МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА
МОЛЕКУЛЯРНА ГЕНЕТИКА(пізньолат. molecula, зменшувальне від лат. moles маса; генетика)— розділ генетики, предметом якого є вивчення спадкової детермінації біол, функцій на молекулярному рівні. Методи М. р. застосовуються в діагностиці деяких спадкових хвороб людини, а також в селекції високопродуктивних штамів мікроорганізмів (напр., при виробництві антибіотиків). М. р. відкриває перспективи спрямованої зміни природи організмів. Завдяки успіхам М. р. з'явилася нова область біології — генна інженерія (див.), можливості якої настільки широкі, що дозволили змусити бактерії синтезувати пептидні гормони тваринного походження, напр, брадикінін, і навіть гормон людини — інсулін. Мутаційні системи, розроблені М. р., широко застосовують для виявлення мутагенної активності антропогенних факторів навколишнього середовища: лікарських засобів, харчових добавок, пестицидів, що використовуються в сільському господарстві, і т. д. Успіхи М. р. , протипроменевих та протиракових препаратів, а також противірусних агентів
Появі М. р. сприяли відкриття, зроблені в чотирьох, певною мірою незалежних галузях біології.
1. Доказ складної будови гена (див.) завдяки роботам, розпочатим у нашій країні ще наприкінці 20-х — на початку 30-х років. 20 ст. школою А. С. Серебровського.
2. Встановлення ролі генів Дж. Бідлом та Тейтемом (E. L. Tatum) у синтезі специфічних білків-ферментів.
3. Доказ генетичної ролі нуклеїнових к-т та встановлення будови дезоксирибонуклеїнової к-ти Дж. Вотсоном та Ф. Іріком у 1953 р. (див. Дезоксирибонуклеїнові кислоти), що дозволило сформулювати гіпотезу про спосіб запису спадкової інформації та їївідтворення на молекулярному рівні.
4. Доказ визначальної ролі первинної структури (тобто послідовності амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюгу) у формуванні вторинної та третинної структури білка і тим самим у прояві специфічної ферментативної активності; вперше це було переконливо доведено Сенгером (F. Sander) у 1957 р. та підтверджено того ж року Інгремом (V. М. Ingram).
Початок розвитку М. р. як розділу біології слід пов'язувати з об'єднанням досліджень у перелічених областях. Це об'єднання відбулося в середині 50-х років. 20 ст. і призвело до уявлень про те, що гени відповідають ділянкам молекули ДНК, в яких брало шляхом чергування пар нуклеотидів закодована первинна структура білків-ферментів.
Порушення чергування нуклеотидних пар у гені - мутації призводять до зміни первинної структури білка, що кодується ними, і т. о. впливають з його активність.
Насамперед методичною основою М. р. було вивчення аномальних білків - продуктів мутантних генів. Початок досліджень такого роду в медицині було покладено вивченням аномальних гемоглобінів при спадкових анеміях. Аналіз первинної структури змінених білків дозволив точно локалізувати мутаційні зміни у структурних генах. Подальший розвиток М. р. спричинило можливість безпосереднього вивчення будови ДНК індивідуальних генів. Для цього використовують сукупність методів, якими оперує генна інженерія. Це - клонування рекомбінантної ДНК, картування генів за допомогою рестрикційних ендонуклеаз, гібридизація з індивідуальними інформаційними
РНК чи його копіями. Застосування цих методів дозволило точно встановити положення та розмір порушень у глобінових генах при таласемії та подібних до них спадкових захворюваннях.
Одним із досягнень М. р. було підтвердження припущення про те, що одиницею спадкової інформації є саме ген (див.). Наприкінці 50-х років. 20 ст. Бензер (S. Benzer) використовував цис-транстест, запропонований 1951 р. Льюїсом (Е. Lewis), для визначення алелізму мутацій. Відповідно до цього тесту дві зчеплені мутації відчувають у гетерозиготі у двох положеннях по відношенню один до одного: у цис-положенні (лат. cis поруч), коли обидві мутації приходять у гібрид від одного з батьків, внаслідок чого вони знаходяться на одній із двох гомологічних хромосом, і в транс-положенні (лат. trans через), коли мутації приходять у гібрид від різних батьків, внаслідок чого вони знаходяться на різних гомологічних хромосомах. Якщо дві мутації виявляють цис-транс-ефект, а саме, перебуваючи в цис-положенні, зумовлюють нормальний або дикий фенотип, а перебуваючи в транс-положенні - мутантний фенотип гібрида, то їх відносять до однієї функціональної одиниці (цистрону). Якщо ж досліджувані мутації не виявляють цис-транс-ефекту та обох конфігураціях зумовлюють дикий фенотип, їх відносять до різних функціональним одиницям (цистронам).
Однак відкриття міжалельної комплементації, сутність якої полягає у відновленні дикого фенотипу при поєднанні в транс-положенні двох алельних мутацій, що зумовлюють кожна сама по собі (в гомозиготі або в гаплоїді) мутантний фенотип, змусило зробити висновок, що критерій алелі. ), як і і рекомбінаційний критерій, є відносним. Суворе визначення належності мутацій до одного чи різних генів стало заняттям трудомістким, але не безнадійним.
М. г. досліджує спосіб запису генетичної інформації (див. Генетичний код), а також генетичний контроль таких процесів, якредуплікація, рекомбінація, репарація, транскрипція. Вона вивчає дозрівання та модифікацію продуктів транскрипції та трансляції (див.), синтезу поліпептидних ланцюгів за матрицею інформаційної РНК (іРНК). М. р. вивчає також генетичний контроль посттрансляційної модифікації поліпептидів та подальшого формування четвертинної структури білків та мультиферментних комплексів (див. Ферменти).
Досягнення М. р. у вивченні дії гена стосуються з'ясування механізму транскрипції та регуляції дії гена на рівні транскрипції, а також у вивченні трансляції, тобто механізму синтезу білка. Об'єднання методів генетики та біохімії дозволило з'ясувати складну субодиничну будову ферменту ДHК-залежної РНК-полімерази, що здійснює транскрипцію, та визначити роль різних субодиниць цього ферменту в ініціації та термінації синтезу молекул РНК. Синтез генетичних методів та методів біохімії дозволив встановити той факт, що у різних бактерій РНК-полімераза може мати різну будову, а субодиничний склад цього ферменту змінюється у процесі розвитку бактеріальної культури. У 70-ті роки. 20 ст. завдяки виділенню окремих генів та продуктів їх транскрипції та можливості порівняння первинної структури ДНК та відповідної інформаційної РНК виявлено відмінності у структурі генів та у механізмі утворення інформаційної РНК у прокаріотів та еукаріотів. Виявилося, що інформація про структуру будь-якого білка у бактерії переписується на інформаційну РНК з усієї ДНК гена, тоді як в інформаційній РНК еукаріотів часто відсутні копії цілих ділянок гена завдовжки від десяти до кількох сотень нуклеотидів. Таких ділянок, що дістали назву інтронів, у межах гена може бути одна або кілька. Напр., ген, що кодує синтез імуноглобулінумиші, містить один інтрон завдовжки 93 нуклеотиду, а ген, що кодує овальбумін курки, містить 7 інтронів завдовжки кожен прибл. 700 нуклеотидів.
Деякі продукти транскрипції у прокаріотів і еукаріотів проходять кілька етапів дозрівання. Цей процес добре вивчений для РНК, які є попередниками транспортних РНК та рибосомних РНК. Такі РНК-попередники коротшають, деякі їх азотисті підстави модифікуються, напр, метилюванням, і тільки потім перетворюються на зрілі макромолекули, здатні виконувати свої специфічні функції в процесі синтезу білка.
Регуляція дії гена лише на рівні транскрипції у бактерії відбувається у системі оперонів (див. Оперон). Загальна схема роботи оперону було запропоновано 1961 р. Ф. Жакобом і Моно (J. Monod). Оперон, що є одиницею транскрипції, складається зазвичай з декількох генів, що контролюють близькі або послідовні етапи метаболізму. Т. о., у бактерії гени, відповідальні за близькі функції, тісно зчеплені. Однак у нижчих еукаріотів (грибів, водоростей) та багатоклітинних організмів гени, що контролюють близькі функції, розкидані по всьому геному (див.) і часто знаходяться навіть у різних хромосомах. Це свідчить, що регуляція дії гена в еукаріотів здійснюється найчастіше з урахуванням інших, доки розшифрованих механізмів.
Одним із досягнень М. р. та молекулярної біології (див.) є розшифровка механізму трансляції, тобто власне синтезу білка на рибосомах (див.). Трансляція полягає в полімеризації амінокислотних залишків, що підносяться транспортними РНК, відповідно до нуклеотидної послідовності в молекулі інформаційної РНК, яка програмує роботу рибосом. Кодони інформаційної РНК визначають ініціацію, зростання та термінацію кожного поліпептидного ланцюга. Специфічнібілки необхідні для етапів ініціації та термінації поліпептидів, у той час як утворення пептидних зв'язків між окремими амінокислотними залишками каталізує рибосома, що має пептидилтрансферазну активність. Рибосома також регулює ступінь точності білкового синтезу.
Методи М. р. використовуються також при вивченні посттрансляційної долі поліпептидних ланцюгів, багато з яких зазнають значних змін, перш ніж проявлять специфічну ферментативну активність. При цьому відбувається «висічення» субодиниць поліпептидів з поліпептидів-попередників, деякі амінокислотні залишки в молекулі таких попередників модифікуються - фосфорилуються або ацетилюються.
Молекулярно-генетичний аналіз дозволяє досліджувати формування четвертинної структури білків - об'єднання їх субодиниць у активну молекулу. Наявність в деяких білках ідентичних субодиниць, тобто повторення однієї й тієї ж поліпептидної ланцюга два і більше разів, знаходить відображення в явищі міжалельної комплементації. Механізм цього явища, що виявляється при транс-конфігурації деяких алельних мутацій, полягає у взаємовпливі по-різному мутантних ідентичних субодиниць, в результаті чого відбувається відновлення ферментативної активності. Дослідження механізмів міжалельної комплементації (див. Мутаційний аналіз) вказує на лабільність структури білків, а також на існування в поліпептидному ланцюгу щодо автономних ділянок - функціональних центрів, кожен з яких може бути пошкоджений в результаті мутацій незалежно від інших. Об'єднання повного набору таких центрів при утворенні четвертинної структури білка за рахунок по-різному ідентичних мутантних субодиниць призводить до появи ферментативної активності. Ці відомості, отримані методами М. р.узгоджуються з даними рентгеноструктурного аналізу, що розкривають у білках напівавтономні ділянки утворення третинної структури, тобто складання поліпептидного ланцюга, що отримали назву доменів.
М. р. відкриває широкі перспективи у вивченні генних мутацій людини та патогенезу спадкових хвороб. Локалізація генетичного дефекту лише на рівні будови ДНК, синтезу і дозрівання інформаційної РНК, процесу трансляції і, нарешті, структури білкового продукту гена дає можливість як правильно поставити діагноз, а й виробити підходи на лікування спадкового захворювання.
Знання генетичного контролю генетичних процесів широко використовується для розробки високочутливих засобів біол, індикації генетичної небезпеки антропогенних чинників довкілля: лікарських засобів, харчових добавок, пестицидів, різних хім. з'єднань, що використовуються в побуті, і т. д. Відомо, що мутагенність і канцерогенність хім. речовин у деяких тестах виявляє високий рівень кореляції. Для вивчення мутагенних ефектів навколишнього середовища широкого поширення набувають розроблені в М. р. мутаційні системи.
При цьому часто використовують штами мікроорганізмів, що несуть генетичні дефекти системи ексцизійної репарації і тому виявляють підвищену чутливість до мутагенних впливів.
Розуміння механізму регулювання дії генів у бактерій успішно використовується у створенні продуцентів амінокислот, вітамінів, антибіотиків та інших біологічно активних речовин для мікробіологічної промисловості.
Проблеми М. р. досліджуються в тих самих наукових центрах, що й проблеми загальної генетики (див. Генетика, основні центри генетичних досліджень та органи друку).
Публікації, присвячені проблемам М. р., в СРСР таза кордоном розміщуються в періодичних виданнях з генетики, молекулярної біології та біохімії.
Бібліографія:Гершкович І. Генетика, пров. з англ. 4 М., 1968; Дубінін Н. П. Загальна генетика, М., 1976; І час М. Біологічний код, пров. з англ., М., 1971; Куш у В. Ст Механізми генетичної рекомбінації, Л., 1971; Ратнер Ст А. Принципи організації та механізми молекулярно-генетичних процесів, Новосибірськ, 1972; Стент Р. Молекулярна генетика, пров. з англ., М., 1974; Уотсон Дж. Молекулярна біологія гена, пров. з англ., М., 1978; Фізіологічна генетика, за ред. М. Є. Лобашева та С. Р. Інге-Вечтомова, Л., 1976; Фінчем Дж. Генетична комплементація, пров. з англ., М., 1968.