Эксперименты Херши–Чейза представляли собой серию экспериментов, проведенных в 1952 году [1] Альфредом Херши и Мартой Чейз , которые помогли подтвердить, что ДНК является генетическим материалом .
Хотя ДНК была известна биологам с 1869 года, [2] многие ученые все еще предполагали в то время, что белки несут информацию для наследования, поскольку ДНК, по-видимому, была инертной молекулой, и, поскольку она расположена в ядре, ее роль считалась хранением фосфора. В своих экспериментах Херши и Чейз показали, что когда бактериофаги , которые состоят из ДНК и белка, заражают бактерии, их ДНК проникает в клетку бактерии-хозяина, но большая часть их белка — нет. Херши и Чейз, а также последующие открытия послужили доказательством того, что ДНК является наследственным материалом.
Херши разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1969 года с Максом Дельбрюком и Сальвадором Лурией за «открытия, касающиеся генетической структуры вирусов». [3]
В начале двадцатого века биологи считали, что белки несут генетическую информацию. Это было основано на убеждении, что белки сложнее ДНК. Влиятельная «тетрануклеотидная гипотеза» Фебуса Левена , которая неверно предполагала, что ДНК представляет собой повторяющийся набор идентичных нуклеотидов , поддерживала этот вывод. Результаты эксперимента Эвери–Маклеода–Маккарти , опубликованные в 1944 году, предполагали, что ДНК является генетическим материалом, но в научном сообществе все еще были некоторые сомнения относительно принятия этого, что подготовило почву для эксперимента Херши–Чейза. [4]
Херши и Чейз, а также другие, проводившие подобные эксперименты, подтвердили, что ДНК является биомолекулой, которая несет генетическую информацию. До этого Освальд Эвери , Колин Маклеод и Маклин Маккарти показали, что ДНК приводит к трансформации одного штамма Streptococcus pneumoniae в другой. Результаты этих экспериментов предоставили доказательства того, что ДНК является биомолекулой, которая несет генетическую информацию. [ необходима цитата ]
Херши и Чейз должны были иметь возможность исследовать различные части фагов, которые они изучали по отдельности, поэтому им нужно было различать подсекции фагов. Было известно, что вирусы состоят из белковой оболочки и ДНК, поэтому они решили уникально пометить каждый из них различным элементным изотопом . Это позволило наблюдать и анализировать каждый из них отдельно. Поскольку фосфор содержится в ДНК, но не в аминокислотах, радиоактивный фосфор-32 использовался для маркировки ДНК, содержащейся в фаге Т2 . Радиоактивная сера-35 использовалась для маркировки белковых секций фага Т2, поскольку сера содержится в белке, но не в ДНК. [5]
Херши и Чейз ввели радиоактивные элементы в бактериофаги, добавив изотопы в отдельные среды, в которых бактериям давали расти в течение 4 часов перед введением бактериофага. Когда бактериофаги заражали бактерии, потомство содержало радиоактивные изотопы в своих структурах. Эта процедура была выполнена один раз для фагов, меченных серой, и один раз для фагов, меченных фосфором. Затем меченому потомству давали возможность заразить немеченые бактерии. Фаговые оболочки оставались снаружи бактерий, в то время как генетический материал проникал внутрь. Разрушение фагов из бактерий путем перемешивания в блендере с последующим центрифугированием позволило отделить фаговые оболочки от бактерий. Эти бактерии были лизированы для высвобождения фагового потомства. Потомство фагов, меченных радиоактивным фосфором, оставалось меченым, тогда как потомство фагов, меченных радиоактивной серой, было немеченым. Таким образом, эксперимент Херши–Чейза помог подтвердить, что ДНК, а не белок, является генетическим материалом. [5]
Херши и Чейз показали, что введение дезоксирибонуклеазы (называемой ДНКазой ), фермента , который расщепляет ДНК, в раствор, содержащий меченые бактериофаги, не вносит никакого 32 P в раствор. Это показало, что фаг устойчив к ферменту, пока он не поврежден. Кроме того, они смогли плазмолизировать бактериофаги так, что они вошли в осмотический шок, который фактически создал раствор, содержащий большую часть 32 P, и более тяжелый раствор, содержащий структуры, называемые «призраками», которые содержали 35 S и белковую оболочку вируса. Было обнаружено, что эти «призраки» могли адсорбироваться на бактериях, которые были восприимчивы к T2, хотя они не содержали ДНК и были просто остатками исходной вирусной капсулы. Они пришли к выводу, что белок защищал ДНК от ДНКазы, но что как только они были разделены и фаг был инактивирован, ДНКаза могла гидролизовать ДНК фага. [1]
Херши и Чейз также смогли доказать, что ДНК из фага вставляется в бактерии вскоре после того, как вирус прикрепляется к своему хозяину. Используя высокоскоростной блендер, они смогли вытеснить бактериофаги из бактериальных клеток после адсорбции . Отсутствие 32P -меченой ДНК, оставшейся в растворе после того, как бактериофагам позволили адсорбироваться на бактериях, показало, что ДНК фага была перенесена в бактериальную клетку. Присутствие почти всего радиоактивного 35S в растворе показало, что белковая оболочка, которая защищает ДНК до адсорбции, осталась снаружи клетки. [1]
Херши и Чейз пришли к выводу, что ДНК, а не белок, была генетическим материалом. Они определили, что защитная белковая оболочка была сформирована вокруг бактериофага, но что внутренняя ДНК — это то, что придавало ей способность производить потомство внутри бактерии. Они показали, что в процессе роста белок не имеет никакой функции, в то время как ДНК имеет некоторую функцию. Они определили это по количеству радиоактивного материала, оставшегося вне клетки. Только 20% 32 P осталось вне клетки, что свидетельствует о том, что он был включен с ДНК в генетический материал клетки. Весь 35 S в белковых оболочках остался вне клетки, показывая, что он не был включен в клетку, и что белок не является генетическим материалом. [ необходима цитата ]
Эксперимент Херши и Чейза показал, что в бактериальную клетку попало мало серосодержащего материала. Однако нельзя сделать никаких конкретных выводов относительно того, попадает ли в бактериальную клетку материал, не содержащий серы, после адсорбции фага. Для вывода о том, что в клетку попала исключительно ДНК бактериофагов, а не комбинация белка и ДНК, где белок не содержал серы, потребовались дополнительные исследования.
Херши и Чейз пришли к выводу, что белок вряд ли является наследственным генетическим материалом. Однако они не сделали никаких выводов относительно конкретной функции ДНК как наследственного материала, а только сказали, что она должна иметь какую-то неопределенную роль. [1] [6]
Подтверждение и ясность пришли годом позже, в 1953 году, когда Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик в своей журнальной статье « Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибозонуклеиновой кислоты » правильно выдвинули гипотезу о двойной спиральной структуре ДНК и предложили механизм копирования , посредством которого ДНК функционирует как наследственный материал. Кроме того, Уотсон и Крик предположили, что ДНК, генетический материал, отвечает за синтез тысяч белков, обнаруженных в клетках. Они сделали это предложение, основываясь на структурном сходстве, которое существует между двумя макромолекулами: и белок, и ДНК являются линейными последовательностями мономеров (аминокислот и нуклеотидов соответственно). [7]
После публикации эксперимента Херши-Чейза научное сообщество в целом признало, что ДНК является материалом генетического кода. Это открытие привело к более детальному исследованию ДНК для определения ее состава, а также ее трехмерной структуры. Используя рентгеновскую кристаллографию , структура ДНК была открыта Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью ранее задокументированных экспериментальных доказательств Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин . [8] Знание структуры ДНК привело ученых к изучению природы генетического кодирования и, в свою очередь, к пониманию процесса синтеза белка. Джордж Гамов предположил, что генетический код состоит из последовательностей трех пар оснований ДНК, известных как триплеты или кодоны , которые представляют одну из двадцати аминокислот. [9] Генетическое кодирование помогло исследователям понять механизм экспрессии генов , процесс, посредством которого информация из гена используется в синтезе белка . С тех пор было проведено много исследований для модуляции этапов процесса экспрессии генов. Эти шаги включают транскрипцию , сплайсинг РНК , трансляцию и посттрансляционную модификацию , которые используются для управления химической и структурной природой белков. [10] Более того, генная инженерия дает инженерам возможность напрямую манипулировать генетическим материалом организмов с помощью методов рекомбинантной ДНК . Первая рекомбинантная молекула ДНК была создана Полом Бергом в 1972 году, когда он объединил ДНК вируса обезьяны SV40 с ДНК фага лямбда . [11]
Эксперименты с наследственным материалом во время эксперимента Херши-Чейза часто использовали бактериофаги в качестве модельного организма . Бактериофаги подходят для экспериментов с наследственным материалом, поскольку они включают свой генетический материал в генетический материал клетки-хозяина (что делает их полезными инструментами), они быстро размножаются и их легко собирать исследователям. [6]
Эксперимент Херши-Чейза, его предшественники, такие как эксперимент Эвери-Маклеода-Маккарти , и последователи послужили для однозначного установления того, что наследственная информация передается ДНК. Это открытие имеет многочисленные применения в судебной экспертизе , расследовании преступлений и генеалогии . Оно предоставило фоновые знания для дальнейших приложений в судебной экспертизе ДНК, где ДНК-дактилоскопия использует данные, полученные из ДНК, а не из белковых источников, для выведения генетической изменчивости . [12]