Молекулалық биология және медициналық генетикаға кіріспе

Молекулалық биология пәні. Молекулалық биология – биологиялық объектілер мен жүйелерді молекулалық, ал кейбір жағдайларда осы шегіне жеткен деңгейде зерттеу арқылы тіршілік әрекеті құбылыстарының табиғатын тануды мақсат ететін ғылым. Бұл ретте соңғы мақсат-өмірдің тұқым қуалаушылық, өзгергіштік, көбею, биосинтез, қоздырғыштығы, өсуі және дамуы, ақпаратты сақтау және беру, энергияның түрленуі, қозғалғыштығы және т. б. сияқты тән көріністерін анықтау болып табылады. д., биологиялық маңызды заттар молекулаларының, бірінші кезекте жоғары молекулалық биополимерлердің — ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының негізгі кластарының құрылымымен, қасиеттерімен және өзара әрекеттесуімен байланысты. Молекулалық биологияның ерекше ерекшелігі-өмірдің ең қарапайым көріністеріне тән немесе жансыз объектілерде өмір құбылыстарын зерттеу. Бұл жасушалық деңгейдегі және одан төмен биологиялық түзілімдер: оқшауланған жасушалық ядро, митохондрия, рибосомалар, хромосомалар, жасушалық мембраналар; бұдан әрі — тірі және өлі табиғат шекарасында тұрған жүйелер-вирустар, оның ішінде бактериофагтар және тірі материяның маңызды компоненттерінің молекулаларымен ұштасқан — нуклеин қышқылы мен ақуыз. Молекулалық биология тұжырымдамасының негізінде ағзалар – бұл тірі материяның динамикалық түрлері, оның бөлшектері (молекулалары) мен күші, оларда әсер ететін, үздіксіз өзгереді және бір-бірімен және ашық ортамен өзара әрекеттеседі. Организмдердің әртүрлі түрінде болатын биологиялық процестер физика мен химияның жалпы заңдарына бағынады. Осыған байланысты молекулалардың құрылымын, сондай — ақ олардың жүйелерін зерттеу кезінде химиялық байланыстарға, химиялық реакциялардың кинетикасына және басқа да физикалық және химиялық ішкі және молекулааралық өзара іс-қимылдарға ерекше назар аудару керек. Алайда, ДНҚ молекулаларының белгілі бір стереохимиялық айырмашылықтары мен индивидуализациясы бір химиялық компоненттердің әр түрлі тізбектерде, қалыптарда, мөлшерлерде, жеке және әр түрлі өмір формаларының пайда болуын қамтамасыз ете отырып, бір-бірімен байланыстырылуына алып келеді. Биохимиялық зерттеудің соңғы нәтижесі химиялық теңдеулердің қандай да бір жүйесі түрінде ұсынылуы мүмкін, әдетте, олардың жазықтықтағы бейнесімен толық аяқталатын, яғни екі өлшемде. Молекулалық биологияның ерекшелігі-оның үшөлшемді. Молекулалық биологияның мәні м. Перуцпен молекулалық құрылым ұғымдарында биологиялық функцияларды түсіндіру үшін қарастырылады. Атомдар мен олардың топтастарының макромолекулдың жалпы құрылымында өзара орналасуы, олардың кеңістіктік өзара қатынастары шешуші рөлге ие болады. Бұл жеке, жеке, компоненттерге де, жалпы молекуланың жалпы конфигурациясына да қатысты. Биополимерлер молекуласының қатаң детерминирленген көлемді құрылымының пайда болуы нәтижесінде биологиялық функциялардың материалдық негізі болып табылатын қасиеттерге ие болады. Өміршеңді зерттеудің мұндай принципі молекулалық биологияның ең тән, типтік сипатын құрайды. Молекулалық Биологияны оқыту пәні вируленттіліктің молекулалық факторларын және иммунохимиялық ерекшеліктерді зерттеу болып табылады. Вирустың молекулалық факторлары. Микробтық макромолекулалардың және аса ірі құрылымдардың ерекше учаскелері мен компоненттері, жоғары ұйымдастырылған тірі бірліктегі Елеулі физикалық-химиялық, функционалдық және құрылымдық өзгерістерді тудыруы мүмкін, мысалы, адам сияқты вирусты фактор деп атауға болады. Неғұрлым жоғары дамыған қожайындарда өмір сүретін микроорганизмдерде паразит-қожайындардың негізгі байланыс механизмі иесінде де, паразиттерде де құрсақ өзгерістер тудыратын молекулалық деңгейде ерекше реакция болып табылады. Өзінің бір немесе бірнеше ферменттерін немесе иесімен паразит Ассоциациясы үшін және вирулентті агентті репродукциялау үшін қажетті құрылымдарын жоғалтқан вирулентті агент пен мутантты иеленуші арасындағы өзара іс-қимыл осындай құрту салдарларын тудырмайды. Әрине, вируленттілік шын мәнінде, конформация бойынша бірегей патогенді микроорганизмдердің суббірліктері мен сезімтал қожайында комплементарлы суббірліктердің арасындағы өзара әрекеттестікке байланысты. Осы өзара әрекеттесулердің нәтижесінде қожайында өмірлік маңызды биомолекулалар мен биоқұрылымдар бұзылады. Алайда, вируленттіліктің молекулалық табиғаты жеткіліксіз зерттелген. Иммунохимиялық ерекшеліктің молекулалық факторлары. Молекуланың иммунохимиялық қасиеттері екі негізгі фактордан тұрады. Біріншісі-иммуногенділік немесе молекула бетінің комплементарлы спецификалық аймақтарынан тұратын арнайы иммуноглобулиндердің түзілуін туғызу қабілеті. Екіншісі-иммуноглобулиннің макромолекулаларының стереохимиялық сайттарына, комплементарлы молекулаға тікелей бағытталған біріктіруге қабілеті. Кванттық иммунохимиядан, иммундық реакция иммундық компетентті жасушаның атомдарының электрондары антиген молекулаларынан энергия алған жағдайда индуцирленеді, соның нәтижесінде олар үлкен қуатпен қозғалған күйге ауысады. Энергияның сіңуі ұрпағының жасушаларына берілетін жасушаларда молекулалық қайта құруға әкеледі. Бұл жасушалар белгілі бір электрондық конфигурациялы иммуноглобулиндердің молекулаларын өндіреді, осының арқасында антигеннің бастапқы молекуласымен ерекше әсер ете алады. Тек энергия кванттарын сіңіру және беру нәтижесінде пайда болған және олардың электрондарының сыртқы орбиталдарының энергиясы бойынша ерекшеленетін антиген мен антиденелер молекулалары иммундық реакция өнімдерінің пайда болуымен өзара әрекеттесуі мүмкін. Иммуногендікті айқындау үшін молекулалардың сақиналы құрылымының болуы қажет. Мысалы, қарапайым қант пен олигосахаридтер, егер сақиналы құрылымды кем дегенде бір молекуланы қосса, иммуногендер болады. Белоктар мен пептидтер молекулаларының антигенділігі негізінен белокты немесе пептидті молекуланың бетінде орналасқан тирозин немесе глутамин сияқты белгілі бір амин қышқылдарының молекулаларының болуына байланысты. Молекуланың антигендік сипаты макромолекул бетіндегі аминқышқылдардың немесе моносахаридтердің орналасуымен, кеңістіктік конфигурациясымен және реттілігімен анықталады. Белокты макромолекулдағы иммунохимиялық белсенді учаске (сайт) – бұл амин қышқылдарының белгілі бір қалдықтары иммуноглобулиннің новосинтезирленетін молекуласына байланыс қашықтығына жақындап, шамамен 0.2 нм құрайтын учаске. Иммуноглобулиндер молекулаларының байланыстырушы орталығын шамамен 700 А0 терең емес қуыс түрінде көрнекі түрде көрсетуге болады. Антиденелер молекуласындағы иммуноглобулиндер класына байланысты екіден онға дейін байланыстырушы сайттар немесе комплементарлық аймақтар табуға болады. Молекулалық биологияның міндеттері. Практикалық сипаттағы маңызды міндеттердің қатарында, жауап молекулалық биологиядан күтілетін (М. б.), бірінші орында қатерлі өсудің молекулалық негіздерінің проблемасы, одан әрі — алдын алу жолдары, мүмкін, тұқым қуалайтын ауруларды — молекулалық ауруларды жеңу жолдары тұр. Биологиялық Катализдің молекулалық негіздерін, яғни ферменттердің әсерін анықтау үлкен маңызға ие болады. М. б. қазіргі заманғы маңызды бағыттардың қатарына жатады. гормондар, уытты және дәрілік заттар әсерінің молекулалық механизмдерін ажыратуға, сондай-ақ заттардың ену және тасымалдау процестерін реттеуге қатысатын биологиялық мембраналар сияқты жасушалық құрылымдардың молекулалық құрылысы мен қызмет етуінің бөлшектерін анықтауға ұмтылысты жатқызуға болады. Неғұрлым алыс мақсаттар М. б.— нерв процестерінің табиғатын, жады механизмдерін және т. б. тану. б.— гендік инженерия өзінің міндеті тірі организмдердің генетикалық аппаратын (геномын) микробтар мен төмен (бір жасушалы) және адамнан бастап (соңғы жағдайда ең алдымен тұқым қуалайтын ауруларды түбегейлі емдеу және генетикалық ақауларды түзету мақсатында) мақсатты түрде операция жасау болып табылады. Микробтарға, өсімдіктерге, мүмкін, а. ш. жануарларға қатысты мұндай перспективалар өте үмітсіз (мысалы. алу, ауадан азотты бекіту аппараты бар және тыңайтқыштарды қажет етпейтін дақылдық өсімдіктердің сорттарын алу). Олар қазірдің өзінде қол жеткізген жетістіктеріне негізделген: гендерді оқшаулау және синтездеу, гендерді бір ағзадан екіншісіне ауыстыру, шаруашылық немесе медициналық заттардың продуценттері ретінде жасушалардың жаппай дақылдарын қолдану.

Молекулалық биология және молекулалық генетика дамуының негізгі кезеңдері, олардың классикалық генетикамен байланысы. Молекулалық биология-биохимия, биофизика және биоорганикалық химиямен қамтылған зерттеулердің бұрыннан қалыптасқан бағыттарымен тығыз байланысты жаратылыстану саласының жаңа саласы. Мұнда тек қолданылатын әдістерді есепке алу негізінде және қолданылатын тәсілдердің принципті сипаты бойынша шектеу мүмкін болады. М. б. дамыған іргетас, өзінің даму бастауында м. б. генетика, биохимия, қарапайым процестердің физиологиясы және т. б. сияқты ғылымдармен салынды. молекулалық генетикамен тығыз байланысты, ол м. б. маңызды бөлігін құрайтын. дегенмен, дербес пән ретінде қалыптасты. Молекулалық деңгейде биологиялық мәселелерді зерттеудің үлкен маңызы өмір туралы ғылымдағы соңғы саты — тірі молекуланың физиологиясы туралы айтқан И. П. Павлов болжады. «Молекулалық биология» термині алғаш рет 40 жылдардың басында ағылшын ғалымы У. қолданылған. Астбери молекулалық құрылым мен фибриллярлық (талшықты) ақуыздардың физикалық және биологиялық қасиеттері арасындағы тәуелділікті анықтауға қатысты зерттеулерге қосымшадағы, мысалы, коллаген, қан фибрині немесе бұлшықеттердің жиырылу ақуыздары. «Молекулалық биология» термині 50-ші жж. бастап кеңінен қолданылады. қалыптасқан ғылым ретінде, 1953 жылы қабылданды. қашан Дж. Уотсон және Ф. Крик Кембриджде (Ұлыбритания) дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНК) үш өлшемді құрылымы ашылды. Бұл осы құрылымның бөлшектері тұқым қуалайтын ақпараттың материалдық тасығышы ретінде ДНҚ-ның биологиялық функцияларын қалай анықтайды деп айтуға мүмкіндік берді. Негізінде, ДНҚ-ның осы рөлі туралы бірнеше рет (1944) американдық генетика О. Т. Эйвери қызметкерлерімен жұмыс нәтижесінде белгілі болды, бірақ бұл функция ДНҚ молекулалық құрылысына қандай шамада байланысты екені белгісіз. Бұл У. Л. Брэгга, Дж. Бернал және т. б. белоктардың макромолекулаларының және нуклеин қышқылдарының кеңістіктік құрылысын егжей-тегжейлі тану үшін осы әдісті қолдануды қамтамасыз ететін рентгенқұрылымдық талдаудың жаңа принциптері әзірленді. 1957 Дж. Кендрю миоглобиннің үш өлшемді құрылымын орнатты, ал келесі жылдары бұл м. Перуцпен гемоглобинге қатысты жасалды. Макромолекулаларды кеңістіктік ұйымдастырудың түрлі деңгейлері туралы түсінік қалыптастырылды. Молекулалық үш өлшемді құрылым молекуланың биологиялық функцияларын ДНҚ қалай анықтайды? Сондай — ақ гемоглобин жағдайында оның биологиялық функциясы — өкпеде оттегіні қосып, одан кейін оны тіндерге беру қабілеті-гемоглобиннің үш өлшемді құрылымының ерекшеліктерімен және оған тән физиологиялық рөлді жүзеге асыру процесіндегі оның өзгерістерімен тығыз байланысты болды. О2 байланыстыру және диссоциациясы кезінде гемоглобин молекуласының конформациясының ондағы темір атомдарының оттегіге ұқсастығын өзгертуге әкелетін кеңістіктік өзгерістері орын алады. Тыныс алу кезінде кеуде қуысының көлемін өзгертетін гемоглобин молекуласының мөлшерінің өзгеруі гемоглобинді «молекулалық өкпе»деп атауға мүмкіндік берді. Тірі объектілердің ең маңызды белгілерінің бірі-олардың тіршілік әрекетінің барлық көріністерін нәзік реттеу қабілеті. М. б. ірі үлесімен. ғылыми ашылуларға аллостериялық әсер ретінде белгіленетін жаңа, бұрын белгісіз реттеуші механизмнің ашылуын есептеу керек. Ол төмен молекулалық масса заттарының қабілетіне негізделген. лигандов-макромолекулалардың, бірінші кезекте каталитикалық әсер ететін ақуыздар—ферменттер, гемоглобин, синаптикалық берілісте биологиялық мембраналарды құруға қатысатын рецепторлық ақуыздар. М. б көріністері аясында. өмір құбылыстарының жиынтығын үш ағынның ұштасуының нәтижесі ретінде қарастыруға болады: зат алмасу құбылыстарында өз өрнегін білдіретін материя ағыны, яғни ассимиляция және диссимиляция; тіршілік әрекетінің барлық көріністері үшін қозғаушы күш болып табылатын энергия ағыны; әрбір ағзаның даму және өмір сүру процестерінің барлық алуан түрлілігін ғана емес, сонымен қатар бір-бірін ауыстыратын ұрпақтардың үздіксіз алмасуын да қамтитын ақпарат ағынын да қамтиды. М. б. дамуымен тірі әлем туралы ілімге енгізілген ақпарат ағыны туралы түсінік, оған өзінің ерекше бірегей ізін салады. Молекулалық генетика( М. г.), генетиканың және молекулалық биологияның бөлімі, генетикалық ақпаратты беру, іске асыру және өзгерту процестерінің субжасушалық, молекулалық деңгейінде өтетін генетикалық ақпаратты, сондай-ақ оны сақтау тәсілін зерттеу жолымен тірі тіршілік тұқым қуалаушылығының және өзгергіштігінің материалдық негіздерін тану мақсаты болып табылады. М. г. 20 ғ. 40-шы жж. өзіндік бағыт ретінде бөлінді. биологияға Жаңа физикалық және химиялық әдістерді (рентгеноқұрылымдық талдау, хроматография, электрофорез, жоғары жылдамдықты Центрифугалау, электрондық микроскопия, радиоактивті изотоптарды пайдалану және т.б.) енгізуге байланысты, бұл жасушаның жекелеген компоненттерінің құрылысы мен функцияларын және бүкіл жасушаны бірыңғай жүйе ретінде зерттеуге мүмкіндік берді. Биологияға жаңа әдістермен физика мен химияның, математика мен кибернетиканың жаңа идеялары келді. М. г. тез дамуындағы үлкен рөл генетикалық зерттеулердің ауырлық орталығын жоғары организмдерден (эукариоттардан) — классикалық генетиканың негізгі объектілерінен, төмен (прокариоттардан) — бактерияларға және басқа да көптеген микроорганизмдерге, сондай-ақ вирустарға көшірді. Генетикалық мәселелерді шешу үшін өмір сүрудің неғұрлым қарапайым түрлерін пайдаланудың артықшылықтары осы түрлердегі ұрпақтардың тез ауысуынан және бір мезгілде дарақтардың үлкен санын зерттеу мүмкіндіктерінен тұрады; осының арқасында генетикалық талдаудың рұқсат ету қабілеті артады және оның дәлдігі артады. Сонымен қатар, бактерияларды және әсіресе вирустарды ұйымдастырудың салыстырмалы қарапайымдылығы генетикалық құбылыстардың молекулалық табиғатын анықтауды жеңілдетеді. Кейде м. г. ұқсастығы және Микроорганизмдер генетикасы туралы пікір қате. М. г. төменгі және жоғары организмдерде генетикалық процестердің молекулалық негіздерін зерттейді және микроорганизмдер генетикасында көрнекті орын алатын прокариоттардың жеке генетикасын қамтымайды. М. г. өзінің қысқа тарихы үшін тұқым қуалаушылық пен өзгергіштіктің табиғаты туралы түсініктерді тереңдете және кеңейте отырып, елеулі табыстарға жетті және генетиканың жетекші және тез дамып келе жатқан бағытына айналды. М. г. басты жетістіктерінің бірі-геннің химиялық табиғатын анықтау. Классикалық генетика организмдердің барлық тұқым қуалайтын потенциалдары (олардың генетикалық ақпараты) тұқым қуалаушылықтың дискретті бірліктерімен — гендермен, тар.об. локализацияланған жасушалық ядроның хромосомаларында, сондай-ақ цитоплазманың кейбір органеллдарында (пластидтерде, митохондрияларда және т. б.) анықталады деп анықтады. Алайда классикалық генетиканың әдістері гендердің химиялық табиғатын ашуға мүмкіндік бермеді, бұл 1928 жылы атап өтілді. көрнекті биолог Н. Молекулалық деңгейде тұқым қуалаушылық механизмін зерттеу қажеттілігін негіздеген К. Кольцов. Бұл бағыттағы алғашқы табысқа бактериялардың генетикалық өзгеруін зерттеу кезінде қол жеткізілді. 1944 жылы американдық ғалым О. Т. Қызметкерлермен Эйвери пневмококтардың бір штаммының тұқым қуалайтын белгілері басқасына берілуі мүмкін екенін анықтады, оның жасушаларына бірінші штаммнан бөлінген дезоксирибонуклеин қышқылын (ДНК) енгізу арқылы генетикалық тамаша штамм. Кейіннен ДНҚ көмегімен ұқсас генетикалық трансформация басқа бактерияларда, ал соңғы уақытта — кейбір көп клеткалы организмдерде (гүл өсімдіктері, жәндіктер) ашылды. Т. о., Гендер ДНҚ-дан тұрады. Бұл тұжырым құрамында ДНҚ бар вирустармен расталған: вирустың көбеюі үшін вирусты ДНҚ молекулаларын қабылдағыш иесі жасушасына енгізу жеткілікті; вирустың барлық басқа компоненттері (ақуыз, липидтер) жұқпалы қасиеттерінен айырылған және генетикалық инертті. ДНҚ орнына рибонуклеин қышқылы (РНК) бар вирустармен ұқсас тәжірибелер осындай гендердің вирустарында РНК-дан тұратынын көрсетті. ДНҚ және РНҚ генетикалық ролін анықтау нуклеин қышқылдарын биохимиялық, физика-химиялық және рентгенқұрылымдық әдістермен зерттеу үшін күшті стимул болды. 1953-да американдық ғалым Дж. Уотсон және ағылшын ғалымы Ф. Крик ДНҚ құрылымының моделін ұсынды, оның алып молекулалары апериодикалық, бірақ белгілі бір ретпен орналасқан нуклеотидтермен құрылған жіптердің жұптарынан тұратын қос спираль болып табылады деп болжайды. Бір жіптің әрбір нуклеотиді комплементарлық ереже бойынша екінші жіптің қарсы нуклеотидімен жұпталған. Көптеген эксперименттік деректер Уотсон және Крик гипотезасын растады. Кейінірек осындай құрылымды әртүрлі РНҚ молекулалары бар, тек олар көп бөлігі бір полинуклеотидті жіптен тұрады. Химиялық және физика-химиялық әдістер нақты генетикалық әдістермен (әртүрлі мутанттарды, Трансдукция, трансформация құбылыстарын пайдалану және т. б. д.), әртүрлі гендердің оларға кіретін нуклеотидтердің жұбы санымен (бірнеше ондықтан бір жарым мыңға дейін және одан да көп), сондай-ақ генетикалық ақпарат кодталған нуклеотидтердің әрбір ген үшін қатаң белгіленген тізбектілігімен ерекшеленетінін көрсетті. РНК— типті вирустарда РНК-дан тұратын химиялық құрылымға ұқсас гендер де бар. Классикалық генетика генді дискретті және бөлінбейтін тұқым қуалаушылықтың бірлігі ретінде қарастырды. Бұл тұжырымдаманы қайта қарау кезінде А. С. Серебровскийдің және оның оқушыларының 1930-шы жж. жұмыстары үлкен маңызға ие болды. геннің бөлінуі мүмкіндігін алғаш рет көрсеткен. Алайда классикалық генетика әдістерінің рұқсат ету қабілеті геннің жұқа құрылымын зерттеу үшін жеткіліксіз болды. Тек м. г. дамуымен ғана 50-60 жж. осы проблеманы шеше алды.

Химиялық табиғат және гендердің жұқа құрылысы туралы деректер оларды бөлу әдістерін әзірлеуге мүмкіндік берді. Алғаш рет бұл 1969 жылы орындалды. американдық ғалым Дж. Ішек таяқшасының гендерінің бірі үшін қызметкерлермен бэквит. Содан кейін кейбір жоғары организмдерде (қосмекенділер) жүзеге асыра алды. Айтарлықтай жетістік. М. ж. — геннің химиялық синтезі (кодирующего аланиновую көлік ашытқы РНҚ) жүзеге асырылған X. Құран 1968ж. Осы бағытта жұмыс жүргізілуде, бірқатар зертханалар. Ірі гендердің жасушадан тыс синтезі үшін кері транскрипция құбылысына негізделген жаңа биохимиялық әдістер табысты қолданылды. Осы әдістерді пайдалана отырып, с. Спигелмен, Д. Балтимор, П. Ледер және олардың қызметкерлері (АҚШ) 1972 жылы. гемоглобин генін синтездеді. Осылайша, М. г. ұрпақтары ата-аналардан алатын генетикалық ақпараттың қалай жазылғаны және сақталатыны туралы мәселені анықтап алды, бірақ әрбір жеке ген үшін осы ақпараттың нақты мазмұнының толық жазылуы әлі үлкен жұмысты талап етеді. ДНҚ құрылымын анықтау ДНҚ молекулаларының биосинтезін — олардың репликациясын эксперименттік зерттеу мүмкіндігін ашты. Бұл процесс жасушадан жасушаға және ұрпақтан ұрпаққа генетикалық ақпаратты беру негізінде жатыр, яғни гендердің салыстырмалы тұрақтылығын анықтайды. ДНҚ репликациясын зерттеу ДНҚ биосинтезінің матрицалық сипаты туралы маңызды қорытындыға әкелді: оны жүзеге асыру үшін ДНҚ дайын молекуласының болуы қажет, онда шаблонда (матрицада) сияқты ДНҚ жаңа молекулалары синтезделінеді. Бұл ретте ДНҚ қос спираль бұралады және оның әрбір жіптерінде жаңа, комплементарлы жіп синтезделінеді, сондықтан ДНҚ еншілес молекулалары бір ескі және бір жаңа жіптен тұрады (репликацияның жартылай консервативті түрі). ДНҚ-ның қос спиральының айналуын тудыратын ақуыз, сондай-ақ нуклеотидтердің биосинтезін және олардың бір-бірімен қосылуын («тігу») жүзеге асыратын ферменттер бөлінген. Әрине, жасушада ДНҚ синтезін реттейтін механизмдер бар. Мұндай реттеу жолдары көп жағдайда түсініксіз, бірақ ол генетикалық факторлармен үлкен дәрежеде анықталады. М. г. геннің белгіні қалай анықтайды, немесе генетикалық ақпараттың іске асырылуы қалай жүреді. 1941 Дж-да қалыптасқан алғышарттар болды. Бидлом және Э. Тейтем «бір ген — бір фермент»жағдайы. Бұл жағдай мынадай түрде сұрақ қоюға мүмкіндік берді: гендер, яғни іс жүзінде ДНҚ молекуласының учаскелері, осы организмге тән ақуыздардың химиялық құрылымы мен қасиеттерін анықтайды? ДНҚ және ақуыздың химиялық құрылымының ашылуы биополимерлердің осы екі түрін салыстыруға мүмкіндік берді, бұл генетикалық код концепциясына алып келді, соған сәйкес ДНҚ-да нуклеотидтердің 4 сортын алмастыру тәртібі ақуыз молекуласындағы амин қышқылдарының 20 сортын алмастыру тәртібін анықтайды. Ақуыз молекуласындағы амин қышқылдарының (оның бастапқы құрылымы) орналасу реттілігіне оның барлық қасиеттері байланысты. Генетикалық код негізделген принциптердің мағынасын ашу 1962-да жүзеге асырылды. ДНҚ тізбегіндегі нуклеотидтердің әрбір үштігі (триплет, кодон) синтезделген ақуыздың полипептидті тізбегінде осы орынды 20 аминқышқылдарының қайсысын анықтайды, яғни әрбір триплет белгілі бір аминқышқылды кодтайды. Кейінгі жұмыстар генетикалық кодты толық ашып, оның қасиеттерін анықтауға мүмкіндік берді. Толық жазылуы генетикалық код ойнады көрнекті рөлі анықталғаннан кейін тетігін биосинтезі ақуыз. 1961 жылы көрсеткеніндей. француз ғалымдары Ф. Жакоб пен Ж. Моно, бактериядағы ақуыз биосинтезі екі есе генетикалық БАҚЫЛАУДА. Олар оперон моделін ұсынды. М. г. дамуымен мутациялық процесті түсіну, яғни генетикалық ақпараттың өзгеруі терең болды. Мутациялар жекелеген нуклеотидтерді ауыстыру немесе ДНК молекуласындағы нуклеотидтерді қою немесе жоғалту болып табылады. Мутациялар ДНҚ репликациясы кезінде кездейсоқ қателердің салдарынан де, сондай — ақ зақымдайтын нуклеин қышқылдарының әртүрлі физикалық және химиялық агент-мутагендердің әсерінен де пайда болады. Репарацияны зерттеу тізбектелген рекомбинация механизмін зерттеудің жаңа тәсілдерін ашты (яғни бір хромосомада жатқан гендер) эволюцияда мутациялармен қатар маңызды рөл атқаратын комбинативті өзгергіштіктің себептерінің бірі болып табылады. Классикалық гендердің рекомбинациясы гомологиялық хромос учаскелермен (кроссингер) алмасу жолымен жүреді, бірақ мұндай алмасудың жұқа механизмі белгісіз болды. Соңғы жылдардағы эксперименталды деректер ДНҚ молекулаларының өзара әрекеттесуі кезінде болатын ферментативті процесс ретінде хлоромосомішілік және цитомегалия ішіндегі (шайыраралық) рекомбинацияны қарастыруға мүмкіндік береді. Рекомбинация актісі үзу және полинуклеотидті жіптер кесінділерінің жаңа үйлесімінде қосу жолымен жүзеге асырылады. М. г. өзінің тамаша жаңалықтарымен барлық биологиялық ғылымдарға жемісті әсер етті. Ол молекулалық биология өсуінің негізі болып табылады, биохимия, биофизика, цитология, микробиология, вирусология, даму биологиясы прогресін айтарлықтай тездетіп, өмір шығу тегі мен органикалық әлемнің эволюциясын түсінудің жаңа тәсілдерін ашты. Сонымен, Микроорганизмдер генетикасы саласындағы зерттеулер Жалпы биологиялық мәселелерді шешумен қатар өздерінің ерекше микробиологиялық міндеттері де бар. Олардың негізгілері микробтардың тұқым қуалаушылық және өзгергіштігінің молекулалық негіздерін тану, олардың тіршілік әрекетін басқару әдістері мен принциптерін әзірлеу және адам үшін пайдалы микробтардың түрлерін алу болып табылады. Медициналық микробиология міндеттеріне қатысты генетикалық зерттеулер микробтардың патогендігі мен иммуногенді қасиеттерін генетикалық негіздерді танып білу, осы деректер негізінде вакциналық штаммдарды, антибиотиктер продуценттерін алу және микробтардың зиянды әсерін жою мақсатында жүргізіледі. Микробтардың өзгергіштігінің көптеген зерттеулері, әрине, маңызды практикалық мәнге ие. Олар жұқпалы аурулардың нақты микробиологиялық диагнозын қоюға, вакцина өндіруге арналған неғұрлым толық штаммдарды таңдауға мүмкіндік береді. XX ғасырдың 80-жылдарының аяғында Д. Уотсон бастаған ғалымдар тобы (ДНК моделінің авторларының бірі) 1990 жылы басталған адам геномының мағынасын ашу бағдарламасын құрады. Сонымен қатар басқа организмдердің геномдары да зерттелді (820 түр). Алғашқы ірі жетістік 1995 жылы Haemophilus influenzae бактериясының геномасын толық картаға түсіру болды. Кейіннен 20 – дан астам бактерияның геномалары толық сипатталған, олардың ішінде туберкулез, бөртпе сүзек, мерез және т. б. қоздырғыштары 1996 жылы бірінші эукариотикалық жасушаның ДНК-ашытқы, ал 1998 жылы картографиялады. алғаш рет картирован геном многоклеточного ағза – дөңгелек құрт Caenorhabditis elegans. 1998 жылға қарай адамның 30 261 генінде нуклеотидтердің реттілігі анықталды,яғни адамның генетикалық ақпараты санаған кезде шамамен жартысы анықталды. Алынған деректер адам ағзасындағы гендердің функцияларын алғаш рет нақты бағалауға мүмкіндік берді. 1999 жылдың желтоқсанында Ұлыбритания мен Жапония зерттеушілері 22-ші хромосоманың құрылымын белгілегенін жариялады. Бұл адамның бірінші декодталған хромосомасы болды. Оның құрамында 33 млн жұп негіз бар және оның құрылымында 11 учаске шифрленбеген (ДНК ұзындығының шамамен 3%). Бұл хромосомалар үшін 545 геннің жартысы анықталды. Мысалы, бұл хромосоманың ақауымен 27 түрлі аурулар байланысты, олардың арасында шизофрения, миелоидты лейкемия және трисомия 22-екінші себебі бар. 2000 жылдың сәуірінде 21 хромосоманың құрылымы ашылып, 225 ген анықталды. Екі түрлі хромосомадағы гендердің саны туралы деректердің болуы, олардың үлесіне ДНК геномның 2% тиесілі, адам кариотиптегі гендердің жалпы санын 40 000 тең есептеуге мүмкіндік берді. 2001 жылдың ақпан айында адам геномының алдыңғы екі нұсқасы жарияланды. Бұл екі топты құраған көптеген ғалымдардың көпжылдық жұмысының нәтижесі. Олардың біріншісі — «Адам геномы» халықаралық коммерциялық емес жобасы — Human Genom Ргоyесt (НGP) — 20 зертхананы біріктірді, әлемнің түрлі елдерінен жүздеген ғалымдарды біріктірді. Бұл топ алдына адамның геномын шешу және жалпыға қолжетімді болуы мүмкін деректерді алу мақсатын қойды. «Целера Геномикс» (Селега Gеnomics) жеке компаниясы да өзінің алдына адам геномының мағынасын ашу міндетін қойды, бірақ коммерциялық негізде алынған ақпаратты ұсынуды жоспарлады. Екі нұсқасы да көптеген ақ дақтар мен дәлсіздіктер бар, сондықтан жұмыс жалғасуда. Дегенмен, алынған нәтижелерді адам геномымен басқа эукариоттардың (ашытқылар, құрттар, дрозофилалар шыбындары және өсімдіктер) геномдарымен салыстыруға рұқсат етті. Адам геномының жүйелілігі, басқа эукариоттар сияқты, белоктарды кодтайтын учаскелерден тұрады (? 2 %), РНК кодтайтын учаскелер (? 20 %), ал 50% — дан астам қайталанатын тізбектер құрайды, олар клондау қиын және сондықтан көптеген олқылықтар пайда болады. Сонымен, адам геномының көп бөлігі ақуызды кодтамайды. Бұл бөлікке тек РНК және ДНК қайталау бөліктерін кодтайтын фрагменттер кіреді. Адамның мыңдаған гендері тек РНК-ны транскриптейді және шығарады, ол ақуызды (нкРНК) кодтамайды. Сондай-ақ көлік РНК үшін 500-ге жуық ген анықталды. Рибосомальних РНК (рРНК) үшін толық тізбектер жоқ, алайда оларға трансляция кезінде пептидтік байланыстар құрудағы олардың рөлін ескере отырып қызығушылық өте үлкен. Сонымен қатар, 80-ге жуық кішкентай ядролық РНК сәйкестендірілді, олар жетілмеген РНК сплайсингіне, сондай-ақ процессингке қатысатын кіші ядролы РНК-ның жүздеген дерлік гендері қатысады.

Генетикалық полиморфизм адам үшін үлкен биологиялық мәнге ие. Мысалы, апоЕ4 генінің полиморфизмі Альцгеймер ауруы кезінде бляшек тығыздығын арттыруға ықпал етеді, ал СR 5 хемокин рецепторын кодтайтын геннің делециясы вирустарға қатысты адамның иммунитет тапшылығының тұрақтылығын арттырады. Бұл корецептор СD4 рецепторымен бірге вирустың т-лимфоцитіне ену және байланыстыру үшін қажет. Науқастар мен дені сау адамдарда жалғыз ауысулардың орналасуы мен жиілігін салыстырған кезде қандай да бір ауруға байланысты ауыстырулар анықталады. Мұндай салыстырулар мультифакториалды аурулардың дамуындағы белгілі бір гендердің рөлін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл бағыттағы зерттеулер өте перспективалы және қарқынды дамып келеді. 1994 жылы молекулалық биологияда жаңа термин — протеом пайда болды. Ол ағза жасушаларының өмір бойы синтезделген ақуыздардың барлық жиынтығын сипаттауға арналған. Ақуыздардың — гендердің жұмыс істеу өнімдерінің құрылымы мен функцияларын зерттеу саласы-протеомика атауын алды. Медицинадағы оның маңызы өте маңызды, өйткені әр түрлі аурулардың белоктық маркерлері сәйкестендіріледі. Сонымен қатар, дәрілік заттардың адам геномымен (фармакогеномика) өзара әрекеттесуінің әсерлерін зерттеу перспективалы. Ақуыздарды кодтайтын зерттелген гендер негізіндегі ақуыздардың бастапқы құрылымын ашып жазу гендердің сол немесе басқа өнімдерінің функцияларының ашылуын көрсетпейтінін атап өткен жөн. Бұған адам протеомына ұзақ жүйелі талдау жасалады. Белокты синтездейтін белгілі гендердің ролін анықтауда ақуыздардың бастапқы құрылымын эволюциялық дамудың әртүрлі деңгейіндегі өкілдерінен алынған белгілі және белгісіз функциялармен салыстыру үлкен маңызға ие. Бүгін мұндай жұмыс басталады. Ақуыздың бастапқы құрылымын анықтау негізінде оның нақты функциясын орнатуға болмайды. Дегенмен, геномды зерттеу ақуыз домендерінің пайда болуы, олардың тұқымдастарының кеңеюі, ақуыз және т. б. туралы маңызды ақпарат береді. «Геноме адам анықталды гендер, гомологичные осы геноме мухи (61 %), геноме құрт (43 %), геноме ашытқы (46 %). Бұл жасушадағы негізгі өмірлік процестерді кодтайтын гендердің негізгі жиынтығы: негізгі метаболизм, ДНҚ репликациясы және репарациясы, ақуыз биосинтезі. Сондай-ақ, 220-дан астам гендер анықталды, олардың өнімдері бактериялардың ақуыздарына ұқсас, бірақ ашытқылардың, өсімдіктердің, Омыртқасыздардың ақуыздарына ұқсас емес. Ең алдымен, бұл гендер адам геніне бактериялардан тасымалдау арқылы түскен. Адам және зерттелген Омыртқасыздардың геномын салыстыру организмдегі әртүрлі реттеушілік функцияларға жауап беретін гендердің едәуір көп санын анықтауға мүмкіндік берді: қорғау және иммунитет; орталық жүйке жүйесінің құрылымы мен функциялары; цитоскелетті құруға және везикулдардың қозғалысына қатысатын белоктар; дамудағы және гомеостаздағы ішкі және жасушааралық сигнал беру; транскрипция және трансляция; гемостаз; апоптоз және т.б. геномды секвенирлеу адам ауруларына «жауап беретін» гендерді зерттеуге түрткі болды. Гендер мен олардың өнімдері-ақуыздардың функционалдық жіктелуін жүргізу қажет болып табылады. Моногенді ауруларды тудыратын немесе аурудың пайда болу ықтималдығын арттыратын барлық гендер (923) патологиялық процесс пен клиникалық көріністерге қатысты олардың өнімдерінің функциялары бойынша сипатталды. Ең үлкен функционалдық топ ферменттер (31%) болды. Көлемі бойынша екінші топ-активаторлар мен тұрақтандырғыштар, полипептидті тізбектерді дұрыс орауға қатысатын ақуыздар (14 %). Топтардың кез келген қалдығы (рецепторлар, транскрипция факторлары, трансмембранды тасымалдаушылар және т.б.) ауру тудыратын барлық гендердің 10% — нан азын құрады. Гендік аурулар өнімдерінің қызметі мен науқастардың жасы арасындағы корреляциялық талдау ферменттер функциясының бұзылуымен байланысты аурулар дамудың барлық кезеңдерінде анықталатынын көрсетті. Сонымен қатар, транскрипциялық факторларды кодтайтын гендермен байланысты аурулар жатыр ішіндегі даму кезеңінде анықталады. Осылайша, адам геномының секвенденуі эволюция барысында-ашытқыдан адамға дейін геномның күрделенуін куәландырады. Алайда, гендердің саны тек 5 есе өсті. Күрделену ақуызды синтездейтін гендер емес, ақуыздардың көп санының пайда болуынан тұрады. Адам ағзасы белгілі құрылымдық құрылымдарды қолдана отырып, жаңа функциялары бар жаңа ақуыздарды жинайды. Мүмкін, бұған кейінгі үдерістердің күрделі механизмдерінің көмегімен қол жеткізіледі. Сипатталған жетістіктер әлі генетикалық «мәтіннің»мағынасын ашу емес екенін атап өткен жөн. Генетикалық мәтіннің нақты оқуы, оны молекулалардың тілінен адамның морфологиялық және функционалдық ерекшеліктері, оның аурулары сипаттамаларының тіліне аудару ғана басталады. Адам геномына қатысты осы және басқа да сұрақтарға жауап алу болашағы 2002 жылдың желтоқсанында пайда болды. Бұл алтыншы секвенирлік эукариотикалық ген және адамнан кейінгі екінші-сүтқоректілер. Адам мен тінтуір геномдарын салыстыру геномның эволюциясы мен қызметін жақсы түсінуге мүмкіндік береді. Алдын ала мәліметтер бойынша, тінтуірде ақуызды кодтайтын гендердің саны шамамен 27-35, 5 мың, ал жоғарыда көрсетілгендей адамда-30-40 мың. Мүмкін, жалпы ата-бабаның бастапқы геномының дивергенциясы оған 75-65 млн жыл басталды. Бұл ретте қайта құру жиілігі өте төмен болды, ал кейбір гендер іс жүзінде өзгеріссіз қалды, соның арқасында жалпы ата-бабадан біршама сақталған синтенді аудандарды тану мүмкін болды. Тінтуірде гендердің 99% — да адамның геномына ұқсас ретпен болады, олардың 96% — ы тінтуір мен адамның хромосомаларының синтентті учаскелерінің ішінде болады. Тінтуір геномында консервативті синтендік учаскелерді анықтау үшін 558 ортологиялық маркерлер анықталған. Екі геномды 342 синтенді сегментке бөлуге болады, яғни тінтуірдің хромосомасындағы маркерлер кезектілігі мен адамның бірдей тәртібі бар барынша ұзын учаскелер. Адам геномының 90,2% — ға жуығы және тінтуір геномының 93,3% — ы консервативті синтенді сегменттерден тұрады. Сонымен қатар, 217 синтенді блок анықталды. Синтті блок-адам мен тінтуірде бірдей хромосомада орналасқан, бірақ орналасу немесе бағдарлау тәртібімен ерекшеленуі мүмкін бір немесе одан да көп синтті сегменттер. Мысалы, Х-хромосома-тұтас синтентті блок, ал 20 адамның хромосомасы, шағын орталық сегменттен басқа, толығымен 2 тінтірдің хромосомасына жауап береді. 17 адамның хромосомасы 11 тінтуірдің хромосомасының бөлігіне жауап береді. Адамның басқа хромосомалары мен тінтуірдің арасында әлдеқайда көп. Тінтуір мен адам геномдарының консервативті синтенді сегменттерінің картасы бір геномды екінші геномға түрлендіру үшін қажетті қайта құрулардың ең аз санын болжауға мүмкіндік берді. 342 синтті сегменттерді есепке ала отырып, бұл өте қарапайым есептерде — 295 қайта құру. Кейбір жерлерде хромосом қайта құру қайта жүргізілуі мүмкін. Геном білімінің негізінде сүтқоректілердің тек екі түрі ғана жалпы ізашардың хромосомаларындағы гендердің тәртібін анықтау немесе қайта құрудың дәл реттілігін қалпына келтіру мүмкін емес. Адам геномының 40 % дерлік нуклеотидті деңгейде тінтуірдің геномы болып табылады. Мүмкін, бұл ортақ ата-бабадан сақталған ортологиялық тізбектер. Тінтуір геномының 1% кем адам геномында гомологиялық учаскелері жоқ және керісінше. Сондай-ақ 78,5% жағдайда аминқышқыл тізбегінің ұқсастығы туралы қорытынды жасалды. Ол шамамен 13 мың адам мен тінтуір генінің ұқсастығына негізделген. Тінтуірдің геномын талдау және оны адам геномымен салыстыру адамның жаңа гендерін анықтауға мүмкіндік берді, мысалы, липидтердің метаболизміне қатысатын АРОА-АРОАV тобының жаңа гені сияқты тінтуірдің нуклеотидтік тізбегін және хромосома синтендік учаскесін салыстыру кезінде 11 адам анықталды. Екі түр геномдарын салыстыру мутациялық және селективті қысым арасындағы айырмашылықты қоса алғанда, геном қалыптастырған механизмдер арасындағы айырмашылықты анықтауға мүмкіндік берді. Тышқанның геномында гендердің экспансиясы анықталды, олар репродукцияға, қорлауға, қорғауға «жауап береді». Екі геномды салыстырғанда жаңа мәселелер де пайда болды. Қайталанатын тізбектердің осындай түрлері екі ағзаның геномының тиісті учаскелерінде жинақталатыны анықталды, бұл транспозондармен геномның қайта құрылуына әсер ететін кейбір қосымша факторлар туралы куәландырады. Тінтуір геномын секвенирлеуді аяқтау маңызды практикалық мәнге ие. Ол адамның биологиялық процестері мен ауруларын дәлірек модельдеуге мүмкіндік береді. Зертханалық тінтуір — адамның әрбір генін манипуляциялауға рұқсат беретін адамның геномына тәжірибелік кілт. Тінтуір XX ст. бойы зертханалық зерттеу объектісі ретінде пайдаланылады. Инбредті сызықтардың тышқандарында көптеген эксперименттер жүргізілді, бірақ тышқандардағы экспериментте алынған деректер адамға, әсіресе медициналық аспектілерге қатысты үнемі экстраполяциялауға болмайды. Тінтуірдің эмбрионына Zn-тәуелді промотордың бақылауымен егеуқұйрықтың өсу гормонының генін енгізген кезде алғашқысы 1982 жылы алынған трансгенних тінтуір жасау арқылы ішінара рұқсат етілген. 1989 жылы эмбрионалды дің жасушаларында геннің таңдаулы инактивациясы бар бірінші «нокаут» тышқаны құрды. Адам мен тінтуірдің нуклеотидтік тізбектері мен синтендік учаскелерін білу адамның белгілі бір гендерін мақсатты түрде қоюға немесе тінтуір ДНҚ-ның осындай бөліктерін белсендіруге мүмкіндік береді. Мұндай тіндердің фенотиптерін талдау адамның жеке гендерінің қазіргі белгісіз функциясын анықтауға мүмкіндік береді.

Басқа да ұқсас мәліметтер

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *