1.1: ДНК як генетичний матеріал

Last updated
Save as PDF

Page ID: 7422

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

На початку 1900-х років багато людей думали, що білок повинен бути генетичним матеріалом, відповідальним за успадковані характеристики. Однією з причин цього переконання було знання про те, що білки є досить складними молекулами, і тому вони повинні бути визначені молекулами рівної або більшої складності (тобто іншими білками). Відомо, що ДНК є відносно простою молекулою, в порівнянні з білками, і тому важко було зрозуміти, як складну молекулу (білок) можна визначити простішою молекулою (ДНК). Якими були ключові експерименти, які ідентифікували ДНК як первинний генетичний матеріал?

1928 Ф. Гріффіт

Фон:

Diplococcus pneumoniae, або pneumococcus, - це неприємні маленькі бактерії, які при введенні мишам спричиняють пневмонію та смерть у миші. Бактерії містять капсульний полісахарид на своїй поверхні, який захищає бактерії від захисних сил господаря. Іноді виникають варіанти (мутанти) бактерій, які мають дефект у виробництві капсульного полісахариду. Мутанти мають дві характеристики: 1) Вони є авірулентними, що означає, що без належного капсульного полісахариду вони не в змозі змонтувати інфекцію в господаря (вони руйнуються захисними силами господаря), і 2) Через відсутність капсульного полісахариду поверхню мутанта бактерії виявляються шорсткими під мікроскопом і їх можна відрізнити від бактерій дикого типу (поверхня яких виглядає гладкою).

Скріншот (179) .png

Малюнок 1.1.1: Пневмокок дикого типу проти мутантного типу

Вірулентний гладкий пневмокок дикого типу може піддаватися термічній обробці та надавати авірулентний (все ще здається гладким під мікроскопом). Нарешті, існує кілька різних підтипів пневмокока капсульного полісахариду (підтипи I, II і III). Ці підтипи легко помітні один від одного, і кожен може породити мутантів, які не мають капсульного полісахариду (тобто авірулентного грубого типу).

Експерименти:

Елементи керування:

вт. (гладкий) + миша = мертва миша
мутант (грубий) + миша = жива миша
термооброблений wt. (гладкий) + миша = жива миша

Комбінації:

термооброблений wt. (гладкий) + мутант (шорсткий) + миша = мертва миша

У цьому випадку, коли бактерії були вилучені з холодної млявої миші, вони представляли собою гладкий вірулентний пневмокок (тобто не відрізняється від дикого типу).

Більш уважний погляд на те, що відбувається, продовжуючи використовувати та відстежувати, різні підтипи

термооброблений wt. (гладкий) тип I + мутант (шорсткий) тип II + миша = мертва миша

У цьому випадку, коли бактерії були виділені з холодної млявої миші, у них був гладкий вірулентний пневмокок I типу.

Загальні висновки цих експериментів полягали в тому, що в термічно оброблених бактеріях типу I був «трансформуючий агент», який трансформував живі мутантні (грубі) бактерії II типу, щоб мати можливість виробляти капсульний полісахарид I типу.

Питання

Був «трансформуючим агентом» білок або ДНК, або що?

1944 О.Т. Евері

Фон:

Експеримент Гріффіта не міг бути прийнятий далі, поки не були розроблені методи розділення та очищення ДНК та білкових клітинних компонентів. Ейвері використовував методи вилучення відносно чистої ДНК з пневмокока, щоб визначити, чи був він «трансформуючим агентом», який спостерігався в експериментах Гріффіта.

Експеримент:

w.t. (гладкий) тип I -> витягти компонент ДНК
мутант (грубий) тип II + тип I ДНК + миша = мертва миша

Виділення бактерій від мертвої миші показало, що це були бактерії типу I wt. (гладкі)

Більш складний експеримент:

Очищену ДНК I типу розділили на два аліквоти. Одну аліквоту лікували ДНКАзою - ферментом, який неспецифічно деградує ДНК. Іншу аліквоту лікували трипсином - протеазою, яка (відносно) неспецифічно розкладає білки.

Тип I ДНК + ДНКАза + мутант (грубий) тип II + миша = жива миша
ДНК I типу + трипсин + мутант (грубий) тип II + миша = мертва миша

Висновок:

Робота Ейвері надала вагомі докази того, що «трансформуючим агентом» насправді була ДНК (а не білок). Однак не всі переконалися. Деякі люди відчували, що залишкова кількість білка може залишатися в очищеній ДНК, навіть після лікування трипсином, і може бути «трансформуючим агентом».

1952 р. н.е. Херші та М.Чейз

Фон:

Т2 - це вірус, який атакує бактерії кишкової палички. Вірус, або фаг, виглядає як крихітний місячний посадковий модуль:

Знімок екрана (180) .png

Малюнок 1.1.2: Фаг Т2

Вірусні частинки адсорбуються на поверхні клітин кишкової палички. Було відомо, що якийсь матеріал потім виходить з фага і потрапляє в клітину. «Порожні» частинки фагів на поверхні клітин можна фізично видалити, помістивши клітини в блендер і збивши їх. У будь-якому випадку, через 20 хвилин після того, як фаг адсорбується на поверхні бактерій, бактерії лопаються (лізис) і виділяють безліч вірусу потомства.

Якщо середовище, в якому бактерії росли (і були заражені), включали ³² P, мічені АТФ, фаг потомства можна було відновити за допомогою цього ізотопу, включеного в його ДНК (нормальні білки містять лише водню, азоту, вуглецю, кисню та атомів сірки). Так само, якщо середовище містило ³⁵ S, позначений метіоніном, отриманий фаг потомства може бути відновлений за допомогою цього ізотопу, присутнього лише в його білкових компонентах (нормальна ДНК містить лише атоми водню, азоту, вуглецю, кисню та фосфору).

Експеримент:

Фаги вирощували при наявності або ³² P, або ³⁵ S ізотопних міток.

1) кишкова паличка була заражена ³⁵ S міченим фагом. Після зараження, але до лізису клітин, бактерії збивалися в блендері і частинки фагів відокремлювалися від бактеріальних клітин. Виділені бактеріальні клітини культивували далі, поки не відбувся лізис. Вивільнений фаг потомства був виділений.

Куди пішла мітка ³⁵ S:

Адсорбовані фагові оболонки 85%
Інфіковані клітини (до лізису) 15%
Лізіроване клітинне сміття 15%
Фаг потомства < 1%

2) кишкова паличка була заражена ³² P міченим фагом. Були виконані ті ж дії, що і в 1) вище.

Куди пішла мітка ³² P:

Адсорбовані фагові оболонки 30%
Інфіковані клітини (до лізису) 70%
Лізіроване клітинне сміття 40%
Фаг потомства 30%

Висновок:

Матеріал, який передавався від фага до бактерій під час зараження, виявився головним чином ДНК. Хоча результати були не зовсім однозначними, вони надали додаткову підтримку думці про те, що ДНК є «матеріалом» генетичного успадкування.