Этапы развития генетики. Реферат Этапы развития генетики. Реферат История развития молекулярной генетики
 Скачать 32.6 Kb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт Фундаментальной Биологии и Биотехнологии Реферат «История развития молекулярной генетики» Красноярск, 2018 Содержание Содержание 2 ВВЕДЕНИЕ 3 1Открытия, положившие начало становления молекулярной генетики как науки 4 1.1 История открытия нуклеиновых кислот и доказательство их генетической роли 4 1.2 Открытие модели строения ДНК 5 2Генетический код 7 3Процессы репликации, транскрипции, и трансляции. 8 4Исследования РНК 10 5Развитие генной инженерии 11 6Геном прокариот и эукариот 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15 Список использованной литературы 16 ВВЕДЕНИЕ Молекулярная генетика - раздел генетики и молекулярной биологии, ставящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа её хранения. Молекулярная генетика выделилась в самостоятельное направление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физических и химических методов (рентгеноструктурный анализ, хроматография, электрофорез, высокоскоростное центрифугирование, электронная микроскопия и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отдельных компонентов клетки и всю клетку как единую систему. Большую роль в быстром развитии молекулярной генетики сыграло перенесение центра тяжести генетических исследований с высших организмов (эукариотов) - основных объектов классической генетики, на низшие (прокариоты) - бактерии и многие другие микроорганизмы, а также вирусы. Открытия, положившие начало становления молекулярной генетики как науки 1.1 История открытия нуклеиновых кислот и доказательство их генетической роли В 1869 Г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер выделил из ядер клеток вещество, которое состояло из кислого и щелочного компонентов белковой природы. Он назвал это вещество нуклеином. В 1889 г. Немецкий гистолог Рихард Альтман обозначил кислый компонент нуклеина термином «нуклеиновая кислота». В конце XIX века немецкий биохимик Альбрехт Кёссель (1853-1927) расшифровал химический состав нуклеиновой кислоты, показав, что она содержит фосфорную кислоту, углевод и азотистые основания (пурины и пиримидины). Фибус Левин, Д. Гулланд с сотрудниками (в цикле исследований, проведенных 1900-1932 гг.) установили, что фосфорная кислота, углевод и азотистое основание соединены в блоки в виде мономеров – нуклеотидов, расположенных вдоль линейной молекулы нуклеиновой кислоты. Нуклеиновая кислота, выделенная из ядер клеток, в качестве углевода содержит D-дезоксирибозу. Поэтому она получила название дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК. Наряду с ядерной была выделена цитоплазматическая нуклеиновая кислота, содержащая в качестве углевода D-рибозу; она получила название рибонуклеиновой кислоты – РНК. А.Н. Белозерский и И.И. Дубровская в 1936 г. Выделили ДНК из ростков конского каштана. Это показало, что ДНК входит в состав клеток и животных, и растений. ДНК была обнаружена и в клетках бактерий. Современные взгляды на химическое строение нуклеиновых кислот сформировались в 40-50-х гг. прошедшего века. Американский биохимик Эрвин Чаргафф разработал точные методы определения количества азотистых оснований и установил характерные особенности химического состава нуклеиновых кислот. Это сыграло большую роль в познании молекулярной структуры ДНК. Впервые прямые доказательства того, что молекулы ДНК являются носителями наследственности были получены при исследовании у бактерий явления трансформации и позже подтверждены результатами исследования трансдукции. Вкратце эти исследования состояли в следующем. Явление трансформации у бактерий открыл в 1928 г. английский бактериолог Фредерик Рис Гриффит (1877-1941) в опытах с пневмококками Diplococcuspneumoniae. В 1944 г. Химическая природа трансформирующего агента у пневмококков была изучена О. Эйвери, К. Мак-Леодом и М. Мак-Карти. Полисахариды их капсулы пневмококков, белки из их клеток, а также рибонуклеиновые кислоты (РНК) трансформирующем эффектом не обладали. И только молекулы ДНК из капсульных бактерий были способны вызывать трансформацию. Вскоре ученые получили исчерпывающие доказательства, что генетическая информация сосредоточена в молекулах нуклеиновых кислот. Исследования явления трансформации у высших организмов показали, что путем простого введения молекул ДНК в клетки можно передавать гены от одной генетической формы к другой у тутового шелкопряда, дрозофилы, бабочки мучнистой огневки, нейроспоры, петунии, перца и мыши. Эти и другие факты окончательно доказали, что молекулы ДНК используются вирусами, бактериями, растениями, животными и человеком в качестве материальной основы наследственности. Лишь у немногих вирусов генетическая информация записана в РНК. 1.2 Открытие модели строения ДНК Английский биофизик Морис Уилкинс выполнил рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и установил двунитевое строение этих молекул. Данные по химии ДНК и ее рентгенограмма были использованы для создания модели строения молекулы ДНК и объяснения ее роли как носителя генетической информации. В 1953 г. Американский молекулярный биолог Джеймс Уотсон и английский физик и генетик Френсис Крик, основываясь на данных Э. Чаргаффа и М. Уилкинса построили модель структуры ДНК. В соответствии с моделью, молекула ДНК состоит из двух длинных комплементарных полинуклеотидных цепей, закрученных в правильную двойную спираль. Генетический код В 1954 году, через год после открытия двуспиральной структуры молекул ДНК, Гамов Георгий Антонович внёс существенный вклад в становление новой дисциплины — молекулярной биологии, впервые поставив проблему генетического кода. Он понял, что структура основных строительных блоков клетки — белков, состоящих из 20 основных (природных) аминокислот, — должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК. Исходя из простых 43=64 арифметических соображений, Гамов показал, что «при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации», и выразил надежду, что «кто-нибудь из более молодых учёных доживёт до его [генетического кода] расшифровки». Таким образом, он был первым, кто предположил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов. Впоследствии Гамов предложил конкретную схему реализации генетического кода. Эта схема, получившая название «бубнового кода», предполагает корреляцию между последовательными аминокислотными остатками, так как два нуклеотида всегда входят в два соседних ромба (перекрывающийся код). Дальнейшие исследования показали, что модель Гамова не согласуется с опытными данными. Предположение о триплетном кодировании информации в молекуле ДНК было подтверждено в 1961 году экспериментами Фрэнсиса Крика и сотрудников, а к 1967 году генетический код был окончательно расшифрован. В октябре 1968 года Роберту Холли, Хару Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за эту работу. Процессы репликации, транскрипции, и трансляции. Из анализа модели строения ДНК следовало, что после расплетания двойной спирали на каждой из цепей может быть построена комплементарная ей новая, в результате чего образуются две дочерние молекулы, не отличимые от материнской ДНК. Через пять лет, в 1958 г. М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, получивший названий «полуконсервативный». РНК-зависимая ДНК-полимераза была открыта Говардом Теминым в Университете Висконсин-Мэдисон и независимо Дэвидом Балтимором в 1970 году в Массачусетском технологическом институте. Оба исследователя получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины в 1975 году. Экспериментально общие свойства генетического кода были установлены Ф. Криком, С. Бреннером и сотрудниками еще к концу 1950-х – началу 1960-х годов. К этому же времени в общих чертах были выяснены функции и принципы структурной организации РНК. Были открыты рибосомы и рибосомные РНК, транспортные РНК и, наконец, информационные РНК. Стало ясным, что в совокупности все эти РНК служат промежуточным звеном при переносе генетической информации от ДНК к белкам. Было доказано, что собственно биосинтез цепей белка происходит на рибосомах, где генетическая информация, переписанная (транскрибированная) с ДНК в виде мРНК, транслируется с помощью тРНК. В 1960 г. сразу в нескольких лабораториях был открыт фермент РНК-полимераза, осуществляющая синтез РНК на ДНК-матрицах. Таким образом, идея Ф. Крика о передаче генетической информации от ДНК к белку через РНК была подтверждена. Открытие основных компонентов систем транскрипции и трансляции послужило важным стимулом в изучении механизма регуляции этих процессов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции при помощи регуляторных белков, а в 1966 г. У. Гилберт и Б. Мюллер-Хилл впервые выделили такой белок. Кроме того, оказалось, что РНК-полимераза сама является регулятором генной активности (Р.Б. Хесин). Эти работы привели к открытию основных регуляторных элементов – промоторов и терминаторов транскрипции. Одновременно заметно продвинулись работы по изучению роли рибосом (Р. Робертсон, 1958) в явлениях трансляции. Оказалось, что процесс трансляции состоит из таких этапов, как инициация, трансляция и терминация. Была предложена и схема регуляции активности генов и их участия в синтезе белка (Ф. Жакоб, Ж. Моно, 1961), а также выделены в составе ДНК структурные (информационные) и регуляторные (участвующие в синтезе вещества — репрессора) гены и гены-операторы (которые под действием репрессора способны блокировать функцию структурных генов). При появлении же в среде индуктора (например, лактозы) — репрессор связывается с индуктором и блокирует функцию гена-оператора, что приводит к активации структурного гена. Вещество-репрессор оказался белком, обладающим сродством к индикатору (М. Пташне, 1968). Кроме того, выделено вещество — промоторы и промоторные участки ДНК, расположенные рядом с геном-оператором. Исследования РНК В середине 1960-х годов начались исследования нуклеотидных последовательностей РНК. Первыми были определены первичные структуры тРНК (Р. Холли и сотрудники, 1965; А. А. Баев и сотрудники, 1967). Развитие техники фракционирования фрагментов нуклеиновых кислот и, прежде всего, гель-электрофореза (Ф. Сэнгер и сотрудники) позволило в начале 1970-х годов приступить к изучению первичной структуры высокомолекулярных РНК. В 1976-1978 гг. были созданы исключительно быстрые и эффективные методы секвенирования ДНК и РНК (А. Максам и У. Гилберт, Ф. Сэнгер и сотрудники), которые позволили за короткое время получить огромную информацию о первичной структуре генов, их регуляторных элементах, вирусных и рибосомных РНК и т.д. В 1973 г. одновременно в лабораторих А. Рича и А. Клуга с помощью рентгеноструктурного анализа была установлена пространственная структура тРНК. В эти же годы был открыт основной структурный элемент эукариотических хромосом – нуклеосома – и разработаны методы ее исследования. Развитие генной инженерии В 60-х годах научились также разрезать и повторно воссоединять отдельные участки РНК и синтезировать ее молекулу (С. Очоа, 1959). Сходные же манипуляции производились и на молекулах ДНК, что дало возможность конкретизировать роль отдельных ее участков в генетическом кодировании (Г. Коран, М.Ниренберг, 1961). Еще в 1959 г. Г. Темин предсказал существование фермента обратной транскриптазы. А уже в 1970 г. Г. Темин и Д. Балтимор открыли в онкогенных вирусах РНК-зависимую ДНК-полимеразу и тем самым показали, что в принципе поток генетической информации может быть обращен от РНК к ДНК. Огромное значение для молекулярной биологии имело развитие генетической инженерии (возникшей в 1972-1973 гг.; П. Берг, П. Лобан, С. Коэн и Г. Бойер) и методов работы с рекомбинантными ДНК в сочетании с методами химического синтеза крупных фрагментов ДНК. В результате сделались доступными для исследования индивидуальные гены и регуляторные генетические элементы, было стимулировано изучение ферментов биосинтеза и обмена нуклеиновых кислот. Благодаря этому после 1977 г. были обнаружены мозаичное (экзон-интронное) строение генов, явление сплайсинга и ферментативной активности у РНК, усилители (энхансеры) экспрессии генов, многие регуляторные белки, онкогены и онкобелки, мобильные генетические элементы. Возникла белковая инженерия, которая позволяет получать новые, не существующие в природе белки. Молекулярная биология начала оказывать существенное влияние на развитие биотехнологии, медицины и сельского хозяйства. В 1980 г. Бергу была присуждена половина Нобелевской премии по химии «за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК». Годом рождения генетической инженерии считают 1972 год, когда в лаборатории Берга была получена in vitro первая рекомбинантная молекула ДНК путем объединения линейных фрагментов ДНК. Это послужило толчком для бурного развития генетической инженерии. Были сконструированы первые плазмидный и фаговый векторы, разработаны новые методы объединения (рекомбинации) молекул ДНК in vitro, выявлены основные закономерности экспрессии генов в чужеродном окружении. Геном прокариот и эукариот Геном эукариот существенно отличается от генома прокариот наличием многочисленных повторяющихся последовательностей в ДНК (Р. Бриттен и Е. Кон, 1968), а также способностью образовывать гибриды между одноцепочечной ее нитью и РНК. Эти открытия в дальнейшем заметно продвинули изучение НК (Г.П. Георгиев, 1989) и привели к выделению у эукариот 3-го класса последовательностей в организации генома: сателлитную ДНК, умеренно повторяющиеся последовательности на разных участках цепи и уникальные участки ДНК (встречающиеся однократно или мало повторяющиеся). Было выяснено, что умеренные повторы включают участки размером из 100—300 (короткие) или несколько тысяч (длинные) пар нуклеотидов (Дж. Дэвидсон, Р. Бриттен и др., 1974). У эукариот были обнаружены связь ДНК в ядрах с 5 классами гистонов и наличие особых белков, взаимодействующих с иРНК, и участвующих в экспрессии генов. На базе достижений молекулярной биологии возникла «генная инженерия», где используются гены не только выделенные из других существ, но и искусственно синтезированные. Достигнуто размножение выделенных генов и увеличение их копий. Путем введения новых генов в другие существа получают нужные белки, антитела, иммуностимуляторы, ферменты, вакцины, сыворотки и другие \ продукты. Выведены трансгенные растения, устойчивые к ряду вредителей, гербицидам, грибковым и бактериальным болезням (томаты, капуста, хлопчатник, горох и т.п.). В Бельгии выведен трансгенный бык («Герман») с введением в геном гена белка женского молока, который проявляет свое действие у его «дочери». Делаются успешные попытки заменить хирургические операции на сердце и сосудах по устранению наследственных пороков генно-инженерными приемами, введением в сосуды баллончика, пропитанного соответствующими недостающими генами. На этой основе возникла новая область медицины — генная терапия. С использованием методов генной инженерии ставится задача создания биологически возобновляемых источников энергии, экологически чистых технологий и новых форм полезных микроорганизмов в промышленных целях. С учетом перспектив развития генной инженерии остро ставится задача об обеспечении биологической безопасности каждой страны и человечества в целом (A.C. Спирин, 1997). Отсюда развитие молекулярной биологии в будущем связано не только с надеждами, но и тревогами. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Открытия в области молекулярной генетики оказали решающее влияние на прогресс биологических. наук и связанных с биологией дисциплин, в т. ч., медицины. Успехи этой науки позволили понять многие «загадочные» процессы жизнедеятельности, наследования и индивидуального развития. Познание молекулярно-генетических закономерностей явилось базой для углубленного понимания многих процессов, происходящих в организме здорового и больного человека, послужило основой для учения о наследственных болезнях, для дальнейшего развития таких важнейших для медицины наук, как микробиология, вирусология, эндокринология, иммунология, фармакология. За свою недолгую историю молекулярная генетика достигла значительных успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся направление генетики. Данные молекулярной генетики все шире используются для понимания причин и механизмов развития многих заболеваний, становятся необходимыми для поиска новых лекарственных средств и более углубленного понимания механизма действия традиционно применяемых лечебных препаратов. Широкое использование на практике достижений молекулярной генетики. наглядно демонстрирует справедливость того, что успехи любых сугубо теоретических наук исключительно важны для научно-технического прогресса и практической деятельности человечества. Список использованной литературы Инге-Вечтомов С. Г. – Генетика с основами селекции: уч. Для студентов высших учю заведений / С.Г. Инге-Вечтомов. – 2-е издание, перераб. и доп. – СПб. Изд-во Н-Л, 2010. – 720 с.: ил. Жимулев, И.Ф. – Общая и молекулярная генетика: учеб. пособие для вузов / И.Ф. Жимулев; под ред. Е.С. Беляева, А.П. Акифьева. – 4-е изд., стер. – Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2007. – 479 с.: ил. Крюков В.И. Генетика. Часть 1. Введение в генетику. Молекулярные основы наследственности. Учебное пособие для вузов. –Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2006. – 176 с. с илл. Гершкович И. Генетика / И. Гершкович, «Наука», 1968, 1-678. Сазанов А.А. Основы генетики: учеб. пособие / А.А. Сазанов. – СПб.: ЛГУ им А.С. Пушкина, 2012. – 240 с. Заяц Р.Г., Рачковская И.В. Основы общей и медицинской генетики: Учеб. пособие. – Мн.: Выш. Шк., 1998. – 255 с.: ил. BioNow. Современная генетика [Электронный ресурс]: Этапы развития генетики. Режим доступа: http://www.bionow.ru/bnows-55-1.html |