Группа фагов - Phage group

В фаговая группа (иногда называют Американская группа фагов) была неформальной сетью биологов, сосредоточенной на Макс Дельбрюк это во многом способствовало бактериальная генетика и истоки молекулярной биологии в середине 20 века. Группа фагов получила свое название от бактериофаги, инфекционные бактерии вирусы что группа использовала в качестве экспериментальных модельные организмы. Помимо Дельбрюка, к числу важных ученых, связанных с группой фагов, относятся: Сальвадор Лурия, Альфред Херши, Сеймур Бензер, Гюнтер Стент, Джеймс Д. Уотсон, Франк Шталь, и Ренато Дульбекко.

Происхождение группы фагов: люди, идеи, эксперименты и личные отношения

Бактериофаги были предметом экспериментальных исследований с тех пор, как Феликс д'Эрель выделили и разработали методы обнаружения и культивирование их, начиная с 1917 года. Дельбрюк, физик, ставший биологом, ищущий простейшую экспериментальную систему для исследования фундаментальных законов жизни, впервые столкнулся с фагом во время своего визита в 1937 году в Т. Х. Морган летающая лаборатория в Калтех. Дельбрюка не впечатлила экспериментально сложная модель организма Моргана. Дрозофила, но другой исследователь, Эмори Эллис, работал с более элементарным фагом. В течение следующих нескольких лет Эллис и Дельбрюк совместно работали над методами подсчета фагов и отслеживания. кривые роста; они установили базовую пошаговую схему роста вируса (наиболее очевидные особенности литический цикл ).[1]

Эмори Эллис (1906–2003) и Макс Дельбрюк (1906–1981)

В ретроспективной статье[2] Эмори Эллис заявил "Вскоре после Макс Дельбрук Прибыв в отделение биологии Калифорнийского технологического института, намереваясь узнать, как его знания в области физических наук могут быть продуктивно применены к биологическим проблемам, я показал ему несколько кривых ступенчатого роста. Его первым комментарием было: «Я в это не верю» ». Однако, как описывает Эллис, Дельбрук вскоре развеял эту первоначальную реакцию неверия своим собственным анализом явления и сразу же с энтузиазмом присоединился к работе, доведя до конца свое обучение в математики и физики, а также большой интерес к генетике. Их первые совместные открытия были опубликованы в 1939 году.[3]

Сальвадор Лурия (1912–1991) и Альфред Херши (1908–1997)

Группа фагов возникла примерно в 1940 году, после того, как Дельбрюк и Лурия встретились на конференции по физике. Дельбрюк и Сальвадор Лурия начал серию совместных экспериментов по изучению моделей заражения различных штаммов бактерий и бактериофагов. Вскоре они установили «принцип взаимного исключения», согласно которому отдельная бактерия может быть инфицирована только одним штаммом фага. В 1943 году их «тест на колебания», позже получивший название Эксперимент Лурии-Дельбрюка, показали, что генетические мутации резистентность к фагам возникает при отсутствии отбор, а не реакция на выбор.[4][5] До 1943 года бактериологи традиционно считали, что у бактерий нет хромосом и генов. Эксперимент Луриа-Дельбрюка показал, что бактерии, как и другие установленные модельные генетические организмы, имеют гены, и что они могут спонтанно мутировать с образованием мутантов, которые затем могут воспроизводиться с образованием клональных линий. В том же году они начали работать с Альфред Херши, еще один экспериментатор с фагами.[6] (Эти трое разделили бы 1969 Нобелевская премия по физиологии и медицине, «За работы над механизмом репликации и генетикой вирусов».)

Херши,[7] ретроспективно описал обстоятельства, приведшие к эксперименту с фагом, который он провел со своим научным сотрудником, Марта Чейз, в 1952 году, позже известный как Эксперимент Херши – Чейза.[8] Этот эксперимент предоставил ключевые доказательства того, что ДНК, в отличие от белка, является генетическим материалом фага и, следовательно, вероятным генетическим материалом в целом.

В 1946 году Лурия сделал открытие, которому суждено было открыть новое понимание того, как достигается стабильность ДНК (см. Luria,[5] стр. 96). Он обнаружил, что когда после УФ-облучения два или более «мертвых» фага попадают в одну и ту же бактериальную клетку, они часто снова оживают и дают нормальное живое потомство.[9] Это был первый пример реактивации клеток или организмов, поврежденных радиацией. Он правильно интерпретировал реактивацию как результат генетической рекомбинации (см. Также гомологичная рекомбинация ). Джеймс Уотсон (будущий соавтор, открывший структуру ДНК Уотсона-Крика в 1953 году и лауреат Нобелевской премии 1962 года), был первым аспирантом Лурии в Университете Индианы. В своей кандидатской диссертации Уотсон показал, что рентгеновский фаг может участвовать в генетическая рекомбинация и повторная активация множественности.

Как вспоминал Лурия (1984,[5] стр. 97) открытие реактивации облученного фага (именуемого «повторная активация множественности ") сразу же начал бурную деятельность по изучению восстановления радиационных повреждений в группе ранних фагов (обзор Bernstein[10] в 1981 г.). Позже выяснилось, что восстановление поврежденного фага взаимной помощью, которое обнаружил Лурия, было лишь частным случаем восстановления ДНК. Клетки всех типов, не только бактерии и их вирусы, но и все изученные организмы, включая человека, теперь, как известно, обладают сложными биохимическими процессами восстановления повреждений ДНК (см. Ремонт ДНК ). В настоящее время признается, что процессы репарации ДНК играют решающую роль в защите от старения, рака и бесплодия.

Джеймс Уотсон (1928–) и Ренато Дульбекко (1914–2012)

Джим Уотсон, в ретроспективной статье,[11] описал свой первый студенческий опыт с Луриа в 1947 году. Очевидно, согласно Уотсону, «… многие студенты боялись Лурии, который имел репутацию высокомерного по отношению к людям, которые ошибались». Однако по мере того, как приближался осенний семестр, Уотсон «не видел свидетельств, по слухам, невнимательного отношения к болверам». Таким образом, без каких-либо серьезных оговорок (за исключением случайных опасений, что он недостаточно сообразителен, чтобы двигаться в своем кругу), он спросил Лурию, может ли он провести исследование под его руководством в весенний семестр. Лурия сразу же согласился и поручил Ватсону изучить индуцированные рентгеновскими лучами повторная активация множественности фага, как описано выше. Единственным другим ученым в лаборатории Лурии в то время, с которым Уотсон делил лабораторный стол, был Ренато Дульбекко (будущий член группы фагов), который недавно прибыл из Италии для проведения экспериментов по реактивации множественности фагов. Позже в том же семестре (1948 г.) Уотсон впервые встретился с Дельбрюком, который ненадолго посетил Лурию. Watson[11] написал: «Почти из первого предложения Дельбрюка я знал, что не буду разочарован. Он не ходил вокруг да около, и смысл его слов всегда был ясен. Но еще более важными для меня были его юная внешность и дух». Уотсон отметил, что в этом случае, как и во многих последующих случаях, Дельбрюк говорил о Бор (физик) и его вера в то, что принцип дополнительности, возможно, подобный тому, который необходим для понимания квантовой механики, будет ключом к реальному пониманию биологии.

В 1950 году Ренато Дульбекко, ныне работающий в Калифорнийском технологическом институте вместе с Дельбрюком, разработал процедуру анализа частиц вируса животных по их образованию бляшек на листе культивируемых клеток, точно так же, как фаги образуют бляшки на лужайке бактериальных клеток. Эта процедура подготовила почву для того, чтобы Дульбекко реализовал комплексную исследовательскую программу для количественных исследований вирусов животных, чтобы понять их внутриклеточный репродуктивный цикл. Эта работа была отмечена присуждением Нобелевской премии 1975 года.[12]

Мэтью Мезельсон (1930–) и Франклин Шталь (1929–)

После открытия структуры ДНК в 1953 году все еще было неясно, как ДНК реплицируется. В то время излюбленной моделью была полуконсервативная репликация, но требовалось экспериментальное подтверждение. В Эксперимент Мезельсона – Шталя,[13] в исполнении Мэтью Мезельсон и Франклин Шталь в 1958 году это был ключевой эксперимент, который предоставил убедительные доказательства полуконсервативной репликации, механизма, который, как теперь известно, является правильным. Мезельсон и Шталь описали обстоятельства, приведшие к этому ключевому эксперименту.[14] С тех пор он был описан как «Самый красивый эксперимент в биологии».[15] Его красота связана с простотой результата, хотя путь, приведший к эксперименту, был далеко не простым.

Сеймур Бензер (1921–2007) и Жан Вейгл (1901–1968)

Как описано в ретроспективной статье,[16] Сеймур Бензер присоединился к фаговой группе Дельбрюка в Калифорнийском технологическом институте в 1949 году в качестве постдокторанта. Там он делил лабораторную комнату с Жан Вейгл где они провели совместные эксперименты с фагом Т4. Покинув Калифорнийский технологический институт, Бензер продолжил эксперименты с фагом Т4 в Институте Пастера в Париже, а затем в Университете Пердью, где он разработал систему для изучения тонкой структуры гена с использованием мутантов, дефектных в генах rIIA и rIIB.[17][18] Эти генетические эксперименты, включающие скрещивания мутантов rII, привели к обнаружению уникального линейного порядка мутационных сайтов в генах. Этот результат явился убедительным доказательством ключевой идеи о том, что ген имеет линейную структуру, эквивалентную длине ДНК, со многими сайтами, которые могут независимо мутировать.

В 1952 г. Сальвадор Лурия открыл феномен "рестрикционной модификации" (модификация фага, растущего внутри инфицированной бактерии, так что при их высвобождении и повторном заражении родственной бактерией рост фага ограничивается) (описанный Луриа,[5] стр. 45 и 99). Вейгле, работая с Джузеппе Бертани и Вернер Арбер Вскоре выяснилось, в чем причина этого явления. Они показали, что ограничение на самом деле было вызвано атакой специфических бактериальных ферментов на модифицированную ДНК фага. Эта работа привела к открытию класса ферментов, ныне известных как "рестрикционные ферменты. »Эти ферменты позволили управлять ДНК в лаборатории, тем самым создав основу для развития генной инженерии.

Вейгл также продемонстрировал индуцибельную природу генов реакции на повреждение ДНК у бактерий, явление, которое стало известно как SOS ответ. Этот ответ включает индуцируемый повреждением ДНК мутагенез (названный в его честь мутагенез Вейгля) и индуцируемую репарацию после повреждения ДНК (названную реактивацией Вейгля).

Сидней Бреннер (1927–2019) и Гюнтер Стент (1924–2008)

В 1961 г. Сидней Бреннер, один из первых членов группы фагов, сотрудничал с Фрэнсисом Криком, Лесли Барнеттом и Ричардом Уоттс-Тобином в Кавендишской лаборатории в Кембридже, чтобы провести генетические эксперименты, которые продемонстрировали основную природу генетического кода белков.[19] Эти эксперименты, проведенные с мутантами гена rIIB фага Т4, показали, что для гена, кодирующего белок, три последовательных основания ДНК гена определяют каждую последующую аминокислоту белка. Таким образом, генетический код представляет собой триплетный код, где каждый триплет (называемый кодоном) определяет конкретную аминокислоту. Они также получили доказательства того, что кодоны не перекрываются друг с другом в последовательности ДНК, кодирующей белок, и что такая последовательность считывается с фиксированной начальной точки.

Гюнтер Стент присоединился к группе фагов в 1948 году, пройдя курс обучения фагам в Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк. Продолжающиеся неформальные дискуссии между этими сотрудниками о ходе их исследований привели к книге Стента, озаглавленной Молекулярная биология бактериальных вирусов (посвящено Максу Дельбрюку)[20] который был ясным отчетом о достижениях в этой развивающейся области до 1963 года. Позже, в своих мемуарах Стент (1998) описал некоторые виды деятельности и личные взаимодействия, которые проиллюстрировали уникальный интеллектуальный дух фаговой группы в ее первые решающие годы ( 1948-1950).[21]

Роль Макса Дельбрюка

Дельбрюк, благодаря своему обаянию и энтузиазму, привлек многих биологов (и физиков) к исследованию фагов в начале 1940-х годов.[22] В 1944 году Дельбрюк продвигал «Договор о фагах», призыв к исследователям фагов сосредоточить внимание на ограниченном количестве штаммов фагов и бактерий со стандартными экспериментальными условиями. Это помогло сделать исследования из разных лабораторий более сопоставимыми и воспроизводимыми, помогая унифицировать область бактериальная генетика.[23]

Курс фагов в лаборатории Колд-Спринг-Харбор и в Калтехе

Помимо прямого сотрудничества, основное наследие фаговой группы явилось результатом ежегодных летних курсов по фагам, проводимых в Лаборатория Колд-Спринг-Харбор и время от времени преподавал в Калтехе. Начиная с 1945 года Дельбрюк и другие научили молодых биологов основам биологии фагов и экспериментов, привив особый подход группы фагов к биологии, ориентированный на математику и физику. Многие из лидеров развивающейся области молекулярная биология были выпускниками курса по фагам, который продолжался в 1950-х и 1960-х годах.[24]

В 1995 году Миллард Сусман опубликовал ретроспективную статью о курсе фагов, который читался на протяжении многих лет (1945–1970) как в Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк), так и в Калифорнийском технологическом институте.[25] В статье перечислены многие из выпускников курса, описаны некоторые их достижения и представлены интересные анекдоты, связанные с курсом. Ричард Фейнман, выдающийся физик-теоретик Калифорнийского технологического института, летом 1961 года научился работать с фагом с помощью Чарльз М. Стейнберг, а его экспериментальные результаты были включены в публикацию Edgar et al.[26]

Условные летальные мутанты

Выделение условно-летальных мутантов фага в течение 1962-1964 гг. Членами фаговой группы дало возможность изучить функцию практически всех генов, необходимых для роста фага в лабораторных условиях.[27][28] Один класс условно-летальных мутантов известен как янтарные мутанты. Эти мутанты были выделены и генетически охарактеризованы Ричардом Эпштейном, Антуанеттой Болле и Чарльз М. Стейнберг в 1962 г. (хотя публикация их первоначальных результатов была отложена на 50 лет: см. Epstein et al., 2012.[29] Более полная генетическая характеристика мутантов amber была описана Epstein et al. в 1964 г.[30] Другой класс условно-летальных мутантов, называемых термочувствительными мутантами, был получен Робертом Эдгаром и Илгой Лиелосис.[31] Исследования этих двух классов мутантов привели к глубокому пониманию многих фундаментальных биологических проблем. Таким образом было получено понимание функций и взаимодействий белков, используемых в аппарате репликации, репарации и рекомбинации ДНК, а также того, как вирусы собираются из компонентов белка и нуклеиновых кислот (молекулярный морфогенез). Кроме того, была выяснена роль кодонов обрыва цепи. Одно заслуживающее внимания исследование было выполнено Сиднеем Бреннером и его сотрудниками с использованием мутантов янтаря, дефектных по гену, кодирующему главный головной белок фага Т4.[32] Этот эксперимент предоставил убедительные доказательства широко распространенной, но до 1964 года еще не доказанной «гипотезы последовательности», согласно которой аминокислотная последовательность белка определяется нуклеотидной последовательностью гена, определяющего этот белок. Таким образом, это исследование продемонстрировало коллинеарность гена с кодируемым им полипептидом.

Рекомендации

  1. ^ Моранж, История молекулярной биологии, стр 41-43
  2. ^ Эллис Э. «Бактериофаг: кривая роста в один этап» в Фаг и происхождение молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  3. ^ Эллис Э. Л., Дельбрюк М. РАЗВИТИЕ БАКТЕРИОФАГА. J Gen Physiol. 1939, 20 января; 22 (3): 365-84. PMID  19873108
  4. ^ Лурия С. Э., Дельбрюк М. "Мутации бактерий от чувствительности вирусов к устойчивости к вирусам". Генетика. 1943 ноябрь; 28 (6): 491-511. PMID  17247100
  5. ^ а б c d Сальвадор Э. Лурия. Игровой автомат, сломанная пробирка: автобиография. Harper & Row, Нью-Йорк: 1984. Стр. 228. ISBN  0-06-015260-5 (США и Канада)
  6. ^ Моранж, История молекулярной биологии, стр 43-44
  7. ^ Херши, А. Д. «Инъекция ДНК в клетки фагом» в Фаг и происхождение молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  8. ^ HERSHEY AD, CHASE M. «Независимые функции вирусного белка и нуклеиновой кислоты в росте бактериофага». J Gen Physiol. 1952 Май; 36 (1): 39-56. PMID  12981234
  9. ^ Лурия С.Е. «Реактивация облученного бактериофага путем переноса самовоспроизводящихся единиц». Proc Natl Acad Sci U S A. 1947 Сен; 33 (9): 253-64. PMID  16588748
  10. ^ Бернштейн С. "Ремонт дезоксирибонуклеиновой кислоты в бактериофаге". Microbiol Rev. 1981 Март; 45 (1): 72-98. Обзор. PMID  6261109
  11. ^ а б Уотсон, Дж. Д. «Взросление в группе фагов» в Фаг и происхождение молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  12. ^ "Ренато Дульбекко - биография" на nobelprize.org (1975)
  13. ^ Мезельсон М., Шталь Ф. В. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК ПРИ ESCHERICHIA COLI. Proc Natl Acad Sci U S A. 1958 15 июля; 44 (7): 671-82. PMID  16590258
  14. ^ Мезельсон М., Шталь Ф. В. "Демонстрация полуконсервативного режима дупликации ДНК" в Фаг и происхождение молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  15. ^ Холмс, Ф. (2002) Мезельсон Шталь и репликация ДНК: история «красивейшего эксперимента в биологии» Издательство Йельского университета (416 стр.) ISBN  0300085400
  16. ^ Бензер С. «Приключения в районе rII» в Фаг и происхождение молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  17. ^ Бензер С. ТОНКАЯ СТРУКТУРА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ БАКТЕРИОФАГА. Proc Natl Acad Sci U S A. 1955, 15 июня; 41 (6): 344-54. PMID  16589677
  18. ^ Бензер С. К ТОПОЛОГИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ. Proc Natl Acad Sci U S A. 1959 ноябрь; 45 (11): 1607-20. PMID  16590553
  19. ^ КРИК Ф.Х., БАРНЕТТ Л, БРЕННЕР С., УОТТС-ТОБИН Р.Дж. «Общая природа генетического кода белков». Природа. 1961 30 декабря; 192: 1227-32. PMID  13882203
  20. ^ Стент GS. 1963 г. Молекулярная биология бактериальных вирусов. WH Freeman and Co., Сан-Франциско, Калифорния. ASIN: B002OXAPMO
  21. ^ Стент Г. С. (1998). Нацисты, женщины и молекулярная биология: воспоминания счастливчика, ненавидящего себя. Кенсингтон, Калифорния: Briones Books. ISBN  978-0966456301
  22. ^ Моранж, История молекулярной биологии, стр 45-46
  23. ^ История: The Phage Group В архиве 2007-05-17 на Wayback Machine, Cold Spring Harbor Laboratory, по состоянию на 4 мая 2007 г.
  24. ^ Моранж, История молекулярной биологии, стр 46-47
  25. ^ Сусман М. Курс по выращиванию фагов в Колд-Спринг-Харбор (1945-1970): воспоминания о 50-летии. Генетика. 1995 Март; 139 (3): 1101-6. PMID  7768426
  26. ^ ЭДГАР Р.С., ФЕЙНМАН Р.П., КЛЯЙН С., ЛИЛАУСИС I, ШТЕЙНБЕРГ СМ. Эксперименты по картированию с r-мутантами бактериофага T4D. Генетика. 1962 Февраль; 47: 179-86. PMID  13889186
  27. ^ Эдгар Р.С. Условная летальность: в книге «Фаг и происхождение молекулярной биологии» (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  28. ^ Эдгар Б. (2004). «Геном бактериофага Т4: археологические раскопки». Генетика 168 (2): 575–82. ЧВК  1448817. PMID  15514035.
  29. ^ Эпштейн RH, Болле A, Steinberg CM. Янтарные мутанты бактериофага T4D: их выделение и генетическая характеристика. Генетика. 2012 Март; 190 (3): 833-40. Дои:10.1534 / генетика.112.138438. PMID  22419076
  30. ^ Эпштейн, Р.Х., Болле, К.М. Стейнберг, Э., Келленбергер, Э., Бой де ла Тур и др., 1964. Физиологические исследования условно летальных мутантов бактериофага T4D. Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол. 28: 375-394.
  31. ^ ЭДГАР Р.С., ЛИЛАУСИС I. ТЕМПЕРАТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МУТАНТЫ БАКТЕРИОФАГА T4D: ИХ ИЗОЛЯЦИЯ И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. Генетика. 1964 апр; 49: 649-62. PMID  14156925
  32. ^ САРАБХАЙ А.С., СТРЕТТОН А.О., БРЕННЕР С., БОЛЛЕ А. СОЛИНЕЙНОСТЬ ГЕНА С ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПЬЮ. Природа. 1964, 4 января; 201: 13-7. PMID  14085558

дальнейшее чтение

  • Моранж, Мишель (2000-03-04). История молекулярной биологии (Новое изд.). Издательство Гарвардского университета. п. 348. ISBN  0-674-00169-9.
  • История: The Phage Group - Лаборатория Колд-Спринг-Харбор