Молекулярная генетика — это раздел биологии , который изучает, как различия в структурах или экспрессии молекул ДНК проявляются в виде вариаций среди организмов. Молекулярная генетика часто применяет «исследовательский подход» для определения структуры и/или функции генов в геноме организма с помощью генетических скринингов . [1] [2]
Область изучения основана на слиянии нескольких подобластей биологии: классическое менделевское наследование , клеточная биология , молекулярная биология , биохимия и биотехнология . Она объединяет эти дисциплины для изучения таких вещей, как генетическое наследование, регуляция и экспрессия генов, а также молекулярный механизм, лежащий в основе различных жизненных процессов. [1]
Ключевой целью молекулярной генетики является выявление и изучение генетических мутаций. Исследователи ищут мутации в гене или вызывают мутации в гене, чтобы связать последовательность гена с определенным фенотипом. [3] Поэтому молекулярная генетика является мощной методологией для связывания мутаций с генетическими состояниями, которые могут помочь в поиске методов лечения различных генетических заболеваний.
Открытие ДНК как чертежа жизни и прорывы в молекулярно-генетических исследованиях стали результатом совместных работ многих ученых. В 1869 году химик Иоганн Фридрих Мишер , который исследовал состав белых кровяных телец, открыл и выделил новую молекулу, которую он назвал нуклеином из клеточного ядра, что в конечном итоге стало первым открытием молекулы ДНК, которая позже была определена как молекулярная основа жизни. Он определил, что она состоит из водорода, кислорода, азота и фосфора. [4] Биохимик Альбрехт Коссель определил нуклеин как нуклеиновую кислоту и дал ей название дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Он продолжил развивать это, выделив основные строительные блоки ДНК и РНК ; состоящие из нуклеотидов : аденина, гуанина, тимина, цитозина и урацила. Его работа над нуклеотидами принесла ему Нобелевскую премию по физиологии. [5]
В начале 1900-х годов Грегор Мендель , который стал известен как один из отцов генетики , внес большой вклад в область генетики посредством своих различных экспериментов с растениями гороха, где он смог открыть принципы наследования, такие как рецессивные и доминантные признаки, не зная, из каких генов они состоят. [6] В середине 19 века анатом Вальтер Флемминг открыл то, что мы теперь знаем как хромосомы, и процесс разделения, которому они подвергаются посредством митоза. Его работа совместно с Теодором Бовери впервые привела к появлению хромосомной теории наследования, которая помогла объяснить некоторые закономерности, которые Мендель наблюдал гораздо раньше. [7]
Для развития молекулярной генетики как дисциплины потребовалось несколько научных открытий. Открытие ДНК как средства передачи генетического кода жизни из одной клетки в другую и между поколениями было необходимо для идентификации молекулы, ответственной за наследственность . Молекулярная генетика изначально возникла из исследований, связанных с генетической трансформацией у бактерий . В 1944 году Эвери, Маклеод и Маккарти [8] выделили ДНК из вирулентного штамма S. pneumoniae и, используя только эту ДНК, смогли преобразовать безвредный штамм в вирулентный. Они назвали поглощение, включение и экспрессию ДНК бактериями «трансформацией». Это открытие предполагало, что ДНК является генетическим материалом бактерий. [9] Бактериальная трансформация часто вызывается условиями стресса, и функцией трансформации, по-видимому, является восстановление геномных повреждений . [9]
В 1950 году Эрвин Чаргафф вывел правила, которые предоставили доказательства того, что ДНК является генетическим материалом жизни. Они были следующими: «1) что базовый состав ДНК различается между видами и 2) в природных молекулах ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C)». [10] Эти правила, известные как правила Чаргаффа, помогли понять молекулярную генетику. [10] В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, основываясь на работе по рентгеновской кристаллографии, проделанной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, смогли вывести трехмерную структуру двойной спирали ДНК. [11]
Группа фагов была неформальной сетью биологов, центром которой был Макс Дельбрюк , которая внесла значительный вклад в молекулярную генетику и истоки молекулярной биологии в период примерно с 1945 по 1970 год. [12] Группа фагов получила свое название от бактериофагов , вирусов, заражающих бактерии, которые группа использовала в качестве экспериментальных модельных организмов. Исследования молекулярных генетиков, связанных с этой группой, способствовали пониманию того, как кодируемые генами белки функционируют в репликации ДНК , репарации ДНК и рекомбинации ДНК , а также того, как вирусы собираются из компонентов белка и нуклеиновой кислоты (молекулярный морфогенез). Кроме того, была выяснена роль кодонов, завершающих цепь. Одно примечательное исследование было проведено Сидни Бреннером и его коллегами с использованием «янтарных» мутантов, дефектных в гене, кодирующем основной головной белок бактериофага T4. [13] Это исследование продемонстрировало колинеарность гена с кодируемым им полипептидом, тем самым предоставив убедительные доказательства в пользу «гипотезы последовательности», согласно которой аминокислотная последовательность белка определяется нуклеотидной последовательностью гена, определяющего белок.
Выделение эндонуклеазы рестрикции из E. coli Арбером и Линном в 1969 году открыло область генной инженерии . [14] Ферменты рестрикции использовались для линеаризации ДНК для разделения электрофорезом , а метод Саузерн-блоттинга позволил идентифицировать определенные сегменты ДНК с помощью гибридизационных зондов . [15] [16] В 1971 году Берг использовал ферменты рестрикции для создания первой рекомбинантной молекулы ДНК и первой рекомбинантной ДНК- плазмиды . [17] В 1972 году Коэн и Бойер создали первый рекомбинантный ДНК-организм путем вставки рекомбинантных ДНК-плазмид в E. coli , что теперь известно как бактериальная трансформация , и проложили путь молекулярному клонированию. [18] Разработка методов секвенирования ДНК в конце 1970-х годов сначала Максамом и Гилбертом, а затем Фредериком Сэнгером сыграла решающую роль в молекулярно-генетических исследованиях и позволила ученым начать проводить генетические скрининги для соотнесения генотипических последовательностей с фенотипами. [19] Полимеразная цепная реакция (ПЦР) с использованием полимеразы Taq, изобретенная Маллисом в 1985 году, позволила ученым создать миллионы копий определенной последовательности ДНК, которую можно было использовать для трансформации или манипулировать с помощью разделения в агарозном геле . [20] Десятилетие спустя был секвенирован первый полный геном ( Haemophilus influenzae ), за которым последовало окончательное секвенирование генома человека в рамках проекта «Геном человека» в 2001 году. [21] Кульминацией всех этих открытий стала новая область, называемая геномикой , которая связывает молекулярную структуру гена с белком или РНК, кодируемыми этим сегментом ДНК, и функциональной экспрессией этого белка в организме. [22] Сегодня, благодаря применению молекулярно-генетических методов, геномика изучается во многих модельных организмах, а данные собираются в компьютерных базах данных, таких как NCBI и Ensembl . Компьютерный анализ и сравнение генов внутри и между различными видами называется биоинформатикой и связывает генетические мутации в эволюционном масштабе. [23]
Центральная догма играет ключевую роль в изучении молекулярной генетики. Центральная догма гласит, что ДНК реплицируется, ДНК транскрибируется в РНК, а РНК транслируется в белки. [24] Наряду с центральной догмой, генетический код используется для понимания того, как РНК транслируется в белки. Репликация ДНК и транскрипция с ДНК на мРНК происходит в ядре , в то время как трансляция с РНК на белки происходит в рибосоме . [25] Генетический код состоит из четырех взаимозаменяемых частей молекул ДНК, называемых «основаниями»: аденин, цитозин, урацил (в РНК; тимин в ДНК) и гуанин, и является избыточным, то есть множественные комбинации этих пар оснований (которые считываются в трех экземплярах) производят одну и ту же аминокислоту. [26] Протеомика и геномика — это области биологии, которые вышли из изучения молекулярной генетики и центральной догмы. [27]
Геном организма состоит из всего набора ДНК и отвечает за его генетические черты, функции и развитие. Состав самой ДНК является важным компонентом в области молекулярной генетики; это основа того, как ДНК может хранить генетическую информацию, передавать ее и быть в формате, который может быть прочитан и переведен. [28]
ДНК — это двухцепочечная молекула, в которой каждая нить ориентирована антипараллельно. Нуклеотиды — это строительные блоки ДНК, каждый из которых состоит из молекулы сахара, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Одна нить ДНК удерживается вместе ковалентными связями, в то время как две антипараллельные нити удерживаются вместе водородными связями между нуклеотидными основаниями. Аденин связывается с тимином, а цитозин связывается с гуанином. Именно эти четыре последовательности оснований формируют генетический код для всей биологической жизни и содержат информацию для всех белков, которые организм сможет синтезировать. [29]
Ее уникальная структура позволяет ДНК хранить и передавать биологическую информацию из поколения в поколение во время деления клетки . При делении клетки должны иметь возможность копировать свой геном и передавать его дочерним клеткам. Это возможно благодаря двухцепочечной структуре ДНК, поскольку одна нить комплементарна своей партнерской нити, и поэтому каждая из этих нитей может выступать в качестве шаблонной нити для формирования новой комплементарной нити. Вот почему процесс репликации ДНК известен как полуконсервативный процесс. [30]
Прямая генетика — это метод молекулярной генетики, используемый для идентификации генов или генетических мутаций, которые производят определенный фенотип . При генетическом скрининге случайные мутации генерируются с помощью мутагенов (химикатов или радиации) или транспозонов , и индивидуумы проверяются на определенный фенотип. Часто вторичный анализ в форме отбора может следовать за мутагенезом , когда желаемый фенотип трудно наблюдать, например, в бактериях или клеточных культурах. Клетки могут быть трансформированы с использованием гена устойчивости к антибиотикам или флуоресцентного репортера , так что мутанты с желаемым фенотипом отбираются из немутантов. [31]
Мутанты, проявляющие интересующий фенотип, изолируются, и может быть проведен тест на комплементарность , чтобы определить, является ли фенотип результатом более чем одного гена. Затем мутантные гены характеризуются как доминантные (приводящие к усилению функции), рецессивные (демонстрирующие потерю функции) или эпистатические (мутантный ген маскирует фенотип другого гена). Наконец, местоположение и специфическая природа мутации картируются с помощью секвенирования . [32] Прямая генетика является беспристрастным подходом и часто приводит ко многим неожиданным открытиям, но может быть дорогостоящей и отнимающей много времени. Модельные организмы, такие как нематодный червь Caenorhabditis elegans , плодовая мушка Drosophila melanogaster и данио- рерио, успешно использовались для изучения фенотипов, возникающих в результате генных мутаций. [33]
Обратная генетика — это термин для методов молекулярной генетики, используемых для определения фенотипа, возникающего в результате преднамеренной мутации в интересующем гене. Фенотип используется для определения функции немутировавшей версии гена. Мутации могут быть случайными или преднамеренными изменениями интересующего гена. Мутации могут быть миссенс-мутацией , вызванной заменой нуклеотидов, добавлением или удалением нуклеотидов для индукции мутации со сдвигом рамки считывания или полным добавлением/удалением гена или сегмента гена. Удаление определенного гена создает нокаут гена , при котором ген не экспрессируется, и в результате происходит потеря функции (например, нокаутированные мыши ). Миссенс-мутации могут вызывать полную потерю функции или приводить к частичной потере функции, известной как нокдаун. Нокдаун также может быть достигнут с помощью РНК-интерференции (РНКi). [35] В качестве альтернативы гены могут быть заменены в геноме организма (также известном как трансген ), чтобы создать нокаут гена и привести к приобретению функции хозяином. [36] Хотя этим методам присуща некоторая предвзятость в отношении решения о связи фенотипа с определенной функцией, они намного быстрее с точки зрения производства, чем прямая генетика, поскольку интересующий ген уже известен.
Молекулярная генетика — это научный подход, который использует основы генетики как инструмент для лучшего понимания молекулярной основы заболевания и биологических процессов в организмах. Ниже приведены некоторые инструменты, которые легко используют исследователи в этой области.
Микросателлиты или одиночные повторы последовательности (SSRS) представляют собой короткие повторяющиеся сегменты ДНК, состоящие из 6 нуклеотидов в определенном месте генома, которые используются в качестве генетических маркеров. Исследователи могут анализировать эти микросателлиты с помощью таких методов, как ДНК-дактилоскопия и тестирование отцовства, поскольку эти повторы являются в высшей степени уникальными для отдельных лиц/семей. a также может использоваться при построении генетических карт и для изучения генетической связи для определения местонахождения гена или мутации, ответственных за определенный признак или заболевание. Микросателлиты также могут применяться в популяционной генетике для изучения сравнений между группами. [37]
Исследования ассоциаций по всему геному (GWAS) — это метод, который опирается на полиморфизмы отдельных нуклеотидов ( SNP ) для изучения генетических вариаций в популяциях, которые могут быть связаны с определенным заболеванием. Проект «Геном человека» картировал весь геном человека и сделал этот подход более доступным и экономически эффективным для исследователей. Для проведения GWAS исследователи используют две группы: одну группу, которая страдает заболеванием, изучаемым исследователями, и другую, которая выступает в качестве контроля и не имеет этого конкретного заболевания. Образцы ДНК берутся у участников, и их геном затем может быть получен с помощью лабораторного оборудования и быстро обследован для сравнения участников и поиска SNP, которые потенциально могут быть связаны с заболеванием. Этот метод позволяет исследователям точно определять гены и места, представляющие интерес в геноме человека, которые они затем могут дополнительно изучать, чтобы определить причину заболевания. [38]
Кариотипирование позволяет исследователям анализировать хромосомы во время метафазы митоза, когда они находятся в конденсированном состоянии. Хромосомы окрашиваются и визуализируются через микроскоп для поиска любых хромосомных аномалий. Этот метод может быть использован для обнаружения врожденных генетических нарушений, таких как синдром Дауна , определения пола у эмбрионов и диагностики некоторых видов рака, вызванных хромосомными мутациями, такими как транслокации. [39]
Генная инженерия является развивающейся областью науки, и исследователи могут использовать молекулярную генетическую технологию для модификации ДНК организмов и создания генетически модифицированных и улучшенных организмов для промышленных, сельскохозяйственных и медицинских целей. Это может быть сделано с помощью методов редактирования генома, которые могут включать изменение пар оснований в последовательности ДНК или добавление и удаление определенных областей ДНК. [40]
Редактирование генов позволяет ученым изменять/редактировать ДНК организма. Один из способов сделать это — использовать технику Crispr/Cas9 , которая была адаптирована из иммунной защиты генома, которая естественным образом встречается у бактерий. Эта техника основана на белке Cas9, который позволяет ученым делать разрезы в цепях ДНК в определенном месте, и использует специализированную направляющую последовательность РНК, чтобы гарантировать, что разрез будет сделан в правильном месте в геноме. Затем ученые используют пути восстановления ДНК, чтобы вызвать изменения в геноме; эта техника имеет широкие последствия для лечения заболеваний. [41]
Молекулярная генетика имеет широкое применение в развитии медицины, а понимание молекулярной основы заболевания открывает возможности для более эффективной диагностики и терапии. Одной из целей этой области является персонализированная медицина , где генетика человека может помочь определить причину и подобрать лечение для болезни, от которой он страдает, и потенциально позволяет применять более индивидуализированные подходы к лечению, которые могут быть более эффективными. Например, определенные генетические вариации у людей могут сделать их более восприимчивыми к определенному препарату, в то время как другие могут иметь более высокий риск неблагоприятной реакции на лечение. Таким образом, эта информация позволит исследователям и врачам принимать наиболее обоснованные решения об эффективности лечения для пациентов, а не стандартный подход проб и ошибок. [42]
Судебная генетика играет важную роль в уголовных расследованиях, используя различные молекулярно-генетические методы. Одним из распространенных методов является ДНК-дактилоскопия, которая выполняется с использованием комбинации молекулярно-генетических методов, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР) и гель-электрофорез . ПЦР — это метод, который позволяет амплифицировать целевую последовательность ДНК, что означает, что даже небольшое количество ДНК с места преступления может быть извлечено и воспроизведено много раз, чтобы обеспечить достаточное количество материала для анализа. Гель-электрофорез позволяет разделить последовательность ДНК на основе размера, а полученный шаблон известен как ДНК-дактилоскопия и является уникальным для каждого человека. Это сочетание молекулярно-генетических методов позволяет извлекать, амплифицировать, анализировать и сравнивать простую последовательность ДНК с другими и является стандартным методом, используемым в судебной экспертизе. [43]
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
Медиа, связанные с молекулярной генетикой на Wikimedia Commons