Molekulyar bologiya

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

Молекулярная биология

Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Сегодня молекулярный биолог Пробирочка проведет вас по миру удивительной науки — молекулярной биологии! Мы начнем с исторического экскурса по этапам ее развития, опишем главные открытия и эксперименты, начиная с 1933 года. А также наглядно расскажем о главных методах молекулярной биологии, которые позволили манипулировать генами, изменять и выделять их. Появление этих методов послужило сильным толчком в развитии молекулярной биологии. А еще вспомним о роли биотехнологии и затронем одну из популярнейших тем в этой области — редактирование генома с помощью CRISPR/Cas-систем.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2019.

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

1. Введение. Сущность молекулярной биологии

Молекулярная биология изучает основы жизнедеятельности организмов на уровне макромолекул. Целью молекулярной биологии является установление роли и механизмов функционирования этих макромолекул на основе знаний об их структурах и свойствах.

Исторически молекулярная биология сформировалась в ходе развития направлений биохимии, изучающих нуклеиновые кислоты и белки. В то время как биохимия исследует обмен веществ, химический состав живых клеток, организмов и осуществляемые в них химические процессы, молекулярная биология главное внимание сосредоточивает на изучении механизмов передачи, воспроизведения и хранения генетической информации.

А объектом изучения молекулярной биологии являются сами нуклеиновые кислоты — дезоксирибонуклеиновые (ДНК), рибонуклеиновые (РНК) — и белки, а также их макромолекулярные комплексы — хромосомы, рибосомы, мультиферментные системы, обеспечивающие биосинтез белков и нуклеиновых кислот. Молекулярная биология также граничит по объектам исследования и частично совпадает с молекулярной генетикой, вирусологией, биохимией и рядом других смежных биологических наук.

2. Исторический экскурс по этапам развития молекулярной биологии

Как отдельное направление биохимии, молекулярная биология начала развиваться в 30-х годах прошлого века. Еще тогда возникла необходимость понимания феномена жизни на молекулярном уровне для исследований процессов передачи и хранения генетической информации. Как раз в то время установилась задача молекулярной биологии в изучении свойств, структуры и взаимодействия белков и нуклеиновых кислот.

Впервые термин «молекулярная биология» применил в 1933 году Уильям Астбери в ходе исследования фибриллярных белков (коллагена, фибрина крови, сократительных белков мышц). Астбери изучал связь между молекулярной структурой и биологическими, физическими особенностями данных белков. На первых порах возникновения молекулярной биологии РНК считалась составляющей только растений и грибов, а ДНК — только животных. А в 1935 году открытие ДНК гороха Андреем Белозерским привело к установлению факта, что ДНК содержится в каждой живой клетке.

В 1940 году колоссальным достижением стало установление Джорджем Бидлом и Эдуардом Тэйтемом причинно-следственной связи между генами и белками. Гипотеза ученых «Один ген — один фермент» легла в основу концепции о том, что специфичное строение белка регулируется генами. Полагается, что генетическая информация закодирована специальной последовательностью нуклеотидов в ДНК, которая регулирует первичную структуру белков. Позже было доказано, что многие белки имеют четвертичную структуру. В образовании таких структур принимают участие различные пептидные цепи. Исходя из этого, положение о связи между геном и ферментом было несколько преобразовано, и теперь звучит как «Один ген — один полипептид».

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери с коллегами (Колином Маклеодом и Маклином Маккарти) доказал, что веществом, вызывающим трансформацию бактерий, является ДНК, а не белки. Эксперимент послужил доказательством роли ДНК в передаче наследственной информации, перечеркнув устаревшие знания о белковой природе генов.

В начале 50-х годов Фредерик Сенгер показал, что белковая цепь — уникальная последовательность аминокислотных остатков. В 1951 и 1952 годах ученый определил полную последовательность двух полипептидных цепей — бычьего инсулина В (30 аминокислотных остатков) и А (21 аминокислотный остаток) соответственно.

Примерно в то же время, в 1951–1953 гг., Эрвин Чаргафф сформулировал правила о соотношении азотистых оснований в ДНК. Согласно правилу, вне зависимости от видовых различий живых организмов в их ДНК количество аденина (A) равно количеству тимина (T), а количество гуанина (G) равно количеству цитозина (C).

В 1953 году доказана генетическая роль ДНК. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгенограммы ДНК, полученной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом, установили пространственную структуру ДНК и выдвинули подтвердившееся позднее предположение о механизме ее репликации (удвоении), лежащем в основе наследственности.

1958 год — формирование центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсисом Криком: перенос генетической информации идет в направлении ДНК → РНК → белок.

Суть догмы состоит в том, что в клетках имеется определенный направленный поток информации от ДНК, которая, в свою очередь, представляет собой исходный генетический текст, состоящий из четырех букв: A, T, G и C. Он записан в двойной спирали ДНК в виде последовательностей этих букв — нуклеотидов.

Этот текст транскрибируется. А сам процесс называется транскрипцией. В ходе данного процесса происходит синтез РНК, которая является идентичной генетическому тексту, но с отличием: в РНК вместо T стоит U (урацил).

Данная РНК называется информационной РНК (иРНК), или матричной (мРНК). Трансляция иРНК осуществляется при помощи генетического кода в виде триплетных последовательностей нуклеотидов. В ходе этого процесса происходит перевод текста нуклеиновых кислот ДНК и РНК из четырехбуквенного текста в двадцатибуквенный текст аминокислот.

Природных аминокислот существует всего двадцать, а букв в тексте нуклеиновых кислот четыре. Из-за этого происходит перевод из четырехбуквенного алфавита в двадцатибуквенный посредством генетического кода, в котором каждым трем нуклеотидам соответствует какая-либо аминокислота. Так можно сделать из четырех букв целые 64 трехбуквенные комбинации, притом что аминокислот 20. Из этого следует, что генетический код обязательно должен иметь свойство вырожденности. Однако в то время генетический код не был известен, к тому же его даже не начали расшифровывать, но Крик уже сформулировал свою центральную догму.

Тем не менее была уверенность в том, что код должен существовать. К тому времени было доказано, что этот код обладает триплетностью. Это означает, что конкретно три буквы в нуклеиновых кислотах (кодóны) отвечают какой-либо аминокислоте. Этих кодонов всего 64, они кодируют 20 аминокислот. Это означает, что каждой аминокислоте отвечает сразу несколько кодонов.

Таким образом, можно сделать вывод, что центральная догма является постулатом, который гласит о том, что в клетке происходит направленный поток информации: ДНК → РНК → белок. Крик сделал акцент на главном содержании центральной догмы: обратного потока информации происходить не может, белок не способен изменять генетическую информацию.

В этом и заключается основной смысл центральной догмы: белок не в состоянии изменять и преобразовывать информацию в ДНК (или РНК), поток всегда идет лишь в одну сторону.

Спустя время после этого был открыт новый фермент, который не был известен во времена формулировки центральной догмы, — обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по РНК. Фермент был открыт в вирусах, у которых генетическая информация закодирована в РНК, а не в ДНК. Такие вирусы называют ретровирусами. Они имеют вирусную капсулу с заключенными в нее РНК и специальным ферментом. Фермент и есть обратная транскриптаза, которая синтезирует ДНК по матрице этой вирусной РНК, а эта ДНК потом уже служит генетическим материалом для дальнейшего развития вируса в клетке.

Конечно, данное открытие вызвало большой шок и множество споров среди молекулярных биологов, поскольку считалось, что, исходя из центральной догмы, этого быть не может. Однако Крик сразу объяснил, что он никогда не говорил, что это невозможно. Он говорил лишь то, что никогда не может происходить поток информации от белка к нуклеиновым кислотам, а уже внутри нуклеиновых кислот любого рода процессы вполне возможны: синтез ДНК на ДНК, ДНК на РНК, РНК на ДНК и РНК на РНК.

После формулирования центральной догмы по-прежнему оставался ряд вопросов: как алфавит из четырех нуклеотидов, составляющих ДНК (или РНК), кодирует 20-буквенный алфавит аминокислот, из которых состоят белки? В чем состоит сущность генетического кода?

Первые идеи о существовании генетического кода сформулировали Александр Даунс (1952 г.) и Георгий Гамов (1954 г.). Ученые показали, что последовательность нуклеотидов должна включать в себя не менее трех звеньев. Позднее было доказано, что такая последовательность состоит из трех нуклеотидов, названных кодоном (триплетом). Тем не менее вопрос о том, какие нуклеотиды ответственны за включение какой аминокислоты в белковую молекулу, оставался открытым до 1961 года.

А в 1961 году Маршалл Ниренберг вместе с Генрих Маттеи использовали систему для трансляции in vitro. В роли матрицы взяли олигонуклеотид. В его состав входили только остатки урацила, а пептид, синтезированный с него, включал только аминокислоту фенилаланин. Таким образом впервые было установлено значение кодона: кодон UUU кодирует фенилаланин. Поле них Хар Корана выяснил, что последовательность нуклеотидов UCUCUCUCUCUC кодирует набор аминокислот серин—лейцин—серин—лейцин. По большому счету, благодаря работам Ниренберга и Кораны, к 1965 году генетический код был полностью разгадан. Выяснилось, что каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. А порядок кодонов определяет порядок аминокислот в белке.

Главные принципы функционирования белков и нуклеиновых кислот сформулировали к началу 70-х годов. Было зафиксировано, что синтез белков и нуклеиновых кислот осуществляется по матричному механизму. Молекула-матрица несет закодированную информацию о последовательности аминокислот или нуклеотидов. При репликации или транскрипции матрицей служит ДНК, при трансляции и обратной транскрипции — иРНК.

Так были созданы предпосылки для формирования направлений молекулярной биологии, в том числе и генной инженерии. А в 1972 году Пол Берг с коллегами разработал технологию молекулярного клонирования. Ученые получили первую рекомбинантную ДНК in vitro. Эти выдающиеся открытия легли в основу нового направления молекулярной биологии, а 1972 год с тех пор считается датой рождения генной инженерии.

3. Методы молекулярной биологии

Колоссальные успехи в изучении нуклеиновых кислот, строении ДНК и биосинтеза белка привели к созданию ряда методов, имеющих большое значение в медицине, сельском хозяйстве и науке в целом.

После изучения генетического кода и основных принципов хранения, передачи и реализации наследственной информации для дальнейшего развития молекулярной биологии стали необходимы специальные методы. Эти методы позволили бы проводить манипуляции с генами, изменять и выделять их.

Появление таких методов произошло в 1970–1980-х годах. Это дало огромный толчок развитию молекулярной биологии. В первую очередь, эти методы напрямую связаны с получением генов и их внедрением в клетки других организмов, а еще с возможностью определения последовательности нуклеотидов в генах.

3.1. Электрофорез ДНК

Электрофорез ДНК является базовым методом работы с ДНК. Электрофорез ДНК применяется вместе почти со всеми остальными методами для выделения нужных молекул и дальнейшего анализа результатов. Сам метод электрофореза в геле используется для разделения фрагментов ДНК по длине.

Предварительно или после электрофореза гель обрабатывается красителями, которые способны связаться с ДНК. Красители флуоресцируют в ультрафиолетовом свете, получается картина из полос в геле. Для определения длин фрагментов ДНК их можно сравнить с мáркерами — наборами фрагментов стандартных длин, которые наносятся на тот же гель.

Флуоресцентные белки

При исследовании эукариотических организмов в качестве генов-мáркеров сподручно использовать флуоресцентные белки. Ген первого зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein, GFP) выделили из медузы Aqeuorea victoria, после чего внедрили в различные организмы. После выделяли гены флуоресцентных белков других цветов: синих, желтых, красных. Чтобы получить белки с интересующими свойствами, такие гены были модифицированы искусственно.

Вообще, важнейшими инструментами для работы с молекулой ДНК являются ферменты, осуществляющие ряд превращений ДНК в клетках: ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и рестриктазы (рестрикционные эндонуклеазы).

Трансгенез

Трансгенезом называется перенос генов из одного организма в другой. А такие организмы называются трансгенными.

Рекомбинантные белковые препараты как раз получают методом переноса генов в клетки микроорганизмов. В основном такими белковыми препаратами являются интерфероны, инсулин, некоторые белковые гормоны, а также белки для производства ряда вакцин.

В иных случаях применяют клеточные культуры эукариот или трансгенных животных, по большей степени, скот, который выделяет нужные белки в молоко. Таким образом получают антитела, факторы свертывания крови и другие белки. Метод трансгенеза используют для получения культурных растений, устойчивых к вредителям и гербицидам, а при помощи трансгенных микроорганизмов очищают сточные воды.

Помимо всего перечисленного, трансгенные технологии незаменимы в научных исследованиях, ведь развитие биологии происходит быстрее с применением методов модификации и переноса генов.

Рестриктазы

Распознаваемые рестриктазами последовательности являются симметричными, поэтому всякого рода разрывы могут происходить либо в середине такой последовательности, либо со сдвигом в одной или обеих нитях молекулы ДНК.

При расщеплении любой ДНК рестриктазой, последовательности на концах фрагментов будут одинаковыми. Они смогут снова соединяться, поскольку имеют комплементарные участки.

Получить единую молекулу можно, сшив данные последовательности при помощи ДНК-лигазы. За счет этого возможно объединять фрагменты двух разных ДНК и получать рекомбинантные ДНК.

3.2. ПЦР

В основе метода лежит способность ДНК-полимераз достраивать вторую нить ДНК по комплементарной нити так же, как при процессе репликации ДНК в клетке.

3.3. Секвенирование ДНК

Стремительное развитие метода секвенирования позволяет эффективно определять особенности исследуемого организма на уровне его генома. Главным преимуществом таких геномных и постгеномных технологий является увеличение возможностей исследования и изучения генетической природы заболеваний человека, для того чтобы заранее принять необходимые меры и избежать болезней.

За счет крупных исследований возможно получать необходимые данные о различных генетических характеристиках разных групп людей, тем самым развивая методы медицины. Из-за этого выявление генетической расположенности к различным заболеваниям сегодня пользуется огромной популярностью.

Подобные методы широко применимы практически во всем мире, в том числе и в России. Из-за научного прогресса происходит внедрение таких методов в медицинские исследования и медицинскую практику в целом.

4. Биотехнология

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов или их систем для решения технологических задач, а еще создания живых организмов с нужными свойствами путем генной инженерии. Биотехнология применяет методы химии, микробиологии, биохимии и, конечно же, молекулярной биологии.

Основные направления развития биотехнологии (принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей):

1. Создание и производство новых видов продуктов питания и кормов для животных.
2. Получение и изучение новых штаммов микроорганизмов.
3. Выведение новых сортов растений, а также создание средств для защиты растений от болезней и вредителей.
4. Применение методов биотехнологии для нужд экологии. Такие методы биотехнологии используют для переработки утилизации отходов, очистки сточных вод, отработанного воздуха и санации почв.
5. Изготовление витаминов, гормонов, ферментов, сывороток для нужд медицины. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, которые ранее считались неизлечимыми.

Крупным достижением биотехнологии является генная инженерия.

Генная инженерия — совокупность технологий и методов получения рекомбинантных молекул РНК и ДНК, выделения отдельных генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы (бактерий, дрожжи, млекопитающих). Такие организмы способны производить конечные продукты с нужными, измененными свойствами.

Методы генной инженерии направлены на конструирование новых, ранее не существовавших сочетаний генов в природе.

Говоря о достижениях генной инженерии, невозможно не затронуть тему клонирования. Клонирование — это один из методов биотехнологии, применяемый для получения идентичных потомков различных организмов при помощи бесполого размножения.

Иными словами, клонирование можно представить как процесс создания генетически идентичных копий организма или клетки. А клонированные организмы похожи или вовсе идентичны не только по внешним признакам, но и по генетическому содержанию.

Небезызвестная овечка Долли в 1966 году стала первым клонированным млекопитающим. Она была получена за счет пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Долли являлась генетической копией овцы-донора ядра клетки. В естественных условиях особь формируется из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив по половине генетического материала от двух родителей. Однако при клонировании генетический материал взяли из клетки одной особи. Сначала из зиготы удалили ядро, в котором находится сама ДНК. После чего извлекли ядро из клетки взрослой особи овцы и имплантировали его в ту лишенную ядра зиготу, а затем ее пересадили в матку взрослой особи и предоставили возможность для роста и развития.

Тем не менее не все попытки клонирования оказывались удачными. Параллельно с клонированием Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках. Но только в одном случае смогло полноценно развиться и вырасти живое взрослое животное. После Долли ученые пробовали клонировать и другие виды млекопитающих.

Одним их видов генной инженерии является редактирование генома.

Инструмент CRISPR/Cas базируется на элементе иммунной защитной системы бактерий, который ученые приспособили для внедрения каких-либо изменений в ДНК животных или растений.

CRISPR/Cas является одним из биотехнологических методов манипулирования отдельными генами в клетках. Существует огромное множество применений такой технологии. CRISPR/Cas позволяет исследователям выяснять функцию разных генов. Для этого нужно просто вырезать исследуемый ген из ДНК и изучить, какие функции организма были затронуты.

Некоторые практические применения системы:

1. Сельское хозяйство. За счет CRISPR/Cas-систем можно усовершенствовать сельскохозяйственные культуры. А именно, сделать их более вкусными и питательными, а также устойчивыми к жаре. Возможно наделить растения и другими свойствами: к примеру, вырезать из орехов (арахиса или фундука) ген аллергена.
2. Медицина, наследственные заболевания. У ученых есть цель применять CRISPR/Cas для удаления из человеческого генома мутаций, из-за которых могут развиваться заболевания, такие, как серповидноклеточная анемия и др. В теории, за счет CRISPR/Cas можно останавливать развитие ВИЧ.
3. Генный драйв. CRISPR/Cas может изменять не только геном отдельного животного или растения, но также и генофонд вида. Данная концепция известна как «генный драйв». Всякий живой организм передает своему потомству половину генов. Но использование CRISPR/Cas может повышать вероятность передачи генов до 100%. Это важно для того, чтобы нужный признак быстрее распространился во всей популяции.

Швейцарские ученые значительно усовершенствовали и модернизировали метод редактирования генома CRISPR/Cas, тем самым расширив его возможности. Тем не менее ученые могли модифицировать только один ген за раз, используя CRISPR/Cas-систему. Но сейчас исследователи Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали метод, с помощью которого возможно одновременно модифицировать 25 генов в клетке.

Для новейшей методики специалисты использовали фермент Cas12a, а не фермент Cas9, применяемый в большинстве методов CRISPR/Cas.

Литература

1. Учёные произвели революцию в редактировании генома. (2019). «Наука»;
2. Редактирование генома с CRISPR/Cas9. (2016). «Постнаука»;
3. Уотсон Д. ДНК: История генетической революции. СПб: «Питер», 2019;
4. Стент Г. и Калиндар Р. Молекулярная генетика. М.: «Мир», 1982;
5. Элементы: «Молекулярное клонирование, или Как поместить в клетку чужеродный генетический материал»;
6. Инсулин — это первый белок, для которого была установлена аминокислотная последовательность. «Научная библиотека»;
7. Электрофорез ДНК. Howling Pixel;
8. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
9. Великий рекомбинатор;
10. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
11. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
12. Биотехнология. Генная инженерия;
13. Кудрявцев Н. (2018). Генетики впервые в истории успешно клонировали обезьян. «Популярная механика»;
14. Николенко С. (2012). Геномика: постановка задачи и методы секвенирования. «Постнаука».

Molekulyar bologiya

“Molecular Biology” covers a wide scope of problems related to molecular, cell and computational biology including genomics, proteomics, bioinformatics, molecular virology and immunology, molecular development biology, and molecular evolution. Molecular Biology publishes reviews, mini-reviews, experimental and theoretical works, short communications. Annualy, the journal publishes special issues devoted to most rapidly developing branches of physical-chemical biology and to the most outstanding scientists on the occasion of their anniversary birthdays. The authors of the journal are from Russia and other countries of the World.
“Molecular Biology” is indexed/abstracted in Science Citation Index Expanded (SciSearch), Journal Citation Reports/Science Edition, SCOPUS, Chemical Abstracts Service (CAS), Google Scholar, EBSCO Discovery Service, CSA, CAB International, Academic OneFile, Academic Search, AGRICOLA, Biological Abstracts, Biological and Agricultural Index, BIOSIS, CAB Abstracts, CSA Environmental Sciences, EMBiology, Expanded Academic, Global Health, Health Reference Center Academic, Highbeam, INIS Atomindex, OCLC, OmniFile, Science Select, SCImago, Summon by ProQuest, Zoological Record, Microbiology Abstracts Section B: Health & Safety Science Abstracts, Virology and AIDS Abstracts.

LAST&nbsp&nbspISSUE: Vol 57 (2023) N. 1

1-6 M.I. Airapetov, S.O. Eresko, P.D. Ignatova, A.A. Lebedev, E.R. Bychkov, P.D. Shabanov “Interleukin-11 in Pathologies of the Nervous System “

7-18 J.V. Nikolenko, S.G. Georgieva, D.V. Kopytova “Diversity of MLE Helicase Functions in the Regulation of Gene Expression in Higher Eukaryotes “

19-38 N.P. Babushkina, A.N. Kucher “Regulatory Potential of SNP Markers in Genes of DNA Repair Systems “

Genomics and Transcriptomics

39-46 V.V. Tiguntsev, V.I. Gerasimova, E.G. Kornetova, O.Yu. Fedorenko, A.N. Kornetov, A.A. Goncharova, E.G. Poltavskaya, A.S. Boyko “Association of the Level of Serum Prolactin with Polymorphic Variants of the GRIN2A, GPM3, and GPM7 Genes in Patients with Schizophrenia Taking Conventional and Atypical Antipsychotics “

47-60 L.V. Puzakova, M.V. Puzakov “Structure and Evolution of the AqE Gene in Insects “

61-73 A.M. Danishevich, N.I. Pospehova, A.M. Stroganova, D.A. Golovina, M.P. Nikulin, A.E. Kalinin, S.E. Nikolaev, I.S. Stilidi, L.N. Lyubchenko “Landscape of KRAS, BRAF, and PIK3CA Mutations and Clinical Features of EBV-Associated and Microsatellite Unstable Gastric Cancer “

74-82 E.A. Lysikova, E.V. Kuzubova, A.I. Radchenko, E.A. Patrakhanov, K.D. Chaprov, M.V. Korokin, A.V. Deykin, O.S. Gudyrev, M.V. Pokrovskii “APPswe/PS1dE9/Blg Transgenic Mouse Line for Modeling Cerebral Amyloid Angiopathy Associated with Alzheimer’s Disease “

83-94 C.M. Zhao, H. Hou, M.G. Xing, R.-G. Xue “Identification of Stigma Specific Expression Fragment in the Promoter of a Soybean Chitinase Class I Gene “

95-100 M.A. Moldovan, S.A. Gaydukova “Unusual Dependence between Gene Expression and Negative Selection in Euplotes “

Cell Molecular Biology

101-104 A.A. Kudryavtseva, V.A. Alekhin, M.D. Lebedeva, E. Cséfalvay, M. Weiserova, I.V. Manukhov “Anti-Restriction Activity of ArdB Protein against EcoAI Endonuclease “

105-112 H.B. Zeng, L.H. Zhang, D.P. Yuan, W. Wang, X.M. Su, W.X. Weng, R. Miao, J.Y. Xu, J. Long, Y.H. Song “Methylophiopogonanone a Inhibits LPS/ATP-Induced Macrophage Pyroptosis via ROS/NLRP3 Pathway “

113-126 S E. Romanov, V.V. Shloma, D.E. Koryakov, S.N. Belyakin, P.P. Laktionov “Insulator Protein CP190 Regulates Expression of Spermatocyte Differentiation Genes in Drosophila melanogaster Male Germline “

Structural-Functional Analysis of Biopolymers and Their Complexes

127-135 H. Li, Y. Ju, W.W. Liu, Y.Y. Ma, H. Ye, N. Li “Phase Separation of Purified Human LSM4 Protein “

136-145 Yu.V. Milchevskiy, V.Yu. Milchevskaya, Yu.V. Kravatsky “Method to Generate Complex Predictive Features for Machine Learning-Based Prediction of the Local Structure and Functions of Proteins “

146-154 A.S. Zakluta, V.Y. Shilova, O.G. Zatsepina “The Effect of the Knockout of Major Transsulfuration Genes on the Pattern of Protein Synthesis in D. melanogaster “

Molecular biology

Molecular biology (pronounced /məˈlɛkjʊlər . / ) is the branch of biology that deals with the molecular basis of biological activity. This field overlaps with other areas of biology and chemistry, particularly genetics and biochemistry. Molecular biology chiefly concerns itself with understanding the interactions between the various systems of a cell, including the interactions between the different types of DNA, RNA and protein biosynthesis as well as learning how these interactions are regulated.

Writing in Nature in 1961, William Astbury described molecular biology as

not so much a technique as an approach, an approach from the viewpoint of the so-called basic sciences with the leading idea of searching below the large-scale manifestations of classical biology for the corresponding molecular plan. It is concerned particularly with the forms of biological molecules and [. ] is predominantly three-dimensional and structural—which does not mean, however, that it is merely a refinement of morphology. It must at the same time inquire into genesis and function. [ 1 ]

Contents

• 1 Relationship to other biological sciences
• 2 Techniques of molecular biology
  • 2.1 Expression cloning
  • 2.2 Polymerase chain reaction (PCR)
  • 2.3 Gel electrophoresis
  • 2.4 Macromolecule blotting and probing
    • 2.4.1 Southern blotting
    • 2.4.2 Northern blotting
    • 2.4.3 Western blotting
    • 2.4.4 Eastern blotting

    Relationship to other biological sciences

    Schematic relationship between biochemistry, genetics, and molecular biology

    Researchers in molecular biology use specific techniques native to molecular biology (see Techniques section later in article), but increasingly combine these with techniques and ideas from genetics and biochemistry. There is not a defined line between these disciplines. The figure above is a schematic that depicts one possible view of the relationship between the fields:

    • Biochemistry is the study of the chemical substances and vital processes occurring in living organisms. Biochemists focus heavily on the role, function, and structure of biomolecules. The study of the chemistry behind biological processes and the synthesis of biologically active molecules are examples of biochemistry.
    • Genetics is the study of the effect of genetic differences on organisms. Often this can be inferred by the absence of a normal component (e.g. one gene). The study of “mutants” – organisms which lack one or more functional components with respect to the so-called “wild type” or normal phenotype. Genetic interactions (epistasis) can often confound simple interpretations of such “knock-out” studies.
    • Molecular biology is the study of molecular underpinnings of the processes of replication, transcription, translation, and cell function. The central dogma of molecular biology where genetic material is transcribed into RNA and then translated into protein, despite being an oversimplified picture of molecular biology, still provides a good starting point for understanding the field. This picture, however, is undergoing revision in light of emerging novel roles for RNA.

    Much of the work in molecular biology is quantitative, and recently much work has been done at the interface of molecular biology and computer science in bioinformatics and computational biology. As of the early 2000s, the study of gene structure and function, molecular genetics, has been among the most prominent sub-field of molecular biology.

    Increasingly many other loops of biology focus on molecules, either directly studying their interactions in their own right such as in cell biology and developmental biology, or indirectly, where the techniques of molecular biology are used to infer historical attributes of populations or species, as in fields in evolutionary biology such as population genetics and phylogenetics. There is also a long tradition of studying biomolecules “from the ground up” in biophysics.

    Techniques of molecular biology

    Since the late 1950s and early 1960s, molecular biologists have learned to characterize, isolate, and manipulate the molecular components of cells and organisms. These components include DNA, the repository of genetic information; RNA, a close relative of DNA whose functions range from serving as a temporary working copy of DNA to actual structural and enzymatic functions as well as a functional and structural part of the translational apparatus; and proteins, the major structural and enzymatic type of molecule in cells.

    For more extensive list on protein methods, see protein methods. For more extensive list on nucleic acid methods, see nucleic acid methods.

    Expression cloning

    Main article: Expression cloning

    One of the most basic techniques of molecular biology to study protein function is expression cloning. In this technique, DNA coding for a protein of interest is cloned (using PCR and/or restriction enzymes) into a plasmid (known as an expression vector). A vector has 3 distinctive features: an origin of replication, a multiple cloning site (MCS), and a selective marker (usually antibiotic resistance). The origin of replication will have promoter regions upstream the replication/transcription start site.

    This plasmid can be inserted into either bacterial or animal cells. Introducing DNA into bacterial cells can be done by transformation (via uptake of naked DNA), conjugation (via cell-cell contact) or by transduction (via viral vector). Introducing DNA into eukaryotic cells, such as animal cells, by physical or chemical means is called transfection. Several different transfection techniques are available, such as calcium phosphate transfection, electroporation, microinjection and liposome transfection. DNA can also be introduced into eukaryotic cells using viruses or bacteria as carriers, the latter is sometimes called bactofection and in particular uses Agrobacterium tumefaciens. The plasmid may be integrated into the genome, resulting in a stable transfection, or may remain independent of the genome, called transient transfection.

    In either case, DNA coding for a protein of interest is now inside a cell, and the protein can now be expressed. A variety of systems, such as inducible promoters and specific cell-signaling factors, are available to help express the protein of interest at high levels. Large quantities of a protein can then be extracted from the bacterial or eukaryotic cell. The protein can be tested for enzymatic activity under a variety of situations, the protein may be crystallized so its tertiary structure can be studied, or, in the pharmaceutical industry, the activity of new drugs against the protein can be studied.

    Polymerase chain reaction (PCR)

    Main article: Polymerase chain reaction

    The polymerase chain reaction is an extremely versatile technique for copying DNA. In brief, PCR allows a single DNA sequence to be copied (millions of times), or altered in predetermined ways. For example, PCR can be used to introduce restriction enzyme sites, or to mutate (change) particular bases of DNA, the latter is a method referred to as “Quick change”. PCR can also be used to determine whether a particular DNA fragment is found in a cDNA library. PCR has many variations, like reverse transcription PCR (RT-PCR) for amplification of RNA, and, more recently, real-time PCR (QPCR) which allow for quantitative measurement of DNA or RNA molecules.

    Gel electrophoresis

    Main article: Gel electrophoresis

    Gel electrophoresis is one of the principal tools of molecular biology. The basic principle is that DNA, RNA, and proteins can all be separated by means of an electric field. In agarose gel electrophoresis, DNA and RNA can be separated on the basis of size by running the DNA through an agarose gel. Proteins can be separated on the basis of size by using an SDS-PAGE gel, or on the basis of size and their electric charge by using what is known as a 2D gel electrophoresis.

    Macromolecule blotting and probing

    The terms northern, western and eastern blotting are derived from what initially was a molecular biology joke that played on the term Southern blotting, after the technique described by Edwin Southern for the hybridisation of blotted DNA. Patricia Thomas, developer of the RNA blot which then became known as the northern blot actually didn’t use the term. [ 2 ] Further combinations of these techniques produced such terms as southwesterns (protein-DNA hybridizations), northwesterns (to detect protein-RNA interactions) and farwesterns (protein-protein interactions), all of which are presently found in the literature.

    Southern blotting

    Main article: Southern blot

    Named after its inventor, biologist Edwin Southern, the Southern blot is a method for probing for the presence of a specific DNA sequence within a DNA sample. DNA samples before or after restriction enzyme digestion are separated by gel electrophoresis and then transferred to a membrane by blotting via capillary action. The membrane is then exposed to a labeled DNA probe that has a complement base sequence to the sequence on the DNA of interest. Most original protocols used radioactive labels, however non-radioactive alternatives are now available. Southern blotting is less commonly used in laboratory science due to the capacity of other techniques, such as PCR, to detect specific DNA sequences from DNA samples. These blots are still used for some applications, however, such as measuring transgene copy number in transgenic mice, or in the engineering of gene knockout embryonic stem cell lines.

    Northern blotting

    Main article: northern blot

    The northern blot is used to study the expression patterns of a specific type of RNA molecule as relative comparison among a set of different samples of RNA. It is essentially a combination of denaturing RNA gel electrophoresis, and a blot. In this process RNA is separated based on size and is then transferred to a membrane that is then probed with a labeled complement of a sequence of interest. The results may be visualized through a variety of ways depending on the label used; however, most result in the revelation of bands representing the sizes of the RNA detected in sample. The intensity of these bands is related to the amount of the target RNA in the samples analyzed. The procedure is commonly used to study when and how much gene expression is occurring by measuring how much of that RNA is present in different samples. It is one of the most basic tools for determining at what time, and under what conditions, certain genes are expressed in living tissues.

    Western blotting

    Main article: western blot

    Antibodies to most proteins can be created by injecting small amounts of the protein into an animal such as a mouse, rabbit, sheep, or donkey (polyclonal antibodies) or produced in cell culture (monoclonal antibodies). These antibodies can be used for a variety of analytical and preparative techniques.

    In western blotting, proteins are first separated by size, in a thin gel sandwiched between two glass plates in a technique known as SDS-PAGE (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis). The proteins in the gel are then transferred to a PVDF, nitrocellulose, nylon or other support membrane. This membrane can then be probed with solutions of antibodies. Antibodies that specifically bind to the protein of interest can then be visualized by a variety of techniques, including colored products, chemiluminescence, or autoradiography. Often, the antibodies are labeled with enzymes. When a chemiluminescent substrate is exposed to the enzyme it allows detection. Using western blotting techniques allows not only detection but also quantitative analysis.

    Analogous methods to western blotting can be used to directly stain specific proteins in live cells or tissue sections. However, these immunostaining methods, such as FISH, are used more often in cell biology research.

    Eastern blotting

    Main article: Eastern blotting

    Eastern blotting technique is to detect post-translational modification of proteins. [ 3 ] Proteins blotted on to the PVDF or nitrocellulose membrane are probed for modifications using specific substrates.

    Arrays

    Main article: DNA microarray

    A DNA array is a collection of spots attached to a solid support such as a microscope slide where each spot contains one or more single-stranded DNA oligonucleotide fragment. Arrays make it possible to put down a large quantities of very small (100 micrometre diameter) spots on a single slide. Each spot has a DNA fragment molecule that is complementary to a single DNA sequence (similar to Southern blotting). A variation of this technique allows the gene expression of an organism at a particular stage in development to be qualified (expression profiling). In this technique the RNA in a tissue is isolated and converted to labeled cDNA. This cDNA is then hybridized to the fragments on the array and visualization of the hybridization can be done. Since multiple arrays can be made with exactly the same position of fragments they are particularly useful for comparing the gene expression of two different tissues, such as a healthy and cancerous tissue. Also, one can measure what genes are expressed and how that expression changes with time or with other factors. For instance, the common baker’s yeast, Saccharomyces cerevisiae, contains about 7000 genes; with a microarray, one can measure qualitatively how each gene is expressed, and how that expression changes, for example, with a change in temperature. There are many different ways to fabricate microarrays; the most common are silicon chips, microscope slides with spots of ~ 100 micrometre diameter, custom arrays, and arrays with larger spots on porous membranes (macroarrays). There can be anywhere from 100 spots to more than 10,000 on a given array.

    Arrays can also be made with molecules other than DNA. For example, an antibody array can be used to determine what proteins or bacteria are present in a blood sample.

    Allele Specific Oligonucleotide

    Allele specific oligonucleotide (ASO) is a technique that allows detection of single base mutations without the need for PCR or gel electrophoresis. Short (20-25 nucleotides in length), labeled probes are exposed to the non-fragmented target DNA. Hybridization occurs with high specificity due to the short length of the probes and even a single base change will hinder hybridization. The target DNA is then washed and the labeled probes that didn’t hybridize are removed. The target DNA is then analyzed for the presence of the probe via radioactivity or fluorescence. In this experiment, as in most molecular biology techniques, a control must be used to ensure successful experimentation. The Illumina Methylation Assay is an example of a method that takes advantage of the ASO technique to measure one base pair differences in sequence.

    Antiquated technologies

    In molecular biology, procedures and technologies are continually being developed and older technologies abandoned. For example, before the advent of DNA gel electrophoresis (agarose or polyacrylamide), the size of DNA molecules was typically determined by rate sedimentation in sucrose gradients, a slow and labor-intensive technique requiring expensive instrumentation; prior to sucrose gradients, viscometry was used.

    Aside from their historical interest, it is often worth knowing about older technology, as it is occasionally useful to solve another new problem for which the newer technique is inappropriate.

    History

    Main article: History of molecular biology

    While molecular biology was established in the 1930s, the term was first coined by Warren Weaver in 1938. Warren was the director of Natural Sciences for the Rockefeller Foundation at the time and believed that biology was about to undergo a period of significant change given recent advances in fields such as X-ray crystallography. He therefore channeled significant amounts of (Rockefeller Institute) money into biological fields.

    Clinical significance

    Clinical research and medical therapies arising from molecular biology are partly covered under gene therapy [ citation needed ]

    The use of molecular biology or molecular cell biology approaches in medicine is now called Molecular Medicine.

    See also

    • Genome
    • Proteome
    • Molecular microbiology
    • Molecular modeling
    • Protein structure prediction
    • Protein interaction prediction
    • Central Dogma of Molecular Biology

    References

    1. ^ Astbury, W.T. (1961). “Molecular Biology or Ultrastructural Biology?” (PDF). Nature190 (4781): 1124. doi:10.1038/1901124a0. PMID 13684868 . http://www.nature.com/nature/journal/v190/n4781/pdf/1901124a0.pdf . Retrieved 2008-08-04 .
    2. ^ Thomas, P.S. (1980). “Hybridization of denatured RNA and small DNA fragments transferred to nitrocellulose”. PNAS77 (9): 5201–5. doi:10.1073/pnas.77.9.5201. ISSN1091-6490. PMC350025. PMID 6159641 . http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=350025 .
    3. ^ Thomas S, Thirumalapura N, Crossley EC, Ismail N, and Walker DH (2009). Antigenic protein modifications in Ehrlichia. Parasite Immunology 31, 296-303. [1]
    • Cohen, S.N., Chang, A.C.Y., Boyer, H. & Heling, R.B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. 70, 3240 – 3244 (1973).
    • Rodgers, M. The Pandora’s box congress. Rolling Stone189, 37 – 77 (1975).

    Further reading

    • Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell
    • 4th Edition, Routledge, March, 2002, hardcover, 1616 pages, 7.6 pounds, ISBN 0-8153-3218-1
    • 3rd Edition, Garland, 1994, ISBN 0-8153-1620-8
    • 2nd Edition, Garland, 1989, ISBN 0-8240-3695-6

    External links

    (Transcription factors, RNA Polymerase,promoter) Prokaryotic / Archaeal / Eukaryotic

    post-translational modification (functional groups, peptides, structural changes)

    Related posts:

    1. 7ci sinif azerbaycan tarixi pdf
    2. Ar xrit atlası
    3. Beynlxalq daşımalar
    4. Proqramlaşdırma dillri