Główna zawartość

Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 15

Lekcja 1: Dogmat centralny i kod genetyczny

Jeden gen, jeden enzym

Eksperymenty znane z historii: studia Garroda nad alkaptonurią, praca Beadle i Tatum nad mutacjami Neurospory. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

Hipoteza jeden gen, jeden enzym jest ideą, w której każdy gen koduje pojedynczy enzym. Dzisiaj wiemy, że ta idea jest ogólnie (ale nie dokładnie) prawidłowa.
Sir Archibald Garrod, brytyjski doktor medycyny, był pierwszym, który zasugerował, że geny są powiązane z enzymami.
Beadle i Tatum potwierdzili, hipotezę Garroda wykorzystując badania genetyczne i biochemiczne chlebowej pleśni Neurospora.
Beadle i Tatum zidentyfikowali mutanty pleśni z chleba, które były niezdolne do utworzenia konkretnych aminokwasów. W każdym z nich mutacja "psuła" enzym potrzebny do utworzenia konkretnego aminokwasu.

Wprowadzenie

Obecnie wiemy, że typowy gen dostarcza instrukcji do zbudowania białka, które z kolei determinuje obserwowalne cechy organizmu. Na przykład, wiemy obecnie, że gen koloru kwiatów Grzegorza Mendla określa białko, które pomaga utworzyć cząsteczki barwnika, co daje kwiaty o różowym kolorze, kiedy działa prawidłowo.

Jednakże Mendel nie wiedział, że geny (które nazywał "czynnikami dziedzicznymi") określały inne funkcjonalne cząsteczki. W rzeczywistości, nigdy nie spekulował na temat tego, jak geny wpływają na obserwowalne cechy organizmów żywych. Kto zatem jako pierwszy połączył geny i białka?

"Przyrodzone błędy metabolizmu" Garroda

Często widzimy przypadki, w których laboratoriach miały miejsce podstawowe przełomy w biologii. Jednakże, mogą one także się dziać przy łóżku pacjenta! Sir Archibald Garrod, angielski lekarz na przełomie XX wieku, był pierwszym, który połączył geny i biochemię w ludzkim ciele.

Garrod pracował z pacjentami, którzy mieli choroby metaboliczne i widział, że te choroby często były w rodzinach. Skupił się na pacjentach ze schorzeniem, które obecnie nazywamy alkaptonurią. Jest to choroba, która nie jest śmiertelna, w której mocz osoby staje się czarny, ponieważ nie może rozkładać cząsteczki nazywanej kwasem homogentyzynowym (który, u zwykłych zdrowych ludzi, zostaje rozłożony na bezbarwne cząsteczki).

^{1}

Dzięki przypatrywaniu się drzewom genealogicznym osób z tą chorobą, Garrod zdał sobie sprawę, że alkaptonuria powielała recesywny wzór dziedziczenia, jak niektóre cechy, które badał Mendel w jego groszkach. Garrod wpadł na pomysł, że pacjenci z alkaptonurią mogą mieć defekt metaboliczny w rozkładaniu kwasu homogentyzynowego i że metaboliczny defekt może być powodowany przez recesywną formę jednego z czynników dziedzicznych Mendla (np. recesywny allel genu).

^{2}

Garrod odniósł się do tego jako do "wrodzonego błędu metabolizmu", i znalazł inne choroby, które powielały podobny wzór. Chociaż natura genu nie była w tym czasie w pełni rozumiana i przez Garroda i kogokolwiek innego, Garrod jest obecnie uważany za "ojca genetyki chemicznej" - to znaczy, że jako pierwszy połączył geny z enzymami, które przeprowadzają reakcje metaboliczne.

^{3}

Beadle i Tatum: Połączenie genów z enzymami

Niestety pomysły Garroda zostały w dużej mierze niezauważone przez współczesnych. W rzeczywistości, dopiero po pracach dwóch innych naukowców, Georgeu Beadle i Edwardzie Tatum, którzy przeprowadzili serię kluczowych eksperymentów w latach '40 XX wieku, praca Garroda została ponownie odkryta i doceniona.

^{4}

Beadle i Tatum pracowali z prostym organizmem: powszechną pleśnią z chleba, czyli Neurospora crassa. Wykorzystując Neurospora byli zdolni pokazać jasne połączenie między genami a enzymami metabolicznymi.

Dlaczego ta pleśń jest dobra do eksperymentów

Możesz zastanawiać się: dlaczego Beadle i Tatum zdecydowali się na badanie czegoś tak ohydnego (i pozornie nieistotnego) jak pleśń chlebowa?

Zatem... Początkowo Beadle planował pracować z muszką owocową Drosophila (także trochę obrzydliwym, ale dużo bardziej powszechnym organizmem do eksperymentów w tamtym czasie). Jednakże jak coraz bardziej interesował się połączeniem genów i metabolizmu, zdał sobie sprawę, że Neurospora może być lepszym sposobem na uzyskanie odpowiedzi na pytania, których był ciekawy. Dlatego, że Neurospora miała szybki i wygodny cykl życiowy oraz jedną z faz haploidalną i diploidalną, która ułatwiała wykonywanie eksperymentów genetycznych.

^{5}

Co być może najważniejsze, komórki Neurospora mogły rosnąć w laboratorium w prostej pożywce (płynnej lub żelu), której skład chemiczny był w 100% znany i kontrolowany przez badacza. W rzeczywistości, komórki mogły rosnąć na pożywce minimalnej, źródle składników odżywczych z cukrem, solami i jedną witaminą (biotyną). Komórki Neurospora mogą przeżyć na tej pożywce, kiedy inne organizmy (takie jak ludzie!) nie mogą. Jest tak, ponieważ Neurospora ma ścieżki biochemiczne, które zamieniają cukier, sole i biotynę we wszystkie inne cegiełki potrzebne komórce (takie jak aminokwasy i witaminy).

^{6}

Komórki Neurospora także rosną szybko na pełnej pożywce, która zawiera cały zestaw aminokwasów i witamin. One właśnie nie potrzebują pełnej pożywki, aby żyć.

Stwórzmy trochę mutantów!

Jeśli geny byłyby połączone z enzymami biochemicznymi, Beadle i Tatum wywnioskowali, że byłoby możliwe zaindukowanie mutacji, czyli zmian w genach, które "psułyby" konkretne enzymy (i w związku z tym poszczególne ścieżki) potrzebne do wzrostu na pożywce minimalnej. Linia Neurospora z taką mutacją rosłaby normalnie na takiej pożywce, ale utraciłaby zdolność przeżycia w pożywce minimalnej.

^{7}

Schemat w oparciu o jemu podobny u Griffiths et al. $^{8}$ ‍.

Aby szukać mutantów takich jak ten, Beadle i Tatum eksponowali spory Neurospora na promieniowanie (promieniowanie rentgenowskie, UV lub neutronowe), aby stworzyć nowe mutanty. Po kilku etapach doborów genetycznych, brali organizmy potomne ze spor podlegających napromieniowaniu i hodowali je oddzielnie w probówkach zawierających pełne pożywki. Kiedy każda ze spor wytworzyła rosnącą kolonię, mała część kolonii była przenoszona do innej probówki zawierającej pożywkę minimalną.

Większość kolonii rosła i na pożywce pełnej i minimalnej. Jednakże kilka kolonii rosło normalnie na pożywce pełnej, ale nie mogła wcale rosnąć na pożywce minimalnej. Były to mutanty pokarmowe, które Beadle i Tatum mieli nadzieję znaleźć. Na pożywce minimalnej każdy mutant umarłby, ponieważ nie mógłby zsyntetyzować poszczególnych niezbędnych cząsteczek z minimalnych składników odżywczych. Pełna pożywka "ratuje" mutanty (pozwala im żyć) dzięki dostarczaniu brakującej cząsteczki wraz z wieloma innymi.

^{9}

Dokładne określenie niefunkcjonującej ścieżki

Aby dowiedzieć się, która ścieżka metaboliczna została"zepsuta" w każdym z mutantów, Beadle i Tatum wykonali sprytny, dwuetapowy eksperyment.

Po pierwsze hodowali każdego mutanta i w pożywce minimalnej uzupełnionej pełnym zestawem aminokwasów i w tej z pełnym zestawem witamin (lub cukrów, ale nie będziemy tutaj rozpatrywać tego przypadku).

^{8, 10}

Jeśli mutant rósł na pożywce minimalnej z aminokwasami (ale nie na tej z witaminami), musiał być niezdolny do wytworzenia jednego lub więcej aminokwasów.
Jeśli mutant rósł na pożywce z witaminami, a nie na pożywce z aminokwasami, musiał być niezdolny do wytworzenia jednej lub więcej witamin.

Schemat w oparciu o jemu podobny u Griffiths et al. $^{8}$ ‍.

Beadle i Tatum doprecyzowali później "zepsute" ścieżki w każdym mutancie dzięki drugiej serii testów. Na przykład jeśli mutant rósł na pożywce minimalnej zawierającej wszystkie

20

aminokwasów, mogli oni następnie testować go w

20

różnych fiolkach, każdej zawierającej pożywkę minimalną plus jeden z

20

aminokwasów. Jeśli mutant rósł w jednej z nich, Beadle i Tatum wiedzieli, że aminokwas obecny w tej probówce musi być końcowym produktem uszkodzonej ścieżki u tego mutanta.

^{8}

W ten sposób Beadle i Tatum połączyli wiele mutantów pokarmowych z poszczególnymi ścieżkami biosyntezy aminokwasów i witamin. Ich praca zrewolucjonizowała badania genetyczne i pokazała, że pojedyncze geny były w istocie połączone z konkretnymi enzymami.

^{11}

"Jeden gen, jeden enzym" dzisiaj

Początkowo odkryte połączenie między genami i enzymami było nazywane hipotezą "jeden gen, jeden enzym". Ta hipoteza przeszła kilka ważnych aktualizacji od czasów Beadlea i Tatuma

^{12, 13}

Niektóre geny kodują białka, które nie są enzymami. Enzymy są tylko jednym rodzajem białek. W komórce jest wiele innych białek niebędących enzymami i te białka są także kodowane przez geny.
Niektóre geny kodują podjednostki białka a nie całe białko. Gen ogólnie koduje jeden polipeptyd, co oznacza jeden łańcuch aminokwasów. Niektóre białka składają się z kilku polipeptydów z różnych genów.
Alternatywny splicing jest innym wyjątkiem! Tylko u eukariotów niektóre geny mogą kodować kilka różnych, ale nie identycznych polipeptydów dzięki procesowi nazywanemu alternatywnym splicingiem, w którym różne "kawałki" genu są wybierane do użycia podczas ekspresji genów $^{4}$ ‍.
Alternatywny splicing nie zachodzi u bakterii i nie wszystkie geny eukariotyczne są alternatywnie składane.
Niektóre geny nie kodują polipeptydów. Niektóre geny w rzeczywistości kodują funkcjonalne cząsteczki RNA a nie polipeptydy!

Chociaż idea "jeden gen, jeden enzym" nie jest całkowicie dokładna, jest ideą centralną - gen zwykle określa białko w relacji jeden do jednego - nadal pozostaje pomocną dla genetyków.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Piro, A. Tagarelli, G., Lagonia, P., Quattrone, A., Tagarelli, A. (2010). Archibald Edward Garrod and alcaptonuria: “Inborn errors of metabolism” revisited. Genetics in Medicine, 12, 475. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20703138.
Garrod, A. E. (1902). The incidence of alkaptonuria: A study in chemical individuality. Lancet, 2, 1616-1620. Źródło: http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/ag-02.pdf.
Genome News Network. (2004). 1908: Archibald E. Garrod (1857-1936) postulates that genetic defects cause many inherited diseases. W Genetics and genomics timeline. Źródło: http://www.genomenewsnetwork.org/resources/timeline/1908_Garrod.php.
Brief forward to ESP reprint of: Garrod, A. E. (1902). The incidence of alkaptonuria: A study in chemical individuality. Lancet, 2, 1616-1620. Źródło: http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/ag-02.pdf.
Nasrallah, J. B. (2012). Adrian M. Srb. W Biographical memoirs, 5. Źródło: http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/srb-adrian.pdf
Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1941). Genetic control of biochemical reactions in Neurospora. PNAS, 27, 502. Źródło: http://www.pnas.org/content/27/11/499.full.pdf.
Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1941). Genetic control of biochemical reactions in Neurospora. PNAS, 27, 500. Źródło: http://www.pnas.org/content/27/11/499.full.pdf.
Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., Gelbart, W. M. (2000). The procedure used by Beadle and Tatum. W An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22044/figure/A1616/?report=objectonly.
Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1945). Neurospora. II. Methods of producing and detecting mutations concerned with nutritional requirements. American Journal of Botany, 32, 679-680. Źródło: http://www.jstor.org/stable/2437625.
Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1945). Neurospora. II. Methods of producing and detecting mutations concerned with nutritional requirements. American Journal of Botany, 32, 681. Źródło: http://www.jstor.org/stable/2437625.
Horowitz, N. H., Berg, P., Singer, M., Lederberg, J., Susman, M., Doebley, J., Crow, J.F. (2004). A Centennial: George W. Beadle, 1903–1989. W J. F. Crow and W. F. Dove (eds.), Perspectives: Anecdotal, historical and critical commentaries on genetics. Genetics, 166(1), 2. http://dx.doi.org/10.1534/genetics.166.1.1.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). The products of gene expression: A developing story. W Campbell biology (10th ed., p. 336). San Francisco, CA: Pearson.
Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., Heller, H.C. (2004). One gene, one polypeptide. W Life: the science of biology (7th ed., p. 234). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Dodatkowe źródła

Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1941). Genetic control of biochemical reactions in Neurospora. PNAS, 27, 499-506. Źródło: http://www.pnas.org/content/27/11/499.full.pdf.

Beadle, G. W. & Tatum, E. L. (1945). Neurospora. II. Methods of producing and detecting mutations concerned with nutritional requirements. American Journal of Botany, 32, 678-686. Źródło: http://www.jstor.org/stable/2437625.

Experimental basis for the one-gene, one-protein hypothesis. (2010). W Hospital centennial: The Rockefeller University hospital. Źródło: http://centennial.rucares.org/index.php?page=One-gene_One-enzyme.

Garrod, A. E. (1902). The incidence of alkaptonuria: A study in chemical individuality. Lancet, 2, 1616-1620. Źródło: http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/ag-02.pdf.

Genome News Network. (2004). 1941: George W. Beadle (1903-1989) and Edward L. Tatum (1909-1975) show how genes direct the synthesis of enzymes that control metabolic processes. W Genetics and genomics timeline. Źródło: http://www.genomenewsnetwork.org/resources/timeline/1941_Beadle_Tatum.php.

George Wells Beadle (1903-1989). (2011). W DNA from the beginning. Źródło: http://www.dnaftb.org/16/bio.html.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., Gelbart, W. M. (2000). How genes work. W An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22044/.

Griffiths, A. J. F., Wessler, S. R., Lewontin, R. C., Carroll, S. B. (2008). Neurospora. W Introduction to genetic analysis (10th ed., p. 107). New York, NY: W. H. Freeman and Company.

Horowitz, N. H., Berg, P., Singer, M., Lederberg, J., Susman, M., Doebley, J., Crow, J.F. (2004). A Centennial: George W. Beadle, 1903–1989. W J. F. Crow and W. F. Dove (eds.), Perspectives: Anecdotal, historical and critical commentaries on genetics. Genetics, 166(1), 1-10. http://dx.doi.org/10.1534/genetics.166.1.1.

Nasrallah, J. B. (2012). Adrian M. Srb. In Biographical memoirs. Źródło: http://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/srb-adrian.pdf.

Neurospora life cycle. (4 sierpnia 2004). W Fungal genetics stock center. Źródło: http://www.fgsc.net/neurospora/sectionb2.htm.

One gene makes one protein. (2011). W DNA from the beginning. Źródło: http://www.dnaftb.org/16/.

Neurospora life cycle. (4 sierpnia 2004). W Fungal genetics stock center. Źródło: http://www.fgsc.net/neurospora/sectionb2.htm.

One gene makes one protein. (2011). W DNA from the beginning. Źródło: http://www.dnaftb.org/16/.

Piro, A. Tagarelli, G., Lagonia, P., Quattrone, A., Tagarelli, A. (2010). Archibald Edward Garrod and alcaptonuria: “Inborn errors of metabolism” revisited. Genetics in Medicine, 12, 475-476. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20703138.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., Singer, S. R. (2014). The nature of genes. W Biology (10th ed., AP ed., pp. 278-281). New York, NY: McGraw-Hill.

Raven, P. H., and Johnson, G. B. (2002). The one gene/one polypeptide hypothesis. W Biology (6th ed., pp. 295-296). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Genes specify proteins via transcription and translation. W Campbell biology (10th ed., pp. 92-123). San Francisco, CA: Pearson.

Srb, A. M. & Horowitz, N. H. (1944). The ornithine cycle in Neurospora and its genetic control. Journal of Biological Chemistry, 154, 129-139. Źródło: http://www.jbc.org/content/154/1/129.full.pdf+html.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.