В экспериментах Херши-Чейз была серия экспериментов проведена в 1952 году [1] от Альфреда Херши и Марты Чейз , который помог подтвердить , что ДНК является генетическим материалом . Хотя ДНК была известна биологам с 1869 года [2], многие ученые в то время все еще предполагали, что белки несут информацию для наследования, потому что ДНК оказалась инертной молекулой, и, поскольку она расположена в ядре, считалась ее роль быть хранилищем фосфора. В своих экспериментах Херши и Чейз показали, что когда бактериофаги, которые состоят из ДНК и белка, заражают бактерии, их ДНК проникает в бактериальную клетку хозяина, но большая часть их белка - нет. Херши и Чейз, а также последующие открытия послужили доказательством того, что ДНК является наследственным материалом.
Херши разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1969 года с Максом Дельбрюком и Сальвадором Луриа за их «открытия, касающиеся генетической структуры вирусов». [3]
Историческое прошлое
В начале двадцатого века биологи считали, что белки несут генетическую информацию. Это было основано на убеждении, что белки сложнее ДНК. Феб Левена в влиятельная «тетрануклеотид гипотеза», который неправильно предположил , что ДНК повторяющийся набор одинаковых нуклеотидов , поддержали этот вывод. Результаты эксперимента Эйвери-Маклауда-Маккарти , опубликованные в 1944 году, предполагали, что ДНК была генетическим материалом, но в общем научном сообществе все еще были некоторые колебания, чтобы принять это, что подготовило почву для эксперимента Херши-Чейза.
Херши и Чейз, а также другие, проводившие подобные эксперименты, подтвердили, что ДНК - это биомолекула, несущая генетическую информацию. До этого Освальд Эйвери , Колин Маклауд и Маклин Маккарти показали, что ДНК приводит к трансформации одного штамма Streptococcus pneumoniae в другой. Результаты этих экспериментов доказали, что ДНК была биомолекулой, несущей генетическую информацию.
Методы и результаты
Херши и Чейз должны были иметь возможность исследовать разные части фагов, которые они изучали по отдельности, поэтому им нужно было различать подсекции фагов. Было известно, что вирусы состоят из белковой оболочки и ДНК, поэтому они решили пометить каждый из них уникальным изотопом элемента . Это позволило наблюдать и анализировать каждую отдельно. Поскольку фосфор содержится в ДНК, но не в аминокислотах, радиоактивный фосфор-32 был использован для мечения ДНК, содержащейся в фаге Т2 . Радиоактивная сера-35 использовалась для мечения участков белка фага Т2, потому что сера содержится в белке, но не в ДНК.
Херши и Чейз вводили радиоактивные элементы в бактериофаги, добавляя изотопы в отдельные среды, в которых бактериям позволяли расти в течение 4 часов перед введением бактериофага. Когда бактериофаги инфицировали бактерии, потомство содержало радиоактивные изотопы в своих структурах. Эту процедуру выполняли один раз для фагов, меченных серой, и один раз для фагов, меченных фосфором. Затем меченому потомству позволяли инфицировать немеченые бактерии. Оболочка фага оставалась снаружи бактерий, в то время как генетический материал вошел. Удаление фага из бактерий путем перемешивания в смесителе с последующим центрифугированием позволило отделить фаговые оболочки от бактерий. Эти бактерии лизировали для высвобождения потомства фага. Потомство фагов, меченных радиоактивным фосфором, оставалось меченым, тогда как потомство фагов, меченных радиоактивной серой, не было. Таким образом, эксперимент Херши-Чейза помог подтвердить, что ДНК, а не белок, является генетическим материалом.
Херши и Чейз показали , что введение дезоксирибонуклеазы (упоминается как ДНКазы ), фермент , который разрушает ДНК, в раствор , содержащий меченые бактериофаги не вносит каких - либо 32 P в растворе. Это продемонстрировало, что фаг устойчив к ферменту, пока не поврежден. Кроме того, они смогли произвести плазмолиз бактериофагов, так что они вошли в осмотический шок, который эффективно создал раствор, содержащий большую часть 32 P, и более тяжелый раствор, содержащий структуры, называемые «призраками», которые содержали 35 S и белковое покрытие вируса. . Было обнаружено, что эти «призраки» могли адсорбироваться на бактериях, которые были восприимчивы к T2, хотя они не содержали ДНК и были просто остатками первоначальной бактериальной капсулы. Они пришли к выводу, что белок защищает ДНК от ДНКазы, но как только они разделены и фаг инактивирован, ДНКаза может гидролизовать ДНК фага. [1]
Эксперимент и выводы
Херши и Чейз также смогли доказать, что ДНК фага вставляется в бактерии вскоре после того, как вирус прикрепляется к своему хозяину. Используя высокоскоростной блендер, они смогли вытеснить бактериофаги из бактериальных клеток после адсорбции . Отсутствие 32 P-меченый ДНК , остающегося в растворе после бактериофагов было разрешено адсорбироваться бактерий показали , что ДНК фага переносили в бактериальную клетку. Присутствие почти всего радиоактивного 35 S в растворе показало, что белковая оболочка, защищающая ДНК до адсорбции, осталась вне клетки. [1]
Херши и Чейз пришли к выводу, что генетическим материалом была ДНК, а не белок. Они определили, что вокруг бактериофага сформировалась защитная белковая оболочка, но внутренняя ДНК - это то, что придает ему способность производить потомство внутри бактерии. Они показали, что в процессе роста белок не выполняет никакой функции, в то время как ДНК выполняет некоторую функцию. Они определили это по количеству радиоактивного материала, оставшегося вне камеры. Только 20% 32 P осталось вне клетки, демонстрируя, что он был включен с ДНК в генетический материал клетки. Все 35 S в белковой оболочке остались вне клетки, показывая, что он не был включен в клетку, и этот белок не является генетическим материалом.
Эксперимент Херши и Чейза пришел к выводу, что небольшое количество серосодержащего материала попало в бактериальную клетку. Однако нельзя сделать никаких конкретных выводов относительно того, попадает ли не содержащий серы материал в бактериальную клетку после адсорбции фага. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы сделать вывод, что в клетку попала исключительно ДНК бактериофагов, а не комбинация белка и ДНК, в которой белок не содержит серы.
Обсуждение
Подтверждение
Херши и Чейз пришли к выводу, что белок вряд ли является наследственным генетическим материалом. Однако они не сделали никаких выводов относительно конкретной функции ДНК как наследственного материала, а только сказали, что она должна иметь некоторую неопределенную роль. [1] [4]
Подтверждение и ясность пришли годом позже, в 1953 году, когда Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик в своей журнальной статье « Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы » правильно выдвинули гипотезу о двойной спиральной структуре ДНК и предложили механизм копирования, с помощью которого ДНК функционирует как наследственный материал. Кроме того, Уотсон и Крик предположили, что ДНК, генетический материал, отвечает за синтез тысяч белков, обнаруженных в клетках. Они сделали это предложение, основываясь на структурном сходстве, которое существует между двумя макромолекулами: и белок, и ДНК являются линейными последовательностями мономеров (аминокислот и нуклеотидов соответственно). [5]
Прочие эксперименты
После публикации эксперимента Херши-Чейза научное сообщество в целом признало, что ДНК является материалом генетического кода. Это открытие привело к более детальному исследованию ДНК с целью определения ее состава, а также ее трехмерной структуры. Используя рентгеновскую кристаллографию , Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик обнаружили структуру ДНК с помощью ранее задокументированных экспериментальных данных Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин . [6] Знание структуры ДНК привело ученых к изучению природы генетического кодирования и, в свою очередь, к пониманию процесса синтеза белка. Джордж Гамов предположил, что генетический код состоит из последовательностей трех пар оснований ДНК, известных как триплеты или кодоны, которые представляют одну из двадцати аминокислот. [7] Генетическое кодирование помогло исследователям понять механизм экспрессии генов , процесс, посредством которого информация от гена используется в синтезе белка . С тех пор было проведено много исследований для модуляции этапов процесса экспрессии генов. Эти шаги включают транскрипцию , сплайсинг РНК , трансляцию и посттрансляционную модификацию, которые используются для контроля химической и структурной природы белков. [8] Кроме того, генная инженерия дает инженерам возможность напрямую манипулировать генетическим материалом организмов, используя методы рекомбинантной ДНК . Первая рекомбинантная молекула ДНК была создана Полом Бергом в 1972 году, когда он объединил ДНК вируса обезьяны SV40 с ДНК фага лямбда . [9]
Эксперименты с наследственным материалом во время эксперимента Херши-Чейза часто использовали бактериофаги в качестве модельного организма . Бактериофаги поддаются экспериментам с наследственным материалом, потому что они включают свой генетический материал в генетический материал своей клетки-хозяина (что делает их полезными инструментами), они быстро размножаются и легко собираются исследователями. [4]
Наследие
Эксперимент Херши-Чейза, его предшественники, такие как эксперимент Эйвери-МакЛауда-Маккарти , и его последователи послужили однозначным доказательством того, что наследственная информация передается в ДНК. Эта находка имеет множество применений в судебной медицине , расследовании преступлений и генеалогии . Он предоставил базовые знания для дальнейшего применения в судебной экспертизе ДНК, где при снятии отпечатков пальцев ДНК используются данные, полученные из ДНК, а не из источников белка, для определения генетической изменчивости . [10]
Рекомендации
- ^ a b c d Херши А., Чейз М. (1952). «Независимые функции вирусного белка и нуклеиновой кислоты в росте бактериофага» . J Gen Physiol . 36 (1): 39–56. DOI : 10,1085 / jgp.36.1.39 . PMC 2147348 . PMID 12981234 .
- ^ Dahm R (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Гм. Genet . 122 (6): 565–81. DOI : 10.1007 / s00439-007-0433-0 . PMID 17901982 . S2CID 915930 .
- ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1969 года» . Нобелевский фонд . Проверено 6 апреля 2011 года .
- ^ а б О'Коннор, Клэр (2008). «Изоляция наследственного материала: Фредерик Гриффит, Освальд Эйвери, Альфред Херши и Марта Чейз» . Scitable by Nature Education . Проверено 20 марта 2011 года .
- ^ Полинг Л., Кори Р. Б. (февраль 1953 г.). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 39 (2): 84–97. Полномочный код : 1953PNAS ... 39 ... 84P . DOI : 10.1073 / pnas.39.2.84 . PMC 1063734 . PMID 16578429 .
- ^ "Л.О. Розалинда Франклин и двойная спираль. Физика сегодня, март 2003" . Физика сегодня . Проверено 6 апреля 2011 года .
- ^ Крик, Фрэнсис (1988). «Глава 8: Генетический код» . Какое безумное стремление: личный взгляд на научное открытие . Нью-Йорк: Основные книги. С. 89–101 . ISBN 978-0-465-09138-6.
- ^ Берк В., Кейт Дж. Х. (июнь 2007 г.). «Понимание биосинтеза белка из структур бактериальных рибосом». Curr. Opin. Struct. Биол . 17 (3): 302–9. DOI : 10.1016 / j.sbi.2007.05.009 . PMID 17574829 .
- ^ Джексон Д.А., Саймонс Р.Х., Берг П. (октябрь 1972 г.). «Биохимический метод встраивания новой генетической информации в ДНК обезьяньего вируса 40: кольцевые молекулы ДНК SV40, содержащие гены лямбда-фага и оперон галактозы Escherichia coli» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 69 (10): 2904–9. Bibcode : 1972PNAS ... 69.2904J . DOI : 10.1073 / pnas.69.10.2904 . PMC 389671 . PMID 4342968 .
- ^ Джоблинг М.А., Гилл П. (октябрь 2004 г.). «Закодированные доказательства: ДНК в судебно-медицинской экспертизе» (PDF) . Nat. Преподобный Жене . 5 (10): 739–51. DOI : 10.1038 / nrg1455 . PMID 15510165 . S2CID 2236821 .
Внешние ссылки
- Анимация эксперимента Херши – Чейза
- Четкое изображение и простое резюме