Молекуларна генетика ― гранка на биологијата која се занимава со тоа како разликите во структурите или изразувањето на молекулите на ДНК се манифестираат како варијации меѓу организмите. Молекуларната генетика често применува „истражувачки пристап“ за одредување на структурата и/или функцијата на гените во геномот на организмот користејќи генетски слики.
Областа на студии се заснова на спојување на неколку под-области во биологијата: класични Менделови закони, цитологија, молекуларна биологија, биохемија и биотехнологија. Ги интегрира овие дисциплини за да ги истражи работите како генетско наследство, регулација и изразување на гените и молекуларниот механизам зад различни животни постапки.
Клучна цел на молекуларната генетика е да се идентификуваат и проучуваат генетските мутации. Истражувачите бараат мутации во генот или индуцираат мутации во генот за да поврзат генска секвенца со специфичен фенотип. Затоа, молекуларната генетика е моќна методологија за поврзување на мутациите со генетските состојби што може да помогне во потрагата по третмани на различни генетски болести.
Историја Откривањето на ДНК како план за живот и откритија во истражувањето на молекуларната генетика дошло од комбинираните дела на многу научници. Во 1869 година, хемичарот Јохан Фридрих Мишер, кој го истражувал составот на белите крвни зрнца, открил и изолирал нова молекула која ја нарекол нуклеин од клеточното јадро, што на крајот би било првото откритие на молекулната ДНК за која подоцна било утврдено дека е молекуларната основа на животот. Тој утврдил дека се состои од водород, кислород, азот и фосфор. Биохемичарот Албрехт Косел го идентификувал нуклеинот како нуклеинска киселина и го дал неговото име деоксирибонуклеинска киселина (ДНК). Тој продолжил да се надоврзува на тоа со изолирање на основните градежни блокови на ДНК и РНК; составен од нуклеотиди: аденин, гванин, тимин, цитозин, и урацил. Неговата работа на нуклеотиди му ја донело Нобеловата награда за физиологија.
Во раните 1900-ти, Грегор Мендел, кој станал познат како еден од татковците на генетиката, дал голем придонес во полето на генетиката преку неговите различни опити со грашок каде што бил во можност да ги открие начелата на наследување, како што се рецесивни и доминантни особини, без да се знае од кои гени се состојат. Во средината на 19 век, анатомот Волтер Флеминг го открил она што сега го знаеме како хромозоми и постапката на одвојување што тие го поминуваат преку митоза. Неговата работа заедно со Теодор Бовери најпрво излегло со Хромозомската теорија на наследување, која помогнала да бидат објаснети некои од шемите што Мендел ги забележал многу порано.
За да биде развиена молекуларната генетика како дисциплина, биле неопходни неколку научни откритија. Откривањето на ДНК како средство за пренос на генетскиот код на животот од една клетка во друга и помеѓу генерации беше од суштинско значење за идентификување на молекулата одговорна за наследноста. Молекуларната генетика првично произлегла од студии кои вклучуваат генетска преобразба кај бактериите. Во 1944 година, Ејвори, МекЛеод и МекКартиAvery OT, Macleod CM, McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types: Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated form pneumococcus type III. J Exp Med. 1 февруари 1944;79(2):137-58. . ; изолирале ДНК од вирулентен сој на S. pneumoniae, и користејќи ја токму оваа ДНК успеале да пренаменат безопасен сој во вирулентност. Тие го нарекле навлегувањето, вклучувањето и изразувањето на ДНК од бактерии „преобразба“. Ова откритие наведува дека ДНК е генетскиот материјал на бактериите.Bernstein H, Bernstein C, Michod RE (2018). Sex in microbial pathogens. Infection, Genetics and Evolution volume 57, стр. 8-25. Бактериската преобразба често е предизвикана од услови на стрес, а функцијата на преобразба се чини дека е поправка на геномското оштетување.
Во 1950 година, Ервин Чаргаф извел правила кои нудат докази дека ДНК е генетски материјал на животот. Овие беа „1) дека базниот состав на ДНК варира помеѓу видовите и 2) во природните молекули на ДНК, количината на аденин (А) е еднаква на количината на тимин (Т), а количината на гванин (G) е еднаква до количината на цитозин (C).“ Овие правила, познати како Чаргафови правила, помогнале да биде разберена молекуларната генетика. Во 1953 година, Френсис Крик и Џејмс Вотсон, врз основа на работата на кристалографијата со рендген, направена од Розалинд Френклин и Морис Вилкинс, можеле да ја изведат тридимензионалната структура на двојната спирала на ДНКта.
Бактериофагната група била неформална мрежа на биолози собрана околу Макс Делбрик, која значително придонела за молекуларната генетика и потеклото на молекуларната биологија во периодот од околу 1945 до 1970 година.Phage and the Origins of Molecular Biology (2007) Edited by John Cairns, Gunther S. Stent, and James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory of Quantitative Biology, Cold Spring Harbor, Long Island, New York Бактериофагната група го добила своето име од бактериофагите, вирусите што ги инфицираат бактериите кои групата ги користела како организми за опитен модел. Студиите на молекуларните генетичари поврзани со оваа група придонеле да биде разбрана како генетско кодираните протеини функционираат во репликацијата на ДНК, поправката на ДНК и рекомбинацијата на ДНК и за тоа како вирусите се составуваат од компонентите на протеини и нуклеинска киселина (молекуларна морфогенеза). Понатаму, била разјаснета улогата на кодоните што завршуваат со синџирот. Една значајна студија била изведена од Сиднеј Бренер и соработниците користејќи „килибарни“ мутанти кои се неисправни во генот што го кодира главниот протеин на бактериофагот Т4.Sarabhai AS, Stretton AO, Brenner S, Bolle A (јануари 1964). "Co-linearity of the gene with the polypeptide chain". Nature. 201 (4914): 13–7. Bibcode:1964Natur.201...13S. . . Оваа студија ја покажа заедничката линеарност на генот со неговиот кодиран полипептид, со што обезбеди силен доказ за „хипотезата за секвенца“ дека аминокиселинската секвенца на протеинот е специфицирана со нуклеотидната секвенца на генот што го одредува протеинот.
Изолацијата на рестриктивна ендонуклеаза во E. coli од страна на Арбер и Лин во 1969 година го отвори полето на генетското инженерство. Биле користени рестриктивни ензими за линеаризирање на ДНК за одделување со електрофореза и Саутерновиот метод дозволено за идентификација на специфични ДНК-ови сегменти преку сонди за хибридизација. Во 1971 година, Берг користел рестриктивни ензими за да ја создаде првата рекомбинантна ДНК молекула и првиот рекомбинантен ДНК плазмид. Во 1972 година, Коен и Бојер го создале првиот рекомбинантен ДНК организам со вметнување на рекомбинантна ДНК плазмиди во E. coli, сега позната како бактериска преобразба, и го отвориле патот за молекуларно клонирање. Развојот на техниките за секвенционирање на ДНК во доцните 1970-ти, прво од Максам и Гилберт, а потоа и од Фредерик Сангер, бил клучен за молекуларното генетско истражување и им овозможило на научниците да започнат со спроведување на генетски слики за поврзување на генотипските секвенци со фенотиповите. Полимеразна верижна реакција со користење на Такова полимераза, измислена од Мулис во 1985 година, им овозможи на научниците да создадат милиони копии од специфична ДНК секвенца што може да се користи за преобразба или да се манипулира со раздвојување на гел од агароз. Една деценија подоцна, првиот целосен геном бил секвенциониран (Haemophilus influenzae), проследено со евентуалното секвенционирање на човечкиот геном преку проектот за човечки геном во 2001 година. Кулминацијата на сите тие откритија било новото поле наречено геномика кое ја поврзува молекуларната структура на генот со протеинот или РНК кодирани од тој сегмент на ДНК и функционалното изразување на тој протеин во организмот. Денес, преку примената на молекуларните генетски техники, геномијата се изучува во многу моделски организми и податоците се собираат во сметачки бази на податоци како NCBI и Ensembl. Сметачката анализа и споредба на гените во и помеѓу различни видови се нарекува биоинформатика и ги поврзува генетските мутации на еволутивна скала.
Средишна догма Оваа слика покажува пример на средишната догма со помош на ДНК-ово влакно што се транскрибира, потоа се преведува и покажува важни ензими што се користени во постапките. мини|Оваа слика покажува пример на средишна догма со користење на влакно на ДНК што се транскрибира, потоа се преведува и покажува важни ензими што се користат во постапките. Средишната догма играла клучна улога во проучувањето на молекуларната генетика. Средишната догма наведува дека ДНК се реплицира, ДНК се транскрибира во РНК, а РНК се преведува во протеини. Заедно со Средишната догма, генетскиот код е користен за да биде разбран како РНК е преведувана во протеини. Репликацијата на ДНК и транскрипцијата од ДНК во мРНК се случува во јадрото додека преводот од РНК во протеини се случува во рибозомот. Генетскиот код е направен од четири заменливи делови на молекулите на ДНК, наречени „бази“: аденин, цитозин, урацил (во РНК; тимин во ДНК) и гванин и е вишок, што значи повеќе комбинации на овие базни парови (кои се читаат во трипати) ја произведуваат истата аминокиселина. Протеомиката и геномиката се области во биологијата кои произлегуваат од проучувањето на молекуларната генетика и Средишната догма.
Структура на ДНК Геномот на еден организам го сочинува целата негова поставеност на ДНК и е одговорен за неговите генетски особини, функција и развој. Самиот состав на ДНК е суштинска компонента на полето на молекуларната генетика; тоа е основата за тоа како ДНК може да складира генетски информации, да ги пренесува и да биде во формат што може да се чита и преведува.
ДНК е двоверижна молекула, при што секоја влакно е ориентирана на антипаралелен начин. Нуклеотидите се градежни блокови на ДНК, секоја составена од молекула на шеќер, фосфатна група и една од четирите азотни бази: аденин, гванин, цитозин и тимин. Една нишка на ДНК се држи заедно со ковалентни врски, додека двете антипаралелни нишки се држат заедно со водородни врски помеѓу нуклеотидните бази. Аденинот се врзува со тимин, а цитозинот со гванин. Токму овие четири базни секвенци го образуваат генетскиот код за целиот биолошки живот и ги содржат информациите за сите протеини што организмот ќе може да ги синтетизира.
Неговата единствена структура овозможува ДНК да складира и пренесува биолошки информации низ генерации за време на клеточната делба. При клеточната делба, клетките мора да бидат способни да го копираат својот геном и да го пренесат на ќерките клетки. Ова е можно поради двоверижната структура на ДНК бидејќи едната нишка е комплементарна со нејзиното партнерско влакно, и затоа секоја од овие нишки може да дејствува како шаблон влакно за образување на нова комплементарна нишка. Ова е причината зошто постапката на репликација на ДНК е позната како полуконзервативна постапка.
Техники
Напредна генетика Напредната генетика е техника на молекуларна генетика која е користена за да бидат идентификувани гени или генетски мутации кои произведуваат одреден фенотип. Во генетскиот екран, случајните мутации се создавани со мутагени (хемикалии или зрачење) или транспозони и поединците се проверуваат за специфичниот фенотип. Често, секундарна анализа во облик на селекција може да следи мутагенеза каде што саканиот фенотип е тешко да биде набљудуваб, на пример во бактерии или клеточни култури. Клетките може да бидат преобразени со помош на ген за отпорност на антибиотици или флуоресцентен известувач, така што мутантите со саканиот фенотип се избираат од немутантите.