If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Классические эксперименты: ДНК как генетический материал

Эксперименты Фредерика Гриффита, Освальда Эвери и его коллег, а также Альфреда Херши и Марты Чейз.

Введение

Наше современное представление о ДНК и наследственности привело к разработке большого количества направлений, таких как криминалистический анализ, тестирование на отцовство и генетический скрининг. Поэтому благодаря такому широкому применению, сегодня многие люди имеют базовые представление о том, что такое ДНК.
Удивительно, но менее ста лет назад даже лучшие учёные не знали, что ДНК отвечает за наследственность!
В этой статье мы рассмотрим несколько классических опытов, которые привели к пониманию того, что ДНК является носителем генетической информации.

Протеины и ДНК

Согласно работе Грегора Менделя признаки (такие как окраска лепестков у цветков гороха) не наследуются напрямую, а скорее определяются генами, передаваемыми от родителей к потомкам. Последующие работы ученых, среди которых Теодор Бовери, Уолтер Саттон и Томас Хант Морган, доказали, что наследственные признаки Менделя, скорее всего, связаны с хромосомами.
Изначально ученые считали, что белки, которые содержатся в хромосомах вместе с ДНК, являются генетическим материалом. Ведь было известно, что белки имеют различные аминокислотные последовательности, в то время как ДНК считалась скучным, повторяющимся полимером, отчасти из-за неправильного (но распространенного) понимания его структуры и состава 1.
Сегодня нам известно, что изначальное представление о ДНК было ошибочным. В действительности ДНК несёт большой объём информации и мы расскажем об этом подробнее в статье открытие структуры ДНК. Но как учёные впервые поняли, что «скучная» ДНК на самом деле является генетическим материалом?

Фредерик Гриффит: Трансформация бактерий

В 1928 году британский бактериолог Фредерик Гриффит провел серию экспериментов с использованием бактерий Streptococcus pneumoniae (пневмококк) и мышей. Гриффит не пытался определить генетический материал, а пытался разработать вакцину против пневмонии. В своих экспериментах Гриффит использовал два родственных штамма бактерий, известных как R и S.
  • R-штамм. При выращивании в чашке Петри R-бактерии образовывали колонии или скопления родственных бактерий, которые имели четко очерченные края и шероховатый внешний вид (аббревиатура «R» от английского "rough" - грубый, шероховатый). R-бактерии были невирулентными, то есть не вызывали болезни при введении мышам.
  • S-штамм. S-бактерии образовывали округлые и гладкие колонии (S — это первая буква английского слова «smooth» — «гладкий»). Их гладкость была обусловлена оболочкой из полисахарида, создаваемой бактериями. Эта оболочка защищала S-бактерии от иммунной системы мышей, делая их вирулентными (способными вызывать заболевания). У мышей, которым вводили живые S-бактерии, развивалась пневмония, и они умирали.
В рамках своих экспериментов Гриффит попытался ввести мышам инактивированные при нагревании S-бактерии (то есть S-бактерии нагрели до очень высокой температуре, что привело к разрушению клетки). Неудивительно, что такие S-бактерии не вызывали заболевания у мышей.
Однако эксперименты приняли неожиданный оборот, когда безвредные R-бактерии были введены мышам вместе с ранее нагретыми S-бактериями. Мало того, что у мышей развилась пневмония и они погибли, но когда Гриффит взял у мёртвой мыши образец крови, он обнаружил, что в нём содержатся живые бактерии S-штамма!
Диаграмма, иллюстрирующая эксперимент Фредерика Гриффита с R-бактериями и S-бактериями.
  1. R-штамм (непатогенный). Когда этот штамм вводится мыши, мышь выживает.
  2. S - штамм (патогенный). Когда этот штамм вводится мыши, у мыши развивается пневмония, и она умирает.
  3. Инактивированные S-бактерии. При введении таких бактерий, мышь выживает.
  4. R-бактерии вместе с инактивированными S- бактериями.При одновременном введении смеси таких бактерий у мышей развивалась пневмония, и они умирали.
_изображение модифицировано "Эксперемент Гриффита," автор Madeleine Price Ball (CC0/public domain)._
Таким образом, Гриффит пришел к выводу, что бактерии R-штамма, должно быть, переняли что-то от инактивированных S-бактерий, и это что-то он назвал «фактором трансформации». Благодаря этому R-бактерии смогли «трансформироваться» в бактерии с гладкой поверхностью и стать вирулентными.

Эйвери, Маккарти и Маклауд: выявление фактора трансформации

В 1944 году трое канадских и американских исследователей, Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклауд, решили разобраться с «фактором трансформации» Гриффита.
Для этого они начали с объёмных культур S-клеток, и после долгой последовательности биохимических этапов (тщательно определённых экспериментальным путем) они постепенно выделили фактор трансформации через отмывания, разделения или ферментативного разрушения других клеточных компонентов. Благодаря этому методу они смогли получить небольшое количество высокоочищенного фактора трансформации и в результате ряда других анализов определить, что он из себя представляет 2
Эвери и его коллеги предложили несколько прямых доказательств того, что фактором трансформации может быть ДНК2:
  • Очищенное вещество в химических тестах на обнаружения белков дало отрицательный результат, но при этом также дало явный положительный результат в химических тестах на обнаружение ДНК.
  • Состав очищенного фактора очень напоминал ДНК по соотношению азота и фосфора.
  • Ферменты, разрушающие белки и РНК, на него практически не влияли, однако ферменты, способные расщеплять ДНК, устраняли трансформирующую активность.
Получившиеся результаты указывали на то, что ДНК ,вероятно, является фактором трансформации. Однако, Эйвери был осторожен в интерпретации своих результатов. Он понимал, что самим фактором трансформации может быть какое-то дополнительное вещество, присутствующее в небольших количествах, а не ДНК3.
И поскольку такая возможность оставалась, споры о роли ДНК продолжались до 1952 года, когда Альфред Херши и Марта Чейз, используя другой подход, смогли окончательно установить, что именно ДНК является носителем генетического материала.

Эксперименты Херши-Чейз

В своих экспериментах, ставших теперь легендарными, Херши и Чейз изучали бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии. Используемые ими фаги были простыми частицами, состоящими из внешней белковой оболочки и заключённой внутри ДНК.
Херши и Чейз знали, что фаги прикрепляются к поверхности бактериальной клетки-хозяина и вводят в неё некое вещество (ДНК или белок). Это вещество содержало «инструкции», которые заставляли бактерию производить много новых фагов, то есть в клетку попадал генетический материал фага. Однако до эксперимента Херши полагал, что генетический материал окажется белком4.
Чтобы установить, что именно фаг вводит в бактерию-хозяина, ДНК или белок, Херши и Чейз подготовили две разные партии фагов. В каждой партии фаг наращивался в присутствии определенного радиоактивного элемента, который был включён в состав макромолекул фага (ДНК и белков).
  • Один образец фага был получен в присутствии 35S (радиоактивного изотопа серы-35). Сера содержится во многих белках, но отсутствует в ДНК, поэтому только фаговые белки были радиоактивно мечены таким способом.
  • Другой образец был получен в присутствии 32P, (радиоактивного изотопа фосфора-32). Фосфор обнаружен в ДНК, но не в белках, поэтому только фаговая ДНК (а не фаговые белки) была радиоактивно мечена.
Каждая партия фага была использована для заражения отдельных культур бактерий. После заражения каждую культуру помещали в центрифугу и вращали на большой скорости, чтобы разделить бактерии и фаги.
Центрифугирование заставляет более тяжёлый материал, такой как бактерии, опускаться на дно пробирки и выпадать в виде осадка. Более лёгкий материал, например, среда, используемая для выращивания культур, наряду с фагами, остается на поверхности и образует жидкий слой, называемый супернатантом
  1. Одна партия фагов была отмечена 35S(изотоп серы-35), который встраивался в белковую оболочку. Другая партия была отмечена 32P(изотоп фосфор-32), который встраивался в ДНК.
  2. Бактерии были заражены фагами.
  3. Культуры перемешивали и центрифугировали для разделения фагов от бактерий.
  4. Радиоактивность измеряли в осадке и жидкости (супернатант). 32P (изотоп фосфор-32) был обнаружен в осадке (внутри бактерий), в то время как 35S (изотоп серы-32) был обнаружен в супернатанте (вне бактерий)
_изображение модифицировано, источник: "Исторический контекст современного понимания: Изображение 3," by OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)._
Когда Херши и Чейз измерили радиоактивность в осадке и супернатанте в обоих экспериментах, они обнаружили, что в осадке оказалось большое количество изотопа 32P, тогда как почти весь изотоп 35S находился в супернатанте. Основываясь на этом и других экспериментах, Херши и Чейз пришли к выводу, что в клетки была введена именно ДНК, а не белок, и именно она являлась генетическим материалом фага.

Оставшиеся вопросы

Работы исследователей, приведенные выше, предоставили убедительные доказательства того, что ДНК является генетическим материалом. Однако результаты этих работы оставили без ответа вопрос: как такая, казалось бы, простая молекула может кодировать генетическую информацию, необходимую для построения сложного организма. Дальнейшие исследования многих ученых, в том числе Эрвина Чаргаффа, Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика и Розалинд Франклин, привели к открытию структуры ДНК, и пониманию того, как ДНК может кодировать большие объемы информации.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.