Лекція 2

Молекулярні основи спадковості

Докази генетичної ролі ДНК.- Структура нуклеїнових

кислот.-Реплікація ДНК.- Репарація ДНК.

2.1. Докази генетичної ролі днк

Хромосоми разом із генами становлять безперервний ряд відтворення. Перша схема відтворення хромосом була запропонована М.К.Кольцовим у 1928р., який висунув постулат: «Omnis molecula e molecula» (кожна молекула від молекули), тобто макромолекули клітини, до яких належать білки і нуклеїнові кислоти, повинні відтворюватися за матричним циклом. Генетичні функції хромосом, такі як здатність визначати розвиток тих чи інших ознак, здатність до самовідтворення до початку 40-х років ХХст. більшість дослідників зв'язувала з білками. Але в 50-х роках минулого століття були отримані докази генетичної ролі нуклеїнових кислот.

Першим прямим доказом генетичної ролі ДНК була здатність переносити спадкові властивості у пневмококів. Трансформацію Diplococcus pneumoniae відкрив бактеріолог Ф.Гриффітс у 1928 році.

Відомо два типи штамів пневмококів, які різняться за характером росту на твердих середовищах і одночасно за властивостями патогенності по відношенню до піддослідних мишей. S-форма пневмококів утворює на агарі гладенькі світлі колонії завдяки тому, що клітини оточені полісахаридною капсулою. Ця форма патогенна для мишей, тому що полісахаридна капсула захищає бактеріальні клітини від імунної системи зараженої тварини. Миші, яким вводили живі клітини S-форми пневмокока, гинули. За антигенними властивостями капсули бувають кількох типів S-форм: SI, SІІ, SIII тощо (рис..1).

Інша форма пневмокока-R-форма-не має капсули, утворює жорсткі колонії і непатогенна для мишей. Відомі рідкісні мутаційні взаємоперетворення S- і R-форм. При цьому мутації R(-) S завжди специфічні: SI(-) RІ, SII(-) RII тощо. Ф. Гриффітс виявив, що якщо мишам ввести вбиті при нагріванні до 65 °С клітини форми SIII і одночасно живі клітини форми RII, то миші гинуть, а з їхніх трупів виділяються клітини форми SIII. У контрольних експериментах миші, заражені тільки вбитою формою SIII або тільки живою формою RII, не хворіли, тобто живі клітини RII трансформуються при наявності вбитих нагріванням клітин SIII і тому набувають властивостей патогенності. Отже, досліди Гриффітса з'ясували існування деякого трансформуючого початку, хоча хімічна природа речовини, яка забезпечує стійке перетворення, що успадковується в нащадках бактерій одного типу, залишається невідомою.

Тільки в 1944р. О.Ейвері, К.Маклеод і Д.Маккарті, вивчаючи трансформацію різних типів D.pneumoniae in vitro, ідентифікували трансформуючий агент ДНК.

О.Ейвері, К Маклеод і Д Маккарті назвали такий переніс ДНК і, як наслідок, експресію перенесених генів трансформацією (включення чужерідної ДНК в геном клітини-господаря, що призводить до зміни її структурних і функціональних властивостей). Зараз це загальна лабораторна процедура у молекулярній біології.

При використанні цього терміну у сучасній біотехнології є певні нюанси. Історично "трансформація" означала фенотипові зміни, які викликані експресією чужорідного гену в організмі. А процес переносу чужорідної ДНК називали "трансфекцією".

Втім, в тваринній генній інженерії залишився термін трансфекція, який означає переніс молекулярного вектору, що містить ген, в клітину, що не призводить до вбудовування його в геном. Натомість в рослинній біології подібний термін не прижився і в випадку переносу вектора без вбудовування гену в геном називають транзієнтною, тобто тимчасовою трасформацією.

У випадку бактерій, термін «трансформація» не використовується, якщо генетичні зміни були викликані процесами трансдукції або кон'югації, при яких передача ДНК здійснюється за допомогою бактеріофагів та кон'югаторних плазмід.

Другий прямий доказ ролі ДНК у спадковості був отриманий при вивченні розмноження бактеріофага Т2, що інфікує кишкову паличку Escherichia coli (Досліди у 1952р. А.Херші і М.Чейза )

Явище трансдукції було відкрито у 1952 році Дж.Ледербергом і Н.Цандером при аналізі причин зміни спадковості ознак у деяких штамів бактерій Salmonella typhimurium (викликає тифозну лихоманку у миші). Було показано, що ДНК фага Р22 може вживатися у хромосому S. Typhimurium і бути з нею разом деякий час, а потім при зміні умов знову покидати її, при цьому руйнуючи цю хромосому і стимулюючи появу нових фагових часток. ДНК фага може захватити частину ДНК бактерії, а нові частинки фага можуть переносити ці гени в хромосоми інших бактерій. Цей тип трансдукції отримав назву загальної трансдукції. Впровадження фага в чітко визначені локуси бактеріальної хромосоми називається обмеженою трансдукцією. Якщо фрагмент ДНК клітини донора, перенесений фагом у нову бактеріальну клітину, не включається в нову хромосому, але проявляється, то це абортивна трансдукція. Таким чином, була доказана роль нуклеїнових кислот, як носіїв спадкової інформації.

Отже, трансдукція (від лат. Transductio-переміщення)-форма горизонтального переносу генів, при якій передача генетичного матеріалу від однієї клітини до іншої відбувається за допомогою вірусу (бактеріофага у випадку бактерій), що призводить до зміни спадкових властивостей.

Оскільки можливість успішної трансдукції залежить від відстані між генами в молекулі ДНК, що утворюють хромосому бактерії, явище трансдукції широко використовується при складанні генетичних карт хромосом бактерій, для внутрішньогенного картування мутацій, а також для функціонального тесту на алелізм.