Основные этапы развития генетики. Генетическая инженерия

Основные этапы развития генетики. Генетическая инженерия.

Генетика (от греч. génesis — происхождение) — наука о законах наследственности и изменчивости организмов  и методах управления этими составляющими эволюции. Важнейшая задача генетики — разработка методов управления наследственностью и наследственной изменчивостью для получения нужных человеку форм организмов или в целях управления их индивидуальным развитием.

Основные этапы развития генетики.

      Немецкий зоолог Август Вейман  в 1855г. создал теорию зародышевой  плазмы. Он впервые показал, что  половые клетки существуют обособленно от организма, не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани. Переход родительских свойств к потомству зависит от примой передачи некоего материального вещества, оказывающего влияние на развитие потомства. Это вещество заключено в хромосомах и хроматине.

       В 1865 г. чешский ученый Г. Мендель, изучая результаты скрещивания красно- и белоцветущего гороха с гладкими и морщинистыми семенами,  глубоко и последовательно с математическим описанием в сформулировал закон

- доминирования для первого поколения гибридов,

-  расщепления  во втором поколении,

- комбинирования наследственных признаков в потомстве гибридов.

Этот важнейший вывод доказал существование наследственных факторов, детерминирующих развитие определенных признаков. Мендель ввел понятие доминантного ( А )  и рецессивного ( а )   наследственных факторов, понятие гетерозиготы, несущей в себе признаки обеих аллелей – доминантной и рецессивной (Аа).  Открытие Менделя опередило время.  Работа Г. Менделя оставалась непонятой 35 лет, и лишь после 1900 г. произошло «повторное открытие».

 В 1900 г. три ботаника независимо  друг от друга, не зная работы  Г. Менделя, на разных объектах  повторили его открытие: Де Фриз  из Голландии - в опытах с энтерой, маком и дурманом, Корренс из  Германии - с кукурузой, Чермак из Австрии - с горохом. Поэтому 1900 г. считается годом рождения генетики. С него начался период изучения наследственности, отличительной чертой которого стал предложенный ранее Г. Менделем гибридологический метод, анализ наследования отдельных признаков родителей в потомстве.

В 1905 г. В. Бэтсон предложил термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен предложил термин «ген» (от греческого genes - рождающий, рожденный) для обозначения наследственных факторов. Совокупность всех генов у одной особи ученый назвал генотипом, совокупность признаков организма - фенотипом.

В 1908 г. Г. Харди и В. Вайнберг показали, что менделевские законы объясняют процессы распределения генов в популяциях (от лат. populus-население, народ). Ученые сформулировали закон, который описывает условия генетической стабильности популяции.  В  России в 1919 г. Ю.А. Филипченко организовал первую кафедру генетики в Ленинградском университете. В это время работал молодой Н.И. Вавилов, сформулировавший один из генетических законов - закон гомологических рядов наследственной изменчивости.

Конец 20-х - начало 30-х годов характеризуются довольно большими успехами в развитии генетики.  Томас Морган создал хромосомную теорию наследственности, согласно которой   гены расположены в хромосомах в линейном порядке и образуют группы сцепления, и каждому биологическому виду присуще строго определенное число хромосом.

В 1927г. Г. Меллер доказал факт изменения генотипа под воздействием рентгеновских лучей.  Отсюда  берут свое начало индуцированные  мутации и то, что, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее возможностями  и опасностью вмешательства в генетический механизм.

В  1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик  предложили пространственную  модель ДНК  в виде двухцепочечной спиральной  структуры, а также механизм ее репликации. Это стало одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 г

ДНК всего органического мира едина, она слагается из одних и тех же дезоксирибонуклеотидов, включающих два пуриновых основания – аденин и гуанин (А и Г) и два пиримидиновых – цитозин и тимин (Ц и Г).  Существуют и строго соблюдаются закономерности во всем органическом мире («правила Чаргаффа»). Вот некоторые из них:

1. Сумма пуриновых  нуклеотидов  равна сумме пиримидиновых нуклеотидов:

           ( Г + А) = (Ц + Т),  или  (Г + А) / (Ц + Т) = 1

2. Содержание аденина равно содержанию тимина:

           А = Т,  или  А / Т = 1

3. Содержание гуанина равно содержанию цитозина:

           Г = Ц, или  Г / Ц = 1

4. Суммы Г + Т  и  А + Ц  равны:

           (Г + Т) / (А + Ц) = 1

5. Содержание Г + Ц  и  А + Т может  варьировать в значительных пределах.

    Поэтому для ДНК, наряду с ее  жесткой двуспиральной структурой и единым планом строения, существует бесконечное  число возможных  варьирований  состава      и последовательности оснований.

Генетическая информация кодируется в ДНК с помощью четырех символов (оснований), располагающихся в определенной последовательности. Однако, поскольку существует 20 основных белковых аминокислот, следующей задачей было выяснить, каким образом запись на четырехбуквенном алфавите в ДНК переводится в запись на двадцатибуквенном алфавите в белках.

Решающий вклад в решение этой проблемы был сделан Г.А. Гамовым в 1954 году. Он предположил, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (нуклеотид представляет собой элементарный мономер ДНК, состоящий из сахара, фосфата и основания). Доказательство этого предположения было получено лишь в 1961 году в результате работ Ф. Крика, Л. Барнета, С. Бреннера и Р. Ваттс-Тобина (Великобритания), а также работ М. Нирнберга и Дж. Маттеи (США).

Несколько позже был открыт триплетный перекрывающийся генетический код, универсальный для всех организмов. Ядро стало  расцениваться как орган управления, содержащий всю информацию  и программирующий дальнейшую жизнь как клетки, так и всего организма. Рибосомы – органеллы живой клетки, как бы читают первичную структуру ДНК и синтезируют белки в строгом соответствии с «записанной»  на ДНК информацией. Каждой тройке (триплету) нуклеотидов рибосома ставит одну из 20 аминокислот (сигнал начала или конца синтеза данного белка), следовательно, первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемой цепи белка.

В построении белка участвуют  обычно 20 аминокислот, а всего в тканях живого организма содержится свыше 150 аминокислот, не входящих в состав белков, функции некоторых из них не ясны.

Кодовыми словами (кодонами) С, являются, например, триплеты: УУЦ, ГУА, АЦА и т.д.

Существуют три триплета, являющиеся стоп-сигналами : УАА, УАГ, УГА. Всего, за исключением стоп-сигналов, имеется 61 кодон на 20 аминокислот. Размер гена связан с размером того белка, который он кодирует.

Затем бурно начала развиваться молекулярная и биохимическая генетика человека, а также иммуногенетика.

Генетика определенно свидетельствует: наши организмы несут в себе информацию о всех наших предках, всей природы. ТЕТРАДКА

Элементарной единицей живого организма является клетка – наименьшая жизнеспособная единица. Все живые существа по своему химическому составу сходны. В любой клетке присутствуют: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – хранитель наследственной информации, РНК – рибонуклеиновые кислоты, белки, липиды и углеводы.

   По  строению клетки различаются  на 2 типа: ядерные и безъядерные.

   Безъядерные  клетки – прокариоты – рассматриваются  как реликтовые формы, сохранившиеся  с самых ранних времен биологической   эволюции, а появление ядерных (эукариотических) форм, возникших из прокариот – как величайший скачок в истории жизни.

   Эукариоты  имеют истинное ядро, содержащее  основную часть генома клетки  – ДНК в комплексе с гистонами.  В эукариоте имеются функциональные  образования – органеллы, выполняющие строго определенные им функции, в части из них – в митохондриях – содержится небольшое количество ДНК (в виде колец).

   Прокариоты  ядра не имеют, ДНК находится  в виде замкнутой в кольцо  молекулы, свободно расположенной  в цитоплазме. Это так называемая «бактериальная хромосома». Кроме нее, у многих бактерий есть большое количество маленьких кольцевых молекул ДНК, называемых   плазмидами. Плазмиды способны размножаться и передаваться  другим бактериальным клеткам независимо от главной хромосомы; они были впервые идентифицированы как генетические элементы, несущие гены устойчивости к антибиотикам. Плазмиды могут удерживать и другие гены.

   Ядерная  ДНК (двухцепочечная спираль) содержит в закодированном виде информацию о составе и строении всех веществ, в т.ч. и белков клетки, порядке их образования в ходе развития организма, т.е. всю наследственную информацию.

   Каждая  хромосома содержит одну молекулу  ДНК; количество хромосом для  каждого вида высших организмов  строго определенная величина. Например, у человека  46 хромосом, у пшеницы 42 хромосомы и т.д. Изменение количества хромосом

  может  приводить к серьезным нарушениям  в организме.

   Генетический  код, записанный в хромосомах  разных эукариотических и прокариотических  организмов – уникален.

   Передача  генетической информации в клетке  основана на матричных процессах (репликации, транскрипции, трансляции).

   Репликация  – синтез дочерней молекулы  ДНК по матрице одной из  двух родительских цепей с  образованием новой двухцепочечной  ДНК.

   Транскрипция  – синтез молекулы РНК по  матрице одной из двух цепей  ДНК. Такая матричная, или информационная, РНК рассматривается как посредник  между ДНК и белком.

   Трансляция  – процесс передачи генетической  информации, закодированной в виде  последовательности триплетов азотистых оснований, в аминокислотную последовательность при синтезе белковых цепей. Биосинтез белка происходит в рибосомах.

   Клетки  в организмах – функционально  специализированы. Клетки мозга  не образуют инсулин, клетки кожи  – кости и т.д. В растениях   клетки подземных частей – корней – не образуют хлорофилл, клетки листьев – не образуют пыльци и т.д.

   Объяснение  этому явлению приведено в  концепции гена-оперона Жакобо-Моно (1961г.), согласно которой существуют  гены- регуляторы (операторы и промоторы).

   В  основе традиционной селекции  лежит поиск оптимального сочетания  в одном организме генов, полученных от  разных родительских форм. Эти скрещивания являются весьма сложным делом, т.к. между видами существуют жесткие репродуктивные барьеры.

   На  современном этапе развития научных  данных, а также  при наличии  высоких технологических возможностей, гибриды стало проще получать путем использования генетического материала родителей.

 

Генетическая инженерия

 

Генетическая инженерия – это технология получения новых комбинаций  генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций  с молекулами нуклеиновых кислот и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате чего достигается их включение и активность в этом организме и у его потомства.

Генетическая инженерия подразделяется на генную, геномную и хромосомную.

Сущность первой (генной) состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток. В качестве примера можно привести перемещение в вирусные геномы некоторых клеточных генов, придающих вирусам свойства онкогенности.

Сущность геномной инженерии заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома прокариот вплоть до создания новых видов. При геномной инженерии вносят большое количество дополнительной генетической информации и получают гибридный организм, который отличается от исходного по многим признакам.

Хромосомная инженерия – сеть генетической инженерии, объектами ее является хромосомы клеток высших и низших микроорганизмов (прокариоты, эукариоты), благодаря хромосомной инженерии стало возможным лечение наследственных заболеваний, селекция пород животных, различных видов растений.

Начальный этап создания генно-инженерных организмов – выделение и идентификация отдельных генов (фрагментов ДНК или РНК), которые собираются перенести другим организмам. Из организмов – доноров с помощью специальных химических методов  выделяют нуклеиновые кислоты и расчленяют на отдельные  фрагменты с помощью ферментов – рестриктаз. Далее полученный   генетический материал вводят в организм  реципиента и скрепляют фрагменты с помощью других ферментов – лигаз.  ). В качестве векторов-переносчиков используются вирусы.

Впервые рекомбинантную ДНК получила группа П. Берга в 1972 г.

Первая функционально активная молекула рекомбинантной ДНК получена в 1973г. в США. Г. Бойер и С. Коэн сумели прикрепить к плазмиде E. Coli (кишечная палочка) фрагмент ДНК плазмиды другой бактерии и обнаружили, что химерная плазмида могла успешно функционировать в клетках, размножаться и передаваться другим клеткам как естественным путем, так и с помощью человека.

Оказалось, что таким способом можно получить многочисленные копии любых генов. До сих пор в генетической инженерии для клонирования генетического материала используют кишечную палочку.

На следующем этапе создания генно-инженерных организмов получилось осуществлять построение конструкций генов, которые предполагается перенести в геном организма – реципиента. Конструкции обычно собирают на основе определенных плазмид, к которым «пришивают» необходимые генетические элементы в нужной последовательности. При этом фрагменты донорской ДНК могут принадлежать разным организмам либо синтезироваться искусственно.

В целом генно-инженерные организмы отличаются от исходных генотипов незначительно: к 25 – 35 тысячам существующих генов добавляют 1 – 2 новых.