Модуль 1 Введение в основные понятия молекулярной биологии клетки
Комплексная цель: Сформировать у студентов базовые представления об основных принципах молекулярной биологии и генетики, необходимые для понимания механизмов, лежащих в основе регуляции основных клеточных процессов.
За последние 100 лет биологическая наука совершила революционные шаги в понимании процессов, контролирующих такие фундаментальные биологические процессы как развитие, дифференцировка и размножение клеток. Ключевую роль в этом сыграли исследования, вскрывшие механизмы сохранения и передачи генетической информации, лежащей в основе всех событий, протекающих в клетке. Начало пониманию генетических процессов на молекулярном уровне было положено в работах Уотсона и Крика (1953), результатом которых стало открытие молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В результате рентгеноструктурного анализа было установлено, что молекула ДНК имеет структуру двойной правосторонней спирали, представленной двумя антипараллельными последовательностями нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями. Две цепи удерживаются в определенной позиции друг относительно друга за счет образования водородных связей между комплементарными парами нуклеотидов (А=Т и Г≡Ц; напомним, что между парой аденин-тимин формируется 2 водородные связи, а между парой гуанин-цитозин – 3, поэтому, чем больше в молекуля ДНК Г≡Ц, тем прочнее они удерживаются друг напротив друга). В результате образуется структура, в которой остатки азотистых оснований располагаются в параллельных плоскостях друг относительно друга наподобие стопки монет. Более подробно структура ДНК рассматривается в курсе биохимии. Здесь мы лишь скажем, что молекула ДНК каждого вида несет полную генетическую информацию, которая закодирована в последовательности нуклеотидов, образующей, так называемый генетический код. Данная информация является уникальной для каждой особи каждого вида и идентичной для каждой клетки организма. Реализация данной информации в клетке осуществляется по схеме, получившей название основного постулата молекулярной биологии, схематически записываемого следующим образом:
ДНК→РНК→Белок
В результате процессов транскрипции и трансляции информация, закодированная в ДНК, последовательно переводится вначале на язык последовательности нуклеотидов в молекуле рибонуклеиновой кислоты (РНК), а затем на язык последовательности аминокислот в белке. Именно этот фундаментальный процесс лежит в основе управления всеми этапами жизнедеятельности клетки, начиная от ее возникновения до последующего деления (т.е. на всех этапах клеточного цикла).
1.1 Основные принципы цитогенетики
Важнейшим свойством генетической информации является возможность ее передачи от родительских клеток дочерним. Базовые принципы передачи генетической информации были впервые описаны в работах Г. Менделя (1800-е г) и с тех пор не претерпели существенных изменений. Согласно принципам менделевской генетики, весь объем генетической информации, содержащейся в клетке (геном) представлен дискретным набором ее носителей, именуемых генами. Анализ генома человека показал, что в его состав входит порядка 22 000 генов. Комбинация генов в клеточном геноме образует генотип клетки. При этом каждому гену соответствует определенный признак. Совокупность таких признаков формирует фенотип клетки и целого организма. В действительности, практически все гены, входящие в состав геномов многоклеточных организмов, принимают участие в развитии и регуляции большого количества органов, тканей и физиологических процессов. Кроме того, исследованиями Менделя было впервые показано, что для формирования фенотипического признака каждый ген в геноме должен быть представлен в виде двух копий, т.е. организм должен нести диплоидный набор генов. В настоящее время известно, что в состав многоклеточных организмов входят клетки трех типов: соматические клетки, образующие органы и ткани, и стволовые клетки, дающие начало новым клеточным генерациям, имеют диплоидный набор хромосом (2n), а также половые клетки, имеющие гаплоидный, т.е. одинарный набор хромосом (n). Также было установлено, что две копии одного и того же гена могут нести различную и даже противоположную информацию о фенотипическом признаке. Такие альтернативные варианты одного и того же гена, находящиеся в геноме организма, получили название аллелей. Геном организма может содержать как одинаковые аллели данного гена (в этом случае он называется гомозиготным по данному гену), так и различные аллели (в этом случае он называется гетерозиготным по данному гену). При этом аллели гена могут с различной эффективностью влиять на формирование фенотипического признака. Аллель, проявляющая большую эффективность при проявлении фенотипического признака, называется доминантной, а аллель, обладающая меньшей эффективностью, – рецессивной. В ряде случаев, доминантная аллель оказывается не в состоянии полностью подавить проявление рецессивной аллели, в результате чего происходит формирование «компромиссного» фенотипа. Такое явление получило название неполного доминирования. В другом случае, может иметь место совместное проявление аллелей. Так, например, кровь человека, генотип которого является гетерозиготным по генетическому локусу, ответственному за определение группы крови по системе АВ0 будет содержать эритроциты, на поверхности которых будут одновременно экспрессироваться антигены группы А и группы В (т.е. будет обладать IV группой крови).
В начале ХХ века удалось установить, что причиной возникновения альтернативных вариантов генов являются спонтанно возникающие изменения в структуре ДНК, называемые мутациями. В результате мутаций происходит формирование аллельных вариантов генов, несущих различную информацию о том или ином фенотипическом признаке. При этом аллель, присутствующая у большинства представителей вида, и, соответственно, характерная для жизнеспособных здоровых особей, принято называть диким типом. Таким образом, мутации являются движущей силой эволюционного процесса, в ходе которого, в результате естественного отбора, происходит закрепление аллелей, несущих признаки, способствующие выживанию вида, и, напротив, элиминирование аллелей, несущих мутации, несовместимые с выживанием особи. В результате данного процесса более древние в эволюционном отношении виды приобретают большее количество аллельных вариантов генов, по сравнению с более молодыми. Так, например, геном человека, являющийся относительно молодым (<150 000 лет назад) содержит наполовину меньше аллельных вариантов, по сравнению с геномом шимпанзе, который вдвое старше него.
В тоже время, исследования показали, что только небольшая часть ДНК действительно несет информацию о структуре белков. Мутации в этой части ДНК находят свое отражение в первичной структуре белков и оказывают влияние на их биологическую активность. Большая же часть ДНК представлена некодирующими последовательностями, поэтому мутации, возникающие в этих участках, оказываются нейтральными и не оказывают влияния на формирование фенотипа (Рис. 1). Тем не менее, следует учитывать, что в состав некодирующей ДНК входят также регуляторные участки, которые сами по себе не несут информации о структуре белка, но осуществляют контроль экспрессии генов. Соответственно, мутации, возникающие в таких регуляторных участках, не являются нейтральными. Такие мутации не затрагивают первичной структуры белка, однако оказывают влияние на уровень биосинтеза данного белка в клетке.
Рис. 1 Возникновение мутаций в кодирующих и некодирующих участках ДНК (пояснения в тексте) .
В результате, геномы биологических организмов, включая человека несут в своем составе огромное количество мутаций, которые не отражаются видимым образов в их фенотипе. Данное явление получило название генетического полиморфизма. Геном каждого индивидуума обладает своим собственным уникальным полиморфизмом.