Молекулярная биология на стыке веков: ген как структурная и функциональная единица
Молекулярная биология на стыке веков: ген как структурная и функциональная единица
Выполнил:
Аспирант первого года обучения
Поленова Ирина Александровна
Специальность: 03.03.1 – Физиология
Н.Новгород
Май
Содержание
| Введение | |
| 1 Развитие молекулярной биологии | |
| 1.1 Формирование представлений об организации материального субстрата наследственности и изменчивости | |
| 1.2 Первые исследования природы генетического материала | |
| 1.3 Открытие структуры ДНК. Модель Уотсона-Крика | |
| 1.4 Центральная догма молекулярной биологии | |
| 2 История изучения мутационного процесса | |
| 3 От генетики к эпигенетики | |
| Заключение | |
| Список литературы |
Введение
Комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров – белков и нуклеиновых кислот на протяжении ХХ века преобразовался в самостоятельную научную дисциплину - молекулярной биологии или молекулярную биологию гена.
Возникнув как биохимия нуклеиновых кислот, молекулярная биология пережила период бурного развития собственных методов исследования, которыми теперь отличается от биохимии. К ним, в частности, относятся методы генной инженерии, клонирования, искусственной экспрессии и нокаута генов. Поскольку ДНК является материальным носителем генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой, и на стыке образовалась молекулярная генетика, являющаяся одновременно разделом генетики и молекулярной биологии [[1]].
Начало ХХ ознаменовалось открытием явления радиактивности. Радиобиологи́ческий парадо́кс, заключавшийся в несоответствие между ничтожным количеством поглощённой энергии ионизирующего излучения и крайней степенью реакции биологического объекта, вплоть до летального исхода поставило во главу угла необходимость поиска мишеней для ионизирующих излучений. Этой мишенью оказалась молекула ДНК. Основным явлениям реализации биологического действия радиации – мутация. На протяжении ХХ столетие радиобиология развивалась в основном как радиационная генетика.
В конце ХХ расширяющееся распространение источников ЭМИ стало вызывать тревогу научной общественности. Стало понятно, что ЭМИ, обладая меньшей, чем ионизирующих излучений энергией, не способны приводить к прямым поражением ДНК, а их генетические эффекты в основном реализуются через изменение экспрессии генов. В это время в генетики формируется новое направление, изучающее изменение экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательность ДНК [[2]].
В ФГУП «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики» (г.Саров) на протяжении многих лет параллельно с развитием исследований по радиационной физики развивались радиобиологические исследования, изучающие биологические эффекты ионизирующих излучений на клеточно-молекулярном уровне. В последние десятилетия комплекс методик, позволяющий разносторонне оценивать клеточные эффекты действия ионизирующих излучений, был адаптирован для исследования биологического действия слабых электромагнитных полей.
В связи этим представляется уместным осветить некоторые моменты развития исследований изучению мутационного процесса и становление новой для второй половины ХХ века области генетики – эпигенетики – как направлений исследований по молекулярной биологии гена.
Развитие молекулярной биологии
Открытие структуры ДНК. Модель Уотсона-Крика
Вопрос о химической природе субстрата наследственности и изменчивости решался на протяжении всей первой половины ХХ века.
Первоначально высказывались предположения в пользу белков. В 1928 г.Ф. Гриффитом был поставлен опыт на пневмококках, в котором наблюдалось изменение (трансформация) некоторых наследственных свойств одного бактериального штамма под влиянием материала, полученного из убитых клеток другого штамма. Химическая природа вещества, трансформирующего наследственные свойства бактерий, была установлена лишь в 1944 г. О. Эйвери, доказавшим его принадлежность к нуклеиновым кислотам ДНК.
В 1950 г. английский физик М.Уилкинс получил рентгенограмму кристаллических волокон ДНК. Она показала, что молекула ДНК имеет определенную структуру, расшифровка которой помогла бы понять механизм функционирования ДНК. Рентгенограммы, полученные не на кристаллических волокнах ДНК, а на менее упорядоченных агрегатах, которые образуются при более высокой влажности, позволили Розалинд Франклин, коллеге М. Уилкинса, увидеть четкий крестообразный рисунок - опознавательный знак двойной спирали. Стало известно также, что нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали их приходится 10. Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм. Из рентгеноструктурных данных, однако, было не ясно, каким образом цепи удерживаются вместе в молекулах ДНК.
Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик, исследуя структуру молекулы ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания - в середине. Причем последние ориентированы таким образом, что между основаниями из противоположных цепей могут образоваться водородные связи. Из построенной ими модели выявилось, что какой-либо пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно то, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с цитозином. При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.
В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили двухспиральную структуру молекулы ДНК. Их структурная модель Уотсона и Крика позволила объяснить многие фундаментальные биологические феномены, такие как: существование очень больших биологических молекул, способ хранения и точного копирования информации о их структуре, возможность изменения структуры генов в эволюции и др., в результате чего молекулярная биология обрела свои основные принципы.
От генетики к эпигенетики
Сегодня ген все еще остается фундаментально гипотетической концепцией, под которой чаще всего понимают некоторый сегмент или сегменты ДНК, содержащие последовательную информацию, которая используется в качестве поддержки при строительстве белков или других продуктов, выполняющих биологическую функцию. Однако, морфогенез и функционирование органов человека и других видов млекопитающих, дифференцировка клеток и многие другие процессы контролируются не только генетическими, но и эпигенетическими механизмами регуляции [[5],[6],[7]]
Термин «эпигенетика» (как и «эпигенетический ландшафт») был предложен Конрадом Уоддингтоном в 1942 году, как производное от слов генетика и эпигенез. Когда Уоддингтон ввел этот термин, физическая природа генов не была до конца известна, поэтому он использовал его в качестве концептуальной модели того, как гены могут взаимодействовать со своим окружением при формировании фенотипа [5].
Робин Холлидэй определил эпигенетику как «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в процессе развития организмов» [6]. Таким образом, термин «эпигенетика» может быть использован, чтобы описать какие-либо внутренние факторы, которые влияют на развитие организма, за исключением самой последовательности ДНК [5,6].
Использование этого слова в научном дискурсе является более узким. Греческий префикс epi- в слове, подразумевает факторы, которые влияют «поверх» или «в дополнение к» генетическим, а значит эпигенетические факторы воздействуют вдобавок или помимо традиционных молекулярных факторов наследствености.
Современные авторы продолжают уточнять и обсуждать определение эпигенетики. Наиболее часто использующееся в настоящее время определение эпигенетики было введено А.Риггсом в 90-х годах XX века и формулируется как «изучение митотически и/или мейотически наследуемых изменений в функции генов, которые не могут быть объяснены изменениями в последовательности ДНК» [7].
Одно из определений эпигенетики — в биологии, в частности в генетике — представляет собой изучение закономерностей эпигенетического наследования — изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими изменение последовательности ДНК [5]. Вместе с тем эпигенетика рассматривается как наука о наследуемых свойствах организма, которые не связаны с изменением последовательности нуклеотидов ДНК и могут быть опосредованно закодированы в геноме [[8]].
Очевидно, что при обсуждении механизмов этого явления стала очевидной необходимость новой терминологии, введения новых понятий. Появилось понятие «эпигенетическая регуляция экспрессии генов» – потенциально наследуемый код, отличный от геномной последовательности нуклеотидов. Под эпигенетическим наследованием подразумевается способность различных состояний генетического материала (имеющих разные фенотипические отображения) быть переданными по наследству без каких-либо изменений в последовательности ДНК [[9]]. Под эпигенетической изменчивостью подразумевают наследуемые изменения генной активности. От мутаций они отличаются тем, что меняется активность, а не структура генетического материала, а от модификаций – тем, что вновь возникшее изменение генной активности наследуется в ряду поколений [[10]].
В 1975 г. Артур Риггс, а также Р. Холлидей сообщили о том, что инактивация Х-хромосомы и, стало быть, половая дифференцировка у млекопитающих связаны с метилированием ДНК. Была открыта тканевая разнокачественность метилирования ДНК и было сформулировано представление о том, что метилирование ДНК – механизм регуляции экспрессии генов и клеточной дифференцировки. На самом деле это был первый материальный химически идентифицированный и расшифрованный эпигенетический сигнал. Сформировано представление об эпигеноме, так что фенотип любого организма представляет собой суммарную реализацию генома и эпигенома. Уже вошли в употребление понятие и термин эпимутации. Наряду с генетическими болезнями существуют эпигенетические заболевания. Нарушения в эпигеноме вызывают рак, диабет, астму, многие психические и другие заболевания. В результате фундаментальных эпигенетических исследований изменились наши представления о генетической идентичности гомозиготных близнецов, клонов животных и растений. Оказалось, что они могут существенно различаться по эпигенетическим профилям. Сомаклональная изменчивость часто во многом обусловлена эпигенетическими изменениями [5].
Несмотря на грандиозные успехи молекулярной биологии и молекулярной генетики конца ХХ и начала ХI века очень многие важные проблемы общебиологического значения остаются нерешенными. И среди них важнейшими являются механизмы клеточной дифференцировки и регуляции активности генов. В связи с этим эпигенетика – новый обширный и многообещающий горизонт наших знаний в постгеномную эру. Действительно, мы наследуем нечто большее, чем сумму генов, а по мнению Нобелевского лауреата Д. Уотсона, «что-то еще и кроме последовательностей ДНК». Все это подчеркивает лишний раз, что без эпигенетики невозможно решение главной проблемы биологии – исследования пусковых механизмов регуляции экспрессии генов и клеточной дифференцировки при разных условиях среды.
Заключение
История развития молекулярной биологии гена на протяжении конца ХIХ века – начала ХХI связана с изменением представления о единственной роли ДНК как материального носителя генетической информации.
Накапливающийся на протяжении ХХ столетие материал свидетельствует о том, что в реализации клеточного ответа на воздействие ДНК выступает как единая структурно-функциональная единица, признанная защитить себя как матрицу и другие клеточные элементы от разрушительного действия внешнего фактора.
Список литературы
[1] Айала, Ф. Современная генетика: монография: в 3 т. / Ф. Айала, Дж. Кайгер. -М.: Мир, 1988. –Т.3. -335 с
[2] Кудряшов, Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения): монография / Ю.Б. Кудряшов. –М.: Физматлит, 2004. -448 с.
[3] Разин, С.В. Хроматин: упакованный геном: монография / С.В. Разин, А.А. Быстрицкий. –М.: Бином, 2009. -176 с.
[4] Ш.Ауэрбах. Проблемы мутагенеза.Издательство «Мир».М.1978.с.163-205.
[5] Эллис С.Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д. Эпигенетика М.: 2010 - 496 с.
[6] Holliday, R., 1990. Mechanisms for the control of gene activity during development. Biol. Rev. Cambr. Philos. Soc. 65, 431—471
[7] Riggs A. D., Martienssen R. F., Russo V. E. A. Introduction // Epigenetic Mechanisms of Gene Regulation / V. E. A. Russo et al. — New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press. — С. 1-4.
[8] Ванюшин Б. Ф. Эпигенетика сегодня и завтра. Вавиловский журнал генетики и селекции 2013;17(4/2):805–32.
[9] Льюин Б. Гены. М.: Бином, 2012. 896 с.
[10] Голубовский М. Д. Организация генотипа и формы наследственной изменчивости эукариот. Молекулярные механизмы генетических процессов: молекулярная генетика, эволюция и молекулярно-генетические основы селекции. М.: Наука, 1985. С. 146–62.
Молекулярная биология на стыке веков: ген как структурная и функциональная единица
Выполнил:
Аспирант первого года обучения
Поленова Ирина Александровна
Специальность: 03.03.1 – Физиология
Н.Новгород
Май
Содержание
| Введение | |
| 1 Развитие молекулярной биологии | |
| 1.1 Формирование представлений об организации материального субстрата наследственности и изменчивости | |
| 1.2 Первые исследования природы генетического материала | |
| 1.3 Открытие структуры ДНК. Модель Уотсона-Крика | |
| 1.4 Центральная догма молекулярной биологии | |
| 2 История изучения мутационного процесса | |
| 3 От генетики к эпигенетики | |
| Заключение | |
| Список литературы |
Введение
Комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров – белков и нуклеиновых кислот на протяжении ХХ века преобразовался в самостоятельную научную дисциплину - молекулярной биологии или молекулярную биологию гена.
Возникнув как биохимия нуклеиновых кислот, молекулярная биология пережила период бурного развития собственных методов исследования, которыми теперь отличается от биохимии. К ним, в частности, относятся методы генной инженерии, клонирования, искусственной экспрессии и нокаута генов. Поскольку ДНК является материальным носителем генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой, и на стыке образовалась молекулярная генетика, являющаяся одновременно разделом генетики и молекулярной биологии [[1]].
Начало ХХ ознаменовалось открытием явления радиактивности. Радиобиологи́ческий парадо́кс, заключавшийся в несоответствие между ничтожным количеством поглощённой энергии ионизирующего излучения и крайней степенью реакции биологического объекта, вплоть до летального исхода поставило во главу угла необходимость поиска мишеней для ионизирующих излучений. Этой мишенью оказалась молекула ДНК. Основным явлениям реализации биологического действия радиации – мутация. На протяжении ХХ столетие радиобиология развивалась в основном как радиационная генетика.
В конце ХХ расширяющееся распространение источников ЭМИ стало вызывать тревогу научной общественности. Стало понятно, что ЭМИ, обладая меньшей, чем ионизирующих излучений энергией, не способны приводить к прямым поражением ДНК, а их генетические эффекты в основном реализуются через изменение экспрессии генов. В это время в генетики формируется новое направление, изучающее изменение экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательность ДНК [[2]].
В ФГУП «Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики» (г.Саров) на протяжении многих лет параллельно с развитием исследований по радиационной физики развивались радиобиологические исследования, изучающие биологические эффекты ионизирующих излучений на клеточно-молекулярном уровне. В последние десятилетия комплекс методик, позволяющий разносторонне оценивать клеточные эффекты действия ионизирующих излучений, был адаптирован для исследования биологического действия слабых электромагнитных полей.
В связи этим представляется уместным осветить некоторые моменты развития исследований изучению мутационного процесса и становление новой для второй половины ХХ века области генетики – эпигенетики – как направлений исследований по молекулярной биологии гена.