследования. Другими словами, существуют законы природы, которые управляют наследственностью.

Итак, Мендель сделал первое открытие в генетике. Особенности — цвет глаз: каждая наследуемая характеристика должна содержать пару, как он их называл, факторов. Особенности – прижатая мочка уха: каждый родитель, по его словам, несет один фактор для каждой характеристики. Особенности – «веснушки»: определенный фактор доминирует, другие отсутствуют. В зависимости от комбинации этих факторов и получаются наследственные черты.

Факторы Менделя назвали генами. Термин «особенности Менделя» используется для описания характеристик одного гена, который проявляется на одну четверть во втором поколении.

Эти характеристики могут быть как безобидными, вроде «веснушек» или способности скручивать язык, так и вести к серьезным заболеваниям вроде пузырного фиброза. И это все следует из простой работы одного человека с простым горохом.

А потом появились эксперименты с другими простейшими существами.

 

Гены нанизаны на хромосомы

Дрозофила меланогастер – обычная фруктовая мушка. Сегодня ее роль в генетических исследованиях не менее важна, чем столетие назад. Ведь в начале 20 века ученые вновь вернулись к работе Менделя о наследуемых признаках. А в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йохансон придумал термин «гены», чтобы описать факторы Менделя.

Среди исследователей новой науки – генетики – был и Томас Хант Морган, эмбриолог из Колумбийского университета с независимым мышлением.

В своих ранних работах Морган критически подходил к концепции Менделя о наследственности, он скептически относился даже к самой теории эволюции Дарвина. Но лишь до поры до времени, пока не начал работать с дрозофилой.

Морган выбрал фруктовую мушку по нескольким причинам, главная из которых – короткое время смены поколений. Еще одна важная вещь: самка мушки дает сотни новых мушек, а для генетических исследований вам прежде всего необходимо много данных – много мушек, множество отдельных особей, ждать вечность у вас нет времени.

История гласит, что однажды, вскоре после начала разведения дрозофил для экспериментов, в лаборатории Моргана появился жуткий мутант с белыми глазами. Морган решил скрестить его с самкой, у которой были обычные для данного вида красные глаза.

Через две недели он получил результат. Одна за другой появлялись мушки первого поколения, у всех глаза были красные. Посчитав белые глаза чем-то вроде скрытого признака, Морган решил подождать и узнать, что произойдет во втором поколении.

Естественно, характеристика перескочила поколение: на этот раз у части особей были красные глаза, у других – белые. Но тут Морган столкнулся еще с одной деталью: все мушки с белыми глазами были самцами. К тому времени уже было известно, что пол определялся двумя палочковидными структурами, найденными в ядре клетки – хромосомами. Например, женщина обладает двумя X-хромосомами, а у мужчины одна X и одна Y-хромосома.

Морган понял, что ген, отвечающий за белые глаза, каким-то образом связан с фактом, что у самцов всего одна X-хромосома. А это значит, что у самок ген, отвечающий за красные глаза на одной из X-хромосом, должно быть, перекрывает ген белых глаз другой хромосомы. Чтобы доказать эту точку зрения, Морган вывел тысячи фруктовых мушек и изучил их черты.

Наблюдения Моргана в генетике абсолютно фундаментальны, потому что со своими студентами он показал, что гены расположены на хромосоме в линейном порядке.

Сегодня генетики знают, что причиной заболеваний вроде гемофилии и мускульной дистрофии являются поврежденные гены на X-хромосоме. Считается, что другие болезни, например, рак, также могут быть связаны с повреждениями хромосом.

За это открытие Морган был награжден Нобелевской премией по медицине в 1933 году, он стал первым ученым-генетиком, получившим эту премию.

А дрозофила меланогастер, благодаря своему взносу в работу Моргана стала одной из основополагающих экспериментальных моделей в науке.

 

Гены управляют биохимическими процессами

Джордж Бидл изучал фруктовую мушку наряду с Морганом. Работая в Париже в 1935 году, Бидл решил, что передача цвета глаз у дрозофилы является результатом химических реакций, влияющих на генетику.

Бидл проводил свои исследования в университете Стэнфорда вместе в Эдвардом Тейтумом. Для своих экспериментов Бидл и Тейтум выбрали другой простейший организм – Нейроспору густую, красную хлебную плесень. Они выбрали плесень, потому что для ее роста нужны минимальные требования – хлеб, вода и воздух.

Нейроспора также имеет простой набор хромосом, что упрощает исследователям наблюдения изменения в генах. Зная, что рентгеновские лучи повреждают хромосомы, Бидл и Тейтум воздействовали на плесень, в результате в генах спор происходили мутации. Мутировавшие гены не могли производить необходимые питательные вещества для рождения плесени.

Однако, когда ученые добавили пищи, некоторые споры начали возрождаться. Здесь Бидла и Тейтума посетило озарение: они поняли, что обработанные радиацией споры не могут производить достаточного питания, поскольку у них повреждены гены.

Это было серьезное заключение. Это означало, что гены не просто передавали наследственную информацию от одного поколения к другому, они также управляли производством ферментов, от которых зависело выживание плесени. Гипотеза Бидла и Тейтума известна как «один ген – один фермент».

Непереносимость молока – один из примеров нарушения обмена веществ у человека, возникшего из-за потери одного единственного фермента. Он теряется из-за того, что некоторые люди получают ген, который не может производить лактозу, поэтому они не могут расщеплять сахар в определенных продуктах. Этот недуг легко лечится приемом препарата, содержащего необходимый фермент.

Благодаря Бидлу и Тейтуму мы получили фундаментальное понимание функции генов, а также была расчищена дорога для новых замечательных открытий в генетике.

 

Мигрирующие гены

До сих пор после рассмотрения работ Менделя, Моргана и Бидла с Тейтумом мы лишь видели, как гены передаются, где они находятся и как они работают, но следующее открытие раскрывает совершенно новый феномен о возможности генов.

Пришел он из неожиданного источника. Барбара Мак-Клинток – женщина, ставшая самым заметным ученым 20 века. Это легендарный ученый, одна из величайших в мире. Ей пришлось многое перенести, частично из-за того, что для большинства людей она была слишком гениальна, а ее ум был слишком скор. И хотя она была членом Академии, ей никогда не предлагали место академика в первую очередь из-за того, что она женщина, еще потому, что она была намного умнее многих своих коллег-мужчин.

В 1942 году, не сумев пробиться в мужском мире генетики и не сделав карьеры, Мак-Клинток отправилась работать в лабораторию Колд Спринг Харбор в Нью-Йорке. Именно здесь она сделала свои исторические открытия.

Она работала одна, в качестве объекта исследования она выбрала кукурузу. Больше всего ее интересовал генетический механизм уникальный цветов початка.

Именно наблюдая за кукурузой, Мак-Клинток заметила взаимосвязь между цветом зерен и повреждениями в хромосомах. Цвет зерен зависел от того, в какой части хромосомы был разрыв. Разрыв в хромосоме случается, говорила она, когда один из генов неожиданно прыгает или перемещается из одной хромосомы в другую. Когда такое происходит, это подавляет активность прочих генов, отвечающих за оттенок цвета зерен.

В то время считалось, что хромосомы и гены просто передаются от поколения к поколению. Она обнаружила, что определенные гены, которые она пыталась найти на хромосоме, оказываются в разное время в разных местах: у одного растения в одном месте, у другого — совсем в другом, а в третьей кукурузе – в третьем. Как это возможно: один и тот же ген — разные места и разные растения?

Она сделала интуитивное предположение: гены перемещаются с одного места на другое, но тогда ее никто не услышал. Она стала первой, кто увидел детали отдельной хромосомы.

Открытие Барбары Мак-Клинток мигрирующих генов как эволюционно, так и революционно. Некоторые генетические мутации происходят из-за транспозонов, или мигрирующих генов, связанных с раком и другими заболеваниями. Транспозоны могут стать причиной механизма, заставляющего гены мутировать с тем, чтобы измениться и продвигать эволюцию видов.

Сегодня мы знаем, что мигрирующие гены существуют у всех живых существ – от водоросли до человека.

В 1951 году Барбара Мак-Клинток представила свои изыскания на симпозиуме в Колд Спринг Харбор. Ее работу отвергли. Опыт оказался для нее настолько горек, что она перестала давать лекции. Но до самой своей смерти в 1992 году в возрасте 89 лет она продолжала работать в лаборатории. Она прожила достаточно долгую жизнь, чтобы отстоять свои взгляды. Через 30 лет после ее открытия в 1983 году ее наградили Нобелевской премией по медицине.

 

ДНК содержит генетический материал

Это открытие сделано 1952 году в той же лаборатории Колд Спринг Харбор, где Барбара Мак-Клинток отрыла мигрирующие гены. Биологи Альфред Хеши и Марта Чейз изучали бактериальный вирус. Этот вирус инфицировал бактерии.

Посредством так называемой трансформации вирус брал верх над внутренней структурой бактерии и начинал управлять ей, заставляя создавать новые вирусы. Бактериальный вирус состоит из двух простых компонентов: протеиновой оболочки, а внутри – таинственный состав, до которого ученые десятилетиями не могла добраться — дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК.

Херши и Чейз пытались выяснить, что содержит генетическую информацию – белок или ДНК. Используя два радиоактивных элемента, они пометили в одной группе вирусов оболочку, в другой – ДНК. Затем они соединили вирусы и бактерии. При помощи блендера они отделили бактерии от пустых белковых оболочек вируса. Херши и Чейз увидели, что радиоактивный протеин не попал внутрь бактерии, зато внутри бактерии была радиоактивная ДНК. Именно ДНК начала заставлять чужую клетку создавать новые вирусы.

Это был необычайный прорыв! Благодаря Херши и Чейз и другим ученым, которые прокладывали им дорогу, мы неожиданно поняли истинную суть ДНК – это генетический материал, сама суть жизни. И этому пониманию помог обычный блендер.

За свою работу Херши в 1969 году наградили Нобелевской премией, а блендер Херши и Чейз вдохновил новую эру генетических исследований.

 

Двойная спираль

Еще в 1951 году химическая структура ДНК манила своей неизвестностью. В Англии в Кембридже биолог Джеймс Уотсон и физик Френсис Крик работали над секретами молекулы ДНК.

Но они были не одиноки. Над решением той же загадки трудилось еще несколько групп ученых. Уже было известно несколько важных фактов о ДНК. Например, ученые знали, что у ДНК четыре основы: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Они также немного познакомились с его структурой с помощью рентгеновской кристаллографии. Эта техника заключалась в следующем: кристаллизованную ДНК пропускали через рентген и получали неясное изображение на фотографической пластинке.

Вооруженные этой информацией и собственными знаниями о химической структуре, Уотсон и Крик начали построение трехмерной модели ДНК. Физик Морис Уилкинс помог им получить рентгеновскую фотографию молекулы ДНК, которую сделал его партнер по исследованиям. Ее звали Розалинда Франклин.

Уотсон и Крик воспользовались ее снимком и быстро пришли к успеху со своей моделью. В выпуске журнала Nature в 1953 году они рассказали о своем открытии всему миру. Их модель ДНК представляла собой двойную спираль. Две нити были собраны из пар четырех известных основ, связанных между собой водородными связями, а вся структура закручивалась, словно винтовая лестница, которая легко делилась на две, чтобы тут же создать копию самой себя с абсолютно идентичной генетической информацией. Уотсон и Крик выиграли гонку.

Открытие структуры ДНК спровоцировало революцию, эта структура совершенно по-новому проиллюстрировала молекулярную и биохимическую основу жизни, она открыла двери новым исследованиям, новым открытиями, о которых раньше и подумать было невозможно. А Уотсон и Крик вместе с Морис Уилкинс за свое открытие двойной спирали получили в 1962 году Нобелевскую премию.

А что же с коллегой Уилкинса Розалиндой Франклин? Несмотря на ее вклад в это открытие к нобелевским лауреатам 1962 года ее не приписали: правила регламентируют, что награждены могут быть только живые. Розалинда Франклин умерла в 1958 году от рака яичника, скорее всего причиной стало интенсивное облучение радиацией.

 

РНК-посредник

За годы до того, как Уотсон и Крик начали определять структуру ДНК, ученые уже знали, что именно ДНК создает белок, который находится в цитоплазме. Но было непонятно, как ДНК проносит генетическую информацию для создания белка сквозь стенку ядра.

Решение загадки родилось в результате коллективной работы разных ученых. Как и многие другие открытия, начиналось оно с догадки.

Ученые обнаружили, что клетки, содержащие много белка, содержат также много РНК – химически сходной с ДНК, но только у него всего одна цепочка, а не две. Это навело ученых на мысль, а не вовлечена ли РНК каким-то образом в создание белка в цитоплазме?

Чтобы это выяснить, ученые снова взялись за бактериальный вирус. Они обнаружили, что вскоре после поражения ДНК бактерией в чужой клетке появляются следы РНК вируса и начинает возрастать производство белка. Это и был момент открытия. Это была новая разновидность РНК.

Когда ее единственная цепочка входит в одну из фабрик клетки по производству белка, она дает команду делать новый белок. Ученые назвали ее РНК-посредник.

Сегодня многие ученые считают, что РНК-посредник и прочие молекулы РНК являются наследниками примитивных химических материалов Земли – часть изначального «супа», из которого появились первые живые организмы.

 

Генетический код

РНК передает инструкции от ДНК для создания белка. Но каков генетический код – последовательность инструкций, которая делать этот процесс возможным?

В 1961 году молекулярный биолог Маршалл Ниренберг и научный сотрудник Генрих Маттей произвели серию экспериментов, чтобы выяснить, смогут ли они синтезировать белок в лаборатории.

Они уже знали, что существует 20 аминокислот, занятых в создании белка. В своих экспериментах Ниренберг и Маттей работали с РНК.  Как и ДНК РНК составлено из 4 химических основ. В момент озарения они обнаружили, что сначала три основы завязаны в определенной последовательности. Они назвали эту структуру триплетом. Последовательность триплетов и есть основа для создания белка.

Это значит, что РНК считывает генетический код с ДНК, ДНК копируется на РНК и РНК содержит информацию, которая определяет последовательность аминокислот и белка, так что наследуемое человеком от родителей – это всего лишь последовательность звеньев ДНК, которые определяют, как сделан человек, как он создает все белки, необходимые для жизни.

Открытие Ниренберга и Маттея стало первым прорывом в геном. Они заглянули в секретный словарь, записанный в каждой молекуле ДНК, что позволило им синтезировать белок.

В следующие 5 лет Ниренберг успешно дешифровал 64 триплета, что составило первый словарь ДНК. Генетический код был расшифрован. А в 1968 году открытие принесло Маршаллу Ниренбергу Нобелевскую премию по физиологии.

Все живые существа на планете имеют один и тот же генетический код, и это все расставило по своим местам: все живое на планете родственно друг другу, все мы произошли от одного предка и в наших телах все говорит на одном языке.

Если Уотсон и Крик определили структуру ДНК, то Ниренберг и Маттей приоткрыли сам процесс работы этой структуры.

 

Ферменты рестриктазы

Прорыва, приведшего ко всем предыдущим открытиям, могло и не случиться, если бы не бактериальный вирус, следующее открытие было также сделано благодаря ему.

Десятилетиями считалось, что бактерия совершенно беззащитна перед вирусом, но в 50-е годы исследователи заметили червоточину в этой точке зрения: определенные типы бактерий противостояли вирусу. Как это было возможно?

Первый ответ был получен в 1962 году микробиологом Вернером Арбером. Он обнаружил, что у некоторых бактерий есть ферменты, способные бороться с вирусом, разрезая его ДНК на части, что спасало бактерию от завоевания. Их назвали ферменты рестриктазы. Но каким образом они работали?

Среди прочих, искавших разгадку этой тайны, был микробиолог Гамильтон Смит. В 1972 году в своей лаборатории Смит вырастил вместе бактерию и бактериальный вирус. Он заметил, что ДНК вируса уничтожена. Смит начал быстро действовать. Он выделил ферменты рестриктазы, затем он выяснил, где именно фермент перерезает ДНК.

И вот настал момент открытия. Смит обнаружил, что ферменты постоянно перерезают ДНК вируса в одном и том же месте. Он открыл первый специфический фермент рестриктазу.

Теперь у ученых появились молекулярные «ножницы» — ферменты рестриктазы, которые они могли использовать, чтобы разрезать молекулы ДНК и тем самым, так сказать, пересоздать природу.

Это был значительный шаг. Сегодня возможность манипулировать ДНК – один из основных инструментов генной инженерии, это называется исследованием перекомбинирования ДНК.

Со времени открытия Гамильтона Смита были открыты сотни ферментов рестриктаз. Ученые перестраивают ДНК для своих надобностей, создавая более эффективные и более дешевые лекарства, например, инсулин для миллионов диабетиков по всему миру, которые зависят от ежедневного приема лекарств.

 

Альтернативный РНК-переключатель

С открытием РНК-посредника ученые поняли процесс, с помощью которого ДНК передает инструкции для создания белка цитоплазме. Десятилетиями считалось, что эти процессы управляются простым правилом: инструкции передаются от одного гена ДНК к тому же типу РНК посредника, который затем производит белок.

Но в 80-х эта теория испытала серьезные трудности, когда ученые столкнулись с чем-то принципиально новым. Это были гены, кодировавшие множество РНК-посредников, которые в свою очередь производили множество белков.

Потребовались совместные усилия нескольких ученых, чтобы выяснить, как такое возможно. В итоге все прояснилось.

В результате процесса альтернативного переключения некоторые гены способны программировать более одного белка. Открытие альтернативных переключателей важно, потому что оно дало ученым новый взгляд на роль РНК в производстве белка, что продвинуло биомедицину далеко вперед.

Например, возможность альтернативного переключения использовали, чтобы создать более эффективные болеутоляющие средства. Некоторые препараты разработаны так, что они блокируют отдельные альтернативные переключатели и ферменты, которые регулируют уровень боли в нервной системе.

 

Минисателлитные последовательности ДНК

Лондон, 1985 год. На самолете из Ганы прилетел мальчик, цель его визита – воссоединиться с матерью. Но инспекторы таможни подозрительны: оказалось, что паспорт мальчика поддельный, и не было никаких доказательств, что встречавшая его женщина была его матерью.

Британской правительство решило депортировать мальчика. В отчаянии женщина обращается за помощью к детективу, его имя Алек Джеффрис. Он не совсем детектив, он генетик из университета в Лейчестере.

К 80-м ученые уже знали о небольшой генетической разнице между людьми и начали связывать эту так называемую схожесть ДНК с болезнетворными генами в больших семьях.

В 1984 году Джеффрис обнаружил нечто принципиально новое: вариации ДНК составляли короткую последовательность, которая повторялась снова и снова. Эти повторяющиеся последовательности Джеффрис назвал минисателлитами ДНК. Здесь начинается открытие!

Открытие Джеффриса наделало шума, когда его попросили разрешить тайну мальчика из Ганы. Впервые был произведен тест ДНК. Джеффрис сравнил ДНК предполагаемой материл с ДНК ребенка, они оказались удивительно похожими своими минисателлитами ДНК, что без сомнения доказывало, что это ее сын.

Впервые ДНК вышло за рамки молекулярной генетики, оно было использовано не в больнице и оно реально помогло!

 

РНК-вмешательство

В 1997 году ученые Эндрю Файер и Крейг Мелло провели серию экспериментов, чтобы лучше понять функции отдельных генов.

Он ввели искусственную РНК, собранную из двух нитей, в клетку круглого червя и стали наблюдать. Произошедшее дальше изумило их! Механизм клетки червя уничтожил двойные РНК, но вместе с ними он уничтожил и некоторые собственные РНК-связи. В сущности, кодировка производства белка в клетке была выключена.

Файер и Мелло открыли то, что стало известно как РНК-вмешательство. Это открытие стало вехой, оно дало ученым могущественную новую технологию. Это своеобразный «святой Грааль»: сможем ли мы в лечении использовать РНК? Модель такая: берем болезнь, в которой виноваты вышедшие из-под контроля гены, включая вирусы и опухоли. Главное: сможем ли мы закрыть эти гены?

Этот «святой Грааль» терапевтического использования для человека пока по-прежнему недоступен. Но открытие РНК-вмешательства открывает дорогу новому поколению спасительных открытий.

 

25000 генов

Тайна сути человека частично решена: вскрыт генетический код. Но остальные ответы лежат в следующем открытии. Полная последовательность наших генов называется геном.

Усилия по его расшифровке потребовали небывалого уровня совместной работы ученых. Но началось все с соревнования между двумя командами, каждая из которых первой хотела расшифровать геном человека.

К 1990 году команды объединили свои усилия. К июню 2000 года обе команды были готовы творить историю. Обнаружилось, что у человека значительно меньше генов, чем считалось ранее – вместо 300 тысяч их оказалось 25 тысяч.

Потом выяснилось, что различия между двумя людьми минимальны. Потом сравнили геномы прочих млекопитающих, они имеют почти одинаковые гены в одинаковой последовательности, одинаковые связи генов, и они просто меняются местами от одной хромосомы к другой.

Пока мы не знаем функции большинства генов. Есть структура с генами, и теперь можно изучать их функции.

Открытие уже поменяло наш взгляд на эволюцию: сходство нашего генома с прочими млекопитающими и даже с растениями и бактериями уже предоставило медицине новые способы диагностики. Понятно, что гены, связанные с человеческими чертами и болезнями, очень сложны, в будущем предстоит много работы.

Трудно поверить, но от открытия Менделем закона о наследственности до полной расшифровки генома человека прошло менее 150 лет. Но благодаря многим величайшим открытиям в истории науки у нас было достаточно времени, чтобы понять глубочайшие секреты жизни и понять генетические нити, связывающие все живое.


 

Комментарии:

наверх