Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985

Молекулярные механизмы передачи генетической информации
ДНК: структура хромосом и генов
ДНК хранит генетическую информацию

История ДНК начинается с Фридриха Мишера, швейцарского биолога, который первым провел систематическое исследование клеточного ядра. В 1868 г. Мишер выделил из ядер клеток гноя, полученного с использованных хирургических повязок, вещество, содержащее фосфор, которое было названо им нуклеином. (Клетки гноя - это белые кровяные клетки, или лейкоциты.) Мишер обнаружил, что нуклеин содержит кислый компонент, который известен теперь как ДНК, и основной компонент, который соответствует белку. Позже он нашел сходное вещество в головках сперматозоидов лосося. Несмотря на то что Мишер отделил фракцию нуклеиновой кислоты и изучал ее свойства, ковалентная структура ДНК, показанная на рис. 27-5, оставалась невыясненной вплоть до конца 40-х годов.

Еще Мишер, а вслед за ним многие другие исследователи предполагали, что нуклеин или нуклеиновая кислота имеют какое-то отношение к клеточной наследственности, однако первое прямое доказательство того, что ДНК-носитель генетической информации, было получено только в 1943 г. в результате открытия, сделанного Освальдом Т. Эвери, Колином Мак-Леодом и Маклином Мак-Карти из Рокфеллеровского института. Они обнаружили, что ДНК, экстрагированная из вирулентного (болезнетворного) штамма бактерии Streptomyces pneumoniae, известного также как пневмококк, неизменно переводила невирулентный штамм этой бактерии в вирулентную форму (рис. 27-6). Эвери и его коллеги сделали вывод, что ДНК, выделенная из вирулентного штамма, несет наследуемую генетическую информацию, обусловливающую вирулентность, и что эта информация неизменно включается в ДНК реципиентных невирулентных клеток. На первых порах не все согласились с таким утверждением. Некоторые критики считали, что действительным носителем генетической информации могли служить следовые количества содержащихся в ДНК белковых примесей. Эта возможность была вскоре исключена, так как оказалось, что обработка ДНК дезоксирибонуклеазами уничтожает трансформирующую активность, а протеолитические ферменты на нее не влияют.

Рис. 27-6. Эксперимент Эвери, Мак Леода и Мак-Карти. Заражение мышей инкапсулированным штаммом пневмококка (А) вызывает смерть животных, в то время как бескапсульный (Б) и убитый нагреванием инкапсулированный штаммы (В) безвредны. Г. Ранее бактериолог Фредерик Гриффит показал, что при добавлении убитых нагреванием вирулентных пневмококков (которые сами по себе для мышей безвредны) к живым невирулентным клеткам последние неизменно превращались в вирулентные инкапсулированные клетки. Он сделал вывод, что в убитых нагреванием вирулентных клетках присутствует некий трансформирующий фактор, который попадает в живые невирулентные клетки и придает им вирулентность и способность образовывать капсулы. Эвери и его коллеги установили, что этот трансформирующий фактор представляет собой ДНК. Д. Они выделили ДНК из убитых нагреванием вирулентных пневмококков, очистили ее от белков, насколько это было возможно, и добавили к невирулентным клеткам. При этом невирулентные пневмококки превратились в вирулентные. Очевидно, ДНК попала в невирулентные клетки, и гены, ответственные за вирулентность и образование капсулы, встроились в хромосомы невирулентных клеток.

Позже, в другом важном эксперименте, было получено независимое свидетельство в пользу того, что генетическую информацию несет ДНК. В 1952 г. Альфред Д. Херши и Марта Чейз в опытах с применением радиоактивных меток показали, что при инфекции бактериофагом Т2 его клетки-хозяина Е. coli именно ДНК вирусной частицы Т2, а не ее белковая часть попадает внутрь бактериальной клетки и доставляет туда генетическую информацию для репликации этого вируса (рис. 27-7).

Рис. 27-7. Общая схема эксперимента Херши и Чейз. Эксперимент проводили на двух препаратах бактериофага, меченного радиоактивным изотопом. В одном из них с помощью изотопа ³³Р были помечены фосфатные группы фаговой ДНК, а в другом изотоп ³⁵S был введен в серусодержащие аминокислоты белка оболочки фага. Каждый из меченных таким способом фагов по отдельности был добавлен к суспензии немеченых бактерий. Затем обе группы зараженных фагом бактериальных клеток встряхивали в смесителе. Оказалось, что клетки, зараженные ³²Р-вирусными частицами, содержат в своем составе ³²Р, т.е. в них попала меченая вирусная ДНК. Отделенные от клеток “тени” фага (пустые оболочки вируса) радиоактивности не содержали. В клетках, зараженных ³³S-вирусными частицами, радиоактивности не было, зато она была найдена в “тенях” фага после отделения их от клеток с помощью смесителя. Поскольку в обоих случаях было получено потомство вирусных частиц, данный эксперимент доказал, что генетическая информация, необходимая для репликации вируса, переносится вирусной ДНК, а не вирусным белком.

В результате этих важных ранних экспериментов и множества других доказательств, полученных позже, в настоящее время с полной уверенностью можно считать, что именно ДНК является той составной частью хромосом, которая несет в себе генетическую информацию живых клеток.