Лауреаты Нобелевской премии в области генетики

Введение

Нобелевская премия — самая известная и самая престижная научная премия. Она широко известна как высшее отличие человеческого интеллекта. Данная премия может быть отнесена к немногочисленным наградам, известным не только каждому ученому, но и большой части неспециалистов.

Завещание Альфреда Нобеля Альфред Нобель за свою жизнь запатентовал 355 изобретений, одними из первых среди них были динамит и детонаторы. По иронии судьбы основатель премии мира стал одной из самых известных фигур в производстве взрывчатых веществ. Альфред Нобель скончался 10 декабря 1896 г.

В своем завещании он написал: «Всё мое оставшееся реализуемое состояние распределяется следующим образом:

Весь капитал должен быть внесен моими душеприказчиками на надежное хранение под поручительство и должен образовать фонд; назначение его — ежегодное награждение денежными призами тех лиц, которые в течение предшествующего года сумели принести наибольшую пользу человечеству. Сказанное относительно назначения предусматривает, что призовой фонд должен делиться на пять равных частей, присуждаемых следующим образом: одна часть — лицу, которое совершит наиболее важное открытие или изобретение в области физики; вторая часть — лицу, которое добьется наиболее важного усовершенствования или совершит открытие в области химии; третья часть — лицу, которое совершит наиболее важное открытие в области физиологии или медицины; четвертая часть — лицу, которое в области литературы создаст выдающееся произведение идеалистической направленности; и наконец, пятая часть — лицу, которое внесет наибольший вклад в дело укрепления содружества наций, в ликвидацию или снижение напряженности противостояния вооруженных сил, а также в организацию или содействие проведению конгрессов миролюбивых сил.

Присуждение наград не должно увязываться с принадлежностью лауреата к той или иной нации, равно как сумма вознаграждения не должна определяться принадлежностью к тому или иному подданству".

В 1900 году был создан независимый Фонд Нобеля с начальным капиталом 31 миллион шведских крон. Первые Нобелевские премии были присуждены 10 декабря 1901 г.

Лауреаты Нобелевской премии в области генетики:

Нобелевские премии были присуждены следующим исследователям за выдающиеся достижения и открытия фундаментальных законов генетики:

1933 г. — Томасу Ханту Моргану за открытие функций хромосом как носителей наследственности.

1946 г. — Герману Дж. Меллеру за открытие возникновения мутаций под воздействием рентгеновских лучей.

1957 г. — Александеру Тодду за работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам.

1958 г. — Джорджу Бидлу и Эдуарду Тейтему за открытие способности генов регулировать определенные химические процессы, и другую половину — Джошуа Ледербергу за открытия, касающиеся генетической рекомбинации у бактерий и структуры их генетического аппарата.

1959 г. — Северо Очоа и Артуру Корнбергу за исследование механизма биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот.

1962 г. — Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону и Морису Уилкинсу за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи.

1965 г. — Андре Мишелю Львову, Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Мано «за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов».

1968 г. — Роберту Холли, Хару Гобинду Коране и Маршаллу Ниренбергу за расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков.

1969 г. — Максу Дельбрюку, Альфреду Херши и Сальвадору Лурие за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов.

1975 г. — Ренато Дульбекко за исследование механизма действия онкогенных вирусов, Хоуарду Мартину Темину и Дейвиду Балтимору за открытие обратной транскриптазы.

1978 г. — Даниэлю Натансу, Гамильтону Смиту и Вернеру Арберу за открытие ферментов рестрикции и работу по использованию этих ферментов в молекулярной генетике.

1980 г. — Баруху Бенацеррафу, Жану Доссе и Джорджу Снеллу за их открытие генетически детерминированных структур поверхностей клеток, регулирующих иммунологические реакции.

1980 г. — Полу Бергу за фундаментальные исследования в области биохимии нуклеиновых кислот, в частности рекомбинантной ДНК, и вторую половину — Уолтеру Гилберту и Фредэрику Сенгеру за признание успехов, достигнутых в области генной инженерии и молекулярной генетики.

1983 г. — Барбаре Мак — Клинток за открытие подвижных элементов генома.

1985 г. — Майклу Стюарту Брауну и Джозефу Леонарду Голдстейну за раскрытие механизма регуляции холестеринового обмена.

1989 г. — Дж. Майклу Бишопу и Гарольду Э. Вармусу за открытие природы онкогенов.

1989 г. — Сиднею Альтману и Томасу Чеку за открытие каталитической функции РНК и применение этой функции в биотехнологии.

нобелевский генетика морган жакоб Томас Морган В 1908 г. Морган начал генетическое изучение плодовой мушки Drosophila melanogaster, маленького насекомого, идеально подходившего для генетических исследований: у мушки было всего 4 хромосомы, она начинала размножаться через 2 недели после появления на свет, и ее легко было изучать в течение жизни, продолжительность которой составляла 3 месяца. Потребовалось вырастить и изучить миллионы дрозофил, прежде чем Морган и его коллеги по Колумбийскому университету пришли к убеждению, что хромосомы действительно напрямую связаны с наследственностью.

Результаты некоторых проведенных М. экспериментов по разведению плодовой мушки, казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования, согласно которому каждый организм обладает генами, контролирующими тот или иной признак, и наследование одного признака, каковым является, например, пол животного, не зависит от наследования другого — например, цвета глаз. Группа, руководимая М., установила, что некоторые признаки, очевидно, все же связаны между собой. Иными словами, их сочетание встречается у потомков чаще, чем предполагают статистические законы Менделя. Так, например, белоглазость — мутантный признак — почти всегда встречалась только у самцов. М. назвал это явление сцеплением с полом. Тенденция к сцеплению подсказала М., что гены, по-видимому, располагаются в тесной близости друг к другу на одной и той же хромосоме. Были обнаружены четыре такие сцепленные группы генов у плодовой мушки, которые соответствовали четырем ее парам хромосом.

Однако было замечено, что гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались вместе реже, чем этого можно было ожидать. В большинстве клеток организма имелось по две хромосомы каждого типа, и М. подозревал, что хромосомы в паре могут расщепляться и рекомбинировать, тем самым, позволяя производить обмен генами. Эта мысль подтверждалась полученными под микроскопом данными переплетающихся хромосом, которые, могли обмениваться между собой своими участками.

Чем больше расстояние между двумя генами в одной хромосоме, рассуждал М., тем больше вероятность разрыва. Если это так, то гены не будут наследоваться вместе. И наоборот, гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов быть разделенными. основании этого принципа М. с коллегами составили «карты», показав относительное расположение генов в хромосомах плодовой мушки. Представление о том, что гены локализуются в хромосоме в специфической линейной последовательности и, далее, что основу сцепления составляет близость двух генов на хромосоме, что наследственность имеет вполне определенные законы и может быть описана точными количественными методами можно отнести к числу основных достижений генетической теории.

Морган получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1933 г. «за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности». [1]

Герман Джозеф Мёллер Американский биолог и генетик.

Интерес Мёллера к генетике поддерживался теорией Чарльза Дарвина о естественном отборе, согласно которой новые генетические изменения (или мутации) возникают постоянно и случайным образом в популяциях живых организмов. Согласно этой точке зрения, поскольку изменения оказываются незначительными, эволюция происходит постепенными шагами, а не большими скачками.

Ожидая, что большинство естественных мутаций должно быть неблагоприятным для выживания видов, М. вывел разновидности дрозофил, у которых хромосомы с целью идентификации были маркированы отличительными безвредными генетическими вариантами. Маркированная хромосома, в которой происходит пагубная мутация, теоретически должна исчезнуть из генетической линии; впоследствии частота таких исчезновений должна служить мерой скорости мутаций. В 1920 г. были проведены первые измерения скоростей мутации.

Во время работы было выяснено, что большинство мутаций вредны или смертельны, что скорость мутации не зависит от окружающих факторов и что мутации происходят с постоянной скоростью, независимо от необходимости в них. Мёллер предположил, что окружающие факторы, такие, как рентгеновские лучи, могут оказывать генетический эффект.

А в 1926 г. он доказал, что рентгеновские лучи в действительности увеличивают скорость мутации в полученном им маркированном виде в сотни и тысячи раз по сравнению с нормой.

Открытие, согласно которому наследственность и эволюция могут преднамеренно изменяться в лабораторных условиях, вызвало сенсацию. В 1946 г. М. была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения». [2]

Александер Робертус Тодд Английский химик-органик.

Изучал антоцианы — пигменты цветков розы, мальвы, герани, василька и примулы, исследовал химическую структуру витаминов В1, Е и В12.

В 1939 Тодд начал изучать нуклеиновые кислоты и нуклеотидные кофакторы. Нуклеиновые кислоты привлекали малое внимание исследователей до тех пор, пока в 1940 Торнбьёрн Касперссон (Швеция) и Ж. Л. Браше (Бельгия) не предположили, что рибонуклеиновые кислоты необходимы для синтеза белка в клетке.

В 1944 стало известно, что генетический материал состоит из ДНК. Оставалось невыясненным, каким образом отдельные компоненты нуклеотидов — фосфат, углевод и нуклеиновое основание связаны между собой и как отдельные мононуклеотиды связаны в полимерной молекуле нуклеиновой кислоты.

Тодд установил фуранозную форму рибозы и ее бета-конфигурацию в составе нуклеотидов. Он синтезировал все рибонуклеозиды и дезоксиуридин, для чего ему надо было сначала установить место, как и где присоединяется пиримидиновое и пуриновое основания к остатку рибозы. Оказалось, что это 3-е положение пиримидинового кольца и 9-е — пуринового цикла.

В 1947 Тодд синтезировал в аденозинмонофосфорную кислоту, последовательным фосфорилированием которой приготовил аденозиндифосфорную, а затем аденозинтрифосфорную кислоты (АТФ). При гидролизе фосфатных групп АТФ выделяется значительное количество энергии, которая используется в биохимических реакциях в живых клетках. В 1954 Тодд синтезировал уридинтрифосфорную кислоту.

Для решения всех этих задач следовало решить проблему фосфорилирования нуклеозидов. Он решил и эту проблему, исследовав различные фосфорилирующие агенты и механизм фосфорилирования, а также подбирая защитные группы. Для этого Тодд и биохимик Хар Гобинд Корана (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1968) разработали метод фосфорилирования с использованием дициклогексилкарбодиимида.

Это позволило Тодду вместе с английским химиком Д. М. Брауном предложить основную схему строения рибонуклеиновых кислот, согласно которой нуклеозидные единицы соединены повторяющимися фосфодиэфирными связями между 3' и 5'-гидроксильными группами соседних нуклеозидов. В 1957, руководствуясь предложенной схемой, он первый синтезировал динуклеотид.

Синтезировал он и флавинадениндинуклеотид (ФАД), который представляет собой кофермент, участвующий в биологических окислительно-восстановительных реакциях.

В 1957 Тодду была присуждена Нобелевская премия «за работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам». Это открыло дорогу генной инженерии. [3]

Джордж Бидл и Эдуард Тейтем. Джошуа Ледерберг Объектами их исследований стали грибки, образующие розоватую плесень на хлебе. Поскольку эти микроорганизмы быстро растут и размножаются, можно было в течение короткого времени исследовать несколько их поколений. Бидл и Тейтем справедливо предположили, что функцию генов можно изучать, повредив некоторые из них. Поэтому они начали выращивать колонии Neurospora в среде, содержащей лишь некоторые необходимые для питания этого грибка вещества, и затем облучали их рентгеновскими лучами. После такого облучения одни колонии размножались нормально, другие погибли, а третьи продолжали расти, но не могли нормально размножаться. Бидл и Тейтем исследовали эту последнюю группу. Они пересадили грибки из нее в 1000 различных сред и к каждой из них добавили вещество, которое нормально развивающиеся грибки могут синтезировать самостоятельно. В среде № 299, к которой был добавлен витамин В6, облученная культура стала расти нормально, что говорило о том, что облучение вызвало мутацию гена, отвечающего за синтез этого витамина. Для того чтобы определить, действительно ли имеет место генетический дефект, Бидл и Тейтем скрестили облученные грибки с нарушенным синтезом витамина В6 со здоровыми. Оказалось, что это нарушение передается по описанному Менделем рецессивному типу. Опыты доказали, что определенные гены отвечают за синтез специфических клеточных веществ. Лабораторные методы, которые Бидл и Тейтем разработали в Станфордском университете, оказались полезными для увеличения фармакологического производства открытого Александером Флемингом пенициллина — вещества, образуемого грибками.

30 октября 1958 г. Королевским Каролинским медико-хирургическим институтом было объявлено, что 55-летнему Джорджу Бидлу и Эдуарду Тейтему присуждена половина Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся роли генов в специфических биохимических процессах». Вторая половина была присуждена Джошуа Ледербергу за сходную работу в области генетики. [4]

Сиверо Очоа и Артур Корнберг Изучал функцию тиамина (витамина В1) и промежуточный метаболизм — биохимические реакции, в которых углеводы и жирные кислоты образуют энергию для клеточных процессов.

Основными источниками клеточной энергии являются насыщенные ею вещества, содержащие фосфат в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Аминокислоты, жиры и углеводы метаболизируются в цикле лимонной кислоты Кребса, цепи реакций, приводящих к образованию АТФ. Цикл лимонной кислоты — цепь конечных химических реакций в клетках млекопитающих, в результате которых происходит окисление белков, жиров и углеводов в организме и образование энергии, — был открыт Гансом Кребсом. О. обнаружил, что полное окисление одной молекулы глюкозы до двуокиси углерода дает 36 молекул АТФ, богатых энергией. Он также выяснил механизм цикла лимонной кислоты, выделив ферменты, известные под названием цитратсинтетаза (вначале названная конденсирующим ферментом), изоцитратдегидрогеназа и фермент яблочной кислоты. Исследуя фотосинтез — биохимический процесс, посредством которого зеленые, содержащие хлорофилл, растения превращают под влиянием света углекислый газ и воду в углеводы, — О. выяснил дополнительную роль фермента яблочной кислоты.

Гены, расположенные в хромосомах ядра каждой клетки, определяют наследование физических признаков, управляя синтезом белков (ферментов). Они состоят из участков молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), содержащей азотистые основания (пуриновые или пиримидиновые), расположенные вместе с моносахаридами и фосфатными группами в виде двойной спирали. При репликации ДНК две половины двойной спирали отделяются одна от другой, а затем на каждой из них идет синтез новой молекулы ДНК. Последовательность азотистых оснований действует как матрица для образования новых молекул. Синтез белков происходит при передаче генетической информации рибонуклеиновой кислоте (РНК), сходной по своей структуре с ДНК, но содержащей вместо моносахарида дезоксирибозы рибозу и урацил — вместо тимина.

Три вида РНК участвуют в последовательном включении аминокислот в молекулу белка: информационная, рибосомная и транспортная. Генетические инструкции для синтеза белка закодированы в последовательности азотистых оснований ДНК и РНК. Группы из трех азотистых оснований, или триплеты, кодируют включение каждой аминокислоты в молекулу белка.

В 1955 г. Очоа выделил бактериальный фермент полинуклеотидфосфорилазу, которая катализирует в обратимой реакции синтез полирибонуклеотидов из рибонуклеозиддифосфатов. С помощью этого фермента он получил синтетические РНК с различным составом азотистых оснований, что дало ему возможность расшифровать триплетный код для 11 аминокислот. Таким образом, в тестовой системе удалось синтезировать РНК и белковые молекулы с известной последовательностью азотистых оснований и составом аминокислот. Это достижение — первое в истории биологии — позволило ученым в дальнейшем расшифровать генетический код.

Очоа разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1959 г. с Артуром Корнбергом «за открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот». [5]

Джеймс Дьюи Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс Уотсон и Крик открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — вещества, которое содержит всю наследственную информацию.

К пятидесятым годам было известно, что ДНК — большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех разных видов — нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.

В 1948 году Лайнус Полинг открыл пространственную структуру других макромолекул — белков и создал модель структуры, названной «альфа-спиралью» .

Полинг тоже считал, что ДНК — спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако он не мог объяснить ни природы такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.

Открытие двуспиральной структуры произошло после того, как Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин. На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.

В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов — гуанина (G), цитозина ©, тимина (T) и аденина (A) — и стал раскладывать их на столе. И тут он обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином по принципу «ключ-замок». Именно таким образом соединяются между собой две нити спирали ДНК, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой, и ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы копирования ДНК: две нити спирали расходятся, и к каждой из них достраивается из нуклеотидов точная копия ее бывшей «партнерши» по спирали. По такому же принципу, как с негатива в фотографии печатают позитив.

Хоть Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика. До премии, которую получили Уилкинс, Уотсон и Крик, Розалинд не дожила.

Очевидно, что открытие пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки и повлекло за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом

В шестидесятых годах прошлого века предположение Уотсона и Крика о механизме репликации (удвоения) ДНК полностью подтвердилось. Кроме того, было показано, что в этом процессе принимает участие специальный белок — ДНК-полимераза.

Примерно в то же время было совершено другое важное открытие — генетический код. Как уже говорилось выше, ДНК содержит в себе информацию обо всем, что передается по наследству, в том числе о линейной структуре каждого белка в организме. Белки, как и ДНК, представляют длинные молекулярные цепочки из аминокислот. Этих аминокислот 20. Соответственно, было неясно каким образом «язык» ДНК, состоящий из четырехбуквенного алфавита переводятся на «язык» белков, где используется 20 «букв» .

Оказалось, что сочетание из трех нуклеотидов ДНК четко соответствует одной из 20 аминокислот. И, таким образом «написанное» на ДНК однозначно переводится в белок.

В семидесятых годах появились еще два важнейших метода, основанные на открытии Уотсона и Крика. Это секвенирование и получение рекомбинатной ДНК. Секвенирование позволяет «прочитать» последовательность нуклеотидов в ДНК. Именно на этом методе основана вся программа «Геном человека» .

Получение рекомбинантной ДНК по другому называют молекулярным клонированием. Суть этого метода заключается в том, что в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген. Таким образом, например получают бактерии, которые содержат ген человеческого инсулина. Инсулин, полученный таким способом, называется рекомбинатным. Этим же методом созданы все «генетически модифицированные продукты» .

Как ни парадоксально, репродуктивное клонирование, о котором сейчас все говорят, появилось раньше, чем была открыта структура ДНК. Понятно, что сейчас учеными, проводящие такие эксперименты, активно используются результаты открытия Уотсона и Крика. Но, изначально, метод не базировался на нем.

Следующим важным шагом науки стала разработка в восьмидесятых годах полимеразно-цепной реакции. Эта технология используется для быстрого «размножения» нужного фрагмента ДНК и уже нашла множество применений как в науке, так в медицине и технологии. В медицине с помощью ПЦР проводят быструю и точную диагностику вирусных заболеваний. Если в массе ДНК, полученной из анализа пациента, даже в минимальном количестве есть гены, принесенные вирусом, то с помощью ПЦР можно добиться их «размножения» и после этого легко идентифицировать. [6]

Андре Мишель Львов, Франсуа Жакоб и Жак Люсьен Моно В течение двух десятков лет Моно и его коллеги по Пастеровскому институту разрабатывали экспериментальную систему анализа биохимической генетики клетки.

Особый интерес у исследователей вызвал мутантный штамм кишечной палочки, содержащий фермент, активизирующийся в растворе лактозы и расщепляющий ее на углеводы.

Моно выдвинул две теории: согласно первой, имело место подавление (ингибирование) фермента окружающей средой, а активация процесса естественная реакция, чтобы устранить подавление. Вторая же теория строилась на предположении, что подавляется (ингибируется) ген, а активизация фермента связана с деингибированием гена.

В результате многолетней исследовательской работы им удалось доказать, что существует так называемая информационная РНК (рибонуклеиновые кислоты, сокращенно РНК, — нуклеиновые кислоты, высокомолекулярные органические соединения, образованные нуклеотидами, в которые входят: аденин, гуанин, цитозин, урацил и сахар рибоза), эти кислоты переносят генетическую информацию от ДНК ядра клетки к цитоплазме.

Различают три типа РНК — информационная, транспортная и рибосомная. Информационная передает генетический код рибосомам, транспортная переносит аминокислоты от цитоплазмы к рибосомам, после чего начинается синтез белков и ферментов, в котором участвуют все типы РНК.

Еще одно важное открытие, сделанное Моно и Жакобом, — ДНК состоит из наборов генов. Такой набор они назвали опероном (оперон — группа функционально связанных между собой генов, определяющих синтез белков-ферментов, относящихся к последовательным этапам какого-либо биохимического процесса). Оперон состоит из структурного гена и регуляторного гена. Структурный ген отвечает за синтез клеточного фермента и в норме подавляется регуляторным геном. Во время активизации ферментов регуляторный ген подавляется, что позволяет структурному гену синтезировать информационную РНК. Это помогает клеткам живого организма адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

В 1965 Моно вместе с Франсуа Жакобом и Андре Львовым был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытия, связанные с генетическим контролем синтеза ферментов и вирусов». [7]

Роберт Холли, Хар Гобинд Коране и Маршалл Ниренберг В начале 1960;х Маршаллу У. Ниренбергу удается открыть основной триплетный код (триплетный код система, состоящая из трех азотистых оснований, которая определяет местоположение аминокислоты в молекуле белка при его синтезе) для аминокислоты фенилаланина. Приблизительно в это же время Корана занялся расшифровкой генетического кода. ДНК кодирует 20 аминокислот, а количество возможных разновидностей триплетов, образованных четырьмя нуклеотидами с различными основаниями, составляет 4· 4·4 = 64. Опираясь на исследования Ниренберга, Корана провел серию опытов, в результате которых смог определить последовательность нуклеотидлов в триплетах, кодирующую каждую из 20 аминокислот. Неожиданно выяснилось, что некоторым аминокислотам соответствует не один триплет. Ученым удалось синтезировать цепи ДНК и РНК, и выявить триплеты, служащие сигналом к началу и концу биосинтеза специфического белка.

Им удалось установить, что транспортная РНК имеет две структуры: первичную и вторичную. Первичная структура представляет собой последовательность оснований в нуклеотидной цепи, а биологически активная вторичная структура показывает, в каких местах витки спирали РНК контактируют друг с другом. Вторичная структура внешне напоминает трехлепестковый цветок клевера. Последовательность нуклеотидов в среднем звене дополняет последовательность аналогичной структуры в информационной РНК. Именно это обеспечивает правильное расположение аминокислот в составе белка.

В 1968 Хар Гобинд Корана (совместно с Робертом Уильямом Холли и Маршаллом Ниренбергом) был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белка».

В 1970 ученым удалось синтезировать ДНК, а спустя несколько лет ген кишечной палочки. [8]

Макс Дельбрюк, Альфреду Херши и Сальвадор Лурие В начале 1930;х было доказано, что ионизирующее излучение вызывает генетические мутации. Дельбрюк предложил рассматривать гены как молекулы, а копирование (репликацию) вирусов — как форму репликации генов. Он занялся изучением генетики бактериофага, — разновидности вируса, поражающего бактериальные клетки. Бактериофаги состоят из нуклеиновой кислоты и наружной белковой оболочки. При проникновении бактериофага в клетку возможны несколько вариантов развития: бактериофаг может включиться в ДНК бактериальной клетки, при этом в ходе клеточного деления возникший профаг передается вновь появляющимся клеткам. Он может воздействовать на биохимический аппарат клетки и вызывать ее разрушение. Еще один вариант: бактериофаг может быть разрушен клеточными ферментами.

В соавторстве с биологом Э. Л. Эллисом Дельбрюк разработал экспериментальные методы изучения бактериофагов, а также математический метод для анализа полученных результатов.

Независимо друг от друга Дельбрюк, Херши и Лурие провели исследования, которые свидетельствовали, что ДНК бактериальной клетки подвергается спонтанным мутациям и доказали возможность генетической рекомбинации — обмена генетической информацией между двумя различными линиями бактериофагов. Их работа свидетельствовала о передаче наследственности у бактерий через гены и положила начало новому направлению бактериальной генетике и молекулярной биологии.

В 1969 М. Дельбрюк, А. Херши и С. Лурия стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов». [9]

Ренато Дульбекко, Хоуард Мартин Темин и Дейвид Балтимор Дульбекко вместе с Хоуардом М. Темином. занимался генетикой вируса саркомы Роуса. Объектом их исследований были также вирус полиомы, вызывающий множественные опухоли у мышей, и обезьяний вирус-40 — причина лейкоза у этих животных.

После развития метода определения количества опухолевых клеток в клеточных культурах Д. и его коллеги обнаружили, что опухолевые клетки трансформируются опухолевыми вирусами таким образом, что начинают неограниченно делиться; этот процесс они назвали клеточной трансформацией. В ходе изучения биологических особенностей опухолевых клеток они выяснили, что когда делятся нормальные клетки и начинают вторгаться в пределы соседних тканей, то клеточная регуляторная система подает им сигнал прекратить деление. Однако в случае опухолевых клеток система регуляции оказывается поврежденной. Темин предположил, что клеточная трансформация вызывается вирусным геном, который стал частью клеточной ДНК. Согласно этой так называемой провирусной гипотезе, генетический код некоторых опухолевых РНК-вирусов может быть переписан в клеточную ДНК ферментом, находящимся в белковой оболочке вируса, что позволяет генам проникшего вируса осуществлять контроль над генами клетки хозяина.

Этот фермент, названный обратной транскриптазой, был в действительности открыт Темином и Дейвидом Балтимором; РНК-вирусы, обладающие обратной транскриптазой и формирующие провирусные гены, в настоящее время называются ретровирусами. Считается, что они ответственны за такие болезни, как гепатит, СПИД и некоторые виды рака.

«За исследования, касающиеся взаимодействия между опухолевыми вирусами и генетическим материалом клетки», Д., Балтимор и Темин разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1975 г. Их открытия предоставили ученым схему взаимодействия опухолевых вирусов с генетическим материалом клетки, средство идентификации злокачественных опухолей человека, вызванных опухолевыми вирусами. [10]

Даниэль Натанс, Гамильтон Смит и Вернер Арбер Исследуя влияние бактериофага на сальмонелл, они обнаружили, что бактериофаги не всегда могут поразить свою жертву. У бактерий есть оружие против них — ферменты, которые расщепляют ДНК фага. Расщепление происходит только в тех местах, где есть определенная последовательность нуклеотидов (обычно шесть-восемь). Первый такой фермент Гамильтон Смит и Кент Уилкокс выделили в 1970 году и назвали эндонуклеазой, поскольку он расщепляет нуклеиновые кислоты внутри цепочки. Полное название подобных ферментов — рестриктирующие эндонуклеазы или просто рестриктазы. С помощью рестриктаз можно разрезать ДНК фага на фрагменты постоянной длины, а затем разделить их с помощью электрофореза. С их помощью стало возможно составлять первые карты ДНК, вырезать нужные исследователю фрагменты. Они оказались незаменимым орудием в руках генных инженеров. Гамильтон Смит совместно с Вернером Арбером и Даниэлем Натансом стали нобелевскими лауреатами «за открытие нового класса рестриктаз, которые распознают специфические последовательности нуклеотидов на молекуле ДНК и разрезают ее на отдельные участки». [11]

Барух Бенацерраф, Жан Доссе и Джордж Снелл Поскольку Барух в детстве страдал бронхиальной астмой, его интересовали механизмы иммунной гиперчувствительности, т. е. ненормальной реакции организма на инородные агенты. В 1948 г. начал изучать механизмы аллергии.

Исследования осложнялись тем, что у животных на один антиген обычно вырабатывается смесь различных антител. Бенацерраф решил проверить, не может ли иммунизация животных (вначале он проводил опыты на морских свинках) очень простыми синтетическими антигенами вызвать образование более однородных антител. «Я обнаружил, — писал он впоследствии, — что одни животные реагировали [на антиген] выработкой антител, а другие нет» .

Именно этот факт позволил Бенацеррафу установить, что способность реагировать на определенные антитела определена генетически. Он назвал соответствующие гены — генами иммунного ответа или IR-генами (от английского immuneresponse — иммунный ответ). Сходные гены были обнаружены у мышей, так же было установлено, что они располагаются в главном комплексе тканевой совместимости — ГКТС (MHC, Major Histocompatibility Complex). Этот комплекс, впервые описанный Джорджем Дейвисом Снеллом в конце 1940;х гг., представляет собой совокупность тесно связанных генов, называемых трансплантационными генами, т.к. обусловленные ими различия в антигенах донора и реципиента приводят к отторжению пересаженного органа. Комплекс ГКТС (МНС) человека, названный комплексом человеческих лейкоцитных антигенов — ЧЛА (HLA, Human Leucocytes Antigens), был обнаружен главным образом благодаря работам Жана-Батиста-Габриеля-Жоакима Доссе.

Позже он со своими коллегами обнаружил рестрикцию зависящую от IR-локуса (или локуса иммунного ответа), — явление, касающееся функции двух типов лимфоцитов — Ви Т-клеток. Эти клетки играют ключевую роль в способности иммунной системы распознавать специфические вещества инфицирующих микроорганизмов и реагировать с ними. В-клетки вырабатывают антитела, взаимодействующие с чужеродными антигенами, а Тклетки непосредственно реагируют с инородными клетками. Различные виды Т-клеток могут уничтожать опухолевые или зараженные вирусами клетки и бактерии, а также усиливать или подавлять активность специфических В-клеток. Взаимодействия между Ти В-клетками рестриктируются (сдерживаются) комплексом ГКТС (МНС): Т-клетки влияют на образование антител В-клетками лишь в том случае, если обе эти разновидности несут одинаковые IR-гены. В 1976 г. другие исследователи обнаружили, что T-клетки могут уничтожать пораженные вирусами клетки, только если и те, и другие обладают одинаковыми трансплантационными антигенами — белками, кодируемыми генами комплекса ГКТС (МНС), обнаруженного, как уже говорилось, Снеллом и Доссе.

Вскоре стало ясно, что, хотя белки, кодируемые IR-генами и трансплантационными генами, с точки зрения химического строения различаются, их функции тесно связаны. И те, и другие можно считать продуктами комплекса ГКТС (МНС). Продукты трансплантационных генов, обнаруженные на поверхности большинства клеток организма, называются сегодня молекулами класса I, а продукты IR-генов, входящие в состав иммунной системы, — молекулами ГКТС (МНС) класса II.

" Эволюционная роль [ГКТС (МНС)] рестрикции, — писал Бенасерраф, — а также значение антигенов ГКТС (МНС) становятся ясными, если рассматривать иммунные реакции Т-клеток как механизмы, отвечающие прежде всего за распознавание «своего» и «чужого» вещества на поверхности клеток. Т-клетки должны определить, что та или иная клетка становится злокачественно перерожденной или зараженной вирусом и что, следовательно, ее необходимо уничтожить". Он предположил, что продукты ГКТС (МНС) класса I в пораженных клетках по тем или иным причинам изменяются и Т-клетки специализируются на распознавании малейших таких изменений, в частности при комбинации нормальных молекул класса I организма с опухолевыми или вирусными антигенами.

Бенацерраф выдвинул гипотезу, согласно которой это явление может объяснить, почему инородные органы при пересадке так быстро отторгаются. Дело в том, что Т-клетки реципиента реагируют на антигены класса I ГКТС (МНС) донора (в норме слегка отличающиеся от антигенов реципиента), уничтожая несущие их клетки так же, как они уничтожают клетки, антигены класса I которых изменены в результате вирусного заражения или опухолевого перерождения.

Способность Т-клеток регулировать активность В-клеток, как и распознавание Т-клетками пораженных клеток, зависит от узнавания ими малейших изменений продуктов ГКТС (МНС). Считается, что В-клетки информируют Т-клетки о том, с каким антигеном будут реагировать вырабатываемые ими антитела, «представляя» этот антиген вместе с молекулой класса II. Исходя из роли этих продуктов IR-генов (у человека — антигены ЧЛА (HLA)-D) во взаимодействиях между Ти В-клетками, можно предположить, каково участие IR-генов в иммунных ответах. Если у человека нет Т-клеток, распознающих определенную комбинацию ЧЛА (HLA)-D и антигена, то этот антиген будет для него «невидимым» и иммунной реакции не произойдет.

10 октября 1980 г. было объявлено, что «за их открытия, касающиеся генетически определенных структур на клеточной поверхности, регулирующих иммунные реакции» Баруху Бенасеррафу присуждена Нобелевская премия года по физиологии и медицине, которую он разделил с Жаном-Б.-Г.-Ж. Доссе и Джорджем Д. Снеллом. [12]

Пол Берг, УолтеруГилберт и Фредэрик Сенгер Берг изучил химический состав дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Молекула (полимер) ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, каждая из которых представляет собой линейную последовательность молекул мономеров, называемых нуклеотидами. В свою очередь каждый из нуклеотидов является азотистым основанием, а их комбинация связывает полинуклеотидные цепи. Эта структура связана с другими нуклеотидами и составляет полипептидную цепь. Программы заложены в особые кодоны — сочетания нуклеотидов, стоящих рядом в цепи ДНК, которые включают также «инструкции» по синтезу белков из аминокислот. Различные виды РНК выполняют специфические функции по закладыванию информации в белки. К белкам же относятся и энзимы — катализаторы, которые заканчивают цепь определенным азотистым основанием или вызывают объединение отдельных звеньев цепи.

Берг особенно заинтересовался ролью транспортных рибонуклеиновых кислот (тРНК). Эти вещества переносят аминокислоты в определенное место во время синтеза белка. В процессе синтеза один конец молекулы тРНК соответствует части программной последовательности, а другой несет специальный инструктивный аминокислотный кодон (нуклеотидный триплет). У каждого вида аминокислот имеются свои молекулы тРНК, структуру которых описали в 1965 г. Роберт Холли, Хар Гобинд Корана и Маршалл Ниренберг. Берг, выделив в чистом виде различные тРНК и энзимы, прояснил роль тРНК в синтезе белка.

К середине 60-гг. были детально изучены гены прокариотов (микробов, не обладающих оформленным клеточным ядром, таких, как бактерии). Большая часть знаний о них была получена благодаря тому, что несколько различных вирусов могут войти в клетку бактерии Escherichia coli и, однажды попав туда, заменить некоторые ДНК бактерии своими ДНК, заставив, таким образом, бактерию вырабатывать вирусный белок. Более того, поскольку каждый вид вируса влияет на специфические белки, они стали необходимы для выделения и оперирования в химических целях генами, которые есть у Escherichia coli. Бергу хотелось знать, может ли быть разработан подобный метод для анализа и оперирования значительно более сложными генами многоклеточных организмов, в том числе организма человека.

Берг начал свой первый эксперимент по получению рекомбинантной молекулы ДНК приблизительно в 1970 г., взяв для этого SV40 и хорошо изученный вирус Escherichia coli (бактериофаг л). Ученый добавил специфические энзимы к этим в обычных условиях не взаимодействующим организмам и разорвал их молекулы ДНК в таких местах, что они могли быть рекомбинированы.

Многие ученые опасались, что искусственные вирусы могут порождать новые, вызывающие рак бактерии, и по этой причине Пол прервал свои опыты с рекомбинантными молекулами ДНК.

Но как оказалось технология изучения рекомбинантных молекул ДНК не так опасна и мораторий был снят.

Технология, разработанная Бергом и его коллегами, позволила не только оперировать генами для создания новых фармацевтических средств, таких, как интерферон и гормоны роста, но и впервые так глубоко проникнуть в молекулярную биологию высших организмов.

В 1980 г. Полу Бергу была присуждена половина Нобелевской премии по химии «за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК». Вторая половина премии была поделена между Уолтером Гилбертом и Фредериком Сенгером. Сенгер и его коллеги обнаружили полную последовательность более, чем 5400 оснований в ДНК одного ВИРУСА и около 17 000 оснований в другом ДНК. [13]

Барбара Мак — Клинток Американский цитогенетик. Экспериментально доказала наличие обмена генетического материала между хромосомами — кроссинговер; открыла мигрирующие элементы (мобильные гены) в геноме кукурузы.

Вся научная деятельность Мак-Клинток связана с генетикой кукурузы Изучая причину мозаичной окраски початков кукурузы и ее нестабильного наследования, Мак-Клинток в 1950—1956;х гг. открыла систему взаимодействующих генов (позже названных мобильными генами), ответственных за эти явления. Особый ген Ds (диссоциатор) перемещается по хромосоме, разрывая при перемещении хромосому, в которой он находился. При этом разрывается связь гена Ds и соседнего с ним гена окраски зерна, который теперь переходит из репрессированного состояния (в котором он находился под влиянием «эффекта положения», оказываемого на него геном Ds) в активное, и в клетке синтезируется пигмент. Мозаичность окраски определяется случайностью процесса перемещения Ds в разных клетках, а размер окрашенного пятна — стадией развития плода, во время которой произошло перемещение.

Подавляющее большинство генетиков долгое время не понимало и недооценивало значение этих исследований, потому, что они сильно изменяли канонические положения хромосомной теории наследственности. Это исследование Мак-Клинток было признано как открытие ею мобильных элементов генома только после того, как такие элементы были в 1977 обнаружены у дрозофилы.

В 1983, спустя почти 30 лет, за это открытие Мак-Клинток была награждена Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Майкл Стюарт Браун и Джозеф Леонард Голдстейн Холестерин, необходимое для жизни человека соединение, является основной составляющей частью в структуре клеточных мембран и служит для производства желчных кислот и стероидных гормонов. В том случае, однако, если холестерина слишком много, он откладывается на стенках кровеносных сосудов, препятствуя кровотоку и вызывая инфаркты и инсульты. Частично холестерин поступает из пищевых жиров, частично синтезируется в организме. Перенос холестерина в крови осуществляется в основном частицами липопротеидов низкой плотности (ЛНП).

Семейная форма гиперхолестеринемии — наследственное заболевание, характеризующееся крайне высоким содержанием в крови холестерина и ЛНП. Изучая образование холестерина и его регуляцию, Голдстейн и Браун пользовались методом культуры ткани для выращивания клеток кожи, взятых у лиц с семейной формой гиперхолестеринемии. Оказалось, что эти клетки содержат избыточные количества 3-гидрокси-3-метил-глютарил-кофермента A-редуктазы (ГМГ-КоА-редуктаза), фермента, контролирующего скорость холестеринового синтеза. Из-за чрезмерной активности фермента клетки продуцировали намного больше холестерина, чем его утилизировалось.

Затем исследователи обнаружили, что поверхности клеток, особенно печеночных, имеют специальные рецепторы для комплекса ЛНП-холестерин. Они установили, что рецепторы ЛНП располагаются группами в углублениях клеточных поверхностей, выстланных белком клатрином. В ходе так называемого рецепторно-опосредованного эндоцитоза защитные оболочки клеточных мембран поглощают ЛНП и отслаиваются, образуя пузырьки для переноса частиц внутрь клеток. Рецептор затем отделяется от ЛНП и возвращается к поверхности клетки. В клетке ЛНП разрушаются, освобождая холестерин. Избыток холестерина тормозит активность ГМГ-КоА-редуктазы (а, следовательно, и синтез нового холестерина); в то же время он активирует ацил-КоА или холестерин-ацилтрансферазу (АЦАТ-за), фермент, ответственный за внутриклеточные запасы холестерина. С увеличением внутриклеточного холестерина прекращается также образование новых рецепторов ЛНП. Так здоровая клетка поддерживает равновесие между поступающим с пищей холестерином и внутриклеточным синтезом этого вещества. Однако при избытке холестерина в клетках внутри кровеносных сосудов образуются атеросклеротические отложения.

У больных семейной формой гиперхолестеринемии рецепторы ЛНП отличаются от нормальных тем, что они не способны удалять из кровеносного русла достаточное количество холестерина. В 1984 г. Голдстейн и Браун описали несколько мутаций гена, ответственного за рецепторы ЛНП. Семейная гиперхолестеринемия может быть вызвана дефектным синтезом рецептора, дефектным связыванием ЛНП, неадекватным эндоцитозом или переносом рецептора внутрь клетки и, наконец, неспособностью поверхностного рецептора мигрировать в выстланные белком углубления.

У некоторых больных с гетерозиготной формой семейной гиперхолестеринемии, имеющих лишь один функциональный ген для рецепторов ЛНП, лечение такими препаратами, как компактин или мевинолин, увеличивает число рецепторов ЛНП, производимых одним функциональным геном, снижая тем самым содержание ЛНП и холестерина в крови. Эта форма терапии, однако, оказывается неэффективной у гомозиготных больных, лишенных функционирующего гена для рецепторов ЛНП.

Голдстейн и Браун получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1985 г. за исследования, которые, по мнению Каролинского института в Стокгольме, «существеннейшим образом углубили наше понимание метаболизма холестерина и увеличили возможности профилактики и лечения атеросклероза». [15]

Дж. Майкл Бишоп и Гарольд Э. Вармус Работая в области молекулярной вирусологии, Вармус совместно с Дж. М. Бишопом в исследованиях 1970;х гг. сделали открытие, которое по-новому осветило долго остававшуюся дискуссионной проблему этиологии опухолей (злокачественных и доброкачественных) у человека и животных. Согласно полученным результатам, неконтролируемый рост клеток, образующих опухоль, вызывается не только и даже не столько проникающим в клетку извне онковирусом, сколько внутренними процессами в самой клетке. Вармус доказал, что нормальные гены роста клетки вследствие случайных спонтанных мутаций под воздействием химических канцерогенов или, порой, процесса старения могут изменять свою молекулярную структуру и таким образом превращаться в так называемые протовирусы онкогенной природы.

За открытие клеточного происхождения онкогенных протовирусов Вармус совместно с Дж. М. Бишопом в 1989 г. были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. [16]

Сидней Ольтман и Томас Чек Ранее считалось, что и ДНК, и РНК служат только носителями генетической информации, в то время как белки в форме ферментов катализируют химические процессы жизни. Чек и C. Ольтман независимо друг от друга опровергли эту догму.

В 1970;1980;х годах ученые изучали, каким образом генетический код переносится от ДНК к РНК. Им было известно, что часть генетической информации не является обязательной и от нее надо избавиться в молекуле РНК, прежде чем та начнет использоваться клеткой. В поисках решения этой задачи Альтман и Чек открыли, что ферментативную функцию берет на себя не белок, а каталитическая РНК.

Чек изучал молекулу РНК примитивного одноклеточного организма Tetrahymena. Он нашел, что ненужную часть можно удалить из средней части молекулы этой РНК, причем после удаления этого фрагмента оставшиеся отрезки соединяются вместе. Сенсационным было, что молекула РНК сама по себе катализирует данную реакцию. Удаленный фрагмент РНК сам себя модифицирует таким образом, что оказывается способным функционировать, помимо прочего, в роли фермента, синтезирующего РНК. Каталитическая РНК может создавать новую РНК.

Открытие каталитической РНК, которую называют также рибозимом, важно как для науки, так и для производства.

Каталитическая РНК, возможно, выполняет не только функцию разрезания и воссоединения РНК, но и играет главную роль во многих других биологических процессах. Химические процессы жизни часто требуют взаимодействия белок — РНК. Может быть, РНК, а не белковые ферменты играют в них ведущую роль.

Каталитическая РНК — новое мощное средство генной инженерии. Прослеживаются очевидные применения каталитической РНК в биотехнологии и медицине. Например, растения, приготовленные методом генной инженерии, можно сделать устойчивыми к воздействию вирусов, если создать рибозим, который будет разрывать и разрушать генетический материал вируса. То же представляется совершенно очевидным и при конструировании лекарств против вирусных инфекций.

Наконец, возник новый подход к истолкованию проблемы химического механизма происхождения жизни на Земле. Какая биомолекула появилась на Земле первой? Как могла возникнуть жизнь, если молекулы ДНК генетического материала могут воспроизводиться лишь с помощью белковых ферментов, в то время как сами белки могут быть построены лишь с помощью генетической информации, заключенной в ДНК?

Открытие Олтмена и Чека показало, что такой молекулой могла быть и не белковая молекула, и не молекула ДНК. Молекула РНК отвечает требуемым параметрам — она одновременно может служить и генетическим материалом, и обладать свойствами фермента.

В 1989 Чеку и С. Олтмену была присуждена Нобелевская премия 'за открытие каталитических свойств РНК'. [17]

Заключение

Генетика — одна из самых молодых наук. Она внесла большой вклад в познание диалектико-материалистической картины мира, показав, что коренное свойство жизни — наследственность — основывается на сложной физико-химической структуре хромосомного аппарата, сформировавшегося в ходе эволюции для хранения и передачи генетической информации. Тем самым генетика дала ещё одно доказательство взаимосвязи физико-химических и биологических форм организации материи и единства материального мира; показала, что все генетические явления и процессы, в том числе явления наследств, изменчивости, детерминированы. Диалектически противоречивое единство явлений наследственности и наследств, изменчивости получило объяснение в поведении и особенностях изменения структуры хромосом и заключённых в них генов при скрещиваниях, а также в реакции генетического материала на внешние воздействия или на условия внутриклеточной среды. Генетика показала также, внутреннее противоречие между наследственностью и наследственной, изменчивостью, разрешаемое в процессе мутирования, рекомбинации при гибридизации и отбора, служит движущей силой эволюции. Генетика подтвердила эволюционную теорию Дарвина и способствовала её развитию. Вскрыв материальность явлений наследственности, генетика, в силу самой логики развития естествознания, показала, что все генетические явления и процессы подчинены законам диалектического движения.

Библиографический список:

1. Самин Д. Тайны живого. Хромосомная теория наследственности //Сто великих научных открытий. — М.: Вече, 2000

2. Мёллер Г. Избранные работы по генетике. М. — Л., 1937

3. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.- М.: Прогресс, 1992.

4.http// www.nobellaureate.ru/nobel_list/t/tatum_edward