История молекулярной геномики Акылбек А.

Законы Менделя (1866) Законы Менделя принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам, вытекающие из экспериментов Грегора Менделя. Закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя) при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов (F1) окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей Закон расщепления (второй закон Менделя) при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой, во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1. Закон независимого наследования (третий закон Менделя) при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (как и при моногибридном скрещивании).

Генетика (1900) В начале XX века работы Менделя вновь привлекли внимание в связи с исследованиями Карла Корренса, Эриха Чермака и Гуго Де Фриза по гибридизации растений, в которых были подтверждены основные выводы о независимом наследовании признаков и о численных соотношениях при «расщеплении» признаков в потомстве. Вскоре английский натуралист Уильям Бэтсон ввёл в употребление название новой научной дисциплины: генетика (в 1905 году в частном письме и в 1906 году публично). В 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йогансеном введён в употребление термин «ген». Важным вкладом в развитие генетики стала хромосомная теория наследственности, разработанная, прежде всего, благодаря усилиям американского генетика Томаса Ханта Моргана и его учеников и сотрудников, избравших объектом своих исследований плодовую мушку Drosophila melanogaster. Изучение закономерностей сцепленного наследования позволило путём анализа результатов скрещиваний составить карты расположения генов в «группах сцепления» и сопоставить группы сцепления с хромосомами ( гг.).

Генетическая карта (1913) Первоначально взаимное расположение генов на хромосомах определяли по частоте кроссинговера (перекрёста) между ними. Впервые на возможность подобного построения генетических карт хромосом экспериментально показали в годах Т. Морган, А. Стёртевант и другие сотрудники Моргана, основываясь на явлениях сцепления генов и кроссинговера. С тех пор генетическое расстояние принято измерять в сантим органах (или сантиморганидах, сокращённо cM), при этом 1 cM соответствует частоте кроссинговера в 1 %. Первым организмом, для которого была получена генетическая карта, стала чернобрюхая дрозофила (Drosophila melanogaster).

Структура ДНК (1953) Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени от рака Розалинд Франклин, так как премия не присуждается посмертно.

Protein Data Bank, PDB банк данных трёхмерных структур белков и нуклеиновых кислот. Информация, полученная методами рентгеновской кристаллографии или ЯМР- спектроскопии, и, всё чаще, методом криоэлектронной микроскопии вносится в базу данных биологами и биохимиками со всего мира, и доступна бесплатно через интернет сайты организаций-членов (PDBe, PDBj, RCSB). Protein Data Bank был создан обычными учёными. В 1971 году Уолтер Хэмилтон (англ. Walter Hamilton) в Национальной лаборатории Брукхавена создал банк данных для Брукхавена. После смерти Хэмилтона в 1973 году PDB управлял Том Кэцтл (англ. Tom Koeztle). В январе 1994 года главой Protein Data Bank стал Джол Суссман (англ. Joel Sussman). В октябре 1998 года Protein Data Bank был перенесён в Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB); перенос информации был закончен в июне 1999 года. Новым директором стала Хелен Берман (англ. Helen M. Berman) из Университета Рутгерса. В 2003 году, после образования wwPDB (англ. Worldwide Protein Data Bank), Protein Data Bank стал международной организацией. Помимо RCSB, основателями wwPDB являются Protein Data Bank in Europe (PDBe), Protein Data Bank in Japan (PDBj) и Bilogical Margnetic Resonance Bank (BMRB).

Клонирование ДНК (1972 г.) (клонирование генов) процесс выделения заданной последовательности ДНК и получения многих её копий in vitro. Клонирование ДНК часто применяют для амплификации фрагментов, содержащих гены, а также любые другие последовательности например, промоторы, некодирующие последовательности, химически синтезированные олигонуклеотиды и случайные участки ДНК. В классических методиках рестрикции и лигирования, клонирование фрагмента ДНК включает четыре стадии: разрезание ДНК эндонуклеазами рестрикции, лигирование ДНК с вектором, трансфекция, последующий скрининг (отбор).

GenBank база данных, находящаяся в открытом доступе, содержащая все аннотированные последовательности ДНК и РНК, а также последовательности закодированных в них белков. GenBank поддерживается Национальным центром биотехнологической информации США (NCBI), входящего в состав Национальных Институтов Здоровья в США, и доступен на бесплатной основе исследователям всего мира. GenBank получает и объединяет данные, полученные в разных лабораториях, для более чем различных организмов. В третьем выпуске базы данных, вышедшем в декабре 1982 года содержалось 606 нуклеотидных последовательностей, в пересчёте на основания Уже к ноябрю 1983 года количество последовательностей увеличилось более чем в 4 раза - до До 2000 года рост базы данных имел экспоненциальный характер. К 2007 году количество данных удваивалось каждые 18 месяцев. С апреля 2002 года ведётся статистика по разделу WGS. Скорость его роста опережает основное отделение GenBank. После уменьшения темпов роста в 2010 году, WGS вновь демонстрирует ускоренный рост [8]. [8] На февраль 2013 года GenBank содержал информацию о более чем 228 млрд. пар оснований и почти 200 млн. последовательностях (из более чем живых организмов

Автоматический секвенатор (1986) Принцип автоматического флуоресцентного секвенирования ДНК заключается в электрофоретическом разделении специфически терминированных продуктов секвенирующих реакций, несущих подходящую флуоресцентную метку, и их детекции в режиме реального времени в нижней части геля после возбуждения молекул красителя лазерным лучом в момент прохождения фрагментов ДНК, их содержащих, через эту зону. Принцип автоматического секвенирования ДНК заключается в электрофоретическом разделении флуоресцентно меченных продуктов специфически терминированных секвенирующих реакций и их детекции в режиме реального времени. Детекция осуществляется в нижней части геля, где в момент прохождения фрагментов ДНК происходит возбуждение молекул красителя лазерным лучом. Серьезное значение в автоматическом секвенировании ДНК приобретает точность определения нуклеотидной последовательности, поскольку в большинстве случаев экспериментатор не участвует в процессе ее чтения и занесения в компьютер.

NCBI Национальный центр биотехнологической информации США (англ. National Center for Biotechnological Information, NCBI). Основан в 1988 году в Бетесда (штат Мэриленд, США) как центральный институт обработки и хранения данных молекулярной биологии. Является частью Национальной медицинской библиотеки США (англ. United States National Library of Medicine, NLM), подраздела Национальных институтов здоровья (англ. National Institutes of Health, NIH). Руководит центром Дэвид Липман, один из авторов программы поиска локальных выравниваний BLAST и широко признанный профессионал в области биоинформатики. Он также руководит научными программами центра, включая научные группы Стефана Альтшуля (соавтор программы BLAST), Дэвида Ландсмана, Евгения Кунина. NCBI предоставляет информацию о базах данных белковых доменов, ДНК (GenBank) и РНК, базах данных статей научной литературы (PubMed) и таксономичной информации (TaxBrowser), обеспечивает поиск данных о конкретном биологическом виде (Taxonomy). Также содержит различные стандартные программы биоинформатики (BLAST). Базы данных доступны через поисковую систему Entrez.

Пиросеквенирование (1988 г.) Наиболее распространённые методы секвенирования нуклеиновых кислот основаны на электрофоретическом разделении терминированных фрагментов ДНК в полиакриламидном геле пиросеквенирование. Оно основано на определении пирофосфата, образующегося при синтезе ДНК, и имеет следующую предысторию: 1985 год шведские учёные Pål Nyren и Arne Lundin разработали чувствительный люминометрический метод определения пирофосфата ; 1987 год P. Nyren разработал метод анализа ДНК-полимеразной активности, основанный на определении пирофосфата; 1988 год Edward Hyman предложил использовать этот метод для секвенирования ДНК; 1990 год им же получен патент на пирофосфатный метод секвенирования нуклеиновых кислот; 1997 год в Швеции учреждена компания "Pyrosequencing" (с 2003 года "Biotage AB"), специализирующаяся на разработке, производстве и продаже приборов и тест-систем медицинского назначения; 2000 год в США учреждена компания "454 Life Sciences", занимающаяся разработкой методов геномного про секвенирования; 2004 год компания "454 Life Sciences" получает от NIH гранты на совершенствование своего метода геномного секвенирования (май 2,4 млн. $) и на разработку ультрамикрометода секвенирования геномов человека (октябрь 5 млн. $ на 3 года)

Геном бактерии (1995) Геномы прокариотических организмов - В июле 1995 г. в американском журнале "Science" появилась статья, сообщающая об определении нуклеотидной последовательности полного генома самостоятельно существующего организма - бактерии Haemophilus influenzae, состоящего из пн [Fleischmann et al., 1995]. В выполнении этого проекта приняло участие 40 ученых из 4 исследовательских центров США. Но основная нагрузка выпала на долю сотрудников Института геномных исследований (TIGR - The Institute for Genomic Research) и его директора Дж.К. Вентера. Основной стратегией определения нуклеотидной последовательности при выполнении проекта по секвенированию генома бактерии Haemophilus influenzae, RD штамма KW20 можно считать случайный подход с субклонированием фрагментов ДНК, разрушенных механическим путем. На разных стадиях выполнения проекта осуществлялось и секвенирование вставок, клонированных в Х-векторах. Заключительная ликвидация промежутков проводилась с помощью праймерной "прогулки". В результате было достигнуто 6-кратное покрытие всего генома.

Геном дрожжей Геном дрожжей: вся генетическая информация, содержащаяся в дрожжах (Saccharomyces cerevisiae). Геномы конкретных нечеловеческих организмов, таких как дрожжи, активно изучались по ряду причин, включая необходимость улучшения секвенирования и методов анализа полученных данных. Эти нечеловеческие геномы также представляют собой мощный набор данных, благодаря которым можно проводить сравнительный анализ генома человека. Геном Saccharomyces cerevisiae содержит 12,1 млн пар оснований и, по оценкам исследователей, более 6 тысяч генов. Секвенирование этого генома было завершено в 1996 году.

Геном нематодов Caenorhabditis elegans свободноживущая нематода (круглый червь) длиной около 1 мм. Исследования этого вида в молекулярной биологии и биологии развития начались в 1974 работами Сиднея Бреннера. Геном полностью секвенирован и опубликован в 1998 году (дополнен в 2002). Мартин Чалфи использовал C.elegans при исследовании зелёного флуоресцентного белка. Геном C.elegans имеет длину приблизительно 100 миллионов пар оснований и содержит приблизительно генов. Большинство этих генов кодирует белки, но, вероятно, среди них есть примерно 1000 генов РНК. Учёные продолжают уточнять множество известных генов.

Геном человека (2003) Проект Человеческий Геном (англ. The Human Genome Project, HGP) международный научно- исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК, и идентифицировать 2025 тыс. генов в человеческом геноме. Этот проект называют крупнейшим международным сотрудничеством, когда-либо проводившимся в биологии; он стал основой для международного проекта Genome Project-write. Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. В силу широкой международной кооперации и новых достижений в области геномики (особенно в секвенировании), а также значительных достижений в вычислительной технике, «черновик» генома был закончен в 2000 году (о чём было объявлено совместно президентом США Биллом Клинтоном и британским премьер-министром Тони Блэром 26 июня 2000 года). Продолжение секвенирования привело к объявлению в апреле 2003 года о почти полном завершении работы, на два года раньше, чем планировалось. В мае 2006 года была пройдена другая веха на пути к завершению проекта, когда в журнале «Nature» была опубликована последовательность последней хромосомы хромосомы 1