Génexpresszió a fehérje bioszintézis során. A génexpresszió szabályozása pro- és eukariótákban. Az "egy gén - egy enzim" hipotézis, modern értelmezése. Elmélet egy gén - egy enzim Az enzimek további tulajdonságai
Az eukarióta gének exon-intron szerveződésének és az alternatív splicing lehetőségének felfedezései azt mutatták, hogy az elsődleges transzkriptum azonos nukleotidszekvenciája több különböző funkciójú polipeptid lánc vagy azok módosított analógjának szintézisét is lehetővé teszi. Például az élesztő mitokondriumai tartalmazzák a citokróm b légzési enzimet kódoló box (vagy cob) gént. Két formában létezhet (3.42. ábra). A „hosszú” gén, amely 6400 bp-ból áll, 6 exont tartalmaz, amelyek teljes hossza 1155 bp. és 5 intron. A gén rövid formája 3300 bp-ból áll. és 2 intronja van. Ez valójában egy "hosszú" gén, amely mentes az első három introntól. A gén mindkét formája egyformán jól expresszálódik.
A „hosszú” box gén első intronjának eltávolítása után az első két exon kombinált nukleotidszekvenciája és a második intron nukleotidjainak egy része alapján egy független fehérje, az RNS-maturáz templátja képződik (1. 3.43). Az RNS-maturáz funkciója a splicing következő szakaszának biztosítása - a második intron eltávolítása az elsődleges transzkriptumból, és végül a citokróm b templátjának kialakítása.
Egy másik példa a limfocitákban lévő antitestmolekulák szerkezetét kódoló elsődleges transzkriptum splicing mintájának megváltozása. Az antitestek membránformájának C-terminálisán hosszú aminosavak "farka" van, amely biztosítja a fehérje membránon történő rögzítését. Az antitestek szekretált formájának nincs ilyen farka, ami azzal magyarázható, hogy a splicing során az ezt a régiót kódoló nukleotidokat eltávolítják az elsődleges transzkriptumból.
Vírusok és baktériumok esetében leírtak olyan helyzetet, amikor egy gén egyidejűleg egy másik gén része lehet, vagy egy DNS-nukleotid szekvencia két különböző átfedő gén része lehet. Például az FX174 fág genomjának fizikai térképén (3.44. ábra) látható, hogy a B gén szekvencia az A gén belsejében található, az E gén pedig a D gén szekvencia része. A fággenom szerveződése megmagyarázta a viszonylag kis mérete (5386 nukleotidból áll) és az összes szintetizált fehérjében található aminosavak száma között fennálló eltérést, amely meghaladja az adott genom kapacitásra elméletileg megengedettet. Az átfedő génekből (A és B vagy E és D) szintetizált mRNS-en különböző peptidláncok összeállításának lehetőségét az ezen mRNS-en belüli riboszomális kötőhelyek jelenléte biztosítja. Ez lehetővé teszi, hogy egy másik peptid transzlációja egy új referenciapontból induljon ki.
A B gén nukleotidszekvenciája szintén az A gén, az E gén pedig a D gén része.
A λ fág genomjában átfedő géneket is találtak, amelyek mind frameshift-el, mind ugyanabban az olvasási keretben transzlálódtak. Feltételezhető továbbá, hogy ugyanazon DNS-régió mindkét komplementer szálából két különböző mRNS írható át. Ehhez olyan promoter régiók jelenléte szükséges, amelyek meghatározzák az RNS-polimeráz különböző irányú mozgását a DNS-molekula mentén.
A leírt helyzetek, amelyek egyazon DNS-szekvenciából különböző információk kiolvasásának megengedhetőségéről tanúskodnak, arra utalnak, hogy az átfedő gének meglehetősen gyakori elemei a vírusok és esetleg a prokarióták genomjának szerveződésének. Az eukariótákban a génszakadás lehetővé teszi különböző peptidek szintézisét is ugyanazon a DNS-szekvencián.
Mindezeket szem előtt tartva szükséges a gén definíciójának módosítása. Nyilvánvaló, hogy a génről többé nem beszélhetünk olyan folyamatos DNS-szekvenciáról, amely egyedileg kódol egy meghatározott fehérjét. Nyilvánvalóan jelenleg még mindig az "Egy gén - egy polipeptid" képletet kell a legelfogadhatóbbnak tekinteni, bár egyes szerzők azt javasolják, hogy változtassák meg: "Egy polipeptid - egy gén". Mindenesetre a gén kifejezést az örökítőanyag funkcionális egységeként kell érteni, amely kémiai természeténél fogva polinukleotid, és meghatározza a polipeptidlánc, tRNS vagy rRNS szintetizálásának lehetőségét.
Egy gén egy enzim.
1940-ben J. Beadle és Edward Tatum új megközelítést alkalmazott annak tanulmányozására, hogy a gének miként biztosítják az anyagcserét egy kényelmesebb kutatási tárgyban - a mikroszkopikus gombában, a Neurospora crassa .. Olyan mutációkat kaptak, amelyekben; egyik vagy másik metabolikus enzimnek nem volt aktivitása. És ez oda vezetett, hogy a mutáns gomba nem volt képes maga szintetizálni egy bizonyos metabolitot (például a leucin aminosavat), és csak akkor tudott élni, ha leucint adtak hozzá. tápközeg. A J. Beadle és E. Tatum által megfogalmazott „egy gén – egy enzim” elmélet hamar széles körben ismertté vált a genetikusok körében, és ők maguk is Nobel-díjat kaptak.
Mód. az úgynevezett "biokémiai mutációk" kiválasztása, amelyek a különböző anyagcsereutakat biztosító enzimek működésének megzavarásához vezetnek, nemcsak a tudomány, hanem a gyakorlat számára is nagyon gyümölcsözőnek bizonyult. Először a genetika és az ipari mikroorganizmusok szelekciójának megjelenéséhez vezettek, majd a mikrobiológiai iparhoz, amely olyan mikroorganizmus törzseket használ, amelyek olyan stratégiailag fontos anyagokat termelnek túl, mint az antibiotikumok, vitaminok, aminosavak stb. A szelekció és a géntechnológia elvei A túltermelő törzsek többsége azon a felfogáson alapul, hogy "egy gén egy enzimet kódol". És bár ez az ötlet kiváló gyakorlat, több millió dolláros hasznot hoz és életek millióit menti meg (antibiotikumok) – ez nem végleges. Egy gén nem csak egy enzim.
| " |
Genetika- A tudomány korántsem fiatal, a kutatások több évszázada folynak, kezdve Mendellel 1865-ben és egészen napjainkig. A „gén” kifejezést az örökletes jellemzők egységére először Johannsen javasolta 1911-ben, majd az 1940-es években a Tatum és Beadle által javasolt „egy gén – egy enzim” fogalma finomította.
Ezt a helyzetet Drosophila legyeken végzett kísérletek során határozták meg, de ugyanúgy érvényes az emberekre is; Végső soron minden lény életét a DNS-ük határozza meg. A DNS-molekula az emberben nagyobb, mint az összes többi szervezetben, és összetettebb is, de funkcióinak lényege minden élőlény számára ugyanaz.
koncepció " egy gén - egy enzim”, amely Tatum és Beadle ötletei alapján keletkezett, így fogalmazható meg:
1. Minden biológiai folyamat genetikai ellenőrzés alatt áll.
2. Mind biokémiai folyamatok lépésenkénti reakciókban mennek végbe.
3. Minden biokémiai reakciót végső soron különböző egyedi gének irányítanak.
4. Egy bizonyos gén mutációja a sejt azon képességének megváltozásához vezet, hogy egy bizonyos kémiai reakciót végrehajtson.
Azóta az "egy gén - egy enzim" fogalma valamelyest bővült, és most úgy hangzik, mint " egy gén - egy fehérje". Ezenkívül a legújabb kutatások azt sugallják, hogy egyes gének másokkal együttműködve egyedi fehérjéket állítanak elő, ami azt jelenti, hogy egyes gének egynél több fehérjét is kódolhatnak.
emberi genom körülbelül 3 milliárd nukleotidpárt tartalmaz; úgy gondolják, hogy 50 000 és 100 000 között van. A genom megfejtése után kiderült, hogy csak körülbelül 30 000 génről van szó, amelyek kölcsönhatása a vártnál sokkal bonyolultabb. A géneket DNS-szálak kódolják, amelyek bizonyos nukleáris fehérjékkel kombinálva kromoszómákat alkotnak.
Gének- nem csak DNS-szegmensek: kódoló szekvenciák - exonok - alkotják, nem kódoló szekvenciákkal - intronokkal tarkítva. Az exonok, mint a DNS kifejezett része, csak egy kis részét képezik a szervezet legfontosabb molekulájának; nagy része nem expresszálódik, intronok alkotják, és gyakran "néma" DNS-nek nevezik.
Hozzávetőleges méret és szerkezet emberi genom az alábbi ábrán látható. Az emberi kromoszóma funkcionális hosszát centimorganidákban fejezzük ki. Centimorganid (cm) - az a távolság, amelyen a meiózis során való átkelés valószínűsége 1%. A génkapcsolat elemzése kimutatta, hogy az emberi genom hossza körülbelül 3000 cM.
Közepes kromoszóma körülbelül 1500 gént tartalmaz, 130 millió bázispárban kódolva. Az alábbi ábra sematikusan mutatja a genom fizikai és funkcionális méreteit: az elsőt nukleotidpárokban, a másodikat cM-ben számoljuk. Az emberi genom nagy részét "néma" DNS képviseli, és nem fejeződik ki.
Tovább DNS-sablon A transzkripciós folyamat eredményeként RNS szintetizálódik, majd fehérje. Ezért a DNS-szekvencia teljesen meghatározza a sejt funkcionális fehérjéinek szekvenciáját. Az összes fehérjét a következőképpen szintetizálják:
DNS => RNS => fehérje
Az emberek és más emlősök genetikai apparátusa összetettebb, mint más élő szervezeteké, mivel az emlősök egyes génjeinek szakaszai kombinálhatók mások génjeinek részeivel. gének, ami egy teljesen új fehérje szintézisét vagy egy bizonyos sejtfunkció szabályozását eredményezi.
Ezért lehetséges, hogy egy személy növelje a kifejezett gének számát anélkül, hogy ténylegesen növelné a kifejezett gének mennyiségét. DNS vagy a gének abszolút száma.
Összességében az összes genetikai anyag körülbelül 70%-a nem expresszálódik.
Ez 1941-ben történt. Az "első genetikus" romantikus nevű gombának bizonyult - neurospore. Tényleg jól hangzik? Ezenkívül a neurospóra nagyon vonzó megjelenésű. Tedd erős nagyító alá a gomba micéliumát, és gyönyörködj: egy vékony átlátszó csipkében... Órákig nézhetsz egy kémcsőben nevelt gombát, gyönyörködve a természet tökéletes teremtésében. Csak az amerikai genetikusok, Beadle és Tatum tekintettek rá kutatóként, nem pedig hazai természetfilozófusként. A finomságokkal foglalkozó tudósok megtanulták a gomba szerkezetét annak érdekében, hogy a genetikának megfelelően működjön. És ez az, ami boldoggá tett. A neurospóra haploid szervezet. Csak 7 kromoszómája van, és a hétköznapi életben a gomba micéliumában nincsenek kettős halmazú sejtek. Ez azt jelenti, hogy ha egy gombában mutáns gén keletkezik, annak nagyon hamar jelentkeznek a következményei – elvégre a neurospórának nincs második domináns génje!
De ez még nem minden. A neurospórákban ... egy szexuális fejlődési szakasz található. Az élet egy bizonyos pontján speciális, "nőstény" sejtek jelennek meg a gomba micéliumában. Ezek, mint minden micélium sejt, haploidok, de velük ellentétben képesek egybeolvadni bármely más sejttel, amely így a "férfi" szerepet tölti be. Tehát létezik egy diploid sejt kettős kromoszómakészlettel. Jelenleg 14-en vannak.
Egy ilyen sejt sejtmagjai eleinte nem egyesülnek, és többször is mitotikusan osztódik, diploid sejtekből álló szigetet képezve a micéliumban. Egyébként talán ez a sziget a természet "piszkozatváltozata", amikor állatokból és növényekből álló többsejtű diploid szervezetet hoz létre?
De az egyik diploid sejtben a magok egyesülnek. Ebben az esetben az átkelés és a redukciós osztódás folyamata a magban megy végbe. Egyszóval a sejt két meiózisosztódást hajt végre, amely után négy haploid sejt keletkezik. Pontosan egy sorban helyezkednek el a kagylóban, mint a katonák a sorokban. Aztán minden sejt mitotikusan osztódik újra, és ennyi. Ennek eredményeként 8 sejt képződik (ezeket aszkospóráknak nevezik), amelyek héjba vannak öltözve.
És most képzeljük el, hogy az anyasejt egyik génjével "baj" történt - az mutációt vált ki. Az átkelés után, amely a magok fúziója után következik be, két hibrid sejt fejlődik ki, amelyekbe a mutáns gén beleesik. Egy ilyen sejt utódokat is ad - négy aszkospórát. Genetikailag kettő lesz a zsákban különféle típusok aszkospórák. Hogyan lehet megtudni, hogy vannak-e köztük mutánsok? Ezt tette Beadle és Tatum. Megtanulták, hogyan kell a zsákból az aszkospórákat kiválasztani és egyenként táptalajra ültetni. Minden aszkospórából a mitotikus osztódások teljes ciklusa után egy micélium nő - annak közvetlen leszármazottja. Ha összehasonlítjuk a különböző aszkospórákból származó micéliumok tulajdonságait, megkülönböztethetünk közöttük mutáns és normál micéliumokat.
Itt kell elmondani a neurospórák egy további csodálatos tulajdonságáról.
Rendkívül szerény, tápanyagszegény, úgynevezett "minimális" vagy "éhes" környezetben (több szervetlen só, glükóz, ammónium-nitrát és biotin-vitamin) jól megterem. Ezekből a termékekből egy normál gomba szintetizálja az összes szükséges aminosavat, fehérjét, szénhidrátot és vitamint, kivéve a biotint.
Ám a tudósok ultraibolya vagy röntgensugárzással "találták" az egyik gént, és az mutáns lett. Ha bármilyen létfontosságú aminosav szintézisének képessége társult hozzá, ez azonnal kiderül: néhány aszkospóra - a női sejt leszármazottai - leáll a növekedés éhező környezetben. És ne várja meg a gomba több száz generációját. Hiszen az aszkospórának nincs második génje, amely kompenzálja a károsodott működést: utódai, mint már említettük, haploidok, vagyis csak egy kromoszómakészletet tartalmaz.
Továbbra is ki kell deríteni, hogy pontosan melyik létfontosságú funkció érintett. Beadle és Tatum úgy döntött, hogy sorra adnak hozzá különféle aminosavakat, vitaminokat, sókat stb. az éhező táptalajhoz, és egész aszkospóra-csordákat ültetnek oda. Végül! Az egyik aszkospóra arginint tartalmazó éheztetési táptalajon, a másik triptofános táptalajon csírázott. Ez azt jelenti, hogy az első nem nőtt, mert nem tudott egyetlen argininmolekulát sem létrehozni, a második - triptofán. Csak egy oka van - az aszkospóra kromoszómáján a triptofán szintézisét "irányító" gén érintett. Hasonló módon Beadle és Tatum 380 mutánst (!) talált, amelyek 100, létfontosságú biokémiai reakciókat irányító, különálló génben hordoztak mutációt.
És itt van, ami érdekes. Minden gén esetében több mutánst találtak. Így a triptofán szintéziséért felelős gén 30 mutánst jelentett. És mindegyik egyforma? Mindenkinek károsodott a triptofán szintetizálási képessége a gén egy pontján? A kérdés megválaszolásához a tudósok mind a 30 mutánst keresztezték egymással.
Ezekben a kísérletekben a mutánsokat két csoportra osztották. Az első csoport mutánsai a keresztezés során kölcsönösen kiegészítették a második csoport mutánsait. Ennek eredményeként az aszkospórák között triptofánt szintetizáló vad típusú * rekombinánsokat találtak. Ez azt jelenti, hogy a triptofán szintézisében két génnek kell részt vennie: az első csoport mutánsaiban az egyik, a második csoport mutánsaiban a másik gén érintett. De mit szabályoznak ezek a gének?
* (Ez annak a típusnak a neve, amelyet nem változtatnak meg a mutációk, természetes körülmények között a leggyakoribb.)
Mindkét csoport mutánsai növekedtek, ha triptofán helyett szerint és indolt adtak hozzá, és a triptofán megjelent a tápközegben. Ez azt jelenti, hogy minden mutáns képes az indolt és a sorozatokat triptofánná alakítani. Ebből következik a következtetés: az indol és a sorozat a triptofán prekurzorai a bioszintézis láncában élő sejtben.
Ez a feltételezés beigazolódott, amikor olyan mutánst találtak, amelyben ez a funkció blokkolva volt. Nem termelte azt a triptofán-szintetáz enzimet, amely a vadon élő neurospórákban található.
Az első csoport mutánsai képesek voltak a második csoport mutánsainak növekedését serkentő anyag szintetizálására is. Ez az anyag antranilsavnak bizonyult, amely látszólag indol prekurzorként működik. Ez azt jelenti, hogy az első csoport mutánsaiban az antranilsav indollá történő átalakulásának reakciója megszakad, míg a második csoport mutánsai nem képesek antranilsavat szintetizálni, de képesek indollá alakítani.
Ezen adatok alapján felfedezték a triptofán élő sejtekben történő szintézisének módszerét: az antranilsavat indollá alakítják. Az indol a szerinnel egyesül, és a triptofán-szintetáz enzim hatására triptofánná alakul. Legalább három gén vesz részt a triptofán szintézisében, mindegyik felelős az enzimek termeléséért. Ezek a gének a neurospóra kromoszómán térképezhetők fel keresztezési reakciókban.
Így 1941-ben, a természettudomány történetében először, a tudósok a kromoszómán találták meg a fehérjék - enzimek - szintéziséért felelős géneket. Beadle és Tatum a következőképpen fogalmazta meg kutatásuk következtetéseit: "Egy gén - egy enzim." Feltételezzük, hogy a sejt génjei szabályozzák az összes metabolikus reakciókat katalizáló enzim szintézisét, és minden gén csak egy enzimet irányít.
Ha belegondolunk, elképzelhetjük, hogy ennek a hipotézisnek a hatóköre sokkal szélesebb, mint amit a neve sugall. Valóban. Tudjuk, hogy minden enzim fehérje. De valójában az enzimek mellett nem enzimatikus fehérjék is vannak a szervezetben. Ezek a hemoglobin, az antitestek és mások. Hol tárolják a szintézisükhöz szükséges információkat? A kromoszómális génekben is. Ezért az „Egy gén – egy enzim” hipotézis most így hangzik: „Egy gén – egy fehérje”, vagy akár: „Egy gén – egy gulipeptidlánc”.
1941-ig a genetika és a biokémia külön tudomány volt, és mindegyik képességeinél fogva megpróbálta megtalálni az élet titkaihoz vezető kulcsot: a genetikusok géneket, a biokémikusok az enzimeket fedezték fel. Beadle, Tatum és Brenner amerikai tudósok kísérletei összekapcsolták ezt a két életegységet, és megalapozták a genetika és a biokémia közösségét, és egyúttal a tudás olyan fejlődését, amely nem volt egyenlő a biológia egész történetében. . A gén specifikus egységként jelent meg, amely egy adott fehérje szintézisét szabályozza. Ez a kutatás minőségileg új szintje volt.
A neurospórákkal végzett kísérletek inspirálták a tudósokat, de még mindig meg kell válaszolni a kérdéseket: mi a gén? Milyen anyagból készült? Hogyan szabályozza a fehérjeszintézist?
A genetika csak azután fejtette meg a természet eme rejtvényeit, hogy elkezdett kutatni a baktériumok birodalmában. Mielőtt azonban elkezdenénk egy történetet a genetikai kísérletek új hőseiről, végre jobban meg kell ismernünk őket.
» , » Egy gén egy enzim
Egy gén, egy enzim
92
Megjelenés dátuma: 2018. július 24
Az egy gén-egy enzim hipotézis az 1940-es évek elején megfogalmazott elképzelés, amely szerint minden gén egy enzim szintézisét vagy aktivitását szabályozza. A genetika és a biokémia területeit ötvöző koncepciót George Wells Beadle amerikai genetikus és Edward L. Tatum amerikai biokémikus javasolta, akik a Neurospora crassa kutatását végezték. Kísérleteik során először a formát mutációt kiváltó röntgensugárzással leképezték, majd olyan minimális táptalajban tenyésztették, amely csak a vad típusú törzs túléléséhez szükséges alapvető tápanyagokat tartalmazta. Azt találták, hogy a mutáns penésztörzsek növekedéséhez bizonyos aminosavak hozzáadása szükséges. Ezen információk felhasználásával a kutatók képesek voltak összekapcsolni bizonyos gének mutációit az egyes enzimek megzavarásával azokban az anyagcsereutakban, amelyek normális esetben a hiányzó aminosavakat termelik. Ma már ismert, hogy nem minden gén kódol egy enzimet, és egyes enzimek több rövid polipeptidből állnak, amelyeket két vagy több gén kódol.
Első kutatás. Miután 1902-ben Garrod rámutatott az alkaptonuria genetikai hibájának összefüggésére a szervezet nem képes lebontani a homogentizinsavat, fontos volt a betegség hátterében álló specifikus mechanizmus tisztázása. Azóta már ismert volt, hogy az anyagcsere-reakciókat enzimek katalizálják, feltételezhető volt, hogy valamilyen enzim megsértése okoz alkaptonuriát. Egy ilyen hipotézist tárgyalt Driesch (1896-ban). Haldane (1920, lásd) és Garrod (1923) is kifejezte. A biokémiai genetika fejlődésének fontos állomásait Kuhn és Butenandt munkája a malommoly szemszínének tanulmányozásával kapcsolatban jelentette. Ephesia kuhniella valamint Beadle és Ephrussi hasonló tanulmányai on Drosophila(1936). Ezekben az úttörő munkákban korábban genetikai módszerekkel vizsgált rovarmutánsokat választottak ki a gének hatásmechanizmusának tisztázására. Ez a megközelítés azonban nem vezetett sikerhez. A probléma túl bonyolultnak bizonyult, és a megoldáshoz a következőkre volt szükség:
1) válasszon egy egyszerű, kényelmes modellszervezetet kísérleti tanulmány;
2) a biokémiai tulajdonságok genetikai alapját keresni, nem pedig a genetikailag meghatározott tulajdonságok biokémiai alapját. Mindkét feltételnek eleget tett Beadle és Tatum 1941-ben (lásd még Beadle 1945).
Beadle és Tatum modell. Cikkük így kezdődött:
„A fiziológiai genetika szempontjából egy szervezet fejlődése és működése kémiai reakciók összetett rendszerére redukálható, amelyet valamilyen módon a gének irányítanak. Teljesen logikus azt feltételezni, hogy ezek a gének... vagy maguk is enzimként működnek, vagy meghatározzák specifikusságukat. Ismeretes, hogy a genetikai fiziológusok általában a fiziológiai és a bio-t próbálják vizsgálni kémiai bázisok már ismert örökletes tulajdonságok. Ez a megközelítés lehetővé tette annak megállapítását, hogy számos biokémiai reakciót meghatározott gének irányítanak. Az ilyen vizsgálatok kimutatták, hogy az enzimek és a gének azonos specifitásúak. Ennek a megközelítésnek a hatóköre azonban korlátozott. A legkomolyabb korlát az, hogy ebben az esetben olyan örökletes tulajdonságok kerülnek a kutatók látókörébe, amelyeknek nincs halálos hatása, és ezért olyan reakciókhoz kapcsolódnak, amelyek nem túl fontosak a szervezet életében. A második nehézség... az, hogy a probléma hagyományos megközelítése külsőleg megnyilvánuló jelek felhasználásával jár. Sok közülük olyan morfológiai változat, amely olyan összetett biokémiai reakciórendszereken alapul, hogy elemzésük rendkívül nehéz.
Ezek a megfontolások a következő következtetésre vezettek bennünket. Tanul gyakori probléma a fejlődést és az anyagcserét meghatározó biokémiai reakciók genetikai kontrollját kell végezni az általánosan elfogadotttól eltérő eljárás: ahelyett, hogy az ismert örökletes tulajdonságok kémiai alapját próbálnánk kideríteni, meg kell állapítani hogy a gének szabályozzák-e az ismert biokémiai reakciókat, és hogyan csinálják. Az ascomycete neurospóra rendelkezik olyan tulajdonságokkal, amelyek lehetővé teszik ennek a megközelítésnek a megvalósítását, ugyanakkor kényelmes tárgyként szolgál a genetikai vizsgálatokhoz. Éppen ezért programunk ennek a szervezetnek a felhasználására épült. Abból indultunk ki, hogy a röntgensugárzás mutációkat okoz bizonyos kémiai reakciókat irányító génekben. Tegyük fel, hogy ahhoz, hogy egy adott környezetben fennmaradhasson, a szervezetnek végre kell hajtania valamilyen tevékenységet kémiai reakció, akkor az ettől a képességtől megfosztott mutáns ilyen körülmények között életképtelen lesz. Fenntartható és tanulmányozható azonban, ha olyan táptalajban termesztik, amelyhez egy genetikailag blokkolt reakció létfontosságú termékét adták.”
4 A gének működése 9
Ezután Beadle és Tatum leírja a kísérlet tervét (4.1. ábra). A komplett táptalaj összetétele agart, szervetlen sókat, malátakivonatot, élesztőkivonatot és glükózt tartalmazott. A minimális táptalaj csak agart, sókat, biotint és szénforrást tartalmazott. A legrészletesebben azokat a mutánsokat vizsgáltuk, amelyek a teljes táptalajon nőttek, és a minimális táptalajon nem. Annak érdekében, hogy megállapítsuk azt a vegyületet, amelynek szintézise az egyes mutánsokban károsodott, a teljes táptalaj egyes komponenseit a minimális agarhoz adtuk.
Ily módon olyan törzseket izoláltak, amelyek nem tudtak szintetizálni bizonyos növekedési faktorokat: piridoxint, tiamint és para-amino-benzoesavat. Ezekről a hibákról kimutatták, hogy bizonyos lókuszok mutációinak tulajdoníthatók. A munka számos, neurospórákon, baktériumokon és élesztőgombákon végzett vizsgálat kezdetét jelentette, amelyek során az egyes anyagcsere-lépésekért felelős "genetikai blokkok" és a specifikus enzimzavarok közötti megfelelést állapítottak meg. Ez a megközelítés gyorsan eszközzé fejlődött a kutatók számára, hogy feltárják az anyagcsere-utakat.
Az „egy gén – egy enzim” hipotézis erős kísérleti megerősítést kapott. Amint azt a következő évtizedek munkája mutatta, meglepően eredményesnek bizonyult. A hibás enzimek és normál változataik elemzése hamarosan lehetővé tette a genetikai rendellenességek azon osztályának azonosítását, amely az enzim működésének megváltozásához vezetett, bár maga a fehérje még kimutatható volt, és megőrizte immunológiai tulajdonságait. Más esetekben az enzimaktivitás hőmérsékleti optimuma megváltozott. Egyes változatok olyan mutációval magyarázhatók, amely befolyásolja az általános szabályozási mechanizmust, és ennek eredményeként megváltoztatja az enzimek egész csoportjának aktivitását. Ilyen tanulmányok vezettek a baktériumok génaktivitásának szabályozásának koncepciójának megalkotásához, amely magában foglalta az operon fogalmát is.
10 4. A gének működése
Az első példák az emberi enzimatikus rendellenességekre. Az első olyan örökletes emberi betegség, amelynél enzimatikus rendellenességet lehetett kimutatni, a methemoglobinémia recesszív öröklődési móddal (Gibson és Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). Ebben az esetben a károsodott enzim a NADH-függő methemoglobin-reduktáz. Az első kísérletet 1951-ben próbálták szisztematikusan tanulmányozni az anyagcserezavarokhoz kapcsolódó emberi betegségek egy csoportját. Egy glikogénraktározási betegség vizsgálata során a Corys kimutatta, hogy a Gierke-kórként (23220) diagnosztizált kóros állapot tízből nyolcban a májglikogén szerkezete normális változat volt, két esetben pedig egyértelműen zavart. . Az is nyilvánvaló volt, hogy a feleslegben felhalmozódó májglikogént nem lehet közvetlenül cukorrá alakítani, mivel a betegek hajlamosak a hipoglikémiára. Számos enzimre van szükség ahhoz, hogy a glikogént glükózzá lebontsák a májban. Ezek közül kettőt, az amil-1,6-glükozidázt és a glükóz-6-foszfatázt választottuk vizsgálatra, mint az enzimrendszer lehetséges hibás elemeit. A glükóz-6-foszfátból történő foszfát felszabadulást májhomogenizátumokban mértük különböző pH-értékeken. Az eredményeket az ábrán mutatjuk be. 4.2. Normál májban magas aktivitást találtak, optimális pH 6-7 között. Súlyos májműködési zavar cirrhosisban az aktivitás enyhe csökkenésével korrelált. Ezzel szemben a halálos kimenetelű Gierke-kór esetében az enzim aktivitása egyáltalán nem volt kimutatható; ugyanezt az eredményt kaptuk a második hasonló beteg vizsgálatánál is. Két kevésbé súlyos tünetekkel járó betegnél szignifikánsan csökkent az aktivitás.
Arra a következtetésre jutottak, hogy ezekben a halálos kimenetelű Gierke-kóros esetekben a glükóz-6-foszfatáz hibája volt. Az enyhébb esetek többségében azonban ennek az enzimnek az aktivitása nem volt alacsonyabb, mint a májcirrhosisban, és csak két betegnél volt valamivel alacsonyabb (4.2. ábra).
A Corey házastársak szerint a glikogén abnormális felhalmozódása az izomszövetben nem hozható összefüggésbe a glükóz-6-foszfatáz hiányával, mivel ez az enzim hiányzik az izmokban, és normális. Az izomglikogenózis lehetséges magyarázataként az amilo-1,6-glükozidáz aktivitásának megsértését javasolták. Ez a jóslat hamarosan beigazolódott: a Forbes felfedezett egy ilyen hibát a szívet és a vázizmokat érintő glikogénraktározási betegség egyik klinikailag jelentős esetében. Most mi
4. A gének működése 11
a glikogénraktározási betegségben nagyszámú enzimhiba ismert.
Bár ennek a betegségnek a különböző formái a megnyilvánulási fokukat tekintve némileg eltérőek, klinikailag sok közös van köztük. Egy kivétellel mindegyik autoszomális recesszív módon öröklődik. Ha az enzimatikus hibákat nem tárták volna fel, a glikogén felhalmozódás patológiáját egyetlen betegségnek tekintenék, amely jellegzetes intrafamiliáris korrelációkkal rendelkezik a súlyosság, a tünetek részletei és a halálozás időpontja tekintetében. Így van egy példa, ahol a genetikai heterogenitást, amely csak a fenotípus vizsgálata alapján feltételezhető (3.3.5. fejezet), biokémiai szintű elemzéssel igazolták: az enzimaktivitás vizsgálata lehetővé tette, meghatározott géneket azonosítani.
A következő években az enzimhibák kutatásának üteme megnőtt, és McKusick Mendelian Heritance in Man (1983) című könyvének hatodik kiadásában leírt 588 recesszív autoszomális gén esetében több mint 170 esetben találtak specifikus enzimatikus rendellenességeket. Ezen a területen elért előrehaladásunk közvetlenül kapcsolódik a molekuláris genetika fogalmainak és módszereinek fejlődéséhez.
Az emberi enzimatikus rendellenességek vizsgálatának néhány szakasza. Ennek a folyamatnak csak a legfontosabb mérföldköveit mutatjuk be: 1934 Völling felfedezte a fenilketonuriát
1941 Beadle és Tatum megfogalmazta az egy gén-egy enzim hipotézist. 1948 Gibson leírta az első enzimes rendellenesség esetét egy emberi betegségben (recesszív methemoglobinémia)
1952 Cory felfedezi a glükóz-6-foszfatáz hiányt a Gierke-kórban
1953 Jervis kimutatta a fenilalanin-hidroxiláz hiányát fenilketonuriában. Bickel arról számolt be, hogy az első kísérletet az enzimatikus rendellenesség enyhítésére alacsony fenilalanin tartalmú étrend követésével próbálták meg.
1955 A Smithies kifejlesztette a keményítőgél elektroforézis technikát
1956 Carson és munkatársai felfedezték a glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz (G6PD) hibáját indukált hemolitikus anémia esetén
1957 Kalkar és munkatársai a galaktoszémia enzimhiányát írták le, kimutatva, hogy az emberek és a baktériumok azonos enzimatikus rendellenességgel rendelkeznek
1961 Krut és Weinberg enzimhibát mutatott ki galaktozémiában in vitro tenyésztett fibroblasztokban
1967 Sigmiller és munkatársai hipoxantin-guanin-foszforibozil-transzferáz (HPRT) defektust fedeztek fel Lesch-Nyhan szindrómában
1968 Cleaver a xeroderma pigmentosa kimetszésének megsértését írta le
1970 Neufeld enzimatikus hibákat azonosított a mukopoliszacharidózisokban, ami lehetővé tette a mukopoliszacharidok lebomlásának útjait.
1974 Brown és Goldstein kimutatták, hogy a hidroxi-metil-glutaril-CoA-reduktáz genetikailag meghatározott túltermelése a családi hiperkoleszterinémiában a membránban elhelyezkedő alacsony sűrűségű lipoprotein receptor hibájának köszönhető, amely modulálja ennek az enzimnek (HMG) aktivitását.
1977 Sly és munkatársai kimutatták, hogy a mannóz-6-foszfátot (mint a lizoszómális enzimek komponensét) felismerik a fibroblaszt receptorok. A feldolgozás genetikai hibája megakadályozza a lizoszómális enzimek kötődését, ami károsítja a citoplazmába való kibocsátást és ezt követően a plazmába történő kiválasztódást (I-sejtes betegség)
12 4. A gének működése
1980 Pseudohypoparathyreosisban felfedezték a receptor és a cikláz kapcsolódását biztosító fehérje hibáját.