Презентация - История развития молекулярной генетики

История развития молекулярной генетики

Определение молекулярной генетики как науки
Генетика – наука о наследственности и изменчивости Молекулярная генетика изучает молекулярные основы явлений наследственности и изменчивости Общая генетика занимается изучением живых онанизмов на уровне генов, хромосом, клеток, органов, видов и популяций

История молекулярной генетики
Первые представления о наследственности содержатся в трудах ученых античной эпохи. Уже к V в. до н. э. сформировались две основные, чисто умозрительные теории: прямого и непрямого наследования признаков. Сторонником прямого наследования был Гиппократ, который считал, что репродуктивный материал собирается из всех частей тела, таким образом, все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства Точку зрения Гиппократа оспаривал Аристотель (IV в. до н. э.). Он был сторонником непрямого наследования признаков и считал, что репродуктивный материал вовсе не поступает из всех частей тела, а производится из питательных веществ, по своей природе предназначенных для построения разных частей тела Последней серьезной вариацией на эту тему можно считать теорию пангенезиса Ч. Дарвина (1868 г). Согласно этой теории у растений или животных все клетки «отделяют от себя крошечные геммулы, рассеянные по всему организму». Геммулы попадают в репродуктивные органы, и таким образом признаки передаются потомкам

История молекулярной генетики
В 1694 г. Рудольф Якоб Камерариус опубликовал работу, в которой на основании опытов со шпинатом, коноплей и кукурузой показал, что для завязывания семян необходимо опыление. Из этих опытов Камерариус сделал вывод, что растения так же, как и животные, обладают половой дифференцировкой. Кроме того, он высказал предположение, что опыление растения одного вида пыльцой другого вида может привести к появлению новых форм. Уже в начале XVIII в. начали получать гибриды и описывать их. Однако научный мир еще не был убежден, что у растений действительно существует пол. В 1760 г. Линней получил премию Петербургской Академии наук за работу «Исследование пола у растений», в которой описано получение гибридов между разными видами растений.

Начала гибридизации
Первые настоящие научные исследования гибридизации принадлежат Йозефу Готлибу Кельрейтеру, опубликовавшему свои работы в 60-х гг. XVIII в. Он работал с 54 видами растений, принадлежавших к 13 родам. Ученый представлял себе процесс оплодотворения следующим образом: пыльца и рыльце выделяют секреты, которые перемешиваются, а затем смесь всасывается с рыльца в семяпочку, стимулируя разрастание последней. Кельрейтер установил, что гибриды можно получать лишь при скрещивании относительно близкородственных видов. Чаще всего гибриды стерильны, но в ряде случаев они бывают более крупными и мощными, чем родительские формы. Им было установлено, что пыльца передает наследственные признаки столь же успешно, как семяпочка.

Опыты Менделя
Основы классической генетики были заложены открытиями Грегора Менделя, сделанными в 1860-1865 гг. и опубликованными в виде работы «Опыты над растительными гибридами», в которой были сформулированы законы непрямого наследования. Хотя Мендель имел немало предшественников, никто из них не обладал способностью работать с такой необычной точностью, как Мендель, и не сумел объединить факты в стройную логичную теорию. Главное достижение Г. Менделя заключается в том, что он сформулировал и применил принципы гибридологического анализа для проверки конкретной гипотезы - гипотезы о наследственной передаче дискретных факторов.

Основные заслуги Менделя
Основную концепцию генетики сформировал Грегор Мендель (1865 г). Существуют единицы наследственности в виде дискретных наследственных факторов (генов), которые передаются от одного поколения клеток к другому не смешиваясь и не растворяясь, и ответственны за проявление признака Сформулировал 3 закона наследования признака, которые проявляются у всех организмов, вступающих в скрещивание Предположил парность определенных признаков, предвосхитив понятие о парности хромосом В половых клетках число генетических факторов уменьшается вдвое (предвосхитил открытие мейоза) Предположил, что оба пола в равной мере участвуют в передаче наследственных свойств потомству

Основы клеточной теории
В 1839-1840 годах возникла клеточная теория Шлейдена и Шванна, основные положения которой: Все организмы состоят из клеток Клетка - мельчайшая структурная единица жизни Образование новых клеток - основополагающий способ роста и развития растений и животных Организм представляет собой сумму образующих его клеток

Зарождение генетики
Датой «рождения» генетики можно считать 1900 год, когда Г. Де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии независимо друг от друга «переоткрыли» законы наследования признаков, установленные Г. Менделем еще в 1865 году В начале XX в. немецкий биолог А. Вейсман доказал невозможность наследования признаков, приобретенных в онтогенезе, и подчеркивал автономию зародышевых клеток В 1902 году Уильям Бэтсон продемонстрировал выполнение закономерности наследования на животных, в 1906 предложил термин «генетика» В 1902 году Гаррод показал, что у человека наследственное заболевание алкаптонурия передается по законам Менделя. Такие наследственные заболевания связаны с «ошибками» метаболизма В 1909 году Людвиг Иогансен в работе «Элементы точного учения наследственности» ввёл термины: «ген», «генотип» и «фенотип» В 1903 году Теодор Бовери и Уильям Сэттон предположили, что наследственные задатки расположны в хромосомах В 1911 году Томас Морган доказал это и сформулировал хромосомную теорию наследственности. Хромосомы являются материальным носителем наследственной информации В 1928 году Серебровский и Дубинин показали, что ген имеет сложную организацию и делимость

Наследственность и изменчивость
В 1901 году Гуго де Фриз сформулировал мутационную теорию наследственности. Наследуемые признаки не являются константами и способны скачкообразно изменяться В 1925 году Надсен и Филиппов провели серию экспериментов по облучению микроорганизмов ионизирующим излучением и получили серию мутаций Обработка обширного материала наблюдений и опытов, детальное исследование изменчивости многочисленных линнеевских видов (линнеонов), огромное количество новых фактов, полученных главным образом при изучении культурных растений и их диких родичей, позволили Н.И. Вавилову свести в единое целое все известные примеры параллельной изменчивости и сформулировать общий закон, названный им «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости» (1920 г.), который гласит , что у близких по происхождению родов и видов организмов возникают исходные наследственные изменения

Наследственность и изменчивость
В 1869 году Фридрих Мишер впервые выделил нуклеиновую кислоту из клеток гноя В 1928 году Николай Кольцов предположил, что генетическая информация организмов записана в структуре молекул. В его предположении был один неверный вывод – он считал единицей наследственности белок В 1941 году Джордж Битл и Эдвард Тейтум, изучая мутации у плесени Neurospora crassa пришли к заключению, что каждый ген определяет синтез одного фермента. Даже последующее переформулирование гипотезы как «один ген–один полипептид» в настоящее время считается слишком простым для описания взаимосвязи между генами и белками В 1944 году эксперимент Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти, произведённый в 1944 году, доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК. Это явилось первым материальным доказательством роли ДНК в наследственности

ДНК-носитель наследственной информации
Носителем наследственной информации в клетках являются молекулы ДНК (у некоторых вирусов и бактериофагов РНК). Генетические функции ДНК были установлены в 40-х гг. ХХ в. при изучении трансформации у бактерий. Это явление было впервые описано в 1928 г. Ф. Гриффитом при изучении пневмококковой инфекции у мышей. Вирулентность пневмококков определяется наличием капсульного полисахарида, расположенного на поверхности клеточной стенки бактерии. Вирулентные клетки образуют гладкие колонии, обозначаемые как S-колонии (от англ. smooth — гладкий). Авирулентные бактерии, лишенные капсульного полисахарида в результате мутации гена, формируют шероховатые R-колонии (от англ. rough — неровный)

Схема трансформации бактерий

В 1879-88 гг. немецкий ученый Альбрехт Коссель   и Эмиль Фишер нашли в составе нуклеина пиримидиновые и пуриновые азотистые основания. Тогда же немецкий ученый Рихард Альтман впервые ввел термин «Нуклеиновая кислота» и разработал удобный способ выделения этих веществ. В 1909 г. Фибус Левин предположил, что НК состоят из мономеров – нуклеотидов. А в 1930 г. установил различия нуклеотидов по типу углеводной компоненты. НК, содержащие рибозу – РНК, дезоксирибозу – ДНК.

Пространственная структура ДНК
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик расшифровали пространственную (вторичную) структуру ДНК 1953 год принято считать годом рождения молекулярной генетики

Розалинд Франклин— английский биофизик и учёный-рентгенограф, занималась изучением структуры ДНК.
Розалинд Франклин известна в большей степени своей работой над получением рентгенограмм структуры ДНК. Сделанные ею снимки отличались особой чёткостью и подготовили почву для выводов о структуре ДНК, сделанных Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.
Фотография 51 — рентгенограмма волокон натриевой соли тимусной ДНК в B-форме.

Правила Чаргаффа
Правила Чаргаффа — система эмпирически выявленных правил, описывающих количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК. Были сформулированы в результате работы группы биохимика Эрвина Чаргаффа в 1949—1951 гг. В 1968 году Чаргафф выявил, что в каждой из нитей ДНК количество аденина приблизительно равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А~Т, Г~Ц. В 1990-х с развитием технологии секвенирования ДНК это правило было подтверждено

Центральная догма молекулярной биологии
В 1958 году Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии (правило реализации генетической информации)

Основные понятия генетики
Ген – функционально неделимая единица наследственной информации, занимающая специфическое положение (локус) на хромосоме, представляющая собой участок молекулы ДНК (реже РНК – у вирусов) с определенной последовательностью нуклеотидов, кодирующей синтез полипептида, тРНК либо рРНК Ген – элементарная единица наследственности, отвечающая за проявление определенного признака Генотип – совокупность генов отдельного организма, находящихся между собой в различного рода взаимодействиях (характеристика индивида) Фенотип – это совокупность внешних и внутренних задатков организма, проявляющихся как результат взаимодействия генотипа с окружающей средой Геном – суммарная генетическая информация гаплоидного набора хромосом организма данного вида (характеристика вида) Генофонд – совокупность генов популяции

Расшифровка генетического кода
В 1961 году Ф. Крик с сотрудниками показали, что: а) кодоны триплетны; б) между ними нет разделительных знаков (''запятых''); в) гены, кодирующие структуру белков (цистроны), имеют фиксированное начало, ориентированное направление и фиксированный конец; г) существует небольшое число некодирующих триплетов (''нонсенсов'', бессмысленных кодонов), а код в целом сильно вырожден В 1964 году Ч. Янофски с сотрудниками и С. Бреннер с сотрудниками показали, что ген и кодируемый им белок взаимно коллинеарны, то есть имеется последовательное соответствие между кодонами гена и аминокислотами белка

Оперонный принцип организации генов
В 1961 г. французские ученые Ф.Жакоб и Ж.Моно открыли оперонный принцип организации генов и регуляции генной активности у бактерий. Впервые была предложена классификация генов на две группы по принципу действия их продукта: структурные гены, кодирующие белки, необходимые для выполнения структурных и ферментативных функций, и регуляторные гены, кодирующие белки, которые регулируют экспрессию других генов Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки и объединенные под одним (или несколькими) промоторами. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать транскрипцию этих генов. Опероны по количеству цистронов делят на моно-, олиго- и полицистронные, содержащие, соответственно, только один, несколько или много цистронов (генов).

Развитие молекулярной генетики второй половины XX века по настоящее время
В 70-е годы XX века активно развивались генетическая инженерия и биотехнологии Методику секвенирования ДНК с использованием радиоактивно меченых нуклеотидов и ДНК-полимеразы (или фрагмента Кленова ДНК-полимеразы I) предложили Сэнгер и его коллеги в 1977 году, причем с течением времени этот метод прошел несколько модификаций и к настоящему моменту считается золотым стандартом современного секвенирования В 80-е годы шла активная расшифровка геномов различных организмов С конца XX века и по настоящее время идет активное развитие методов молекулярной биологии и генетики, развиваются отрасли науки генетическая инженерия и биотехнологии, исследуется экспрессия генов, эпигенетическая регуляция экспрессии, активно развиваются и применяются методы секвенирования и редактирования геномов. Благодаря методам молекулярной биологии стало возможным развитие такой отрасли науки как молекулярная эволюция.

Литература
И.Ф. Жимулев «Общая и молекулярная генетика», 2007 С.Д. Эллис, Т. Дженювейн, Д. Рейнберг «Эпигенетика» Л.И. Патрушев «Экспрессия генов» Н.А. Белясова «Биохимия и молекулярная биология»

Тест
4. Нуклеотид – это основной структурный элемент: А) ДНК Б) Белка 5. Расшифровка генетического кода осуществлена: А) в XIX веке Б) в XX веке
Центральная догма молекулярной биологии: А) РНК ⇆ ДНК → Белок Б) ДНК ⇆ РНК → Белок В) ДНК ⇆ РНК ⇆ Белок 2. Элементарная единица наследственности: А) ген Б) генотип В) Фенотип 3. Модель ДНК представляет собой: А) Двойную антипараллельную правозакрученную спираль Б) Тройную антипараллельную правозакрученную спираль В) Двойную параллельную спираль