V. Развитие генетики в XX веке.

5.1. Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

Современная генетика выросла на учении о наследственности, основоположником которой являлся австрийский ботаник, биолог и священник чешского происхождения Gregor Johann Mendel (1822 – 1884). Занимался вопросом гибридизации растений. Проводил опыты на горохе, использовав 29 000 растений. В 1865 г. издал работу о наследственности у растений, но никакого интереса у общественности она не вызвала. Сформулировал знаменитые законы Менделя:

- закон единообразия гибридов первого поколения. Выделение двух признаков – доминантного и рецессивного, первый подавляет последний. При скрещивание высоких растений и маленьких у Менделя никогда не появлялись растения среднего размера, а только высокие;

- закон расщепления признаков - при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1. В основе расщепления лежит учение о распределении доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определённом числовом соотношении. Рецессивный признак при этом может не исчезнуть, а передаться во второе поколение (сумасшествие может передаться через детей к внукам);

- закон независимого наследования признаков - при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (как и при моногибридном скрещивании).

5.2. Открытие самой ДНК принадлежит швейцарскому учёному по имени Friedrich Miescher (1844 – 1895). В 1869 г. из состава клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Сначала он назвал вещество "нуклеин", но, установив, что вещество обладает кислотными свойствами, назвал его нуклеиновой кислотой. Однако определить его функцию Мишер не смог, и вплоть до середины 20 века считалось, что функция ДНК – хранить запас фосфора в организме. Носителями биологической информации считались белки.

Ещё одно важное открытие было сделано в 1882 г. – немецкий учёный Walter Flemming (1843 – 1905) обнаружил хромосомы. На основе этого немецкий учёный Theodor Boveri (1862 – 1915) и англичанин Walter Sutton сформулировали хромосомную теорию наследственности, согласно которой делящаяся клетка передаёт новообразуемым клеткам часть своей генетической информации через хромосомы. Гены расположены в хромосомах. Теория Бовери и Саттона была подтверждена в 1912 г. американским биологом по имени Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945). Морган экспериментировал на плодовых мушках и на своих экспериментах полностью подтвердил теорию хромосомной наследственности, за что в 1933 г. получил НП.

5.3. В 1928 г. было совершено следующее крупное открытие в генетике. Автор – английский врач и основатель современной генетики Frederick Griffith (1879 – 1941).

В 1928 г. Гриффит провёл эксперимент на бактериях, чтобы опровергнуть теорию о том, что бактерии, как и вообще все виды на земле, неизменны и сохраняют свои свойства из поколения в поколение. Гриффит заражал мышей двумя штаммами пневмококков. Первый штамм являлся вирулентным и приводил к смерти мыши, второй был невирулентный, и мышь выживала. Гриффит с помощью высоких температур убивал вирулентный штамм, а затем уже убитый штамм добавлял к невирулентному. Смесь обоих штаммов приводила к смерти мыши, хотя невирулентный штамм уже был неактивен. Гриффит пришёл к выводу о том, что нагревание вирулентных бактерий приводило к их смерти, но от них оставалось что-то (что затем назвали ДНК), что захватывалось не смертельными бактериями и превращало их в смертельные. Т.о. Гриффит доказал, что бактерии способны передавать генетическую информацию.

5.4. Эксперименты Гриффита продолжили американские учёные Oswald Avery (1877 – 1955), Colin McLeod и Maclyn McCarty. В 1944 г. они произвели эксперимент, который, наконец, доказал, что вся информация о наследственности хранится в ДНК. Эйвери, Маклеод и Маккарти нагревали пневмококки, а затем извлекали из них основной белковый компонент, который растворяли в водно-солевом растворе. Как было на тот момент известно, образование антител в организме запускает полисахаридная капсула, именно на неё ученые и воздействовали с помощью специальных ферментов. Из неё была выделена дезоксирибонуклеиновая кислота. Учёные сначала стали активно воздействовать на другие компоненты клетки – РНК, белки и т.д., однако это воздействие никак не влияло на клетки бактерий. Затем стали воздействовать с помощью химических реагентов на выделенную ДНК, и было обнаружено, что при трансформации ДНК происходит и трансформация самой клетки. Так было доказано, что носителем генетической информации является именно ДНК.

5.5. В 1952 г. подобный эксперимент совершили американские учёные Alfred Hershey и Martha Cole Chase. Они использовали бактериофагов, которые состоят из белковой оболочки и ДНК, поэтому их легко использовать в эксперименте. Бактериофаги лопают бактерий => Херши и Чейз пометили одну группу бактерий радиоактивным фосфором, который содержится в ДНК, а другую группу бактерий пометили радиоактивной серой, которая входит в состав некоторых белков. Сожрав бактерии, одни бактериофаги получили меченые серой белки, а другие – меченые фосфором ДНК. После этого меченые бактериофаги помещались в культуру немеченых бактерий и инфицировали их. В итоге было установлено, что радиоактивный фосфор попадает в бактериальную клетку, а вот сера – нет. Соответственно, материалом, с помощью которого инфицировались бактерии – это ДНК, а не белок. Поскольку внутри инфицированных бактерий формируются полные вирусные частицы, содержащие белки вируса, данный опыт был признан одним из решающих доказательств того факта, что генетическая информация (информация о структуре белков) содержится в ДНК.

5.6. Несмотря на все эти эксперименты, ни точная структура ДНК, ни способ передачи генетической информации были неизвестны. Лишь в 1953 г. было сделано следующее крупное открытие. Одним из авторов открытия являлся британский микробиолог Francis Crick (1916 – 2004). Ему помогал другой крупный американский микробиолог James Watson (born 1928). Оба они работали в Кембридже и изучали воздействие рентгеновского излучения на ДНК, сделав её рентгенограмму. В 1953 г. на основе этой рентгенограммы Крик и Уотсон создали модель ДНК. Они доказали, что молекула ДНК имеет спиральную структуру, изучив вирус табачной мозаики. Свои исследования Крик и Уотсон производили тайно и фактически украли часть разработок у английского биофизика Rosalind Franklin. Розалинда Франклин занималась изучением структуры ДНК, но вышло так, что часть её разработок попала в руки Крика и Уотсона, которые впоследствии приписали их себе. Сама Франклин умерла в возрасте 37 лет от рака яичников, не успев получить Нобелевскую премию и признание за свои открытия. Крик и Уотсон же в 1962 г. получили премию. Однако без трудов Розалинды Фрэнклин, которая из-за слишком частой работы с радиацией заболела раком и умерла, Уотсон и Крик никогда бы не сделали своих открытий.

5.7. После открытия ДНК стало ясно, что последовательность чередования нуклеотидов в ДНК уникальна для каждого живого существа. На основе этой мысли возник метод геномной дактилоскопии, т.е. биологической идентификации индивидуума на основе ДНК. Метод ДНК-дактилоскопии был открыт в 1984 г. британским учёным по имени Alec Jeffreys (род. 1950). Именно он обнаружил, что цепочки ДНК у разных людей имеют уникальную последовательность нуклеотидов.

Впервые метод геномной дактилоскопии был использован в 1986 г., когда Джеффриз присутствовал на одном судебном процессе. Две 15-летние девушки были изнасилованы и убиты в одном городе, полиция арестовала парня с психическими отклонениями. Джеффриз не был уверен в том, что преступник найден, он решил собрать данные ДНК со всех жителей маленького городка и сравнить с ДНК, наёденном в телах изнасилованных девушек. Вскоре полиция узнала, что местный пекарь заплатил другому человеку, чтобы тот сдал анализы вместо него. Пекарь был тут же арестован и после непродолжительного допроса сознался в содеянном. Сдав анализы, Джеффриз быстро установил, что ДНК пекаря полностью совпадает с ДНК, обнаруженном на месте преступления. Однако в ВБ официальное использование данных ДНК в качестве доказательства было признано только в 1992 году.

В США впервые ДНК применялось в суде по делу американского футболиста и актёра O.J. Simpson. В 1995 г. он был обвинён в убийстве своей жены и её молодого любовника. Правда, ДНК, найденная на месте преступления, не смогла убедить судей в виновности Симпсона, и он был оправдан.

Сегодня геномная дактилоскопия используется в криминалистике, при проведении судебно-медицинских экспертиз, для установления отцовства. В качестве материала могут служить волос, слюна (от фильтра на сигарете), частицы кожи, капля кровь, зуб, т.е. любой биообъект самого малого количества. В медицине используется для определения совместимости донора и реципиента, выявления специфических микроорганизмов, в селекции растений и животных, для идентификации останков людей, в частности жертв катастроф, регуляции размножения животных в зоопарках, диагностирования таких заболеваний, как ВИЧ и хламидиоз, выявление генов, свидетельствующих о предрасположенности к раку и другим заболеваниям. За один только 2008 г. с помощью метода ДНК-дактилоскопии в мире было раскрыто 17 000 преступлений, в том числе 83 убийства и 184 изнасилования.

Для точности метода создаются целые базы ДНК, самая крупная – в Великобритании, она была учреждена в 1995 году и содержит 2,7 миллиона проб. По данным спецслужб ВБ, еженедельно раскрывается около 2 000 преступлений с помощью ДНК-дактилоскопии. Благодаря этому методу раскрывается до 90% таких преступлений, как кража со взломом, угон машины, грабёж. В США такая база данных была создана в 1998 г., она содержит более 800 000 генотипов. В Исландии же впервые создали базу данных, которая содержит генотипы всего населения страны (300 000 человек). Такие же базы данных создаются и в России.

5.8. В 1990 г. был запущен международные исследовательский проект "Геном человека", во главе его встал Джеймс Уотсон. Цель проекта – определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать до 25 000 генов в человеческом геноме. На проект было потрачено 3 миллиарда долларов, запущен проект был министерством энергетики США и Национальным институтом здравоохранения. В проекте, помимо США, также участвовали Китай, Франция, Германия, ВБ и Япония.

Исследования окончательно было закончены к 2003 г., хотя официально о завершении проекта было объявлено в 2000 г. В результате проекта было доказано, что геном человека содержит 23 пары хромосом и всего 36 463 гена, 24 пара хромосом отвечает за пол. Точность – 99,99%. Также было обнаружено, что лишь 2% ДНК отвечает за наследственность, остальное – неизвестно зачем, ДНК-мусор. Также проект занимался изучением воздействия радиации на геном человека. Исследование генома человека чрезвычайно важно для медицины, так как теперь можно будет диагностировать и лечить немалое количество наследственных и иных заболеваний, в частности рак, диабет.

В 2005 г. в США был запущен новый проект – по расшифровке генома рака. На сегодня известно более 300 генов, которые участвуют в образовании раковых клеток, всего же генов, ведущих к возникновению различных заболеваний, выявлено более 1 500, и уже придумано немало лекарств, которые помогают воздействовать на эти гены. Для выяснения вопроса о предрасположенности к тому или иному заболеванию сегодня существуют специальные генные тесты.

Исследования в области генетики могут помочь ответить на вопрос о том, каким именно образом происходит эволюция и почему именно так, а не иначе.

Генная терапия – восстановление и регенерация клеток, повреждённых по тем или иным причинам. Возможно восстановление таких клеток на основе ДНК.

Сегодня появилось также такое направление, как фармакогеномика. Исследование влияния генетической вариации каждого человека в его ответе на лекарственное средство. Это позволит обеспечить максимальную эффективность и минимизировать побочные эффекты. В будущем может возникнуть "персонифицированная медицина" – все лекарственные средства будут подходить под генетические характеристики каждого человека.

Генная инженерия и создание новых вакцин, в частности против свиного гриппа.

Генномодифицированные продукты.

5.9. Такое появляется направление, как пренатальная диагностика – комплексная дородовая диагностика с целью обнаружения патологий на стадии внутриутробного развития. Сегодня позволяет обнаружить более 98% плодов с синдромом Дауна, 40% нарушений развития сердца. Также пренатальная диагностика позволяет определить пол плода и отцовство на ранних стадиях беременности.

Есть ещё даже такое направление, как преимплантационная генетическая диагностика – диагностика генетических заболеваний эмбриона человека ещё до начала беременности. Проводится методом биопсии телец яйцеклетки до оплодотворения. Метод прост: яйцеклетка берётся от матери, в условиях лаборатории проводится оплодотворение сперматозоидами, на 5-6 сутки эмбрион переносится в матку. Переносятся только самые здоровые эмбрионы, в случае которых вероятность развития генетических заболеваний оценивается как минимальная.

Преимущества преимплантационной диагностики:

• Выбор и перенос в матку только тех эмбрионов, которые не имеют хромосомных патологий

• Снижение риска рождения ребёнка с определёнными генетическими дефектами

• Снижение риска невынашивания (примерно в 2 раза)

• Снижение риска многоплодия (примерно в 2 раза)

• Увеличение шанса на успешную имплантацию (примерно на 10 %)

• Увеличение шансов на благополучное рождение ребёнка (примерно на 15-20 %).

Риски:

• Риск случайного повреждения эмбриона (<1 %)

• Ошибочная диагностика (до 10 %)

• 3,5 % вероятности того, что эмбрион с патологией будет диагностирован как нормальный.

Этическая сторона генной инженерии.