Айала, Кайгер - Современная генетика - т.2 (947305), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В дальнейшем использование этого простого принципа сыграло важнейшую родь в изучении многочисленных метаболических процессов. Гипотеза "один ген — один фермент" Впервые представление о взаимосвязи между генами и ферментами точно сформулировали Джордж Бидл и Эдуард Татум в 194! г. в рамках гипотезы «один ген-один фермент». За это открытие в 1958 г. они были удостоены Нобелевской премии.
Бццл и Татум изучали биохимическую роль различных генов в опытах с обычной хлебной плесенью— )ч'енес«рога с»аз«а (см. рис. 5.15). В норме этот микроскопический гриб может расти на определенной минимальной среде, содержащей сахар, некоторые минеральные соли, источник азота (аммоннйные соли) н витамин бнотнн.
С помощью мутагенеза, индуцируемого рентгеновским излучением, Бидл и Татум получали и затем отбирали мутанты, для роста которых требовалось добавлять в среду некоторые дополнительные питательные вещества (рис. 10.3). Такие мутанты называются ауксотрофами в отличие от исходных прототрофов, способных расти на минимальной среде. (Мутации, изменяющие питательные потребности бактерий, специально обсуждаются в главе 8.) Подход, использованный Бидлом и Татумом для подтверждения наследуемого характера мутаций, приводящих к ауксотрофности, проиллюстрирован на рис. 10.4. Первые трн мутанта, выделенные Бидлом и Татумом, были обозначены р«Ь, )н(х и 1ЬЬ Для их роста на минимальной среде требовались добавки и-аминобензойной кислоты, пиридоксина и тиамина соответственно.
В каждом нз трех случаев наблюдалось блокирование определенного этапа метаболизма, в норме приводящего к образованию соответствующего недостающего питательного вещества. Таким образом, было установлено однозначное соответствие между генетической мутацией и исчезновением определенного фермента, необходимого на данной биохимической стадии метаболизма.
Исходя нз этого, Бндл н Татум и сформулировали гипотезу «один ген †од фермент»: каждый ген направляет синтез одного фермента (рис. 10,5). В ходе дальнейших исследований эта гипотеза в несколько модифицированном виде — «один ген— одна полнпептидная цепь»-полностью подтвердилась. )г днкня тнп Рентгеновское яли ультрчфнолетовое облучение Скреяывчяяе с лвкнм шгчыью противоположно типа спаривания Плодовое тело Копала» (вегетчтявяые своры) Аскоспоры Миянмчльная среда с добавками Тячыян Рнбо- флчвнн Пирнло- Панта — Никога — л-Амина- Инозитол Холин Фолневчя Нуклеи- Контроль „сяв теновча новчЯ бевзойнча кислота новаЯ ббез локислота кислота кисчом квслога банок) вает на возникновение ауксотрофной мутации. Для установления природы этой мутации испытываемые штаммы высевают на минимальную среду с теми нли иными питательными добавками (аминокислоты, витамины и др.).
В представленном на рисунке примере мутантный штамм оказывается способен расти на минимальной среде с лобавлением пантотеновой кислоты. Биохимические превращения при метаболизме Различные ауксотрофные щтаммы, растущие при добавлении к минимальной среде одного и того же вещества, не обязательно содержат мутации в одном и том же гене. Так, все три мутанта )ь(еигозрога, отме- Рис. !0.3. Метод идентификации ауксо- трофных мутаций у )Чеигозрога.
Конидии подвергают воздействию мутагенов (напри- мер, рентгеновскому или ультрафиолетовому облучению) и скрещивают с конидиями ди- кого типа, Затем на полной среде выращи- вают гаплондные споры. Полученные куль- туры высевают на минимальную среду, От- сутствие роста на минимальной среде указы- Экспрессия генетического материала 1О. Генешичесхие функции Ликии тип Плодовое тела Штамм, нужпающийся в пантотеновой кислоте Аскаспоры В присутствии пентотеновой кислоты В отсутствие пыпотеновой кислоты Ген А Ген В Ген С о .'.. о ..~..
а,~., о суг р Продукт А Продукт В Пр иу С Рис. 1Отй Метод, по- зволяющий полтвер- ди.гь генетическую при- роду питательной по- т ребности. Мутантный штамм, полученный, как показано на рис. 103, скрещивают со штаммом дикого типа. Гаплоидные споры высевают иа минимальную среду. При этом оказывается, что на четыре споры, способные расти, при- ходятся четыре, неспо- собные расти на мини- мальной среде. Это подтверждает, что не- способность расти на минимальной среде является результатом генетической мутации.
Рис. 10.5. Гипотеза «один ген — один ферменте. Каждый ген направляет синтез одного фермента. Мутация в олпом из генов приводит к обра- зованию нефункционального фермен- та, прерывая тем самым цепь мета- болических превращений. Так, мута- ция в гене В приведет к возникнове- нию блока на стадии превращения продукта А в продукт В. При этом продукт А будет накапливаться, а продукты В, С и пр. не образуют- ся вовсе. Благодаря накоплению про- дукта А удается идентифицировать тот этап, иа котором возннкаег блок в данной цепи метаболических пре- вращений. Экспрессия генетического материала Таблица 10.2.
Трн мутаптных штамма )Чеигоярога сгаяеа, нуждающихся в аргнннне Вещество, необяоднмое для росте Мутант Аргнннн, цнтруллнн нлн орннтнн Аргнннн нлн пнтруллнн Аргнннн Ферменс Фермент Ферменс Фермент Хенетилсрннтнн — в Орннтнн — е цнсруявнн — е ярснняносукнвнвс — я Арснннн НН НН С ! НН й КНя й О НН ~С НН й ХНг 1 В=Н вЂ” С вЂ” СН СН СН— г СООН ннн) данной цепи метаболизма.
Про- явление мутаций в гене агру можно подавить, добавляя к среде цнтрул- лнн нлн какой-либо нз последующих метаболнтов, но нельзя подавить с помощью орннтнна. Рост мутантов по гену асдН может наблюдаться только в присутствии самого аргн- нина. Рнс. 10.6. Путь биохимических пре- вращений, ведущий к образованию арпсннна В результате мутации н гене агдЕ может возникнуть блок на стадии синтеза орннтнна, который удается обойти, добавляя к питатель- ной среде орннтнн нлн какой-либо нз последующих продуктов (цнтрул- лнн, аргнннносукпннат нлн сам аргн- ченные в табл. !0.2, могут расти на минимальной среде с аргинином.
В то же время мутант № 2 может расти также на минимальной среде с цитруллином, а мутант № 1 растет и на аргнннне, и на цитруллине, и на орнитине. Следовательно, второй мутант может синтезировать аргинин при наличии в среде готового цитруллина, а первый мутант способен также синтезировать аргинин из орнитина. Биосинтез этих трех веществ происходит в рамках одной и той же метаболической цепи биохимических превращений в последовательности, показанной на рис. 10.6. (В настоящем обсуждении мы опускаем стадию биосинтеза еще одного промежуточного продукта-аргининосукцината.) Мутация в гене агрЕ блокирует цепь превращений перед стадией биосинтеза орнитина.
Этот блок можно обойти, добавив к среде орнитин (из которого клетка сама может синтезировать цитруллин, а затем и аргннин), цитруллин или аргинин. Мутацию в гене агдр, блокирующую стадию превращения орнитина в цитруллин, с помощью добавки орннтина подавить не удается.
Однако такой мутант способен расти как на аргинине, так и на цитруллине. В то же время мутант по гену агдН 15 1О. Генетические функции ° Ядра штамма 2 О ядра штамма з Рнс. ИХ7, Образование гетерокарнонов у 1теигозрога. Прн совместном выращивании контакт между гнфамн различных щтаммов может приводить к слиянию клеток без слияния соответствующих ядер. растет только в присутствии аргинина и не растет ни на одном из двух других промежуточных метаболитов. Это отражает очень важную общую закономерность, которая заключается в том, что различные мутанты, способные расти при добавлении одного и того же вещества, в действительности могут характеризоваться наличием блоков на различных этапах метаболнческого пути превращений, приводящих в итоге к синтезу этого вещества.
Дальнейшее изучение роли различных генов в определенной последовательности биохимических превращений можно проводить с использованием комплементационных тестов, обсуждавшихся в предыдущих главах. Один из модифицированных вариантов комплементацнонного тестирования применяется при работе с Хвигозрога. При совместном культивировании различных штаммов в результате контакта между гифами может происходить их слияние, приводящее к образованию гетерокарионов — гибридных клеток, в цитоплазме которых одновременно присутствуют ядра из клеток различных штаммов (рис. 10.7).
Если исходные штаммы несут мутации в различных генах, то образующиеся гетерокарионы могут приобрести способность расти на минимальной среде. И наоборот, если мутации аллельны, то при комплементационном тестировании не будет наблюдаться образования гетерокарнонов с «диким» фенотипом, растущих на минимальной среде.
Так, комплементационное тестирование многочисленных мутантов )т(еигозрога, нуждаюшихся в аргинине, позволило установить, что в метаболнческнй путь биосинтеза этой аминокислоты вовлечены семь различных генов. Питательные потребности некоторых мутантных штаммов бактерий 8а)тоне()а гур)а1тиг(ит, дефектных по биосинтезу триптофана, показаны в табл. ! 0.3. Ни один из этих мутантов не может расти на минимальной среде, и все они растут в присутствии триптофана. В то же время мутант ггр8 может расти и на среде с добавкой антраниловой кислоты, индолглицерофосфата (ИГФ) илн индола.
Мутанты ггр 2 и ггр4 не могут расти на минимальной среде с антраниловой кислотой, но растут в присутствии ИГФ или индола. Эти мутанты, кроме того, способны накапливать промежуточный метаболит-антраниловую кислоту. Мутант ггрЗ растет только в присутствии индола (или триптофана), ему свойственно накапливать ИГФ. Остальные мутанты растут только при до- Экслресгил геиеглического малгерис Таблица 10.3. Питательные потребности триптофановых мутантов Яабнопейа гура!тлниит.
триптофаие Добавки в среде Мутант Минималь- Антраиило- Индолглиде- Индол Триптофан Накалливающесс ная среда вая кислота рофосфат вещество 1, б, 7, 9, 10, 11 «+» -рост, «-гг-отсутствие роста бавлении к среде трнптофана и накапливают ИГФ и инлол. Такт образом, искомую последовательность биохимических превращен! можно представить следующей схемой: антраниловая кислота — ИГФ -+ индол — триптофан (рис.
10.8). Одна из первых работ по биохимии метаболических путей была п Фосфорибозип. пнрофосфат. 2 Хоризмован кислота Антраниловая кислота ! !гькаргюкснфснилзмино)- 1.дсюксирнбулозо- 5 фосфат СН,-СН-СООН )ЧНг Н Трнптофзн Рис. 10.3. Часть метаболического пути биосинтеза триптофана у бактерий. Фермент триптофансюгтаза состоит из субъединиц А и В, каждая из которы> обладает собственной фермснтативной активностью.
НООС С О СООН !! Н НО ОНОН ОН СООН! ! ! С-СН вЂ” СН вЂ” СНг ИГФ-снвтаза „.-сн оро, Н В.белок Индол Нзс СН СООН Ннз Серии Аитраниловая кислота Индолглицеро- фосфат Инлол А.белок грнпгофан— м ! ! ы ОРО, Н Индолп.глннерофосфат (ИГФ) 1О. Генетические 4ункиии Взрослые особи Взрослые особи 1 1 Незатененное развитие Незвтономное развитие пчя т, автономное развитее ляя гв Б священа изучению биосинтеза глазного пигмента у плодовой мушки Ргозарй!1а. Экспериментальные подходы, которые Билл и Эфрусси разработали для решения этой задачи, в дальнейшем удалось использовать и при работе с Хеигазрога. У взрослых особей РгазорЫ1а и других насекомых отряда Р1р!ега многие структурные образования, такие, как крылья, ноги и глаза, развиваются из различных групп клеток (зачатков или имагинальных дисков), которые на стадии развития личинки остаются недифференцироианными (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
