5. Репликация
5.1. Генетическая функция ДНК
Важную роль в открытии генетической функции ДНК сыграло изучение пневмококков Streptococcus pneumoniae, вызывающих пневмонию у человека и некоторых млекопитающих. Некоторые из штаммов имели наружную полисахаридную капсулу и были вирулентными. Они образовывали гладкие блестящие колонии (S). Мутантные штаммы были лишены этой капсулы, формировали шероховатые колонии (R) и были непатогенными. В 1928 г. Ф. Гриффит обнаружил, что непатогенный R-фенотип способен трансформироваться в патогенный S-фенотип. Инъекция мышам смеси живых бактерий R-формы и убитых нагреванием S -пневмококков вызывала гибель мышей, хотя по отдельности ни живые R-пневмококки, ни убитые S-пневмококки мышей не убивали. Кровь погибших мышей содержала живые S-пневмококки. Гриффит предположил, что убитые нагреванием S-пневмококки трансформировали живые R-пневмококки в живые S-пневмококки. Это изменение было стабильным, и трансформированные пневмококки давали патогенное потомство S-формы
Затем оказалось, что трансформация RS может происходить и in vitro, при добавлении бесклеточного экстракта убитых S-пневмококков к растущей культуре R-формы. Таким образом, стало ясно, что от одного штамма бактерий к другому возможна передача наследственного начала, однако химическая природа его не была обнаружена. Сам Гриффит ошибочно полагал, что это чистый полисахарид пневмококка, входящий в капсулу S- фенотипа.
Исследователи стали определять химическую природу трансформирующего начала. В 1944 г. О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти показали, что это «нуклеиновая кислота дезоксирибозного типа». Они разрушали суспензию пневмококков дезоксихолатом и удаляли из экстракта белки, капсульный полисахарид и РНК, однако трансформирующая активность экстракта сохранялась. Не терялась активность и при его обработке кристаллическим трипсином или химотрипсином, панкреатической рибонуклеазой. Т.е. препарат не являлся ни белком, ни РНК. Однако трансформирующая активность полностью утрачивалась при обработке препарата панкреатической дезоксирибонуклеазой, Таким образом, было установлено, что трансформирующим фактором у бактерий является ДНК.
Новое подтверждение роли ДНК в наследственности было получено при изучении бактериофага T2, заражающего E. coli. Внутри белковой головки капсида этого фага находится молекула ДНК. К гексагональной головке фага присоединен стержень с отростками. В 1951 г. Р. Херриот предположил, что фаг «вероятно, действует как шприц для подкожных инъекций, наполненный трансформирующим началом. Вирус как таковой никогда не проникает в клетку, только отросток вступает в контакт с клеткой-хозяином и, возможно, ферментативно проделывает небольшое отверстие в наружной мембране. Затем нуклеиновая кислота из головки перетекает внутрь клетки». В 1952 г. А. Херши и М. Чейз пометили фаговую ДНК радиоактивным изотопом 32P, а белковую оболочку изотопом35S. Эти метки очень специфичны, т.к. ДНК содержит фосфор, но не серу, а в белковой оболочке нет фосфора. Затем культуру E. coli заражали мечеными фагами. После адсорбции фага на бактериях суспензию обрабатывали в гомогенизаторе и центрифугировали, чтобы осадить бактерии. Полученный осадок бактерий содержал большую часть фаговой ДНК. Большая часть фагового белка обнаруживалась в надосадочной фракции. Таким образом, фаг можно физически разделить на генетическую и негенетическую части. Белки фага оставались снаружи бактериальной клетки, а для образования новых фаговых частиц, как было показано, нужна только ДНК, которая и является генетическим материалом фага T2. Потомство фага, освобождающееся из лизированных бактерий, содержало 32P, но не 35S.
Дополнительные доказательства биологической роли ДНК были получены при исследовании содержания ДНК в отдельных клетках. Было обнаружено, что содержание ДНК для данного вида одинаково во всех клетках с диплоидным набором хромосом. Гаплоидные клетки имеют вдвое меньше ДНК.
Для размножения одноклеточного и роста многоклеточного организма необходимо деление клеток. До начала деления клетка должна удвоить геном, чтобы дочерние клетки содержали ту же генетическую информацию, что и исходная клетка. Полная генетическая информация содержится в молекулах ДНК клетки, организованной в хромосомы, а также внехромосомных генетических элементов. Создание точной копии геномной ДНК в клетках становится возможным благодаря наличию в них специальных ферментных систем, осуществляющих удвоение ДНК. В результате последовательных биохимических реакций, катализируемых сложным комплексом ферментов, на матрице родительских ДНК происходит биосинтез дочерних молекул, являющихся точной копией родительских. Этот процесс удвоения генетической информации во время производства клеток живого организма называют репликацией.
Модель двуспиральной молекулы ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, позволила почти сразу же предложить и механизм репликации ДНК. Специфичность спаривания оснований – важнейшее свойство двойной спирали, которое предполагает механизм копирования генетического материала. Двойная спираль разделяется на две отдельные комплементарные цепи, каждая из которых может использоваться в качестве матрицы для образования на ней новой дочерней цепи, комплементарной родительской. Уотсон и Крик опубликовали свою гипотезу вскоре после представления модели структуры ДНК. Они писали: "Если задан определенный порядок оснований в одной из цепей, можно написать точную последовательность оснований в другой цепи, поскольку спаривание специфично. Каждая из цепей комплементарна другой цепи, и именно это свойство подсказывает, каким образом может удваиваться молекула ДНК… В нашей модели ДНК имеется, по существу, пара матриц, причем каждая из них комплементарна другой. Мы полагаем, что перед удвоением водородные связи разрываются и две цепи раскручиваются и расходятся. Затем каждая цепь используется в качестве матрицы для образования на ней новой комплементарной цепи, так что в конце концов у нас будет две пары цепей, тогда как раньше была только одна. Более того, при таком способе репликации последовательность пар оснований будет в точности удвоена" (Дж. Д. Уотсон. Двойная спираль).
Достарыңызбен бөлісу: |
