Презентація "Шляхи передачі інформації в живих системах (історії наукових відкриттів лауреатів Нобелівської премії в галузі фізіології та медицини) "

§ 56.2. Шляхи передачі інформації в живих системах (історії наукових відкриттів лауреатів Нобелівської премії в галузі фізіології та медицини) Біологія і екологія, 10 клас, профільний рівень. Тема 4. Спадковість та мінливість. Сучасна євгеніка

Історія вивчення механізмів передачі інформації в живих системах. Вікриття та опис структури ДНК стало одним із найважливіших відкриттів у біології 20 століття. Послідовність нуклеотидів у ДНК — це генетичний код, набір інструкції для побудови та функціонування клітин живих організмів. Послідовність ДНК з якої зчитується комплементарна послідовність РНК, з якого транслюється послідовність амінокислот, білок — скорочений рецепт життя. Модель подвійної спіралі, способу її поділу та розшифровка коду — відкриття, які побудували сучасну біологію, медицину та біотехнології. І сьогодні можливим є те, що в часи відкриття структури ДНК вважалося фантастикою — генетичне редагування та створення генетично модифікованих організмів, бактерії, що синтезують інсулін, гормон росту, фактори згортання крові, процедури, що зараз здаються нам звичайними — діагностичні тести на наявність вірусу гепатиту С або ВІЛ за допомогою полімеразної ланцюгової реакції, технології, що стали можливим лише після відкриття Розалінд Франклін, Джеймса Уотсона, Френціса Кріка та Моріса Уілкінса.

Історія вивчення механізмів передачі інформації в живих системах. На початку 50-х рр. дві групи біофізиків під керівництвом Розалінди Франклін і Мориса Уілкінса у Королівському коледжі Лондона займалися дослідженням рентгеноструктурної будови молекули ДНК. Знаменита фотографія 51 - рентгенограма В-форми кристалізованої солі тімусної ДНК, яку отримала Розалінда Франклін, показала, що ДНК має форму подвійної спіралі. Ця рентгенограма стала головним поштовхом до відкриття двохспіральності ДНК Франклін та побудови моделі структури ДНК Уотсоном и Криком. Спроби Уілкінса отримати якісну рентгенограму B-формы ДНК були невдалими. Уілкінс показав фотографию 51 Франклін без її відома Уотсону. Однак Уотсону і Крику було недостатньо фотографії, їм потрібні були точні дані математичного аналізу, проведеного Франклін. Ці дані містилися в ще неопублікованому дослідницькому звіті Франклін для комітету Ради з медичних досліджень (MRC), які були отримані від члена комітету МRC М. Перуца. Отримавши ключові дані, Уотсон и Крик швидко завершили побудову моделі ДНК.

Історія вивчення механізмів передачі інформації в живих системах. Що цінного в математичному аналізі фотографії 51, проведеному Р. Франклін? Погляньте. Хрестоподібне розташування дифракційних плям прямо вказувало на структуру у вигляді спіралі. Подальший аналіз даних дозволив Франклін зробити висновок, що спіраль ДНК складається з двох ниток, в яких фосфатні групи розташовані зовні, а основи - зсередини спіралі. Франклін також визначила шаг спіралі (3,4 нм) и ії періодичність (10 пар на оберт).

Історія вивчення механізмів передачі інформації в живих системах25 квітня 1953 року в Nature були опубликовані три статті: модель Уотсона и Крика, дані групи Уілкінса и дані Франклін та ії помічника Р. Гослинга. 30 травня виходить стаття Уотсона и Крика про роль структури ДНК в реплікації генетичної інформації, а 25 липня вийшла стаття Франклин и Гослинга з доказами двохспиральності ДНК. Ці роботи заклали основи молекулярної біології та признані одними з основних досягнень науки XX століття. Хоча дослідження Франклін лягли в основу розшифровки ДНК Уотсоном і Криком, за що вони отримали Нобелівську премію 1962 року, ні Франклін, ні Гослінг не отримали визнання за свій внесок. За чотири роки до отримання колегами Нобелівської премії, в 1958 року, Франклін померла у віці 37 років від раку, який, ймовірно, був спричинений впливом рентгенівських променів під час її досліджень. Нобелівську премію посмертно не вручають. Уотсон, Крик і Уілкінс здобули Нобелівську премію в 1962 році «за відкриття молекулярної структури нуклеїнових кислот і їх значення для передачі інформації в живих істотах». Важливо, що у своїх промовах на вручення Нобелівської премії ні Уотсон, ні Крик жодним словом не згадали Франклін та її ключову роль у з'ясуванні структури ДНК. Зараз визнано, що робота Франклін забезпечила суттєву основу для визначення структури ДНК і що без її рентгенівських дифракційних картин і пов'язаного з ними аналізу ні Уотсон, ні Крик не змогли б відкрити структуру ДНК. Але також беззаперечно, що Уотсон і Крик без особливих зусиль змогли зробити правильні висновки з роботи Розалінди Франклін.

Історія вивчення механізмів передачі інформації в живих системах. У 1953 р. Ф. Крик, Дж. Уотсон і М. Уілкінс відкрили подвійну стркутуру ДНК. В 1962 р. отримали Нобелівську премію з фізіології і медицини за розшифровку будови ДНК.

Центральна догма молекулярної біології Френсис Крик в 1958 році вперше ввів термін «Центральна догма молекулярної біології», який використовується і сьогодні для демонстрації одностороннього переходу генетично інформації за схемою: ДНК —> РНК —> білок«Інформація передається від нуклеїнових кислот до білку, але не в зворотньому напрямку». Крик вважав, що це правило не може бути спростовано. Ф. Крик зазначив три складові будь якого біологічного процесу: матеріальна, енергетична, інформаційна.

Центральна догма молекулярної біології

Відкриття зворотної транскриптази. Але з кожного правила є виключення. Англійський біолог Горвард Матін Темін, вивчаючи проблеми раку, з’ясував, що якщо в процесі ділення здорових клітин відбувається вторгнення в сусідні тканини, то клітинна регуляторна система подає сигнал про припинення процесу ділення. Якщо ж клітка уражена, то при її вторгненні в сусідні тканини регуляторна система не діє. Темін припустив, що подібна трансформація викликається вірусним геном, що став частиною клітинної ДНК. Отже, білкова оболонка деяких вірусів містить  фермент, що сприяє копіюванню генетичного коду  РНК-вірусів у клітинну ДНК, чим забезпечує зворотню транскрипцію. Темін показав, що активований провірусний ген може викликати утворення пухлин, блокуючи нормальні сигнали контролю росту клітин. Подальші дослідження виявили, що ген провіруса, що активізувався, індукує синтез пухлиноутворюючих білків у клітці. Саме ці патологічні білки блокують надалі передачу сигналів обмеження клітинного зростання, внаслідок чого клітина починає безконтрольно розмножуватися. Нормальна клітина перетворюється в пухлину. Його дослідження допомогли класифікувати віруси, що містять зворотну транскриптазу, як ретровіруси, що є причиною багатьох захворювань, як-от СНІД, гепатити та деякі види раку.

Відкриття зворотної транскриптази

Відкриття генетичного коду. Відкриття генетичного коду стало ключовим етапом у розвитку генетики, розшифрувавши мову ДНК, що дозволило зрозуміти, як послідовність нуклеотидів кодує амінокислоти для створення білків. Станом на кінець 1950-х років було відомо, що ДНК є носієм генетичної інформації, проте не був відомий зв'язок між ДНК і білками та роль РНК у цьому зв'язку. Маршалл Ніренберг, разом з Джоном Генріхом Маттеєм, для відповіді на це питання поставив Експеримент Ніренберга-Маттея, у якому в крітинному есктракті, позбавленому ДНК та зі штучною РНК із відомою послідовністю, вдалося синтезувати білок, первинна структура якого залежала від послідовности РНК. Зокрема, в першій роботі на основі ланцюжка урацилів був синтезований ланцюжок фенілаланінів. Пізніше експеримент був повторений з іншими послідовностями, а потім модифікований (Експеримент Ніренберга-Ледера) для встановлення всіх кодонів стандартного коду.

Відкриття генетичного коду. Генетичний код має такі фундаментальні характеристики:• Триплетність Три нуклеотиди, кодон, кодують одну амінокислоту.• Специфічність . Кожен окремий триплет кодує тільки одну певну амінокислоту.• Безперервність відсутність розділових знаків. Генетичний код не має «пунктуаційних позначок» між кодонами в структурних генах.• Універсальність . Кодон в ДНК або м. РНК визначає одну і ту ж амінокислоту в білку всіх організмів від вірусу до людини.• Виродженість . Одна амінокислота часто має більш ніж один кодон.• Колінеарність . ДНК лінійний полінуклеотидний ланцюг, а білок лінійна поліпептидний. Послідовність амінокислот в білку відповідає послідовності триплетів в його гені (у прокаріот).• Односпрямованість процес зчитування інформаціїгенетичного коду з матричного ланцюга молекули ДНК йде тільки в одному напрямку від 5 кінця до 3 кінця.

Відкриття генетичного коду. Основна робота Маршалла В. Ніренберга - розшифрування генетичного коду матричної РНК. Саме той, яка «копіює» інформацію з ДНК при трансляції і з матриці якої в рибосомі будується білок. Але яким чином в рибосомі підбираються амінокислоти для будівництва білка? І як вони вбудовуються в послідовність в потрібному читко визначеному порядку? Ці питання залишалися без відповіді. На це питання відповів Роберт Холлі. Ключова стаття Холлі і його співавторів, яка зробила його нобелівським лауреатом, вийшла в журнале Science в 1965 році. Сама стаття мала просту назву: «Структура рибонуклеїнової кислоти». Абстракт (коротке резюме роботи) було теж коротким: «Виділена перша повна нуклеотидная послідовність аланінової транспортної РНК. Це перша нуклеїнова кислота, структуру якої вдалось узнати». Холлі показав також вторинну структуру РНК, ту, яка схожа на трилисник, центральний «пелюсток» якої містить антикодони, завдяки яким ця транспортна РНК, що несе потрібну амінокислоту, «встроюється» в рибосомі в потрібне місце на матричную РНК, що містить інструкцію про послідовності з’єднань амінокислот у пептиді. Хар Гобін Хорана синтезував всі 64 триплета матричної РНК, і зрозумів, що деякі амінокислоти кодуються кількома триплетами, є кодони, що «мовчать», а якісь дають сигнали старту та закінчення синтезу білка (старт-кодон и стоп-кодони). Він також встановив вторинну структуру транспортної РНК. За що і став третьою людиною, що отримала нобелівськую премію за расшифровку генетичного коду.

Відкриття ендонуклеаз рестрикції

«RNA inter ference» — процес «сайленсингу» (чи інтерференції) синтезу протеїнів на рибосомах на основі двоспіральних «малих інтерферуючих» РНК, або мікро. РНК. Зрозуміти механізми, що «включають» та «виключають» гены, – означає отримати можливість управляти процесами ембріонального розвитку, старіния, тримати під контролем рак, більшість «спадкових" хвороб та ряд патологій, при яких в спадковий матеріал организму потрапляє чужеродна генетична інформація вірусної природи. Це відкриття створює можливості для цілеспрямованої регуляції, зокрема гальмування, синтезу окремих протеїнів і лікування багатьох захворювань людини, тварин і рослин.

Відкриття РНК інтерференціїНобелівську премію за відкриття в галузі медицини і фізіології в 2006 році отримали американські вчені Эндрю Файр і Крэйг Меллоу за «відкриття РНК-інтерференції - пригнічення генів двухланцюгової РНК". РНК-інтерференція (RNAi) — це природний процес пригнічення генів, що запускається дволанцюговою РНК (ds. RNA) і призводить до вибіркового руйнування цільової м. РНК (матричної РНК), блокуючи синтез білка, а її механізм широко використовується в біотехнологіях для вимкнення генів, зокрема у боротьбі з вірусами та лікуванні хвороб. Цей процес відбувається на посттранскрипційному рівні, захищаючи клітину від вірусів та транспозонів та регулюючи власні гени. Дайсер Giardia intestinalis — білок, що каталізує розрізання дволанцюгових РНК із утворенням малих інтерферуючих РНК. Домен РНКази забарвлений зеленим, PAZ-домен — жовтим, домен платформи — червоним, а зв'язуюча спіраль — синім

Відкриття теломерази. Нобелівська премія в галузі медицини і фізіології у 2009 році вручена Е. Блекберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за відкриття ферменту теломерази, що захищає теломери хромосом під час розмноження клітин. Теломера (від грец. télos — «кінець» и méros — «частина») — ділянка ДНК, що складається із великого числа повторів та розташована на кінці лінійної хромосоми. Основна роль теломер — захист ДНК. Якби не специфічна структура теломер, кінці хромосоми розпізнавалися би клітиною, як дволанцюговий розрив ДНК, що вмикало б механізми ДНК репарації. Ензим, що регулює довжину теломер, - теломераза, є зворотною транскриптазою, що як матриця використовує зв’язану з нею особливу молекулу РНК, на якій проводить синтез ДНК для подовження теломер. Вивчення властивостей теломерази дає змогу зрозуміти, яким чином відбувається старіння клітин, як ракові клітини забезпечують собі «вічну молодість», і визначити шляхи пошуку нових протипухлинних ліків чи ліків, які гальмують старіння. І можна буде через регуляцію активності теломерази цілеспрямовано відновлювати клітини й органи, що піддаються старінню.

Дослідження рибосом. Ада Йонат (Нобелівська премія 2009 року) була одним з піонерів в галузі дослідження рибосоми. Її дослідження впливу антибіотиків на рибосому і механізмів опору організму антибіотиків були важливим кроком у процесі вивчення клінічної ефективності лікарської терапії. Знання тонкої структури і механізмів функціонування рибосом безпосередньо пов’язане з можливістю регуляції біосинтезу протеїнів у клітині й розв’язанням багатьох медичних проблем. Більшість антибіотиків було створено таким чином, щоб вони гальмували синтез бактеріальних протеїнів на бактеріальних рибосомах і не перешкоджали синтезу протеїнів у клітинах організмів, де ці бактерії містяться. Таким чином, зрозуміло, чому протибактерійні антибіотики не активні проти вірусів: віруси не мають власних рибосом і власної протеїн-синтезувальної системи, але використовують рибосоми клітин господаря, де й розвиваються.

Історія вивчення шляхів передачі спадкової інформації

Історія вивчення шляхів передачі спадкової інформаціїБіологічна наука розвивається швидкими темпами: у 1970 році американці Гамільтон Сміт і Кент Уілкокс відкрили рестрикційні ферменти, здатні розрізати ДНК, чим заклали початок розвитку генної інженерії, а вже в 1977 році уперше людські гени були вбудовані у геном бактерії. У 1978 році вперше було синтезовано рекомбінантний людський інсулін. До 1980 р. інсулін отримували за рахунок його виділення із підшлункової залози великої рогатої худоби (підшлункова залоза корови у середньому важить 200 – 250 г, а для одержання 100 г кристалічного інсуліну необхідно до 1 кг вихідної сировини). Генноінженерні методи дозволять отримувати інсуліну до 200 мг/л культуральної рідини). З 1982 року генноінженергий іінсулін допущений до виробництва. У 1979 році групою вчених Каліфорнійського університету був синтезований людський гормон росту. Соматотропін уперше був виділений у 1963 р. із трупного матеріалу. Вихід гормону з одного трупного гіпофіза становив близько 4-6 мг у перерахунку на готовий фармацевтичний препарат. Для лікування карликовості необхідна доза становить 6 мг на тиждень протягом року. У 1982 р. гормон соматотропні був також отриманий на основі сконструйованої кишкової палички в Інституті Пастера в Парижі. Вартість гормону до 1990 р. знизилася до 5 доларів за одиницю препарату. Наприкінці 70-х років ХХ століття стала очевидною потенційна важливість інтерферонів для медицини, у тому числі профілактики онкологічних захворювань. Клінічні випробування стримувалися високою вартістю препаратів. У 1978 р. для одержання 0,1 г чистого інтерферону в Центральній лабораторії охорони здоров’я Гельсінкі (світового лідера з виробництва інтерферону із лейкоцитів здорових людей) переробляли 50000 л донорської крові. Заходи, спрямовані на одержання генноінженерних інтерферонів в 1980 році ,дозволили знизити витрати на його виробництво більш ніж в 100 разів. У 1983 році була синтезована перша штучна хромосома. У 1989 році розпочався проект по вивченню геному рослин, а у 1990 році – проект по вивченню геному людини.

Проект «Геном людини»Проект «Геном людини» (HGP) — це міжнародний науково-дослідний проект, метою якого було визначення пар основ, що складають ДНК людини, а також ідентифікація, картування та секвенування всіх генів геному людини як з фізичної, так і з функціональної точки зору. Він розпочався в 1990 році та був завершений у 2003 році та охоплював близько 92% геному, що налічував 3 млрд. пар основ. Остаточне 100% складання було завершено в січні 2022 року . Це був найбільший у світі спільний біологічний проект. Поряд з ідентифікацією всіх приблизно 20000–25000 генів у геномі людини (за оцінками, від 80 000 до 140 000 на початку проекту), Проект «Геном людини» також прагнув вирішити етичні, правові та соціальні проблеми, що виникли на початку проекту (наприклад, несанкціонованого та незгодного розголошення індивідуально ідентифікованої медичної інформації будь-якій організації, відмові у працевлаштуванні або виплаті страховки людям з захворюваннями, у яких виявлені певні групи генів).

Етичні проблеми генетичних досліджень. За останні десятиліття у сфері молекулярної біології стався надзвичайний прорив. Розвиток молекулярної діагностики дозволяє нам зазирнути у найбільші таємниці людського життя. Найбільшим успіхом є те, що тепер ми можемо відчитати генетичний код і передбачити певні біологічні процеси і в людини, і в тисячі інших організмів. За допомогою генних технологій клонують тварин, проводять експерименти з репродукцією. Завдяки винаходу технології CRISPR/Cas9 можемо не тільки діагностувати хвороби, але й «редагувати ДНК», тобто вносити зміни в геном людини. Але у великих успіхах криються і загрози. Наприклад, у проведенні генетичних модифікацій. Вчені ще до кінця не знають, як гени взаємодіють між собою. У природі закладено, що покращити породу можна лише шляхом змішування генетичного складу. Коли ми починаємо обмежувати генетичну різноманітність, то чи не спровокуємо появу нових різноманітних вад. Найлегше виправити ваду в одноклітинному ембріоні, аніж виправляти її в багатоклітинному зародку. Хто візьме на себе право вирішувати, який ембріон людини заслуговує на життя? Де пролягає ця межа, наскільки можна втручатися в генетику, щоб не «загратися в Бога». Тому завжди будуть актуальні слова одного з героїв фільму «Парк Юрського періоду»: «Науковці були настільки захоплені тим, що можуть зробити, що вони ні на хвилину не подумали, чи повинні вони це робити».