Эксперименты Херши -Чейза — серия 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 в то время все еще предполагали, что белки несут информацию для наследования, поскольку ДНК оказалась инертной молекулой, и, поскольку она расположена в ядре, ее роль рассматривалась быть хранилищем фосфора. В своих экспериментах Херши и Чейз показали, что когда бактериофаги , состоящие из ДНК и белка, заражают бактерии, их ДНК попадает в бактериальную клетку-хозяина, но большая часть их белка не попадает. 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 более сложны, чем ДНК. Влиятельная «гипотеза тетрануклеотидов» Феба Левена , которая ошибочно предполагала, что ДНК представляет собой повторяющийся набор идентичных нуклеотидов , подтвердила этот вывод. Результаты эксперимента Эйвери-Маклауда-Маккарти , опубликованные в 1944 году, предполагали, что ДНК является генетическим материалом, но в широком научном сообществе все еще существовали некоторые колебания, чтобы принять это, что подготовило почву для эксперимента Херши-Чейза. [ нужна цитата ]
Херши и Чейз, а также другие, проводившие аналогичные эксперименты, подтвердили, что ДНК — это биомолекула, несущая генетическую информацию. До этого Освальд Эйвери , Колин Маклауд 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, несущей генетическую информацию. [ нужна цитата ]
Херши и Чейзу нужно было иметь возможность исследовать различные части фагов, которые они изучали, по отдельности, поэтому им нужно было различать подразделы фагов. Было известно, что вирусы состоят из белковой оболочки и ДНК, поэтому они решили пометить каждый из них уникальным изотопом элемента . Это позволило наблюдать и анализировать каждого отдельно. Поскольку фосфор содержится в ДНК, а не в аминокислотах, для мечения ДНК, содержащейся в фаге Т2, был использован радиоактивный фосфор-32 . Радиоактивную серу-35 использовали для маркировки белковых участков фага Т2, поскольку сера содержится в белке, а не в ДНК. [4]
Херши и Чейз ввели радиоактивные элементы в бактериофаги, добавив изотопы в отдельные среды, в которых бактериям давали возможность расти в течение 4 часов перед введением бактериофага. Когда бактериофаги инфицировали бактерии, потомство содержало в своих структурах радиоактивные изотопы. Эту процедуру проводили один раз для фагов, меченных серой, и один раз для фагов, меченных фосфором. Затем меченому потомству разрешили заразить немеченые бактерии. Фаговые оболочки оставались на внешней стороне бактерий, а генетический материал проникал в них. Удаление фага из бактерий путем перемешивания в блендере с последующим центрифугированием позволило отделить фаговые оболочки от бактерий. Эти бактерии лизировали для высвобождения фагового потомства. Потомство фагов, меченных радиоактивным фосфором, оставалось меченным, тогда как потомство фагов, меченных радиоактивной серой, оставалось немеченным. Таким образом, эксперимент Херши-Чейза помог подтвердить, что генетическим материалом является ДНК, а не белок. [4]
Херши и Чейз показали, что введение дезоксирибонуклеазы (называемой ДНКазой ), фермента , расщепляющего ДНК, в раствор, содержащий меченые бактериофаги, не вносит в раствор никакого 32 P. Это продемонстрировало, что фаг устойчив к ферменту, пока он не поврежден. Кроме того, они смогли плазмолизировать бактериофаги так, что они впали в осмотический шок, что эффективно создало 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, чувствительных к Т2, хотя они не содержали ДНК и представляли собой просто остатки исходной вирусной капсулы. Они пришли к выводу, что белок защищает ДНК от ДНКазы, но как только они будут разделены и фаг инактивирован, ДНКаза сможет гидролизовать ДНК фага. [1]
Херши и Чейз также смогли доказать, что ДНК фага встраивается в бактерию вскоре после того, как вирус прикрепляется к хозяину. Используя высокоскоростной блендер, им удалось вытеснить бактериофаги из бактериальных клеток после адсорбции . Отсутствие 32 P-меченной ДНК, оставшейся в растворе после того, как бактериофагам позволили адсорбироваться на бактериях, показало, что ДНК фага была перенесена в бактериальную клетку. Наличие почти всего радиоактивного 35 S в растворе показало, что белковая оболочка, защищающая ДНК до адсорбции, осталась вне клетки. [1]
Херши и Чейз пришли к выводу, что генетическим материалом является ДНК, а не белок. Они определили, что вокруг бактериофага образовалась защитная белковая оболочка, но именно внутренняя ДНК придает ему способность производить потомство внутри бактерии. Они показали, что при росте белок не выполняет никакой функции, а ДНК выполняет некоторую функцию. Они определили это по количеству радиоактивного материала, оставшегося вне клетки. Только 20% из 32 P осталось вне клетки, что свидетельствует о том, что он был включен в ДНК в генетический материал клетки. Все 35 S в белковых оболочках остались вне клетки, что указывает на то, что он не был включен в клетку и что белок не является генетическим материалом. [ нужна цитата ]
Эксперимент Херши и Чейза пришел к выводу, что в бактериальную клетку проникает мало серосодержащего материала. Однако нельзя сделать конкретных выводов относительно того, попадает ли материал, не содержащий серы, в бактериальную клетку после адсорбции фага. Необходимо было провести дальнейшие исследования, чтобы прийти к выводу, что в клетку проникла исключительно ДНК бактериофагов, а не комбинация белка и ДНК, в которых белок не содержал серы.
Херши и Чейз пришли к выводу, что белок вряд ли является наследственным генетическим материалом. Однако они не сделали никаких выводов относительно специфической функции ДНК как наследственного материала, а лишь сказали, что она должна иметь какую-то неопределенную роль. [1] [5]
Подтверждение и ясность пришли год спустя, в 1953 году, когда Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик в своей журнальной статье « Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы » правильно выдвинули гипотезу о двойной спиральной структуре ДНК и предположили, что механизм копирования , посредством которого ДНК функционирует как наследственный материал. Более 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, существующем между двумя макромолекулами: и белок, и ДНК представляют собой линейные последовательности мономеров (аминокислот и нуклеотидов соответственно). [6]
После публикации эксперимента Херши-Чейза научное сообщество в целом признало, что ДНК является материалом генетического кода. Это открытие привело к более детальному исследованию ДНК, чтобы определить ее состав, а также трехмерную структуру. С помощью рентгеновской кристаллографии структура ДНК была открыта Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком с помощью ранее задокументированных экспериментальных данных Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин . [7] Знание структуры ДНК побудило ученых изучить природу генетического кодирования и, в свою очередь, понять процесс 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. [8] Генетическое кодирование помогло исследователям понять механизм экспрессии генов , процесс, посредством которого информация от гена используется в синтезе белка . С тех пор было проведено много исследований по модуляции этапов процесса экспрессии генов. Эти этапы включают транскрипцию , сплайсинг РНК , трансляцию и посттрансляционную модификацию , которые используются для контроля химической и структурной природы белков. [9] Более того, генная инженерия дает инженерам возможность напрямую манипулировать генетическим материалом организмов, используя методы рекомбинантной ДНК . Первая рекомбинантная молекула ДНК была создана Полом Бергом в 1972 году, когда он объединил ДНК обезьяньего вируса SV40 с ДНК фага лямбда . [10]
В экспериментах на наследственном материале во времена эксперимента Херши-Чейза в качестве модельного организма часто использовались бактериофаги . Бактериофаги пригодны для экспериментов на наследственном материале, поскольку они включают свой генетический материал в генетический материал клетки-хозяина (что делает их полезными инструментами), они быстро размножаются и их легко собирать исследователям. [5]
Эксперимент Херши-Чейза, его предшественники, такие как эксперимент Эйвери-Маклауда-Маккарти , и последователи послужили однозначному установлению того, что наследственная информация переносится ДНК. Это открытие имеет многочисленные применения в судебной медицине , расследовании преступлений и генеалогии . Это предоставило базовые знания для дальнейших применений в криминалистике ДНК, где для дактилоскопии ДНК используются данные, полученные из ДНК, а не из источников белка, для вывода генетических вариаций . [11]