Группа фагов
Неформальная сеть биологов середины 1900-х годов

Группа фагов (иногда называемая Американской группой фагов ) была неформальной сетью биологов, центром которой был Макс Дельбрюк , внесший большой вклад в генетику бактерий и истоки молекулярной биологии в середине 20-го века. Группа фагов получила свое название от бактериофагов , вирусов, заражающих бактерии , которые группа использовала в качестве экспериментальных модельных организмов . Помимо Дельбрюка, важными учеными, связанными с группой фагов, являются: Сальвадор Лурия , Альфред Херши , Сеймур Бенцер , Чарльз Стейнберг , Гюнтер Стент , Джеймс Д. Уотсон , Фрэнк Шталь и Ренато Дульбекко .

Истоки группы фагов: люди, идеи, эксперименты и личные отношения

Бактериофаги были предметом экспериментального исследования с тех пор, как Феликс д'Эрелль выделил и разработал методы их обнаружения и культивирования , начиная с 1917 года. Дельбрюк, физик, ставший биологом, искавший простейшую возможную экспериментальную систему для исследования фундаментальных законов жизни, впервые столкнулся с фагами во время визита в 1937 году в лабораторию мух Т. Х. Моргана в Калтехе . Дельбрюк не был впечатлен экспериментально сложным модельным организмом Моргана Drosophila , но другой исследователь, Эмори Эллис , работал с более элементарным фагом. В течение следующих нескольких лет Эллис и Дельбрюк сотрудничали над методами подсчета фагов и отслеживания кривых роста ; они установили основную пошаговую схему роста вируса (наиболее очевидные черты литического цикла ). [1]

Эмори Эллис (1906–2003) и Макс Дельбрюк (1906–1981)

В ретроспективной статье [2] Эмори Эллис заявил: «Вскоре после того, как Макс Дельбрук прибыл в биологический отдел Калтеха, намереваясь выяснить, как его знания в области физических наук могут быть продуктивно применены к биологическим проблемам, я показал ему несколько кривых ступенчатого роста. Его первым комментарием было: «Я в это не верю». Однако, как описывает Эллис, Дельбрук вскоре развеял эту первоначальную реакцию недоверия собственным анализом явления и сразу же с энтузиазмом включился в работу, привнеся в нее свое образование в области математики и физики, а также интенсивный интерес к генетике. Их первые совместные результаты были опубликованы в 1939 году. [3]

Сальвадор Лурия (1912–1991) и Альфред Херши (1908–1997)

Группа фагов возникла около 1940 года после того, как Дельбрюк и Лурия встретились на конференции по физике. Дельбрюк и Сальвадор Лурия начали серию совместных экспериментов по изучению закономерностей заражения различных штаммов бактерий и бактериофагов. Вскоре они установили «принцип взаимного исключения», согласно которому отдельная бактерия может быть инфицирована только одним штаммом фага. В 1943 году их «тест на флуктуацию», позже названный экспериментом Лурии–Дельбрюка , показал, что генетические мутации, приводящие к устойчивости к фагам, возникают при отсутствии отбора , а не являются ответом на отбор. [4] [5] Традиционная мудрость среди бактериологов до 1943 года состояла в том, что у бактерий нет хромосом и генов. Эксперимент Лурии–Дельбрюка показал, что у бактерий, как и у других устоявшихся модельных генетических организмов, есть гены, и что они могут спонтанно мутировать, создавая мутантов, которые затем могут размножаться, образуя клональные линии. В том же году они начали работать с Альфредом Херши , другим экспериментатором с фагами. [6] (Эти трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1969 года «за работу над механизмом репликации и генетикой вирусов»).

Херши [7] описал ретроспективно обстоятельства, приведшие к эксперименту с использованием фага, который он провел со своей помощницей Мартой Чейз в 1952 году, позже известному как эксперимент Херши–Чейза . [8] Этот эксперимент предоставил ключевые доказательства того, что ДНК, в отличие от белка, является генетическим материалом фага и, следовательно, вероятным генетическим материалом в целом.

В 1946 году Лурия сделал открытие, которому было суждено открыть новое понимание того, как достигается стабильность ДНК (см. Luria, [5] стр. 96). Он обнаружил, что когда после УФ-облучения два или более «мертвых» фага проникали в одну и ту же бактериальную клетку, они часто снова ожили и давали нормальное живое потомство. [9] Это был первый пример реактивации клеток или организмов, поврежденных радиацией. Он правильно интерпретировал реактивацию как результат генетической рекомбинации (см. также гомологичную рекомбинацию ). Джеймс Уотсон (будущий соавтор открытия структуры ДНК Уотсона-Крика в 1953 году и лауреат Нобелевской премии 1962 года) был первым аспирантом Лурии в Университете Индианы. В качестве своего проекта докторской диссертации Уотсон показал, что рентгеновский фаг может участвовать в генетической рекомбинации и реактивации множественности .

Как вспоминает Лурия (1984, [5] стр. 97), открытие реактивации облученного фага (называемое « реактивацией множественности ») немедленно вызвало всплеск активности в изучении восстановления радиационных повреждений в пределах ранней группы фагов (обзор Бернштейна [10] в 1981 году). Позже выяснилось, что восстановление поврежденного фага путем взаимопомощи, которое открыл Лурия, было лишь одним частным случаем восстановления ДНК. Теперь известно, что клетки всех типов, не только бактерии и их вирусы, но и все изученные организмы, включая людей, имеют сложные биохимические процессы восстановления повреждений ДНК (см. Восстановление ДНК ). Процессы восстановления ДНК также теперь признаются играющими важнейшую роль в защите от старения, рака и бесплодия.

Джеймс Уотсон (р. 1928) и Ренато Дульбекко (1914–2012)

Джим Уотсон в ретроспективной статье [11] описал свой первый опыт работы с Лурией в 1947 году. По-видимому, по словам Уотсона «…многие студенты боялись Лурии, который имел репутацию высокомерного человека по отношению к людям, которые были неправы». Однако по мере того, как осенний семестр приближался, Уотсон «не видел никаких доказательств слухов о невнимании к тупицам». Таким образом, без каких-либо реальных оговорок (за исключением случайных опасений, что он недостаточно умен, чтобы вращаться в его кругу), он спросил Лурию, может ли он провести исследование под его руководством в весеннем семестре. Лурия сразу же сказал «да» и дал Уотсону задание изучить реактивацию множественности фагов, вызванную рентгеновскими лучами, как описано выше. Единственным другим ученым в лаборатории Лурии в то время, с которым Уотсон делил лабораторный стол, был Ренато Дульбекко (будущий член группы фагов), который недавно прибыл из Италии, чтобы провести эксперименты по реактивации множественности фагов. Позже в том же семестре (1948) Уотсон впервые встретился с Дельбрюком, который ненадолго навестил Лурию. Уотсон [11] написал: «Почти с первого предложения Дельбрюка я понял, что не буду разочарован. Он не ходил вокруг да около, и смысл его слов всегда был ясен. Но еще более важным для меня были его молодой вид и дух». Уотсон отметил, что в этом случае, как и во многих последующих случаях, Дельбрюк говорил о Боре (физике) и его вере в то, что принцип дополнительности, возможно, подобный тому, который необходим для понимания квантовой механики, будет ключом к реальному пониманию биологии.

В 1950 году Ренато Дульбекко, ныне работающий в Калтехе вместе с Дельбрюком, разработал процедуру анализа частиц вирусов животных по формированию ими бляшек на листе культивируемых клеток, подобно тому, как фаги формируют бляшки на газоне бактериальных клеток. Эта процедура подготовила почву для Дульбекко для внедрения комплексной исследовательской программы количественных исследований вирусов животных с целью изучения их внутриклеточного репродуктивного цикла. Эта работа была отмечена Нобелевской премией в 1975 году. [12]

Мэтью Месельсон (р. 1930) и Франклин Шталь (р. 1929)

После открытия структуры ДНК в 1953 году все еще было неясно, как реплицируется ДНК. Излюбленной моделью в то время была полуконсервативная репликация, но требовались экспериментальные доказательства. Эксперимент Мезельсона–Шталя [13] , проведенный Мэтью Мезельсоном и Франклином Шталем в 1958 году, был ключевым экспериментом, который предоставил убедительные доказательства полуконсервативной репликации, механизма, который теперь известен как правильный. Мезельсон и Шталь описали обстоятельства, приведшие к этому ключевому эксперименту. [14] С тех пор его называют «Самым красивым экспериментом в биологии». [15] Его красота связана с простотой результата, хотя путь, который привел к эксперименту, был далеко не простым.

Сеймур Бензер (1921–2007) и Жан Вайгл (1901–1968)

Как описано в ретроспективной статье, [16] Сеймур Бензер присоединился к группе фагов Дельбрюка в Калтехе в 1949 году в качестве постдокторанта. Там он делил лабораторную комнату с Жаном Вайглом , где они проводили совместные эксперименты с фагом T4. Покинув Калтех, Бензер продолжил эксперименты с фагом T4 в Институте Пастера в Париже, а затем в Университете Пердью, где он разработал систему для изучения тонкой структуры гена с использованием мутантов, дефектных в генах rIIA и rIIB. [17] [18] Эти генетические эксперименты, включающие скрещивания мутантов rII, привели к обнаружению уникального линейного порядка мутационных участков внутри генов. Этот результат предоставил веские доказательства ключевой идеи о том, что ген имеет линейную структуру, эквивалентную длине ДНК со многими участками, которые могут независимо мутировать.

В 1952 году Сальвадор Лурия открыл явление «рестрикции-модификации» (модификации фага, растущего внутри инфицированной бактерии, так что при их высвобождении и повторном заражении родственной бактерии рост фага ограничивается) (описано Лурией, [5] стр. 45 и 99). Вайгле, работая с Джузеппе Бертани и Вернером Арбером , вскоре прояснили основу этого явления. Они показали, что рестрикция на самом деле была вызвана атакой специфических бактериальных ферментов на ДНК модифицированного фага. Эта работа привела к открытию класса ферментов, теперь известных как « рестриктазы ». Эти ферменты позволяли контролируемо манипулировать ДНК в лаборатории, тем самым обеспечивая основу для развития генной инженерии.

Вайгле также продемонстрировал индуцибельную природу генов реакции на повреждение ДНК у бактерий, явление, которое стало известно как SOS-ответ . Этот ответ включает мутагенез, индуцируемый повреждением ДНК (названный мутагенезом Вайгла в его честь) и индуцибельную репарацию после повреждения ДНК (названный реактивацией Вайгла).

Сидни Бреннер (1927–2019) и Гюнтер Стент (1924–2008)

В 1961 году Сидни Бреннер , один из первых членов группы фагов, сотрудничал с Фрэнсисом Криком, Лесли Барнеттом и Ричардом Уоттс-Тобином в Кавендишской лаборатории в Кембридже для проведения генетических экспериментов, которые продемонстрировали основную природу генетического кода белков. [19] Эти эксперименты, проведенные с мутантами гена rIIB фага T4, показали, что для гена, кодирующего белок, три последовательных основания ДНК гена определяют каждую последующую аминокислоту белка. Таким образом, генетический код представляет собой триплетный код, где каждый триплет (называемый кодоном) определяет определенную аминокислоту. Они также получили доказательства того, что кодоны не перекрываются друг с другом в последовательности ДНК, кодирующей белок, и что такая последовательность считывается с фиксированной начальной точки.

Гюнтер Стент присоединился к группе фагов в 1948 году после прохождения курса по фагам в Колд Спринг Харбор, Нью-Йорк. Продолжающиеся неформальные обсуждения среди этих сотрудников о ходе их исследований привели к книге Стента под названием « Молекулярная биология бактериальных вирусов» (посвященной Максу Дельбрюку) [20] , которая представляла собой ясный отчет о достижениях в этой новой области до 1963 года. Позднее, в своих мемуарах, Стент (1998) описал некоторые виды деятельности и личные взаимодействия, которые иллюстрировали уникальный интеллектуальный дух группы фагов в ее ранние решающие годы (1948-1950). [21]

Роль Макса Дельбрюка

Дельбрюк, благодаря своему обаянию и энтузиазму, привлек многих биологов (и физиков) к исследованию фагов в начале 1940-х годов (см.: Чарльз Стейнберг ). [22] В 1944 году Дельбрюк продвигал «Договор о фагах», призывающий исследователей фагов сосредоточиться на ограниченном количестве штаммов фагов и бактерий в стандартизированных экспериментальных условиях. Это помогло сделать исследования из разных лабораторий более сопоставимыми и воспроизводимыми, помогая объединить область бактериальной генетики . [23]

Курс по фагам в лаборатории Колд Спринг Харбор и Калтехе

Помимо прямого сотрудничества, основное наследие группы фагов возникло из ежегодного летнего курса по фагам, который преподавался в лаборатории Колд Спринг Харбор и время от времени в Калтехе. Начиная с 1945 года, Дельбрюк и другие обучали молодых биологов основам биологии фагов и экспериментов, прививая отличительный математический и физический подход группы фагов к биологии. Многие из лидеров новой области молекулярной биологии были выпускниками курса по фагам, который продолжал преподаваться в течение 1950-х и 1960-х годов. [24] [25]

В 1995 году Миллард Сасман опубликовал ретроспективную статью о курсе по фагам, который читался в течение многих лет (1945–1970) как в Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк), так и в Калифорнийском технологическом институте. [26] В статье перечислены многие выпускники курса, описаны некоторые из их достижений и приведены интересные истории, связанные с курсом. Ричард Фейнман , выдающийся физик-теоретик Калтеха, научился работать с фагами летом 1961 года с помощью Чарльза М. Стейнберга , и его экспериментальные результаты были включены в публикацию Эдгара и др. [27]

Условно-летальные мутанты

Выделение условных летальных мутантов фага в 1962-1964 годах членами фаговой группы предоставило возможность изучить функцию практически всех генов, которые необходимы для роста фага в лабораторных условиях. [28] [29] Один класс условных летальных мутантов известен как янтарные мутанты . [30] Эти мутанты были выделены и генетически охарактеризованы Ричардом Эпштейном, Антуанеттой Болле и Чарльзом М. Стейнбергом [31] в 1962 году (хотя публикация их первоначальных результатов была отложена на 50 лет: см. Эпштейн и др., 2012. [32] ). Более полная генетическая характеристика янтарных мутантов была описана Эпштейном и др. в 1964 году. [33] Другой класс условных летальных мутантов, называемых температурно-чувствительными мутантами, был получен Робертом Эдгаром и Илгой Лиелаусис. [34] Исследования этих двух классов мутантов привели к значительному пониманию многочисленных фундаментальных биологических проблем. Таким образом, было получено понимание функций и взаимодействий белков, используемых в механизмах репликации, репарации и рекомбинации ДНК, а также того, как вирусы собираются из белковых и нуклеиновокислотных компонентов (молекулярный морфогенез). Кроме того, была выяснена роль кодонов, завершающих цепь. Одно примечательное исследование было проведено Сидни Бреннером и его коллегами с использованием мутантов Amber, дефектных в гене, кодирующем основной головной белок фага T4. [35] Этот эксперимент предоставил веские доказательства широко распространенной, но до 1964 года все еще недоказанной «гипотезы последовательности», согласно которой аминокислотная последовательность белка определяется нуклеотидной последовательностью гена, определяющего белок. Таким образом, это исследование продемонстрировало колинеарность гена с кодируемым им полипептидом.

Ссылки

  1. ^ Моранж, История молекулярной биологии , стр. 41-43
  2. ^ Эллис Э.Л. «Бактериофаг: одношаговая кривая роста» в книге «Фаг и происхождение молекулярной биологии» (2007) под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN  978-0879698003
  3. ^ Эллис EL, Дельбрюк М. РОСТ БАКТЕРИОФАГА. J Gen Physiol. 1939 20 января;22(3):365-84. PMID  19873108
  4. ^ Лурия С.Е., Дельбрюк М. «Мутации бактерий от чувствительности к вирусам до устойчивости к вирусам». Генетика . 1943 ноябрь;28(6):491-511. PMID  17247100
  5. ^ abcd Сальвадор Э. Лурия. Игровой автомат, сломанная пробирка: автобиография . Harper & Row, Нью-Йорк: 1984. С. 228. ISBN 0-06-015260-5 (США и Канада) 
  6. ^ Моранж, История молекулярной биологии , стр. 43-44
  7. ^ Херши, А.Д. «Инъекция ДНК в клетки фагом» в книге «Фаг и происхождение молекулярной биологии» (2007) под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0879698003 
  8. ^ HERSHEY AD, CHASE M. "Независимые функции вирусного белка и нуклеиновой кислоты в росте бактериофага". J Gen Physiol. 1952 май;36(1):39-56. PMID  12981234
  9. ^ Лурия С.Е. «Реактивация облученного бактериофага путем переноса самовоспроизводящихся единиц». Proc Natl Acad Sci USA . 1947 сентябрь;33(9):253-64. PMID  16588748
  10. ^ Бернстайн К. "Репарация дезоксирибонуклеиновой кислоты в бактериофаге". Microbiol Rev. 1981 Mar;45(1):72-98. Обзор. PMID  6261109
  11. ^ ab Watson, JD "Growing up in the phage group" в Phage and the Origins of Molecular Biology (2007) Под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Cold Spring Harbor Laboratory of Quantitative Biology, Cold Spring Harbor, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0879698003 
  12. ^ "Ренато Дульбекко - Биографический" на nobelprize.org (1975)
  13. ^ Мезельсон М., Шталь Ф. В. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК В ESCHERICHIA COLI. Proc Natl Acad Sci USA . 1958 15 июля;44(7):671-82. PMID  16590258
  14. ^ Мезельсон М., Шталь Ф.В. «Демонстрация полуконсервативного режима дупликации ДНК» в книге «Фаг и происхождение молекулярной биологии» (2007) под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0879698003 
  15. ^ Холмс, FL (2002) Мезельсон Шталь и репликация ДНК: история «самого прекрасного эксперимента в биологии» Издательство Йельского университета (416 стр.) ISBN 0300085400 
  16. ^ Бензер С. «Приключения в регионе rII» в книге «Фаг и происхождение молекулярной биологии » (2007) под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0879698003 
  17. ^ Бензер С. ТОНКАЯ СТРУКТУРА ГЕНЕТИЧЕСКОГО УЧАСТКА БАКТЕРИОФАГА. Proc Natl Acad Sci USA . 1955 15 июня;41(6):344-54. PMID  16589677
  18. ^ Бензер С. О ТОПОЛОГИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ. Proc Natl Acad Sci USA . 1959 Ноябрь;45(11):1607-20. PMID  16590553
  19. ^ КРИК ФХ, БАРНЕТТ Л, БРЕННЕР С, УОТТС-ТОБИН Р. Дж. "Общая природа генетического кода белков". Nature . 1961 30 декабря;192:1227-32. PMID  13882203
  20. ^ Stent GS. 1963. Молекулярная биология бактериальных вирусов . WH Freeman and Co., Сан-Франциско, Калифорния. ASIN: B002OXAPMO
  21. ^ Stent GS (1998). Нацисты, женщины и молекулярная биология: мемуары счастливчика-самоненавистника . Кенсингтон, Калифорния: Briones Books. ISBN 978-0966456301 
  22. ^ Моранж, История молекулярной биологии , стр. 45-46
  23. ↑ История: Группа фагов. Архивировано 17 мая 2007 г. в Wayback Machine , лаборатория Колд-Спринг-Харбор, дата обращения 4 мая 2007 г.
  24. ^ Моранж, История молекулярной биологии , стр. 46-47
  25. ^ Witkin, Evelyn M. (октябрь 2002 г.). «Шансы и выбор: Колд-Спринг-Харбор 1944–1955». Annual Review of Microbiology . 56 (1): 1– 15. doi :10.1146/annurev.micro.56.012302.161130. ISSN  0066-4227 . Получено 6 марта 2023 г.
  26. ^ Susman M. Курс по фагам в Колд-Спринг-Харбор (1945-1970): воспоминание о 50-летии. Генетика. 1995 март;139(3):1101-6. PMID  7768426
  27. ^ ЭДГАР РС, ФЕЙНМАН РП, КЛЕЙН С, ЛИЕЛАУСИС И, СТЕЙНБЕРГ СМ. Эксперименты по картированию с мутантами r бактериофага T4D. Генетика. 1962 февр.;47:179-86. PMID  13889186
  28. ^ Эдгар Р. С. Условные летали: в Phage and the Origins of Molecular Biology (2007) Под редакцией Джона Кейрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0879698003 
  29. ^ Эдгар, Боб (октябрь 2004 г.). «Геном бактериофага T4: археологические раскопки». Генетика . 168 (2): 575– 582. doi :10.1093/genetics/168.2.575. PMC 1448817. PMID 15514035  . 
  30. ^ Stahl, FW (октябрь 1995). «Янтарные мутанты фага T4». Genetics . 141 (2): 439– 442. doi :10.1093/genetics/141.2.439. PMC 1206745 . PMID  8647382. 
  31. ^ Wu, GE; Lindahl, KF (март 2001 г.). «Воспоминания наставника: Чарли Стейнберг». Genetics . 157 (3): 927– 932. doi :10.1093/genetics/157.3.927. PMC 1461577 . PMID  11238383. 
  32. ^ Эпштейн, Ричард Х.; Болле, Антуанетта; Стейнберг, Чарльз М. (март 2012 г.). «Мутанты Amber бактериофага T4D: их изоляция и генетическая характеристика». Генетика . 190 (3): 833– 840. doi :10.1534/genetics.112.138438. PMC 3296251. PMID  22419076 . 
  33. ^ Эпштейн, Р. Х.; Болле, А.; Стейнберг, К. М.; Келленбергер, Э.; Бой де ла Тур, Э.; Шевалли, Р.; Эдгар, Р. С.; Сусман, М.; Денхардт, Г. Х.; Лиелаусис, А. (1963). «Физиологические исследования условных летальных мутантов бактериофага T4D». Симпозиумы по количественной биологии в Колд-Спринг-Харбор . 28 : 375–394 . doi :10.1101/sqb.1963.028.01.053.
  34. ^ Эдгар, RS; Лиелаусис, I. (апрель 1964 г.). «Чувствительные к температуре мутанты бактериофага T4D: их изоляция и генетическая характеристика». Genetics . 49 (4): 649– 662. doi :10.1093/genetics/49.4.649. PMC 1210603 . PMID  14156925. 
  35. ^ Сарабхаи, А. С.; Стреттон, А. О.; Бреннер, С.; Болле, А. (1964-01-04). «Колинеарность гена с полипептидной цепью». Nature . 201 (4914): 13– 17. Bibcode :1964Natur.201...13S. doi :10.1038/201013a0. PMID  14085558. S2CID  10179456.
На Викискладе есть медиафайлы по теме Phage Group.

Дальнейшее чтение

  • Morange, Michel (2000-03-04). История молекулярной биологии (новое издание). Harvard University Press. стр. 348. ISBN 0-674-00169-9.
  • История: Группа фагов - Лаборатория Колд Спринг Харбор
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Phage_group&oldid=1222309900"