Второй романтический период (1944 – 1953).

 

Группа учёных под руководством Лайнуса Полинга в 1948 г. на основании исследований структуры нуклеотидов и расстояния между атомами обнаружила, что в пространственной структуре многих белков имеются более или менее крупные части в виде спирали. Немного позже Полинг высказал предположение о трёхцепочечной структуре ДНК.

 

К концу 1940-х годов благодаря работам Т. Касперссона и Ж. Браше по цитохимии и гистохимии, а также исследованиям А. Даунса, А. Мирского и Дж. Паладе методов фракционирования субклеточных структур было установлено, что ДНК локализуется преимущественно в ядре, а РНК – в цитоплазме клеток.

 

В 1949 – 1951 годах Эрвин Чаргафф формулирует «правила Чаргаффа». До работ Чаргаффа господствовала «тетрануклеотидная» теория, согласно которой ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания. Чаргаффу удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и установить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов, которые сильно отличались от эквимолярных. Оказалось, что количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина — количеству цитозина, количество пуринов равно количеству пиримидинов, а также количество оснований с аминогруппами в положении «6» равно количеству оснований с кетогруппами в положении «6».

 

В начале 50-х годов Фредерик Сэнгер показал, что белковая цепь является уникальной последовательностью аминокислотных остатков. В то же время были завершены работы по изучению принципов химического строения нуклеиновых кислот, проводимые А. Тоддом и В. Коном, и было показано, что и в ДНК, и в РНК нуклеотидные остатки связаны только 3΄ – 5΄-фосфодиэфирной связью. Г. Гамов предсказал, генетический код должен быть трёхбуквенным и неперекрывающимся.

 

В ноябре 1951 года Розалинда Франклин на проводимой ею публичной лекции представила присутствующим две формы молекулы ДНК-молекулы, типа А и типа В, а также такое строение ДНК, при котором фосфатные группы расположены с наружной части молекулы. Исходя из данных кристаллографии и рентгеноструктурного анализа, Франклин также определила количество воды в ДНК и соотношение её в различных частях молекулы, что было крайне важно для сохранения стабильности молекулы.

 

В конце 50-х годов Макс Перуц и Джон Кендрю расшифровали пространственное строение первых белков. Уже в 2000 году были известны сотни тысяч природных аминокислотных последовательностей и тысячи пространственных структур белков.

 

 

Догматический период (1953 – 1962)

 

В 1953 году Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс открыли структуру молекулы ДНК, основываясь на принципы, сформулированные Чаргаффом, и рентгенографические снимки В-ДНК, полученные Розалиндой Франклин. Стало ясно, что макромолекула ДНК представляет собой регулярную двойную спираль, в которой две полинуклеотидные цепи строго комплементарны друг другу. Из анализа модели следовало, что после расплетания двойной спирали на каждой из полинуклеотидных цепей может быть построена комплементарная ей новая, в результате чего образуются две дочерние молекулы, неотличимые от материнской ДНК.

 

В 1956 году А. Корнберг открыл ДНК-полимеразу – фермент, который на расплетённых цепях ДНК синтезирует новые, комплементарные им, а ещё через год М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм.

 

В 1957 году Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: представление о необратимости потока генетической информации от ДНК через РНК к белкам по схеме ДНК→ДНК → белок.

 

В 1958 году Александр Сергеевич Спирин совместно с Андреем Николаевичем Белозерским показали, что, при существенных различиях в нуклеотидном составе ДНК из разных организмов, состав суммарных РНК сходен. На основании этих данных они пришли к заключению о том, что суммарная РНК клетки не может выступать в качестве переносчика генетической информации от ДНК к белкам, поскольку не соответствует ей по своему составу. Вместе с тем было замечено, что существует минорная фракция РНК, которая полностью соответствует по своему нуклеотидному составу ДНК и которая может быть истинным переносчиком генетической информации от ДНК к белкам. Таким образом было предсказано существование относительно небольших молекул РНК, являющихся по строению аналогами отдельных участков ДНК и выполняющих роль посредников при передаче генетической информации, содержащейся в ДНК, в рибосому, где с использованием этой информации осуществляется синтез белковых молекул.

 

К концу 1950-х Ф. Криком и С. Беннером экспериментально установлены общие свойства генетического кода.

 

В 1959-1961 годах в лабораториях П. Доти и А.С. Спирина было выявлено, что клеточные РНК представляют собой одноцепочечные полинуклеотиды с характерной вторичной структурой, построенной из коротких двуспиральных участков, соединённых однотяжевыми участками. Несколько позже Дж. Уотсон, А.С. Спирин и М. Номура установили принципы структурной организации рибосом.

 

В 1960 году сразу в нескольких лаборатория была открыта РНК-полимераза, осуществляющая синтез РНК на ДНК-матрицах. Так было подтверждено предположение Ф. Крика о передаче генетической информации от ДНК к белку через РНК.

 

В 1961 году и в течение нескольких последующих лет Хайнрих Маттэй, Маршалл Ниренберг и С. Очоа, а затем Хар Корана и Роберт Холли вели работы по расшифровке генетического кода, в результате которых была установлена непосредственная взаимосвязь между структурой ДНК и синтезируемыми белками и определена последовательность нуклеотидов, определяющая набор аминокислот в белке. Также были получены данные об универсальности генетического кода. В том же году Ф. Жакоб и Ж. Моно опубликовали схему регуляции синтеза белков на уровне транскрипции при помощи регуляторных белков.

 

В 1961 году на основе работ А.С. Спирина и А. Н. Белозерского Чарльз Бреннер и Сол Шпигельман открыли некодирующие РНК, к которым в первую очередь относятся рибосомные РНК.

 

Академический период (1962 – н.в.)

 

В 1963 году Франсуа Жакоб и Сидней Бреннер сформулированы представления о репликоне – последовательности неотъемлемо реплицирующихся генов, объясняющей важные аспекты регуляции репликации генов.

 

В 1962 – 1966 годах Р.Б. Хесин проводит работы, в которых показывает, что РНК-полимераза сама является регулятором генной актирности. Эти исследования привели к открытию основных регуляторных генетических элементов – промоторов и терминаторов транскрипции.

 

В 1966 году У. Гилберт и Б. Мюллер-Хилл впервые выделили регуляторные белки.

 

В 1965 – 1967 велись работы по исследованию первичной структуры тРНК.

 

В 1967 году в лаборатории А. С. Спирина впервые продемонстрировано, что форма компактно свёрнутой РНК определяет морфологию рибосомной частицы.

 

В 1968 году Оказаки, обнаружив фрагменты ДНК отстающей цепи при исследовании процесса репликации, названные в честь неё фрагментами Оказаки, уточнила механизм репликации ДНК.

 

В 1970 году Ховард Темин и Дэвид Балтимор независимо друг от друга обнаружили ревертазу, отвечающую за осуществление обратной транскрипции – образования двухцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК, которое происходит у онкогенных вирусов, содержащих РНК. Это открытие позвлило уточнить центральную догму молекулярной биологии.

 

В 1973 году в рабораториях А. Рича и А. Клуга с помощью рентгеноструктурного анализа была установлена пространственная структура тРНК. В эти же годы была открыта нуклеосома – основной структурный элемент эукариотических хромосом – и разработаны методы её исследования.

 

В результате серии исследований были установлены основные типы мутаций: дупликации, инверсии, делеции, транслокации и транспозиции. Это дало возможность рассматривать эволюционные изменения с точки зрения генных процессов, позволило разработать теорию молекулярных часов, которая применяется в филогении.

 

В 1972 году Пол Берг, Герберт Боер и Стэнли Коэн разработали технологию молекулярного клонирования. Тогда ими впервые была получена в пробирке рекомбинантная ДНК. Эти выдающиеся эксперименты заложили основы генетической инженерии.

 

Возникновение такой науки, как генетическая инженерия, повлекло за собой переход молекулярной биологии на новый подпериод – генно-инженерный.

 

Генно-инженерный подпериод (1974 –н.в.)

 

В 1976 году Фредерик. Сэнгер расшифровал нуклеотидную последовательность ДНК фага φΧ174 длиной 5375 нуклеотидных пар.

 

В 1977 году Сэнгер и, независимо от него, Аллан Максам и Уолтер Гилберт разработали различные методы секвенирования ДНК. Метод Сэнгера, т.н. метод обрыва цепи, является основой современного секвенирования.

 

В 1981 году серповидноклеточная анемия становится первой генетической болезнью, диагностируемой с помощью анализа ДНК.

 

В 1982 - 1983 году Т. Чек и С. Олтман открыли каталитическую функцию РНК. Это открытие изменило существовавшее представления об исключительной роли белков. По аналогии с каталитическими белками – энзимами, каталитические РНК были названы рибозимами. У некоторых рибозимов изучена пространственная структура. Для изучения структуры РНК начали применять ядерный магнитный резонанс, который оказался особенно полезен для исследования малых РНК (РНК).

 

 

В 1987 году Кери Мюллез открыл полимеразную цепную реакцию, благодаря которой возможно искусственно значительно увеличить количество молекул ДНК в растворе для дальнейшей работы.

 

В 1990 году опубликован метод, позволявший быстро получать в лаборатории синтетические функционально активные РНК (искусственные рибозимы или молекулы, взаимодействующие с различными лигандами – аптамеры). Метод получил название «эволюция в пробирке».

 

В 1991-1993 годах в лаборатории А.Б. Четверина экспериментально показана возможность существования, роста и амплификации молекул РНК в форме колоний на твёрдых средах.

 

В 1998 году Крейг Мелло и Эндрю Фаер описали наблюдавшийся ранее при генных экспериментах с бактериями и цветами механизм РНК-интерференции, при котором небольшая двухцепочечная молекула РНК приводит к специфичному подавлению экспрессии гена.

 

В 1999-2001 годах несколькими группами исследователей определена с разрешением от 5,5 до 2,4 ангстрем структура бактериальной рибосомы.