Гипотеза один ген - один фермент - One gene–one enzyme hypothesis

В гипотеза одного гена - одного фермента идея, что гены действовать через производство ферменты, где каждый ген отвечает за производство одного фермента, который, в свою очередь, влияет на один этап метаболический путь. Концепция была предложена Джордж Бидл и Эдвард Татум в влиятельной газете 1941 г.[1] на генетические мутации в плесени Neurospora crassa, и впоследствии их соавторы окрестили гипотезой «один ген - один фермент» Норман Горовиц.[2] В 2004 году Норман Горовиц вспоминал, что «эти эксперименты положили начало науке о том, что Бидл и Татум назвали« биохимической генетикой ». На самом деле они оказались первым оружием в том, что стало молекулярной генетикой, и всеми последующими разработками ».[3] Развитие гипотезы "один ген - один фермент" часто считается первым значительным результатом того, что стали называть молекулярная биология.[4] Хотя это было чрезвычайно влиятельным, эта гипотеза была признана вскоре после того, как ее предложение стало чрезмерное упрощение. Даже последующая переформулировка гипотезы «один ген - один полипептид» сейчас считается слишком простой, чтобы описать взаимосвязь между генами и белками.[5]

Источник

Упоминание о Бидл и Татума Приз 1958 г. на памятник на Американский музей естественной истории в Нью-Йорк.

Хотя некоторые экземпляры ошибки в обмене веществ следующий Менделирующее наследование паттерны были известны раньше, начиная с идентификации 1902 г. Арчибальд Гаррод из алкаптонурия как менделевец рецессивный По большей части генетика не могла быть применена к метаболизму до конца 1930-х годов. Еще одним исключением была работа Борис Эфрусси и Джордж Бидл, два генетика, работающие над пигментами цвета глаз Drosophila melanogaster плодовые мухи в Калтех лаборатория Томас Хант Морган. В середине 1930-х годов они обнаружили, что гены, влияющие на цвет глаз, оказались серийно зависимыми, и что нормальные красные глаза Дрозофила были результатом пигментов, которые претерпели ряд преобразований; мутации в генах разных цветов глаз нарушили трансформации в разных точках серии. Таким образом, Бидл пришел к выводу, что каждый ген отвечает за фермент, действующий в метаболическом пути синтеза пигмента. Однако, поскольку это был относительно поверхностный путь, а не тот, который широко используется различными организмами, мало что было известно о биохимических деталях метаболизма глазных пигментов плодовой мушки. Более подробное изучение этого пути потребовало выделения пигментов из глаз мух - чрезвычайно утомительный процесс.[6]

После переезда в Стэндфордский Университет в 1937 году Бидл начал работать с биохимиком Эдвард Татум изолировать пигменты глаз мух. После некоторого успеха с этим подходом - они идентифицировали один из промежуточных пигментов вскоре после другого исследователя, Адольф Бутенандт, опередили их к открытию - Бидл и Татум переключили свое внимание на организм, который значительно облегчил генетические исследования биохимических признаков: хлебная плесень Neurospora crassa, который недавно был подвергнут генетическому исследованию одним из исследователей Томаса Ханта Моргана, Карл С. Лингегрен. Нейроспора имел несколько преимуществ: требовалось простое среда роста, он быстро рос, и из-за производства аскоспоры во время размножения было легко выделить генетические мутанты для анализа. Они произвели мутации, подвергая гриб воздействию Рентгеновские лучи, а затем идентифицировали штаммы с метаболическими дефектами, варьируя питательную среду. Эта работа Бидла и Татума почти сразу привела к важному обобщению. Это заключалось в том, что большинство мутантов, не способных расти на минимальной среде, но способных расти на «полной» среде, требуют добавления только одной конкретной добавки для роста на минимальной среде. Если синтез определенного питательного вещества (например, аминокислота или же витамин ) был нарушен мутацией, этот мутантный штамм можно было выращивать, добавляя в среду необходимое питательное вещество. Это открытие предполагает, что большинство мутаций затрагивает только один метаболический путь. Дальнейшие доказательства, полученные вскоре после первоначальных открытий, показали, что обычно блокируется только один шаг на пути. После их первого сообщения о трех таких ауксотроф В 1941 г. Бидл и Татум использовали этот метод для создания серии родственных мутантов и определили порядок, в котором аминокислоты и некоторые другие метаболиты были синтезированы несколькими метаболическими путями.[7] Очевидный вывод из этих экспериментов заключался в том, что каждая мутация гена влияет на активность отдельного фермента. Это привело непосредственно к гипотезе «один ген - один фермент», которая, с некоторыми уточнениями и уточнениями, остается в основном актуальной до наших дней. Как напоминают Хоровиц и др.,[8] работа Бидла и Татума также продемонстрировала, что гены играют важную роль в биосинтезе. Во время экспериментов (1941) негенетики все еще считали, что гены управляют только тривиальными биологическими признаками, такими как цвет глаз и расположение щетинок у плодовых мушек, в то время как основная биохимия в цитоплазме определялась неизвестными процессами. Кроме того, многие уважаемые генетики считали, что действие гена слишком сложно, чтобы его можно было решить с помощью простого эксперимента. Таким образом, Бидл и Татум произвели фундаментальную революцию в нашем понимании генетики.

Питательные мутанты Нейроспора также оказалось, что они имеют практическое применение; в одном из первых, хотя и косвенных, примеров военное финансирование науки в области биологических наук Бидл получил дополнительное финансирование исследований (от Фонд Рокфеллера и ассоциация производителей военных пайков) для разработки штаммов, которые могут быть использованы для проба содержание питательных веществ в продуктах питания, чтобы обеспечить адекватное питание войск в Вторая Мировая Война.[9]

Гипотеза и альтернативные интерпретации

В их первых Нейроспора статья, опубликованная в номере журнала от 15 ноября 1941 г. Труды Национальной академии наук, Бидл и Татум отметили, что «вполне логично предположить, что эти гены, которые сами являются частью системы, контролируют или регулируют определенные реакции в системе, либо действуя непосредственно как ферменты, либо определяя специфичность ферментов», идея это было предложено, хотя и с ограниченной экспериментальной поддержкой, еще в 1917 году; они предложили новые доказательства, подтверждающие эту точку зрения, и обрисовали в общих чертах программу исследования, которая позволит изучить ее более полно.[1] К 1945 году Бидл, Татум и другие, работая с Нейроспора и другие модельные организмы, такие как Кишечная палочка, представили значительные экспериментальные доказательства того, что каждый этап метаболического пути контролируется одним геном. В обзоре 1945 года Бидл предположил, что «ген можно визуализировать как управляющий конечной конфигурацией белковой молекулы и, таким образом, определяющий ее специфичность». Он также утверждал, что «из соображений экономии в эволюционном процессе можно было ожидать, что, за некоторыми исключениями, окончательная специфичность конкретного фермента будет определяться только одним геном». В то время считалось, что гены состоят из белки или же нуклеопротеины (Хотя Эксперимент Эйвери – Маклауда – Маккарти и связанные с этим работы начали ставить под сомнение эту идею). Однако предполагаемая связь между одним геном и одним белковым ферментом пережила белковую теорию структуры гена. В статье 1948 года Норман Горовиц назвал эту концепцию «гипотезой один ген - один фермент».[2]

Несмотря на то влияние, один ген-один фермент гипотеза не была неоспоримой. Среди прочего, Макс Дельбрюк скептически относился к тому, что на каждом этапе метаболических путей фактически задействован только один фермент. Для многих, кто согласился с результатами, он усилил связь между генами и ферментами, так что некоторые биохимики считали, что гены мы ферменты; это согласуется с другими работами, такими как исследования воспроизводства вирус табачной мозаики (которые, как известно, имели наследственные вариации и следовали той же схеме автокатализ столько же ферментативных реакций) и кристаллизации этого вируса в виде явно чистого белка. В начале 1950-х годов открытия Neurospora вызывали всеобщее восхищение, но в 1951 году преобладало мнение, что вывод, который сделал из них Бидл, был чрезмерным упрощением.[8] Бидл писал в 1966 году, что после чтения симпозиума по генам и мутациям в Колд-Спринг-Харбор 1951 года у него сложилось впечатление, что сторонников гипотезы одного гена и одного фермента «можно пересчитать по пальцам одной руки, оставив пару пальцев наверху. . »[10] К началу 1950-х годов большинство биохимиков и генетиков считали ДНК наиболее вероятный кандидат на физическую основу гена, и гипотеза «один ген - один фермент» была соответственно переинтерпретирована.[11]

Один ген - один полипептид

Приписывая генам обучающую роль, Бидл и Тейтум неявно наделяли их информационными возможностями. Это понимание легло в основу концепции генетического кода. Однако только после проведения экспериментов, показывающих, что ДНК является генетическим материалом, что белки состоят из определенной линейной последовательности аминокислот и что структура ДНК содержит линейную последовательность пар оснований, появилась четкая основа для решения проблемы. генетический код.

К началу 1950-х годов достижения в биохимической генетике - отчасти стимулированные исходной гипотезой - сделали гипотезу «один ген - один фермент» очень маловероятной (по крайней мере, в ее первоначальной форме). Начиная с 1957 г. Вернон Ингрэм и другие показали через электрофорез и 2D хроматография что генетические вариации в белках (например, серповидноклеточный гемоглобин ) может быть ограничено различиями только в одной полипептидной цепи в мультимерный белок, что вместо этого приводит к гипотезе «один ген - один полипептид».[12] По мнению генетика Роуленд Х. Дэвис «К 1958 году - более того, даже к 1948 году - один ген, один фермент больше не были гипотезой, которую нужно решительно защищать; это было просто названием исследовательской программы».[13]

В настоящее время подход «один ген - один полипептид» не может объяснить различные варианты сплайсинга у многих организмов эукариот, которые используют сплайсосома для индивидуальной подготовки транскрипта РНК в зависимости от различных меж- и внутриклеточных сигналов окружающей среды. Это сращивание было обнаружено в 1977 г. Филипп Шарп и Ричард Дж. Робертс[14]

Возможное ожидание результатов Бидла и Татума

Историк Ян Сапп изучил противоречие в отношении немецкого генетика Франц Моэвус которые, как утверждали некоторые ведущие генетики 1940-х и 50-х годов, дали аналогичные результаты до знаменитой работы Бидла и Татума 1941 года.[15] Работа с водорослями Хламидомонада, Moewus опубликовал в 1930-х годах результаты, которые показали, что разные гены ответственны за разные ферментативные реакции при выработке гормонов, контролирующих воспроизводство организма. Однако, как умело подробно описывает Сапп, эти результаты были оспорены другими, которые посчитали данные «слишком хорошими, чтобы быть правдой» статистически, и результаты не могли быть воспроизведены.

Смотрите также

Рекомендации

  • Fruton JS (1999). Белки, ферменты, гены: взаимодействие химии и биологии. Новый рай: Издательство Йельского университета. ISBN  0-300-07608-8.
  • Кей Л.Е. (1993). Молекулярное видение жизни: Калифорнийский технологический институт, Фонд Рокфеллера и подъем новой биологии. Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN  0-19-511143-5.
  • Моранж М. (1998). История молекулярной биологии. Кобб М (пер.). Кембридж: Издательство Гарвардского университета. ISBN  0-674-39855-6.
  1. ^ а б Бидл Г.В., Татум Е.Л. (15 ноября 1941 г.). «Генетический контроль биохимических реакций у нейроспор» (PDF). PNAS. 27 (11): 499–506. Bibcode:1941ПНАС ... 27..499Б. Дои:10.1073 / pnas.27.11.499. ЧВК  1078370. PMID  16588492.
  2. ^ а б Горовиц, Норман (1948). «Гипотеза один ген - один фермент». Генетика. 33: 612–613.
  3. ^ Горовиц Н.Х., Берг П., Зингер М. и др. (Январь 2004 г.). "Столетие: Джордж Бидл, 1903-1989 годы". Генетика. 166 (1): 1–10. Дои:10.1534 / genetics.166.1.1. ЧВК  1470705. PMID  15020400.
  4. ^ Моранж, стр. 21 год
  5. ^ Бюссар А.Е. (2005). «Научная революция? Прионная аномалия может бросить вызов центральной догме молекулярной биологии». Отчеты EMBO. 6 (8): 691–694. Дои:10.1038 / sj.embor.7400497. ЧВК  1369155. PMID  16065057.
  6. ^ Моранж, стр. 21-24.
  7. ^ Fruton, стр. 432-434
  8. ^ а б Горовиц Н.Х. (май 1996 г.). «Шестидесятилетие биохимической генетики». Генетика. 143 (1): 1–4. ЧВК  1207243. PMID  8722756.
  9. ^ Кей, стр. 204-205.
  10. ^ Бидл, Г. В. (1966) "Биохимическая генетика: некоторые воспоминания", стр. 23-32 в Фаг и происхождение молекулярной биологиипод редакцией Дж. Кэрнса, Дж. С. Стента и Дж. Д. Уотсона. Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. ASIN: B005F08IQ8
  11. ^ Моранж, стр. 27-28.
  12. ^ Берг П., Певица М. Джордж Бидл, необычный фермер: появление генетики в 20 веке, CSHL Press, 2003. ISBN  0-87969-688-5, ISBN  978-0-87969-688-7
  13. ^ Дэвис Р. Х. (2007). «Потомство Бидла: невинность вознаграждена, невиновность потеряна» (PDF). Журнал биологических наук. 32 (2): 197–205 [202]. Дои:10.1007 / s12038-007-0020-5. PMID  17435312.
  14. ^ Чоу, Луиза Т., Ричард Э. Гелинас, Томас Р. Брокер и Ричард Дж. Робертс. «Удивительное расположение последовательностей на 5'-концах матричной РНК аденовируса 2». Клетка 12, вып. 1 (сентябрь 1977 г.): 1-8.
  15. ^ Ян Сапп (1990), Где лежит правда: Франц Моэвус и истоки молекулярной биологии, Нью-Йорк: Oxford University Press.

дальнейшее чтение