Головна

Введення в молекулярну біологію.

  1. I. Вступ до проблеми: лінгвістичний і семіотичний підхід в семантиці
  2. III. Дидактичний введення вихідної «рамки» рефлексії
  3. Lt; II> Поетика сюжетів Введення
  4. А. Мейе «Введення в порівняє, вивчення і.-е. мов », 1-е рус. изд.
  5. ВСТУП
  6. Вступ
  7. Вступ

Предмет молекулярної біології. Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Практичне значення молекулярної біології. Сучасні найважливіші досягнення біотехнології, перспективи її використання в клінічній медицині. Поняття про молекулярну медицині.

Предмет молекулярної біології. Молекулярна біологія - наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярному, а в ряді випадків і досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому є з'ясування того, яким чином і якою мірою характерні прояви життя, такі, як спадковість, мінливість, розмноження, біосинтез, збудливість, зростання і розвиток, зберігання і передача інформації, перетворення енергії, рухливість і т. Д., обумовлені структурою, властивостями і взаємодією молекул біологічно важливих речовин, в першу чергу двох головних класів високомолекулярних біополімерів - білків і нуклеїнових кислот. Відмітна риса молекулярної біології - вивчення явищ життя на неживих об'єктах або таких, яким притаманні найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні освіти від клітинного рівня і нижче: субклітинні органели, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосоми, хромосоми, клітинні мембрани; далі - системи, які стоять на кордоні живої та неживої природи, - віруси, в т. ч. і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії - нуклеїнових кислот і білків. В основі концепції молекулярної біології лежить уявлення, що організми - це динамічні форми живої матерії, частки (молекули) якої і сили, що діють на них, безперервно змінюються і взаємодіють один з одним і з відкритим середовищем.

Біологічні процеси, що відбуваються в різних формах організмів, підкоряються загальним законам фізики і хімії. У зв'язку з цим при вивченні структури молекул, а також їх систем, слід звертати особливу увагу на хімічні зв'язки, кінетику хімічних реакцій та інші фізичні та хімічні внутрішньо- і міжмолекулярні взаємодії.

Однак певні стереохимические відмінності і індивідуалізація молекул ДНК призводять до того, що одні й ті ж хімічні компоненти зв'язуються один з одним в різних послідовностях, положеннях, кількостях, забезпечуючи появу індивідуальних і різних форм життя.

Кінцевий результат біохімічного дослідження може бути представлений у вигляді тієї чи іншої системи хімічних рівнянь, зазвичай повністю вичерпується їх зображенням на площині, т. Е. В двох вимірах. Відмінною рисою молекулярної біології є її тривимірність. Сутність молекулярної біології вбачається М. Перуцем в тому, щоб тлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури.

Вирішальну роль набувають взаємне розташування атомів і їх угруповань в загальній структурі макромолекули, їх просторові взаємини. Це стосується як окремих, індивідуальних, компонентів, так і загальної конфігурації молекули в цілому. Саме в результаті виникнення строго детермінованою об'ємної структури молекули біополімерів набувають ті властивості, в силу яких вони виявляються здатними служити матеріальною основою біологічних функцій. Такий принцип підходу до вивчення живого становить найбільш характерну, типову рису молекулярної біології.

Предметом вивчення молекулярної біології є також дослідження молекулярних факторів вірулентності і імуннохімічної специфічності.

Молекулярні фактори вірулентності. Специфічні ділянки і компоненти мікробних макромолекул і більших структур, здатні викликати помітні фізико-хімічні, функціональні і структурні зміни в більш високоорганізованої живої одиниці, такий, наприклад, як людина, можна назвати факторами вірулентності.

У мікроорганізмів, що мешкають в більш високорозвинених господарів, основний механізм зв'язку господар-паразит являє собою специфічну реакцію на молекулярному рівні, що викликає згубні зміни, як в господаря, так і в паразит.

Взаємодії між вірулентним агентом і мутантом господарем, що втратив один або кілька своїх ферментів або структур, необхідних для асоціації паразита з хазяїном і для репродукції вирулентного агента, не викликають таких згубних наслідків.

Очевидно, вірулентність залежить, по суті, від взаємодії між унікальними по конформації субодиницями патогенних мікроорганізмів і комплементарними субодиницями в чутливому господаря. В результаті цих взаємодій в господаря руйнуються життєво важливі біомолекули і біоструктури. Однак молекулярна природа вірулентності вивчена недостатньо.

Молекулярні чинники імуннохімічної специфічності. Імунохімічні властивості молекули складаються з двох основних факторів. Перший - це імуногенність або здатність викликати утворення специфічних імуноглобулінів, що містять ділянки (сайти), комплементарні специфічним областям поверхні молекули. Другий - здатність до об'єднання, спрямована безпосередньо на стереохимические сайти макромолекули імуноглобуліну, комплементарної молекулі, індуковані дану конфігурацію. Як випливає з квантової імунохімії, імунна реакція активується у тому випадку, коли електрони атомів иммунокомпетентной клітини отримують енергію від молекул антигену, в результаті чого вони переходять в збуджений стан з більшою енергією. Поглинання енергії призводить до молекулярних перебудов в клітинах, які передаються клітинам потомства. Ці клітини продукують молекули імуноглобулінів з певною електронною конфігурацією, які можуть завдяки цьому специфічно реагувати з вихідної молекулою антигену. Лише молекули антигену і антитіла, утворені в результаті поглинання і передачі квантів енергії і відрізняються за енергією зовнішніх орбіталей їх електронів, можуть взаємодіяти з утворенням продуктів імунної реакції. Для прояву імуногенності необхідно, очевидно, наявність кільцевої структури молекул. Так, прості цукри і олігосахариди стають імуногенний, якщо приєднують принаймні одну молекулу з кільцевою структурою.

Антигенность молекул білків і пептидів в основному залежить від присутності молекул певних амінокислот, наприклад тирозину або глутаміну, розташованих на поверхні білкової або пептидного молекули. Антигенний характер молекули визначається розташуванням, просторовою конфігурацією і послідовністю амінокислот або моносахаридів на поверхні макромолекули.

Імунохімічний активна ділянка (сайт) на білкової макромолекулі - це така ділянка, в якому певні залишки амінокислот наближаються до новосінтезірующейся молекулі імуноглобуліну на відстань зв'язку, що становить приблизно 0.2 нм.

Зв'язує центр молекул імуноглобулінів можна наочно представити у вигляді неглибокої порожнини розміром близько 700 А0. Залежно від класу імуноглобулінів в молекулі антитіла можна виявити від двох до десяти зв'язують сайтів або комплементарних областей.

Завдання молекулярної біології. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на які очікується від молекулярної біології (М. б.), На першому місці стоїть проблема молекулярних основ злоякісного росту, далі - шляхи попередження, а можливо, і подолання спадкових захворювань - молекулярних хвороб. Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, тобто дії ферментів. До числа сучасних найважливіших напрямків М. б. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми дії гормонів, токсичних і лікарських речовин, а також з'ясувати деталі молекулярної будови і функціонування таких клітинних структур, як біологічні мембрани, що беруть участь в регуляції процесів проникнення і транспорту речовин. Більш віддалені цілі М. б.- пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті і т. Д. Один з найважливіших розділів М. б.- генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямоване оперування генетичним апаратом (геномом) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (в останньому випадку перш за все з метою радикального лікування спадкових захворювань та виправлення генетичних дефектів). Відносно мікробів, рослин, а можливо, і с.-г. тварин такі перспективи вельми обнадійливі (напр., отримання сортів культурних рослин, що володіють апаратом фіксації азоту з повітря і не потребують добривах). Вони засновані на вже досягнутих успіхах: ізолювання і синтез генів, перенесення генів з одного організму в інший, застосування масових культур клітин в якості продуцентів господарських або медичних речовин.

Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Молекулярна біологія - нова галузь природознавства, тісно пов'язана з давно склалися напрямками досліджень, які охоплюються біохімією, біофізики і біоорганічної хімією. Розмежування тут можливо лише на основі врахування застосовуваних методів і з принципового характеру використовуваних підходів.

Фундамент, на якому розвивалася М. б., Закладався такими науками, як генетика, біохімія, фізіологія елементарних процесів і т. Д. За витоків свого розвитку М. би. нерозривно пов'язана з молекулярною генетикою, яка продовжує складати важливу частину М. б., хоча, і сформувалася вже в самостійну, дисципліну.

Величезне значення досліджень біологічних проблем на молекулярному рівні передбачав І. П. Павлов, який говорив про останньому щаблі в науці про життя - фізіології живої молекули. Самий термін «Молекулярна біологія» був вперше використаний на початку 40-х років англійським ученим У. Астбері в додатку до досліджень, які стосуються з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними і біологічними властивостями фібрилярних (волокнистих) білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів. Широко застосовувати термін «Молекулярна біологія» стали з початку 50-х рр. 20 в. Виникнення М. б., Як сформувалася науки, прийнято відносити до 1953р., Коли Дж. Уотсоном і Ф. Криком в Кембриджі (Великобританія) була розкрита тривимірна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Це дозволило говорити про те, яким чином деталі даної структури визначають біологічні функції ДНК в якості матеріального носія спадкової інформації. В принципі, про цю роль ДНК стало відомо дещо раніше (1944) в результаті робіт американського генетика О. Т. Ейвері із співробітниками, але не було відомо, якою мірою дана функція залежить від молекулярної будови ДНК. Це стало можливим лише після того, як в лабораторіях У. Л. Брегга, Дж. Бернал та ін. Були розроблені нові принципи рентгеноструктурного аналізу, що забезпечили застосування цього методу для детального пізнання просторової будови макромолекул білків і нуклеїнових кислот.

У 1957 Дж. Кендрю встановив тривимірну структуру міоглобіну, а в наступні роки це було зроблено М. Перуцем щодо гемоглобіну. Були сформульовані уявлення про різні рівні просторової організації макромолекул.

Найбільш наочним прикладом того, як молекулярна тривимірна структура визначає біологічні функції молекули, служить ДНК.

Так само і в разі гемоглобіну виявилося, що його біологічна функція - здатність оборотно приєднувати кисень в легенях і потім віддавати його тканинам - найтіснішим чином пов'язана з особливостями тривимірної структури гемоглобіну і її змінами в процесі здійснення властивої йому фізіологічної ролі. При зв'язуванні і дисоціації О2 відбуваються просторові зміни конформації молекули гемоглобіну, що ведуть до зміни спорідненості містяться в ньому атомів заліза до кисню. Зміни розмірів молекули гемоглобіну, що нагадують зміни обсягу грудної клітини при диханні, дозволили назвати гемоглобін «молекулярними легкими».

Одна з найважливіших рис живих об'єктів - їх здатність тонко регулювати всі прояви життєдіяльності. Великим внеском М. б. в наукові відкриття слід вважати розкриття нового, раніше невідомого регуляторного механізму позначається як аллостерічеський ефект. Він полягає в здатності речовин низької молекулярної маси-т. Н. лігандів - видозмінювати специфічні біологічні функції макромолекул, в першу чергу каталитически діючих білків-ферментів, гемоглобіну, рецепторних білків, що беруть участь в побудові біологічних мембран, в синаптичній передачі.

У світлі уявлень М. б. сукупність явищ життя можна розглядати як результат поєднання трьох потоків: потоку матерії, яке знаходить своє вираження в явищах обміну речовин, т. е. асиміляції і дисиміляції; потоку енергії, що є рушійною силою для всіх проявів життєдіяльності; і потоку інформації, що пронизує собою не тільки все різноманіття процесів розвитку і існування кожного організму, але і безперервну низку змінюють один одного поколінь. Саме уявлення про потік інформації, внесене в вчення про живому світі розвитком М. б., Накладає на неї свій специфічний унікальний відбиток.

Молекулярна генетика (М.М.), розділ генетики та молекулярної біології, який має на меті пізнання матеріальних основ спадковості і мінливості живих істот шляхом дослідження що протікають на субклітинному, молекулярному рівні процесів передачі, реалізації та зміни генетичної інформації, а також способу її зберігання.

М. р виділилася в самостійне, напрямок в 40-х рр. 20 в. в зв'язку з впровадженням в біологію нових фізичних і хімічних методів (рентгеноструктурний аналіз, хроматографія, електрофорез, високошвидкісне центрифугування, електронна мікроскопія, використання радіоактивних ізотопів і т. д.), що дозволило набагато глибше і точніше, ніж раніше, вивчати будову і функції окремих компонентів клітини і всю клітку як єдину систему. З цією новою методою в біологію прийшли нові ідеї фізики і хімії, математики і кібернетики. Велику роль у швидкому розвитку М. р зіграло перенесення центру ваги генетичних досліджень з вищих організмів (еукаріотів) - основних об'єктів класичної генетики, на нижчі (прокаріоти) - бактерії і багато інших мікроорганізмів, а також віруси. Переваги використання більш простих форм життя для вирішення генетичних проблем полягають у швидкій зміні поколінь у цих форм і можливості вивчати одночасно величезну кількість особин; завдяки цьому сильно зростає роздільна здатність генетичного аналізу і підвищується його точність. Крім того, порівняльна простота організації бактерій і особливо вірусів полегшує з'ясування молекулярної природи генетичних явищ. Висловлюване іноді думка про тотожність М. р і генетики мікроорганізмів помилково. М. р вивчає молекулярні основи генетичних процесів як у нижчих, так і у вищих організмів і не включає приватної генетики прокариотов, що займає чільне місце в генетиці мікроорганізмів.

За свою недовгу історію М. р досягла значних успіхів, поглибивши і розширивши уявлення про природу спадковості і мінливості, і перетворилася на провідну і найбільш швидко розвивається напрямок генетики.

Одне з головних досягнень М. р.- з'ясування хімічної природи гена. Класична генетика встановила, що всі спадкові потенції організмів (їх генетична інформація) визначаються дискретними одиницями спадковості - генами, локалізованими гл. обр. в хромосомах клітинного ядра, а також в деяких органелах цитоплазми (пластидах, мітохондріях і ін.). Однак методи класичної генетики не дозволяли розкрити хімічну природу генів, що було відзначено ще в 1928р. видатним біологом Н. К. Кольцовим, що обгрунтував необхідність вивчення механізму спадковості на молекулярному рівні. Перший успіх в цьому напрямку було досягнуто при вивченні генетичної трансформації у бактерій. У 1944 американський учений О. Т. Ейвері із співробітниками виявив, що спадкові ознаки одного штаму пневмококів можуть бути передані іншій, генетично відмінному штаму шляхом введення в його клітки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), виділеної з першого штаму. Згодом подібна генетична трансформація за допомогою ДНК була відкрита у інших бактерій, а останнім часом - і у деяких багатоклітинних організмів (квіткові рослини, комахи). Т. о., Було показано, що гени складаються з ДНК. Цей висновок був підтверджений дослідами з ДНК-вмісними вірусами: для розмноження вірусу досить введення молекул вірусної ДНК в клітину чутливого господаря; всі інші компоненти вірусу (білки, ліпіди) позбавлені інфекційних властивостей і генетично інертні. Аналогічні досліди з вірусами, що містять замість ДНК рибонуклеїнової кислоту (РНК), показали, що у таких вірусів гени складаються з РНК. З'ясування генетичної ролі ДНК і РНК послужило потужним стимулом для вивчення нуклеїнових кислот біохімічними, фізико-хімічними та рентгеноструктурного методами. У 1953 американський учений Дж. Уотсон і англійський учений Ф. Крик запропонували модель структури ДНК, припустивши, що її гігантські молекули є подвійну спіраль, що складається з пари ниток, освічених нуклеотидами, розташованими аперіодично, але в певній послідовності. Кожен нуклеотид однієї нитки спарений з протилежними нуклеотидом другої нитки за правилом комплементарності. Численні експериментальні дані підтвердили гіпотезу Уотсона і Крика. Трохи пізніше було встановлено, що аналогічною структурою володіють молекули різних РНК, тільки вони здебільшого складаються з однієї полинуклеотидной нитки. Подальші роботи, в яких хімічні та фізико-хімічні методи поєднувалися з точними генетичними методами (використання різноманітних мутантів, явищ трансдукції, трансформації і т. Д.), Показали, що різні гени розрізняються як числом вхідних в них пар нуклеотидів (від декількох десятків до півтори тисячі і більше), так і строго визначеної для кожного гена послідовністю нуклеотидів, в якій закодована генетична інформація. Принципово схожу хімічну структуру мають і гени, що складаються з РНК, - у вірусів РНК-типу.

Класична генетика розглядала ген як дискретну і неподільну одиницю спадковості. Велике значення в перегляді цієї концепції мали роботи А. С. Серебровского і його учнів, в 1930-х рр. вперше вказали на можливість подільності гена. Однак роздільна здатність методів класичної генетики була недостатньою для вивчення тонкої будови гена. Тільки з розвитком М. р вдалося в 50-60-х рр. вирішити цю проблему. Багатьма роботами, проведеними спочатку на бактеріях і вірусах, а потім і на багатоклітинних організмах, було з'ясовано, що ген має складну будову: він складається з десятків або сотень ділянок - сайтів, здатних незалежно мутувати і рекомбінувати. Межею подрібнюваністю гена, а, отже, і мінімальним розміром сайту є одна пара нуклеотидів (у вірусів, які містять одну нитку РНК, - один нуклеотид). Встановлення тонкої будови генів дозволило значно поглибити уявлення про механізм генетичної рекомбінації і закономірностях виникнення генних мутацій, воно сприяло також з'ясуванню механізму функціонування генів.

Дані про хімічну природу і тонку будову генів дозволили розробити методи їх виділення. Вперше це було виконано в 1969 р. американським вченим Дж. Беквітом з співробітниками для одного з генів кишкової палички. Потім той же вдалося здійснити у деяких вищих організмів (земноводних). Ще більш значний успіх М. р - перший хімічний синтез гена (кодує аланіновую транспортну РНК дріжджів), здійснений X. Корану в 1968р. Роботи в цьому напрямку ведуться в ряді лабораторій світу. Для позаклітинного синтезу більших генів успішно застосовані новітні біохімічні методи, засновані на явищі так званої зворотної транскрипції. Використовуючи ці методи, С. Спігелмен, Д. Балтімор, П. Ледер і їх співробітники (США) в 1972 р. змогли синтезувати ген гемоглобіну.

Таким чином, М. р вже з'ясувала в принципі питання про те, як записана і зберігається генетична інформація, що отримується нащадками від батьків, хоча розшифровка конкретного змісту цієї інформації для кожного окремого гена вимагає ще величезної роботи.

Встановлення структури ДНК відкрило можливості для експериментального дослідження біосинтезу молекул ДНК - їх реплікації. Цей процес лежить в основі передачі генетичної інформації від клітини до клітини і від покоління до покоління, т. Е. Визначає відносну сталість генів. Вивчення реплікації ДНК привело до важливого висновку про матричний характер біосинтезу ДНК: для його здійснення необхідна наявність готової молекули ДНК, на якій, як на шаблоні (матриці), синтезуються нові молекули ДНК. При цьому подвійна спіраль ДНК розкручується і на кожній її нитки синтезується нова, комплементарная їй нитка, так що дочірні молекули ДНК складаються з однієї старої і однієї нової нитки (напівконсервативний тип реплікації). Виділено білок, що викликає розкручування подвійної спіралі ДНК, а також ферменти, які здійснюють біосинтез нуклеотидів і їх з'єднання ( «зшивання») один з одним. Безсумнівно, що в клітці є механізми, що регулюють синтез ДНК. Шляхи такого регулювання ще багато в чому неясні, але очевидно, що вона в великій мірі визначається генетичними факторами.

М. р досягла видатного успіху і в вирішенні найважливішої задачі, сформульованої ще класичною генетикою, - яким чином ген визначає ознака, або як відбувається реалізація генетичної інформації. Передумовою послужило сформульоване ще в 1941 Дж. Бідлом і Е. Тейтемом положення «один ген - один фермент». Це положення дозволило поставити питання в наступному вигляді: як гени, т. Е., По суті справи, ділянки молекули ДНК, визначають хімічну структуру і властивості білків, специфічних для даного організму? Розкриття хімічної структури ДНК і білка дало можливість зіставити ці два типи біополімерів, що призвело до концепції генетичного коду, згідно з якою порядок чергування 4 сортів нуклеотидів в ДНК визначає порядок чергування 20 сортів амінокислот в білкової молекулі. Від послідовності розташування амінокислот в білкової молекулі (її первинної структури) залежать всі її властивості. Розшифровка принципів, на яких базується генетичний код, була здійснена в 1962 Ф. Криком з співробітниками в генетичних дослідах з мутантами одного бактеріального вірусу. Виявилося, що кожна трійка нуклеотидів у ланцюгу ДНК (триплет, кодон) визначає, яка саме з 20 амінокислот займе дане місце в поліпептидному ланцюзі синтезованого білка, т. Е. Кожен триплет кодує певну амінокислоту. Наступні роботи дозволили повністю розшифрувати генетичний код і встановити його властивості.

Розшифровка генетичного коду зіграла визначну роль у з'ясуванні механізму біосинтезу білка.

Як показали в 1961р. французькі вчені Ф. Жакоб і Ж. Моно, біосинтез білка в бактерії знаходиться під подвійним генетичним контролем. Ними запропонована і модель оперона.

З розвитком М. р глибшим стало розуміння мутаційного процесу, т. Е. Зміни генетичної інформації. Було показано, що мутації являють собою або заміни окремих нуклеотидів, або вставки або випадання нуклеотидів в молекулі ДНК. Мутації виникають як внаслідок випадкових помилок при реплікації ДНК, так і в результаті, що ушкоджує нуклеїнові кислоти дії різних фізичних і хімічних агентів - мутагенів.

Вивчення репарації відкрило нові підходи до дослідження механізму рекомбінації зчеплених (т. Е. Що лежать в одній хромосомі) генів, що представляє одну з причин комбинативной мінливості, яка поряд з мутаціями грає важливу роль в еволюції. Класичною генетикою було показано, що рекомбінація зчеплених генів відбувається шляхом обміну гомологічниххромосом ділянками (кросинговер), але тонкий механізм такого обміну залишався невідомим. Експериментальні дані останніх років дозволяють розглядати внутріхромосомную і внутрігенних (міжсайтовий) рекомбінацію як ферментативний процес, що відбувається при взаємодії молекул ДНК. Акт рекомбінації здійснюється шляхом розривів і з'єднання в новому поєднанні відрізків полінуклеотидних ниток.

М. р своїми чудовими відкриттями зробила плідну вплив на всі біологічні науки. Вона стала тією основою, на якій виросла молекулярна біологія, значно прискорила прогрес біохімії, біофізики, цитології, мікробіології, вірусології, біології розвитку, відкрила нові підходи до розуміння походження життя і еволюції органічного світу.

Так, дослідження в галузі генетики мікроорганізмів поряд з рішенням общебиологических проблем мають і свої специфічні мікробіологічні завдання. Основними з них є пізнання молекулярних основ спадковості і мінливості мікробів, розробка методів і принципів управління їх життєдіяльністю і отримання видів мікробів, корисних для людини. Що стосується завданням медичної мікробіології генетичні дослідження мають на меті пізнання генетичних основ патогенності і імуногенних властивостей мікробів, отримання на основі цих даних вакцинних штамів, продуцентів антибіотиків і усунення шкідливої ??дії мікробів.

Численні дослідження мінливості мікробів, безсумнівно, мали і мають найважливіше практичне значення. Вони дають можливість ставити більш точний мікробіологічний діагноз інфекційних захворювань, вибирати найбільш повноцінні штами для виробництва вакцин.

В кінці 80-х років XX ст. група вчених на чолі з Д. Уотсоном (один з авторів моделі ДНК) склали програму розшифровки генома людини, роботи над якою почалися в 1990 р Всього на її виконання витрачено близько 6 млрд доларів. Поряд з цим досліджувалися і геноми інших організмів (близько 820 видів).

Першим великим успіхом стало повне картування в 1995 р генома бактерії Haemophilus influenzae. Пізніше були повністю описані геноми ще більше 20 бактерій, серед яких збудники туберкульозу, висипного тифу, сифілісу та ін. У 1996 р картировать ДНК першої еукаріотичної клітини - дріжджів, а в 1998 р вперше був картирован геном багатоклітинного організму - круглого хробака Caenorhabditis elegans . До 1998 р встановлені послідовності нуклеотидів в 30 261 гені людини, тобто розшифрована приблизно половина, як тоді вважали, генетичної інформація людини. Отримані дані дозволили вперше реально оцінити функції генів в організмі людини.

У грудні 1999 р дослідники Великобританії і Японії оголосили про встановлення структури 22-ї хромосоми. Це була перша декодована хромосома людини. Вона містить 33 млн пар основ, і в її структурі залишилися нерозшифрованими 11 ділянок (близько 3% довжини ДНК). Для цієї хромосоми визначено функції приблизно половини генів, з 545 виявлених. Встановлено, наприклад, що з дефектами цієї хромосоми пов'язано 27 різних захворювань, серед яких такі, як шизофренія, мієлоїдна лейкемія і трисомія 22 - друга за значенням причина викиднів у Бремені.

У квітні 2000 року була розшифрована структура 21 хромосоми і виявлено 225 генів. Наявність даних про число генів у двох різних хромосомах, на частку яких припадає 2% ДНК генома, дозволило розрахувати загальне число генів у каріотипі людини рівним 40 000.

У лютому 2001 р було опубліковано дві попередніх версії генома людини. Це результат багаторічної роботи багатьох вчених, які склали дві групи. Перша з них - Міжнародний некомерційний проект «Геном людини» - Human Genom Ргоyесt (НGP) - об'єднав 20 лабораторій, сотні вчених з різних країн світу. Ця група поставила перед собою мету розшифровку генома людини і отримання даних, які могло б стати загальнодоступними. Приватна ж компанія «Целера Геномікс» (Сеlега Gеnomics) також поставила перед собою завдання розшифровки генома людини, але планувала надавати отриману інформацію на комерційній основі.

Обидві версії містять ще багато білих плям і неточностей, тому робота триває. Проте отримані результати дозволили зіставити геном людини з геномами інших еукаріотів (дріжджів, хробака, мухи дрозофіли і рослини). Встановлено, що послідовність генома людини, як і інших еукаріотів, складається з ділянок, які кодують білки (? 2%), ділянок, які кодують РНК (? 20%), а понад 50% складають повторювані послідовності, які важко клонуються і тому створюється багато прогалин.

Отже, велика частина генома людини не кодує білки. У цю частину входять фрагменти, які кодують тільки РНК і ділянки ДНК повторів.

Тисячі генів у людини тільки транскрибируются і продукують РНК, що не кодує білок (нкРНК). Ідентифіковано також близько 500 генів для транспортних РНК. Поки немає повних послідовностей для рибосомальної РНК (рРНК), хоча інтерес до них дуже великий враховуючи їх роль в утворенні пептидних зв'язків при трансляції.

Крім того, ідентифіковано близько 80 маленьких ядерних РНК, які беруть участь в сплайсинге незрілої РНК, а також майже сотня генів маленьких ядерцевих РНК, які беруть участь в процесингу.

Гени нкРНК і псевдогени, які утворилися з них, за своїми розмірами є маленькими і не діляться на групи - це специфічні структурні особливості, пошук їх за допомогою комп'ютерних методів дуже важкий, хоча вони дуже поширені в геномі людини.

У 2003 р Національний інститут геномних досліджень (США) завершив розшифровку (секвенування) геному людини.

Незважаючи на певні успіхи в секвенування генома людини (він просеквенірован на 99%), ніхто з генетиків не може з упевненістю назвати точну кількість генів у людини. В останніх даних згадувалася цифра в межах 22-25 тисяч, проте американські вчені, в статті, опублікованій в журналі PLoS Computational Biology (2006), заявили про знахідку додаткових 5286 регіонів, які можуть транскрибуватися.

Підставою для такого твердження є успішне застосування нового підходу в обробці даних, що дозволяє виявляти так звані геномні відбитки транскрипції, невидимі звичайними методами. Вчені припускають, що в більшості випадків знайдені ними гени не є білок-кодують, але виконують певні, і поки невідомі функції.

Розшифровка геному підняла наукову планку в ембріології, вірусології, клітинної біології, теорії еволюції, біотехнології, медичної генетики. Вже з'явився термін «new biology», нова біологія - наука, яка почалася ще в лютому 2001 року.

Структура генів людини набагато складніша, ніж у інших еукаріотів. Часто вони перериваються великими интронами, приблизно 35% генів можуть зчитуватися з різними рамками, 40% іРНК можуть піддаватися альтернативного сплайсингу. Отже, одна послідовність ДНК може кодувати більше, ніж один тип іРНК.

Сама карта топографії генів на хромосомах нагадує глобус або контури Землі, видимі з літака. Основна частина генів збита в великі і малі «міста», які розділені величезними млявими просторами. Чоловіча статева хромосома, збіднена генами, нагадує Візантійську імперію, вже пережила епоху зльоту. За минулий період історії багато генів покинули цю територію і перебралися в інші «країни».

Навпаки, дев'ятнадцята хромосома людини нагадує генетичну «столицю» - весь інформаційний мотлох і старі віджилі споруди викинуті з цієї функціонально просунутої території. З великими труднощами на цій хромосомі вдалося відшукати вакантні місця, не забудовані генами, тобто не несуть в реальний світ проекти тривимірної життя світу білків і білкових машин. Ось чому аномалії 19-ї хромосоми закінчуються смертю вже в утробі матері.

На техногенному мовою - будь-яка функція клітини закодована пристроєм білкових машин. На дев'ятнадцятій і двадцять першій хромосомі добре видно порядок життя в «містах»: уздовж головної вулиці квартали забудовуються дуплікацією генів, тобто всі родичі селяться поруч. Хоча бувають винятки, коли нові нащадки генів починають освоювати далекі території. Хромосоми людини відрізняються від хромосом бактерій, дрозофіли і нижчих багатоклітинних максимальними перепадами щільності генів по довжині подвійної спіралі ДНК. У людини - максимальне число «мегаполісів» генів поряд з величезними порожніми просторами нісенітниці. Саме на кордоні «генних міст» і «пустирів» народяться нові проекти перебудови старих генів або правил використання старих генів для нової функції.

Практично кожен ген людини відрізняється варіабельністю. У геномі людини є ділянки з підвищеною і зниженою варіабельністю. Наприклад, ділянки головного комплексу гістосумісності (МНС), які кодують білки гістосумісності, відрізняються значною варіабельністю, визначаючи імунологічну індивідуальність людини.

Генетичний поліморфізм має велике біологічне значення для людини. Так, поліморфізм гена апоЕ4 сприяє збільшенню щільності бляшок при хворобі Альцгеймера, а делеция гена, який кодує Хемокінові рецептор ССR 5, збільшує стійкість імунодефіциту людини щодо вірусу. Цей корецептор, разом з рецептором СD4, є необхідним для зв'язування і проникнення вірусу в Т-лімфоцит. При порівнянні розташування і частоти одиночних замін у хворих і здорових людей виявляються ті заміни, які пов'язані з тією чи іншою хворобою. Такі зіставлення дають можливість з'ясувати роль певних генів в розвитку мультифакторіальних захворювань. Дослідження в цьому напрямку дуже перспективні і інтенсивно розвиваються.

У 1994 р в молекулярної біології виник новий термін - протеом. Він, фактично, покликаний описати все сукупності білків, які синтезуються на протязі життя клітин організму. Область дослідження структури і функції білків - продуктів функціонування генів -Отримайте назву протеоміка. Її значення в медицині є вкрай важливим, так як будуть ідентифіковані білкові маркери різних хвороб. Перспективно також вивчення ефектів взаємодії лікарських речовин з геномом людини (фармакогеноміка).

Слід зазначити, що розшифровка первинної структури білків на основі вивчених генів, які кодують білки, ще не вказує на розкриття функцій тих або інших продуктів генів. За цим слідуватиме тривалий систематичний аналіз протеома людини. Велике значення в розшифровці ролі певних генів, які синтезують білок, має порівняння первинної структури білків з відомими і невідомими функціями, які отримані від представників видів різного рівня еволюційного розвитку. Сьогодні така робота починається. На основі виявлення тільки первинної структури білка можна встановити його точну функцію. Проте вивчення генома дає важливу інформацію про виникнення білкових доменів, про розширення їх родин, родин самих білків і т.д.

У геномі людини виявлені гени, гомологічні таким в геномі мухи (61%), в геномі хробака (43%), в геномі дріжджів (46%). Це основний набір генів, які кодують головні життєві процеси в клітці: основний метаболізм, реплікація і репарація ДНК, біосинтез білка.

Виявлено також понад 220 генів, продукти яких схожі на білки бактерій, але не схожі на білки дріжджів, рослин, безхребетних. Швидше за все, ці гени потрапили в геном людини від бактерій шляхом перенесення.

Зіставлення генома людини і досліджених безхребетних дало можливість виявити значно більшу кількість генів, які відповідають за різні регуляторні функції в організмі: захист і імунітет; структура і функції центральної нервової системи; білків, які беруть участь в побудові цитоскелету і рух везикул; внутрішньо- і міжклітинна сигналізація в розвитку і гомеостазі; транскрипція і трансляція; гемостаз; апоптоз і ін.

Секвенування генома стало поштовхом до дослідження генів, які «відповідають» за хвороби людини. Необхідним є проведення функціональної класифікації самих генів і їх продуктів - білків. Всі гени (923), які викликають моногенні захворювання або підвищують ймовірність виникнення хвороби, характеризувалися за функцією їх продуктів щодо патологічного процесу і клінічних проявів. Найбільшу функціональну групу становили ферменти (31%). Друга за величиною група - білки-активатори і стабілізатори, білки, які беруть участь в правильному згортанні поліпептидних ланцюгів (14%). Будь-яка з залишку груп (рецептори, фактори транскрипції, трансмембранні переносники і ін.) Становили менше 10% від всіх генів, які викликають хвороби. Кореляційний аналіз між функцією продуктів генних хвороб і віком хворих показав, що хвороби, пов'язані з порушеннями функції ферментів, виявляються на всіх етапах розвитку. У той же час хвороби, пов'язані з генами, які кодують транскрипційні фактори, виявляються на етапі внутрішньоутробного розвитку.

Таким чином, секвенування генома людини свідчить про ускладнення генома в ході еволюції - від дріжджів до людини. Однак кількість генів збільшилася лише в 5 разів. Ускладнення полягає у виникненні великої кількості білків, а не генів, які синтезують білок. Організм людини, використовуючи відомі структурні конструкції, збирає нові білки з новими функціями. Можливо, це досягається за допомогою складних механізмів посттранскрипційна процесів.

Слід зазначити, що описані досягнення ще не є розшифровкою генетичного «тексту». Справжнє читання генетичного тексту, переклад його з мови молекул на мову характеристик морфологічних і функціональних особливостей людини, його хвороб тільки починається.

Перспектива отримати відповідь на ці та інші питання щодо геному людини з'явилася в грудні 2002 року, коли було завершено секвенування генома миші. Це шостий секвенований еукаріотичний геном і другий після людини - ссавця.

Порівняння геномів людини і миші дозволить краще розуміти еволюцію і функціонування геному. За попередніми даними, у миші кількість генів, які кодують білок, орієнтовно становить 27-35,5 тис., А у людини, як вже було зазначено вище, - 30-40 тис. Таким чином, у ссавців кількість генів, які кодують білок , всього 30-40 тис., а не 100 тис., як прогнозувалося раніше. Ймовірно, що дивергенція вихідного геному загального предка почалася 75-65 млн років тому. При цьому частота перебудов виявилася досить низькою, а деякі гени залишилися практично незмінними, завдяки чому стало можливим розпізнати сінтенние райони, які щодо збереженими передалося від загального предка.

У миші 99% генів мають подібні до геному людини послідовності, 96% з них знаходяться всередині сінтенних ділянок хромосом миші і людини. У геномі миші визначено 558 ортологосніх маркерів для виявлення консервативних сінтенніх ділянок. Обидва генома можна розподілити на 342 сінтенних сегмента, тобто максимально довгі ділянки, в яких послідовності маркерів в хромосомі миші і людини мають однаковий порядок. Близько 90,2% генома людини і 93,3% генома миші містять консервативні сінтенние сегменти.

Крім того, було виявлено 217 сінтенних блоків. Сінтенний блок - один або більше сінтенних сегментів, розташованих на однаковій хромосомі у людини і миші, але які можуть відрізнятися порядком розташування або орієнтації. Наприклад, Х-хромосома - цілий сінтенний блок, а хромосома 20 людини, крім невеликого центрального сегмента, практично цілком відповідає хромосомі 2 миші. Хромосома 17 людини відповідає частині хромосоми 11 миші. Інші хромосоми людини та миші відрізняються між собою значно більше. Карта консервативних сінтенних сегментів геномів миші і людини дала можливість припустити мінімальну кількість перебудов, необхідне для трансформації одного генома в інший. З урахуванням 342 сінтенних сегментів, це, за дуже скромними підрахунками, - 295 перебудов. Причому в деяких ділянках хромосом перебудови могли відбуватися повторно. На підставі знань генома тільки двох видів ссавців неможливо визначити порядок генів в хромосомах загального попередника або відновити точну послідовність перебудов.

Майже 40% генома людини є родинним геному миші на нуклеотидном рівні. Ймовірно, це ортологосние послідовності, які збереглося від загального предка. Менше 1% геному миші не має гомологічних ділянок в геномі людини і навпаки. Зроблено також висновок про ідентичність амінокислотноїпослідовності в 78,5% випадків. Він базується на схожості майже 13 тис. Генів людини і миші.

Аналіз генома миші і зіставлення його з геномом людини дало можливість виявити нові гени людини, як, наприклад, новий ген сімейства Ароа -АРОАV, який бере участь у метаболізмі ліпідів, було виявлено при порівнянні нуклеотидноїпослідовності миші і сінтенного ділянки хромосоми 11 людини.

Порівняння геномів двох видів надало можливість також визначити відмінності між механізмами, які формували геном, включаючи різницю між мутаційним і селективним тиском. У геномі миші виявлено експансія генів, які «відповідають» за репродукцію, нюх, захист.

При порівнянні двох геномів з'явилися також і нові питання. Виявилося, що подібні типи повторюваних послідовностей накопичуються у відповідних ділянках генома обох організмів, що свідчить про деякі додаткові фактори, що впливають на перебудову генома транспозонами.

Завершення секвенування генома миші має найважливіше практичне значення. Воно дасть можливість більш точно моделювати біологічні процеси і хвороби людини. Лабораторна миша - експериментальний ключ до геному людини, який дозволить маніпулювати кожним геном людини.

Миша використовується як об'єкт лабораторних досліджень протягом усього XX ст. У 1909 р була виведена перша інбредних лінія мишей dВА. На мишах інбредних ліній було проведено величезну кількість експериментів, але дані, отримані в експерименті на мишах, не завжди можна екстраполювати на людину, особливо щодо медичних аспектів. Проблема аналізу хвороб людини, які моделюються на мишах, була частково вирішена шляхом створення трансгенних мишей, першу з яких було отримано в 1982 р, коли в ембріон миші вбудували ген гормону росту пацюка під контролем Zn-залежного промотора. У 1989 р створили першу «нокаут» миша з селективної інактивацією гена в ембріональних стовбурових клітинах.

Знання нуклеотидних послідовностей і сінтенних ділянок людини і миші дозволить доцільно вбудовувати певні гени людини або інактивувати подібні ділянки ДНК миші. Аналіз фенотипів таких мишей дає можливість виявити невідому зараз функцію окремих генів людини. Вивчення мишачих моделей полігенних хвороб людини і наявність подібних послідовностей в геномі людини дасть можливість виявити і локалізувати гени, які відповідають за розвиток цих захворювань. Знання відмінностей геномів також буде запобігати створенню неповноцінних моделей при видаленні одного гена в миші, якщо в її геномі він представлений декількома копіями.

Знання відповідності між послідовностями ДНК миші і людини дозволить точно вбудовувати гени людини в сінтенние ділянки геному миші і отримати «олюднення» за певними ознаками миша. Особливий інтерес такі миші складають для фармацевтичної промисловості. Так, дослідження генома миші показало експансію у неї чотирьох подсемейств генів Р450. Ці гени відповідають за ферменти, які беруть активну участь в метаболізмі ксенобіотиків, в тому числі і лікарських засобів. Генетично модифікована по генам цитохромов миша може стати точною моделлю людини в процесі дослідження біотрансформації лікувальних препаратів.

Із завершенням в найближчому майбутньому секвенування генома ще одного лабораторного тваринного -криси - моделювання хвороб людини буде набагато достовірніше. Заплановане секвенування геномів шимпанзе, собаки, корови значно збільшить наші знання про геном ссавців і, відповідно, людини. Досягнення в галузі молекулярної біології на рубежі XX і XXI ст. посприяло виникненню молекулярної медицини - нового напряму в природознавстві. Це, в свою чергу, ініціювало розвиток прогресивних технологій, які вдосконалювали старі і створювали нові методи. Переважна більшість цих методів автоматизовані і об'єднуються з комп'ютерними технологіями. Наочними прикладами цього є автоматичні підходи секвенування генома людини і наступний етап - дослідження людського протеома. Нові технології дають можливість досить швидко отримати колосальний обсяг інформації про структуру досі невідомих білків. Подальше виявлення і вивчення їх функцій уможливить вдосконалення досліджень клітинних процесів, механізмів індивідуального розвитку, еволюції живого світу.

Ідентифікація нових білків зміцнить інтеграцію біології і фундаментальної медицини, яка призведе до відкриття нових діагностичних маркерів, виявлення білків-мішеней для фармакологічних препаратів. Великі надії покладаються на вивчення протеома пухлин, що дозволить поліпшити їх діагностику і особливо лікування.

Парадоксальність ситуації, що складається зараз в геноміки, полягає в тому, що обсяг інформації, який мають дослідники, набагато більше того, що можна осмислити, проаналізувати і використовувати в експериментальній роботі. Тому розвиток нових математичних методів, обчислювальної техніки, програмного забезпечення, вдосконалення способів опису і зберігання геномної інформації стають надзвичайно актуальними. Цими проблемами активно займається біоінформатика, що включає в себе і геноінформатіку.

Біоінформатика аналізує ситуацію як би на чотирьох тісно пов'язаних один з одним рівнях. Перший - це генетичний текст, тобто нуклеотидная послідовність ДНК; другий - теж текст, але спочатку в формі РНК, а потім у формі амінокислотноїпослідовності білка; наступний, третій рівень - просторова структура білка. Як відомо, вона цілком визначається первинною структурою, а експериментально встановлюється за допомогою рентгеноструктурного аналізу кристалів білків або за допомогою ядерного магнітного резонансу в розчині для білків невеликого розміру.

Хоча методи передбачення тривимірної структури білка (вторинної та третинної структури) за його амінокислотної послідовності все ще вкрай неточні, проте, завдяки тому, що в банках даних вже є інформація про тривимірну структуру сотень білків, можна на її основі, використовуючи відомості про нуклеотидної і амінокислотної послідовності невідомого білка, передбачати в багатьох випадках і тривимірну структуру з достатньою точністю. Нарешті, останній, четвертий рівень - це передбачення функції білка на підставі знання його первинної структури і передбаченою тривимірної структури. Таким чином, структурна і порівняльна геноміка через біоінформатику як би переходять в новий розділ геноміки, який зазвичай називають функціональної геноміки.

Все більша увага вчених привертає проблема різноманітності генома людини. Ці дослідження спрямовані на вирішення фундаментальних наукових проблем, пов'язаних з походженням людини, і на з'ясування генних відмінностей, пов'язаних з чутливістю або стійкістю людини до різних захворювань і впливів середовища.

Генетичні тексти двох осіб відрізняються один від одного приблизно однією літерою з тисячі. Решта 999 нуклеотидів у них однакові. Звичайно ж, заміни не розподілені рівномірно в геномі - їх більше в некодуючих ділянках. У кожної зародкової клітці виникає кілька мутацій, що відрізняють її геном від батьківського. У деяких ділянках хромосом, що кодують особливо важливі білки або Хвороби, заміни нуклеотидів зустрічаються відносно рідко, в інших частота виявлення мутацій може бути в десятки разів вище. Найбільш часто зустрічаються мутації в гені рецептора гормону росту - в цій ділянці вони виявляються у одного з 100 000 чоловік.

Поки люди живуть разом, з'являються у них мутації поширюються по всій групі. Якщо ж групи розділилися, процес накопичення мутацій йде в них незалежно. Спосіб датування еволюційних подій по генетичних змін заснований на сталості числа накопичених мутацій за певний відрізок часу. Лише невелика частина цих мутацій (переважно в білок-кодують областях) шкідлива.

Більшість мутацій, за сучасними уявленнями, нейтральні, тобто не надають будь-якого корисного або шкідливого впливу на їхнього власника. Вони не відсіваються відбором і, раз з'явившись, передаються з покоління в покоління. Метод, запропонований англійським біохіміком Лайнусом Полингом для амінокислотних замін в білках, був названий «молекулярними годинами». Пізніше швидкість ходу «молекулярних годин» була встановлена ??за швидкістю зміни ДНК тих видів, час розбіжності яких було відомо по викопних останків. Однак точність цих методів за статистичними причин не дуже висока - помилка в молекулярних датування може становити 20-30%.

«Молекулярні годинник» допомогли визначити дату поділу гілок людини і мавп - від 5 до 7 млн ??років тому. До цього палеонтологи вважали, що поділ відбувся близько 25 млн років тому. Однак тепер «молекулярна» датування є загальноприйнятою. Вважається, що предки людини і шимпанзе розділилися близько 5 млн років тому, відділення горил відбулося раніше, і ще раніше, близько 10-15 млн років тому, відокремилася гілка орангутангів. Перегляд уявлень про походження людини пов'язаний з розвитком методів молекулярної генетики, зокрема, з впровадженням в практику досліджень полімеразної ланцюгової реакції, яка дозволяє швидко напрацьовувати потрібні для аналізу кількості ДНК навіть якщо в зразку присутні всього кілька фрагментованих молекул, і з розробкою методів автоматичного аналізу ДНК і комп'ютерної обробки даних. Нові відомості отримані також у зв'язку зі збільшенням числа вивчених рештків стародавніх гомінідів і з розвитком в останні десятиліття нових методів палеонтології (датування останків термолюмінесцентні методами і методом електронного спінового резонансу), які дозволили уточнити дати в період 200 - 50 тис. Років.

За останнє десятиліття молекулярна антропологія і палеогенетіка зайняли гідне місце в дослідженнях антропогенезу. Для порівняльного дослідження генетичного споріднення популяцій використовують і ядерну ДНК, і ДНК, що міститься в клітинних органелах мітохондріях. Мітохондрії людини містять кільцеву молекулу ДНК (мтДНК), що складається з 16 500 пар нуклеотидів - це зовсім небагато, якщо порівняти з ДНК хромосом, що знаходяться в ядрі клітини і складаються з десятків і сотень мільйонів пар основ. Крім того, мтДНК передається тільки по материнській лінії і не бере участі в рекомбінації, що спрощує її аналіз. Так як мтДНК мутує в 10 разів частіше, ніж ядерна ДНК, це робить «годинник» точнішими.

Ті, хто отримав популярність дослідження, які виявили спільність походження мтДНК нині живих людей, були проведені в 1987 р Аланом Вілсоном і його колегами з Каліфорнійського університету в Берклі. Вони вивчили мтДНК представників різних рас - африканців, азіатів, європеоїдів. Найбільший рівень різноманітності ДНК був знайдений в Східній Африці, що вказує на африканське походження людини сучасного типу. За ступенем різноманітності мтДНК сучасних людей Вілсон оцінив час існування предковой послідовності для всіх вивчених мтДНК. Відповідно до його висновками, загальна «праматір», до якої сягають всі типи мтДНК сучасних людей, жила в Східній Африці менше 200 000 років тому. Володарку цієї мтДНК відразу охрестили «мітохондріальної Єви», що породило невірні тлумачення - ніби все людство походить від однієї жінки. Йдеться лише про збереження до теперішнього часу однією з декількох ліній мтДНК, але не інших генів. Сучасники «Єви» внесли свій генетичний внесок. Вивчення різноманітності ДНК інших генів, що знаходяться в різних хромосомах, показало, що чисельність популяції в період видоутворення становила близько 10 000 чоловік.

Близько оцінки часу існування загального предка отримані і при вивченні передається тільки по батьківській лінії Y-хромосоми. На радість генетиків виявилося, що «Адам» жив в тому ж районі і приблизно в той же час, що і «Єва». Еволюційна історія мтДНК і Y-хромосоми відрізняється, так як пов'язана з різними шлюбними традиціями, різною поведінкою чоловіків і жінок при переселення, завоювання або колонізації. На основі розподілу частот різних алелей генів Y-хромосоми і мтДНК складена карта розселення людей з Африканської прабатьківщини.

Різні групи генетиків, виходячи з оцінок генетичного різноманіття сучасних популяцій людини, прийшли до висновку, що протягом останнього мільйона років чисельність прямих предків людини коливалася від 40 до 100 тисяч. У період проходження «пляшкового горлечка» 130 000 років тому вона скоротилася до 10 тисяч індивідів, тобто на 75-90%, що призвело до втрати значної частини генетичного різноманіття.

Порівняльні дослідження мтДНК різних популяцій сучасних людей дозволило висунути припущення, що ще до виходу з Африки, близько 60-70 000 років тому (в цей період також спостерігалося зниження чисельності, але не таке значне, як попереднє) предковая популяція розділилася принаймні на три групи, що дали початок трьом рас - африканської, азійської та європейської.

Вивчення генетичної різноманітності популяцій людини має суттєве значення не тільки для розуміння процесу антропогенезу, а й для розуміння механізмів адаптації популяцій до різних умов існування, стійкості або сприйнятливості до тих чи інших захворювань, для розробки методів ДНК-ідентифікації особистості і для ДНК-діагностики спадкових та онкологічних захворювань. Не тільки спадкові захворювання, але і схильність до інфекційних захворювань має генетичну основу. Різні люди по-різному сприйнятливі до різних інфекцій. «Чума» ХХ століття - СНІД - поки невиліковне захворювання. Але деякі люди (в Європі близько 1-2%) несприйнятливі до викликає СНІД вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ) через мутації в гені ХЕМОКІНОВОГО рецептора. Хемокінові рецептор розташований на поверхні клітин і служить «посадочної майданчиком» для вірусу СНІДу. У відсутності цього білка вірус, потрапивши в організм, не здатний проникнути всередину клітини і не призводить до захворювання. Описано та інші мутації, що призводять до підвищеної стійкості до ВІЛ.

Інший приклад - епідемія «коров'ячого сказу» (губчаста хвороба мозку), що поширена в Англії в зв'язку зі зміною технології приготування кісткового борошна, що використовується в якості кормової добавки для худоби (була знижена температура обробки) і яка вбила 160 000 тварин. Пік епідемії довелося на 1992г р Захворювання викликається білком-пріоном - дивним інфекційним агентом, що не містить ДНК і викликає зміна конформації клітинних білків і порушення функцій клітин нервової системи. Хоча заражену яловичину вживали багато, тільки два десятка осіб захворіли. Всі захворілі люди мали одну і ту ж мутацію, відому раніше і вважалася нейтральною.

В останні роки особливу увагу приділяють поширеності в різних популяціях алелей генів схильності до тих чи інших захворювань і так званих генів «зовнішнього середовища». Зокрема, це гени, які контролюють детоксикацію чужорідних речовин. Всі речовини, що надходять в організм, метаболізуються в два етапи. На першому етапі утворюються проміжні генотоксичні речовини. На другому етапі ці проміжні метаболіти перетворюються в нешкідливі розчинні сполуки, які виводяться з організму.

Показано, що при зниженні активності детоксикаційної функції плаценти (вона пов'язана з ферментом, званим плацентарної глутатіон-трансферазой) зростає ризик ранніх спонтанних абортів.

Те, як організм реагує на шкідливі впливи середовища, наприклад, на тютюновий дим, також значною мірою визначається активністю системи детоксикації. Наприклад, у 3% жінок зустрічається поєднання генів, відповідальних за знешкодження канцерогенів тютюнового диму ферментами печінки, яке в 10 разів підвищує ризик розвитку раку молочної залози. Таким жінкам курити строго протипоказано. Впливають гени і на ефективність лікування різними препаратами. Так, лікування ендометріозу - захворювання, що зустрічається майже у 10% жінок білої раси - широко використовуваним препаратом циклоферон у частини хворих безрезультатно з причин генетичного характеру.

Знайдено гени, які захищають від захворювання деякими формами раку. Особливо ефективно вони діють в поєднанні зі сприятливими умовами середовища. Наприклад, ймовірність розвитку раку товстої кишки знижується в присутності деяких алелей генів детоксикації, також як і при вживанні в їжу капусти броколі або зеленого чаю.

Отримання інформації про власні генетичні особливості для кожної людини з наукової перспективи перетворюється в повсякденну реальність. Це дає можливість ще до народження передбачити, до яких спадкових захворювань буде схильний людина, які заходи профілактики і лікування можуть бути прийняті. Менше відомо про те, що можна отримати і певні рекомендації щодо вибору професії, встановити яка діяльність буде пов'язана з підвищеним ризиком для даного індивіда.

Наприклад, давно відома асоціація між аніліновими барвниками і ризиком виникнення раку сечового міхура. Нещодавно, однак, було встановлено, що такого грізного «виробничому» ускладнення особливо схильні до індивідууми, у яких поєднується підвищена активність ферментів першої фази детоксикації зі зниженою активністю ферментів другої фази.

З частотою 15% зустрічається аллель гена аполіпопротеїну Е (білок, відповідальний за зв'язування ліпідів), що призводить до погіршення регенерації нервових тканин після травм або струсів мозку, особливо якщо індивід гомозиготен з даного аллелю. Значить, таким людям не варто вибирати професію боксера або автогонщика. Інший приклад - у носіїв мутації, що призводить до талассемии (захворювання крові) при підвищеному фізичному навантаженні може наступити смерть від надлишку кисню в крові. Такі випадки зафіксовані в армії США - з цієї причини загинуло кілька темношкірих солдатів. Очевидно, що тестування талассеміческой мутації може бути доцільним при відборі пілотів авіалайнерів - адже їм іноді доводиться застосовувати кисневі маски, які в разі носійства мутації являють загрозу життю пілота, а тим самим і загрозу життю всіх пасажирів.

Прочитаний в 2005 році геном шимпанзе відкрив перед біологами небувалі перспективи. Порівнюючи геноми людини і його найближчого родича, вчені розраховують знайти ті генетичні відмінності, які, власне, і роблять нас людьми, а не мавпами.

Геноми людини і шимпанзе ідентичні на 98%. Очевидно, унікальні людські властивості зашифровані в останніх двох відсотках. Однак розшифрувати їх не так-то просто.

2% ДНК, відмінні у нас і шимпанзе, повинні створювати всі радикальні відмінності між нами, в тому числі і в будові головного мозку.

Згідно з висновками міжнародної дослідницької групи, людська гілка відокремилася від загального з приматами генеалогічного дерева від 2 до 7 мільйонів років тому. Ймовірною причиною цього могла бути втрата людськими предками єдиного гена, яка сталася буквально перед тим, як скромний попередник великого Нomo sapiens піднявся на задні кінцівки, а, може, і незабаром після цього. Цей втрачений ген контролює синтез одного з цукрів, який називається Neu5Gc і розташований на зовнішній стороні мембрани всіх клітин організму.

Справа в тому, що поверхня всіх клітин нашого тіла несе певні молекули, зокрема, цукру, які відповідають за велику кількість функцій. Наприклад - за здатність клітини захоплювати з міжклітинної рідини ті або інші речовини, за взаємну координацію клітин при зростанні організму і т.д. Від цих молекул також залежить здатність клітини бути ураженої вірусом або іншим збудником: немає молекули, з якої взаємодіють рецептори патогена, і організм стійкий до інфекції. Не виключено, що ген, відсутній у людини, міг відповідати за процеси формування нервової тканини. Коли сталася його втрата, стародавні людиноподібні істоти вже сильно нагадували сучасної людини за будовою кінцівок та іншими ознаками, не виключено, також, що він уже був прямоходящим. Він був дуже схожий на сучасну людину, але не зовсім. Основна відмінність полягала в тому, що обсяг головного мозку був не більший, ніж у шимпанзе. Значить 2% ДНК, відмінною у нас і шимпанзе, і повинні створювати всі радикальні відмінності між нами, в тому числі в будові головного мозку. І ген Neu5Gc, продукт діяльності якого представлений на кожній клітині організму, цілком претендує на цю роль. Зараз вчені займаються обробкою отриманих результатів і прогнозами того, які це може мати наслідки.

Сьогодні вчені багатьох країн ведуть полювання за «справді людськими» особливостями в геномі людини, і перші результати - один іншого цікавіше - вже отримані. Наприклад, виявлені відмінності в генах людини і шимпанзе, пов'язані з емоційною регуляцією поведінки (ці відмінності могли змінити мотивацію наших вчинків); знайдено 1500 відмінностей в генах, пов'язаних з онкологією (це допоможе з'ясувати, чому шимпанзе майже не хворіють на рак).

Нещодавно виявилося, що еволюційний шлях від мавпи до людини супроводжувався безліччю втрат. Деякі гени, які у шимпанзе нормально працюють, у людини вимкнулися, перетворилися в мовчазні «псевдогени». До сих пір було відомо близько десятка таких генів. У 1999 році М. Олсон запропонував гіпотезу, відому під назвою «less is more» ( «менше означає більше»), згідно з якою втрата генів може відкривати шлях для прогресивних перетворень. Наприклад, виключення гена MYH16 призвело до зменшення (редукції) жувальної мускулатури у предків роду Homo, а це, в свою чергу, дозволило мозку почати збільшуватися. Група американських вчених виявила в геномі людини ще близько 50 мовчазних генів, аналоги яких у шимпанзе цілком нормально функціонують. Працюють вони і у інших мавп, фрагменти геному яких вже прочитані.

Серед вимкнути генів багато хто опинився пов'язані з нюхом і імунітетом. Нюхові гени могли відключитися просто «за непотрібністю». У боротьбі за виживання хороший нюх чи давав нашим предкам велику перевагу, і природний добір не вибраковував особин зі слабким нюхом. Але як природний відбір міг допустити втрату генів імунного захисту? Вчені Мічиганського університету вважають, що це пояснюється зміною умов життя наших предків, а також тим, що імунна система іноді може шкодити організму зайвої пильністю. Надмірна агресивність імунної системи деколи веде до небезпечних «аутоімунним» захворювань, таким як розсіяний склероз. У мишей з штучно вимкненим імунним геном Mbl1 рідше розвивається сепсис, так що відключення цього гена підвищує виживаність.

Людський ген Mbl1, як з'ясувалося, вимкнений у 100% осіб внеафріканского походження і у 89% африканців. «Зіпсувати» його мутація виникла близько 60 тисяч років тому, незадовго до виходу наших предків з африканської прабатьківщини. Носії мутації явно отримали якусь важливу перевагу, тому що мутація почала швидко поширюватися в популяції.

Про це говорить аналіз мінливості прилеглих ділянок ДНК. Як і слід було очікувати, виходячи з гіпотези про позитивний відборі, варіабельність цих ділянок виявилася нижче у осіб з вимкненим геном в порівнянні з носіями вихідного «робочого» варіанту. Для інших відключених генів довести пряму дію відбору складніше: вони замовкли раніше, і сліди відбору вже стерлися. Але і одного прикладу досить, щоб показати, що втрата генів могла бути вигідна нашим предкам.

Підвищений рівень відключення ( «псевдогенізаціі») серед нюхових і імунних генів може мати й інше пояснення. Справа в тому, що між нюхової і імунної системами існує глибока і не до кінця ще зрозуміла зв'язок. згідно недав


ПАВЛІЧЕНКО В. І. | Будова, функції та властивості ДНК. | Реплікація теломерна відділів ДНК. | Молекулярна організація генів. | РНК і її роль в збереженні і реалізації спадкової інформації. | Лікарські засоби, що впливають на синтез нуклеїнових кислот і білків. | Експресія генів і її регуляція | Регуляція експресії генів. | Контроль на рівні трансляції та посттрансляційних процесів. | Організація геномів неклітинних і клітинних організмів |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати