Открытие и развитие методов анализа и секвенирования ДНК

Секвенирование ДНК (анализ структуры) необходим для основного изучения биологических процессов, медицинских исследований, а также в судебно-медицинской экспертизе.

История раскрытия структуры ДНК

В 1902 году английский врач Арчибальд Гаррод Эдвард стал первым человеком доказавшим принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам в части некоторых болезней человека. Гаррод изучал медицину в Оксфордском университете и последовал по стопам отца и стал врачом.

При изучении болезни человека алкаптонурия – расстройство метаболизма, он собирал информацию о семейной истории от своих пациентов. В ходе наблюдения он пришел к выводу, что болезнь алкаптонурия является рецессивным расстройством. 1902 году ученый опубликовал описание заболевания алкаптонурия за счет рецессивного наследования у человека.

Это была первая работа в которой говорится, что некоторые болезни являются результатом ошибки химической системы организма. Эти открытия были одними из первых в развитии понимания молекулярных основ наследственности.

1902 — англичанин Арчибальд Гаррод Эдвард первый связал теорию наследственности Менделя с болезнью человека

Роль ДНК в наследственности

К 1940 году ученые понимали принципы наследования — гены были известны как дискретные единицы наследственности, а также вырабатываемые ферменты, которые контролировали метаболические функции. Однако до 1944 года ученые не считали, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) была определена как основная.

Человек, который сделал прорыв и секвенирование ДНК был Освальд Эйвери, работавший в больнице Рокфеллеровского института медицинских исследований. Эйвери уже много лет работал с бактериями, ответственными за пневмонию, пневмококк и экспериментировал с безобидной формой пневмококка где смешивал с инертной формой. После опытов эти безобидные бактерии могли стать смертельными.
В 1944 году Эйвери и его коллеги опубликовали статью в журнале экспериментальной медицины, в которой они изложили сущность дезоксирибонуклеиновой кислоты при принципе трансформации. Хотя документ не был широко принят генетиками в свое время он вдохновил на дальнейшие исследования, прокладывая путь к одному из величайших открытий 20-го века.

1944 – американский биолог Освальд Эйвери идентифицирует, проводит анализ ДНК и доказывает их роль в наследственности

Состав ДНК имеет определенный вид

В 1944 году ученый американский биохимик Эрвин Чаргафф изучив научную статью Освальда Эйвери, которая выявила дезоксирибонуклеиновую кислоту как вещество, отвечающее за наследственность. Эрвин начал работу по химии нуклеиновых кислот. Он разработал метод анализа азотистых компонентов и сахара из ДНК различных видов.
Впоследствии он представил две работы в журнале биологической химии, детализировав полный количественный анализ ряда препаратов дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Ученый продолжал совершенствовать свои методы исследования, и в конце концов способы быстро проводить анализ ДНК из широкого спектра биологических видов. В 1950 году он сформулировал два основных вывода по химии нуклеиновых кислот: во-первых, что в любой двухцепочечной ДНК, количество единиц гуанина равно количеству единиц цитозина и количество единиц аденина равно количеству единиц тимина, а во-вторых, что в состав макромолекулы различается между видами.

1950 – американский биохимик Эрвин Чаргафф обнаруживает, что состав ДНК имеет определенный вид

Спиральная структура ДНК

Женщина ученый Розалинд Франклин родилась в Лондоне в 1920 году и провела большую часть исследований, которые в конечном итоге привели к пониманию структуры ДНК, что является значительным достижением.

Роль этой женщины ученого заключалась в том, чтобы настроить и улучшить рентгеновским аппаратом кристаллографии в Королевском колледже. Она работала с доктором Морисом Уилкинсом и с высоким разрешением получила волокна . Используя фотографии, она рассчитала размеры нити, а также определила спиральную структуру ДНК.

В 1951 году Джеймс Уотсон посетил Кембриджский университет и познакомился с Фрэнсисом Криком. Несмотря на разницу в возрасте 12 лет ученые работали в университете для изучения структуры ДНК в Кавендишской лаборатории.

С использованием имеющихся рентгеновских данных и построения модели они решили головоломки, которые поставили в тупик ученых на протяжении десятилетий. Они опубликовали материалы о молекулярной структуре нуклеиновых кислот и их значении для передачи информации в живых системах и в 1962 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

1952 — английская биофизик и учёный-рентгенограф Розалинд Франклин с помощью рентгенограмм определена впервые структура ДНК

В связи с тем, что фотографии Розалинд Франклин были критически важными для решения молекулярной структуры нуклеиновых кислот, а к тому времени Розалинд Франклин после рака умерла в возрасте 37 лет, они поделили призовые Нобелевской премии.

1953 – американский биолог Джеймс Уотсон и британский молекулярный биолог Фрэнсис Крик, обнаружили структуру двойной спирали ДНК

Проблема генетического кода

После открытия Уотсоном и Криком, ученые бросились расшифровывать генетический код. Советский и американский физик-теоретик и астроном Георгий Гамов решил сделать гонки более интересными — он создан эксклюзивный клуб, известный как “РНК галстук клуб”, в который каждый участник выдвигал свои идеи о том, как нуклеотидные основания преобразовать в белки клеток организма.

По иронии судьбы, человек, который обнаружил генетический код американский биохимик и генетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 году Маршалл Ниренберг не был членом клуба Гамова.

1953 — советский и американский физик-теоретик Георгий Гамов поставил проблему генетического кода

Наука цитогенетика

Сегодня ученые регулярно используют наше растущее понимание генетики для диагностики и прогноза заболевания. Однако, потребовались десятилетия для развития науки цитогенетики (изучение хромосом), чтобы быть признанным в качестве медицинской дисциплины.

Наука цитогенетика из первых оказала существенное влияние на диагностику заболевания в 1959 году, когда дополнительная копия 21-й хромосомы была связана с синдромом Дауна. В конце 1960-х и начале 70-х годов наука о связи хромосом превратилась в дисциплину. Это сделало возможным для идентификации отдельных хромосом, а также участков в хромосомах, которые легли в основу ранней клинико-генетической диагностики.

1959 — Дополнительная копия 21-й хромосомы связаны с синдромом Дауна

Первооткрыватель последовательности кода ДНК

В 1957 году, Маршалл Ниренберг прибыл в Национальный институт здравоохранения как постдокторант. Он решил сосредоточить свои исследования на нуклеиновые кислоты и синтез белка в надежде найти код жизни.

Следующие несколько лет были полны экспериментов, как Ниренберг пытался показать, что дезоксирибонуклеиновая кислота может спровоцировать синтез белка. К 1960 году Ниренберг подошел к решению проблемы кодирования.

Наконец, в 1965 году Ниренберг стал первым человеком узнавшим о последовательности кода человека. В 1968 году, его усилия были вознаграждены Нобелевской премией.

1965 — американский биохимик и генетик Маршалл Ниренберг является первым человеком открывшим последовательность ДНК

Первый метод быстрого секвенирования ДНК

К началу 1970-х годов молекулярные биологи добились невероятных успехов. Теперь они могли расшифровать генетический код и расшифровать последовательность аминокислот в белках. Однако их сдерживало отсутствие возможности легко считывать точные нуклеотидные последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты.

В 1943 году, выпускник кембриджа Фредерик Сенгер выявил свободные аминогруппы в инсулине. Благодаря этой работе, он стал первым человеком, определив аминокислоты и получив последовательность белка, за что впоследствии получил Нобелевскую премию. Он сделал вывод, что если белки были в молекулах, то анализ ДНК расставляет их в определенном порядке.

В 1962 году Сенгер перебрался в лабораторию молекулярной биологии в Кембридже, где секвенирование ДНК стало естественным продолжением его работы с белками. Он изначально начал работать на РНК-секвенированием, так как они были меньше, но эти методы вскоре были применимы и к анализу ДНК и в конечном итоге стал дидезокси метод, используемый в реакциях секвенирования сегодня.

Сенгер получил вторую Нобелевскую премию по химии в 1980 г.

1977 – английский биохимик Фредерик Сенгер разрабатывает методы быстрого секвенирования ДНК (секвенирование – определение последовательности)

Методы секвенирования выявляют наследственные болезни

Болезнь Гентингтона это редкое, прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое обычно проявляется между 30 и 45-летним возрастом. Оно проявляется потерей контроля над движениями, порывистыми движениями, психиатрическими симптомами, деменцией, изменениями личности и снижением когнитивных функций. Как болезнь взрослого, многие люди уже имели детей, прежде чем они были диагностированы и отдали мутантный ген следующим поколениям.

В 1983 году, генетический маркер нашел болезнь Гентингтона на хромосоме 4. Это делает её первым генетическим заболеванием сопоставленным с помощью макромолекулы-полиморфизма. Однако, ген не был окончательно изолирован до 1993 года.

1983 — болезнь Гентингтона это первое выявленное генетически заболевание

В 1990 году, первый ген, связанный с повышенной восприимчивостью к болезни семейной молочной железы и овариального рака был выявлен. Ученые провели исследования связывания макромолекулы или секвенирование ДНК и показали характеристики, связанные с наследственностью рака груди и яичников.

Они назвали ген, который был расположен на хромосоме 17, ген — brca1. Однако, было понятно, что не все члены семьи были связаны с геном brca1 и, при продолжении исследований, второй ген brca2 был расположен на хромосоме 13.

Каждый человек имеет 2 копии brca1 и brca2. Если у человека есть одно изменение копии гена, это может привести к накоплению мутаций, которые затем могут привести к образованию опухоли.

1990 – нашли первый ген который связан с повышенной восприимчивостью к раку семейной молочной железы и яичников

Таким образом, история и развитие секренирования или анализа ДНК позволяет выявить генетические повреждения и в некоторых случаях предотвратить наследственные болезни.

Расшифровка ДНК открыла новую науку как молекулярная биология и генетика.