История молекулярной биологии - History of molecular biology

В история молекулярной биологии начинается в 1930-х годах с конвергенции различных, ранее отличавшихся друг от друга биологических и физических дисциплин: биохимия, генетика, микробиология, вирусология и физика. В надежде понять жизнь на самом фундаментальном уровне многие физики и химики также интересовались тем, что станет молекулярная биология.

В современном смысле молекулярная биология пытается объяснить явления жизни, начиная с макромолекулярный свойства, которые их создают. В частности, в центре внимания молекулярного биолога находятся две категории макромолекул: 1) нуклеиновые кислоты, среди которых самым известным является дезоксирибонуклеиновая кислота (или ДНК), составляющая гены, и 2) белки, которые являются активными агентами живых организмов. Таким образом, одним из определений области молекулярной биологии является характеристика структуры, функции и взаимоотношений между этими двумя типами макромолекул. Этого относительно ограниченного определения будет достаточно, чтобы позволить нам установить дату так называемой «молекулярной революции» или, по крайней мере, установить хронологию ее наиболее фундаментальных событий.

Общий обзор

В своих самых ранних проявлениях молекулярная биология - название было придумано Уоррен Уивер из Фонд Рокфеллера в 1938 г.[1]- это была идея физических и химических объяснений жизни, а не связная дисциплина. После появления Менделирующая хромосомная теория наследственности в 1910-е годы и созревание атомная теория и квантовая механика в 20-е годы такие объяснения казались вполне достижимыми. Уивер и другие поощряли (и финансировали) исследования на стыке биологии, химии и физики, в то время как выдающиеся физики, такие как Нильс Бор и Эрвин Шредингер обратили внимание на биологические спекуляции. Однако в 1930-х и 1940-х годах было неясно, какие междисциплинарные исследования принесут плоды - если таковые будут; работать в коллоидная химия, биофизика и радиационная биология, кристаллография, и другие появляющиеся области казались многообещающими.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Татум продемонстрировали существование точной взаимосвязи между генами и белками.[2] В ходе своих экспериментов, связывающих генетику с биохимией, они отказались от генетики. Дрозофила к более подходящему модельный организм, гриб Нейроспора; создание и эксплуатация новых модельных организмов станет постоянной темой в развитии молекулярной биологии. В 1944 г. Освальд Эйвери, работая в Институт Рокфеллера Нью-Йорка, продемонстрировали, что гены состоят из ДНК[3](видеть Эксперимент Эйвери – Маклауда – Маккарти ). В 1952 г. Альфред Херши и Марта Чейз подтвердили, что генетический материал бактериофаг, вирус, поражающий бактерии, состоит из ДНК[4] (видеть Эксперимент Херши – Чейза ). В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыл двойную спиральную структуру молекулы ДНК на основе открытий, сделанных Розалинд Франклин.[5] В 1961 г. Франсуа Жакоб и Жак Моно продемонстрировали, что продукты определенных генов регулируют выражение других генов, воздействуя на определенные сайты на краю этих генов. Они также выдвинули гипотезу о существовании посредника между ДНК и ее белковыми продуктами, который они назвали информационная РНК.[6] Между 1961 и 1965 годами была определена взаимосвязь между информацией, содержащейся в ДНК, и структурой белков: есть код, генетический код, что создает соответствие между последовательностью нуклеотиды в последовательности ДНК и серии аминокислоты в белках.

Основные открытия молекулярной биологии произошли всего за двадцать пять лет. Прошло еще пятнадцать лет, прежде чем новые и более совершенные технологии, объединившиеся сегодня под названием генная инженерия, позволит изолировать и охарактеризовать гены, в частности, очень сложных организмов.

Исследование молекулярного доминиона

Если мы оценим молекулярную революцию в контексте биологической истории, легко заметить, что это кульминация долгого процесса, начавшегося с первых наблюдений в микроскоп. Целью этих первых исследователей было понять функционирование живых организмов, описав их организацию на микроскопическом уровне. С конца 18 века характеристика химических молекул, из которых состоят живые существа, привлекала все большее внимание, наряду с рождением физиологическая химия в 19 ​​веке, разработанный немецким химиком Юстус фон Либих и после рождения биохимии в начале 20-х годов благодаря другому немецкому химику Эдуард Бюхнер. Между молекулами, изучаемыми химиками, и крошечными структурами, видимыми в оптический микроскоп, такими как клеточное ядро ​​или хромосомы, находилась неясная зона, «мир игнорируемых измерений», как его называли физики-химики. Вольфганг Оствальд. Этот мир населен коллоиды, химические соединения, структура и свойства которых точно не определены.

Успехи молекулярной биологии стали результатом исследования этого неизведанного мира с помощью новых технологий, разработанных химиками и физиками: дифракция рентгеновских лучей, электронная микроскопия, ультрацентрифугирование, и электрофорез. Эти исследования выявили структуру и функцию макромолекул.

Вехой в этом процессе стала работа Линус Полинг в 1949 г., который впервые связал специфические генетические мутация у пациентов с серповидноклеточная анемия к продемонстрированному изменению в отдельном белке, гемоглобин в эритроциты из гетерозиготный или же гомозиготный лиц.

Встреча биохимии и генетики

Развитие молекулярной биологии - это также столкновение двух дисциплин, добившихся значительного прогресса в течение первых тридцати лет двадцатого века: биохимии и генетики. Первый изучает структуру и функции молекул, из которых состоят живые существа. Между 1900 и 1940 годами центральные процессы метаболизм были описаны: процесс пищеварение и всасывание питательных элементов, полученных из пищи, таких как сахара. Каждый из этих процессов катализированный конкретным фермент. Ферменты - это белки, такие как антитела, присутствующие в крови, или белки, ответственные за сокращение мышц. Как следствие, изучение белков, их структуры и синтеза стало одной из основных задач биохимиков.

Вторая дисциплина биологии, появившаяся в начале ХХ века, - это генетика. После повторного открытия законов Мендель через исследования Уго де Врис, Карл Корренс и Эрих фон Чермак в 1900 году эта наука начала формироваться благодаря принятию Томас Хант Морган в 1910 г. - модельного организма для генетических исследований - знаменитой плодовой мушки (Drosophila melanogaster ). Вскоре после этого Морган показал, что гены локализованы на хромосомах. После этого открытия он продолжил работу с дрозофилой и вместе с многочисленными другими исследовательскими группами подтвердил важность гена для жизни и развития организмов. Тем не менее химическая природа генов и механизмы их действия оставались загадкой. Молекулярные биологи посвятили себя определению структуры и описанию сложных отношений между генами и белками.

Развитие молекулярной биологии было не просто плодом какой-то внутренней «необходимости» в истории идей, но было характерным историческим феноменом со всеми его неизвестными, непредсказуемыми и случайными: замечательными достижениями в физике в начале XX век высветил относительную задержку в развитии биологии, которая стала «новым рубежом» в поисках знаний об эмпирическом мире. Более того, разработки теория информации и кибернетика В 1940-х годах, в ответ на военные нужды, новая биология принесла значительное количество плодотворных идей и, особенно, метафор.

Выбор бактерий и их вируса, бактериофага, в качестве моделей для изучения фундаментальных механизмов жизни был почти естественным - это самые маленькие живые организмы, о которых известно, - и в то же время плод индивидуального выбора. Эта модель обязана своим успехом, прежде всего, славе и чувству организованности. Макс Дельбрюк, немецкий физик, которому удалось создать динамичную исследовательскую группу в Соединенных Штатах, исключительной сферой которой было изучение бактериофага: фаговая группа.[7]

Географическая панорама развития новой биологии была обусловлена ​​прежде всего предшествующими работами. США, где генетика развивалась наиболее быстро, и Великобритания, где сосуществовали генетика и биохимические исследования высокого уровня, были в авангарде. Германия, колыбель революций в физике, с лучшими умами и самыми передовыми лабораториями генетики в мире, должна была сыграть первостепенную роль в развитии молекулярной биологии. Но история решила иначе: прибытие Нацисты в 1933 году - и, в меньшей степени, ужесточение тоталитарных мер в фашист Италия - вызвала эмиграцию большого количества еврейских и нееврейских ученых. Большинство из них бежало в США или Великобританию, что придало дополнительный импульс научному динамизму этих стран. Эти движения в конечном итоге с самого начала сделали молекулярную биологию поистине международной наукой.

История биохимии ДНК

Двойная спираль

Изучение ДНК - центральная часть молекулярной биологии.

Первое выделение ДНК

Работая в 19 веке, биохимики первоначально выделили ДНК и РНК (смешанные вместе) из ядер клеток. Они относительно быстро оценили полимерную природу своих изолятов «нуклеиновых кислот», но только позже поняли, что нуклеотиды бывают двух типов: один содержит рибоза и другие дезоксирибоза. Именно это последующее открытие привело к идентификации и названию ДНК как вещества, отличного от РНК.

Фридрих Мишер (1844–1895) в 1869 году открыл вещество, которое он назвал «нуклеином». Несколько позже он выделил чистый образец вещества, ныне известного как ДНК, из спермы лосося, а в 1889 году его ученик, Ричард Альтманн, назвал ее «нуклеиновой кислотой». Было обнаружено, что это вещество существует только в хромосомах.

В 1919 г. Фебус Левен на Институт Рокфеллера идентифицировал компоненты (четыре основания, сахар и фосфатную цепь) и показал, что компоненты ДНК были связаны в порядке фосфат-сахар-основание. Он назвал каждую из этих единиц нуклеотид и предположил, что молекула ДНК состоит из цепочки нуклеотидных единиц, связанных друг с другом через фосфатные группы, которые составляют «основу» молекулы. Однако Левен подумал, что цепочка короткая и что основания повторяются в том же фиксированном порядке. Торбьорн Касперссон и Эйнар Хаммерстен показал, что ДНК была полимером.

Хромосомы и унаследованные черты

В 1927 г. Николай Кольцов предположили, что унаследованные признаки будут унаследованы через «гигантскую наследственную молекулу», которая будет состоять из «двух зеркальных цепей, которые будут реплицироваться полуконсервативным способом, используя каждую цепочку в качестве матрицы».[8] Макс Дельбрюк, Николай Тимофеев-Ресовский, и Карл Г. Циммер опубликованные в 1935 году результаты, предполагающие, что хромосомы представляют собой очень большие молекулы, структура которых может быть изменена обработкой Рентгеновские лучи, и что, изменив их структуру, можно изменить наследственные характеристики, которыми управляют эти хромосомы. В 1937 г. Уильям Эстбери произвел первый дифракция рентгеновских лучей паттерны из ДНК. Он не смог предложить правильную структуру, но образцы показали, что ДНК имеет регулярную структуру, и поэтому можно было бы вывести, что это за структура.

В 1943 г. Освальд Теодор Эйвери и группа ученых обнаружила, что черты, присущие «гладкой» форме Пневмококк могут быть переведены в «грубую» форму тех же бактерий, просто сделав убитую «гладкую» (S) форму доступной для живой «грубой» (R) формы. Совершенно неожиданно живой R Пневмококк бактерии трансформировались в новый штамм S-формы, и переданные S-характеристики оказались наследственными. Эйвери назвал средство передачи черт принцип преобразования; он определил ДНК как трансформирующий принцип, а не белок как считалось ранее. Он по сути переделал Фредерик Гриффит эксперимент. В 1953 г. Альфред Херши и Марта Чейз сделал эксперимент (Эксперимент Херши – Чейза ), который показал, в Фаг Т2, что ДНК - это генетический материал (Херши разделил Нобелевскую премию с Луриа).

Открытие структуры ДНК

В 1950-х годах три группы поставили перед собой цель определить структуру ДНК. Первая группа, которая стартовала, была в Королевский колледж Лондона и во главе с Морис Уилкинс и позже к нему присоединился Розалинд Франклин. Другая группа, состоящая из Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон был в Кембридж. Третья группа была на Калтех и во главе с Линус Полинг. Крик и Уотсон построили физические модели, используя металлические стержни и шары, в которые они включили известные химические структуры нуклеотидов, а также известное положение связей, соединяющих один нуклеотид с другим вдоль полимера. В Королевском колледже Морис Уилкинс и Розалинд Франклин обследовали дифракция рентгеновских лучей паттерны волокон ДНК. Из трех групп только лондонская группа смогла получить дифракционные картины хорошего качества и, таким образом, получить достаточно количественных данных о структуре.

Структура спирали

В 1948 году Полинг обнаружил, что многие белки включают спиралевидные (см. альфа спираль ) формы. Полинг вывел эту структуру из рентгенограмм и попыток физически смоделировать структуры. (Позже Полинг также предположил неправильную трехцепочечную спиральную структуру ДНК на основе данных Эстбери.) Даже в первоначальных данных дифракции ДНК Мориса Уилкинса было очевидно, что структура включает спирали. Но это озарение было только началом. Оставались вопросы о том, сколько нитей сошлось, одинаково ли это число для каждой спирали, указывают ли основания на ось спирали или от нее, и, в конечном итоге, каковы точные углы и координаты всех связей и атомов. Такие вопросы побудили Уотсона и Крика к моделированию.

Дополнительные нуклеотиды

В своем моделировании Уотсон и Крик ограничились тем, что они считали химически и биологически разумными. Тем не менее, диапазон возможностей был очень широк. Прорыв произошел в 1952 году, когда Эрвин Чаргафф посетил Кембридж и вдохновил Крика описанием экспериментов, которые Чаргафф опубликовал в 1947 году. Чаргафф заметил, что пропорции четырех нуклеотидов варьируются от одного образца ДНК к другому, но для определенных пар нуклеотидов - аденина и тимина, гуанина и цитозина - два нуклеотида всегда присутствуют в равных пропорциях.

Модель ДНК Крика и Ватсона, построенная в 1953 году, была реконструирован в значительной степени от его оригинальных частей в 1973 году и переданы в дар Национальный музей науки В Лондоне.

С помощью дифракция рентгеновских лучей, а также другие данные из Розалинд Франклин и ее информация о том, что базы были парными, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик пришли к первой точной модели молекулярной структуры ДНК в 1953 году, которая была принята после изучения Розалинд Франклин.[9] Об открытии было объявлено 28 февраля 1953 года; первая статья Уотсона / Крика появилась в Природа 25 апреля 1953 года. Сэр Лоуренс Брэгг, директор Кавендишская лаборатория, где работали Уотсон и Крик, выступили на Больница Гая Медицинская школа в Лондоне в четверг, 14 мая 1953 г., в результате чего была опубликована статья Ричи Колдер в Хроника новостей из Лондона, в пятницу, 15 мая 1953 года, под названием «Почему ты. Ближе к секрету жизни». Новость достигла читателей Нью-Йорк Таймс следующий день; Виктор К. Макэлхени, исследуя его биографию "Ватсон и ДНК: совершая научную революцию", нашел вырезку из шести абзацев. Нью-Йорк Таймс статья, написанная из Лондона и датированная 16 мая 1953 года, с заголовком «Сканируется форма« единицы жизни »в клетке». Статья вышла в раннем выпуске, а затем была удалена, чтобы освободить место для новостей, которые считались более важными. (Нью-Йорк Таймс впоследствии опубликовал более длинную статью 12 июня 1953 г.). Газета для студентов Кембриджского университета также опубликовал собственную короткую статью об открытии в субботу, 30 мая 1953 года. Оригинальное сообщение Брэгга на Сольвей Конференция на белки в Бельгии 8 апреля 1953 г. пресса не сообщила об этом. В 1962 году Уотсон, Крик и Морис Уилкинс совместно получил Нобелевская премия по физиологии и медицине для определения структуры ДНК.

«Центральная догма»

Модель Уотсона и Крика сразу же после презентации вызвала большой интерес. Придя к выводу 21 февраля 1953 года, Уотсон и Крик сделали свое первое объявление 28 февраля. В своей влиятельной презентации в 1957 году Крик изложил "центральная догма молекулярной биологии ", который предсказал взаимосвязь между ДНК, РНК и белками, и сформулировал" гипотезу последовательности ". Критическое подтверждение механизма репликации, который подразумевался двойной спиральной структурой, последовавшей в 1958 году в форме Эксперимент Мезельсона – Шталя. Работа Крика с сотрудниками показала, что генетический код основан на неперекрывающихся триплетах оснований, называемых кодонами, и Хар Гобинд Кхорана и другие расшифровали генетический код вскоре после этого (1966). Эти открытия представляют собой рождение молекулярная биология.

История третичной структуры РНК

Смотрите также: История биологии РНК

Предыстория: спиральная структура РНК

Самые ранние работы в области структурной биологии РНК более или менее совпадали с работой, проводимой над ДНК в начале 1950-х годов. В своей основополагающей статье 1953 года Уотсон и Крик предположили, что вытеснение Ван-дер-Ваальса группой 2`OH рибоза помешало бы РНК принять двойную спиральную структуру, идентичную предложенной ими модели - то, что мы теперь знаем как B-форму ДНК.[10] Это вызвало вопросы о трехмерной структуре РНК: может ли эта молекула образовывать какой-то тип спиральной структуры, и если да, то как? Как и в случае с ДНК, ранние структурные работы над РНК были сосредоточены вокруг выделения полимеров нативной РНК для дифракционного анализа волокон. Частично из-за неоднородности тестируемых образцов, дифрактограммы ранних волокон обычно были неоднозначными и их трудно было интерпретировать. В 1955 г. Марианна Грюнберг-Манаго и его коллеги опубликовали статью, описывающую фермент полинуклеотидфосфорилаза, который отщепляет фосфатную группу от дифосфатов нуклеотидов, чтобы катализировать их полимеризацию.[11] Это открытие позволило исследователям синтезировать гомогенные нуклеотидные полимеры, которые они затем объединили для получения двухцепочечных молекул. Эти образцы дали наиболее легко интерпретируемые картины дифракции волокон, которые когда-либо были получены, что свидетельствует об упорядоченной спиральной структуре родственной двухцепочечной РНК, которая отличается от структуры, наблюдаемой в ДНК. Эти результаты проложили путь к серии исследований различных свойств и свойств РНК. В конце 1950-х - начале 1960-х годов было опубликовано множество статей по различным темам в структуре РНК, включая гибридизацию РНК-ДНК,[12] трехцепочечная РНК,[13] и даже мелкомасштабная кристаллография динуклеотидов РНК - G-C и A-U - в примитивных спиральных структурах.[14] Более подробный обзор ранних работ в области структурной биологии РНК можно найти в статье Эра пробуждения РНК: структурная биология РНК в первые годы к Александр Рич.[15]

Начало: кристаллическая структура тРНКPHE

В середине 1960-х годов роль тРНК в синтезе белков интенсивно изучается. На этой точке, рибосомы были вовлечены в синтез белка, и было показано, что цепь мРНК необходима для образования этих структур. В публикации 1964 года Уорнер и Рич показали, что рибосомы, активные в синтезе белка, содержат молекулы тРНК, связанные в сайтах A и P, и обсудили представление о том, что эти молекулы помогают в пептидилтрансфераза реакция.[16] Однако, несмотря на значительную биохимическую характеристику, структурные основы функции тРНК оставались загадкой. В 1965 году Холли и другие. очистил и секвенировал первую молекулу тРНК, первоначально предполагая, что она приняла структуру клеверного листа, основанную в основном на способности определенных участков молекулы образовывать структуры петли стебля.[17] Выделение тРНК оказалось первой крупной удачей в структурной биологии РНК. Следующий Роберт В. Холли После публикации многочисленные исследователи начали работу по выделению тРНК для кристаллографических исследований, разрабатывая усовершенствованные методы выделения молекулы в процессе работы. К 1968 году несколько групп получили кристаллы тРНК, но они оказались ограниченного качества и не дали данных с разрешением, необходимым для определения структуры.[18] В 1971 году Ким и другие. совершил еще один прорыв, производя кристаллы дрожжевой тРНКPHE который дифрагировал до разрешения 2-3 Ангстремов с помощью спермин, встречающийся в природе полиамин, который связывался с тРНК и стабилизировал ее.[19] Однако, несмотря на наличие подходящих кристаллов, структура тРНКPHE не сразу было решено в высоком разрешении; скорее, потребовались новаторские работы по использованию производных тяжелых металлов и гораздо больше времени, чтобы получить высококачественную карту плотности всей молекулы. В 1973 году Ким и другие. создали карту 4 Ангстрема молекулы тРНК, в которой они могли однозначно проследить весь остов.[20] За этим решением последуют многие другие, поскольку различные исследователи работали над уточнением структуры и, таким образом, более тщательно выясняли детали взаимодействия спаривания оснований и стэкинга, а также проверяли опубликованную архитектуру молекулы.

ТРНКPHE структура примечательна в области структуры нуклеиновой кислоты в целом, поскольку она представляет собой первое решение длинноцепочечной структуры нуклеиновой кислоты любого типа - РНК или ДНК - предшествующее Ричард Э. Дикерсон решение додекамера B-формы почти на десятилетие.[21] Также тРНКPHE продемонстрировали многие из третичных взаимодействий, наблюдаемых в архитектуре РНК, которые не будут классифицироваться и более тщательно изучены в ближайшие годы, обеспечивая основу для всех будущих исследований структуры РНК.

Возрождение: рибозим «голова молота» и интрон группы I: P4-6

В течение значительного времени после появления первых структур тРНК область структуры РНК не претерпевала значительных успехов. Возможность изучения структуры РНК зависела от возможности выделить РНК-мишень. Это оказалось ограничивающим поле в течение многих лет, отчасти потому, что другие известные мишени, то есть рибосомы, было значительно труднее изолировать и кристаллизовать. Кроме того, поскольку другие интересные РНК-мишени просто не были идентифицированы или недостаточно изучены, чтобы считаться интересными, просто не хватало вещей для структурного изучения. Таким образом, в течение примерно двадцати лет после первоначальной публикации тРНКPHE структуры, были решены структуры только нескольких других РНК-мишеней, причем почти все они принадлежали семейству РНК-переносчиков.[22] Этот досадный недостаток возможностей в конечном итоге будет преодолен в значительной степени благодаря двум крупным достижениям в исследованиях нуклеиновых кислот: идентификации рибозимы, и возможность производить их через in vitro транскрипция.

После Том Чех публикация о причастности Тетрахимена группа I интрон как автокаталитический рибозим,[23] и Сидни Альтман отчет о катализе рибонуклеаза P РНК,[24] несколько других каталитических РНК были идентифицированы в конце 1980-х годов,[25] в том числе рибозим-молот. В 1994 году Маккей и другие. опубликовал структуру Рибозим РНК-ДНК в форме головки молотка -ингибитор комплекс 'с разрешением 2,6 Ангстрема, в котором автокаталитическая активность рибозима была нарушена путем связывания с субстратом ДНК.[26] Конформация рибозима, опубликованная в этой статье, в конечном итоге была показана как одно из нескольких возможных состояний, и хотя этот конкретный образец был каталитически неактивным, последующие структуры выявили его архитектуру активного состояния. За этой структурой последовали Дженнифер Дудна публикация структуры доменов P4-P6 Тетрахимена интрон группы I, фрагмент рибозима, ставший известным благодаря Чеху.[27] Второй пункт в названии публикации - Принципы упаковки РНК - кратко демонстрирует ценность этих двух структур: впервые можно было провести сравнения между хорошо описанными структурами тРНК и глобулярными РНК вне семейства переносчиков. Это позволило построить структуру категоризации для третичной структуры РНК. Теперь стало возможным предложить сохранение мотивов, складок и различных локальных стабилизирующих взаимодействий. Для раннего обзора этих структур и их значения см. РНК-ФОЛДЫ: выводы из недавних кристаллических структурДудна и Ферре-Д'Амар.[28]

В дополнение к успехам, достигнутым в определении глобальной структуры с помощью кристаллографии, в начале 1990-х годов также были внедрены ЯМР как мощный метод в структурной биологии РНК. Наряду с крупномасштабными структурами рибозимов, решаемых кристаллографически, ряд структур малых РНК и РНК, образующих комплекс с лекарствами и пептидами, был решен с помощью ЯМР.[29] Кроме того, в настоящее время ЯМР используется для исследования и дополнения кристаллических структур, примером чего является определение структуры изолированного мотива рецептора тетрапетли, опубликованное в 1997 году.[30] Подобные исследования позволили более точно охарактеризовать взаимодействия спаривания оснований и стэкинга оснований, которые стабилизировали глобальные складки больших молекул РНК. Важность понимания третичных структурных мотивов РНК была пророчески хорошо описана Мишелем и Костой в их публикации, в которой указывались тетрапетля мотив: "..это не должно вызывать удивления, если молекулы самосгибающейся РНК будут интенсивно использовать только относительно небольшой набор третичных мотивов. Выявление этих мотивов очень поможет модельным предприятиям, которые будут оставаться важными до тех пор, пока кристаллизация больших РНК остается сложной задачей ».[31]

Современная эпоха: эпоха структурной биологии РНК

Возрождение структурной биологии РНК в середине 1990-х годов вызвало настоящий взрыв в области структурных исследований нуклеиновых кислот. С момента публикации головки молотка и P4-6 структур, были сделаны многочисленные важные вклады в эту область. Некоторые из наиболее примечательных примеров включают структуры Группа I и Интроны группы II,[32] и Рибосома решено Ненад Бан и коллеги в лаборатории Томас Штайц.[33] Первые три конструкции были изготовлены с использованием in vitro транскрипция, и что ЯМР сыграл роль в исследовании частичных компонентов всех четырех структур - свидетельство необходимости обоих методов для исследования РНК. Совсем недавно 2009 г. Нобелевская премия по химии был присужден Ада Йонат, Венкатраман Рамакришнан и Томас Штайц за их структурные исследования рибосомы, демонстрирующие выдающуюся роль структурной биологии РНК в современной молекулярной биологии.

История биохимии белков

Первая изоляция и классификация

Белки были признаны отдельным классом биологических молекул в восемнадцатом веке. Антуан Фуркрой и другие. Члены этого класса (называемые «альбуминоиды», Eiweisskörper, или же matières albuminoides) были признаны за их способность коагулировать или же флокулировать при различных обработках, таких как нагревание или кислота; хорошо известные примеры в начале девятнадцатого века включали белок из яичные белки, кровь сывороточный альбумин, фибрин, и пшеница глютен. Сходство между приготовлением яичных белков и свертыванием молока было признано еще в древние времена; например, имя белок для белка яичного белка был придуман Плиний Старший от латинский Альбус ови (Яичный белок).

По совету Йенс Якоб Берцелиус, голландский химик Герхардус Йоханнес Малдер выполненный элементный анализ общих белков животного и растительного происхождения. К всеобщему удивлению, все белки имели примерно одинаковые эмпирическая формула, примерно C400ЧАС620N100О120 с отдельными атомами серы и фосфора. Малдер опубликовал свои открытия в двух статьях (1837, 1838) и выдвинул гипотезу о существовании одного основного вещества (Grundstoff) белков, и что он синтезируется растениями и всасывается из них животными при пищеварении. Берцелиус был одним из первых сторонников этой теории и предложил название «белок» для этого вещества в письме от 10 июля 1838 года.

Название белка, которое он предлагает для органического оксида фибрин и альбумин, Я хотел получить от [ Греческий слово] πρωτειος, потому что это, по-видимому, примитивное или основное вещество питания животных.

Малдер продолжал идентифицировать продукты распада белка, такие как аминокислота, лейцин, для которого он нашел (почти правильный) молекулярный вес 131 Да.

Очистки и измерения массы

Минимальная молекулярная масса, предложенная анализом Малдера, составляла примерно 9 кДа, в сотни раз больше, чем другие изучаемые молекулы. Следовательно, химическая структура белков (их первичная структура ) была активной областью исследований до 1949 г., когда Фред Сэнгер последовательный инсулин. (Правильная) теория о том, что белки были линейными полимерами аминокислоты связаны пептидные связи был предложен независимо и одновременно Франц Хофмайстер и Эмиль Фишер на той же конференции в 1902 году. Однако некоторые ученые скептически относились к тому, что такое долгое время макромолекулы может быть стабильным в растворе. Следовательно, многочисленные альтернативные теории белка первичная структура были предложены, например, коллоидная гипотеза о том, что белки представляют собой совокупности небольших молекул, циклол гипотеза Дороти Ринч, гипотеза дикетопиперазина о Эмиль Абдерхалден и пиррол / пиперидиновая гипотеза Тренсгарда (1942). Большинство этих теорий затрудняло объяснение того факта, что переваривание белков приводит к пептиды и аминокислоты. Наконец, было показано, что белки представляют собой макромолекулы четко определенного состава (а не коллоидные смеси). Теодор Сведберг с помощью аналитическое ультрацентрифугирование. Возможность того, что некоторые белки являются нековалентными ассоциациями таких макромолекул, была показана Гилберт Смитсон Адэр (измеряя осмотическое давление из гемоглобин ), а позже Фредерик М. Ричардс в своих исследованиях рибонуклеазы S. масс-спектрометрии белков уже давно является полезным методом определения посттрансляционные модификации и, совсем недавно, для исследования структуры белка.

Большинство белков трудно очищать в количествах, превышающих миллиграммы, даже с использованием самых современных методов. Следовательно, ранние исследования были сосредоточены на белках, которые можно было очищать в больших количествах, например, белках кровь, Яичный белок, разные токсины и пищеварительные / метаболические ферменты, полученные из бойни. Многие методы очистки белка были разработаны во время Вторая Мировая Война в проекте, возглавляемом Эдвин Джозеф Кон для очистки белков крови, чтобы помочь солдатам выжить. В конце 1950-х гг. Armor Hot Dog Co. очищенный 1 кг (= один миллион миллиграммов) чистой бычьей поджелудочной железы рибонуклеаза А и сделал его доступным по невысокой цене для ученых всего мира.[34] Этот щедрый поступок сделал РНКазу А основным белком для фундаментальных исследований в течение следующих нескольких десятилетий, что привело к нескольким Нобелевским премиям.

Сворачивание белка и первые структурные модели

Изучение сворачивания белков началось в 1910 году с известной статьи Харриетт Чик и К. Дж. Мартин, в котором они показали, что флокуляция белка состоит из двух различных процессов: осадки белка из раствора предшествовал другим процессом, называемым денатурация, в котором белок стал гораздо менее растворимым, потерял свою ферментативную активность и стал более химически реактивным. В середине 1920-х гг. Тим Энсон и Альфред Мирский предположил, что денатурация - это обратимый процесс, правильная гипотеза, которая первоначально была высмеяна некоторыми учеными как «вскипание яйца». Ансон также предположил, что денатурация представляет собой процесс с двумя состояниями («все или ничего»), в котором один фундаментальный молекулярный переход приводит к резким изменениям растворимости, ферментативной активности и химической реактивности; он также отметил, что изменения свободной энергии при денатурации были намного меньше, чем изменения, которые обычно происходят в химических реакциях. В 1929 г. Сянь Ву предположил, что денатурация - это разворачивание белка, чисто конформационное изменение, которое привело к воздействию растворителя на боковые цепи аминокислот. Согласно этой (правильной) гипотезе, воздействие растворителя на алифатические и реакционноспособные боковые цепи делало белок менее растворимым и более реактивным, тогда как потеря определенной конформации вызывала потерю ферментативной активности. Гипотеза Ву, хотя и считалась правдоподобной, не была сразу принята, поскольку о структуре и энзимологии белка было известно очень мало, а другие факторы могли объяснить изменения растворимости, ферментативной активности и химической реактивности. В начале 1960-х гг. Крис Анфинсен показал, что сворачивание рибонуклеаза А был полностью обратимым без необходимости в внешних кофакторах, что подтвердило «термодинамическую гипотезу» сворачивания белка, согласно которой свернутое состояние представляет собой глобальный минимум свободная энергия для белка.

За гипотезой сворачивания белка последовали исследования физических взаимодействий, которые стабилизируют свёрнутые белковые структуры. Решающая роль гидрофобные взаимодействия была выдвинута гипотеза Дороти Ринч и Ирвинг Ленгмюр, как механизм, который может стабилизировать ее циклол конструкции. Хотя поддерживается Дж. Д. Бернал and others, this (correct) hypothesis was rejected along with the cyclol hypothesis, which was disproven in the 1930s by Линус Полинг (среди прочего). Instead, Pauling championed the idea that protein structure was stabilized mainly by водородные связи, an idea advanced initially by William Astbury (1933). Remarkably, Pauling's incorrect theory about H-bonds resulted in his правильный models for the вторичная структура elements of proteins, the альфа спираль и бета-лист. The hydrophobic interaction was restored to its correct prominence by a famous article in 1959 by Walter Kauzmann на денатурация, based partly on work by Kaj Linderstrøm-Lang. The ionic nature of proteins was demonstrated by Bjerrum, Weber and Арне Тизелиус, but Linderstrom-Lang showed that the charges were generally accessible to solvent and not bound to each other (1949).

В вторичный and low-resolution третичная структура of globular proteins was investigated initially by hydrodynamic methods, such as analytical ultracentrifugation и двойное лучепреломление потока. Spectroscopic methods to probe protein structure (such as circular dichroism, fluorescence, near-ultraviolet and infrared absorbance) were developed in the 1950s. The first atomic-resolution structures of proteins were solved by Рентгеновская кристаллография in the 1960s and by ЯМР в 1980-е гг. По состоянию на 2019 год, то Банк данных белков has over 150,000 atomic-resolution structures of proteins. В последнее время криоэлектронная микроскопия большого macromolecular assemblies has achieved atomic resolution, and computational предсказание структуры белка of small protein домены is approaching atomic resolution.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Weaver, Warren (6 November 1970). "Molecular Biology: Origin of the Term". Наука. 170 (3958): 581–582. Bibcode:1970Sci ... 170R.581W. Дои:10.1126 / science.170.3958.581-а. ISSN  0036-8075. JSTOR  1731491. PMID  4919180.
  2. ^ Beadle, G. W.; Tatum, E. L. (1941). "Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora". PNAS. 27 (11): 499–506. Bibcode:1941PNAS...27..499B. Дои:10.1073/pnas.27.11.499. ЧВК  1078370. PMID  16588492.
  3. ^ Эйвери, Освальд Т .; Colin M. MacLeod; Maclyn McCarty (1944-02-01). "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III". Журнал экспериментальной медицины. 79 (2): 137–158. Дои:10.1084 / jem.79.2.137. ЧВК  2135445. PMID  19871359.
  4. ^ Hershey, A.D. and Chase, M. (1952) "Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage" J Gen Physiol.
  5. ^ Watson J.D.; Crick F.H.C. (1953). "A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" (PDF). Природа. 171 (4356): 737–738. Bibcode:1953 г., природа. 171..737 Вт. Дои:10.1038 / 171737a0. PMID  13054692. Получено 13 Feb 2007.
  6. ^ Джейкоб Ф, Монод Дж (1961). «Генетические механизмы регуляции синтеза белков». Дж Мол Биол. 3 (3): 318–356. Дои:10.1016 / S0022-2836 (61) 80072-7. PMID  13718526.
  7. ^ Keen, E. C. (2015). "A century of phage research: Bacteriophages and the shaping of modern biology". BioEssays. 37 (1): 6–9. Дои:10.1002/bies.201400152. ЧВК  4418462. PMID  25521633.
  8. ^ Soyfer VN (September 2001). "The consequences of political dictatorship for Russian science". Nat. Rev. Genet. 2 (9): 723–9. Дои:10.1038/35088598. PMID  11533721.
  9. ^ Watson J, Crick F (1953). "Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid" (PDF). Природа. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953 г., природа. 171..737 Вт. Дои:10.1038 / 171737a0. PMID  13054692.
  10. ^ Watson JD, Crick FH (April 1953). "Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid" (PDF). Природа. 171 (4356): 737–738. Bibcode:1953 г., природа. 171..737 Вт. Дои:10.1038 / 171737a0. PMID  13054692.
  11. ^ Grunberg-Manago M, Ortiz PJ, Ochoa S (November 1955). "Enzymatic synthesis of nucleic acidlike polynucleotides". Наука. 122 (3176): 907–10. Bibcode:1955Sci...122..907G. Дои:10.1126/science.122.3176.907. PMID  13274047.
  12. ^ Rich A, Davies DR (July 1956). "A new, two-stranded helical structure: polyadenylic acid and polyuridylic acid". Варенье. Chem. Soc. 78 (14): 3548–3549. Дои:10.1021/ja01595a086.
  13. ^ Felsenfeld G, Davies DR, Rich A (April 1957). "Formation of a three-stranded polynucleotide molecule". Варенье. Chem. Soc. 79 (8): 2023–2024. Дои:10.1021/ja01565a074.
  14. ^ Sobll H, Tomita K, Rich A (June 1963). "The crystal structure of an intermolecular complex containing a guanine and a cytosine derivative". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 49 (6): 885–92. Bibcode:1963PNAS...49..885S. Дои:10.1073/pnas.49.6.885. ЧВК  300027. PMID  13989773.
  15. ^ Rich A (May 2009). "The era of RNA awakening: structural biology of RNA in the early years". Q. Rev. Biophys. 42 (2): 117–37. Дои:10.1017/S0033583509004776. PMID  19638248.
  16. ^ Warner JR, Rich A (June 1964). "The number of soluble RNA molecules on reticulocyte polyribosomes". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 51 (6): 1134–41. Bibcode:1964PNAS...51.1134W. Дои:10.1073/pnas.51.6.1134. ЧВК  300225. PMID  14215634.
  17. ^ Holley, RW, Apgar, J, Everett, GA, Madison, JT, Marguisse, M, Merrill, SH, Penwick, JR, Zamir (March 1965). "Structure of a ribonucleic acid". Наука. 147 (3664): 1462–5. Bibcode:1965Sci...147.1462H. Дои:10.1126/science.147.3664.1462. PMID  14263761.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  18. ^ Kim SH, Rich A (December 1968). "Single crystals of transfer RNA: an X-ray diffraction study". Наука. 162 (3860): 1381–4. Bibcode:1968Sci...162.1381K. Дои:10.1126/science.162.3860.1381. PMID  4880852.
  19. ^ Kim SH, Quigley G, Suddath FL, Rich A (April 1971). "High-resolution x-ray diffraction patterns of crystalline transfer RNA that show helical regions". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 68 (4): 841–5. Bibcode:1971PNAS...68..841K. Дои:10.1073/pnas.68.4.841. ЧВК  389056. PMID  5279525.
  20. ^ Kim SH, Quigley GJ, Suddath FL, McPherson A, Sneden D, Kim JJ, Weinzierl J, Rich A (January 1973). "Three-dimensional structure of yeast phenylalanine transfer RNA: folding of the polynucleotide chain". Наука. 179 (4070): 285–8. Bibcode:1973Sci...179..285K. Дои:10.1126/science.179.4070.285. PMID  4566654.
  21. ^ Drew HR, Wing RM, Takano T, Broka C, Tanaka S, Itakura K, Dickerson RE (April 1981). "Structure of a B-DNA dodecamer: conformation and dynamics". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 78 (4): 2179–83. Bibcode:1981PNAS...78.2179D. Дои:10.1073/pnas.78.4.2179. ЧВК  319307. PMID  6941276.
  22. ^ Shen LX, Cai Z, Tinoco I (August 1995). "RNA structure at high resolution". FASEB J. 9 (11): 1023–33. Дои:10.1096/fasebj.9.11.7544309. PMID  7544309.
  23. ^ Cech TR, Zaug AJ, Grabowski PJ (December 1981). "In vitro splicing of the ribosomal RNA precursor of Tetrahymena: involvement of a guanosine nucleotide in the excision of the intervening sequence". Клетка. 27 (3 Pt 2): 487–96. Дои:10.1016/0092-8674(81)90390-1. PMID  6101203.
  24. ^ Stark BC, Kole R, Bowman EJ, Altman S (August 1978). "Ribonuclease P: an enzyme with an essential RNA component". Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 75 (8): 3717–21. Bibcode:1978PNAS...75.3717S. Дои:10.1073/pnas.75.8.3717. ЧВК  392857. PMID  358197.
  25. ^ Prody GA, Bakos JT, Buzayan JM, Schneider IR, Bruening G (March 1986). "Autolytic Processing of Dimeric Plant Virus Satellite RNA". Наука. 231 (4745): 1577–1580. Bibcode:1986Sci...231.1577P. Дои:10.1126/science.231.4745.1577. PMID  17833317.
  26. ^ Pley HW, Flaherty KM, McKay DB (November 1994). "Three-dimensional structure of a hammerhead ribozyme". Природа. 372 (6501): 68–74. Bibcode:1994Natur.372...68P. Дои:10.1038/372068a0. PMID  7969422.
  27. ^ Cate JH, Gooding AR, Podell E, Zhou K, Golden BL, Kundrot CE, Cech TR, Doudna JA (September 1996). "Crystal structure of a group I ribozyme domain: principles of RNA packing". Наука. 273 (5282): 1678–85. Bibcode:1996Sci...273.1678C. Дои:10.1126/science.273.5282.1678. PMID  8781224.
  28. ^ Ferré-D'Amaré AR, Doudna JA (1999). "RNA folds: insights from recent crystal structures". Annu Rev Biophys Biomol Struct. 28 (1): 57–73. Дои:10.1146/annurev.biophys.28.1.57. PMID  10410795.
  29. ^ Ramos A, Gubser CC, Varani G (June 1997). "Recent solution structures of RNA and its complexes with drugs, peptides and proteins". Curr. Мнение. Struct. Биол. 7 (3): 317–23. Дои:10.1016/S0959-440X(97)80046-2. PMID  9204272.
  30. ^ Butcher SE, Dieckmann T, Feigon J (December 1997). "Solution structure of a GAAA tetraloop receptor RNA". EMBO J. 16 (24): 7490–9. Дои:10.1093/emboj/16.24.7490. ЧВК  1170348. PMID  9405377.
  31. ^ Costa M, Michel F (March 1995). "Frequent use of the same tertiary motif by self-folding RNAs". EMBO J. 14 (6): 1276–85. Дои:10.1002/j.1460-2075.1995.tb07111.x. ЧВК  398207. PMID  7720718.
  32. ^ PDB: 3BWP​; Toor N, Keating KS, Taylor SD, Pyle AM (April 2008). "Crystal structure of a self-spliced group II intron". Наука. 320 (5872): 77–82. Bibcode:2008Sci...320...77T. Дои:10.1126/science.1153803. ЧВК  4406475. PMID  18388288.; rendered with PyMOL
  33. ^ PDB: 1FFK​; Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (August 2000). «Полная атомная структура большой рибосомной субъединицы при разрешении 2,4 А». Наука. 289 (5481): 905–20. Bibcode:2000Sci...289..905B. CiteSeerX  10.1.1.58.2271. Дои:10.1126 / science.289.5481.905. PMID  10937989.; rendered with PyMOL
  34. ^ Richards FM (1972). "The 1972 nobel prize for chemistry". Наука. 178 (4060): 492–3. Bibcode:1972Sci...178..492R. Дои:10.1126/science.178.4060.492. PMID  17754377.

Источники

Смотрите также: Bibliography of molecular biology
  • Fruton, Joseph. Proteins, Genes, Enzymes: The Interplay of Chemistry and Biology. Нью-Хейвен: издательство Йельского университета. 1999 г. ISBN  0-300-07608-8
  • Lily E. Kay, The Molecular Vision of Life: Caltech, the Rockefeller Foundation, and the Rise of the New Biology, Oxford University Press, Reprint 1996
  • Morange, Michel. A History of Molecular Biology. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. 1998 г.