Каждый живой организм — каж­дый человек, каждое животное и растение — состоит из миллионов мельчайших живых систем, называе­мых клетками. Внутри каждой клетки находится удивительное химическое соединение — молекула ДНК. Это основа всей жизни. ДНК в клет­ках человеческого тела не только диктует каждой клетке, как вести себя, чтобы выжить, но также несёт в себе всю информа­цию, необходимую для создания нового человеческого организма.

Определение структуры ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Кри­ком в 1953 г. было одним из глав­ных научных прорывов XX века, и их открытие уже оказало огромное влияние на нашу жизнь. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) была открыта в 1869 г. швейцарским студентом Иоганном Фридрихом Мишером. Ис­следуя под микроскопом гной на старых бинтах, Мишер обнару­жил мельчайшие утолщения в ядрах клеток гноя. Профессор Эрнст Хоппе-Зейлер изучил химический состав этих утолщений и установил его кислотные свойства, поэтому назвал это вещество нуклеино­вой кислотой. В то время никто даже представить себе не мог настоящего значения этого открытия.

Через 76 лет, в 1945 г., американский микробиолог Ос­вальд Эйвери, изучая бактерии гриппа, заметил, что ДНК способна превратить безобидную бактерию в опасную, словно передавая той какие-то инструкции. В 1952 г. Алфред Херши и Марта Чейз доказали, что именно этим и занимается ДНК. В 1952 г. Розалин Франклин, молодая женщина, работавшая в Королевском колледже в Лондоне, сфотографировала ДНК с использованием рентгеновских лучей, но не смогла установить её структуру. Молодые учё­ные, американец Уотсон и англичанин Крик, изучавшие ДНК в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета (Англия), увидев рентгенограмму Розалин Франклин, вдруг поняли, что молекула ДНК имеет форму двойной спирали, то есть выглядит как закрученная по вертикали верёвочная лестница.

Рис. 1. Схема упаковки ДНК в хромосоме человека:
хроматиды сцеплены вблизи средней части - центромера.

После этого великого открытия биохимики начали разделять ДНК на фрагменты и исследовать, часть за частью. Исследования сосредоточились на четырех разных химиче­ских веществах, образующих «ступеньки» этой лестницы, — гуанине, цитозине, аденине и тимине. Эрвин Чаргафф установил, что эти четыре «основания» объединяются по­парно только определенным образом — гуанин связан только с цитозином, а аденин только с тимином.

Вскоре стало ясно, что ключ к разгадке ДНК лежит в порядке расположения, или последовательности, пар оснований на протяжении каждой из нитей этой длинной моле­кулы. В последовательности оснований, как в компьютерных битах, закодирована информация. Эти основания как буквы алфавита, и последовательность разбита на «предложения», называемые генами. Код в каждом гене — это инструкция клетке производить определенный белок. Полный генетический код был расшифрован в 1967 г. американскими биохимиками Маршаллом Ниренбергом и Харом Кораной; за эту работу они получили Нобелевскую премию.

Какую роль играют ДНК и разные формы РНК в геноме?

ДНК входит в состав каждой хро­мосомы внутри ядра клетки и упакована в ней в очень компактном виде (см. рис. 1). Если развернуть нить ДНК, то мож­но заметить, что она имеет вид двойной спирали, состоящей из нуклеотидов, в которых азоти­стые основания, или базы (аденин, тимин, гуанин и цитозин), соединены попарно водородными связями. Причём аденин всегда связан двумя водородными связями только с тимином, а гуанин — тремя водородными связями с цитозином. Потому связь между аденином и ти-мином всегда гораздо крепче связи между гуанином и цитозином.

Нуклеотид является одним из структурных блоков ДНК и РНК. Он состоит из базы (аденин, тимин, гуанин и цитозин), молекулы сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы (фосфорной кислоты) (см. рис. 3).

Рис. 3. Схема связи нуклеотидов в ДНК:
базы (аденин - А, тимин - Т, гуанин - G и цитозин - С),
молекулы сахара (S) и фосфатной группы (Р)

Каждые три базы в ДНК или РНК образуют элементарную единицу кода или кодон (рис. 4). Каждый кодон обозначает именно тот тип аминокислоты, которая долж­на использоваться при создании молекулы белка. Соответственно порядок кодонов обозначает порядок следования аминокислот в строящемся белке.

Интересно, что не все кодоны несут полезную информацию, и в связи с этим даже появился термин «генный мусор».

Рис. 4. Примеры кодонов в одной молекуле РНК.

Во время сплайсинга (своего рода чистки) в предварительно скопирован­ной РНК (пре-мРНК или pre-mRNA) вырезаются и «выбрасываются» некоторые кодоны. Выброшенные смежные участки называют интронами, а остав­шиеся участки, которые образуют мРНК (mRNA),— экзонами. Комбинация интрона и двух смежных экзонов называется геном и является единицей наслед­ственности (рис. 5).

Рис. 5. Ген.

Экзон обычно гораздо меньше интронов, а его роль и про­исхождение точно до сих пор неизвест­ны учёным. Ген может включать десятки, сотни и даже тысячи баз (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение количества генов и размера генома в разных организмах
Организм	Количество генов	Количество баз в геноме
Растения	< 50 000	<1011
Человек	26 000	Зх109
Муха дрозофила	13 767	~108
Бактерия	500-6 000	5х105-107
ДНК-вирус	10-900	5 000-800 000
РНК-вирус	1-25	1 000-20 000
Вироид	0-1	~500

Причины столь широкого разнообра­зия количества генов и баз в очень про­стых и очень сложных организмах до сих пор не ясны.

Процесс, с помощью которого молеку­ла ДНК способна размножаться, называ­ется репликацией (рис. 6).

Рис. 6. Схема репликации ДНК:
разворачивание двойной спирали ДНК
и создание точной копии за счет присоединения пар нуклеотидов.

Чем отличаются молекулы ДНК и РНК? По химическому составу РНК очень похожа на одну спиральную нить ДНК, в которой вместо тимина присутствует урацил (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение структуры ДНК и РНК.

РНК играет множество ролей: от передачи генетической ин­формации до мутации генов. Однако механизмы выполнения этих ролей до сих пор не ясны. До недавнего времени считалось, что молекулы РНК являются курьерами — носителями сообщений или внутриклеточными аминокислотами. Казалось бы, учёным удалось окончательно выяснить, что РНК выполняет вспомога­тельную функцию и находится в тени своего более знаменитого партнера ДНК. В течение долгого времени учёные полагали, что РНК получает поручения от ДНК и преобразует генетическую ин­формацию в белки. Однако совсем недавно получены новые дан­ные о том, что РНК может прекращать действие генов и изменять уровень выражения генов. В некоторых организмах РНК букваль­но могут изменять геном, подчеркивая одни и подавляя другие гены. Обнаружены свидетельства того, что РНК могут предопре­делять судьбу клетки, включая/отключая гены во время развития клетки. В очередной раз учёные столкнулись с тем, что, расширяя круг знания, они расширили горизонты непознанного.

Исторические даты в изучении ДНК и РНК.

1869 г. — швейцарский химик Иоганн Фридрих Мишер (Friedrich Miescher) впервые выделил нуклеиновую кислоту из ядра клетки.

1910 г. —Альбрехт Коссель (Albrecht Kossel) получил Нобе­левскую премию по физиологии и медицине «За вклад в изуче­ние химии клетки, внесенный исследованиями белков, включая нуклеиновые вещества».

1939 г. — Торбьорн Кассперсон (Torbjorn Caspersson), Жан Браше (Jean Brachet) и Джек Шульц (Jack Schultz) открыли роль РНК в синтезе белка.

1945 г. — Освальд Эйвери обнаружил, что ДНК передает инст­рукции живым клеткам.

1953г. — Джеймс Уотсон (James Watson) и Френсис Крик создали пространственную модель ДНК в виде двойной спирали.

1959 г. — Северо Очоа (Severо Ochoa) и Артур Корнберг (Arthur Romberg) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот».

1962 г.— Джеймс Уотсон (James Watson), Френсис Крик и Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот, и их значения для передачи информации в живых системах».

1989 г. — Сидней Олтмен (Sidney Altman) и Томас Роберт Чек (Thomas Robert Cech) получили Нобелевскую премию по химии «За открытие каталитических свойств рибонуклеиновых кислот».

1998 г. — Эндрю Файер (Andrew Fire) и Крэйг Мелло (Craig Mello) инжектировали участки двойной спиральной РНК червей. К удивлению учёных, такая РНК существенно тормозила работу генов, которые участвуют в генерации РНК. Позднее такое замедление было обнаружено в мухах и других организмах и получило название интерференции РНК, а сами молекулы стали называть интерферирующими РНК (иРНК или iRNA, т.е. interference RNA). Таким образом, удалось доказать, что именно РНК отвечают за подавление активности генов (gene silencing).

2006 г. — Эндрю Файер и Крэйг Мелло получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытие РНК-интерфе­ренции — эффекта подавления активности генов особыми вида­ми РНК».

LifePlanet.org