История генетики. Основы генетики Сообщение по генетике

Генетика

ГЕНЕ́ТИКА [нэ́], -и; ж. [от греч. genētikos - относящийся к рождению, происхождению]. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Г. человека. Г. растений. Медицинская г. Космическая г.

гене́тика

(от греч. génesis - происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта исследования различают генетику микроорганизмов, растений, животных и человека, а от уровня исследования - молекулярную генетику, цитогенетику и др. Основы современной генетики заложены Г. Менделем, открывшим законы дискретной наследственности (1865), и школой Т. Х. Моргана, обосновавшей хромосомную теорию наследственности (1910-е гг.). В СССР в 20-30-х гг. выдающийся вклад в генетику внесли работы Н. И. Вавилова, Н. К. Кольцова, С. С. Четверикова, А. С. Серебровского и др. С середины 30-х гг. и особенно после сессии ВАСХНИЛ 1948 в советской генетике возобладали антинаучные взгляды Т. Д. Лысенко (безосновательно названные им «мичуринским учением»), что до 1965 остановило её развитие и привело к уничтожению крупных генетических школ. Быстрое развитие генетики в этот период за рубежом, особенно молекулярной генетики во второй половине XX в., позволило раскрыть структуру генетического материала, понять механизм его работы. Идеи и методы генетики используются для решения проблем медицины, сельского хозяйства, микробиологической промышленности. Её достижения привели к развитию генетической инженерии и биотехнологии.

ГЕНЕТИКА

ГЕНЕ́ТИКА (от греч. genesis - происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта исследования различают генетику микроорганизмов, растений, животных и человека, а от уровня исследования - молекулярную генетику, цитогенетику и др. Основы современной генетики заложены Г. Менделем (см. МЕНДЕЛЬ Грегор Иоганн) , открывшим законы дискретной наследственности (1865), и школой Т. Х. Моргана, обосновавшей хромосомную теорию наследственности (1910-е гг.). В СССР в 1920-1930-х годах выдающийся вклад в генетику внесли работы Н. И. Вавилова (см. ВАВИЛОВ Николай Иванович) , Н. К. Кольцова, С. С. Четверикова, А. С. Серебровского и др. С сер. 1930-х годов, и особенно после сессии ВАСХНИЛ 1948, в советской генетике возобладали антинаучные взгляды Т. Д. Лысенко (безосновательно названные им «мичуринским учением»), что до 1965 остановило ее развитие и привело к уничтожению крупных генетических школ. Быстрое развитие генетики в этот период за рубежом, особенно молекулярной генетики во 2-й пол. 20 в., позволило раскрыть структуру генетического материала, понять механизм его работы. Идеи и методы генетики используются для решения проблем медицины, сельского хозяйства, микробиологической промышленности. Ее достижения привели к развитию генетической инженерии (см. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ) и биотехнологии (см. БИОТЕХНОЛОГИЯ) .
* * *
ГЕНЕ́ТИКА (от греч. genesis - происхождение), наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости организмов.
Основные этапы истории генетики
Различные умозрительные представления о наследственности и изменчивости высказывались еще античными философами и врачами. В большинстве своем эти представления были ошибочными, но иногда среди них появлялись и гениальные догадки. Так, римский философ и поэт Лукреций Кар (см. ЛУКРЕЦИЙ) писал в своей знаменитой поэме «О природе вещей» о «первоначалах» (наследственных задатках), определяющих передачу из поколения в поколение признаков от предков к потомкам, о происходящем при этом случайном комбинировании («жеребьевке») этих признаков, отрицал возможность изменения наследственных признаков под влиянием внешних условий. Однако подлинно научное познание наследственности и изменчивости началось лишь спустя много столетий, когда было накоплено множество точных сведений о наследовании различных признаков у растений, животных и человека. Число таких наблюдений, проведенных преимущественно практиками-растениеводами и животноводами, особенно возросло в период с середины 18 до середины 19 века. Наиболее ценные данные были получены И. Кельрейтером и А. Гертнером (Германия), О. Сажрэ и Ш. Ноденом (Франция), Т. Найтом (Англия). На основании межвидовых и внутривидовых скрещиваний растений они обнаружили ряд важных факторов, касающихся усиления разнообразия признаков в потомстве гибридов, преобладания у потомков признаков одного из родителей и т. п. Сходные обобщения сделал во Франции П. Люка (1847-1850), собравший обширные сведения о наследовании различных признаков у человека. Тем не менее, четких представлений о закономерностях наследования и наследственности вплоть до конца 19 века не было за одним существенным исключением. Этим исключением была замечательная работа Г. Менделя (см. МЕНДЕЛЬ Грегор Иоганн) , установившего в опытах по гибридизации сортов гороха важнейший законы наследования признаков, которые впоследствии легли в основу генетики. Однако работа Г. Менделя [доложена им в 1865 на заседании общества естествоиспытателей г. Брюнн (Брно) и напечатана на следующий год в трудах этого общества] не была оценена современниками и, оставаясь забытой 35 лет, не повлияла на распространенные в 19 веке представления о наследственности и изменчивости. Появление эволюционных теорий Ж. Б. Ламарка (см. ЛАМАРК Жан Батист) , а затем Ч. Дарвина усилило во второй половине 19 века интерес к проблемам изменчивости и наследственности, т. к. эволюция возможна только на основе возникновения у живых существ изменений и их сохранения у потомков. Это побудило видных биологов того времени выдвинуть несколько гипотез о механизме наследственности, гораздо более детализированных, чем предлагавшиеся ранее. Хотя эти гипотезы были в значительной степени умозрительными и в дальнейшем были опровергнуты экспериментальными исследованиями, три из них наряду с ошибочными содержали также подтвердившиеся положения. Первая принадлежала Ч. Дарвину, назвавшему ее «временной гипотезой пангенезиса» (см. Пангенезис (см. ПАНГЕНЕЗИС) ). В этой гипотезе была правильная догадка о том, что половые клетки содержат особые частицы, определяющие развитие признаков потомков. Во второй гипотезе, выдвинутой немецким ботаником К. Негели, содержалась верная мысль о том, что каждая клетка организма содержит особое вещество («идиоплазму»), определяющее наследственные свойства организма. Наиболее детализированной была третья гипотеза, предложенная немецким зоологом А. Вейсманом (см. ВЕЙСМАН Август) . Он тоже считал, что в половых клетках есть особое вещество - носитель наследственности («зародышевая плазма»). Опираясь на сведения о механизме деления клетки, Вейсман отождествлял это вещество с хромосомами. Предположение о ведущей роли хромосом в передаче наследственных свойств было правильным и Вейсмана справедливо считают предтечей хромосомной теории наследственности (см. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ) . Верными были также его утверждения о большом значении скрещиваний, как причины изменчивости, и отрицание наследования приобретенных признаков.
Датой рождения генетики принято считать 1900, когда три ботаника - Г. де Фриз (см. ДЕ ФРИЗ Хуго) (Голландия), К. Корренс (см. КОРРЕНС Карл Эрих) (Германия) и Э. Чермак (см. ЧЕРМАК-ЗЕЙЗЕНЕГГ) (Австрия), проводившие опыты по гибридизации растений, натолкнулись независимо друг от друга на забытую работу Г. Менделя. Они были поражены сходством его результатов с полученными ими, оценили глубину, точность и значение сделанных им выводов и опубликовали свои данные, показав, что полностью подтверждают заключения Менделя. Дальнейшее развитие генетики связано с рядом этапов, каждый из которых характеризовался преобладающими в то время направлениями исследований. Границы между этими этапами в значительной мере условны - этапы тесно связаны друг с другом, и переход от одного этапа к другому становился возможным благодаря открытиям, сделанным в предыдущем. Наряду с разработкой наиболее характерных для каждого этапа новых направлений, продолжалось исследование тех проблем, которые были главными ранее, а затем в той или иной мере отодвинулись на второй план. С этой оговоркой можно разделить историю генетики на шесть основных этапов.
Первый этап (с 1900 приблизительно по 1912), получивший название менделизма (см. МЕНДЕЛИЗМ) , является периодом утверждения открытых Менделем законов наследования на основе гибридологических опытов, проведенных в разных странах на высших растениях и животных (лабораторные грызуны, куры, бабочки и др.), в результате чего выяснилось, что эти законы имеют универсальный характер. Название «генетика» развивающейся науке дал в 1906 английский ученый У. Бэтсон, а вскоре сложились и такие важные генетические понятия, как ген (см. ГЕН (наследственный фактор)) , генотип (см. ГЕНОТИП) , фенотип (см. ФЕНОТИП) , которые были предложены в 1909 датским генетиком В. Иогансеном (см. ИОГАНСЕН Вильгельм Людвиг) . Наряду с наиболее характерными для этого начального этапа истории генетики работами, подтверждающими на разных объектах справедливость законов Менделя, в те же годы зародились и некоторые новые направления исследований, получивших свое развитие в последующие периоды. Во-первых, это синтез сведений о хромосомах, митозе и мейозе с данными генетики. Уже в 1902 Т. Бовери (Германия) и У. Сеттон (США) обратили внимание на полный параллелизм расхождения хромосом и их перекомбинирования при мейозе и оплодотворении с расщеплением и перекомбинированием наследственных признаков по законам Менделя, что послужило важной предпосылкой возникновения хромосомной теории наследственности.
Во-вторых, выяснилось, что, хотя большинство изученных к тому времени наследственных признаков самых разных организмов передавалось из поколения в поколение в полном соответствии с законами Менделя, были и исключения. Так, английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет в 1906 в опытах с душистым горошком обнаружили явление сцепленного наследования некоторых признаков, а другой английский генетик Л. Донкастер в том же году в опытах с крыжовниковой пяденицей открыл сцепленное с полом наследование. И в том и в другом случае наследование признаков происходило иначе, чем предсказывали законы Менделя. Число примеров обоих типов отклонения от менделевского наследования стало затем быстро увеличиваться, но только на следующем этапе истории генетики выяснилось, что принципиального противоречия с менделизмом в этих случаях нет и что это кажущееся противоречие объяснимо в рамках хромосомной теории наследственности. В-третьих, началось изучение внезапно возникающих и стойко наследуемых изменений - мутаций. В этом особенно большие заслуги принадлежали Г. де Фризу (1901, 1903), а в России С. Н. Коржинскому (1892). На первом этапе развития генетики появились также первые попытки рассмотреть в свете ее данных проблемы эволюционного учения. Три такие попытки, предпринятые У. Бэтсоном (Англия), Г. де Фризом и Я. Лотси (Голландия), отражали стремление авторов использовать основы генетики для ревизии положений дарвинизма. На несостоятельность этих попыток уже тогда указал в ряде критических статей К. А. Тимирязев, который одним из первых отметил, что менделизм не только не противоречит дарвинизму, но, наоборот, подкрепляет его, снимая некоторые важные возражения, выдвигавшиеся против теории Дарвина.
Отличительной чертой второго этапа развития генетики (приблизительно 1912-1925) было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы американского генетика Т. Моргана и его учеников (А. Стертевант, К. Бриджес и Г. Меллер), проведенные в период с 1909 по 1919 на дрозофиле. Эти работы, подтвержденные затем в др. лабораториях и на др. организмах, показали, что гены лежат в хромосомах клеточного ядра и что передача наследственных признаков, в т. ч. и таких, наследование которых, на первый взгляд, не укладывается в законы Менделя, определяется поведением хромосом при созревании половых клеток и оплодотворении. Данный вывод вытекал из исследований, проводившихся двумя независимыми методами - гибридологическим и цитологическим, дававшими взаимно подтверждающие результаты. Генетические работы школы Моргана показали возможность строить карты хромосом с указанием точного расположения различных генов (см. Генетические карты (см. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ ХРОМОСОМ) ). На основе хромосомной теории наследственности был выяснен и доказан хромосомный механизм определения пола. Большие заслуги в этом принадлежали, кроме Моргана, американскому цитологу Э. Вильсону. Тогда же начались и другие работы по генетике пола, среди которых особое значение имели исследования немецкого генетика Р. Гольдшмидта. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением этого этапа развития генетики и во многом определила путь дальнейших генетических исследований.
Если в первые годы развития менделизма было распространено упрощенное представление, что каждый наследственный признак организма определяется особым геном, то в рассматриваемый период стало ясно, что любой такой признак определяется взаимодействием мн. генов (эпистаз (см. ЭПИСТАЗ) , полимерия (см. ПОЛИМЕРИЯ) и др.), а каждый ген в той или иной мере влияет на разные признаки (плейотропия (см. ПЛЕЙОТРОПИЯ) ). Кроме того, оказалось, что способность гена проявляться в фенотипе организма (пенетрантность (см. ПЕНЕТРАНТНОСТЬ) ) и степень его действия на фенотип (экспрессивность (см. ЭКСПРЕССИВНОСТЬ) ) могут зависеть, иногда в большой степени, от влияния окружающей среды или действия др. генов. Представления о пенетрантности и экспрессивности генов были впервые сформулированы в 1925 Н. В. Тимофеевым-Ресовским (см. ТИМОФЕЕВ-РЕСОВСКИЙ Николай Владимирович) на основании результатов его опытов с дрозофилой.
В этот же период быстро развиваются некоторые направления генетики, важные для разработки генетических основ селекции, семеноводства и племенного дела: изучение закономерностей наследования количественных признаков (особенно важны исследования шведского генетика Г. Нильсона-Эле), выяснение природы гетерозиса (см. ГЕТЕРОЗИС) (работы американских генетиков Э. Иста и Д. Джонса), исследования сравнительной генетики культурных растений (выдающиеся труды Н. И. Вавилова, которые легли в основу его закона гомологичных рядов в наследственной изменчивости), по межвидовой гибридизации плодовых растений (работы И. В. Мичурина в СССР, Л. Бербанка в США), по частной генетике возделываемых растений и домашних животных.
К рассматриваемому периоду относится и становление генетики в СССР, причем ее быстрое развитие началось в 1920-х годах, когда сложились три генетических школы, возглавляемые Н. К. Кольцовым в Москве, Ю. А. Филипченко и Н. И. Вавиловым в Ленинграде.
Следующий этап (приблизительно 1925-1940) связан с открытием искусственного мутагенеза. До 1925 довольно широко было распространено мнение, восходившее к высказыванием Вейсмана и особенно к взглядам де Фриза, о том, что мутации возникают в организме самопроизвольно под влиянием каких-то чисто внутренних причин и не зависят от внешних воздействий. Эта ошибочная концепция была опровергнута в 1925 работами Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова по искусственному вызыванию мутаций, а затем экспериментально доказана опытами Г. Меллера (1927) по воздействию рентгеновских лучей на дрозофилу. Работа Г. Меллера стимулировала многочисленные исследования по мутагенезу на разных объектах, которые показали, что ионизирующие излучения - универсальные мутагены. Благодаря этому началось изучение закономерностей мутагенного действия излучений; особенно ценными были исследования Н. В. Тимофеева-Ресовского и М. Дельбрюка, обнаруживших прямую зависимость частоты индуцированных мутаций от дозы радиации и предположивших в 1935, что эти мутации вызываются непосредственным попаданием в ген кванта или ионизирующей частицы (теория мишени). В дальнейшем показано, что мутагенным действием обладают ультрафиолетовые лучи, химические вещества. Первые химические мутагены были открыты в 1930-х годах в СССР В. В. Сахаровым, М. Е. Лобашевым и С. М. Гершензоном. Благодаря исследованиям И. А. Раппопорта в СССР и Ш. Ауэрбах и Дж. Робсона в Великобритании, в 1946 обнаружены супермутагены этиленимин и азотистый иприт.
Исследования в этой области привели к быстрому прогрессу в познании закономерностей мутационного процесса и к выяснению некоторых вопросов, касающихся тонкого строения гена. В конце 1920-х - начале 1930-х годов А. С. Серебровский и его ученики получили первые данные, указывающие на сложное строение гена из частей, способных мутировать порознь или вместе. Возможность индукции мутаций открыла новые перспективы практического использования достижений генетики. В разных странах начались работы по применению радиационного мутагенеза для получения исходного материала при создании новых форм культурных растений. В СССР инициаторами такой «радиационной селекции» были А. А. Сапегин и Л. Н. Делоне.
На этом же этапе развития генетики возникло направление, изучающее роль генетических процессов в эволюции. Основополагающими в этой отрасли знаний были теоретические работы английских генетиков Р. Фишера и Дж. Холдейна, американского генетика С. Райта и экспериментальные исследования С. С. Четверикова и его сотрудников, впервые исследовавших на нескольких видах дрозофил генетическую структуру природных популяций. В отличие от некоторых ранних менделистов, выступавших против дарвинизма, эти ученые, опираясь на большой фактический материал, накопленный с тех пор генетикой, убедительно показали, что генетические данные подтверждают и конкретизируют ряд основных принципов дарвинизма, способствуют выяснению соотносительного значения в эволюции естественного отбора, разных типов изменчивости, изоляции и т. д. Н. И. Вавиловым и его учениками продолжалось успешное изучение сравнительной генетики и эволюции возделываемых растений. Особенно яркой была работа его талантливого сотрудника Г. Д. Карпеченко, который на основе межродовой гибридизации получил плодовитый редечно-капустный гибрид. Он экспериментально доказал возможность преодоления бесплодия у отдаленных гибридов и воспроизвел один из способов образования новых видов у растений.
Большого расцвета в этот период достигла генетика в СССР. Помимо выдающихся работ, указанных выше, в разных областях генетики были получены важные результаты, признанные генетиками всего мира. Среди них работы Б. Л. Астаурова, который в опытах на тутовом шелкопряде разработанными им генетическими методами впервые доказал возможность регулировать частоту особей определенного пола у потомства, М. М. Завадовского по развитию половых признаков у позвоночных, Г. А. Левитского по классификации и изменчивости кариотипов и их эволюции. Широко известны в этот период исследования А. А. Сапегина, К. К. Мейстера, А. Р. Жебрака по частной генетике и генетическим основам селекции растений, работы А. С. Серебровского, С. Г. Давыдова, Д. А. Кисловского по частной генетике и генетическим основам селекции домашних животных. Н. К. Кольцов (см. КОЛЬЦОВ Николай Константинович) выдвинул в 1927 концепцию о том, что хромосома с генами представляет одну гигантскую органическую молекулу и что воспроизведение этой наследственной молекулы осуществляется матричным путем. То и другое было позже подтверждено, когда генетические процессы начали изучать на молекулярном уровне (правда оказалось, что генетическим материалом служит не белок, как считал Кольцов, а ДНК).
В конце 1920-х годов в СССР происходила оживленная дискуссия о том, могут ли наследоваться модификации (их тогда называли «приобретенными признаками»), т. е. фенотипические изменения, вызванные в теле организма воздействием внешних условий (пищей, температурой, влажностью, освещением и т. п.) и упражнением либо неупражнением органов. Представление о возможности наследования модификаций было в ту пору практически полностью отвергнуто в зарубежной генетике на основании многочисленных опытных данных, но в СССР некоторые биологи, особенно Е. С. Смирнов, Е. М. Вермель и А. М. Кузин, эту возможность разделяли и пропагандировали. Их поддерживали московские философы М. Б. Митин, П. Ф. Юдин и др., утверждавшие, что эта неоламаркистская концепция якобы соответствует философии диалектического материализма. Спор этот продолжался несколько лет, хотя ошибочность теории наследования модификаций была убедительно продемонстрирована и сов. генетиками Н. К. Кольцовым, Ю. А. Филипченко, А. С. Серебровским, С. С. Четвериковым и зоологами А. С. Северцовым и И. И. Шмальгаузеном. Последний позже выдвинул важные соображения о том, что размах и характер модификаций, хотя они и не наследуются, зависят не только от внешних воздействий, но и от «нормы реакции» организма, определяемой его генотипом. Ошибочной идее наследования приобретенных признаков суждено было впоследствии возродиться в антинаучных воззрениях Т. Д. Лысенко.
Наиболее характерными чертами четвертого этапа истории генетики (приблизительно 1940-1955) было бурное развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков, обусловленное вовлечением в круг генетических опытов новых для генетики объектов - микроорганизмов и вирусов. Возможность получения у этих объектов огромного по численности потомства за короткое время резко повысила разрешающую способность генетического анализа и позволила исследовать многие ранее недоступные стороны генетических явлений.
Изучение биохимических процессов, лежащих в основе формирования наследственных признаков разных организмов, в т. ч. дрозофилы и особенно плесени нейроспоры, пролило свет на то, как действуют гены и, в частности, как влияют генные мутации на синтезируемые в организме ферменты. Это привело к обобщению, сделанному в 1940-х годах американскими генетиками Дж. Бидлом и Э. Тейтемом, согласно которому всякий ген определяет синтез одного фермента (формула «один ген - один фермент» была впоследствии уточнена «один ген - один белок» или даже «один ген - один полипептид»).
В конце 30-х и начале 40-х годов работами американских генетиков М. Грина и Э. Льюиса в опытах на дрозофиле было четко доказано сложное строение и дробимость гена, т. е. подтверждены и углублены аналогичные данные, полученные А. С. Серебровским (см. СЕРЕБРОВСКИЙ Александр Сергеевич) .
В 1944 американский генетик О. Эйвери с сотрудниками в работе по выяснению природы генетической трансформации у бактерий показала, что носителем наследственных потенций (генетической информации) организма служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосом. Это открытие послужило мощным толчком к изучению тонкого химического строения, путей биосинтеза и биологических функций нуклеиновых кислот и явилось отправной точкой, с которой началось развитие молекулярной генетики и всей молекулярной биологии. Наиболее важными достижениями конца четвертого периода является установление того факта, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота (ДНК или РНК), а также открытие в 1952 американскими генетиками Дж. Ледербергом и М. Зиндером трансдукции (см. ТРАНСДУКЦИЯ) , т. е. переноса вирусами генов хозяина, и выяснение структуры молекул ДНК (т. н. двойной спирали) английским физиком Ф. Криком и американским генетиком Дж. Уотсоном в 1953. Последняя работа сыграла выдающуюся роль во всем последующем развитии генетики и всей биологии.
Благодаря прогрессу биохимической генетики большие успехи были достигнуты в генетических и цитологических исследованиях наследственных болезней (см. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ) человека. В результате сложилось новое направление - медицинская генетика.
Дальнейшее развитие получили работы по генетике природных популяций. Особенно интенсивно они проводились в СССР Н. П. Дубининым с сотрудниками и С. М. Гершензоном с сотрудниками, а в США Ф. Г. Добржанским. В ходе этих исследований показаны роль различных типов мутаций в эволюции, действие естественного отбора, изоляции и генетического дрейфа на генетическую структуру природных популяций. Открытие ряда сильных химических мутагенов послужило толчком к быстрому прогрессу химического мутагенеза. В эти же годы появились первые высокопродуктивные сорта культурных растений, созданные на основе мутаций, искусственно вызванных радиацией, началось применение с той же целью химических мутагенов; были внедрены в практику методы использования гетерозиса, особенно у кукурузы и тутового шелкопряда.
До 1940-х годов генетические исследования в СССР развивались в целом успешно и занимали одно из ведущих мест в мире. С установлением в сов. биологии полновластного господства Т. Д. Лысенко и его сподвижников, быстрое выдвижение которого началось в середине 1930-х годов и достигло апогея в 1948, генетика в СССР была фактически разгромлена.
Пятый этап истории генетики (приблизительно с середины 1950-х годов до начала 1970-х годов) характеризуется исследованием генетических явлений преимущественно на молекулярном уровне, что стало возможным благодаря быстрому внедрению в генетику, как и в др. области биологии, новых химических, физических и математических методов.
Было установлено, что гены представляют собой участки гигантских полимерных молекул ДНК и различаются числом и порядком чередования составляющих их пар нуклеотидов. Совместными усилиями генетиков, физиков и химиков было выяснено, что наследственная информация, передаваемая от родителей потомкам, закодирована последовательностью нуклеотидных пар в генах. С помощью ферментов она переписывается (транскрипция) в нуклеотидную последовательность однонитевых молекул матричных (информационных) РНК, определяющих аминокислотную последовательность синтезируемых белках (трансляция), обуславливающих основные свойства организма (у РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в нуклеотидной последовательности их РНК). В расшифровке генетического кода (см. КОД ГЕНЕТИЧЕСКИЙ) , оказавшегося универсальным для всех живых существ, главные заслуги принадлежат Ф. Крику, С. Бреннеру (Великобритания), С. Очоа и М. Ниренбергу (США).
В эти же годы благодаря открытию ряда ферментов (рестриктаз), разрезающих нить ДНК в определенных точках на мелкие фрагменты, научились выделять гены из ДНК хромосом. В 1969 в США Х. Г. Корана с сотрудниками осуществил химический синтез гена.
В 1961 французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли регуляторные механизмы включения и выключения работы некоторых генов белкового синтеза у кишечной палочки и разработали на основе этих данных концепцию оперона (см. ОПЕРОН) , которая позже была подтверждена и на др. организмах.
В результате выяснения молекулярных механизмов мутаций были достигнуты большие успехи в изыскании и изучении действия новых мощных химических мутагенов («супермутагенов») и в использовании их в селективной практике. Значительно продвинулись работы и во мн. других областях генетики - в разработке методов защиты генома человека от воздействия физических и химических мутагенов окружающей среды, в раскрытии молекулярно-генетических механизмов регуляции индивидуального развития организмов, в исследовании ранее малоизученных явлений внеядерной наследственности, осуществляемой через пластиды, митохондрии, плазмиды. К концу этого периода относится широкое возрождение генетических исследований в СССР (начиная с 1965).
На современном этапе истории генетики, начавшемся в начале 1970-х годов, наряду с прогрессом почти всех ранее сложившихся направлений, особенно интенсивно развивалась молекулярная генетика, что привело к фундаментальным открытиям и, как следствие, к возникновению и успешной разработке принципиально новых форм прикладной генетики.
Так, еще в 1960-х годах в СССР С. М. Гершензон с сотрудниками, изучавшими репродукцию одного из вирусов насекомых, получили новые данные в пользу того, что генетическая информация может передаваться от РНК к ДНК (обратная транскрипция), а не только от ДНК к РНК, что ранее считалось единственным путем транскрипции. В 1970 американские генетики Г. Темин и Д. Балтимор в опытах с некоторыми РНК-содержащими опухолеродными вирусами животных доказали существование обратной транскрипции, выявили ее молекулярный механизм и выделили осуществляющий ее фермент - обратную транскриптазу (ревертазу (см. РЕВЕРТАЗА) ), кодируемую вирусным геном. Открытие обратной транскрипции позволило искусственно синтезировать многие физиологически активные гены на основе их матричной РНК и создавать банки генов (см. БАНК ГЕНОВ) , как искусственно синтезированных, так и естественных. Большинство этих генов уже секвенированы, т. е. в них определена последовательность нуклеотидных пар. Полученные при секвенировании данные привели к открытию интрон-экзонной структуры большинства генов эукариот.
Выяснение того, что репродукция РНК-содержащих онкогенных вирусов происходит с использованием обратной транскрипции (такие вирусы стали называть ретровирусами (см. РЕТРОВИРУСЫ) ), сыграло важную роль в создании современной молекулярно-генетической концепции онкогенеза (см. ОНКОГЕНЕЗ) - возникновения злокачественных опухолей. Вирусогенетическая природа возникновения опухолей была выдвинута еще в сер. 1940-х годов советским вирусологом Л. А. Зильбером, работавшим с ДНК-содержавшим онкогенным вирусом. Однако ее признанию в те годы помешало то, что она не могла объяснить, как РНК-содержащие вирусы вызывают злокачественные опухоли. После открытия обратной транскрипции стало ясно, что вирусогенетическая теория применима к ретровирусам в такой же мере, как и к ДНК-содержащим онкогенным вирусам. В дальнейшем вирусогенетическая теория злокачественного роста стала развиваться гл. обр. на основе гипотезы онкогенов (см. ОНКОГЕНЫ) , впервые выдвинутой американскими учеными Р. Хюбнером и Дж. Тодаро и подтвержденной затем многочисленными экспериментальными исследованиями.
Фундаментальное значение для развития генетики имело также открытие и исследование мобильных генетических элементов (см. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , впервые предсказанных Б. Мак-Клинток (см. МАК-КЛИНТОК Барбара) еще в конце 1940-х годов на основе генетических экспериментов на кукурузе. Эти данные не были должным образом оценены до тех пор, пока в конце 1960-х годов широко развернувшиеся работы по генетике бактерий не привели к открытию у них двух классов мобильных генетических элементов. Десятилетие спустя Д. Хогнесс с сотрудниками (США) и независимо от них Г. П. Георгиев с сотрудниками (СССР) выявили мобильные генетические элементы, получившие название мобильных диспергированных генов (МДГ) у дрозофилы. Вскоре было установлено, что подвижные генетические элементы имеются и у других эукариот.
Некоторые мобильные генетические элементы способны захватывать близлежащие гены и переносить их в др. места генома. Такая способность мобильного Р-элемента дрозофилы была использована американскими генетиками Г. Рубиным и А. Спрэдлингом для разработки техники переноса любого выделенного с помощью рестриктаз гена или его части в несвойственное ему место хромосом. Этот метод стал широко применяться для изучения роли регуляторных генов в работе структурных генов, для конструирования мозаичных генов и т. д.
Молекулярно-генетический подход углубил понимание механизма синтеза антител (иммуноглобулинов (см. ИММУНОГЛОБУЛИНЫ) ). Выявление структурных генов, кодирующих константные и вариабельные цепи молекул иммуноглобулинов, и регуляторных генов, обеспечивающих согласованное действие этих структурных генов, позволило объяснить, как обеспечивается возможность синтеза огромного числа различных иммуноглобулинов на основе ограниченного набора соответствующих генов.
Уже на начальных этапах развития генетики сложилось представление о двух основных типах изменчивости: наследственной, или генотипической, изменчивости, обусловленной генными и хромосомными мутациями и рекомбинацией генов, и ненаследственной, или модификационной, обусловленной воздействиями на признаки развивающегося организма различных факторов окружающей среды. В соответствии с этим было принято рассматривать фенотип организма как результат взаимодействия генотипа и факторов окружающей среды. Однако, эта концепция потребовала существенного дополнения. Еще в 1928 Б. Л. Астауров на основании изучения изменчивости некоторых мутантных признаков дрозофилы высказал мысль, что одной из причин изменчивости могут быть случайные отклонения в ходе развития тех или иных признаков (органов). В 1980-е годы эта мысль получила дополнительные подтверждения. Опытами Г. Стента (США) и В. А. Струнникова (СССР), проведенными на разных животных (нематодах, пиявках, дрозофиле, тутовом шелкопряде), было показано, что выраженная изменчивость структурных и физиологических признаков наблюдается даже среди генетически идентичных (изогенных) особей, воспитываемых в идеально однородных условиях среды. Эта изменчивость, очевидно, обусловлена случайными отклонениями в протекании различных внутриклеточных и межклеточных онтогенетических процессов, т. е. тем, что можно охарактеризовать, как «онтогенетический шум». В связи с этим В. А. Струнников развил представление о «реализационной изменчивости», которая участвует в формировании фенотипа наряду с генотипической и модификационной (подробнее см. Изменчивость (см. ИЗМЕНЧИВОСТЬ) ).
Успехи молекулярной генетики создали предпосылки для возникновения четырех новых направлений генетических исследований преимущественно прикладного характера, основная цель которых изменять геном организма в желаемую сторону. Наиболее быстро из этих направлений развивались генетическая инженерия (см. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ) и генетика соматических клетоڮ Генетическая инженерия подразделяется на генную (искусственный перенос отдельных генов) и хромосомную (искусственный перенос хромосом и их фрагментов). Методы генной инженерии, развитие которых началось в 1972 в США в лаборатории П. Берга, широко используются для промышленного производства высококачественных биопрепаратов, используемых в медицине (инсулин человека, интерферон, вакцины против гепатитов В, для диагностики СПИД и т. д.). С их помощью получены разнообразные трансгенные животные (см. ТРАНСГЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ) . Получены растения картофеля и подсолнечника, обогащенные запасным белком, кодируемым геном бобовых, растения подсолнечника, обогащенные белком, кодируемым геном кукурузы. Очень перспективны работы, ведущиеся во многих лабораториях мира, по переносу генов азотфиксации из почвенных бактерий в сельскохозяйственные растения. Делаются попытки излечения наследственных заболеваний путем введения в организм пациента «здорового» гена для замещения им мутантного, являющегося причиной болезни. Достижения в технологии рекомбинантных ДНК, сделавшие возможным выделение многих генов др. организмов, а также расширение знаний о регуляции их экспрессии позволяют надеяться на реализацию этой, казавшейся прежде фантастической, идеи.
Метод хромосомной инженерии позволяет пересадить в яйцеклетку млекопитающего с удаленным ядром диплоидное ядро соматической клетки и ввести такую яйцеклетку в матку самки, гормонально подготовленную к имплантации. В этом случае родится потомок, генетически идентичный особи, от которой взята соматическая клетка. Таких потомков можно получить от этой особи неограниченное число, т. е. генетически клонировать ее (см. Клонирование животных (см. КЛОНИРОВАНИЕ ЖИВОТНЫХ) ).
Практическое значение имеют исследования, проводимые на соматических клетках растений, животных и человека. Селекцией клеток растений - продуцентов лекарственных алкалоидов (руты душистой, раувольфии), в сочетании с мутагенезом содержание этих алкалоидов в клеточной массе повышено в 10-20 раз. Селекцией клеток на питательных средах и последующей регенерацией целых растений из клеточного каллуса выведены сорта ряда возделываемых растений, устойчивые к различным гербицидам и засолению почвы. Гибридизацией соматических клеток разных видов и родов растений, половая гибридизация которых невозможна или очень затруднена, и последующей регенерацией из клеточного каллуса созданы разные гибридные формы (капуста - турнепс, культурный картофель - дикие его виды и т. п.).
Другое важное достижение генетики соматических клеток животных - создание гибридом (см. ГИБРИДОМА) , на основе которых получают моноклональные антитела, служащие для создания высокоспецифических вакцин, а также для выделения необходимого фермента из смеси ферментов.
Весьма перспективны для практики еще два молекулярно-генетических направления - сайт-специфичный мутагенез и создание антисмысловых РНК. Сайт-специфичный мутагенез (индукция мутаций определенного выделенного рестриктазами гена или его комплементарной ДНК, и затем включение мутировавшего гена в геном для замены им его немутантного аллеля) впервые позволил индуцировать желательные, а не случайные генные мутации, и уже успешно применяется для получения направленных генных мутаций у бактерий и дрожжей.
Антисмысловые РНК, возможность получения которых впервые была показана в 1981 работающим в США японским иммунологом Д. Томизавой, могут использоваться для целенаправленного регулирования уровня синтеза определенных белков, а также для направленного ингибирования онкогенов и вирусных геномов. Исследования, проведенные по этим новым генетическим направлениям, были нацелены преимущественно на решение прикладных задач. Вместе с тем они внесли фундаментальный вклад в представления об организации генома, структуре и функциях генов, взаимоотношениях генов ядра и клеточных органелл и др.
Основные задачи генетики
Генетические исследования преследуют цели двоякого рода: познание закономерностей наследственности и изменчивости и изыскание путей практического использования этих закономерностей. То и другое тесно связано: решение практических задач основывается на заключениях, полученных при изучении фундаментальных генетических проблем и в то же время доставляет фактические данные, важные для расширения и углубления теоретических представлений.
От поколения к поколению передается (хотя иногда и в несколько искаженном виде) информация о всех многообразных морфологических, физиологических и биохимических признаках, которые должны реализоваться у потомков. Исходя из такого кибернетического характера генетических процессов, удобно сформулировать четыре основные теоретические проблемы, исследуемые генетикой:
Во-первых, проблема хранения генетической информации. Изучается, в каких материальных структурах клетки заключена генетическая информация и как она там закодирована (см. Генетический код (см. КОД ГЕНЕТИЧЕСКИЙ) ).
Во-вторых, проблема передачи генетической информации. Изучаются механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению.
В-третьих, проблема реализации генетической информации. Изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влияниями окружающей среды, в той или иной мере изменяющей эти признаки, подчас значительно.
В-четвертых, проблема изменения генетической информации. Изучаются типы, причины и механизмы этих изменений.
Заключения, полученные при изучении фундаментальных проблем наследственности и изменчивости, служат основой решения стоящих перед генетикой прикладных задач.
Достижения генетики используются для выбора типов скрещиваний, наилучшим образом влияющих на генотипическую структуру (расщепление) у потомков, для выбора наиболее эффективных способов отбора, для регуляции развития наследственных признаков, управления мутационным процессом, направленного изменения генома организма с помощью генетической инженерии и сайт-специфичного мутагенеза. Знание того, как разные способы отбора влияют на генотипическую структуру исходной популяции (породу, сорт), позволяет использовать те приемы отбора, которые наиболее быстро изменят эту структуру в желаемую сторону. Понимание путей реализации генетической информации в ходе онтогенеза и влияния, оказываемого на эти процессы окружающей средой, помогают подбирать условия, способствующие наиболее полному проявлению у данного организма ценных признаков и «подавлению» нежелательных. Это имеет важное значение для повышения продуктивности домашних животных, культурных растений и промышленных микроорганизмов, а также для медицины, так как позволяет предупреждать проявление ряда наследственных болезней человека.
Исследование физических и химических мутагенов и механизма их действия делает возможным искусственно получать множество наследственно измененных форм, что способствует созданию улучшенных штаммов полезных микроорганизмов и сортов культурных растений. Познание закономерностей мутационного процесса необходимо для разработки мер по защите генома человека и животных от повреждений физическими (гл. обр. радиацией) и химическими мутагенами.
Успех любых генетических исследований определяется не только знанием общих законов наследственности и изменчивости, но и знанием частной генетики организмов, с которыми ведется работа. Хотя основные законы генетики универсальны, они имеют у разных организмов и особенности, обусловленные различиями, например, в биологии размножения и строении генетического аппарата. Кроме того, для практических целей необходимо знать, какие гены участвуют в определении признаков данного организма. Поэтому изучение генетики конкретных признаков организма представляет собой обязательный элемент прикладных исследований.
Основные разделы генетики
Современная генетика представлена множеством разделов, представляющих как теоретический, так и практический интерес. Среди разделов общей, или «классической», генетики основными являются: генетический анализ, основы хромосомной теории наследственности, цитогенетика, цитоплазматическая (внеядерная) наследственность, мутации, модификации. Интенсивно развиваются молекулярная генетика, генетика онтогенеза (феногенетика), популяционная генетика (генетическое строение популяций, роль генетических факторов в микроэволюции), эволюционная генетика (роль генетических факторов в видообразовании и макроэволюции), генетическая инженерия, генетика соматических клеток, иммуногенетика, частная генетика - генетика бактерий, генетика вирусов, генетика животных, генетика растений, генетика человека, медицинская генетика и мн. др. Новейшая отрасль генетики - геномика - изучает процессы становления и эволюции геномов.
Влияние генетики на другие отрасли биологии
Генетика занимает центральное место в современной биологии, изучая явления наследственности и изменчивости, в большей степени определяющие все главные свойства живых существ. Универсальность генетического материала и генетического кода лежит в основе единства всего живого, а многообразие форм жизни есть результат особенностей его реализации в ходе индивидуального и исторического развития живых существ. Достижения генетики входят важной составной частью почти во все современные биологические дисциплины. Синтетическая теория эволюции представляет собою теснейшее сочетание дарвинизма и генетики. То же можно сказать о современной биохимии, основные положения которой о том, как контролируется синтез главнейших компонентов живой материи - белков и нуклеиновых кислот, основаны на достижениях молекулярной генетики. Цитология главное внимание уделяет строению, репродукции и функционированию хромосом, пластид и митохондрий, т. е. элементам, в которых записана генетическая информация. Систематика животных, растений и микроорганизмов все шире пользуется сравнением генов, кодирующих ферменты и другие белки, а также прямым сопоставлением нуклеотидных последовательностей хромосом для установления степени родства таксонов и выяснения их филогении. Разные физиологические процессы растений и животных исследуются на генетических моделях; в частности, при исследованиях физиологии мозга и нервной системы пользуются специальными генетическими методами, линиями дрозофилы и лабораторных млекопитающих. Современная иммунология целиком построена на генетических данных о механизме синтеза антител. Достижения генетики, в той или иной мере, часто очень значительной, входят составной частью в вирусологию, микробиологию, эмбриологию. С полным правом можно сказать, что современная генетика занимает центральное место среди биологических дисциплин.

- (от греч. genesis происхождение), наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими. В её основу легли закономерности наследственности, обнаруженные Г. Менделем при скрещивании разл. сортов гороха (1865), а также… … Биологический энциклопедический словарь

1865 год - Открытие Г. Менделем (1822-1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.

1868 год - швейцарский биохимик Ф. Мишер из спермы лосося выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой).

1871 год - Ч. Дарвин публикует свою книгу «Происхождение человека и половой отбор».

1875 год - Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды.

1900 год - Формальное рождение генетики как науки. Независимая публикация статей Г. де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов наследования. Фактически переоткрыты и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.

1902 год - В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности.

1905 год - У. Бэтсон предлагает слово «генетика» (от греч. γιγνομαι – порождать ) для нового направления науки.

1909 год - В. Иогансеном предложен термин – «генотип».

1910 год - Томас Хант Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом (Нобелевская премия 1933 г. по физиологии и медицине за экспериментальное обоснование хромосомной теории наследственности).

А. Кёссель получил Нобелевскую премию по химии за установление того, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.

1917 год - Николаем Константиновичем Кольцовым основан Институт экспериментальной биологии.

1920 год - термин «геном» впервые предложен немецким генетиком Г. Винклером.

1922 год - Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» – о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп. Закон Вавилова установил определенные правила формообразования и позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).

1925 год - Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер проводят первый цикл работ по радиационным методам индукции мутаций.

1926 год - С. С. Четвериков написал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции.

1927 год - Г. Мюллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей, за что в 1946 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

Н. К. Кольцов выдвинул идею матричного синтеза, которая позднее легла главным камнем в основание молекулярной биологи: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул – генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой» .

1928 год - Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит).

1929-1930 годы - А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена; первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена.

1931 год - Барбара Мак–Клинток продемонстрировала наличие кроссинговера.

1934 год - Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли особый тип эффекта положения.

Б. Л. Астауров осуществил успешные опыты по получению у шелкопряда потомства из неоплодотворенных яиц (одно из самых интересных достижений в прикладной генетике того времени).

1935 год - Н. В. Тимофеев–Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк осуществили экспериментальное определение размеров гена. Ими дана трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК.

1940 год - Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали теорию «один ген – один фермент». (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1958 г.).

1943 год - И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами.

1944 год - начало «эры ДНК». О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. В своих экспериментах по трансформации бактерий эти учёные показали, что проникновение молекул очищенной ДНК, выделенной из вирулентных пневмококков, вызывающих заболевание и гибель зараженных мышей, в клетки авирулентного штамма этих бактерий может сопровождаться превращением (трансформацией) последних в вирулентную форму.

М. Дельбрюк, С. Лурия, А. Херши произвели пионерские исследования по генетике кишечной палочки и ее фагов, после чего эти объекты стали модельными для генетических исследований на многие десятилетия. (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1969 год за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов).

Л. А. Зильбер сформулировал вирусно–генетическую теорию рака.

1946 год - Меллер Герман Джозеф (1890-1967), американский генетик получил Нобелевскую премию за открытие радиационного мутагенеза.

1950 год - Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа», которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г – числу Ц.

Б. Мак–Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. С большим опозданием (только в 1983 г.) она получила за это Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

1951 год - Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгеннограмму молекулы ДНК.

1953 год, 25 апреля - Френсис Крик и Джеймс Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. В английском журнале «Nature» они опубликовали небольшую статью со своей моделью. В 1962 году им совместно с М. X. Ф. Уилкинсом присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.

1956 год - Ю. Тио и A. Леван установили, что диплоидный набор хромосом у человека равен 46.

А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке – ДНК–полимеразу I. В 1959 году он совместно с С. Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизма биологического синтеза РНК и ДНК.

1958 год - М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК.

1960 год - Открытие РНК–полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом.

И. А. Рапопорт сообщил об открытии «супермутагенов».

1961 год - В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» – кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. В 1968 году все трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которая была присуждена им «за расшифровку генетического кода и его функционирования в синтезе белков».

Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов – структурных, отвечающих за синтез специфических (ферментных) белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. В 1965 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. М. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.

Весной этого года в Москве на Международном биохимическом конгрессе ученый М. Ниренберг сообщил, что ему удалось «прочесть» первое «слово» в тексте ДНК. Это была тройка нуклеотидов - ААА (в РНК, соответственно, УУУ), то есть три аденина, стоящие друг за другом. Эта последовательность кодирует аминокислоту фенилаланин в белке.

1962 год - Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка).

Дж. Кэндрью и М. Перутц были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина.

1965 год - Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.

1966 год - Б. Вейс и С. Рихардсон открывают фермент ДНК–лигазу.

1969 год - Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген.

1970 год - Открытие обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК с использованием комплементарной РНК в качестве матрицы. Это было сделано будущими Нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине (1975) Г. Теминым и Д. Балтимором.

Выделена первая рестриктаза – фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах. За это открытие в 1978 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Д. Натансу, Х. Смиту и В. Арберу.

1972 год - В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 г. вручена П. Бергу и Г. Бойеру). Заложены основы генной инженерии.

1973 год - С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.

1974 год - С. Милстайн и Г. Келер создали технологию получения моноклональных антител. Ровно десять лет спустя они (вместе с Н. К. Ерне) получили за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Р. Д. Корнберг описывает структуру хроматина (нуклеосомы).

1975 год - С. Тонегава показал различное расположение генов, кодирующих вариабельную и константную часть иммуноглобулинов, в ДНК эмбриональных и миелоидных клеток, что дало основание для вывода о перегруппировках генов иммуноглобулинов при образовании клеток иммунной системы (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1987 г.). Осуществлено первое клонирование кДНК.

Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцел–люлозные фильтры, метод получил название Саузерн–блот гибридизации.

1976 год - Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.

Основана первая генно–инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств.

Д. М. Бишоп и Г. Э. Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда–то давно в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было также показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль-управляет ее ростом и делением. В 1989 г. оба этих ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за фундаментальные исследование канцерогенных генов опухоли.

1977 год - Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт.). Появилось реальное средство анализа структуры генов как основа для понимания их функций. В 1980 году У. Гильберт и Ф. Сенгер совместно с П. Бергом получили Нобелевскую премию по химии «за существенный вклад в установление первичной структуры ДНК; за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в том числе рекомбинант–ных ДНК».

Полностью секвенирован геном бактериофага φΧ174 (5386 п. н.).

Секвенирован первый ген человека – ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин.

П. Шарп и Р. Робертс показали, что гены у аденовирусов (позднее выяснилось, что и у эукариотических организмов) имеют моаичную экзон–интронную структуру, и открыли явление сплайсинга (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1993 г.).

К. Итакура с соавт. синтезируют химически ген соматостатина человека и осуществляет искусственный синтез гормона соматостатина в клетках кишечной палочки E. coli.

1978 год - Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок – проинсулин.

Определена полная последовательность нуклеотидов ДНК вируса SV40 и фага fd .

1979 год - Показано, что химически трансформированные клетки содержат активированный онкоген BAS .

1980 год - Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь. В пронуклеус оплодотворенного одноклеточного эмбриона микроинъекцией введен ген тимидин–киназы вируса простого герпеса и показано, что этот ген работает во всех соматических клетках мыши. С тех пор трансгеноз стал основным подходом как для фундаментальных исследований, так и для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.

1981 год - Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека.

Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.

1982 год - Определена полная нуклеотидная последовательность бактериофага λ (48502 п. н.).

Показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок.

1983 год - С помощью биоинформатики найдена гомология фактора роста PDGF с известным онкобелком, кодируемым онкогеном SIS.

Показано, что разные онкогены кооперируют при опухолевой трансформации клеток.

Ген болезни Хантигтона локализован на хромосоме 4 человека.

1984 год - У. Мак–Гиннис открыл гомеотические (Hox) регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных.

А. Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии, в котором нуклеотидные последовательности ДНК используются для идентификации личности.

1985 год - Создание К. Б. Мюллисом революционизирующей технологии – полимеразной цепной реакции, ПЦР – наиболее чувствительного до сих пор метода детектирования ДНК. Эта технология получила широкое распространение (Нобелевская премия по химии за 1993 г.).

Клонирование и определение нуклеотидной последовательности ДНК, выделенной из древней египетской мумии.

1986 год - Клонирование гена RB – первого антионкогена – супрессора опухолей. Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования.

1987 год - Созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы – YAC (Yeast Artificial Chromosomes). Они сыграют большую роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов.

1988 год - создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Инициатором и руководителем этого проекта стал лауреат Нобелевской премии знаменитый ученый Джеймс Уотсон.

Под эгидой Комитета по науке и технике в СССР начала работу программа «Геном человека», которую возглавил Научный совет по геномной программе во главе с академиком А. А. Баевым.

Показана возможность анализа митохондриальной ДНК из очень древних образцов при исследовании мозга человека давностью 7000 лет.

Предложен метод «нокаута» генов.

1989 год - Т. Р. Чех и С. Альтман получили Нобелевскую премию по химии за открытие каталитических свойств некоторых природных РНК (рибозимов).

1990 год - в США и в СССР, а затем в Англии, Франции, Германии, Японии, Китае начали работать научные программы по расшифровке генома человека. Объединила эти проекты Международная организация по изучению генома человека (Human Genome Organization, сокращенно HUGO). Вице–президентом HUGO в течение нескольких лет был российский академик А. Д. Мирзабеков.

Ф. Коллинз и Л. – Ч. Тсуи идентифицировали первый ген человека (CFTR), ответственный за наследственное заболевание (кистозный фиброз), который расположен на хромосоме 7.

В. Андерсоном осуществлено первое успешное применение генной терапии для лечения больной с наследственным иммунодефицитом.

Определена полная последовательность генома вируса оспо–вакцины (192 т. п. н.).

1992 год - Э. Кребсу и Э. Фишеру присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие обратимого фосфорилирования белков как важного регулирующего механизма клеточного метаболизма.

1995 год - компанией «Celera Genomics» определена полная последовательность генома первого самостоятельно существующего организма – бактерии Haemophilus influenzae (1 830 137 п. н.)

Становление геномики как самостоятельного раздела генетики.

1997 год - Определена полная последовательность нуклеотидов геномов кишечной палочки E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение болезнетворного агента белковой природы, приона, вызывающего губчатую энцефалопатию, или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота.

Я. Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее – овцу Долли .

1998 год - расшифровано всего около 3% генома человека.

Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма – нематоды Caenorhabditis elegans.

У нематоды C. elegans обнаружен механизм РНК–интерференции.

1999 год - Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию за открытие роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы (то есть, регулятора и переносчика сигналов) сердечно–сосудистой системы.

Учёные клонировали мышь и корову.

1999 год, декабрь - в журнала Nature за появилась статья под названием «Нуклеотидные последовательности первой хромосомы человека». В этой статье коллектив, состоящий из более чем двухсот авторов, сообщил о полной расшифровке одной из самых малых хромосом человека – хромосомы под номером 22.

2000 год - Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе».

Учёные клонировали свинью.

2000 год, июнь - два конкурирующих коллектива – «Celera Genomics» и международный консорциум HUGO, объединив свои данные, официально объявили о том, что их совместными усилиями в целом завершена расшифровка генома человека, создан его черновой вариант.

2001 год - Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.

2001 год, февраль - появились первые научные публикации чернового варианта структуры генома человека.

2002 год - Полностью расшифрован геном мыши.

Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти.

История развития генетики началась с теории эволюции, которую опубликовал в 1859 английский натуралист и путешественник Чарльз Дарвин в книге “Происхождение видов”.

В 1831 году Дарвин присоединился к пятилетней научной экспедиции изучавшей окаменелости, найденные в породах свидетельствующих о животных, которые жили миллионы лет назад. Также Дарвин отметил, что на Галапагосских островах поддерживается своя собственная разновидность зябликов, которые тесно связаны между собой, но имели незначительные различия, которые, казалось были адаптированы в соответствии с их индивидуальной средой.

По возвращении в Англию, Дарвин на протяжении следующих 20 лет предложил теорию эволюции происходящую в процессе естественного отбора. Книга “Происхождение видов” была кульминацией этих усилий, где он утверждал, что живые существа лучше всего подходит для их среды обитания, у них больше шансов выжить, размножаться и передавать свои характеристики потомкам. Это привело к теории о постепенном изменении видов с течением времени. Его исследования содержат некоторые истины, такие как связь между животной и человеческой эволюцией.

Книга, положившая начало истории развития генетики была крайне противоречивой на то время, так как он бросил вызов доминирующим взглядом в период, когда многие люди буквально думали, что Бог создал мир за семь дней. Он также предположил, что люди были животные и, возможно, произошли от обезьяны. Он отметил, что через тысячи лет эволюции животные имеют свои тела приспособившись к жизни. Если люди произошли от животных на протяжении миллионов лет, определенные врожденные качества остались и сегодня.

1859 – Чарльз Дарвин публикует “Происхождение видов”

Наука узучающая наследственную изменчивость привела к развитию молекулярной биологии для более глубокого понимания механизмов наследственной изменчивости и науке генетика.

Начальный этап развития молекулярной биологии

Начальный этап развития молекулярной биологии принадлежит швейцарскому физиологическому химику Фридриху Мишеру который в 1869 году впервые выявил, как он назвал “нуклеиновые” ядра человеческих белых кровяных клеток, которые мы знаем сегодня, как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Первоначально Фридрих Мишер изолировал и охарактеризовал компоненты белка, белые кровяные клетки. Для этого он взял из местной хирургической клиники гной-насыщенные бинты, которые он планировал промыть перед фильтрацией белых клеток крови и выделения их различных белков.

Однако, в процессе работы наткнулся на вещество, обладающее необычными химическими свойствами в отличие от белков, с очень высоким содержанием фосфора и устойчивостью к перевариванию белка. Мишер быстро понял, что он открыл новое вещество и почувствовал важность своего открытия. Несмотря на это, потребовалось более 50 лет широкой научной общественности, чтобы оценить его работу.

1869 Фридрих Мишер выделяет “нуклеиновые” кислоты или ДНК

Макромолекула ДНК обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической информации

Основные начальные этапы развития генетики

Основные этапы развития генетики начались с учения синтеза дарвинизма и механизмов эволюции живого.

В 1866 году, неизвестный монах Австрийский биолог и ботаник Грегор Мендель был первым человеком, чтобы пролить свет на пути, в котором признаки передаются из поколения в поколение.

Грегор Мендель сегодня считается отцом генетики

Он пользовался не такой известностью в течение своей жизни, и его открытия во многом не принимались в научном сообществе. На самом деле, он был настолько впереди, что потребовалось три десятилетия чтобы его открытия были приняты всерьез.

Между 1856 и 1863 г. Мендель проводил опыты на растениях гороха, пытаясь скрестить и определить “истинную” линию в определенной комбинации. Он выделил семь признаков: высота растения, форма и цвет стручка, форма семян, цвет и положение цветов и окраска.

Он обнаружил, что, когда желтый горох и зеленый горошек растение было выращено вместе, их отпрыски всегда были желтыми. Однако, в следующем поколении растений, зеленый горошек вернулся в соотношении 3:1.

Мендель ввел термины рецессивный и доминантный по отношению к чертам характера, для того, чтобы объяснить этот феномен. Так, в примере, зеленый признак был рецессивным, а желтый признак был доминирующим.

1866 – Грегор Мендель открывает базовые принципы генетики

В 1900 году, через 16 лет после его смерти исследования наследственных признаков гороха Грегора Менделя наконец восприняла широкая научная общественность.

Голландский ботаник и генетик Гуго де Фриз, немецкий ботаник и генетик Карл Эрих Корренс и австриец Эрих Чермак-Зейзенегг все самостоятельно переоткрыли работы Менделя и представили результаты экспериментов по гибридизации с похожими выводами.

В Великобритании, биолог Уильям Бейтсон стал ведущим теоретиком учения Менделя и вокруг него собралась восторженная группа последователей. История развития генетики потребовала три десятилетия чтобы в достаточной степени понять теорию Менделя и найти свое место в эволюционной теории и ввести термин: генетика как наука изучающая наследственную изменчивость .

Этические проблемы развития медицинской генетики

Этические проблемы развития медицинской генетики появились с начала 1900-х годов, когда зародилась наука евгеника (от греч. –«хороший род»). Смысл науки евгеники во влиянии на репродуктивные качества для определенных господствующих рас людей. Наука евгеника – особенно темная глава, которая свидетельствует об отсутствии понимания относительно нового открытие в то время. Термин “евгеника” был впервые использован около 1883 ссылаться на “науку” наследственность и воспитанность.

В 1900 году были переоткрыты теории Менделя, которые нашли регулярной статистической шаблон для характеристики человека как рост и цвет. В угаре исследования, которые последовали, одна мысль ответвляется в социальную теорию науки евгеники. Это было огромное народное движение в первой четверти 20-го века и была представлена как математическая наука, которая может предсказать черты характера и особенности человеческого существа.

Этические проблемы развития медицинской генетики возникли, когда исследователи заинтересовались контролем размножения человеческих существ, так что только люди с лучшими генами могли воспроизвести и улучшить вид. Сейчас это используется в качестве своего рода “научного” расизма, чтобы убедить людей, что некоторые расовые виды были выше других в плане чистоты, интеллекта и т. д. Это свидетельствует об опасностях, которые приходят с практикующей наукой евгеникой без истинного уважения к человечеству в целом.

Многие люди могли видеть, что дисциплина была пронизана неточностями, допущениями и противоречиями, а также поощрение дискриминации и расовой ненависти. Однако, в 1924 году движение получило политическую поддержку, когда Закон об иммиграции был принят большинством в Палате представителей и Сенате США. Закон ввел жесткие квоты на иммиграцию из стран для “низших” рас, таких как Южная Европа и Азия. Когда политический выигрыш и удобная наука евгеника объединили усилия появились этические проблемы развития медицинской генетики.

При продолжении научных исследований и внедрение бихевиоризма (наука о поведении) в 1913 году, популярность евгеники, наконец, начала падать. Ужасы институциональной евгеники в нацистской Германии, которые появились на свет во время 2-й мировой войны полностью уничтожили то, что осталось от движения.

Так, с конца 19 начала 20 века история развития генетики получила основные закономерности передачи наследственных признаков на растительных и животных организмах которые приложили в дальнейшем и к человеку.

Сейчас возникла наука , изучающая процесс старения организма.

Содержание статьи

ГЕНЕТИКА, наука, изучающая наследственность и изменчивость – свойства, присущие всем живым организмам. Бесконечное разнообразие видов растений, животных и микроорганизмов поддерживается тем, что каждый вид сохраняет в ряду поколений характерные для него черты: на холодном Севере и в жарких странах корова всегда рождает теленка, курица выводит цыплят, а пшеница воспроизводит пшеницу. При этом живые существа индивидуальны: все люди разные, все кошки чем-то отличаются друг от друга, и даже колоски пшеницы, если присмотреться к ним повнимательнее, имеют свои особенности. Два эти важнейшие свойства живых существ – быть похожими на своих родителей и отличаться от них – и составляют суть понятий «наследственность» и «изменчивость».

Истоки генетики

Истоки генетики, как и любой другой науки, следует искать в практике. С тех пор как люди занялись разведением животных и растений, они стали понимать, что признаки потомков зависят от свойств их родителей. Отбирая и скрещивая лучших особей, человек из поколения в поколение создавал породы животных и сорта растений с улучшенными свойствами. Бурное развитие племенного дела и растениеводства во второй половине 19 в. породило повышенный интерес к анализу феномена наследственности. В то время считали, что материальный субстрат наследственности – это гомогенное вещество, а наследственные субстанции родительских форм смешиваются у потомства подобно тому, как смешиваются друг с другом взаиморастворимые жидкости. Считалось также, что у животных и человека вещество наследственности каким-то образом связано с кровью: выражения «полукровка», «чистокровный» и др. сохранились до наших дней.

Неудивительно, что современники не обратили внимания на результаты работы настоятеля монастыря в Брно Грегора Менделя по скрещиванию гороха. Никто из тех, кто слушал доклад Менделя на заседании Общества естествоиспытателей и врачей в 1865, не сумел разгадать в каких-то «странных» количественных соотношениях, обнаруженных Менделем при анализе гибридов гороха, фундаментальные биологические законы, а в человеке, открывшем их, основателя новой науки – генетики. После 35 лет забвения работа Менделя была оценена по достоинству: его законы были переоткрыты в 1900, а его имя вошло в историю науки.

Законы генетики

Законы генетики, открытые Менделем, Морганом и плеядой их последователей, описывают передачу признаков от родителей к детям. Они утверждают, что все наследуемые признаки определяются генами. Каждый ген может быть представлен в одной или большем числе форм, названных аллелями. Все клетки организма, кроме половых, содержат по два аллеля каждого гена, т.е. являются диплоидными. Если два аллеля идентичны, организм называют гомозиготным по этому гену. Если аллели разные, организм называют гетерозиготным. Клетки, участвующие в половом размножении (гаметы), содержат только один аллель каждого гена, т.е. они гаплоидны. Половина гамет, производимых особью, несет один аллель, а половина – другой. Объединение двух гаплоидных гамет при оплодотворении приводит к образованию диплоидной зиготы, которая развивается во взрослый организм.

Гены – это определенные фрагменты ДНК; они организованы в хромосомы, находящиеся в ядре клетки. Каждый вид растений или животных имеет определенное число хромосом. У диплоидных организмов число хромосом парное, две хромосомы каждой пары называются гомологичными. Скажем, человек имеет 23 пары хромосом, при этом один гомолог каждой хромосомы получен от матери, а другой – от отца. Имеются и внеядерные гены (в митохондриях, а у растений – еще и в хлоропластах).

Особенности передачи наследственной информации определяются внутриклеточными процессами: митозом и мейозом. Митоз – это процесс распределения хромосом по дочерним клеткам в ходе клеточного деления. В результате митоза каждая хромосома родительской клетки удваивается и идентичные копии расходятся по дочерним клеткам; при этом наследственная информация полностью передается от одной клетки к двум дочерним. Так происходит деление клеток в онтогенезе, т.е. процессе индивидуального развития. Мейоз – это специфическая форма клеточного деления, которая имеет место только при образовании половых клеток, или гамет (сперматозоидов и яйцеклеток). В отличие от митоза, число хромосом в ходе мейоза уменьшается вдвое; в каждую дочернюю клетку попадает лишь одна из двух гомологичных хромосом каждой пары, так что в половине дочерних клеток присутствует один гомолог, в другой половине – другой; при этом хромосомы распределяются в гаметах независимо друг от друга. (Гены митохондрий и хлоропластов не следуют закону равного распределения при делении.) При слиянии двух гаплоидных гамет (оплодотворении) вновь восстанавливается число хромосом – образуется диплоидная зигота, которая от каждого из родителей получила по одинарному набору хромосом.

Методические подходы.

Благодаря каким особенностям методического подхода Мендель сумел сделать свои открытия? Для своих опытов по скрещиванию он выбрал линии гороха, отличающиеся по одному альтернативному признаку (семена гладкие или морщинистые, семядоли желтые или зеленые, форма боба выпуклая или с перетяжками и др.). Потомство от каждого скрещивания он анализировал количественно, т.е. подсчитывал число растений с этими признаками, что до него никто не делал. Благодаря этому подходу (выбору качественно различающихся признаков), который лег в основу всех последующих генетических исследований, Мендель показал, что признаки родителей не смешиваются у потомков, а передаются из поколения в поколение неизменными.

Заслуга Менделя состоит еще и в том, что он дал в руки генетиков мощный метод исследования наследственных признаков – гибридологический анализ, т.е. метод изучения генов путем анализа признаков потомков от определенных скрещиваний. В основе законов Менделя и гибридологического анализа лежат события, происходящие в мейозе: альтернативные аллели находятся в гомологичных хромосомах гибридов и потому расходятся поровну. Именно гибридологический анализ определяет требования к объектам общих генетических исследований: это должны быть легко культивируемые организмы, дающие многочисленное потомство и имеющие короткий репродуктивный период. Таким требованиям среди высших организмов отвечает плодовая мушка дрозофила – Drosophila melanogaster . На многие годы она стала излюбленным объектом генетических исследований. Усилиями генетиков разных стран на ней были открыты фундаментальные генетические явления. Было установлено, что гены расположены в хромосомах линейно и их распределение у потомков зависит от процессов мейоза; что гены, расположенные в одной и той же хромосоме, наследуются совместно (сцепление генов) и подвержены рекомбинации (кроссинговер). Открыты гены, локализованные в половых хромосомах, установлен характер их наследования, выявлены генетические основы определения пола. Обнаружено также, что гены не являются неизменными, а подвержены мутациям; что ген – сложная структура и имеется много форм (аллелей) одного и того же гена.

Затем объектом более скрупулезных генетических исследований стали микроорганизмы, на которых стали изучать молекулярные механизмы наследственности. Так, на кишечной палочке Escheriсhia coli было открыто явление бактериальной трансформации – включение ДНК, принадлежащей клетке донора, в клетку реципиента – и впервые доказано, что именно ДНК является носителем генов. Была открыта структура ДНК, расшифрован генетический код, выявлены молекулярные механизмы мутаций, рекомбинации, геномных перестроек, исследованы регуляция активности гена, явление перемещения элементов генома и др. (см . КЛЕТКА; НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ) . Наряду с указанными модельными организмами генетические исследования велись на множестве других видов, и универсальность основных генетических механизмов и методов их изучения была показана для всех организмов – от вирусов до человека.

Достижения и проблемы современной генетики.

На основе генетических исследований возникли новые области знания (молекулярная биология, молекулярная генетика), соответствующие биотехнологии (такие, как генная инженерия) и методы (например, полимеразная цепная реакция), позволяющие выделять и синтезировать нуклеотидные последовательности, встраивать их в геном, получать гибридные ДНК со свойствами, не существовавшими в природе. Получены многие препараты, без которых уже немыслима медицина (см . ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ) . Разработаны принципы выведения трансгенных растений и животных, обладающих признаками разных видов. Стало возможным характеризовать особей по многим полиморфным ДНК-маркерам: микросателлитам, нуклеотидным последовательностям и др. Большинство молекулярно-биологических методов не требуют гибридологического анализа. Однако при исследовании признаков, анализе маркеров и картировании генов этот классический метод генетики все еще необходим.

Как и любая другая наука, генетика была и остается оружием недобросовестных ученых и политиков. Такая ее ветвь, как евгеника, согласно которой развитие человека полностью определяется его генотипом, послужила основой для создания в 1930–1960-е годы расовых теорий и программ стерилизации. Напротив, отрицание роли генов и принятие идеи о доминирующей роли среды привело к прекращению генетических исследований в СССР с конца 1940-х до середины 1960-х годов. Сейчас возникают экологические и этические проблемы в связи с работами по созданию «химер» – трансгенных растений и животных, «копированию» животных путем пересадки клеточного ядра в оплодотворенную яйцеклетку, генетической «паспортизации» людей и т.п. В ведущих державах мира принимаются законы, ставящие целью предотвратить нежелательные последствия таких работ.

Современная генетика обеспечила новые возможности для исследования деятельности организма: с помощью индуцированных мутаций можно выключать и включать почти любые физиологические процессы, прерывать биосинтез белков в клетке, изменять морфогенез, останавливать развитие на определенной стадии. Мы теперь можем глубже исследовать популяционные и эволюционные процессы (см . ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА) , изучать наследственные болезни (см . ГЕНЕТИЧЕСКОЕ КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ) , проблему раковых заболеваний и многое другое. В последние годы бурное развитие молекулярно-биологических подходов и методов позволило генетикам не только расшифровать геномы многих организмов, но и конструировать живые существа с заданными свойствами. Таким образом, генетика открывает пути моделирования биологических процессов и способствует тому, что биология после длительного периода дробления на отдельные дисциплины вступает в эпоху объединения и синтеза знаний.

Реферат на тему: Генетика

ВВЕДЕНИЕ

1. ГЕНЕТИКА ПОЛА

1.1. Генетические механизмы формирования пола

1.2. Наследование признаков, сцепленных с полом

1.3. Наследование признаков, контролируемых полом

1.4. Хромосомная теория наследственности

1.5. Механизм сцепления

2. БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

2.1. Биотехнологии

2.2. Генная инженерия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В своем реферате я рассмотрю такие вопросы, как законы наследования, генную инженерию и биотехнологии.

Генетика является одной из самых прогрессивных наук естествознания. Ее достижения изменили естественнонаучное и во многом философское понимание явлений жизни. Роль генетики для практики селекции и медицины очень велика. Значение генетики для медицины будет возрастать с каждым годом, ибо генетика касается самых сокровенных сторон биологии и физиологии человека. Благодаря генетике, ее знаниям, разрабатываются методы лечения ряда наследственных заболеваний, таких, как фенилкетонурия, сахарный диабет и другие. Здесь медико-генетическая работа призвана облегчить страдания людей от действия дефектных генов, полученных ими от родителей. Внедряются в практику приемы медико-генетического консультирования и прентальной диагностики, что позволяет предупредить развитие наследственных заболеваний.

1. ГЕНЕТИКА ПОЛА

Пол - совокупность признаков, по которым производится специфическое разделение особей или клеток, основанное на морфологических и физиологических особенностях, позволяющее осуществлять в процессе полового размножения комбинирование в потомках наследственных задатков родителей.

Морфологические и физиологические признаки, по которым производится специфическое разделение особей, называется половым.

Признаки, связанные с формированием и функционированием половых клеток, называется первичными половыми признаками. Это гонады (яичники или семенники), их выводные протоки, добавочные железы полового аппарата, копулятивные органы. Все другие признаки, по которым один пол отличается од другого, получили название вторичных половых признаков. К ним относят: характер волосяного покрова, наличие и развитие молочных желез, строение скелета, тип развития подкожной жировой клетчатки, строение трубчатых костей и др.

1.1. Генетические механизмы формирования пола

Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием американскими цитологами у насекомых различия в форме, а иногда и в числе хромосом у особей разного пола (Мак-Кланг, 1906, Уилсон, 1906) и классическими опытами немецкого генетика Корренса по скрещиванию однодомного и двудомного видов брионии. Уилсон обнаружил, что у клопа Lydaeus turucus самки имеют 7 пар хромосом, у самцов же 6 пар одинаковых с самкой хромосом, а в седьмой паре одна хромосома такая же, как соответствующая хромосома самки, а другая маленькая.

Пара хромосом, которые у самца и самки разные, получила название идио, или гетерохромосомы, или половые хромосомы. У самки две одинаковые половые хромосомы, обозначаемые как Х-хромосомы, у самца одна Х-хромосома, другая - Y-хромосома. Остальные хромосомы одинаковые у самца и у самки, были названы аутосомами. Таким образом, хромосомная формула у самки названного клопа запишется 12A + XX, у самца 2A + XY. У ряда других организмов, хотя и существует в принципе тот же аппарат для определения пола, однако гетерозиготны в отношении реализаторов пола не мужские, а женские организмы. Особи мужского пола имеют две одинаковые половые хромосомы ZZ, а особи женского пола - ZO или ZW. ZZ-ZW тип определения пола наблюдается у бабочек, птиц, ZZ-ZO - ящериц, некоторых птиц.

Совершенно другой механизм определения пола, называемый гаплодиплоидный, широко распространен у пчел и муравьев. У этих организмов нет половых хромосом: самки - это диплоидные особи, а самцы (трутни) - гаплоидные. Самки развиваются из оплодотворенных яиц, а из неоплодотворенных развиваются трутни.

Человек в отношении определения пола относится к типу XX-XY. При гаметогенезе наблюдается типичное менделевское расщепление по половым хромосомам. каждая яйцеклетка содержит одну Х-хромосому, а другая половина - одну Y-хромосому. Пол потомка зависит от того, какой спермий оплодотворит яйцеклетку. Пол с генотипом ХХ называют гомогаметным, так как у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы, а пол с генотипом XY-гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-, а половина - Y-хромосому. У человека генотипический пол данного индивидума определяют, изучая неделящиеся клетки. Одна Х-хромосома всегда оказывается в активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии в виде плотного темно-окрашенного тельца, называемого тельцем Барра (факультативный гетерохроматин). Число телец Барра всегда на единицу меньше числа наличных х-хромосом, т.е. в мужском организме их нет вовсе, у женщин (ХХ) - одно. У человека Y-хромосома является генетически инертной, так как в ней очень мало генов. Однако влияние Y-хромосомы на детерминацию пола у человека очень сильное. Хромосомная структура мужчины 44A+XY и женщины 44A+XX такая же, как и у дрозофины, однако у человека особь кариотипом 44A+XD оказалась женщиной, а особь 44A+XXY мужчиной. В обоих случаях они проявляли дефекты развития, но все же пол определялся наличием или отсутствием y-хромосомы. Люди генотипа XXX2A представляют собой бесплодную женщину, с генотипом XXXY2A - бесплодных умственно отстающих мужчин. Такие генотипы возникают в результате нерасхождения половых хромосом, что приводит к нарушению развития (например, синдром Клайнфельтера (XXY). Нерасхождение хромосом изучаются как в мейозе, так и в нитозе. Нерасхождение может быть следствием физического сцепления Х-хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев.

Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен так называемый H-Y антиген, находящийся на поверхности клеток, несущих Y-хромосому. Единственной функцией его считается дифференцировка гонад. Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных гормонов, вырабатываемых гонадами. Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки организма, включая клетки гонад. Мутация всего одного Х-хромосомы, кодирующего белок-рецептор тестостерона, приводит к синдрому тестикумерной фелинизации особей XY. Клетки-мутанты не чувствительны в действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола. При этом внутренние половые органы оказываются недоразвитыми и такие особи полностью стерильные. Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих и человека взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.

Несмотря на то, что женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины - только одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке полностью инактивирована одна Х-хромосома (тельце Барра), о чем уже было сказано выше. Х-хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. при этом в разных клетках отцовская и материнская Х-хромосомы выключаются случайно. Состояние инактивации данной Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений. Таким образом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой мозаики (пример, черепаховые кошки).

Таким образом, пол человека представляет собой менделирующий признак, наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания. Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным полом (XX). В результате в природе обнаруживается наследственная дифференцировка организмов на мужской и женский пол и устойчивое сокращение во всех поколениях количественного равенства полов.

1.2. Наследование признаков, сцепленных с полом

Морган и его сотрудники заметили, что наследо­вание окраски глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой. При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F 1 , получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов. Однако при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в F 1 были получены в равном числе красно­глазые самцы и самки. При скрещива­нии этих мух F 1 , между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни одной белоглазой самки. Тот факт, что у самцов частота про­явления рецессивного признака была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х - хромосоме, а Y - хромосома лишена гена окраски глаз. Чтобы проверить эту гипотезу, Морган скрестил исходного белоглазого самца с красноглазой сам­кой из F 1 . В потомстве были по­лучены красноглазые и белоглазые самцы и самки. Из этого Морган справедливо заключил, что только Х - хромосома несет ген окраски глаз. В Y - хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это явле­ние известно под названием наследования, сцеплен­ного с полом.

Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с полом. В Х-хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет гомолога. Поэтому у особей мужского пола признаки, определяемые генами этого участка, проявляются даже в том случае, если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет объяснить наследование признаков, сцепленных с полом.

При локализации признаков как в аутосоме, так и в Х- b Y-хромосоме наблюдается полное сцепление с полом.

У человека около 60 генов наследуются в связи с Х-хромосомой, в том числе гемофелия, дальтонизм (цветовая слепота), мускульная дистрофия, потемнение эмали зубов, одна из форм агаммглобулинемии и другие. Наследование таких признаков отклоняется от закономерностей, установленных Г.Менделем. Х-хромосома закономерно переходит от одного пола к другому, при этом дочь наследует Х-хромосому отца, а сын Х-хромосому матери. Наследование, при котором сыновья наследуют признак матери, а дочери - признак отца получило, название крисс-кросс (или крест-накрест).

Известны нарушения цветового зрения, так называемая цветовая слепота. В основе появления этих дефектов зрения лежит действие ряда генов. Красно-зеленая слепота обычно называется дальтонизмом. Еще задолго до появления генетики в конце XVIII и в XIX в. было установлено, что цветовая слепота наследуется согласно вполне закономерным правилам. Так, если женщина, страдающая цветовой слепотой, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается очень своеобразная картина перекрестного наследования. Все дочери от такого брака получат признак отца, т.е. они имеют нормальное зрение, а все сыновья, получая признак матери, страдают цветовой слепотой (а-дальтонизм, сцепленный с Х-хромосомой) .

В том же случае, когда наоборот, отец является дальтоником, а мать имеет нормальное зрение, все дети оказываются нормальными. В отдельных браках, где мать и отец обладают нормальным зрением, половина сыновей может оказаться пораженными цветовой слепотой. В основном наличие цветовой слепоты чаще встречается у мужчин. Э.Вильсон объяснил наследование этого признака, предположив, что он локализовал в Х-хромосоме и что у человека гетерогаметным (XY) является мужской пол. Становится вполне понятным, что в браке гомозиготной нормальной женщины (Х а Х а) с мужчиной дальтоником (Х а y) все дети рождаются нормальными. Однако при этом, все дочери становятся скрытыми носителями дальтонизма, что может проявиться в последующих поколениях.

Другим примером наследования сцепленного с полом, может послужить рецессивныйполулетальный ген, вызывающий несвертываемость крови на воздухе - гемофилию. Это заболевание появляется почти исключительно только у мальчиков. При гемофилии нарушается образование фактора VIII, ускоряющего свертывание крови. ген, детерминирующий синтех фактора VIII, находится в участке Х-хромосомы, недоминантным нормальным и рецессивным мутантным. Возможны следующие генотипы и фенотипы:

В гомозиготном состоянии у женщин ген гемофилии летален.

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген. Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерей-носителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией.

Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии мы находим в родословной потомков английской королевы Виктории. Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. Среди унаследовавших это врожденное заболевание - цесаревич Алексей, сын последнего русского царя Николая II. Мать цесаревича, царица Александра Федоровна, получила от своей бабушки королевы Виктории ген гемофилии и передала его в четвертом поколении бывшему наследнику царского престола. Один из сцепленных с полом рецессивных генов вызывает особый тип мышечной дистрофии (тип Дюмена). Эта дистрофия проявляется в раннем детстве и постепенно ведет к инвалидности и смерти ранее 20-летнего возраста. Потому мужчины с дистрофией Дюмена не имеют потомства, а женщины гетерозиготные по гену этого заболевания, вполне нормальны.

Среди доминантных признаков, связанных с Х-хромосомой, можно указать на ген, который вызывает недостаточность органического фосфора в крови. В результате, при наличии этого гена, часто развивается рахит, устойчивый к лечению обычными дозами витамина А. В этом случае картина сцепленного с полом наследования заметно отличается от того хода передачи по поколениям, который был описан для рецессивных болезней. В браках девяти больных женщин со здоровыми мужчинами среди детей была половина больных девочек и половина мальчиков. Здесь, в соответствии с характером наследование доминантного гена, в Х-хромосомах произошло расщепление в отношении 1:1:1:1.

Другим примером доминантного гена, локализованного в Х-хромосоме человека, может послужить ген, вызывающий дефект зубов, приводящий к потемнению эмали зубов.

Так как гетерогаметный пол гемизиготен по сцепленным с полом генам, то эти гены всегда проявляются в их фенотипе, даже если они рецессивны. Большинство генов, имеющихся в Х-хромосоме, в Y-хромосоме отсутствует, однако определенную генетическую информацию она все-таки несет. Различают два типа такой информации: во-первых, содержащуюся в генах, присутствующих только в Y-хромосоме, и, во-вторых, в генах, присутствующих как в Y-, так и в Х-хромосоме (гемфрагический диатез).

Y-хромосома передается от отца всем его сыновьям, и только им. Следовательно, для генов, содержащихся только в Y-хромосоме, характерно голандрическое наследование, т.е они передаются от отца к сыну и проявляются у мужского пола.

У человека в Y-хромосоме содержатся по крайней мере три гена, один из которых необходим для дифференциации семенников, второй требуется для проявления антигена гистосовместимости, а третий оказывает влияние на размер зубов. Y-хромосома имеет немного признаков, среди которых есть патологические. Патологические признаки наследуются по параллельной схеме наследования (100%-ое проявление по мужской линии). К ним относят:

1) облысение;

2) гипертрихоз (оволосенение козелка ушной раковины в зрелом возрасте);

3) наличие перепонок на нижних конечностях;

4) ихтиоз (чешуйчатость и пятнистое утолщение кожи).

1.3. Наследование признаков, контролируемых полом

Имеется ряд признак, контролируемых генами, расположенными в аутосомах, однако для проявления этих признаков необходима определенная среда, создаваемая генами, находящимися в половых хромосомах (например, гены, определяющие мужские признаки, находятся в аутосомах, и их фенотипические эффекты маскируются наличием пары Х-хромосом, в присутствии одной Х-хромосомы мужские признаки проявляются. Такие признаки называются обусловленными или контролируемыми полом. Появление лысины - аутосомно-доминантный признак, но проявляется практически только у мужчин при наследовании, контролируемом полом, у женщин подавляются гены, детерминирующие рост бороды.

1.4. Хромосомная теория наследственности

В работах на плодовой мушке Drosophila melanogaster было установлено, что гены по признаку совместной их передачи потомкам подразделяются на 4 группы. Число таких групп сцепления равно количеству хромосом в гаплоидном наборе. Можно заключить, что развитие признаков, которые наследуются сцепленно, контролируется генами одной хромосомы. Этот вывод обосновывается также данными следующих наблюдений. Скрещивание серой мухи (В) с нормальными крыльями (V) и черной мухи (в) с зачаточными крыльями (v) дает в 1-ом поколении серых гибридов с нормальными крыльями B1V // bv . При скрещивании самца-гибрида 1-го поколения с черной самкой с зачаточными крыльями bb // vv рождаются особи 2 видов, аналогичных исходным родительским формам, причем в равном количестве.

Полученные в проведенных скрещиваниях данные нельзя объяснить независимым наследованием признаков. Рассматриваемые совместно результаты обоих скрещиваний убеждают в том, что развитие альтернативных признаков контролируется различными генами, и сцепленное наследование этих признаков объясняется локализацией генов в одной хромосоме.

Основные положения хромосомной теории наследственности, сформулированной Т.Г. Морганом, заключаются в следующем.

1. Гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

2. Аллельные гены занимают определенные и идентичные локусы гомологичных хромосом.

3. В хромосоме гены располагаются в определенной последовательности по ее длине в линейном порядке.

4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря чему имеет место сцепленное наследование некоторых признаков; сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

5. каждый биологический вид характеризуется специфичным набором хромосом кариотипом.

1.5. Механизм сцепления

Гены, локализованные в одной хромосоме, называют группой сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом.

Если две сцепленные пары генов находятся в одной гомологичной паре хромосом, то генотип запишется AB // ab .

Гены, находящиеся в одной паре гомологичных хромосом, наследуются вместе и не расходятся в потомстве, так как при гаметогенезе они обязательно попадают в одну гамету. Совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование называют сцеплением генов. Для наследования сцепленных генов, находящихся в половых хромосомах, имеет значение направление скрещивания.

Нужно иметь ввиду, что кроме истинного сцепления, могут встречаться явления, внешне сходные со сцеплением, нот отличные от него по природе: это так называемое ложное, межхромосомное сцепление, возникающее из-за нарушения свободного комбинирования негомологичных хромосом в мейозе. Такие случаи наблюдались в скрещиваниях линий лабораторных мышей и дрожжей. Предполагается, что такое сцепление между генами разных хромосом обязано тенденции последних к неслучайному расхождению в мейозе. Сцепленное наследование генов негомологичных хромосом обнаруживается также при межвидовых скрещиваниях в тех случаях, когда родительская комбинация хромосом оказывается физиологически совместимой. Ложное сцепление следует отличать от истинного сцепления генов, находящихся в одной хромосоме - в одной группе сцепления.

2. БИОТЕХНОЛОГИИ И ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

2.1. Биотехнологии

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология - это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия - это технология манипуляций с веществом наследственности - ДНК.

Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.

В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» на одном языке. Если передать в какую- либо клетку «чужеродную» ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.

Принципиальная особенность генной - способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В связи со сказанным интересна история получения интерферонов. В 1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.

В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны - группы белков, относящиеся к 3 классам - alpha, betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha , фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны выделили, очистили и показали их эффект как противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.

В 1980 - 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 - 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство - человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.

Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. За рубежом с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma - интерферонов человека.

Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой. Применяется с 1926 г. для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете. Для гормона роста и эритропоэтина отмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерия открыла новую возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин - стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.

В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.

Использование рекомбинантных белков человека - принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов - человек просто помогает ему.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, - трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.

Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х - США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами, модифицированными методом генной инженерии.

Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных - продуцентов биологически активных белков.

В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животное чувствует себя нормально, так как чужой ген работает только в процессе лактации.

В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, - реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап генной инженерии - создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.

Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это - биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, - получение акриламида из акрилонитрила.

CH2=CH–CN -> CH2=CH-C=0

Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.

До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желать лучшего.

В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.

Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большое количество паутины по сходной цене?

На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.

Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.

Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем - и в азотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».

2.2. Генная инженерия

На сегодняшний день существует несколько сотен генетически изменённых продуктов. Уже на протяжении нескольких лет их употребляют миллионы людей в большинстве стран мира. Есть данные, что подобными технологиями пользуются для получения продуктов, реализуемых через сеть McDonalds. Многие крупные концерны, типа Unilever, Nestle, Danon и другие используют для производства своих товаров генно-инженерные продукты и экспортируют их во многие страны мира. Но во многих странах такие продукты обязательно должны содержать на упаковке надпись «Сделано из генетически модифицированного продукта».

Некоторые считают, что, внося изменения в генный код растения или животного, учёные делают то же самое, что и сама природа. Абсолютно все живые организмы от бактерии до человека - это результат мутаций и естественного отбора.

Пример. Какое-либо растение выбросило несколько тысяч семян, и они проросли. Среди тысяч появившихся ростков некоторые обязательно будут отличаться от родителя, то есть фактически окажутся мутантами. Если изменения вредны для растения, то оно погибнет, а если полезны, то оно даст более приспособленное и совершенное потомство, и так может образоваться новый вид растения. Но если природе для образования новых видов требуется много сто- или тысячелетий, то учёные производят этот процесс за несколько лет. Какой-то принципиальной же разницы нет.

Самые распространенные - соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, кабачки. Эксперименты проводятся на подсолнечнике, сахарной свекле, табаке, винограде, деревьях и т. д. В тех странах, где пока нет разрешения на выращивание трансгенов, проводятся полевые испытания. Чаще всего культурные растения наделяют устойчивостью к гербицидам, насекомым или вирусам. Устойчивость к гербицидам позволяет «избранному» растению быть невосприимчивым к смертельным для других дозам химикатов. В результате поле очищается от всех лишних растений, то есть сорняков, а культуры, устойчивые или толерантные (терпимые) к гербицидам, выживают. Чаще всего компания, продающая семена подобных растений, предлагает в наборе и соответствующие гербициды. Устойчивая к насекомым флора становится поистине бесстрашной: например, непобедимый колорадский жук, съедая листик картофеля, погибает. Почти все такие растения содержат встроенный ген природного токсина - земляной бактерии Bacillus thuringiensis. Устойчивость к вирусу растение приобретает благодаря встроенному гену, взятому из этого же самого вируса.

Основная масса трансгенов культивируется в США, в Канаде, Аргентине, Китае, меньше - в других странах. Европа же очень озабочена. Под натиском общественности и организаций потребителей, которые хотят знать, что они едят, в некоторых странах введен мораторий на ввоз таких продуктов (Австрия, Франция, Греция, Великобритания, Люксембург). В других принято жесткое требование маркировать генетически измененное продовольствие.

Австрия и Люксембург запретили производство генных мутантов, а греческие фермеры под черными знаменами и с плакатами в руках ворвались на поля в Беотии, в Центральной Греции, и уничтожили плантации, на которых британская фирма «Зенека» экспериментировала с помидорами. 1300 английских школ исключили из своих меню пищу, содержащую трансгенные растения, а Франция очень неохотно и медленно дает одобрение на продажу любых новых продуктов с чужими генами. В ЕС разрешены только три вида генетически измененных растений, а если точнее - три сорта кукурузы.

Соя - пока единственная трансгенная культура, разрешенная к применению в России. На подходе - трансгенный картофель, кукуруза и сахарная свекла.

Если в 1996 году в мире под трансгенными культурами было занято 1,8 миллионов гектаров, то в 1999 году уже почти 40 миллионов. А в 2001 году, по прогнозам, будет не менее 60 миллионов. Это не считая Китая, который не дает официальной информации, но, по оценкам, около миллиона китайских фермеров выращивают трансгенный хлопок примерно на 35 млн. гектаров.

Первым искусственно изменённым продуктом стал помидор. Его новым свойством стала способность месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 градусов. Но как только такой помидор помещают в тепло, он за несколько часов становится спелым.

Американские компании Origen Therapeutics и Embrex планируют наладить массовое производство клонированных цыплят. Смысл всей затеи очевиден: тиражирование одной единственной жирной птички, которая мало ест, быстро растет и не болеет, представляется делом необыкновенно выгодным. Исследования, которые проводятся при поддержке Национального института науки и технологий, выделившего на проект 4,7 миллиона долларов, уже дали конкретные результаты. Технология клонирования в своем обычном виде, предполагающая перенос ядра клетки-донора в яйцеклетку с последующей ее имплантацией суррогатной матери, к птицам неприменима, поскольку, как известно, их эмбрионы развиваются не в матке, а в скорлупе. Генетические копии цыплят создаются иным образом. Ученые выделяют и размножают эмбриональные стволовые клетки донора, из которых с ростом эмбриона развиваются все ткани. Затем эти клетки имплантируются в обычное яйцо. Строго говоря, получающийся таким образом цыпленок является не генетической копией, а «химерой», поскольку вместе с донорскими клетками содержит и родные, те, что были в яйце. Однако ученые добились, чтобы донорских клеток было более 95 %, и даже создали 100-процентного клона. Для массового производства таких цыплят планируется использовать специальные машины, способные за час ввести инъекции в 50 тысяч яиц.

Американцы добились изменения клубники, тюльпанов. Вывели сорт картофеля, который при жарке впитывает меньше жира. Они же скоро планируют получить помидоры-гиганты кубической формы, чтобы их было легче упаковывать в ящики. Швейцарцы начали выращивать кукурузу, которая выделяет собственный яд против вредителей.

Был создан «помидор с жабрами» - помидор, в который для увеличения морозоустойчивости вживили ген североамериканской плоской рыбы. Кстати, именно этот гибрид овоща и рыбы получил кличку «завтрак Франкенштейна».

В Московском институте картофелеводства выводится картофель с человеческим интерфероном крови, который повышает иммунитет. А в Институте животноводства получен патент на овцу, у которой в молоке присутствует сычужный фермент, необходимый для производства сыра. Специалисты утверждают, что при новой технологии производства сыра, достаточно будет всего 200 овец, чтобы обеспечить сыром всю Россию.

Сегодня ученые работают над созданием «умных растений», которые могут посылать фермерам сигнал SOS, светиться, когда им не хватает воды или при первых признаках заболевания. Полным ходом идут работы по созданию пластмассы, которая бы разрушалась, попадая в окружающую среду - в масличные культуры вводят гены бактерий, позволяющие выращивать эту биоразлагаемую пластмассу прямо на полях. Недавно американцы заявили, что им удалось добавить в генную структуру обычного хлопка гены растений, цветущих голубым цветом. Появилась реальная возможность революционизировать рынок джинсовой ткани - красильное производство прекратит сброс в окружающую среду ядовитых сточных вод. Эта технология будет запущена в производство в 2005 году.

Эксперименты ведутся и в другой области - области запахов. Некоторые не любят запах роз, считая его слишком приторным, - для таких людей можно выращивать розы, благоухающие лимоном. Можно даже вырастить розу, издающую аромат духов Кельвина Клайна - манипуляции с генами, отвечающими за запах, позволяют вывести растения с любым ароматом.

1. По заверениям ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара удвоится. Пользуясь современными агрокультурами и агротехнологиями, прокормить такое количество людей будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозугодий вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, то остается механическая модификация генетического кода растений. Можно, например, добавить ген устойчивости к насекомым-вредителям или сделать растение более плодовитым. Это основной довод трансгенетиков.

2. С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.

3. Можно существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод.

4. Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. Ярким примером здесь является уже состоявшееся внедрение в геном кукурузы гена земляной бактерии Bacillus thuringiensis, уже снабжающего растение собственной защитой, так называемым Bt-токсином, и делающего по замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной.

5. Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.

6. Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее.

7. Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.

8. Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно – существенно продлить её; есть надежда найти гены, ответственные за старение организма и реконструировать их.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В реферате была рассмотрела очень интересная тема – генетика, генная инженерия и биотехнологии.

Таким образом, генетика занимает важное место в жизни человека. Именно она объясняет механизмы наследования признаков человека, как патологических, так и положительных. Так, пол человека - это менделирующий признак, наследуемый по принципу обратного скрещивания.

У женщин пол гетерогаметен (XY), у мужчин гомогаметен. Среди признаков, подчиняющихся законам Г. Менделя, существуют признаки наследуемые сцепленно. Однако сцепление часто бывает неполным, причина тому кроссинговер, который имеет важное биологическое значение - лежит в основе комбинативной изменчивости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ф. Антала, Дж. Кайгер, Современная генетика, Москва, “Мир”, 199, Т.1.

2. С.Г. Инге-Вечтомов, Генетика с основами селекции, Москва, “Высшая школа”, 1989.

3. Н.П. Дубинин, Общая генетика, Москва, “Наука”, 1970.

4. БМЭ, Москва, “Советская энциклопедия”, 1962г., Т.25.

5. Н. Грин, Биология, Москва, “Мир”, 1993.

6. А.П. Пеков, Биология и общая генетика, Москва, Издательство Российского универститета дружбы народов, 1994.

7. М.Е. Лобашев, Генетика, Ленинград, Издательство Ленинградского университета, 1967.

8. В.Н. Ярыгин, Биология, Москва, “Медицина”, 1985.

9. Ф. Кибернштерн, Гены и генетика, Москва, “Параграф”, 1995.

10. В.П. Балашов, Т.Н. Шеворокова, Задачник по медицинской генетике, Саранск, Издательство Мордовского университета, 1998.