Эксперимент Ниренберга и Ледера
Эксперимент Ниренберга и Ледера — научный эксперимент, проведенный в 1964 году Маршаллом В. Ниренбергом и Филипом Ледером . Эксперимент выяснил тройную природу генетического кода оставшиеся неоднозначные кодоны генетического кода и позволил расшифровать .
В этом эксперименте с использованием рибосом связывания анализа , называемого анализом связывания триплетов , различные комбинации мРНК пропускались через фильтр, содержащий рибосомы. Уникальные триплеты способствуют связыванию специфических тРНК с рибосомой. Связав тРНК с ее конкретной аминокислотой , можно было определить триплетную последовательность мРНК, кодирующую каждую аминокислоту.
Предыстория [ править ]
Освальд Эйвери обнаружил, что вещество, ответственное за возникновение наследственных изменений в болезнетворных бактериях, не является ни белком, ни липидом, а скорее дезоксирибонуклеиновой кислотой ( ДНК ). Он и его коллеги Колин Маклауд и Маклин Маккарти предположили, что ДНК отвечает за передачу генетической информации. Позже Эрвин Чаргафф обнаружил, что структура ДНК у разных видов различна. Эти эксперименты помогли проложить путь к открытию структуры ДНК. В 1953 году с помощью Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин Джеймс рентгеновской кристаллографии предположили , Уотсон и Фрэнсис Крик что ДНК имеет структуру двойной спирали . [1]
В 1960-х годах ученым, занимающимся загадками ДНК, нужно было выяснить, при переводе сколько оснований будет в каждом кодовом слове или кодоне . 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 перекрывающиеся и невырожденные . [2]
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 триплет нуклеотидов добавлялся к последовательности ДНК или удалялся из нее, 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, что триплеты не перекрываются и что каждая нуклеотидная последовательность считывается с определенной начальной точки.
Экспериментальная работа [ править ]
Самый первый кодон аминокислоты (UUU, кодирующий фенилаланин) был расшифрован Ниренбергом и его постдоком Генрихом Маттеи (см. эксперимент Ниренберга и Маттеи ) с использованием длинной синтетической РНК. Однако когда создаются подобные РНК, содержащие более одного основания РНК, порядок оснований был случайным. Например, можно было бы создать длинную РНК с соотношением C и U 2:1 и, таким образом, содержать кодоны CCU, CUC, UCC с высокой частотой. При трансляции рибосомами образуется белок, содержащий аминокислоты пролин, лейцин и серин; но невозможно было сказать, какой кодон соответствует какой аминокислоте. [7]
Вместо этого группа Ниренберга обратилась к очень коротким синтетическим РНК. Они обнаружили, что тринуклеотид UUU (который является кодоном фенилаланина) способен вызывать специфическую ассоциацию тРНК, заряженной фенилаланином, с рибосомами. Эту ассоциацию можно было обнаружить, пропуская смесь через нитроцеллюлозный фильтр: фильтр захватывает рибосомы, но не свободную тРНК; однако, если бы тРНК была связана с рибосомой, она также была бы захвачена (вместе с радиоактивным фенилаланином, прикрепленным к тРНК). Они аналогичным образом обнаружили, что тринуклеотиды AAA или CCC вызывают ассоциацию рибосом лизин-тРНК или пролин-тРНК соответственно. [8]
Итак, план эксперимента был ясен: синтезировать все 64 различные комбинации тринуклеотидов и использовать фильтрационный анализ с тРНК, заряженными всеми 20 аминокислотами, чтобы увидеть, какая аминокислота связана с каким тринуклеотидом. Однако получение чистых тринуклеотидов со смешанными последовательностями оснований, например GUU, оказалось сложной задачей. В новаторских исследованиях Ледера использовались тринуклеотиды, полученные путем расщепления длинной случайной поли-ГУ РНК нуклеазой и очистки специфических тринуклеотидов с помощью бумажной хроматографии : [8] он определил, что GUU, UGU и UUG кодируют аминокислоты валин, [9] цистеин и лейцин, [10] соответственно. Впоследствии группа Ниренберга сконструировала тринуклеотиды, используя ДНК-полимеразы в сочетании с нуклеотидами и РНК-полимеразами, чтобы создать длинную случайную поли-ГУ РНК, а также искусственно реплицировать очищенные тринуклеотиды. Как только были получены достаточно высокие концентрации мРНК, деградация и реформация продуктов полимеразы осуществлялась посредством ферментативных процессов. Например, AGU можно получить из AG и U с помощью полинуклеотидной фосфорилазы ; UAG можно получить из AG и U с помощью рибонуклеазы А в высокой концентрации метанола. [11] Постдок Ниренберга Мертон Бернфилд использовал эти методы, чтобы определить, что UUU и UUC кодируют фенилаланин, UCU и UCC кодируют серин, а CCC и CCU кодируют пролин, подчеркивая закономерность в том, как генетический код избыточно кодирует аминокислоты. [12] Многие другие сотрудники лаборатории Ниренберга и НИЗ внесли свой вклад в полную расшифровку генетического кода. [11]
и наследие Прием
К симпозиуму в Колд-Спринг-Харборе в 1966 году между Ниренбергом и Кораной генетический код был почти полностью расшифрован. Ниренберг был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине 1968 года . Он разделил награду с Харом Гобиндом Хораной из Университета Висконсина и Робертом Холли из Института Солка. Работая независимо, Корана освоила синтез нуклеиновых кислот, а Холли открыл точную химическую структуру транспортной РНК.
Газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила о работе Ниренберга, что «наука биологии достигла нового рубежа», что привело 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 эрой 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. " [13]
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 ФХК; Бреннер С.; Барнетт Л. и Уоттс-Тобин Р.Дж. (1961). «Общая природа генетического кода белков» (PDF) . Природа . 192 (4809): 1227–1232. Бибкод : 1961Natur.192.1227C . дои : 10.1038/1921227a0 . ПМИД 13882203 . S2CID 4276146 . Проверено 10 октября 2009 г.
- ^ Маттеи, Х.Дж., Джонс, О.В., Мартин, Р.Г. и Ниренберг, М.В. (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 ) - ^ Ливитт, Сара А. (2004). «Расшифровка генетического кода: Маршалл Ниренберг. Научные инструменты» . Музей Стеттена, Управление истории НИЗ. Архивировано из оригинала 9 февраля 2020 года . Проверено 5 октября 2009 г.
- ^ Джадсон Х. (1996). Восьмой день творения: творцы революции в биологии . Колд-Спринг-Харбор: Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор.
- ^ Перейти обратно: а б Филип Ледер и Маршалл Ниренберг (1964). «Кодовые слова РНК и синтез белка. Влияние тринуклеотидов на связывание мРНК с рибосомами». Наука . 145 (3639): 1399–1407. дои : 10.1126/science.145.3639.1399 . ПМИД 14172630 . S2CID 7127820 .
- ^ Ледер П. и Ниренберг М.В. (1964). «Кодовые слова РНК и синтез белка, II. Нуклеотидная последовательность кодового слова валиновой РНК» . ПНАС . 52 (2): 420–427. Бибкод : 1964PNAS...52..420L . дои : 10.1073/pnas.52.2.420 . ПМК 300293 . ПМИД 14206609 .
- ^ Ледер П. и Ниренберг М.В. (1964). «Кодовые слова РНК и синтез белка, III. О нуклеотидной последовательности цистеина и кодового слова лейциновой РНК» . ПНАС . 52 (6): 1521–1529. Бибкод : 1964PNAS...52.1521L . дои : 10.1073/pnas.52.6.1521 . ПМК 300480 . ПМИД 14243527 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Бернфилд М.Р. и Ниренберг М.В. (1965). «Кодовые слова РНК и синтез белка. Нуклеотидные последовательности нескольких кодовых слов для фенилаланина, серина, лейцина и пролина». Наука . 147 (3657): 479–484. дои : 10.1126/science.147.3657.479 . ПМИД 14237203 .
- ^ 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 ]
- Лабораторные записи Филипа Ледера за период с декабря 1963 по август 1965 года можно найти в Центре истории медицины библиотеки Каунтвей Гарвардской медицинской школы. Цифровые суррогаты также доступны в каталоге HOLLIS Гарвардского университета.
