Нуклеїнові кислоти Вступна частина

Тема 1. Особливості первинної структури нуклеїнових кислот

Початок історії вивчення природи генетичного матеріалу

Вперше дослідження хімічної природи генів почалися ще в 1869 році з дослідів Фрідріха Мейшера в місті Тюбінген, Германія. Він ізолював ядра з клітин гнійних відкладень (білих кров’яних тілець) на використаних перев’язочних матеріалах. Мейшер виявив, що дані ядра містили певну фосфор-вмісну речовину, яку він назвав нуклеїном. Нуклеїн складався в основному з хроматину, який являв собою комплекс ДНК з хромосомними білками. Саме з терміну «нуклеїн» і походить пізніше встановлена назва «нуклеїнові кислоти».

В кінці 19 століття, обидва види нуклеїнових кислот вже були виділені і очищені від хромосомних білків. На початку 30-их рр. 20 ст. Левін та Якобс продемонстрували, що РНК складається з цукру (рибози) та чотирьох азот-вмісних основ, а ДНК – з дезоксирибози та 4 основ. Також було виявлено, що кожна основа поєднана з фосфорильованим цукром у складі нуклеотиду.

Доказом того, що саме ДНК є основою генетичного матеріалу, стали дослідження Фредеріка Гріффіна у 1928 році. Експерименти полягали у трансформації пневмококів. Дикий тип цих бактерій являє собою сферичну клітину, оточену мукозною капсулою, такі клітини формують великі блискучі колонії, що називаються гладенькими (слайд 2а) або S-колоніями. Ці клітини є вірулентними, оскільки викликають летальну форму інфекції у мишей. Інший мутантний тип штаму цієї ж бактерії втратив можливість формувати капсули, такі клітини швидко знищуються лімфоцитами мишей через відсутність захисту. Тому вони є авірулентним, і ростуть у вигляді малих шорстких R-колоній (слайд 2б). Знахідкою Гріффіна був той факт, що інактивовані нагріванням вірулентні колонії пневмококів мали здатність трансформувати невірулентні інтактні форми на вірулентні (з капсулою). Разом обидві форми (інактивовані вірулентні та активні невірулентні) мали здатність індукувати патогенний процес, хоча поодинці жодна з форм не діяла. Отже, якимсь чином невірулентні форми отримували вірулентність від інактивованих S-колоній. Причому така здатність зберігалась у подальших поколіннях бактерій. Схема експерименту представлена на слайді 3. Таким чином, було виявлено існування спадкового фактора вірулентності, еквівалентом якого був саме ген вірулентності. Але про структуру даного фактору на той час було мало що відомо.

В 1944 році Освальд Ейвері, Колін МакЛеод та Меклін МакКарті розібралися з природою невідомого фактора спадковості. Вони повторили трансформаційний експеримент, одначе зосередилися на з’ясуванні структури даного фактора, виділеного з вірулентних форм бактерій. Спочатку вони позбавилися білку в екстракті за допомогою органічних розчинників, і виявили, що екстракт не втратив трансформаційної здатності. Потім було проведене розщеплення екстракту різними формами ферментів, причому виявилося, що трипсин та хімотрипсин не мають ефекту на трансформаційну здатність, так само, як і рибонуклеаза. Одначе ДНК-аза виявилася здатною інактивувати трансформаційну активність екстракту з пневмококів. Таким чином, ДНК виявилась єдиним кандидатом на роль фактора трансформації.

У 1953 році Уотсон та Крик постулювали модель подвійного хеліксу у якості структури ДНК, що розвіяло останні сумніви у тому, що саме ДНК є основою генного матеріалу. Перед цим, у 1950 році Чаргафф розробив відомі правила комбінації співвідношень пар основ в молекулі ДНК і виявив, що основи зустрічаються не у рівних пропорціях у складі ДНК і що співвідношення якісного складу основ різниться у різних видів організмів.

Пізніше Ролін Хотчкіс показав, що очищена від білку фракція ДНК може бути трансформуючим фактором і не лише у відношенні передачі гену формування капсули бактерій.

У 1952 році Херслі та Чейз на експериментах з використанням бактеріофагів Т2 та Е. соli показали (слайд 2), що гени фагу здатні проникати всередину бактерії і індукувати синтез нових вірусних часточок. Причому, як було показано різними методиками мічених елементів (₃₂P для ДНК та ₃₅S для білку), в бактерію проникає лише ДНК, а більша частина білку залишається назовні (слайд 4). Отже саме в ДНК, а не в білку, міститься генний матеріал.