ДНК - молекулы наследственности. История изучения

В 1952 г. на основании  работ Э. Чаргаффа и Хочкисса была сформулирована теория, объясняющая, каким образом ДНК содержит в себе генетическую информацию. Основное положение этой теории звучит так: «Генетическая информация определяется специфической последовательностью четырех нуклеотидных оснований в полинуклеотидной цепи.

Следует отметить, что  установленные опытным путем  количественные соотношения азотистых  оснований в молекуле ДНК, выраженные в правиле Чаргаффа, не случайны. Отечественные генетики А. С. Спирин и А. Н. Белозерский пришли к выводу, что зависимость содержания гуанин-цитозиновых пар определяется филогенетическими (т. е. сложившимися в процессе эволюции) связями между организациями различной видовой принадлежности.

В 1912 г. отец и сын  Брегги изобрели метод рентгеновской кристаллографии, основанный на том, что пучок параллельных рентгеновских лучей, падающих на регулярное скопление атомов, образует так называемую дифракционную картину. Дифракционная картина зависит главным образом от атомной массы атомов и их пространственного расположения. В 40-х гг. Астбюри использовал данный метод для определения пространственной структуры ДНК. На основании полученных рентгенограмм автор предположил, что биополимер ДНК представляет собой стопку из уложенных один над другим нуклеотидов. При этом нуклеотиды представлялись им в виде плоских дисков.

Астбюри оставил работу по дальнейшему изучению структуры ДНК. Исследования в начале 50-х гг. по структуре ДНК продолжили три группы ученых. Первую группу возглавил известный в то время своими работами по расшифровке вторичной структуры белков Лайнус Полинг. Вторая группа работала под руководством английского биофизика, члена Лондонского королевского общества Мориса Уилкинса, и, наконец, третью группу представляли Джеймс Уотсон и Френсис Крик.

Первыми представила  свою модель в 1953 г. группа Л. Полинга. Однако она не получила всеобщего признания.

Сотрудникам Уилкинса удалось получить очень четкие рентгенограммы ДНК, на которых отчетливо было видно, что молекула нуклеиновой кислоты состоит из двух нитей, и, в частности, подтвердилась гипотеза Астбюри о межнуклеотидном расстоянии, равном 0, 34 нм

Одну из таких  рентгенограмм ДНК, полученной в  лаборатории М. Уилкинса, опубликовал журнал Nаture. На эту публикацию обратили внимание Д. Уотсон и Ф. Крик. Анализируя опубликованную рентгенограмму, они дополнили свои предположения и в апреле 1953 г. опубликовали собственную модель пространственной структуры ДНК, названную впоследствии их именами. Основные положения вторичной структуры ДНК, по Уотсону и Крику, сводятся к следующему:  

1) Молекула ДНК  представляет собой двойную спираль  диаметром 2 нм.

2) Вдоль оси молекулы  соседние пары оснований располагаются  на расстоянии 0, 34 нм одна от другой. Полный оборот спирали приходится на 3, 4 нм, т. е. на 10 пар оснований.  

Придавая молекуле ДНК форму спирали, Уотсон и Крик исходили из того, что последовательность нуклеотидов в цепи отражает генетическую информацию. Из этого следует, что  любая произвольная последовательность оснований вдоль полинуклеотидных цепей ДНК должна соответствовать  ее молекулярной структуре. Определенные трудности представляло то обстоятельство, что размеры пуринового кольца были больше, чем пиримидинового. Поэтому, чтобы спираль на всем протяжении имела постоянный диаметр, пуриновое  кольцо в одной цепи должно быть расположено строго напротив пиримидинового в другой цепи. Так родился постулат о взаимной комплементарности нуклеотидов. Из этого постулата следует, что аденин (А) образует комплементарные связи только с тимином (Т), а гуанин (Г) - только с цитозином (Ц).

Правило комплементарности нуклеотидов взаимосвязано и подтверждается правилами Чаргаффа о эквивалентности. Однако основное значение открытия комплементарного спаривания заключается в признании ДНК самокоплементарной молекулой, т. е. генетическая информация записана в полинуклеотидной цепи в виде определенной последовательности четырех азотистых оснований, тогда каждая молекула ДНК несет два полных набора такой информации. Из этого следует, что обе полинуклеотидные цепочки антипараллельны друг другу.

В пользу спиральной формы ДНК говорит и то обстоятельство, что длина линейной молекулы ДНК, выделенной из бактериальной клетки, равна 1,4 мм, т. е. примерно в 1000 раз превышает  длину самой бактерии.

В настоящее время  модель ДНК Уотсона и Крика  получила всеобщее признание мирового сообщества ученых. В 1962 г. Френсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их роли в передаче генетической информации в живой материи присуждена Нобелевская премия по генетике.

Однако этим исследования ДНК не ограничились. Вскоре выяснилось, что образуемые между двумя полинуклеотидными  цепочками водородные связи можно  разорвать при помощи нагревания. В результате повышения температуры до 94 град. в структуре ДНК наблюдался переход от спиральной формы к клубку. Такое явление было названо денатурацией ДНК.

В 1960 г. был открыт обратный процесс - восстановления разрушенных  водородных связей и реставрации двойной спирали. Данное явление было названо ренатурацией.

Эти открытия полностью  подтвердили высказанную еще  в 1953 г. Уотсоном и Криком гипотезу о  механизме самоудвоения (репликации) ДНК. По их мнению, репликация ДНК происходит путем разрыва водородных связей между двумя полинуклеотидными  цепочками.

Разделение и разматывание молекулы начинается с одного конца  спирали и продолжается по направлению  к другому. Одновременно с разрывом цепочек происходит процесс синтеза  новых полинуклеотидов. Результатом этой гипотезы стал сформулированный авторами постулат полуконсервативного характера репликации ДНК. То есть прежняя полинуклеотидная цепочка является как бы шаблоном для синтеза новой.

Значительный вклад  в понимание механизмов самоудвоения молекулы ДНК внес Артур Корнберг. Он открыл фермент, который катализирует синтез полинуклеотидной цепочки. Этот фермент Корнберг назвал ДНК-полимеразой. В 1956 г. Корнберг сообщил, что ему удалось синтезировать в пробирке in vitro молекулу ДНК.

Эксперимент Корнберга показал, что ДНК используется непосредственно в качестве матрицы, без синтеза каких-либо других посредников, что полностью согласовывалось с предположениями Уотсона и Крика о репликации ДНК.

В 1969 г. удалось синтезировать  ген комплементарной последовательности транспортной РНК.

4. Современное представление  о структуре ДНК  

Работы М. Уилкинса, Д. Уотсона и Ф. Крика, Э. Чаргаффа и многих других ученых заложили фундамент в понимание процессов наследственности, а именно - структуры и биологической роли ДНК в передаче генетической информации.

Наука не стоит на месте, и в настоящее время  внесены значительные дополнения и  коррективы в представления о  строении ДНК, разработанные в середине ХХ в. Уотсоном и Криком. Без изменения этих данных история изучения ДНК была бы неполной и незаконченной.

Прежде всего установлено, что ДНК обладает полиморфизмом, т. е. способностью молекулы принимать различные конфигурации. На данный момент описано шесть таких форм. В-форма имеет стандартную структуру, соответствующую модели Уотсона-Крика. Это основной тип ДНК. А-форма представляет собой структуру, схожую для РНК-ДНК дуплексов. Она обнаружена в среде с высокой концентрацией ионов К и Nа и низким содержанием влаги. С-форма менее спирализованная, чем В-форма, т. е. имеет меньше нуклеотидов на один оборот спирали, чем остальные разновидности. Д- и Е-формы - крайние варианты С-формы имеют наименьшее число пар оснований на виток - 8 или 7,5. Они обнаружены только в молекулах ДНК, не содержащих гуанина. Z-форма представляет собой спираль с чередованием лево- и правозакрученности. В ДНК человека имеются участки, которые потенциально способны переходить в Z-форму. В 1993 г. установили, что в организме человека существуют условия, которые стабилизируют Z-форму. Установлено, что некоторые из конфигураций ДНК могут переходить друг в друга: А - В; Z - В.  

Ученые полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов.

Исследования, направленные на поиск материального носителя наследственности, определили собой  рождение новой науки - молекулярной генетики.

История изучения одной  молекулы перевернула прежние представления  о наследственности и передаче генетических признаков из поколения в поколение.

Методом проб и ошибок была установлена важнейшая роль ДНК в переносе наследственной информации. Отброшены ошибочные теории о  том, что генетическую роль в организме  выполняют белки, отвергнута бесперспективная и упрощенная тетрануклеотидная схема строения нуклеиновых кислот.

В начале 50-х гг. Д. Уотсоном и Ф. Криком разработана модель строения молекулы ДНК, разъясняющая, как происходит копирование генетического материала. Вскрыты механизмы этого процесса.

Значительные достижения молекулярной генетики обеспечили прочную  основу для таких перспективных  направлений, как генная инженерная и биотехнология, планирование генов  и многоклеточных организмов.

Список литературы  

1. Беляев Д. К., Иванов В. И. Выдающиеся советские  генетики (сборник биографических  очерков). М.: Наука, 1980. С. 147.

2. Гайсинович А. Е. Зарождение и развитие генетики. М.: Наука, 1988. С. 422.

3. Гуляев Г. В.  Генетика. М.: Колос, 1971, С. 345.

4. Приходченко Н.  Н., Шкурат Т. П. Основы генетики человека. Ростов-на-Дону: Феликс, 1997. С. 360.

5. Пехов А. П. Введение в молекулярную генетику. М.: Медицина, 1973. С. 265.

6. Рейвин А. Эволюция генетики. М.: Мир. 1967.

7. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биографии. М.: Мир, 1991. С. 110.

8. Стент Г. Молекулярная генетика. М.: Мир, 1974. С. 532.