Эксперимент Ниренберга и Мэтью
Эксперимент Ниренберга и Маттеи — научный эксперимент, проведенный в мае 1961 года Маршаллом В. Ниренбергом и его научным сотрудником Дж. Генрихом Маттеи в Национальных институтах здравоохранения (NIH). В ходе эксперимента удалось расшифровать первый из 64 триплетных кодонов генетического кода , используя нуклеиновых кислот гомополимеры для трансляции определенных аминокислот .
В ходе эксперимента был приготовлен экстракт из бактериальных клеток, которые могли производить белок без присутствия интактных живых клеток . К экстракту была добавлена искусственная форма РНК , состоящая полностью из урацилсодержащих нуклеотидов ( полиуридиловая кислота или поли-U), в результате чего она образовала белок, полностью состоящий из аминокислоты фенилаланина . Этот эксперимент взломал первый кодон генетического кода и показал, что РНК контролирует производство определенных типов белка.
Предыстория [ править ]
Открытия Фредерика Гриффита и усовершенствованные Освальдом Эйвери обнаружили, что вещество, ответственное за возникновение наследственных изменений в болезнетворных бактериях ( Streptococcus pneumoniae), не является ни белком, ни липидом, а скорее дезоксирибонуклеиновой кислотой ( ДНК ). В 1944 году он и его коллеги Колин МакЛауд и Маклин Маккарти предположили, что ДНК отвечает за передачу генетической информации. Позже Эрвин Чаргафф (1950) обнаружил, что структура ДНК у разных видов различна. Эти эксперименты помогли проложить путь к открытию структуры ДНК. В 1953 году с помощью Уилкинса и Розалинды Франклин Джеймс рентгеновской кристаллографии Мориса Уотсон и Фрэнсис Крик предположили, что ДНК имеет структуру двойной спирали . [1]
В 1960-х годах одной из главных загадок ДНК, которую должны были выяснить ученые, было количество оснований, обнаруженных в каждом кодовом слове, или кодоне , во время транскрипции . Ученые знали, что всего существует четыре основания ( гуанин , цитозин , аденин и тимин ). Они также знали, что существует 20 известных аминокислот . Джордж Гамов предположил, что генетический код состоит из трех нуклеотидов на аминокислоту. Он пришел к выводу, что, поскольку существует 20 аминокислот и только четыре основания, кодирующие единицы не могут быть одиночными (4 комбинации) или парными (всего 16 комбинаций). Скорее, он считал, что тройки (64 возможных комбинации) являются кодирующей единицей генетического кода. Однако он предположил, что тройки перекрываются и невырождены. [2] (позже объяснено Криком в его концепции Wobble ).
Сеймур Бензер в конце 1950-х годов разработал метод анализа с использованием фаговых мутаций, который позволил получить первую подробную линейно структурированную карту генетической области. Крик чувствовал, что может использовать мутагенез и генетическую рекомбинацию фага, чтобы лучше определить природу генетического кода. [3] В Crick Бреннер и др. В эксперименте с использованием этих фагов была подтверждена триплетная природа генетического кода. Они использовали мутации сдвига рамки считывания и процесс, называемый реверсией , для добавления и удаления различного количества нуклеотидов. [4] Когда к последовательности ДНК добавлялся или удалялся триплет нуклеотидов, кодируемый белок подвергался минимальному воздействию. Таким образом, они пришли к выводу, что генетический код является триплетным, поскольку он не вызывает сдвига рамки считывания. [5] Они правильно пришли к выводу, что код вырожден (одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов) и что каждая нуклеотидная последовательность считывается с определенной начальной точки. [6]
Экспериментальная работа [ править ]
Чтобы разгадать эту биологическую загадку, Ниренбергу и Маттеи нужна была бесклеточная система , которая могла бы встраивать аминокислоты в белки. Следуя работе Альфреда Тиссьера и после нескольких неудачных попыток, они создали стабильную систему, разрывая клетки бактерий E. coli и высвобождая содержимое цитоплазмы. [7] Это позволило им синтезировать белок, но только при добавлении правильного типа РНК, что позволило Ниренбергу и Маттеи контролировать эксперимент. Они создали синтетические молекулы РНК вне бактерии и внедрили эту РНК в систему E. coli . В экспериментах использовались смеси со всеми 20 аминокислотами. В каждом отдельном эксперименте 19 аминокислот были «холодными» (нерадиоактивными), а одна — «горячей» (радиоактивно помеченной 14 C, чтобы они могли позже обнаружить меченую аминокислоту). Они меняли «горячие» аминокислоты в каждом раунде эксперимента, стремясь определить, какие аминокислоты будут включены в белок после добавления определенного типа синтетической РНК.
Ключевые первые эксперименты были проведены с поли-U (синтетической РНК, состоящей только из уридиновых оснований, предоставленной Леоном Хеппелем и Максин Сингер). [8] ). В 3 часа ночи 27 мая 1961 года Маттеи использовал фенилаланин в качестве «горячей» аминокислоты. Через час контрольная пробирка (без поли-U) показала фоновый уровень 70 единиц, тогда как пробирка с добавленным поли-U показала 38 000 единиц на миллиграмм белка. [9] [8] Последующие эксперименты показали, что 19 «холодных» аминокислот не нужны и что белковый продукт обладает биохимическими характеристиками полифенилаланина. [8] [10] продемонстрировав, что цепочка повторяющихся оснований урацила образует белковую цепь, состоящую исключительно из повторяющейся аминокислоты фенилаланина. Хотя в ходе эксперимента не было определено количество оснований на кодон, оно соответствовало триплетному кодону UUU, кодирующему фенилаланин.
В аналогичных экспериментах с другими синтетическими РНК они обнаружили, что поли-С направляет синтез полипролина. Ниренберг вспоминает, что лаборатории Северо Очоа и Джеймса Уотсона ранее проводили аналогичные эксперименты с поли-А, но не смогли обнаружить синтез белка, поскольку полилизин (в отличие от большинства белков) растворим в трихлоруксусной кислоте . Кроме того, используя синтетические РНК, которые случайным образом включали два основания в разных соотношениях, они создали белки, содержащие более одного типа аминокислот, из чего они могли сделать вывод о триплетной природе генетического кода и сузить возможности кодонов для других аминокислот. [10] К 1966 году группа Ниренберга в конечном итоге расшифровала все кодоны аминокислот. [6] однако это потребовало дополнительных изобретательных экспериментальных методов (см. эксперимент Ниренберга и Ледера ).
и наследие Прием
В августе 1961 года на Международном биохимическом конгрессе в Москве Ниренберг представил эксперименты с поли-U – сначала небольшой группе, а затем по настоянию Фрэнсиса Крика и снова примерно тысяче присутствующих. Работа была принята с большим энтузиазмом, и Ниренберг в одночасье прославился. [11] [10] Статья с описанием работы была опубликована в том же месяце. [8]
Эксперимент положил начало яростной гонке за полный взлом генетического кода. Главным конкурентом Ниренберга был уважаемый биохимик Северо Очоа. Доктор Очоа и доктор Артур Корнберг разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1959 года за «открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой кислоты и дезоксирибонуклеиновой кислоты». Однако многие коллеги из Национальных институтов здравоохранения (NIH) поддержали Ниренберга, понимая, что это может привести к получению первой Нобелевской премии ученым, работающим в НИЗ. ДеВитт Стеттен-младший , директор НИЗ, который первым нанял Ниренберга, назвал этот период сотрудничества «звездным часом НИЗ». [9] [12] [13]
Действительно, «за интерпретацию генетического кода и его функции в синтезе белка» Маршалл В. Ниренберг, Роберт В. Холли и Хар Гобинд Корана были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 1968 года . [14] Работая независимо, доктор Холли (Корнеллский университет) открыл точную химическую структуру транспортной РНК, а доктор Корана (Университет Висконсина в Мэдисоне) освоил синтез нуклеиновых кислот. [15] Доктор Ниренберг показал (исключая нонсенс-кодоны), что каждая комбинация триплета (т.е. кодона), состоящего из четырех различных азотсодержащих оснований, обнаруженных в ДНК и РНК, дает специфическую аминокислоту. [15]
Газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила об открытии Ниренберга, что «наука биологии достигла нового рубежа», ведущего к «революции, гораздо большей по своему потенциальному значению, чем атомная или водородная бомба». Большая часть научного сообщества считала эти эксперименты очень важными и полезными. Однако были и те, кто был обеспокоен новой областью молекулярной генетики . Например, Арне Тиселиус , лауреат Нобелевской премии по химии 1948 года, утверждал, что знание генетического кода может «привести к методам вмешательства в жизнь, создания новых болезней, контроля над разумом, влияния на наследственность, даже, возможно, в определенных желаемых направлениях. " [16]
Помимо Нобелевской премии, доктор Ниренберг получил Премию молекулярной биологии Национальной академии наук и Премию биологических наук Вашингтонской академии наук (1962 г.), премию Пола Льюиса Американского химического общества (1963 г.), медаль Министерства здравоохранения, образования и социального обеспечения, а также премию Харрисона Хоу Американского химического общества США в Америке (1864 г.). [15]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Рассел П. (2010). iGenetics: Молекулярный подход, 3-е издание . Пирсон/Бенджамин Каммингс.
- ^ Ливитт, Сара А. (2004). «Расшифровка генетического кода: Маршалл Ниренберг. Увлечение кодированием» . Музей Стеттена, Управление истории НИЗ. Архивировано из оригинала 9 февраля 2020 года . Проверено 5 октября 2009 г.
- ^ Янофски К. (2007). «Установление тройной природы генетического кода» (PDF) . Клетка . 128 (5): 815–818. дои : 10.1016/j.cell.2007.02.029 . ПМИД 17350564 . Проверено 24 января 2018 г.
- ^ Крик Ф.Х. , Барнетт Л. , Бреннер С. , Уоттс-Тобин Р.Дж. (декабрь 1961 г.). «Общая природа генетического кода белков» (PDF) . Природа . 192 (4809): 1227–32. Бибкод : 1961Natur.192.1227C . дои : 10.1038/1921227a0 . ПМИД 13882203 . S2CID 4276146 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Маттеи, Х.Дж., Джонс, О.В., Мартин, Р.Г. и Ниренберг, М.В. Том. 48 № 4 (1962). «Характеристика и состав кодирующих единиц РНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 48 (4): 666–677. Бибкод : 1962ПНАС...48..666М . дои : 10.1073/pnas.48.4.666 . ПМК 220831 . ПМИД 14471390 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Джадсон Х. (1996). Восьмой день творения: творцы революции в биологии . Колд-Спринг-Харбор: Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор.
- ^ Маттеи Х. и Ниренберг (1962). «Характеристики и стабилизация синтеза ДНКазо-чувствительных белков в E. coli экстрактах » . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 47 (10): 1580–1588. Бибкод : 1961ПНАС...47.1580М . дои : 10.1073/pnas.47.10.1580 . ПМК 223177 . ПМИД 14471391 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Ниренберг, М.В. и Маттеи, Х.Дж. (1961). «Зависимость бесклеточного синтеза белка в E. coli от встречающихся в природе или синтетических полирибонуклеотидов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 47 (10): 1588–1602. Бибкод : 1961PNAS...47.1588N . дои : 10.1073/pnas.47.10.1588 . ПМК 223178 . ПМИД 14479932 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ливитт, Сара А. (2004). «Расшифровка генетического кода: Маршалл Ниренберг. Эксперимент Poly-U» . Музей Стеттена, Управление истории НИЗ. Архивировано из оригинала 9 февраля 2020 года . Проверено 9 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Ниренберг, Маршалл (2004). «Исторический обзор: Расшифровка генетического кода – личный отчет». Тенденции биохимических наук . 29 (1): 46–54. дои : 10.1016/j.tibs.2003.11.009 . ПМИД 14729332 .
- ^ Плата, Э. (2000). «Профили в науке: документы Маршалла В. Ниренберга. Синтетическая РНК и эксперименты с поли-U, 1959–1962» . Национальная медицинская библиотека. Архивировано из оригинала 10 апреля 2020 года . Проверено 9 апреля 2020 г.
- ^ Дэвис К. (2001). Взлом генома: внутри гонки за раскрытие человеческой ДНК . Нью-Йорк: Свободная пресса.
- ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1959 года» . NobelPrize.org . Проверено 16 октября 2020 г.
- ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1968 года» . NobelPrize.org . Проверено 16 октября 2020 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Шампо, Марк А.; Кайл, Роберт А. (2004). «Виньетка марки по медицинской науке: Маршалл В. Ниренберг — лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине» . Труды клиники Мэйо . 79 (4): 449. дои : 10.4065/79.4.448 . PMID 15065607 – через Фонд медицинского образования и исследований Мэйо.
- ^ Плата, Э. (2000). «Профили в науке: документы Маршалла В. Ниренберга. Общественная реакция» . Национальная медицинская библиотека. Архивировано из оригинала 9 апреля 2020 года . Проверено 9 апреля 2020 г.
Внешние ссылки [ править ]
- « Маршалл Ниренберг: расшифровка генетического кода » – Управление истории НИЗ и музей Стеттена.
