ОТКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ ГЕНЕТИКИ И ЭМБРИОЛОГИИ, УДОСТОЕННЫЕ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ (1901-2000)
1933
Томас Морган (1866-1945 США)
Доказательство того, что хромосомы - носители наследственной информации и что гены расположены в них линейно
1935
Ханс Шпеман (1869-1941 Германия)
Открытие в эмбрионе группы клеток, управляющей его ростом и развитием
1946
Херман Мёллер (1890-1967 США)
Открытие того, что мутации вызываются в том числе и внешними факторами, например, рентгеновыми лучами
1958
Джордж Бидл (1903-1989 США), Эдвард Тейтам ((Тейтум) 1909-1975 США), Джошуа Ледерберг (р.1925 США)
Открытие того, что структура каждого белка закодирована в одном из генов (Бидл и Тейтам); открытие того, что наследственность у бактерий обусловлена генами и что бактерии могут размножаться половым путем (с рекомбинацией)
1959
Северо Очоа (1905-1993 США), Артур Корнберг (р.1918 США)
Открытие ферментов, катализирующих синтез ДНК и РНК и произведение синтеза нуклеиновых кислот in vitro
Открытие того, что вирус может включаться в геном клетки, и что есть механизм, регулирующий активность генов (Львов). Открытие информационной РНК, механизмов экспрессии и транскрипции генов (Жакоб и Моно)
1966
Пейтон Раус ((Роус) 1879-1970 США)
Открытие того, что некоторые опухолевые клетки растут не столько под действием своих внутренних тенденций, сколько под влиянием вирусов или химических агентов
1968
Маршалл Ниренберг (р.1927 США ), Хар Корана (р.1922 США), Роберт Холли (1922-1993 США)
Расшифровка триплетного генетического кода в молекулах ДНК и РНК
Открытие рестриктаз - особых ферментов, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных местах (их использование позволяет исследователю реконструировать генетический материал: делить ДНК на заранее заданные фрагменты, затем соединять их в новом порядке и т.д.)
1983
Барбара Мак-Клинток (1902-1992 США)
Открытие того, что часть структурных элементов хромосомы способна перемещаться по самой хромосоме и к другой хромосоме (регуляция экспрессии генов и причина структурной нестабильности хромосом)
1989
Майкл Бишоп (р.1936 США), Харолд Вармус (р.1939 США)
Установление того, что онкоген в вирусе - не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус подхватил когда-то в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде, а его предшественник (клеточный протоонкоген) управляет ростом и делением здоровых клеток
1993
Ричард Робертс (р.1943 США ), Филлип Шарп (р.1944 США)
Установление того, что ген может присутствовать в ДНК и иРНК в виде раздельных сегментов – экзонов (дополнительная возможность рекомбинации генов)
Выявление генов, в раннем эмбриональном развитии определяющих закладку схемы тела и формирования его сегментов (Нюссляйн-Фольхард и Вейсхаус); обнаружение пространственно-временного соответствия между расположением генов в хромосоме и частями тела, развитие которых они направляют
1997
Стенли Прузинер (р.1942 США)
Открытие прионов — клеточных белков, обычно безвредных, но иногда способных изменять свою структуру и превращаться в возбудителей инфекционных заболеваний
Еще в начале XIX в. Томас Найт (1753-1838) обратил внимание на то, что в гибридах растений признаки исходных видов не теряются, но проявляются в различных комбинациях. Позднее Огюстен Сарже открыл явление доминантности. При скрещивании часть родительских признаков исчезает, чтобы проявиться вновь в третьем и далее поколениях. В 1852 г. Шарль Ноден (1815-1899) безуспешно пытался количественно оценить распределение родительских признаков в гибридах. В 1854-1863 гг. Грегор Мендель (1822-1884) сформулировал основные законы генетики и опубликовал их в 1866 г., после чего они были забыты и открыты заново в 1900 году .Карлом Корренсом (1864-1933), Хуго Де Фризом (1848-1935) и Эрихом Чермаком (1871-1962). Тогда же были заложены основы учения о мутациях.
В 1909 г. Морган попытался свести воедино законы Менделя и представления о хромосомах и генах как носителях наследственности. Он выбрал недорогое и быстро размножающееся животное – плодовую мушку Drosophila melanogaster, ядра клеток которой содержат только 4 пары хромосом. Чтобы объяснить связанное наследовании некоторых признаков, Морган предположил, что хромосомы одной пары могут обмениваться генами (кроссинговер), и вероятность разделения двух генов тем выше, чем дальше они один от другого расположены в хромосоме. Отсюда следовало, что гены связаны в линейные цепочки. Были составлены первые карты хромосом с обозначением позиций определенных генов. Морган публиковал свои результаты, начиная с 1911 г.
В 1901-1918 гг., исследуя эмбрионы тритона, Шпеман удалял хрусталик и переносил на его место кусочек эпителиальной ткани из другой части зародыша. На новом месте образовывался новый хрусталик. Шпеман менял местами зачатки кожи и нервной пластинки, и во всех случаях судьбу клеток определяло не их происхождение, а место, в котором они развивались. Единый центр, направляющий развитие всех остальных клеток зародыша, был найден в вблизи соединения зародышевых листков – экто-, мезо- и энтодермы. После пересадки в любую часть другого эмбриона он развивался в соответствии с собственной программой и направлял развитие тканей. Результаты были опубликованы в 1922 г.
С 1912 г. Мёллер в лаборатории Моргана выяснял причины мутаций. Он установил, что мутации часто происходят в отдельных генах, не затрагивая соседних. Поскольку все гены находятся в одинаковых условиях, события должны происходить на молекулярном уровне. Подобный "точечный эффект" можно вызвать лучами высокой энергии. Мощность света оказалась недостаточной, и в 1926 г. Меллер применил рентгеновы лучи, которые за 30 мин учащали мутации у дрозофилы более чем в 100 раз: целостность хромосомы нарушалась, потом ее концы снова соединялись в ином порядке.
С 1937 г. Бидл и Тейтам исследовали влияние генов на функции организмов. Они использовали дрожжевые грибы N. crassa, для роста которых необходим витамин биотин. Для повышения частоты мутаций на грибы действовали рентгеновыми лучами. Часть грибов переставала размножаться. Бидл и Тейтам предположили, что этим грибам недостает каких-либо веществ, которые до облучения они могли синтезировать сами. Культуру разнесли во множество питательных сред и в каждую добавили по одному из веществ, которые синтезируются здоровыми грибами N. crassa. В двух средах, в которые добавили витамины В1 (тиамин) и В6 (пиридоксин) соответственно, грибы снова стали размножаться, следовательно, лучи вызвали мутации, нарушившие синтез двух ферментов, ответственных за синтез В1 и В6 . Скрещивание мутантных культур со здоровыми показало рецессивный характер наследования. Так было доказано, что конкретные гены ответственны за синтез конкретных белков.
В 1944 г. Ледерберг, действуя рентгеновыми лучами на E. coli, получил мутантные ауксотрофные (неспособные к синтезу некоторых необходимых им веществ) штаммы чем доказал наличие генов у бактерий. Культуру, бактерии которой в результате мутации нуждались в добавлении извне треонина, лейцина и тиамина, он скрестил с культурой, дефицитной по биотину и метионину, и получил нормальное (прототрофное) потомство. Прототрофы возникли в результате рекомбинации родительских генов (доминантное наследование). Так было получено доказательство полового процесса у бактерий. Ледерберг наблюдал в микроскоп, как между двумя бактериями образовывался мостик, по которому мужской (гаплоидный) набор генов переходил в женскую клетку. Встряхивая чашку, он искусственно прерывал процесс оплодотворения на начальных стадиях, в результате только часть генов успевала рекомбинироваться. Ледерберг также показал, что передача генетического материала от одной бактерии к другой может осуществляться через жидкую среду, без непосредственного контакта между бактериями. (Позднее было установлено, что роль переносчика генов в этом случае выполняет бактериофаг). В 1953 г. Ледерберг экспериментально подтвердил гипотезу Бёрнета (Нобелевская премия 1960 г.) о том, что фаги или профаги включаются в наследственный материал бактерий.
Очоа выделил из микроорганизма A.vinelandi фермент полинуклеотидфосфорилазу, катализирующий синтез молекулы, похожей на РНК, и с его помощью в 1955 г. из "простых естественных предшественников" синтезировал РНК. Расщепляя полученное вещество фосфодиэстеразой и панкреатической рибонуклеазой, Очоа показал, что синтезированный им полирибонуклеозид представляет собою линейную цепочку, в которой единицы соединены друг с другом через 3’5’ — фосфодиэстеразные мостики. Молекулярная масса полимера составляла от 30 до 2000 Да. Корнберг выделил из E.coli фермент ДНК-полимеразу и с ее помощью в 1957 г. синтезировал ДНК.
Луриа внушил юному Уотсону, что понять природу гена можно, только выяснив структуру ДНК, и отправил его в Европу учиться химии нуклеиновых кислот. В Кембридже Уилкинс показал Уотсону рентгенограммы ДНК, полученные Розалинд Фрэнклин (1921-1958). На основании этих данных Уотсон и Крик безуспешно пытались построить пространственную модель ДНК, но пары азотистых оснований имели разную длину и никак не укладывались внутри двойной спирали. Джерри Донахью сказал Уотсону, что тот напрасно верит учебникам и оперирует основаниями в енольной, а не в кето-форме. Изготовив из картона модели оснований в нужной форме, Уотсон сложил их на столе и обнаружил, что пара аденин-тимин (А-Т) имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин-цитозин (Г-Ц). Это позволяло поместить пары внутрь двойной спирали подобно ступенькам винтовой лестницы. В 1953 г. Уотсон и Крик писали в Nature: "Мы вполне отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности". Уотсону было 24 года.
Лизогения – гибель бактерий, пораженных фагом (вирусом). Борде (Нобелевская премия 1919 г.) показал наследование лизогении бактериями. Эжен Вольман объяснил это: некоторые формы вирусов могут включаться в генетический материал бактерии в виде профага и передаваться потомству. В 1950 г. ультрафиолетовым облучением колонии Львов добился того, что почти все ее бактерии начали продуцировать фаг: облучение вызвало превращение профага в фаг. Стало очевидным, что профаг (неинфекционная форма вируса), попадая в бактериальную клетку, может присоединяться к ее ДНК и становиться частью генетического аппарата. Под действием внешнего фактора профаг отделяется от ДНК, активируясь, превращается в фаг и уничтожает бактерию. Так Львов доказал факт регуляции генной активности.
К середине 1950-х гг. стало ясно, что синтез белка происходит не непосредственно на ДНК, а где-то в цитоплазме, и должен существовать передатчик информации от ДНК к механизму синтеза. Им оказалась небольшая фракция РНК (300 кДа), выделенная в 1957 г. сразу нескольким группами исследователей. Жакоб и Моно назвали эту РНК информационной, или матричной (иРНК, мРНК). Изменяя искусственными мутациями способность E. coli синтезировать ферменты, они показали существование генов-регуляторов. По коду, содержащемуся в регуляторе, синтезируется белок-репрессор, он находит в молекуле ДНК особый участок – ген-оператор, связывается с ним, и оператор подавляет транскрипцию (передачу информации от структурных генов к иРНК). Когда в клетку попадает вещество-индуктор, оно связывается с репрессором, и тот перестает тормозить транскрипцию. Тогда информация передается от ДНК к иРНК, а иРНК служит матрицей для синтеза белка. Участок ДНК, с которого информация считывается на одну молекулу иРНК, Жакоб и Моно назвали опероном.
В 1909 г. Раус профильтровал экстракт куриной саркомы и ввел его здоровым цыплятам, вскоре и у них появилась саркома. Болезнетворный агент (ныне вирус саркомы Рауса № 1) многократно передавался при пассажах. В 1911 г. Раус опубликовал данные, их сочли курьезом и забыли о них. В 1930-е гг. Раус доказал, что опухоли могут перерождаться в злокачественные после воздействия на них малыми дозами некоторых химических веществ (позднее их назвали канцерогенами). Раус понял, что превращение нормальных клеток в раковые происходит не внезапно, но путем пошаговых изменений. Потенциальные раковые клетки находятся в "бездействующем" состоянии. Химические агенты, вирусы или гормоны могут пробуждать их к агрессивному развитию. Значение открытий Рауса было признано только через много десятилетий.
В 1961 г. Ниренберг синтезировал полиурацил – РНК, состоящую только из урацила (UUUUUU …UUU), и поместил ее в гомогенат клеток, где она сыграла роль матрицы для белкового синтеза. Так был получен несуществующий в природе белок, состоящий из одного только фенилаланина (Phe-Phe-… - Phe) и было расшифровано значение одного из триплетов: UUU а Phe. Корана синтезировал РНК, состоящие уже из разных триплетов (кодонов). К 1966 г. были раскрыты значения всех 64 возможных кодонов – от ААА до UUU.
Теория подсказывала, что должно существовать по меньшей мере 20 транспортных РНК (тРНК), каждая из которых соединялась бы с одной аминокислотой, переносила ее в рибосому и там отдавала аппарату белкового синтеза. Холли к 1965 г. установил структуру одной тРНК, она переносила аланин. Вскоре была расшифрована структура всех 20 тРНК.
В конце 1940-х – начале 1950-х гг. Дельбрюк, Луриа и Херши на примере бактериофага описали закономерности репликации вирусов: (а) вирус может содержать более чем один ген: (б) два вируса, инфицирующие одну бактерию, могут обмениваться генами и создавать гибридные формы (генетическая рекомбинаця); (в) вирусы, поврежденные облучением, после инфицирования той же бактерии другими поврежденными вирусами могут восстанавливать свой геном; (г) вирус состоит из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, но при инфицировании в клетку проникает только нуклеиновая кислота. Была создана генетическая карта вируса, показана возможность обратимого превращения линейной молекулы нуклеиновой кислоты в кольцевую. Итак, Херши дал биохимическое описание процесса инфицирования, Дельбрюк - математическое описание процесса репликации, Луриа раскрыл преобразования, которые производит включение бактериофага в генетический материал клетки.
В 1950-х гг., применив культивирование клеток in vitro, Дульбекко обнаружил явление трансформации — переход от нормального роста к опухолевому, вызываемый в т.ч. некоторыми вирусами. Дульбекко доказал, что генетический материал вируса включается в геном трансформированных клеток. Темин отметил признаки включения в геном клетки генетического материала и РНК-вирусов. Он предположил, что в белковой оболочке некоторых вирусов есть обратная трансфераза, обеспечивающая считывание информации с РНК на ДНК. Темин и Балтимор независимо обнаружили этот фермент в 1970 г. Темин показал, что генетический материал вирусов может храниться в ДНК животных в виде неактивных провирусов. Активируясь, провирус индуцирует синтез опухолеобразующих белков, они блокируют внутриклеточную программу ограничения роста, и клетка начинает бесконтрольно расти и делиться.
В 1960-е гг. Арбер изучал рестрикцию бактериофага – процесс, с помощью которого клетка защищается от проникновения чужеродного генетического материала. Он разделил понятия рестрикции (повреждение ДНК) и модификации (метилирование ДНК для предупреждения рестрикции). Для этих процессов Арбер постулировал существование: (а) специфических ферментов и (б) особых сайтов в молекуле ДНК для их связывания. Ферменты действуют на сайты, или разрезая молекулу (рестрикция) или метилируя ее (модификация). В 1970 г. Смит описал фермент у бактерии H. influenzae, который рассекал чужеродную ДНК на фрагменты везде, где встречал запрограммированную последовательность из шести оснований. В 1971 г. Натанс на примере рестрикции вируса SV40 построил первую полную генетическую карту ДНК.
В начале 1950-х гг. Мак-Клинток, работая с кукурузой, обнаружила, что появление пестрой окраски зерен сопровождалось перемещением структурных элементов в пределах хромосомы или между хромосомами. Такие транспозиции приводили к инактивации смежных генов, и Мак-Клинток назвала подвижные структуры хромосом управляющими элементами (УЭ). Они вели себя как обычные гены и их локализацию в хромосомах удавалось определить. Когда УЭ перемещались вдоль хромосомы или от одной хромосомы к другой, они инактивировали соседние гены. Когда УЭ покидали какой-либо регион, инактивированные гены восстанавливали свои функции. УЭ легко объединялись в группы. Внутри группы один УЭ являлся главным (регулятором), он сообщал подчиненным элементам (рецепторам), когда перемещаться. Два или более УЭ могли входить в состав одной регуляторной системы. Некоторые УЭ программировали соседние гены на активность в более позднее время, например, через несколько клеточных поколений.
Бишоп и Вармус сконструировали ДНК-зонд — молекулу, которая избирательно опознавала онкогеноподобный материал. Зонд показал наличие такого материала в геноме разных биологических видов. Было установлено, что ретровирусный онкоген, включаясь в геном клетки, разделяется на фрагменты (мозаичный ген). В 1976 г. Бишоп и Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус "подхватил" когда-то давно в ходе репликации в клетках, и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль— управляет ее ростом и делением.
Используя электронную микроскопию, Робертс и Шарп обнаружили, что молекула РНК соответствует не менее чем четырем удаленным один от другого сегментам в молекуле ДНК. Они пришли к выводу, что генетическая информация в геноме эукариот размещена в виде экзонов-сегментов, разделенных интронами – "ненужными" участками ДНК. Интроны удаляются либо перед транскрипцией (из ДНК), либо после нее (из иРНК). Интроны образуют петли, и происходит сплайсинг – сращивание экзонов в единую последовательность, после чего иРНК передает информацию белку. Другие исследователи показали, что сплит-гены (расщепленные гены) – наиболее частая форма организации генетического материала в т.ч. и у человека.
В ходе эмбриогенеза каждый сегмент тела развиваются по-своему. Какие гены этим управляют? Нюссляйн-Фольхард и Вейсхаус воздействовали химическими мутагенами на дрозофилу так, чтобы получить мутации примерно в половине генов (мутагенез насыщения) и выявили 15 генов, ответственных за сегментацию тела. Так, утрата промежуточного гена приводит к утрате нескольких сегментов тела. При потере гена парности развиваются только нечетные сегменты тела. Потеря гена полярности сегментов ведет к тому, что головной и хвостовой концы сегментов становятся одинаковыми. Работая с мухами, Льюис доказал существование гомеотических генов – регуляторов развития, которые вступают в действие позднее, чем факторы Нюссляйн-Фольхард и Вейсхауса. Они ответственны за превращение личиночного сегмента в соответствующий сегмент тела. Так, в комплексе гомеотических генов Bithorax гены расположены в том же порядке, что части тела (принцип линейности): первые гены направляют развитие головного конца тела, гены в середине – развитие брюшных сегментов, последние гены комплекса – развитие задней части тела. Льюис также обнаружил временную последовательность активации гомеотических генов: сначала активируется I ген в комплексе, затем II и т.д. Позднее было показало, что гомеотические гены мухи гомологичны таким же генам других типов животных, включая человека.
Прузинер искал возбудителя дегенеративных поражений мозга человека (болезнь Кройтцфельдта-Якоба – БКЯ и куру) и овец (скрапи), Предполагалось, что это некие "медленные вирусы". Тесты упорно показывали наличие в материале только белка, но никак не нуклеиновых кислот. Скрапи удалось привить хомякам и после десяти лет усилий Прузинер выделил инфекционный агент из их мозга – белок, который Прузинер назвал прионом. В 1985 г. ген приона обнаружили у животных и человека. Оказалось, что его продукт – нормальный компонент лейкоцитов и нейронов. Стали различать две формы прион-белков: нормальную PrPC и собственно прионную PrPSc. Последняя склонна к образованию агрегатов, устойчива к протеазам и даже к температурам выше 100 єС. Предполагают, что, связываясь с клеткой, PrPSc способствует превращению PrPC в PrPSc. Однако превращение может происходить и спонтанно — спорадическое возникновение прионных болезней. Причина наследственных прионных болезней – измененный ген, продукт которого склонен к спонтанному превращению в PrPSc. При смешивании in vitro PrPC и PrPSc нормальный белок превращается в прионный за месяцы и годы. Предложены гетеродимерная и полимеризационная модели такого превращения. В 1990-е годы появилась губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота ("коровье бешенство"): в корм коров добавляли порошок из отходов переработки туш овец, в т.ч. больных скрапи. Сходство структур PrP животных и человека делает возможным заражение через мясо.
По материалам, собранным при подготовке книги о Нобелевских премиях по физиологии или медицине (1901-2000)
А. Т. Марьянович, Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
ЛИТЕРАТУРА
1. Азимов А. Краткая история биологии / Пер. с англ.
М.: Центрополиграф, 2002. 224 с.
2. Блох А.М. Советский союз в интерьере Нобелевcких премий. СПб.: Гуманистика, 2001. 608 с.
3. Глязер Г. Новейшие победы медицины / Пер. с немец. М.: Молодая гвардия, 1966. 192 с.
4. Кветной И.М. От Гиппократа до Хьюмтрена. М.: Вузовская книга, 2001. 156 с.
5. Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия / Пер. с англ. В 2-х тт. М.: Прогресс, 1992. 775 + 861 с.
6. Уотсон Дж. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. М., 1969.
7. Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия / Пер. с болг. М.: Мир, 1987. 369 с.
8. Sourkes T.L. Nobel Prize Winners in Medicine and Physiology 1901-1965. London etc.: Aberland-Schuman, 1966. 464 p.
Вы не можете начинать темы Вы не можете отвечать на сообщения Вы не можете редактировать свои сообщения Вы не можете удалять свои сообщения Вы не можете голосовать в опросах
FAQ
Поиск
Пользователи
Группы
Регистрация
Профиль
Вход
Войти и проверить личные сообщения
