Эксперимент Херши – Чейза - Hershey–Chase experiment

Обзор эксперимента и наблюдений

В Эксперименты Херши-Чейза были серией эксперименты проведено в 1952 г.[1] к Альфред Херши и Марта Чейз Это помогло подтвердить, что ДНК является генетический материал. Хотя ДНК была известна биологи с 1869 г.,[2] многие ученые в то время еще предполагали, что белки несли информацию для наследования, потому что ДНК оказалась инертной молекулой, и, поскольку она расположена в ядре, считалось, что ее роль заключается в хранении фосфора. В своих экспериментах Херши и Чейз показали, что когда бактериофаги, которые состоят из ДНК и белка, заражают бактерии, их ДНК попадает 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 поделился 1969 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине с Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия за их «открытия относительно 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. Фебус Левен влиятельная «тетрануклеотидная гипотеза», которая неверно предполагала, что ДНК представляет собой повторяющийся набор идентичных нуклеотиды, поддержал этот вывод. Результаты Эксперимент Эйвери – Маклауда – Маккарти, опубликованная в 1944 году, предполагала, что ДНК была генетическим материалом, но в целом научное сообщество все еще колебалось, 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 Пневмококк другому. Результаты этих экспериментов доказали, что ДНК - это биомолекула, несущая генетическую информацию.

Методы и результаты

Структурный обзор фага Т2

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 уникально пометить каждый из них разными элементарными изотоп. 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 Фаг Т2. Радиоактивная сера-35 использовалась для мечения белковых участков 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 содержали 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. Оболочки фага остались снаружи бактерий, а генетический материал вошел. Удаление фага из бактерий путем волнение в блендере с последующим центрифугирование позволили отделить фаговые оболочки от бактерий. Эти бактерии были лизированный для выпуска фагового потомства. Потомство фагов, меченных радиоактивным фосфором, оставалось помеченным, тогда как потомство фагов, меченных радиоактивной серой, не было помечено. Таким образом, эксперимент Херши-Чейза помог подтвердить, что ДНК, а не белок, является генетическим материалом.

Херши и Чейз показали, что введение дезоксирибонуклеаза (именуемый ДНКаза ), фермент который расщепляет ДНК, в раствор, содержащий меченые бактериофаги, не вносит никаких 32P в раствор. Это продемонстрировало, что фаг устойчив к ферменту в неповрежденном виде. Кроме того, они смогли плазмолиз бактериофаги так, что они вошли в осмотический шок, который эффективно создал раствор, содержащий большую часть 32P и более тяжелый раствор, содержащий структуры, называемые «призраками», которые содержат 35S и белковая оболочка вируса. Выяснилось, что эти «призраки» могут адсорбировать бактериям, чувствительным к Т2, хотя они не содержали ДНК и были просто остатками первоначальной бактериальной капсулы. Они пришли к выводу, что белок защищает ДНК от ДНКазы, но после того, как они были разделены и фаг был инактивирован, ДНКаза могла гидролизовать ДНК фага.[1]

Эксперимент и выводы

Херши и Чейз также смогли доказать, что ДНК фага вводится в бактерии вскоре после того, как вирус прикрепляется к своему хозяину. Используя высокоскоростной блендер, они смогли вытеснить бактериофаги из бактериальных клеток после адсорбция. Отсутствие 32Р-меченая ДНК, остающаяся в растворе после того, как бактериофагам позволили адсорбироваться на бактериях, показала, что ДНК фага была перенесена в бактериальную клетку. Наличие почти всех радиоактивных 35S в растворе показывает, что белковая оболочка, которая защищает ДНК до адсорбции, остается вне клетки.[1]

Херши и Чейз пришли к выводу, что генетическим материалом была ДНК, а не белок. Они определили, что вокруг бактериофага образовалась защитная белковая оболочка, но внутренняя ДНК - это то, что придает его способности 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% 32P оставался вне клетки, демонстрируя, что он был включен с ДНК в генетический материал клетки. Все 35S в белковой оболочке оставался вне клетки, показывая, что он не был включен в клетку, и что 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, проникает 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, где белок не содержал серы.

Обсуждение

Подтверждение

Дальнейшая информация: ДНК и ДНК § История исследований ДНК

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 г., когда Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик правильно выдвинул гипотезу в своей журнальной статье "Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы ", двойная спираль структура ДНК, и предложил копирующий механизм благодаря которому ДНК функционирует как наследственный материал. Более 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 представляют собой линейные последовательности 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. С помощью Рентгеновская кристаллография, структура ДНК была открыта Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью ранее задокументированных экспериментальных данных. Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.[6]Знание структуры ДНК привело ученых к изучению природы генетического кодирования и, в свою очередь, к пониманию процесса синтеза белка. Георгий Гамов предложил, чтобы генетический код состояла из последовательностей трех пар оснований ДНК, известных как триплеты или кодоны которые представляют собой одну из двадцати аминокислот.[7] Генетическое кодирование помогло исследователям понять механизм экспрессия гена, процесс, посредством которого информация от гена используется в синтез белка. С тех пор было проведено много исследований по модуляции этапов процесса экспрессии генов. Эти шаги включают транскрипция, Сплайсинг РНК, перевод, и посттрансляционная модификация которые используются для контроля химической и структурной природы белков.[8] Более того, генная инженерия дает инженерам возможность напрямую манипулировать генетическим материалом организмов, используя рекомбинантная ДНК техники. Первая рекомбинантная молекула ДНК была создана Пол Берг в 1972 году, когда он объединил ДНК вируса обезьяны SV40 с тем из лямбда-фаг.[9]

Эксперименты с наследственным материалом во время эксперимента Херши-Чейза часто использовали бактериофаги в качестве модельный организм. Бактериофаги поддаются экспериментам на наследственном материале, потому что они включают свои генетический материал в их клетка-хозяин генетический материал (что делает их полезными инструментами), они быстро размножаются, и их легко собирают исследователи.[4]

Наследие

Эксперимент Херши-Чейза, его предшественники, такие как Эксперимент Эйвери – Маклауда – Маккарти, а преемники служили для недвусмысленного установления того, что наследственная информация передается ДНК. Это открытие имеет множество приложений в Криминалистика, расследование преступления и генеалогия. Он предоставил базовые знания для дальнейшего применения в судебной экспертизе ДНК, где Дактилоскопия ДНК использует данные, полученные из ДНК, а не из источников белка, для вывода генетическая вариация.[10]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Херши А., Чейз М. (1952). «Независимые функции вирусного белка и нуклеиновой кислоты в росте бактериофага». J Gen Physiol. 36 (1): 39–56. Дои:10.1085 / jgp.36.1.39. ЧВК  2147348. PMID  12981234.
  2. ^ Дахм Р. (январь 2008 г.). «Открытие ДНК: Фридрих Мишер и первые годы исследований нуклеиновых кислот». Гм. Genet. 122 (6): 565–81. Дои:10.1007 / s00439-007-0433-0. PMID  17901982. S2CID  915930.
  3. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1969 г.". Нобелевский фонд. Получено 6 апреля 2011.
  4. ^ а б О'Коннор, Клэр (2008). «Изоляция наследственного материала: Фредерик Гриффит, Освальд Эйвери, Альфред Херши и Марта Чейз». Scitable by Nature Education. Получено 20 марта 2011.
  5. ^ Полинг Л., Кори Р. Б. (февраль 1953 г.). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 39 (2): 84–97. Bibcode:1953ПНАС ... 39 ... 84П. Дои:10.1073 / pnas.39.2.84. ЧВК  1063734. PMID  16578429.
  6. ^ "Л.О. Розалинд Франклин и двойная спираль. Физика сегодня, март 2003 г.". Физика сегодня. Получено 6 апреля 2011.
  7. ^ Крик, Фрэнсис (1988). «Глава 8: Генетический код». Что за безумное стремление: личный взгляд на научное открытие. Нью-Йорк: Основные книги. стр.89–101. ISBN  978-0-465-09138-6.
  8. ^ Берк В., Кейт Дж. Х. (июнь 2007 г.). «Понимание биосинтеза белка из структур бактериальных рибосом». Curr. Мнение. Struct. Биол. 17 (3): 302–9. Дои:10.1016 / j.sbi.2007.05.009. PMID  17574829.
  9. ^ Джексон Д.А., Саймонс Р.Х., Берг П. (октябрь 1972 г.). «Биохимический метод вставки 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. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 69 (10): 2904–9. Bibcode:1972PNAS ... 69.2904J. Дои:10.1073 / пнас.69.10.2904. ЧВК  389671. PMID  4342968.
  10. ^ Джоблинг М.А., Гилл П. (октябрь 2004 г.). «Закодированные доказательства: ДНК в судебно-медицинской экспертизе» (PDF). Nat. Преподобный Жене. 5 (10): 739–51. Дои:10.1038 / nrg1455. PMID  15510165. S2CID  2236821.

внешняя ссылка