МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ГЕНЕ́ТИКА

МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ГЕНЕ́ТИКА, на­прав­ле­ние мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии, связанное с исследованием вос­про­из­ве­де­ния и из­мен­чи­во­сти ге­не­тич. ма­териа­ла, его ре­па­ра­ции (вос­ста­нов­ле­ние по­сле пер­вич­ных по­вре­ж­де­ний или пре­вра­ще­ние их в му­та­ции – стой­кие на­сле­дуе­мые из­ме­не­ния), ре­ком­би­на­ции ге­нов и экс­прес­сии ге­не­тич. ин­фор­ма­ции по­сред­ст­вом транс­крип­ции и транс­ля­ции, ре­гу­ля­ции этих про­цес­сов в клет­ке и при ин­ди­ви­ду­аль­ном раз­ви­тии.

История развития

Воз­ник­но­ве­ние М. г. яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том взаи­мо­дей­ст­вия трёх ра­нее не­за­ви­си­мых на­прав­ле­ний ис­сле­до­ва­ния и ло­ги­че­ски вы­те­ка­ло из раз­ра­бот­ки тео­рии ге­на. Пер­вое на­прав­ле­ние свя­за­но с изу­че­ни­ем нук­леи­но­вых ки­слот и до­ка­за­тель­ст­вом их ге­не­тич. ро­ли, пре­ж­де все­го ДНК. Мо­ле­ку­ляр­ная при­ро­да ге­не­тич. ма­те­риа­ла бы­ла ус­та­нов­ле­на амер. учё­ны­ми О. Эве­ри, К. Мак-Ле­о­дом и М. Мак­кар­ти в 1944 в ре­зуль­та­те иден­ти­фи­ка­ции хи­мич. при­ро­ды аген­та, пе­ре­но­ся­ще­го на­следств. при­зна­ки при транс­фор­ма­ции бак­те­рий – яв­ле­ния, от­кры­то­го англ. учё­ным Ф. Гриф­фит­сом в 1928. Струк­ту­ра мо­ле­ку­лы ДНК рас­шиф­ро­ва­на Дж. Уот­со­ном и Ф. Кри­ком в 1953. Вто­рое на­прав­ле­ние – ис­сле­до­ва­ние слож­ной струк­ту­ры ге­на – на­ча­то в 1920–30-х гг. в СССР ра­бо­та­ми А. С. Се­реб­ров­ско­го и его шко­лы, об­на­ру­жив­ших слож­ные ал­лель­ные от­но­ше­ния и ре­ком­би­на­цию в ге­не scute-achaete (sc-ac) у пло­до­вой муш­ки Drosophila melanogaster; даль­ней­шее раз­ви­тие по­лу­чи­ло в 1940–50-е гг. в свя­зи с изу­че­ни­ем т. н. псев­до­ал­ле­лизма, в ча­ст­но­сти – ре­ком­би­на­ци­он­ной де­ли­мо­сти ге­нов у то­го же объ­ек­та (К. Оли­вер, М. Грин, Э. Льюис, США). Слож­ная струк­ту­ра ге­на бы­ла де­таль­но ис­сле­до­ва­на в кон. 1950-х – нач. 1960-х гг. для ло­ку­са rII бак­те­рио­фа­га T4 С. Бен­зе­ром, до­ка­зав­шим, что ген со­сто­ит из ли­ней­но рас­по­ло­жен­ных, са­мо­стоя­тель­но му­ти­рую­щих и ре­ком­би­ни­рую­щих эле­мен­тов ге­не­тич. ма­те­риа­ла, пред­став­ляю­щих со­бой па­ры нук­лео­ти­дов ДНК. Третье на­прав­ле­ние – до­ка­за­тель­ст­во ро­ли ге­нов в оп­ре­де­ле­нии пер­вич­ной струк­ту­ры и функ­ции бел­ков. В 1941 Дж. Бидл и Э. Тей­тем сфор­му­ли­ро­ва­ли прин­цип «один ген – один фер­мент», со­глас­но ко­то­ро­му ге­ны осу­ще­ст­в­ля­ют свою функ­цию че­рез кон­троль син­те­за бел­ков-фер­мен­тов. В даль­ней­шем бы­ло до­ка­за­но, что ли­ней­ная по­сле­до­ва­тель­ность нук­лео­ти­дов ДНК ко­ди­ру­ет ли­ней­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков в пер­вич­ной струк­ту­ре (по­ли­пеп­тид­ной це­пи) бел­ка. В 1961 Крик оп­ре­де­лил уни­вер­саль­ные свой­ст­ва ге­не­ти­че­ско­го ко­да и пра­ви­ла счи­ты­ва­ния ге­не­тич. ин­фор­ма­ции с мат­рич­ной (ин­фор­ма­ци­он­ной) РНК (мРНК), пе­ре­но­ся­щей ин­фор­ма­цию от ДНК к ри­бо­со­мам, син­те­зи­рую­щим бе­лок. мРНК бы­ла от­кры­та Э. Вол­ки­ным и Ф. Ас­т­ра­ча­ном (США) в 1956. Три­плет­ный ге­не­тич. код был окон­ча­тель­но рас­шиф­ро­ван к 1965 пре­им. тру­да­ми Х. Г. Ко­ра­ны, М. У. Ни­рен­бер­га и С. Очоа.

По­ло­же­ния, на ко­то­рых ос­но­вы­ва­ет­ся М. г., Ф. Крик сум­ми­ро­вал в ви­де центр. дог­мы мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии, ко­то­рая во­пло­ти­ла мат­рич­ный прин­цип в ре­плика­ции (син­те­зе ДНК), транс­крип­ции (син­те­зе РНК) и транс­ля­ции (син­те­зе бел­ка). Центр. дог­ма пре­тер­пе­ла лишь од­ну мо­ди­фи­ка­цию, ко­гда бы­ли от­кры­ты бел­ки при­оны, ко­то­рые мо­гут слу­жить ци­то­плаз­ма­тич. на­следств. де­тер­ми­нан­та­ми дрож­жей Saccharomy­ces cerevisiae и cапрофитного гри­ба Podo­spora an­se­rine (кон­цеп­цию при­онов раз­ра­бо­тал С. Пру­зи­нер). При этом не про­ис­хо­дит ре­п­ли­ка­ции по­ли­пеп­тид­ной це­пи, а име­ет ме­сто вос­про­из­ве­де­ние её про­странст­вен­ной ук­лад­ки. Важ­ным эта­пом в раз­ви­тии М. г. бы­ло ус­та­нов­ле­ние в 1961 Ф. Жа­ко­бом и Ж. Мо­но ме­ха­низ­ма ре­гу­ля­ции (вклю­че­ния и вы­клю­че­ния) ра­бо­ты ге­нов у бак­те­рий. Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма ре­гу­ля­ции дей­ст­вия ге­нов ока­за­лась уни­вер­саль­ной для про­ка­ри­от и эу­ка­ри­от. Прав­да, в по­след­нем слу­чае она ор­га­ни­зо­ва­на зна­чи­тель­но слож­нее, по­сколь­ку ДНК су­ще­ст­ву­ет в ком­плек­се с гис­то­но­вы­ми бел­ка­ми хро­ма­ти­на, так­же во­вле­чён­ны­ми в ре­гу­ля­цию дей­ст­вия ге­нов.

Современная молекулярная генетика

Совр. со­стоя­ние и воз­мож­но­сти М. г. в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ют ме­то­ды кло­ни­ро­ва­ния ге­нов, т. е. по­лу­че­ния их в пре­па­ра­тив­ных ко­ли­че­ст­вах пу­тём раз­мно­же­ния в со­ста­ве век­то­ров – плаз­мид или ви­ру­сов и вы­яс­не­ния их пер­вич­ной струк­ту­ры (по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов) на ос­но­ва­нии спец. ме­то­дов. По­след­ние пред­ло­же­ны Ф. Сен­ге­ром, а так­же А. Мак­са­мом (США) и У. Гил­бер­том и ба­зи­ру­ют­ся на ис­поль­зо­ва­нии эн­до­нук­ле­аз ре­ст­рик­ции (ре­стрик­таз), рас­ще­п­ляю­щих ДНК в рай­оне оп­ре­де­лён­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей нук­лео­ти­дов. Су­ще­ст­вен­ный вклад в раз­ра­бот­ку ме­то­дов се­к­ве­ни­ро­ва­ния ДНК на ран­нем эта­пе вне­сли А. Д. Мир­за­бе­ков и Е. Д. Сверд­лов. Круп­ней­шим в М. г. ста­ло от­кры­тие К. Мал­ли­сом (США) в 1983 по­ли­ме­раз­ной цеп­ной ре­ак­ции, по­зво­ляю­щей мно­го­крат­но ко­пи­ро­вать вы­бран­ные ге­ны.

Раз­ра­бот­ка ме­то­дов транс­фор­ма­ции прак­ти­че­ски для всех био­ло­гич. объ­ек­тов вме­сте с ме­то­да­ми кло­ни­ро­ва­ния и на­прав­лен­но­го из­ме­не­ния ге­нов лег­ли в ос­но­ву ге­не­ти­че­ской ин­же­не­рии. В кон. 1980-х гг. сфор­ми­ро­ва­лась нау­ка о струк­ту­ре и функ­ции ге­но­ма раз­ных ор­га­низ­мов – ге­но­ми­ка; рас­шиф­ро­ва­ны ге­но­мы де­сят­ков ви­дов бак­те­рий, ря­да рас­те­ний, жи­вот­ных и че­ло­ве­ка.

Дос­ти­же­ния М. г. свя­за­ны с ус­та­нов­ле­ни­ем т. н. эпи­ге­не­тич. яв­ле­ний на­след­ст­вен­но­сти и из­мен­чи­во­сти (эпи­ге­не­ти­ка), оп­ре­де­ляе­мых ре­гу­ля­тор­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми ге­нов и имею­щих лишь кос­вен­ное от­но­ше­ние к нук­лео­тид­ны­м по­сле­до­ва­тель­но­стям ДНК. Ги­по­те­за эпи­ге­на – струк­ту­ры, со­стоя­щей из вза­им­но ре­гу­ли­руе­мых ге­нов, впер­вые бы­ла пред­ло­же­на рос. учё­ны­ми В. А. Рат­не­ром и Р. Н. Чу­рае­вым в 1975. На ру­бе­же 20–21 вв. эта ги­по­те­за до­ка­за­на экс­пе­ри­мен­таль­но Чу­рае­вым, а за­тем мн. др. ис­сле­до­ва­те­ля­ми с ис­поль­зо­ва­ни­ем ме­то­дов ге­не­тич. ин­же­не­рии. Эпи­ге­не­тич. яв­ле­ния иг­ра­ют гл. роль в ин­ди­ви­ду­аль­ном раз­ви­тии – де­тер­ми­на­ции и диф­фе­рен­ци­ров­ке тка­ней мно­го­кле­точ­ных ор­га­низ­мов. При этом ре­гу­ля­ция экс­прес­сии ге­не­тич. ин­фор­ма­ции про­ис­хо­дит на всех уров­нях, вклю­чая ре­п­ли­ка­цию, транс­крип­цию, транс­ля­цию и по­сттранс­ля­ци­он­ные про­цес­сы со­зре­ва­ния и ук­лад­ки по­ли­пеп­ти­дов.

М. г. на­хо­дит при­ме­не­ние в ме­ди­ци­не – в ус­та­нов­ле­нии мо­ле­ку­ляр­ной при­ро­ды на­след­ст­вен­ных за­бо­ле­ва­ний и их ле­че­нии (ге­но­те­ра­пия). Ве­дут­ся ра­бо­ты по соз­да­нию ин­ди­ви­ду­аль­ной ге­но­ми­ки, ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет ран­нюю ди­аг­но­сти­ку на­след­ст­вен­ной пред­рас­по­ло­жен­но­сти к тем или иным за­бо­ле­ва­ни­ям и по­зво­ля­ет при­ни­мать не­об­хо­ди­мые про­фи­лак­тич. ме­ры. Совр. с. х-во при­ме­ня­ет ме­то­ды М. г., пре­ж­де все­го ге­не­тич. ин­же­не­рии, для ис­кусств. кон­ст­руи­ро­ва­ния ор­га­низ­мов с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми. Мик­ро­ор­га­низ­мы и с.-х. рас­те­ния «нау­чи­ли» вы­ра­ба­ты­вать по­рой не свой­ст­вен­ные им со­еди­не­ния, в ча­ст­но­сти бел­ки, ис­поль­зуе­мые как те­ра­пев­тич. сред­ст­ва (напр., ин­су­лин, ин­тер­фе­рон, про­ти­во­ви­рус­ные ан­ти­ге­ны). Ме­то­ды М. г. обес­пе­чи­ли так­же соз­да­ние спец. вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ных био­ло­гич. сис­тем для ге­не­тич. ток­си­ко­ло­гии – ин­ди­ка­то­ров ге­не­ти­че­ски ак­тив­ных фак­то­ров (му­та­ге­нов, кан­це­ро­ге­нов) в ок­ру­жаю­щей сре­де и про­дук­тах, про­из­во­ди­мых че­ло­ве­ком.