Система T4 r II — это экспериментальная система, разработанная в 1950-х годах Сеймуром Бензером для изучения субструктуры гена . Экспериментальная система основана на генетических скрещиваниях различных мутантных штаммов бактериофага T4 , вируса, который заражает бактерии Escherichia coli .
Один из типов мутаций в бактериофаге T4, выявленный исследователями в области генетики фагов в 1950-х годах, был известен как r ( быстрый ), что заставляло фаг уничтожать бактерии быстрее, чем обычно. Их можно было легко обнаружить, поскольку они производили более крупные бляшки, а не более мелкие бляшки, характерные для вируса дикого типа . С помощью генетического картирования исследователи идентифицировали определенные области в хромосоме T4, называемые локусами r I, r II и r III , связанные с мутантами r . В 1952 году, проводя эксперименты с мутантами r II, Сеймур Бензер обнаружил штамм, который вел себя ненормально. К 1953 году, после публикации предложенной Уотсоном и Криком структуры ДНК , Бензер пришел к идее, что явно дефектные мутанты r могли быть результатом скрещивания двух разных мутантов r II, у каждого из которых часть гена r II была неповрежденной, так что гибридный штамм вообще не проявлял фенотип r , поскольку он объединял неповрежденные части гена r II. [1]
Отсюда Бензер увидел, что можно было бы генерировать много независимых мутантов r , и, измеряя частоту рекомбинации между различными штаммами r , он мог бы картировать субструктуру одного гена. Хотя вероятность успешной рекомбинации между любой парой мутантов rII мала, одна чашка Петри могла бы стать основой для миллионов испытаний одновременно. Их можно было бы легко проверить, используя определенный штамм E. coli , известный как K12 (λ), который был восприимчив к дикому типу T4, но не к мутантам r . [2]
Концепция Бензера была довольно спорной в рамках классической генетической мысли, в которой каждый ген рассматривается как особая точка вдоль хромосомы, а не как делимый участок нуклеиновых кислот (как подразумевает работа Уотсона и Крика). Первоначально Макс Дельбрюк — уважаемый генетик фагов и лидер так называемой фаговой группы , частью которой был Бензер, — посчитал идею Бензера возмутительной. [3]
Начиная с 1954 года, Бензер использовал систему T4 r II, создавая и скрещивая сотни мутантов r и разрабатывая все более подробную карту структуры гена r II. В своей ранней работе он идентифицировал два отдельных, но очень близких локуса в области r II, которые, как он предположил, были нуклеотидными последовательностями , кодирующими различные полипептиды ; он назвал их « цистронами ». [4]
Бензер идентифицировал ряд различных типов мутантов r . Некоторые из них он классифицировал как делеции , другие как точечные мутации . С помощью различных скрещиваний множества различных штаммов, демонстрирующих делеции и точечные мутации, Бензер расположил каждую точечную мутацию в подрегионе одного из цистронов и упорядочил точечные мутации в пределах этого подрегиона. Бензер также предложил миссенс- и нонсенс-мутации из своих исследований r II. Система T4 r II позволила Бензеру идентифицировать частоты рекомбинации всего лишь на уровне 0,02%, что намного ниже, чем в типичных генетических экспериментах. Это было эквивалентно обнаружению рекомбинации только между одной или двумя парами оснований. [5]
В начале 1950-х годов преобладающим было мнение, что гены в хромосоме действуют как дискретные сущности, неделимые рекомбинацией и организованные как бусины на нитке. Эксперименты Бензера с использованием мутантов, дефектных в системе T4 rII, в 1955-1959 годах показали, что отдельные гены имеют простую линейную структуру и, вероятно, эквивалентны линейному участку ДНК [6] [7] (см. также Phage group ).
После того, как Бензер продемонстрировал мощь системы T4 r II для исследования тонкой структуры гена, другие адаптировали систему для исследования связанных проблем. Например, Фрэнсис Крик и другие использовали один из своеобразных мутантов r , обнаруженных Бензером (делеция, которая слила цистроны A и B r II), чтобы продемонстрировать триплетную природу генетического кода . [8]
Принцип, согласно которому три последовательных основания ДНК кодируют каждую аминокислоту, был продемонстрирован в 1961 году с использованием мутаций со сдвигом рамки считывания в гене rIIB бактериофага T4 [9] [10] (см. также эксперимент Крика, Бреннера и др. ).
Ричард Фейнман , известный физик-теоретик из Калтеха, работал над системой T4 rII летом 1961 года, и его экспериментальные результаты были включены в публикацию Эдгара и др. [11] Эти авторы показали, что частоты рекомбинации между мутантами rII не являются строго аддитивными. Частота рекомбинации от скрещивания двух мутантов rII (axd) обычно меньше суммы частот рекомбинации для соседних внутренних подинтервалов (axb) + (bxc) + (cxd). Хотя и не строго аддитивно, была обнаружена систематическая связь [12] , которая, вероятно, отражает лежащий в основе молекулярный механизм рекомбинации (см. генетическую рекомбинацию и зависящий от синтеза отжиг нитей ).