Сучасний стан генетичних досліджень

Сучасна генетика характеризується все ширшим її проникненням в усі напрями біологічної науки, охорони довкілля, медицини тощо. Це зумовлено бурхливим розвитком молекулярних методів дослідження спадковості та мінливості, структурно-функціональної організації генетичного матеріалу, міжгенної взаємодії та ін. Виникли такі нові напрями, як геноміка та функціональна геноміка, протеоміка, біоінформатика, молекулярні, генні та клітинні технології тощо. У сучасній біології, в усьому діапазоні її галузей, не залишилося жодної, в якій би не знайшли свого застосування ДНК-технології. ДНК-технології охоплюють методи клонування ДНК, ідентифікації генів, секвенування і синтез олігонуклеотидів, спрямованого мутагенезу ДНК, оптимізації експресії синтезованих молекул ДНК, технологію рекомбінантної ДНК і способи введення рекомбінантної ДНК у живі клітини. Сутність геномної ДНК-технології полягає у цілеспрямованій перебудові геному організмів аж до створення нових видів. Практичне застосування рекомбінантних ДНК із різноманітних джерел складає основу рекомбінантної ДНК-технології. Теоретично всі структурні гени організмів (рослин, тварин, грибів, мікроорганізмів, людини) є доступними експериментальному аналізу. Тому за допомогою ДНК-технологій відкриваються перспективи виробництва різноманітних речовин, необхідних для господарчого виробництва і людини.

Наразі ДНК-технології широко застосовують для розробки способів управління потоком генетичної інформації (селекція за допомогою молекулярно-генетичних маркерів – MAS, з цією метою здійснюється картування, маркування основних генів кількісних ознак – QTL; збереження біорізноманіття на основі використання молекулярно-генетичних маркерів; розробка генетично обґрунтованих програм збереження, розведення (розмноження) і підбору батьківських форм тварин і рослин з урахуванням даних екологічної у генетики), для створення нових форм організмів, особливо тварин і рослин, з метою отримання “біореакторів” (продуцентів терапевтично важливих для людини речовин, зокрема білків), вивчення генетичних механізмів розвитку і попередження різноманітних захворювань (онкопатологій, стійкості до канцерогенозу, різноманітних моно і полігенних генетичних захворювань, підвищення ефективності ксеногенної трансплантації органів, генної і клітинної терапії за допомогою використання трансгенних соматичних і стовбурових клітин), а також для фундаментальних досліджень, особливо міжгенної взаємодії (створення генних конструкцій із включенням структурно-функціональних елементів і аналіз впливу їхніх регуляторних ефектів на експресію різноманітних генів), тощо.

Останнім часом різко зріс інтерес до такого порівняно нового напряму, як епігенетика – розділу науки про спадковість, що вивчає формування і спадкову передачу специфічного функціонального стану геному. Епігенетика, на відміну від класичної генетики (менделізму), вивчає спадковість не у статиці (кількість одиниць спадковості, їхня локалізація у хромосомах, аналіз рекомбінаційних подій, нуклеотидних послідовностей у молекулах ДНК і РНК тощо), а у їхній динаміці (зміни і новоутворення, що відбуваються у самих одиницях спадковості протягом індивідуального розвитку особин). Оскільки такі, набуті протягом онтогенезу, ознаки можуть передаватись у спадок (на прикладі деяких рослин це вже науково доведений факт), а це вступає у певне протиріччя із постулатами синтетичної теорії еволюції, вивчення епігенетичної мінливості сучасними методами має важливе як загальнобіологічне та світоглядне, так і практичне значення, зокрема у селекції. Все більше даних свідчить про те, що і канцерогенез може бути наслідком епігеномних змін соматичних клітин.

Практично всі ці напрями тією чи іншою мірою розвиваються і в Україні, перш за все у системі закладів Національної академії наук. У біологічних відділеннях НАН України такі дослідження розвивались протягом 2000–2005 рр. у рамках цільових програм фундаментальних досліджень “Фізіолого-біохімічні та молекулярно-генетичні основи функціонування живих систем і розробка принципів керування ними” і “Генетична і клітинна інженерія як основа нової “Зеленої революції” в рослинництві”, а з 2006 року – у рамках програм “Фундаментальні основи геноміки та протеоміки” і “Збереження біорізноманіття та його відтворення на основі біомаркерів, геноміки та біотехнологій”. Започатковано вивчення фундаментальних засад генної терапії та з’ясування молекулярних, генетичних і клітинних особливостей онкогенезу з метою створення методів ранньої діагностики та нової стратегії терапії злоякісного процесу.

З метою подальшої стимуляції досліджень у цих напрямах Президія НАН України заснувала у 2003 р. премію імені С.М. Гершензона за наукові роботи в галузі молекулярної біології та молекулярної генетики, яка присуджується раз у два роки. (Першим лауреатом премії імені С.М. Гершензона стала у 2005 р. член-кореспондент А.В. Риндич за цикл робіт “Структура і експресія еукаріоттичних і вірусних генів”. У 2007 р. цю премію присуджено також співробітникам ІМБіГ – Л.А. Лівшиць та Л.Л. Лукаш за цикл праць “Мутаційний процес у популяціях клітин ссавців і природа генних мутацій, що спричиняють тяжкі спадкові захворювання людини”).

В Інституті фізіології рослин і генетики (ІФРГ) (директор академік В.В. Моргун) проводять дослідження із проблем гетерозису, генетичних основ мутаційної селекції, біотехнології, теоретичних основ селекції, створення нових сортів і гібридів сільськогосподарських культур. Науковцями інституту досягнуто значних успіхів у вивченні механізмів генетичних процесів із метою встановлення принципів управління спадковою мінливістю; з’ясуванні молекулярно-біологічних закономірностей росту, розвитку і стійкості рослинних систем, створенні на цій основі нових технологій та біотехнологій.

У відділі експериментального мутагенезу (завідувач В.В. Моргун) ведуть роботи з генетичного поліпшення за допомогою мутагенних чинників таких культур, як пшениця і кукурудза. Встановлено особливості мутагенної активності низки чинників хімічної та фізичної природи, розроблено технології отримання індукованих мутацій в культурі клітин і тканин, створено унікальні форми рослин, розроблено методи практичного використання індукованих мутацій, розвиваються наукові основи ведення насінництва. Значний внесок зроблено в розвиток теорії та методів створення нового типу напівкарликових сортів озимої пшениці, які поклали початок “зеленій революції” в Україні. Обґрунтовано генетичні основи та методи селекції напівкарликових пшениць, які забезпечили зростання генетичного потенціалу цих рослин на 25–30 %. Цикл робіт “Генетичні основи, методи створення нових напівкарликових сортів озимої м’якої пшениці та їх впровадження у виробництво” удостоєно Державної премії України в галузі науки і техніки за 1997 рік (В.В. Моргун, В.Ф. Логвиненко).

В результаті успішної транс локації хромосом жита у геном пшениці в ІФРГ створено нове покоління сортів озимої пшениці, які забезпечили отримання високих урожаїв в Україні: сорти Смуглянка, Золотокоса та Фаворитка сформували у 2006–2007 рр. рекордний врожай зерна (115–124 ц/га). Нові сорти вдало поєднують високий генетичний потенціал продуктивності з хорошою якістю зерна та стійкістю до умов довкілля (В.В. Моргун, А.П. Артемчук).

Розробляють генетичні основи селекції кукурудзи на ранньостиглість та конкретні методи підвищення ефективності селекційної роботи, створено цінні лінії та гібриди кукурудзи. Створені ранньостиглі гібриди кукурудзи сприяли значному підвищенню валових зборів зерна в Україні та країнах СНД. Генетичний потенціал нових гібридів кукурудзи Богун, Метеор, Аметист сягає 140–160 ц/га зерна і понад 1000 ц/га листостеблевої маси. Вперше здійснено безвекторне перенесення низки генів від донора до реципієнта за типом генетичної трансформації та отримано перші в Україні трансгенні рослини кукурудзи (В.В. Моргун, К.А. Ларченко).

В ІФРГ створено 86 сортів та гібридів озимої пшениці, тритікале, жита, кукурудзи та інших культур, 64 із яких занесено до Державного реєстру сортів України уже за період незалежності держави, багато з них висіваються на полях України та країн СНД. Площа їхнього посіву в різні роки становила від 1 до 5,5 млн. га.

Співпраця академіка В.В. Моргуна з науковцями багатьох країн світу, експедиції зі збору генофонду і міжнародний авторитет відкрили реальні можливості для широкої інтродукції в Україну цінної світової генетичної плазми. Сформовану у відділі експериментального мутагенезу колекцію зразків пшениці і кукурудзи визнано науковим Національним надбанням України.

Основним напрямом роботи відділу генетичної інженерії ІФРГ (завідувач д.б.н. О.М. Тищенко) є розробка методів генетичної трансформації сільськогосподарських рослин. Запропоновано нові способи індукції регенерації шляхом прямого морфогенезу, які є перспективними для розробки системи методів генетичної трансформації селекційно-цінних генотипів кукурудзи та соняшнику вітчизняної селекції. Отримано рослини-регенеранти соняшнику з транзієнтною експресією гетерологічних генів. Вивчають молекулярно-генетичні особливості морфогенезу культурних рослин іn vіvo та іn vіtro, основну увагу приділено епігенетичним аспектам регуляції росту та диференціації клітин на різних етапах розвитку рослин, у тому числі з’ясуванню молекулярних механізмів фізіологічного старіння рослин (О.М. Тищенко, С.І. Михальська).

У відділі проводять також дослідження із розробки прийомів клітинної селекції на стійкість до комплексу стресових чинників довкілля (засолення, водного дефіциту, іонів важких металів). Експериментально підтверджено перспективність використання летальних доз іонів важких металів для гарантованого добору клітинних ліній тютюну і сої з комплексною стійкістю до посухи та засолення (Л.Є. Сергєєва).

У відділі генетичних основ гетерозису ІФРГ (завідувач д.б.н., професор Т.В. Чугункова) проводять комплексне вивчення селекційного матеріалу цукрових і кормових буряків. Виявлено нові морфологічні мутації цих рослин, на основі яких розроблено та запропоновано способи контролю гібридності рослин, створення міжлінійних гібридів та закріплювачів стерильності цукрових буряків, які спрощують та скорочують тривалість селекційного процесу (О.В. Дубровна, І.І. Лялько).

Важливим напрямом роботи відділу є розробка ефективних біотехнологій, спрямованих на створення рослин, стійких до хвороб та стресових чинників. Уперше в Україні одержано рослини-регенеранти буряків, стійкі як до окремих абіотичних і біотичних стресових чинників довкілля, так і до їхнього комплексу (токсину збудника бактеріозу, низьких та високих температур, хлоридного та сульфатного типів засолення). Встановлено цитогенетичні закономірності структурно-функціональної мінливості геному культивованих клітин буряків при дії стресових чинників, що поглиблює і уточнює знання про механізми геномної мінливості та сприяє розробці генетичних основ клітинної селекції рослин (О.В. Дубровна).

Одним з провідних наукових закладів у розвитку перелічених та інших пріоритетних наукових напрямів генетики залишається Інститут молекулярної біології і генетики НАН України (ІМБіГ) (директор академік Г.В. Єльська).

У відділі генетики клітинних популяцій ІМБіГ (завідувач член-кореспондент В.А. Кунах) на основі методу пульс-електрофорезу розроблено підхід, що дозволяє аналізувати ДНК на рівні петлевих доменів хроматину, які формуються завдяки специфічній взаємодії ДНК і білків ядерного матриксу.

При старінні, наприклад, насіння жита разом із втратою схожості відбувається зниження активності ДНК-топоізомерази ІІ. Остання відіграє важливу роль у процесах синтезу ДНК та РНК, репарації, необхідна для нормального розходження дочірніх хромосом. Втрата активності цього ферменту в старому насінні може спричинювати значні зміни в структурно-функціональній організації хроматину (В.А. Кунах, В.Т. Солов’ян, І.О. Андрєєв). Охарактеризовано послідовності ДНК у термінальних ділянках хромосом жита і прокартовано ці послідовності за допомогою флуоресцентної гібридизації іn sіtu (О.Г. Алхімова). Отримані результати поглиблюють знання щодо ролі структурної організації ДНК у функціонуванні геному і мають важливе значення для розуміння, зокрема, процесів та механізмів старіння.

Продовжується вивчення причин, механізмів та шляхів регуляції структурно-функціональної мінливості геному в клітинних популяціях іn vіtro та іn vіvo і розробка на цій основі генетичних основ клітинної біотехнології. Показано, що культура клітин і тканин є зручною моделлю для дослідження мінливості рослинного геному в нормі та в процесі адаптації до нових, зокрема стресових, умов існування. Доведено, що перебудови геному (мінливість числа та морфології хромосом, зміни послідовностей ДНК), які відбуваються в клітинних популяціях у процесі їхньої адаптації до умов росту іn vіtro, корелюють із міжвидовими відмінностями, що виникли у рослин під час видоутворення.

Висловлено припущення, що в рослинній клітині існують механізми, які забезпечують мінливість її геному в стресових умовах і активуються іn vіtro, а культивовані клітини можуть бути основою для реалізації всього спектра генетичних варіантів, які існують серед споріднених видів (В.А. Кунах, І.О. Андрєєв, К.В. Спірідонова, В.М. Мельник та ін.).

Переглядається усталене уявлення про високий рівень так званої сомаклональної мінливості рослин – мінливості, що спонтанно виникає у культурі ізольованих клітин і тканин. Встановлено, що рівень і розмах молекулярно-генетичної мінливості, на відміну від хромосомної, навіть при багаторічному вирощуванні клітин іn vіtro, може бути значно нижчим порівняно з внутрішньовидовим. Вирощування сформованих клітинних штамів-продуцентів біологічно активних речовин як у стандартних для них умовах протягом щонайменше 15 років, так і при зміні умов культивування при переході до великомасштабного вирощування не супроводжується помітними змінами геному на молекулярному рівні (В.А. Кунах, І.О. Андрєєв, К.В. Спірідонова та ін.).

Поглибились дослідження організації і експресії генів вищих організмів. Зокрема, у відділі біосинтезу нуклеїнових кислот ІМБіГ, очолюваному членом-кореспондентом В.М. Кавсаном, проводяться роботи з виділення та вивчення еволюції і регуляції експресії генів інсулінової родини. Клоновано гени інсуліну, інсуліноподібного фактора росту І і ІІ лосося та визначено повні нуклеотидні послідовності цих генів і їхніх регуляторних ділянок, що стали першими розшифрованими нуклеотидними послідовностями для генів риб. Порівняльний аналіз дозволив зробити фундаментальні висновки стосовно еволюції даних генів.

Сучасні дослідження у цьому відділі спрямовані на визначення і характеристику потенційних молекулярних маркерів пухлин головного мозку людини та взаємодії цих маркерів з основними сигнальними шляхами в клітині (В.М. Кавсан, В.В. Дмитренко, К.О.Шостак). Це необхідно не лише для розуміння процесу канцерогенезу, але також для виявлення механізмів функціонування нормального головного мозку. За допомогою методів так званої “експресійної генетики” виявлено близько 100 генів, які змінюють свою експресію більше ніж у 5 разів. Деякі з них є надекспресованими (потенційні онкогени), інші – зі зниженою експресією (потенційні пухлинно-супресорні гени). Більшість цих генів належить лише до кількох різних груп: гени, які пов’язані з ангіогенезом, імунною системою, ЕСМ-білками, білками стійкості до ліків, каскадів протеїнкіназ. Встановлено факт зниження експресії всіх мітохондріальних генів у гліобластомі людини, найзлоякіснішій гліальній пухлині, порівняно з нормальним головним мозком. Це може бути спричинено зниженням транскрипційної активності мітохондріального геному або наслідком підвищення інтенсивності мутацій ДНК (В.В. Дмитренко).

Подальша характеристика генів із зміненою в пухлинних клітинах експресією надасть важливу інформацію для глибшого розуміння виникнення і прогресії злоякісних пухлин. Це має важливе значення для вдосконалення діагностики, виявлення біологічних мішеней при розробці хіміотерапевтичних препаратів. Прогностичні маркери були б дуже корисні і необхідні при ідентифікації пацієнтів, яким допомагають специфічні курси лікування.

Основою для розвитку фундаментальних досліджень в онкогенетиці та молекулярній ретровірусології стали також роботи із застосуванням зворотної транскрипції для вивчення структури і функціонування генів. Ці дослідження проводять у відділі функціональної геноміки (до 2007 р. відділ молекулярної онкогенетики) під керівництвом члена-кореспондента А.В. Риндич. Було відкрито нові гостротрансформуючі ретровіруси та встановлено нові механізми їхнього утворення (Б.А. Яцула, А.А. Михайлик); вперше досліджено шляхи адаптації ретровірусів сарком до неспецифічних хазяїв (В.І. Кашуба); доведено зв’язок експресії онковірусів з їхньою локалізацією в компарментах геному хазяїна, що має принципове значення для розробки ефективних векторів для генної інженерії; встановлено існування двох класів ретровірусів за складом основ та доведено специфічність їхньої інтеграції у геном хазяїна (С.В. Зубак, Л.О. Циба, Л.Г. Борисенко).

У відділі сигнальних систем клітини (завідувач д.б.н., професор В.В. Філоненко) вивчають особливості функціонування сигнальних систем клітини.

У відділі молекулярної генетики (завідувач член-кореспондент С.С. Малюта) однією із моделей вивчення проблеми злоякісної трансформації у людини обрано хронічну мієлоїдну лейкемію (ХМЛ), пов’язану з так званою філадельфійською хромосомою. Метою при вивченні ХМЛ було з’ясування механізмів переходу хронічної форми патології до гострого лімфобластного лейкозу (ГЛЛ), а також пошук засобів їхньої профілактики і терапії. Розроблено методологію комплексної молекулярної діагностики цієї патології (С.С. Малюта, Г.Д. Телегеєв).

Під керівництвом члена-кореспондента В.А. Кордюма створено новий напрям – одержання за допомогою генної технології лікарських препаратів на основі принципів фагозалежного суперсинтезу. Один із продуктів розробленої технології – інтерферон α₂β уже широко виробляють і використовують у медицині, ще кілька препаратів перебуває на останніх стадіях випробувань.

Важливими є експериментальні і теоретичні дослідження структурно-динамічних і фізико-хімічних властивостей деяких фармацевтичних сполук, особливо вивчення цитотоксичної стійкості, пов’язаної з гіпермутабільністю геному, які проводять у відділі молекулярної і квантової біофізики (завідувач член-кореспондент Д.М. Говорун). Виявлено, що основою цієї гіпермінливості є багатолокусність і касетна організація генів, мутації яких забезпечують фенотип хемостійкості. Продовжується вивчення характеру мутацій генів та їхніх продуктів, які зумовлюють цей фенотип (Д.М. Говорун, О.Й. Черепенко).

У відділі білкової інженерії і біоінформатики (завідувач член-кореспондент О.І. Корнелюк) налагоджено генно-інженерні технології клонування та експресії еукаріотних білків та їхніх мутантів. На основі структурно-функціональних взаємозв’язків у молекулі білка формуються принципи модифікації його структури. Здійснено порівняльний аналіз будови генів цитоплазматичних тирозин-тРНК-синтетаз із 29 еукаріотних організмів, які належать до різних таксонів, передбачено їхню екзон-інтронну структуру та будову промоторів. При аналізі експресії генів використовуються методи мікроарейбіоінформатики (О.І. Корнелюк, М.О. Кордиш).

Ще у 1980-х роках Інститут молекулярної біології і генетики, завдячуючи високому рівню досліджень і досягнутим результатам, офіційно визнано провідним у СРСР із досліджень у галузі генної терапії. Нині у відділі регуляторних механізмів клітини (завідувач член-кореспондент В.А. Кордюм) продовжують дослідження можливості лікування масових патологій генними технологіями, проводяться до клінічні стадії випробовувань розроблених в інституті способів генної терапії атеросклерозу і цукрового діабету.

У відділі біохімічної генетики (завідувач д.б.н., професор О.П. Соломко) розробляють методи керованого введення чужорідної генетичної інформації до геному ссавців для одержання тварин із новими ознаками, аналізу структури та стабільності трансгеному. Отримано трансгенних мишей на основі плазміди із вставкою провірусної ДНК вірусу саркоми Рауса птахів. Показано, що введений трансгеном зазнає значних структурних змін аж до втрати провірусних послідовностей. Поряд з інтеграцією чужорідної ДНК виявлено екстрахромосомні кільцеві ДНК в органах трансгенних мишей, які частково зберегли послідовності введеної плазміди. Досліджують також вплив взаємодії різних генотипів на потенції розвитку химерних зародків мишей протягом до- і постімплантаційного періоду розвитку. З’ясування молекулярних механізмів взаємодії бластомерів, які перебувають на різних стадіях розвитку або відрізняються генетично, дозволить глибше зрозуміти процеси регуляції доімплантаційного розвитку, що відбуваються на міжклітинному рівні (О.П. Соломко, І.М. Вагіна, Л.М. Морозова).

Ще один важливий напрямок досліджень – це молекулярна біологія бакуловірусів (вірусів комах) та створення на їхній основі генно-інженерної експресійної системи. На основі вірусу ядерного поліедрозу прядки перстенівки (кільчастого шовкопряда) та культури клітин комах створено експресивну векторну систему, що забезпечує одержання препаративних кількостей біологічно активних еукаріот них та вірусних білків, які характеризуються післятрансляційним процесингом. Отримано біологічно активний рекомбінантний пролактин людини та низку інших рекомбінантних білків (Л.І. Строковська, О.П. Соломко, І.М. Кіхно).

У відділі генетики людини ІМБіГ (завідувач д.б.н. Л.Л. Лукаш) успішно продовжують розвиватися дослідження із вивчення біологічного мутагенезу, тобто мутаційних пошкоджень, спричинених вірусами, рекомбінантними ДНК, трансформуючими генами, білками, що викристовуються у царині генної терапії, генної інженерії, біотехнології. Сформульовано і експериментально обґрунтовано концепцію регуляторно-інформаційного впливу біологічних чинників на мутаційну мінливість клітинних популяцій ссавців (Л.Л. Лукаш, І.К. Карпова, О.В. Підпала та ін.).

Групою дослідників різних відділів ІМБіГ з’ясовано, що нативні та алкіловані рекомбінантні ДНК, а також модифіковані основи здатні впливати на мутагенез через репаративні системи клітин. Так, під впливом О6-бензилгуаніну, який інактивує специфічний репаративний фермент О6-алкілгуанін-ДНК-алкілтрансферазу, значно підвищується мутагенний ефект хімічного канцерогену нітрозогуанідину (Л.Л. Лукаш, В.В. Лило, В.Г. Манько). У дослідах на культурі клітин рослин показано, що нативні гомо- та гетеро логічні РНК, так само, як і продукти їхнього діалізу та гідролізу, мають високу мутагенну активність, підвищуючи рівень хромосомних аберацій і рівень плоїдності клітин. Разом із тим, алкіловані (модифіковані тіофосфамідом) як гомо-, так і гетерологічні РНК спричиняли зниження рівня хромосомних аберацій та нормалізацію числа хромосом у популяціях культивованих клітин рослин, які мали високий рівень спонтанної генетичної мінливості (В.А. Кунах, А.І. Потопальський).

Ведеться розробка антимутагенних, генопротекторних та антипухлинних препаратів природного походження на основі екстрактів із біомаси культивованих клітин деяких лікарських рослин. Розроблено і запатентовано кілька нових прокаріотних тест-систем для скринінгу препаратів на антимутагенну та протипухлинну активність (В.А. Кунах, Т.П. Перерва, А.С. Дворник, Г.Ю. Мірюта, Л.П. Можилевська).

В експериментах із використанням різних модельних систем показано можливість модуляції мутагенного ефекту хімічних речовин за допомогою регуляторів пептидної природи: інсуліну і альбуміну людини, багатьох лектинів рослин (Л.Л. Лукаш, І.С. Карпова, Н.В. Корецька), а у рослин – також фітогормонами (В.А. Кунах, І.В. Алексєєва, А.С. Шаламай, О.В.Захленюк та ін.).

Ці результати відкривають перспективу вивчення регуляції мутаційного процесу при введенні у клітини макромолекул визначеної структури і створення генетично безпечних молекулярних конструкцій, зокрема для генної терапії спадкових захворювань.

Починаючи із середини 1980-х років активно проводяться дослідження з молекулярно-генетичної природи патогенезу найрозповсюдженіших в Україні моногенних спадкових захворювань та захворювань із спадковою схильністю у людини. Вивчають природу та походження мутацій генів, які спричинюють ці захворювання, поширення цих мутацій в популяції населення України.

Під керівництвом д.б.н., професора Л.А. Лівшиць у відділі геноміки людини ІМБіГ розробляють і впроваджують у практику охорони здоров’я методи ДНК-діагностики (у тому числі пренатальної) та вторинної профілактики тяжких спадкових захворювань із ранньою дитячою смертністю і глибокою інвалідизацією, таких як муковісцидоз, фенілкетонурія, спінальна м’язова атрофія, дистрофія Дюшенна та Беккера, гемофілія А, хорея Гентингтона, синдром Мартина-Белла, гемохроматоз, дистрофія рогівки тощо, для з’ясування природи генетично обумовлених порушень репродуктивного здоров’я (Л.А. Лівшиць, В.І. Гришко, О.Ю.Екшиян, С.Г. Малярчук, С.А. Кравченко). Досліджуються мутації генів, які відповідають за сперматогенез та оогенез Г.Б. Лівшиць, О.А. Фесай). Зберігається понад 2000 зібраних зразків ДНК членів родин високого ризику найрозповсюдженіших спадкових захворювань. Створено базу даних результатів генетичних тестів та клінічної інформації. Проведено дослідження впливу іонізуючої радіації на рівень усадкованих мутацій у геномі дітей, які народилися після 1986 року в родинах ліквідаторів аварії на Чорнобильській АЕС.

Уже багато років вивчається генетична структура та біологічна історія населення з різних регіонів України. Створено колекцію ДНК донорів із різних регіонів України, Російської Федерації та Білорусі, яка нараховує близько 900 зразків. Для дослідження різноманіття геному людини, біологічної історії та еволюції різних популяцій здійснюється аналіз алельних поліморфізмів міні- та мікросателітних локусів. Розробляються та впроваджуються в практику судово-медичної експертизи нові методики і молекулярні маркери для проведення ДНК-аналізу в генотипоскопії для ідентифікації особистості і встановлення біологічного батьківства (Л.А. Лівшиць, С.А. Кравченко).

У відділі ензимології білкового синтезу (завідувач д.б.н., професор М.А. Тукало) проводять дослідження, спрямовані на визначення структурних основ декодування генетичної інформації, що відбувається при біосинтезі білка на дорибосомному рівні й основними дійовими структурами якого є тРНК і ферменти аміноацил-тРНК синтетази (АРСази), які приєднують до тРНК необхідну амінокислоту (М.А. Тукало, Г.Д. Яремчук, О.П. Коваленко, О.І. Гудзера).

У лабораторії білкового синтезу ІМБіГ (завідувач д.б.н., професор Б.С. Негруцький) досконально вивчають стадію елонгації білкового синтезу на рибосомах еукаріотів. Отримано результати, які свідчать про відмінності деяких стадій біосинтезу у вищих еукаріотів порівняно з прокаріотами, незважаючи на принципову однаковість процесу в цілому. Ці особливості можуть бути вирішальними для ефективності регуляції експресії еукаріотного геному на трансляційному рівні. Здійснюють також дослідження експресії тканиноспецифічних та генів клітинного циклу еукаріотів, які активно проліферують або ж знаходяться під впливом несприятливих умов – невеликі дози радіації, хімічне забруднення тощо (Г.В. Єльська, Б.С. Негруцький, А.П. Погрібна, В.Ф. Шалак, Т.А. Лукаш).

В Інституті клітинної біології та генетичної інженерії (директор академік Ю.Ю. Глеба) розвивається генетичний напрям, який останнім часом називають “трансмісійною генетикою”. Ця наука вивчає взаємодію геному організму з перенесеним генетичним матеріалом того самого або іншого організму. Перенесений генетичний матеріал може бути представленим або повним ядерним геномом, або його частиною, може бути хлоропластним чи мітохондріальним геномом. Такий процес відбувається при застосуванні соматичної гібридизації. Перенесення також може відбуватися на рівні окремих генів при генетичній трансформації. Розвиток “трансмісійної генетики” фактично порушив генетичні кордони між видами. Поряд із появою нових знань про функціонування та експресію перенесених геномів та генів розвиваються біотехнологічні методи, які дозволяють отримати організми з цінними ознаками та отримати нові рекомбінантні білки, вакцини тощо, що було неможливим у рамках застосування методів класичної генетики.

Особливу увагу приділено розробці ефективних методів генетичної трансформації та створенню трансгенних рослин сільськогосподарських культур сортів вітчизняної селекції (цукрового буряку, ріпаку, томатів, картоплі, гороху, квасолі тощо). Отримано стійкі до гербіцидів трансгенні рослини цукрового буряку, ріпаку, гороху, квасолі, а також перші модельні трансгенні клітинні лінії та рослини, які продукують рекомбінантні білки-вакцини проти туберкульозу. Розроблено альтернативні методи перенесення і експресії чужорідних генів у рослинах із використанням гетерологічної системи транспозонів та системи Cre/lox рекомбінації, а також новий метод хлоропластної трансформації з використанням рослини-посередника (clіpboard — підхід). Вперше показано експресію чужорідних безпромоторних генів із застосуванням системи TRB-lox у трансформованих рослинах. Вивчено можливість застосування соматичної гібридизації для перенесення трансформованих пластид, що дозволило переглянути погляди на ядерно-цитоплазматичні взаємодії. Здійснено пластом ну трансформацію деяких представників родин хрестоцвітих і пасльонових, а також аналіз експресії генів у реконструйованих клітинних системах і рослинах. Доведено, що за допомогою генетичних конструкцій, які містять послідовності нуклеотидів, гомологічні до пластому ріпаку, можливо отримувати транспластомні клітинні лінії та рослини Brassіca (Ю.Ю. Глеба, М.В. Кучук).

Під керівництвом академіка Я.Б. Блюма здійснено генетичну трансформацію однодольних (ячмінь, пальчате просо) та дводольних (соя) рослин мутантним геном α-тубуліну (білка цитоскелету рослин) гусячої трави (Eleusіne іndіca) природного походження, що визначає стійкість до динітроанілінів. Розроблено технологію використання касетних векторів із мутантним геном α-тубуліну гусячої трави для застосування як маркерного гена в селекції трансгенних рослин. Доведено пряме перенесення генів у протопласти деяких хрестоцвітих із подальшою регенерацією транс генних рослин, розроблено метод одночасного переносу кількох генів у процесі трансформації рослин (Я.Б. Блюм, А.І. Ємець).

Досліджено експресію ядерного геному соматичних гібридів, отриманих внаслідок злиття протопластів між представниками різних видів рослин. Вивчено генетичну основу множинних фенотипових змін у створених методами клітинної інженерії цибридів Nіcotіana tabacum+Hyoscіamus nіger, які поєднують ядерний геном N. tabacum, пластом H. nіger та рекомбінантні мітохондрії (Ю.Ю. Глеба).

Велику увагу приділено створенню систем синтезу рекомбінантних білків у рослинах із використанням тимчасової експресії перенесених генів. Проведено науково-дослідні роботи зі створення генетичних конструкцій для експресії та tag-опосередкованого очищення рекомбінантних білків у рослинах. Створено генетичні конструкції, які дозволяють експресувати рекомбінантні білки (зелений флуоресцентний білок, соматотропний гормон людини та інтерферон) із приєднаним до їхнього С-кінця додатковим доменом, здатним зв’язувати хітин. Отримані генетичні конструкції використано як для транзієнтної експресії, так і для створення трансгенних рослин різних видів тютюну з метою оцінки ефективності біосинтезу цільових білків та їхнього очищення. Створено генетичні конструкції для транзієнтної експресії зв’язаних із tag-рекомбінантних білків на основі модульної векторної системи, яка містить елементи вірусного геному. Створені конструкції в комбінації з іншими елементами модульної векторної системи використано для проведення транзієнтної експресії цільових білків, зв’язаних із тегом, у рослинах різних видів тютюну з метою їхнього подальшого ефективного очищення. Запропоновано нові принципи та технологічні розробки для використання рослин як біореакторів-продуцентів фармацевтичних білків за допомогою транзієнтної експресії в рослинних системах, вперше отримано такі білки. Розроблено ефективну систему транзієнтної експресії фармацевтичних білків у рослинах. У результаті інфільтрації листків рослин агробактеріями, які несуть відповідні генні конструкції, було отримано рекомбінантні білки інтерферон та соматотропін людини (Ю.Ю. Глеба, М.В. Кучук).

Розроблено методи ідентифікації чужорідної ДНК у харчових продуктах, які містять вихідні компоненти з генетично модифікованої сої, та в генетично модифікованих сортах рослин (О.О. Созінов, Я.Б. Блюм, М.В. Кучук).

Вивчено філогенетичні відносини в роді Nіcotіana за допомогою молекулярно-біологічних методів. Досліджено генетичну структуру сортів пшениці, ячменю, вівса, внесених до державного реєстру України і Росії, з’ясовано закономірності динаміки зміни коадаптивних асоціацій генів внаслідок селекції у ХХ столітті (О.О. Созінов).

Аналізуючи 250 відомих на сьогодні геномів еубактерій, встановлено п’ять принципово нових схем аутогенного контролю ексцесії (“вирізання”) генів, які кодують рибосомні білки L1, L10, L11 та L12.

З метою посилення досліджень структури та особливостей функціонування апарату біосинтезу білка і вивчення змін генетичних структур клітини у 2000 р. на базі Львівського відділення регуляторних систем клітини Інституту біохімії імені О.В. Палладіна створено нову установу – Інститут біології клітини НАН України, директором якого призначено А.А. Сибірного, нині члена-кореспондента НАН України. Основними науковими напрямами новоствореного інституту є вивчення молекулярних, генетичних і біохімічних механізмів регуляції метаболізму у дріжджів та створення нових біотехнологічних процесів і продуктів на основі цих мікроорганізмів, а також дослідження молекулярних механізмів регуляції проліферації, диференціації та апоптозу у нормальних та пухлинних клітин тварин і людини. Отримано важливі результати у створенні та дослідженні трансформантів, а також селекції мутантних форм різних представників дріжджів зі зміненими особливостями трофіки, з підвищеною здатністю до синтезу практично важливих біологічних активних речовин, із модифікованою чутливістю до різних сполук, зокрема з підвищеною резистентністю та адсорбційною здатністю до іонів важких металів тощо. Співробітники здійснюють пошук генів та вивчають їхню взаємодію у процесах регуляції біосинтезу за зміни трофіки. Досліджують можливість застосування пермеабілізованих клітин рекомбінантних штамів та деяких білків (ферментів) дріжджів у біоаналітичних цілях, зокрема у клітинній діагностиці та біотехнології. Клоновано гени, які відповідають за біогенез та деградацію пероксидом у метилотрофних дріжджів. Розроблено систему генетичної трансформації клітин флавіногенних дріжджів, клоновано гени біосинтезу рибофлавіну з метою створення рекомбінантних штамів-продуцентів вітаміну В₂. Застосовано підходи метаболічної інженерії у дріжджів. Клоновано гени біосинтезу глутатіону у метилотрофних дріжджів і на їх основі створено рекомбінантні штами з підвищеною здатністю акумулювати катіони кадмію (А.А. Сибірний, М.В. Гончар).

В Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного окрім досліджень, які проводяться під керівництвом члена-кореспондента Б.П. Мацелюха у відділі генетики мікроорганізмів і викладених вище, значно активізувалися під керівництвом і за безпосередньої участі д.б.н., професора Ф.І. Товкача дослідження у царині молекулярної генетики бактеріофагів (вірусів бактерій). Тут, у відділі молекулярної генетики бактеріофагів, ведуть пошук і вивчення життєздатних і дефектних помірних та вірулентних бактеріофагів трьох груп ервіній. Отже, можливо, що фаги безпосередньо пов’язані із процесами адаптації їхніх бактерій-хазяїв. Цю концепцію було підтверджено для кільцевих поза хромосомних ДНК колекційних штамів Pseudomonas aerugіnosa і клінічних ізолятів Eschrechіa colі. Виявилось, що плазміди псевдомонад і ешеріхій з однаковим розміром ДНК властиві для певних екологічних ніш. Подібну закономірність виявлено для макромолекулярних каротоворицинів типу фагових хвостових відростків, описаних для понад ста штамів E. caratovora.

Результати цих досліджень показали, що фаги можуть бути своєрідними генетичними “перемикачами” фенотипу у фітопатогенних ервіній при їхній адаптації до умов довкілля. Специфічний набір і особливості функціонування цих перемикачів характеризують масштабність конкретної бактеріальної популяції. Знання означених процесів у різних бактерій має значну перспективу, оскільки допоможе встановити причини і загальні механізми виникнення вірусних епідемій.

У Національному ботанічному саду імені М.М. Гришка (НБС) успішно тривають генетико-селекційні дослідження, започатковані академіком М.М. Гришком та його колегами. Зібрані в НБС унікальні колекції рослин із різних ботаніко-географічних регіонів світу (понад 10 тис. видів, сортів і форм) є базою для створення нових сортів та гібридів. Опрацьовуючи теоретичні основи селекції, співробітники досліджують питання підбору вихідного матеріалу для гібридизації, виділення батьківських форм, розробляють методики зберігання пилку і ефективні засоби кастрації і запилення, проводять прямі і реципрокні схрещування, удосконалюють старі і розробляють нові методи подолання несхрещуваності і стерильності віддалених гібридів, ефективної оцінки гібридних сіянців на ранніх етапах онтогенезу тощо. В результаті створено сотні нових сортів плодових, кормових, квітниково-декоративних, пряно-ароматичних та овочевих культур.

Колекція плодових рослин, яка стала основою для створення нових для Півночі України сортів, нараховує близько 150 видів та 400 сортів (селекціонери І.М. Шайтан, С.В. Клименко, Р.Ф. Клеєва, П.А. Мороз, Л.М. Чуприна, Н.В. Скрипченко). Відділ нових культур є центром інтродукції та селекції нових кормових культур як в Україні, так і в країнах СНД (Ю.А. Утеуш, Д.Б. Рахметов, О.О. Абрамов, Н.О. Стаднічук, О.О. Перепелиця), а також овочевих (В.П. Гринь, Н.М. Смілянець, О.В. Правда) і пряно-смакових рослин (О.А. Корабльова, Л.Р. Романенко, Г.М. Рибак). Велику селекційну роботу проведено із квітниково-декоративними рослинами (Ф.С. Дудік, К.Д. Харченко, Л.М. Яременко, В.П. Ященко, В.Ф. Горобець). За період 1965–2004 рр. науковці створили понад 260 сортів і отримали 262 авторських свідоцтва на нові сорти. До Державного Реєстру сортів рослин України (Реєстр на 2006 р.) занесено 211 сортів селекції НБС: квітниково-декоративних – 114 сортів, плодових – 52, кормових – 29, пряно-ароматичних – 9, овочевих – 7.

З багатьох видів рослин НБС як селекційна установа є лідером або ж посідає чільне місце в Україні. Так, сортимент флокса волотистого в Реєстрі а 100%, жоржини – на 70%, півонії та азалії – на 100 % представлений сортами НБС. Нові кормові культури – дагуса, мальва, щавель гібридний (щав нат), сіда багаторічна; ягідні – актинідія, лимонник китайський; овочеві – цибуля-слизун представлені в Реєстрі лише сортами НБС. З 15 сортів кизилу в Реєстрі 14 – селекції НБС, з 8 сортів хеномелеса – 4, з 13 сортів айви – 5 представлені сортами цієї установи.

У Донецькому ботанічному саду одним із напрямів є розробка та застосування популяційно-генетичних методів селекції деяких порід дерев для створення хвойних насаджень в умовах індустріальних регіонів Південного Сходу України. При створенні лісонасіннєвих плантацій застосовують методи відбору дерев, зокрема сосни кримської та ялиці білої, за ізоферментними локусами, при наявності яких рослини у природних популяціях продукують велику кількість гетерозиготного насіння. Вивчено генетичну структуру та генетичний контроль ізоферментів у різних природних популяціях модрини білої та ялини європейської в Українських Карпатах (І.І. Коршиков). Створено і отримано авторські свідоцтва та патенти на 19 сортів рослин, перспективних для впровадження в Україні: 12 високопродуктивних сортів хризантеми дрібноквіткової, три сорти декоративних яблунь, сорт бузку, високопродуктивний солестійкий кормовий сорт пирію видовженого, два пряно-смакових сортів васильків звичайних (О.З. Глухов).

У Криворізькому ботанічному саду створено сім нових сортів лілійнику, які відрізняються високими декоративними характеристиками та успішною адаптацією до кліматичних умов степової зони України, а також до вирощування на територіях з підвищеним рівнем промислового забруднення (Р.К. Матяшук-Гришко).

У Національному дендрологічному парку “Софіївка” НАН України під керівництвом члена-кореспондента І.С. Косенка проводять, поряд з іншими, генетико-селекційні дослідження переважно рідкісних, зникаючих і особливо цінних видів рослин. Створено кілька сортів рослин, зокрема груш (Ф.О. Заплічко, А.І. Опалко, О.А. Опалко). У відділі фізіології, генетики і мікроклонального розмноження рослин розроблено ефективні технології мікроклонального розмноження багатьох рідкісних видів рослин для подальшого генетично-селекційного відбору, при цьому застосовуються методи клітинної селекції (І.С. Косенко, М.В. Небиков, А.І. Опалко, О.А. Опалко, Л.А. Колдар).

В Інституті зоології імені І.І. Шмальгаузена вивчають закономірності перебігу популяційно-генетичних процесів, які сконцентровані переважно у відділі еволюційно-генетичних основ систематики (завідувач д.б.н., професор С.В. Межжерін). Основним напрямом досліджень тут є вивчення гібридизації, поліплоїдного видоутворення і генетичної нестабільності у природних популяціях тварин. Важливими результатами із систематики і філогенетики палеоарктичних гризунів і амфібій є встановлення систематичного статусу низки спірних таксонів і опис нових видів хребетних, побудовано адекватну систему відносин філогенезу в трьох наймасовіших групах палеоарктичних гризунів, здійснено ревізію найскладнішого серед палеоарктичних гризунів роду лісових та польових мишей. На підставі отриманих закономірностей сформульовано положення і концепції, що мають загальнобіологічне значення: еволюційного ритму, неоднозначності еволюційно-генетичних потенцій східних та західних фільмів (С.В. Межжерін).

Вивчаються особливості виникнення і структура гібридних диплоїдно-поліплоїдних комплексів риб і деяких безхребетних, що характеризуються клоновою організацією поселень. Дослідження, проведені на щипівках (Cobіtіs) – невеликих рибках родини в’юнових, довели високу здатність триплоїдних форм до експансії. Ретроспективний аналіз структури їхніх поселень показав, що після зміни гідрологічного режиму і зарегулювання основних річок у середині ХХ сторіччя поліплоїди окупували всі басейни України. З’ясовано, що поліплоїдні щипівки Дніпра та Сіверського Дінця виникли в Центральній Європі в результаті гібридизації дунайської та звичайної щипівок, виявлено унікальне поліклональне гібридне угруповання щипівок, до якого входять тільки самки. Важливим є виявлення генетичної нестабільності в змішаних диплоїдно-поліплоїдних популяціях цих риб, яка виникла після інвазії у водоймище чужорідних гібридів (С.В. Межжерін, Л.І. Павленко).

Генетичним маркуванням генетичної структури поселень карасів доведено наявність природних гібридів між триплоїдним облігатно гіногенетичним видом Carassіus gіbelіo і диплоїдним амфіміктичним карасем золотистим C. carassіus. Це свідчить, що гіногенез не може розглядатися як форма клонового розмноження, оскільки певна частина генетичної інформації сперматозоїда обов’язково передається нащадкам (С.В. Межжерін, С.В. Кокодій).

30-річні моніторингові дослідження генетичної структури популяцій малярійних комарів групи Anopheles messae Нижнього Дніпра показали несподівану зміну структури хромосомного поліморфізму, що припала на початок ХХ сторіччя і пов’язується з різкими кліматичними змінами саме цього періоду (В.Б. Шуваліков).