Гипотеза «один ген – один фермент»

Гипотеза «один ген – один фермент» заключается в том, что гены действуют посредством выработки ферментов , причем каждый ген отвечает за выработку одного фермента, который, в свою очередь, влияет на один шаг в метаболическом пути . Эта концепция была предложена Джорджем Бидлом и Эдвардом Татумом в влиятельной статье 1941 года ^[1] о генетических мутациях в плесени Neurospora crassa , и впоследствии была названа «гипотезой одного гена – одного фермента» их соавтором Норманом Горовицем . ^[2] В 2004 году Горовиц вспоминал, что «эти эксперименты основали науку, которую Бидл и Татум назвали «биохимической генетикой». На самом деле они оказались первым выстрелом в то, что стало молекулярной генетикой, и во всех разработках, которые последовали за этим». ^[3] Развитие гипотезы «один ген – один фермент» часто считается первым значительным результатом в том, что стало называться молекулярной биологией . ^[4] Хотя эта гипотеза была чрезвычайно влиятельной, вскоре после ее выдвижения было признано, что она является чрезмерным упрощением . Даже последующая переформулировка гипотезы «один ген – один полипептид» теперь считается слишком простой для описания взаимосвязи между генами и белками. ^[5]

Хотя некоторые случаи ошибок в метаболизме, следующих менделевским моделям наследования , были известны и ранее, начиная с идентификации Арчибальдом Гарродом в 1902 году алкаптонурии как менделевского рецессивного признака, по большей части генетика не могла быть применена к метаболизму вплоть до конца 1930-х годов. Другим исключением была работа Бориса Эфрусси и Джорджа Бидла, двух генетиков, работавших над пигментами цвета глаз плодовых мушек Drosophila melanogaster в лаборатории Томаса Ханта Моргана в Калифорнийском технологическом институте . В середине 1930-х годов они обнаружили, что гены, влияющие на цвет глаз, по-видимому, серийно зависят, и что нормальные красные глаза дрозофилы были результатом пигментов, которые прошли через серию преобразований; различные мутации генов цвета глаз нарушали преобразования в разных точках серии. Таким образом, Бидл рассуждал, что каждый ген отвечает за фермент, действующий в метаболическом пути синтеза пигмента. Однако, поскольку это был относительно поверхностный путь, а не тот, который широко распространен среди различных организмов, было мало известно о биохимических деталях метаболизма пигмента глаз плодовой мушки. Более подробное изучение этого пути требовало выделения пигментов из глаз мух, что было чрезвычайно утомительным процессом. ^[6]

Перейдя в Стэнфордский университет в 1937 году, Бидл начал работать с биохимиком Эдвардом Татумом , чтобы выделить пигменты глаз мухи. После некоторого успеха с этим подходом — они идентифицировали один из промежуточных пигментов вскоре после того, как другой исследователь, Адольф Бутенандт , опередил их в открытии — Бидл и Татум переключили свое внимание на организм, который значительно упростил генетические исследования биохимических признаков: хлебную плесень Neurospora crassa , которая недавно была подвергнута генетическому исследованию одним из исследователей Томаса Ханта Моргана, Карлом К. Лингегреном. У Neurospora было несколько преимуществ: ей требовалась простая среда для роста , она быстро росла, и из-за производства аскоспор во время размножения было легко изолировать генетические мутанты для анализа. Они производили мутации, подвергая грибок рентгеновскому облучению , а затем идентифицировали штаммы, которые имели метаболические дефекты, изменяя среду для роста. Эта работа Бидла и Татума почти сразу привела к важному обобщению. Это было то, что большинство мутантов, неспособных расти на минимальной среде, но способных расти на «полной» среде, требуют добавления только одной конкретной добавки для роста на минимальной среде. Если синтез определенного питательного вещества (например, аминокислоты или витамина ) был нарушен мутацией, этот мутантный штамм можно было вырастить, добавив необходимое питательное вещество в среду. Это открытие предполагало, что большинство мутаций затрагивало только один метаболический путь. Дальнейшие доказательства, полученные вскоре после первоначальных открытий, имели тенденцию показывать, что, как правило, блокируется только один шаг в пути. После своего первого сообщения о трех таких ауксотрофных мутантах в 1941 году Бидл и Татум использовали этот метод для создания серии родственных мутантов и определили порядок, в котором аминокислоты и некоторые другие метаболиты синтезировались в нескольких метаболических путях. ^[7] Очевидный вывод из этих экспериментов состоял в том, что каждая генная мутация влияет на активность одного фермента. Это привело непосредственно к гипотезе «один ген – один фермент», которая, с определенными оговорками и уточнениями, остается по существу актуальной и по сей день. Как вспоминают Горовиц и др., ^[8]Работа Бидла и Татума также продемонстрировала, что гены играют существенную роль в биосинтезе. Во время экспериментов (1941) негенетики все еще в целом считали, что гены управляют только тривиальными биологическими признаками, такими как цвет глаз и расположение щетинок у плодовых мушек, в то время как базовая биохимия определяется в цитоплазме неизвестными процессами. Кроме того, многие уважаемые генетики считали, что действие генов слишком сложно, чтобы его можно было разрешить с помощью любого простого эксперимента. Таким образом, Бидл и Татум произвели фундаментальную революцию в нашем понимании генетики, за что в 1958 году им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине .

Пищевые мутанты Neurospora также нашли практическое применение; в одном из ранних, хотя и косвенных, примеров военного финансирования науки в области биологических наук Бидл получил дополнительное исследовательское финансирование (от Фонда Рокфеллера и ассоциации производителей военных пайков) для разработки штаммов, которые можно было бы использовать для анализа содержания питательных веществ в продуктах питания, чтобы обеспечить адекватное питание войск во время Второй мировой войны . ^[9]

В своей первой статье о Neurospora , опубликованной в издании Proceedings of the National Academy of Sciences от 15 ноября 1941 года , Бидл и Татум отметили, что «вполне разумно предположить, что эти гены, которые сами по себе являются частью системы, контролируют или регулируют определенные реакции в системе, либо действуя непосредственно как ферменты, либо определяя специфику ферментов», идея, которая была предложена, хотя и с ограниченной экспериментальной поддержкой, еще в 1917 году; они предложили новые доказательства в поддержку этой точки зрения и наметили исследовательскую программу, которая позволила бы изучить ее более полно. ^[1] К 1945 году Бидл, Татум и другие, работая с Neurospora и другими модельными организмами, такими как E. coli , получили существенные экспериментальные доказательства того, что каждый шаг в метаболическом пути контролируется одним геном. В обзоре 1945 года Бидл предположил, что «ген можно визуализировать как направляющий окончательную конфигурацию молекулы белка и, таким образом, определяющий ее специфичность». Он также утверждал, что «по соображениям экономии в эволюционном процессе можно было бы ожидать, что за редкими исключениями окончательная специфичность конкретного фермента будет навязана только одним геном». В то время широко считалось, что гены состоят из белков или нуклеопротеинов (хотя эксперимент Эвери–Маклеода–Маккарти и связанная с ним работа начали подвергать сомнению эту идею). Однако предложенная связь между одним геном и одним белковым ферментом пережила белковую теорию структуры гена. В статье 1948 года Норман Горовиц назвал эту концепцию «гипотезой один ген–один фермент». ^[2]

Хотя гипотеза «один ген – один фермент» была влиятельной, ее не удалось оспорить. Среди прочих, Макс Дельбрюк был настроен скептически, поскольку на каждом этапе метаболических путей фактически был задействован только один фермент. Для многих, кто принял результаты, это усилило связь между генами и ферментами, так что некоторые биохимики считали, что гены являются ферментами; это согласовывалось с другими работами, такими как исследования репродукции вируса табачной мозаики (который, как известно, имел наследственные вариации и следовал той же схеме автокатализа , что и многие ферментативные реакции) и кристаллизации этого вируса как, по-видимому, чистого белка. В начале 1950-х годов результаты Neurospora вызывали всеобщее восхищение, но в 1951 году преобладало мнение, что вывод, который из них сделал Бидл, был огромным упрощением. ^[8] В 1966 году Бидл написал, что после прочтения симпозиума по генам и мутациям в Колд-Спринг-Харборе 1951 года у него сложилось впечатление, что сторонников гипотезы «один ген – один фермент» «можно пересчитать по пальцам одной руки, и останется еще пара пальцев». ^[10] К началу 1950-х годов большинство биохимиков и генетиков считали ДНК наиболее вероятным кандидатом на роль физической основы гена, и гипотеза «один ген – один фермент» была соответствующим образом переосмыслена. ^[11]

Приписывая генам обучающую роль, Бидл и Татум неявно приписывали генам информационную способность. Это понимание легло в основу концепции генетического кода. Однако только после проведения экспериментов, показавших, что ДНК является генетическим материалом, что белки состоят из определенной линейной последовательности аминокислот и что структура ДНК содержит линейную последовательность пар оснований, появилась четкая основа для разгадки генетического кода.

К началу 1950-х годов достижения в области биохимической генетики, отчасти подстегнутые первоначальной гипотезой, сделали гипотезу «один ген – один фермент» маловероятной (по крайней мере, в ее первоначальной форме). Начиная с 1957 года Вернон Ингрэм и другие показали с помощью электрофореза и двумерной хроматографии , что генетические вариации в белках (таких как серповидноклеточный гемоглобин ) могут быть ограничены различиями всего в одной полипептидной цепи в мультимерном белке , что привело к гипотезе «один ген – один полипептид». ^[12] По словам генетика Роуленда Х. Дэвиса, «к 1958 году – на самом деле, даже к 1948 году – один ген, один фермент больше не были гипотезой, которую нужно было решительно защищать; это было просто название исследовательской программы». ^[13]

В настоящее время перспектива один ген-один полипептид не может объяснить различные сплайсированные версии во многих эукариотических организмах, которые используют сплайсосому для индивидуальной подготовки транскрипта РНК в зависимости от различных межклеточных и внутриклеточных сигналов окружающей среды. Этот сплайсинг был открыт в 1977 году Филиппом Шарпом и Ричардом Дж. Робертсом ^[14]

Историк Ян Сапп изучал споры в отношении немецкого генетика Франца Мёвуса , который, как утверждали некоторые ведущие генетики 1940-х и 50-х годов, получил схожие результаты до знаменитой работы Бидла и Татума 1941 года. ^[15] Работая над водорослями Chlamydomonas , Мёвус опубликовал в 1930-х годах результаты, которые показали, что разные гены отвечают за разные ферментативные реакции в производстве гормонов, которые контролируют воспроизводство организма. Однако, как искусно описывает Сапп, эти результаты были оспорены другими, которые посчитали данные «слишком хорошими, чтобы быть правдой» статистически, и результаты не могли быть воспроизведены.

• Эдвард Лоури Татум
• Джордж Уэллс Бидл
• Нейроспора красса
• Норман Горовиц (генетик)
• Центральная догма молекулярной биологии

• Fruton JS (1999). Белки, ферменты, гены: взаимодействие химии и биологии . New Haven: Yale University Press . ISBN 0-300-07608-8.
• Кей LE (1993). Молекулярное видение жизни: Калтех, Фонд Рокфеллера и расцвет новой биологии . Нью-Йорк: Oxford University Press . ISBN 0-19-511143-5.
• Morange M (1998). История молекулярной биологии . Cobb M (перевод). Cambridge: Harvard University Press . ISBN 0-674-39855-6.

• Хикман М., Кэрнс Дж. (2003). «Столетие гипотезы одного гена и одного фермента». Генетика . 163 (3): 839– 841. doi :10.1093/genetics/163.3.839. PMC  1462495. PMID  12663526 .
• Horowitz NH (1995). «Один ген — один фермент: вспоминая биохимическую генетику». Protein Science . 4 (5): 1017– 1019. doi :10.1002/pro.5560040524. PMC  2143113 . PMID  7663338.