Введение в строение генома человека

Проекты жизни преобладающего большинства живущих на Земле сохраняются в последовательности нуклеотидов молекул ДНК, организованных в хромосомы. Этот проект вмещается на одной или нескольких молекулах ДН К, объединяемых в понятие геном клетки или организма. Проект жизни переходит от поколения к поколению. Это наследование требует точного копирования ДНК клетки. При этом каждый сегмент ДНК должен быть скопирован только один раз. Копируемая ДНК распределяется между двумя дочерними клетками так, чтобы каждая получила одну точную копию всей информации.

Геномы находятся в постоянном движении. Существует много причин, вызывающих изменения генома. Мутации возникают при воздействии факторов окружающей среды. Происходит постоянный обмен участками гомологичных последовательностей молекул ДНК (рекомбинация). ДНК одного организма может вторгаться в геном другого. Короткие или длинные последовательности нуклеотидов в ДНК могут быть при определенных условиях многократно размножены. Эти перемены в геноме могут способствовать развитию организмов и эволюционному совершенствованию, могут быть нейтральными и не оказывать существенного влияния на организм или могут приводить к нарушению процессов жизнедеятельности и даже гибели клетки или организма. Внимание врача в значительной степени привлекают последние. Они могут быть непосредственной причиной болезни или накладывать отпечаток индивидуальности на течение болезни. Знание этих особенностей одно из условий успеха врачебного вмешательства.

От предположений до проекта «Геном человека»

Основные положения о законах передачи генетической информации были открыты с использованием методов экспериментальной биологии. Молекулярные основы этого процесса были изучены значительно позже и связаны с исследованиями по трансформации бактерий.

В мае 1953 года Д. Уотсон, Ф.Крик и М. Уилкинс предложили модель структуры молекул ДНК, из которой вытекал принцип синтеза молекул и следовательно принцип передачи наследственной информации. В статье, посвященной структуре они отметили: " не обошло нашего внимания то, что специфическое спаривание, постулированное нами, непосредственно предлагает возможный механизм копирования генетического материала".

Комплементарный характер взаимодействия между цепями полинуклеотидов в молекуле ДНК предполагал полуконсервативный синтез дочерних ДНК, при котором синтезируемая дочерняя молекула ДНК должна была состоять из одной материнской и

Р ис.8.21. Размер геномов у разных видов живых организмов

другой синтезированной заново цепи полинуклеотидов. Это предсказание было блестяще подтверждено работами Мэтью Мезелсона и Фрэнка Сталя в конце 1958.

В 1956 г. Артур Корнберг из 100 кг биомассы E. coli выделил 0.5 г фермента, участвующего в синтезе ДНК - ДНК-полимеразу. Этот фермент, как потом оказалось, не был основным в механизмах репликации, однако исследование его свойств позволили понять общие принципы синтеза ДНК. Все ДНК полимеразы используют в качестве субстратов дезоксирибонуклеотид трифосфаты (дАТФ, ТТФ, дГТФ, дЦТФ), требуют для начала работы затравочного количества РНК и не катализируют реакцию без матричной ДНК.

Одновременно с изучением синтеза ДНК ведутся исследования распада этих молекул. Выделены многочисленные нуклеазы, катализирующие гидролиз фосфодиэфирных связей в молекуле ДНК. Среди них особое внимание уделяется нуклеазам, обладающим высокой специфичностью действия. Такие нуклеазы выделены у бактерий, где эти ферменты выполняют важную роль в защите от чужеродных ДНК. Они получили название рестрикционных нуклеаз или рестриктаз. И ДНК- полимеразы и рестриктазы стали хорошим инструментов в руках молекулярного биолога для изучения структуры и функции нуклеиновых кислот. Цепная полимеразная реакция позволяет размножать небольшие отрезки ДНК, рестриктазы – своеобразный хирургический инструмент при работе с ДНК- стали неотъемлемой частью методов генной инженерии. Электрофорез нуклеотидов в высоко пористых гелях позволил разделять нуклеотиды, отличающиеся между собой на один мононуклеотид. Все это стало предпосылкой для подхода к расшифровке генома человека. Начало третьего тысячелетия ознаменовалось сообщением о последовательности нуклеотидов во всех ДНК клетки человека. За неполные 100 лет человечество прошло путь от догадки о значении ДНК до установления последовательности всего генома человека.