Введення в молекулярну біологію.

Предмет молекулярної біології. Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Практичне значення молекулярної біології. Сучасні найважливіші досягнення біотехнології, перспективи її використання в клінічній медицині. Поняття про молекулярну медицину.

 

Предмет молекулярної біології. Молекулярна біологія - наука, що ставить своїм завданням пізнання природи явищ життєдіяльності шляхом вивчення біологічних об'єктів і систем на рівні, що наближається до молекулярного, а у ряді випадків і що досягає цієї межі. Кінцевою метою при цьому є з'ясування того, яким чином і якою мірою характерні прояви життя, такі, як спадковість, мінливість, розмноження, біосинтез, збудливість, зростання і розвиток, зберігання і передача інформації, перетворення енергії, рухливість і т. д., обумовлені структурою, властивостями і взаємодією молекул біологічно важливих речовин, в першу чергу двох головних класів високомолекулярних біополімерів — білків і нуклеїнових кислот. Відмінна риса молекулярної біології — вивчення явищ життю на неживих об'єктах або таких, яким властиві найпримітивніші прояви життя. Такими є біологічні утворення від клітинного рівня і нижче: субклітинні органеллы, такі, як ізольовані клітинні ядра, мітохондрії, рибосомы, хромосоми, клітинні мембрани; далі — системи, що стоять на межі живої і неживої природи, — віруси, в т.ч. і бактеріофаги, і кінчаючи молекулами найважливіших компонентів живої матерії — нуклеїнових кислот і білків. У основі концепції молекулярної біології лежить уявлення, що організми – це динамічні форми живої матерії, частинки (молекули) якої і сили, що діють на них, безперервно змінюються і взаємодіють один з одним і з відкритим середовищем.

Біологічні процеси, що відбуваються в різних формах організмів, підкоряються загальним законам фізики і хімії. У зв'язку з цим при вивченні структури молекул, а також їх систем, слід звертати особливу увагу на хімічні зв'язки, кінетику хімічних реакцій і інші фізичні і хімічні внутри- і міжмолекулярні взаємодії.

Проте певні стереохимические відмінності і індивідуалізація молекул ДНК приводять до того, що одні і ті ж хімічні компоненти зв'язуються один з одним в різних послідовностях, положеннях, кількостях, забезпечуючи появу індивідуальних і різних форм життя.

Кінцевий результат біохімічного дослідження може бути представлений у вигляді тієї або іншої системи хімічних рівнянь, зазвичай повністю вичерпуваною їх зображенням на площині, тобто в двох вимірюваннях. Відмінною рисою молекулярної біології є її тривимірність. Суть молекулярної біології убачається М. Перуцем в тому, щоб тлумачити біологічні функції в поняттях молекулярної структури.

Вирішальної ролі набувають взаємне розташування атомів і їх угрупувань в загальній структурі макромолекули, їх просторові взаємини. Це торкається як окремих, індивідуальних, компонентів, так і загальній конфігурації молекули в цілому. Саме в результаті виникнення строго детермінованої об'ємної структури молекули біополімерів набувають тих властивостей, через які вони виявляються здатними служити матеріальною основою біологічних функцій. Такий принцип підходу до вивчення живого складає найбільш характерну, типову межу молекулярної біології.

Предметом вивчення молекулярної біології є також дослідження молекулярних чинників вірулентності і специфічності імунохімії.

Молекулярні чинники вірулентності. Специфічні ділянки і компоненти мікробних макромолекул і крупніших структур, здатні викликати помітні физико-хімічні, функціональні і структурні зміни в більш високоорганізованій живій одиниці, такий, наприклад, як людина, можна назвати чинниками вірулентності.

У мікроорганізмів, що мешкають в більш високорозвинутих господарях, основний механізм зв'язку господар-паразит є специфічною реакцією на молекулярному рівні, що викликає згубні зміни, як в господарі, так і в паразитові.

Взаємодії між вірулентним агентом і господарем мутанта, що втратив один або декілька своїх ферментів або структур, необхідних для асоціації паразита з господарем і для репродукції вірулентного агента, не викликають таких згубних наслідків.

Очевидно, вірулентність залежить, по суті, від взаємодії між унікальними по конформації субъединицами патогенних мікроорганізмів і комплементарними субъединицами в чутливому господарі. В результаті цих взаємодій в господарі руйнуються життєво важливі біомолекули і біоструктури. Проте молекулярна природа вірулентності вивчена недостатньо.

Молекулярні чинники специфічності імунохімії. Властивості імунохімій молекули складаються з двох основних чинників. Перший – це імуногенність або здатність викликати утворення специфічних імуноглобулінів, що містять ділянки (сайти), комплементарні специфічним областям поверхні молекули. Другий – здібність до об'єднання, направлена безпосередньо на стереохимические сайти макромолекули імуноглобуліну, комплементарній молекулі, що індукувала дану конфігурацію. Як випливає з квантової імунохімії, імунна реакція індукується у тому випадку, коли електрони атомів иммунокомпетентной клітки отримують енергію від молекул антигена, внаслідок чого вони переходять в збуджений стан з більшою енергією. Поглинання енергії приводить до молекулярних перебудов в клітках, які передаються кліткам потомства. Ці клітки продукують молекули імуноглобулінів з певною електронною конфігурацією, які можуть завдяки цьому специфічно реагувати з початковою молекулою антигена. Лише молекули антигена і антитіла, утворені в результаті поглинання і передачі квантів енергії і що відрізняються по енергії зовнішніх орбиталей їх електронів, можуть взаємодіяти з утворенням продуктів імунної реакції. Для прояву імуногенності необхідна, очевидно, наявність кільцевої структури молекул. Так, прості цукру і олігосахариди стають иммуногенами, якщо приєднують принаймні одну молекулу з кільцевою структурою.

Антигенність молекул білків і пептидів в основному залежить від присутності молекул певних амінокислот, наприклад тирозина або глутамина, розташованих на поверхні білкової або пептидної молекули. Антигенний характер молекули визначається розташуванням, просторовою конфігурацією і послідовністю амінокислот або моносахаридів на поверхні макромолекули.

Іммунохимічеськи активна ділянка (сайт) на білковій макромолекулі – це така ділянка, в якій певні залишки амінокислот наближаються до новосинтезирующейся молекули імуноглобуліну на відстань зв'язку, що становить приблизно 0.2 нм.

Зв'язуючий центр молекул імуноглобулінів можна наочно представити у вигляді неглибокої порожнини розміром близько 700 А0. Залежно від класу імуноглобулінів в молекулі антитіла можна виявити від двох до десяти зв'язуючих сайтів або комплементарних областей.

Завдання молекулярної біології. У числі найважливіших завдань практичного характеру, відповідь на яких очікується від молекулярної біології (М. би.), на першому місці коштує проблема молекулярних основ злоякісного зростання, далі — шляхи попередження, а мабуть, і подолання спадкових захворювань — молекулярних хвороб. Велике значення матиме з'ясування молекулярних основ біологічного каталізу, тобто дії ферментів. До сучасних найважливіших напрямів М. би. слід віднести прагнення розшифрувати молекулярні механізми дії гормонів, токсичних і лікарських речовин, а також з'ясувати деталі молекулярної будови і функціонування таких клітинних структур, як біологічні мембрани, що беруть участь в регуляції процесів проникнення і транспорту речовин. Віддаленіші цілі М. б.— пізнання природи нервових процесів, механізмів пам'яті і так далі Один з найважливіших розділів М. б.— генна інженерія, що ставить своїм завданням цілеспрямована операція генетичним апаратом (геномом) живих організмів, починаючи з мікробів і нижчих (одноклітинних) і кінчаючи людиною (у останньому випадку перш за все в цілях радикального лікування спадкових захворювань і виправлення генетичних дефектів). Відносно мікробів, рослин, а можливо, і з.-х. тварин такі перспективи вельми обнадійливі (напр., отримання сортів культурних рослин, що володіють апаратом фіксації азоту з повітря і що не потребують добрив). Вони засновані на вже досягнутих успіхах: ізолювання і синтез генів, перенесення генів з одного організму в іншій, застосування масових культур кліток як продуценти господарських або медичних речовин.

Основні етапи розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики, їх взаємозв'язок з класичною генетикою. Молекулярна біологія — нова область природознавства, тісно пов'язана з напрямами досліджень, які охоплюються біохімією, біофізикою і біоорганічною хімією, що давно склалися. Розмежування тут можливо лише на основі обліку вживаних методів і по принциповому характеру використовуваних підходів.

Фундамент, на якому розвивалася М. би., закладався такими науками, як генетика, біохімія, фізіологія елементарних процесів і так далі По витоках свого розвитку М. би. нерозривно пов'язана з молекулярною генетикою, яка продовжує складати важливу частину М. би., хоча, і сформувалася вже в самостійну, дисципліну.

Величезне значення досліджень біологічних проблем на молекулярному рівні передбачав І. П. Павлов, що говорив про останній ступінь в науці про життя — фізіологію живої молекули. Самий термін «Молекулярна біологія» був вперше спожитий на початку 40-х років англійським ученим У. Астбері в додатку до досліджень, що стосувалися з'ясування залежностей між молекулярною структурою і фізичними і біологічними властивостями фибриллярных (волокнистих) білків, таких, як колаген, фібрин крові або скоротливі білки м'язів. Широко застосовувати термін «Молекулярна біологія» стали з початку 50-х рр. 20 ст. Виникнення М. би., як науки, що сформувалася, прийнято відносити до 1953г., коли Дж. Уотсоном і Ф. Кріком в Кембріджі (Великобританія) була розкрита тривимірна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Це дозволило говорити про те, яким чином деталі даної структури визначають біологічні функції ДНК як матеріальний носій спадкової інформації. В принципі, про цю роль ДНК стало відоме декілька раніше (1944) в результаті робіт американського генетика О. Т. Ейвері із співробітниками, але не було відоме, якою мірою дана функція залежить від молекулярної будови ДНК. Це стало можливим лише після того, як в лабораторіях У. Л. Брегга, Дж. Бернала і ін. були розроблені нові принципи рентгеноструктурного аналізу, що забезпечили застосування цього методу для детального пізнання просторової будови макромолекул білків і нуклеїнових кислот.

У 1957 Дж. Кендрю встановив тривимірну структуру міоглобіну, а в подальші роки це було зроблено М. Перуцем відносно гемоглобіну. Були сформульовані уявлення про різні рівні просторової організації макромолекул.

Найбільш наочним прикладом того, як молекулярна тривимірна структура визначає біологічні функції молекули, служить ДНК.

Так само і у разі гемоглобіну виявилось, що його біологічна функція — здатність оборотно приєднувати кисень легенів і потім віддавати його тканинам — найтіснішим чином пов'язана з особливостями тривимірної структури гемоглобіну і її змінами в процесі здійснення властивою йому фізіологічній ролі. При скріпленні і дисоціації О2 відбуваються просторові зміни конформації молекули гемоглобіну, спорідненість атомів заліза, що містяться в нім, що веде до зміни, до кисню. Зміни розмірів молекули гемоглобіну, що нагадують зміни об'єму грудної клітки при диханні, дозволили назвати гемоглобін «молекулярними легенями».

Одна з найважливіших рис живих об'єктів — їх здатність тонко регулювати всі прояви життєдіяльності. Крупним внеском М. би. у наукові відкриття слід рахувати розкриття нового, раніше невідомого регуляторного механізму що позначається як аллостерический ефект. Він полягає в здатності речовин низькою молекулярною массы— т.з. лигандов — видозмінювати специфічні біологічні функції макромолекул, в першу чергу каталітично белков—ферментов, що діють, гемоглобіну, рецепторних білків, що беруть участь в побудові біологічних мембран, в синаптической передачі.

В світлі представлень М. би. сукупність явищ життю можна розглядати як результат поєднання трьох потоків: потоку матерії, що знаходить свій вираз в явищах обміну речовин, тобто асиміляція і дисиміляція; потоку енергії, рушійною силою, що є, для всіх проявів життєдіяльності; і потоку інформації, пронизливого собою не тільки все різноманіття процесів розвитку і існування кожного організму, але і безперервну низку поколінь, що змінюють один одного. Саме уявлення про потік інформації, внесене до вчення про живий світ розвитком М. би., накладає на неї свій специфічний унікальний відбиток.

Молекулярна генетика (М.г.), розділ генетики і молекулярної біології, що ставить за мету пізнання матеріальних основ спадковості і мінливості живих істот шляхом дослідження процесів передачі, реалізації і зміни генетичній інформації, а також способу її зберігання, що протікають на субклітинному, молекулярному рівні.

М. р. виділилася в самостійне, напрям в 40-х рр. 20 ст. у зв'язку з впровадженням в біологію нових фізичних і хімічних методів (рентгеноструктурный аналіз, хроматографія, электрофорез, високошвидкісне центрифугування, електронна мікроскопія, використання радіоактивних ізотопів і т. д.), що дозволило набагато глибше і точніше, чим раніше, вивчати будову і функції окремих компонентів клітки і всю клітку як єдину систему. З новими методами в біологію прийшли нові ідеї фізики і хімії, математики і кібернетики. Велику роль в швидкому розвитку М. р. зіграло перенесення центру тяжіння генетичних досліджень з вищих організмів (эукариотов) — основних об'єктів класичної генетики, на нижчих (прокариоты) — бактерії і багато інших мікроорганізмів, а також віруси. Переваги використання простіших форм життя для вирішення генетичних проблем полягають в швидкій зміні поколінь у цих форм і можливості вивчати одночасне величезне число особин; завдяки цьому сильно зростає роздільна здатність генетичного аналізу і підвищується його точність. Крім того, порівняльна простота організації бактерій і особливо вірусів полегшує з'ясування молекулярної природи генетичних явищ. Висловлювана іноді думка про тотожність М. р. і генетики мікроорганізмів помилково. М. р. вивчає молекулярні основи генетичних процесів як у нижчих, так і у вищих організмів і не включає приватної генетики прокариотов, що займає видне місце в генетиці мікроорганізмів.

За свою недовгу історію М. р. досягла значних успіхів, поглибивши і розширивши уявлення про природу спадковості і мінливості, і перетворилася на те, що веде і найбільш напрям генетики, що швидко розвивається.

Одне з головних досягнень М. г.— з'ясування хімічної природи гена. Класична генетика встановила, що всі спадкові потенції організмів (їх генетична інформація) визначаються дискретними одиницями спадковості — генами, локалізованими гл. обр. у хромосомах клітинного ядра, а також в деяких органеллах цитоплазми (пластидах, мітохондріях і ін.). Проте методи класичної генетики не дозволяли розкрити хімічну природу генів, що було відмічене ще в 1928г. видатним біологом Н. До. Кольцовим, що обгрунтував необхідність вивчення механізму спадковості на молекулярному рівні. Перший успіх в цьому напрямі був досягнутий при вивченні генетичної трансформації у бактерій. У 1944 американський учений О. Т. Ейвері із співробітниками виявив, що спадкові ознаки одного штаму пневмококів можуть бути передані іншому, генетично відмінному штаму шляхом введення в його клітки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), виділеної з першого штаму. Згодом подібна генетична трансформація за допомогою ДНК була відкрита у інших бактерій, а останнім часом — і у деяких багатоклітинних організмів (квіткові рослини, комахи). Т. о., було показано, що гени складаються з ДНК. Цей вивід був підтверджений дослідами з ДНК-СОДЕРЖАЩИМІ вірусами: для розмноження вірусу достатньо введення молекул вірусної ДНК в клітку сприйнятливого господаря; всі інші компоненти вірусу (білки, ліпіди) позбавлені інфекційних властивостей і генетично інертні. Аналогічні досліди з вірусами, що містять замість ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, що у таких вірусів гени складаються з РНК. З'ясування генетичної ролі ДНК і РНК послужило могутнім стимулом для вивчення нуклеїнових кислот біохімічними, физико-хімічними і рентгеноструктурными методами. У 1953 американський учений Дж. Уотсон і англійський учений Ф. Крік запропонували модель структури ДНК, припустивши, що її гігантські молекули є подвійною спіраллю, що складається з пари ниток, освічених нуклеотидами, розташованими аперіодично, але в певній послідовності. Кожен нуклеотид однієї нитки спарений з нуклеотидом другої нитки, що протилежить, за правилом комплементарності. Численні експериментальні дані підтвердили гіпотезу Уотсона і Крику. Декілька пізніше було встановлено, що аналогічною структурою володіють молекули разных РНК, тільки вони переважно складаються з однієї полинуклеотидной нитки. Подальші роботи, в яких хімічні і физико-хімічні методи поєднувалися з точними генетичними методами (використання різноманітних мутантів, явищ трансдукции, трансформації і т. д.), показали, що різні гени розрізняються як числом вхідних в них пар нуклеотидов (від декількох десятків до півтора тисяч і більш), так і строго визначеною для кожного гена послідовністю нуклеотидов, в якій закодована генетична інформація. Принципово схожу хімічну структуру мають і гени, що складаються з РНК, - у вірусів РНК-типа.

Класична генетика розглядала ген як дискретну і неподільну одиницю спадковості. Велике значення в перегляді цієї концепції мали роботи А. С. Серебровського і його учнів, в 1930-х рр. тих, що вперше вказали на можливість подільності гена. Проте роздільна здатність методів класичної генетики була недостатньою для вивчення тонкої будови гена. Тільки з розвитком М. р. вдалося в 50—60-х рр. вирішити цю проблему. Багатьма роботами, проведеними спочатку на бактеріях і вірусах, а потім і на багатоклітинних організмах, було з'ясовано, що ген володіє складною будовою: він складається з десятків або сотень ділянок — сайтів, здатних незалежно мутувати і рекомбинировать. Межею дробленої гена, а, отже, і мінімальним розміром сайту є одна пара нуклеотидов (у вірусів, які містять одну нитку РНК, - один нуклеотид). Встановлення тонкої будови генів дозволило значно поглибити уявлення про механізм генетичної рекомбінації і закономірностях виникнення генних мутацій, воно сприяло також з'ясуванню механізму функціонування генів.

Дані про хімічну природу і тонку будову генів дозволили розробити методи їх виділення. Вперше це було виконано в 1969г. американським ученим Дж. Беквітом із співробітниками для одного з генів кишкової палички. Потім те ж вдалося здійснити у деяких вищих організмів (земноводних). Ще значніший успіх М. р. — перший хімічний синтез гена (що кодує аланиновую транспортну РНК дріжджів), здійснений X. Корану в 1968г. Роботи в цьому напрямі ведуться у ряді лабораторій миру. Для позаклітинного синтезу крупніших генів успішно застосовані новітні біохімічні методи, засновані на явищі так званій зворотній транскрипції. Використовуючи ці методи, З. Спігелмен, Д. Балтімор, П. Ледер і їх співробітники (США) в 1972г. змогли синтезувати ген гемоглобіну.

Таким чином, М. р. вже з'ясувала в принципі питання про те, як записана і зберігається генетична інформація, що отримується нащадками від батьків, хоча розшифровка конкретного змісту цієї інформації для кожного окремого гена вимагає ще величезної роботи.

Встановлення структури ДНК відкрило можливості для експериментального дослідження біосинтезу молекул ДНК — їх реплікації. Цей процес лежить в основі передачі генетичній інформації від клітки до клітки і від покоління до покоління, тобто визначає відносну постійність генів. Вивчення реплікації ДНК привело до важливого виводу про матричний характер біосинтезу ДНК: для його здійснення необхідна наявність готової молекули ДНК, на якій, як на шаблоні (матриці), синтезуються нові молекули ДНК. При цьому подвійна спіраль ДНК розкручується і на кожній її нитці синтезується нова, комплементарна нею нитка, так що дочірні молекули ДНК складаються з однієї старої і одній новій нитці (напівконсервативний тип реплікації). Виділений білок, що викликає розкручування подвійної спіралі ДНК, а також ферменти, що здійснюють біосинтез нуклеотидов і їх з'єднання («зшивання») один з одним. Поза сумнівом, що в клітці є механізми, регулююча синтез ДНК. Шляхи такої регуляції ще в багато чому неясні, але очевидно, що вона у великій мірі визначається генетичними чинниками.

М. р. досягла видатного успіху і в рішенні найважливішої задачі, сформульованою ще класичною генетикою, - яким чином ген визначає ознака, або як відбувається реалізація генетичної інформації. Передумовою послужило сформульоване ще в 1941 Дж. Бідлом і Е. Тейтемом положення «один ген — один фермент». Це положення дозволило поставити питання в наступному вигляді: як гени, т. е., по суті справи, ділянки молекули ДНК, визначають хімічну структуру і властивості білків, специфічних для даного організму? Розкриття хімічної структури ДНК і білка дало можливість зіставити ці два типи біополімерів, що привело до концепції генетичного коду, згідно якої порядок чергування 4 сортів нуклеотидов в ДНК визначає порядок чергування 20 сортів амінокислот в білковій молекулі. Від послідовності розташування амінокислот в білковій молекулі (її первинної структури) залежать всі її властивості. Розшифровка принципів, на яких заснований генетичний код, була здійснена в 1962 Ф. Кріком із співробітниками в генетичних дослідах з мутантами одного бактерійного вірусу. Виявилось, що кожна трійка нуклеотидов в ланцюзі ДНК (триплет, кодон) визначає, яка саме з 20 амінокислот займе дане місце в полипептидной ланцюзі білка, що синтезується, тобто кожен триплет кодує певну амінокислоту. Подальші роботи дозволили повністю розшифрувати генетичний код і встановити його властивості.

Розшифровка генетичного коду зіграла видатну роль в з'ясуванні механізму біосинтезу білка.

Як показали в 1961г. французькі учені Ф. Жакоб і Ж. Моно, біосинтез білка в бактерії знаходиться під подвійним генетичним контролем. Ними запропонована і модель оперону.

З розвитком М. р. глибшим стало розуміння мутаційного процесу, тобто зміни генетичній інформації. Було показано, що мутаціями є або заміни окремих нуклеотидов, або вставки або випадання нуклеотидов в молекулі ДНК. Мутації виникають як унаслідок випадкових помилок при реплікації ДНК, так і в результаті ушкоджувального нуклеїнові кислоти дії різних фізичних і хімічних агентів — мутагенів.

Вивчення репарації відкрило нові підходи до дослідження механізму рекомбінації зчеплених (тобто лежачих в одній хромосомі) генів, що представляє одну з причин комбинативной мінливості, яка разом з мутаціями грає важливу роль в еволюції. Класичною генетикою було показано, що рекомбінація зчеплених генів відбувається шляхом обміну гомологичных хромосом ділянками (кросинговер), але тонкий механізм такого обміну залишався невідомим. Експериментальні дані останніх років дозволяють розглядати внутрішньохромосомну і внутрішньогенну (межсайтовую) рекомбінацію як ферментативный процес, що відбувається при взаємодії молекул ДНК. Акт рекомбінації здійснюється шляхом розривів і з'єднання в новому поєднанні відрізків полинуклеотидных ниток.

М. р. своїми чудовими відкриттями зробила плідний вплив на всі біологічні науки. Вона з'явилася тією основою, на якій виросла молекулярна біологія, значно прискорила прогрес біохімії, біофізики, цитології, мікробіології, вірусології, біології розвитку, відкрила нові підходи до розуміння походження життя і еволюції органічного миру.

Так, дослідження в області генетики мікроорганізмів разом з вирішенням загальнобіологічних проблем мають і свої специфічні мікробіологічні завдання. Основними з них є пізнання молекулярних основ спадковості і мінливості мікробів, розробка методів і принципів управління їх життєдіяльністю і отримання видів мікробів, корисних для людини. Стосовно завдань медичної мікробіології генетичні дослідження мають на меті пізнання генетичних основ патогенності і імуногенних властивостей мікробів, отримання на основі цих даних вакцинних штамів, продуцентів антибіотиків і усунення шкідливої дії мікробів.

Численні дослідження мінливості мікробів, поза сумнівом, мали і мають найважливіше практичне значення. Вони дають можливість ставити точніший мікробіологічний діагноз інфекційних захворювань, вибирати найбільш повноцінні штами для виробництва вакцин.

В кінці 80-х років XX ст. група учених на чолі з Д. Уотсоном (один з авторів моделі ДНК) склали програму розшифровки генома людини, роботи над якою почалися в 1990 р. Всього на її виконання витрачено близько 6 млрд доларів. Разом з цим досліджувалися і геноми інших організмів (близько 820 видів).

Першим крупним успіхом стало повне картирование в 1995 р. генома бактерії Haemophilus influenzae. Пізніше були повністю описані геноми ще більше 20 бактерій, серед яких збудники туберкульозу, висипного тифу, сифілісу і ін. У 1996 р. картировали ДНК першої эукариотической клітки - дріжджів, а в 1998 р. вперше був картирован геном багатоклітинного організму - круглого черв'яка Caenorhabditis elegans. До 1998 р. встановлені послідовності нуклеотидов в 30 261 гені людини, тобто розшифрована приблизно половина, як тоді вважали, генетичною інформація людини. Отримані дані дозволили вперше реально оцінити функції генів в організмі людини.

У грудні 1999 р. дослідники Великобританії і Японії оголосили про встановлення структури 22-ої хромосоми. Це була перша декодована хромосома людини. Вона містить 33 млн пар підстав, і в її структурі залишилися нерозшифрованими 11 ділянок (близько 3% довжини ДНК). Для цієї хромосоми визначені функції приблизно половини генів, з 545 виявлених. Встановлено, наприклад, що з дефектами цієї хромосоми пов'язано 27 різних захворювань, серед яких такі, як шизофренія, миелоидная лейкемія і трисомия 22 - друга за значенням причина викиднів у бременных.

У квітні 2000 року була розшифрована структура 21 хромосоми і виявлено 225 генів. Наявність даних про число генів в двох різних хромосомах, яких припадає на частку 2 % ДНК генома, дозволило розрахувати загальне число генів в каріотипі людини рівним 40 000.

У лютому 2001 р. було опубліковано дві попередні версії генома людини. Це результат багаторічної роботи багатьох учених, які склали дві групи. Перша з них — Міжнародний некомерційний проект «Геном людини» — Human Genom Ргоyесt (НGP) — об'єднав 20 лабораторій, сотні учених з різних країн світу. Ця група поставила перед собою мету розшифровку генома людини і отримання даних, які могло б стати загальнодоступним. Приватна ж компанія «Целера Геномікс» (Сеlега Gеnomics) також поставила перед собою завдання розшифровки генома людини, але планувала надавати отриману інформацію на комерційній основі.

Обидві версії містять ще багато білих плям і неточностей, тому робота продовжується. Проте отримані результати дозволили зіставити геном людини з геномами інших эукариотов (дріжджів, червя, мухи дрозофилы і рослини). Встановлено, що послідовність генома людини, як і інших эукариотов, складається з ділянок, які кодують білки (? 2 %), ділянок, які кодують РНК (? 20 %), а понад 50 % складають повторювані послідовності, які важко клонуються і тому створюється багато пропусків.

Отже, велика частина генома людини не кодує білки. У цю частину входять фрагменти, які кодують тільки РНК і ділянки ДНК повторів.

Тисячі генів у людини тільки транскрибируются і продукують РНК, яка не кодує білок (нкРНК). Ідентифіковано також близько 500 генів для транспортних РНК. Поки немає повних послідовностей для рибосомальних РНК (рРНК), хоча інтерес до них дуже великою враховуючи їх роль в утворенні пептидних зв'язків при трансляції.

Крім того, ідентифіковано близько 80 маленьких ядерних РНК, які беруть участь в сплайсинге незрілою РНК, а також майже сотня генів маленьких ядерцевих РНК, які беруть участь в процесингу.

Гени нкРНК і псевдогени, які утворилися з них, по своїх розмірах є маленькими і не діляться на групи — це специфічні структурні особливості, пошук їх за допомогою комп'ютерних методів дуже важкий, хоча вони дуже поширені в геномі людини.

У 2003 г Національний інститут досліджень (США) геномів завершив розшифровку (секвенирование) генома людини.

Не дивлячись на певні успіхи в секвенировании генома людини (він просеквенирован на 99%), ніхто з генетиків не може з упевненістю назвати точну кількість генів у людини. У останніх даних згадувалася цифра в межах 22-25 тисяч, проте американські учені, в статті, опублікованій в журналі PLoS Computational Biology (2006), заявили про знахідку додаткових 5286 регіонів, які можуть транскрибироваться.

Підставою для такого затвердження є успішне застосування нового підходу в обробці даних, що дозволяє виявляти так звані відбитки геномів транскрипції, невидимі звичайними методами. Учені припускають, що в більшості випадків знайдені ними гени немає белок-кодирующими, але виконують визначені, і поки невідомі функції.

Розшифровка генома підняла наукову планку в ембріології, вірусології, клітинній біології, теорії еволюції, біотехнології, медичній генетиці. Вже з'явився термін «New biology», нова біологія - наука, яка почалася ще в лютому 2001 року.

Структура генів людини набагато складніша, ніж у інших эукариотов. Часто вони перериваються великими интронами, приблизно 35 % генів можуть прочитуватися з різними рамками, 40 % иРНК можуть піддаватися альтернативному сплайсингу. Отже, одна послідовність ДНК може кодувати більше, ніж один тип иРНК.

Сама карта топографії генів на хромосомах нагадує глобус або контури Землі, видимі з літака. Основна частина генів збита у великі і малі «міста», які розділені величезними млявими просторами. Чоловіча статева хромосома, збіднена генами, нагадує Візантійську імперію, що вже пережила епоху зльоту. За минулий період історії багато генів покинули цю територію і перебралися в інші «країни».

Навпаки, дев'ятнадцята хромосома людини нагадує генетичну «столицю» - весь інформаційний непотріб і старі віджилі споруди викинуті з цієї функціонально просунутої території. Насилу на цій хромосомі вдалося відшукати вакантні місця, не забудовані генами, тобто проекти тривимірного життя миру білків і білкових машин, що не несуть в реальний світ. От чому аномалії 19-ої хромосоми закінчуються смертю вже в утробі матери.

На техногенній мові - будь-яка функція клітки закодована пристроєм білкових машин. На дев'ятнадцятій і двадцять першій хромосомі добре видно порядок життя в «містах»: уздовж головної вулиці квартали забудовуються дупликацией генів, тобто всі родичі селяться поряд. Хоча бувають виключення, коли нові нащадки генів починають освоювати далекі території. Хромосоми людини відрізняються від хромосом бактерій, дрозофилы і нижчих багатоклітинних максимальними перепадами щільності генів по довжині подвійної спіралі ДНК. У людини - максимальне число «мегаполісів» генів разом з величезними порожніми просторами нісенітниці. Саме на межі «генних міст» і «пустирів» народяться нові проекти перевлаштування старих генів або правил використання старих генів для нової функції.

Практично кожен ген людини відрізняється вариабельностью. У геномі людини є ділянки з підвищеною і зниженою вариабельностью. Наприклад, ділянки головного комплексу гистосовместимости (МНС), які кодують білки гистосовместимости, відрізняються значними вариабельностью, визначаючи імунологічну індивідуальність людини.

Генетичний поліморфізм має велике біологічне значення для людини. Так, поліморфізм гена апоЕ4 надає сприяння збільшенню щільності бляшок при хворобі Альцгеймера, а делеция гена, який кодує хемокиновый рецептор Ссr 5, збільшує стійкість імунодефіциту людини щодо вірусу. Цей корецептор, разом з рецептором Сd4, є необхідним для скріплення і проникнення вірусу в Т-лимфоцит. При порівнянні розташування і частоти одиночних замін у хворих і здорових людей виявляються ті заміни, які связанны з тією або іншою хворобою. Такі зіставлення дають можливість з'ясувати роль певних генів в розвитку мультифакториальных захворювань. Дослідження в цьому напрямі дуже перспективні і інтенсивно розвиваються.

У 1994 р. в молекулярній біології виник новий термін — протеом. Він, фактично, покликаний описати все сукупності білків, які синтезуються впродовж життя кліток організму. Область дослідження структури і функції білків — продуктів функціонування генів — получила назва протеомика. Її значення в медицині є украй важливим, оскільки будуть ідентифіковані білкові маркери різних хвороб. Перспективно також вивчення ефектів взаємодії лікарських речовин з геномом людини (фармакогеномика).

Слід зазначити, що розшифровка первинної структури білків на основі вивчених генів, які кодують білки, ще не указує на розкриття функцій тих або інших продуктів генів. За цим слідуватиме тривалий систематичний аналіз протеома людини. Велике значення в розшифровці ролі певних генів, які синтезують білок, має порівняння первинної структури білків з відомими і невідомими функціями, які отримані від представників видів різного рівня еволюційного розвитку. Сьогодні така робота починається. На основі виявлення тільки первинної структури білка не можна встановити його точну функцію. Проте вивчення генома дає важливу інформацію про виникнення білкових доменів, про розширення їх сімейств, сімейств самих білків і так далі

У геномі людини виявлені гени, гомологичные таким в геномі мухи (61 %), в геномі червя (43 %), в геномі дріжджів (46 %). Це основний набір генів, які кодують головні життєві процеси в клітці: основний метаболізм, реплікація і репарація ДНК, біосинтез білка.

Виявлено також понад 220 генів, продукти яких схожі на білки бактерій, але не схожі на білки дріжджів, рослин, безхребетних. Швидше за все, ці гени потрапили в геном людини від бактерій шляхом перенесення.

Зіставлення генома людини і досліджених безхребетних дало можливість виявити значно більшу кількість генів, які відповідають за різні регуляторні функції в організмі: захист і імунітет; структура і функції центральної нервової системи; білків, які беруть участь в побудові цитоскелета і русі везикул; внутренне- і міжклітинна сигналізація в розвитку і гомеостазі; транскрипція і трансляція; гемостаз; апоптоз і ін.

Секвенірованіє генома стало поштовхом до дослідження генів, які «відповідають» за хвороби людини. Необхідним є проведення функціональної класифікації самих генів і їх продуктів — білків. Всі гени (923), які викликають моногенні захворювання або підвищують вірогідність виникнення хвороби, характеризувалися по функції їх продуктів щодо патологічного процесу і клінічних проявів. Найбільшу функціональну групу складали ферменти (31 %). Друга за величиною група — білки-активатори і стабілізатори, білки, які беруть участь в правильному згортанні полипептидных ланцюгів (14 %). Будь-яка із залишку груп (рецептори, чинники транскрипції, трансмембранные переносники і ін.) складали менше 10 % від всіх генів, які викликають хвороби. Кореляційний аналіз між функцією продуктів генних хвороб і віком хворих показав, що хвороби, пов'язані з порушеннями функції ферментів, виявляються на всіх етапах розвитку. У теж час хвороби, пов'язані з генами, які кодують чинники транскрипцій, виявляються на етапі внутріутробного розвитку.