Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ниренберг пен Маттай эксперименті – 1961 жылдың мамыр айында Маршалл В. Ниренберг және оның докторантурадан кейінгі тағылымдамасы Дж. Генрих Маттай Ұлттық денсаулық сақтау институтында (NIH) жүргізген ғылыми эксперимент. Эксперимент нуклеин қышқылының гомополимерлерін пайдаланып, белгілі бір аминқышқылдарды кодтау арқылы генетикалық кодтағы 64 үштік кодонның біріншісін анықтады. Эксперимент үшін бактериялық жасушалардан тірі жасушалардың қатысуынсыз ақуыз жасай алатын экстракт дайындалды. Экстрактқа тек урацилден тұратын нуклеотидтерді (полиуридил қышқылы немесе поли U) қамтитын РНК-ның жасанды түрі қосылды, бұл оның тек фенилаланин аминқышқылынан тұратын ақуызға айналуына себеп болды. Бұл эксперимент генетикалық кодтың алғашқы кодонын ашты және РНК-ның белгілі бір ақуыз түрлерін өндіруді бақылайтынын көрсетті.
The Nirenberg and Matthaei experiment was a scientific experiment performed in May 1961 by Marshall W. Nirenberg and his post doctoral fellow, J. Heinrich Matthaei, at the National Institutes of Health (NIH). The experiment deciphered the first of the 64 triplet codons in the genetic code by using nucleic acid homopolymers to translate specific amino acids. In the experiment, an extract was prepared from bacterial cells that could make protein without the presence of intact living cells. An artificial form of RNA consisting entirely of uracil containing nucleotides (polyuridylic acid or poly U) was added to the extract, causing it to form a protein composed entirely of the amino acid phenylalanine. This experiment cracked the first codon of the genetic code and showed that RNA controlled the production of specific types of protein.
Өмірбаян
Фредерик Гриффиттің жане Освальд Эйверидің жетілдірген зерттеулері Streptococcus pneumoniae бактериясында ауру тудыратын генетикалық өзгерістерге жауапты заттың ақуыз немесе липид емес, дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) екенін анықтады. 1944 жылы ол және оның әріптестері Колин МакЛеод пен Маклин МакКарти ДНК генетикалық ақпаратты тасымалдауға жауапты екенін ұсынды. Кейіннен Эрвин Чаргафф (1950) ДНК құрамының түрлерге қарай өзгеше екенін ашты. Бұл тәжірибелер ДНК құрылымын анықтауға жол ашты. 1953 жылы Морис Уилкинс пен Розалинд Франклиннің рентгендік кристаллографиясының көмегімен Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик ДНК-ның қос спиральды құрылымда екенін ұсынды. 1960 жылдары ғалымдар транскрипция кезінде әрбір код сөзінде, яғни кодонда қанша негіз болатынын анықтау қажет болды. Олар төрт негіздің (гуанин, цитозин, аденин және тимин) бар екенін білді. Сондай-ақ, 20 аминқышқылы бар екенін білді. Джордж Гамов генетикалық кодтың әрбір аминқышқылы үшін үш нуклеотидтен тұратынын болжады. Оның ойынша, 20 аминқышқылы және тек 4 негіз болғандықтан, кодтау бірліктері жеке (4 комбинация) немесе жұп (16 комбинация) бола алмайды. Керісінше, ол үштіктердің (64 мүмкін комбинация) генетикалық кодтың кодтау бірлігі екенін ойлады. Бірақ ол үштіктердің үстіне жабысып, дегенерацияланбағандығын айтты (кейіннен Крик өзінің «Wobble» тұжырымдамасында түсіндірді). 1950 жылдардың соңында Сеймур Бензер фаг мутацияларын пайдаланып, генетикалық аймақтың ең алғашқы сызықтық құрылымдық картасын жасады. Крик мутагенез бен генетикалық рекомбинациялық фагтарды пайдаланып генетикалық кодтың табиғатын одан әрі зерттеуге болатынын сезді. Крик, Бреннер және басқалар жасаған тәжірибеде осы фагтарды қолдану арқылы генетикалық кодтың үштік екені расталды. Олар фрейм-свифт мутацияларын және реверсия процесін пайдаланып, ДНК тізбегіне әртүрлі сандағы нуклеотидтерді қосты және жойды. ДНК тізбегіне нуклеотидтік триплет қосылғанда немесе алынып тасталғанда, кодталған белокқа минималды әсер етті. Осылайша, олар генетикалық кодтың үштік код екенін қорытындылады, себебі ол оқу фреймінде фрейм өзгерісін тудырмады. Олар кодтың дегенеративті екенін (бірнеше үштік бір аминқышқылына сәйкес келуі мүмкін) және әр нуклеотидтік тізбектің белгілі бір бастапқы нүктеден оқылатынын дұрыс тұжырымдады.
Discoveries by Frederick Griffith and improved on by Oswald Avery discovered that the substance responsible for producing inheritable change in the disease causing bacteria (Streptococcus pneumoniae) was neither a protein nor a lipid, rather deoxyribonucleic acid (DNA). In 1944, he and his colleagues Colin MacLeod and Maclyn McCarty suggested that DNA was responsible for transferring genetic information. Later, Erwin Chargaff(1950) discovered that the makeup of DNA differs from one species to another. These experiments helped pave the way for the discovery of the structure of DNA. In 1953, with the help of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin's X ray crystallography, James Watson and Francis Crick proposed DNA is structured as a double helix. In the 1960s, one main DNA mystery scientists needed to figure out was the number of bases found in each code word, or codon, during transcription. Scientists knew there was a total of four bases (guanine, cytosine, adenine, and thymine). They also knew that were 20 known amino acids. George Gamow suggested that the genetic code was made of three nucleotides per amino acid. He reasoned that because there are 20 amino acids and only four bases, the coding units could not be single (4 combinations) or pairs (only 16 combinations). Rather, he thought triplets (64 possible combinations) were the coding unit of the genetic code. However, he proposed that the triplets were overlapping and non degenerate (later explained by Crick in his Wobble concept). Seymour Benzer in the late 1950s had developed an assay using phage mutations which provided the first detailed linearly structured map of a genetic region. Crick felt he could use mutagenesis and genetic recombination phage to further delineate the nature of the genetic code. In the Crick, Brenner et al. experiment, using these phages, the triplet nature of the genetic code was confirmed. They used frameshift mutations and a process called reversions, to add and delete various numbers of nucleotides. When a nucleotide triplet was added or deleted to the DNA sequence the encoded protein was minimally affected. Thus, they concluded that the genetic code is a triplet code because it did not cause a frameshift in the reading frame. They correctly concluded that the code is degenerate (multiple triplets can correspond to a single amino acid) and that each nucleotide sequence is read from a specific starting point.
Эксперименттік жұмыстар
Бұл биологиялық құпияны шешу үшін Ниренберг пен Маттайға аминқышқылдарын ақуызға енгізетін жасушасыз жүйе қажет болды. Альфред Тиссердің жұмысына сүйене отырып, бірнеше сәтсіз әрекеттерден кейін олар E. coli бактериясының жасушаларын жарып, цитоплазманың ішкі мазмұнын босату арқылы тұрақты жүйе жасады. Бұл оларға ақуыз синтездеуге мүмкіндік берді, бірақ тек дұрыс РНК қосылғанда ғана, бұл Ниренберг пен Маттайға экспериментті бақылауға мүмкіндік берді. Олар бактериядан тыс жерде синтетикалық РНК молекулаларын жасап, осы РНК-ны E. coli жүйесіне енгізді. Эксперименттерде барлық 20 аминқышқылы бар қоспалар қолданылды. Әрбір жеке эксперимент үшін 19 аминқышқыл "салқын" (радиоактивті емес) болды, ал біреуі "ыстық" (радиоактивті 14C белгісімен белгіленді, соның арқасында кейін белгіленген аминқышқылды анықтауға болатын). Олар эксперименттің әрбір кезеңінде "ыстық" аминқышқылдың түрін өзгертіп, қандай аминқышқылдардың белгілі бір синтетикалық РНК түрін қосу арқылы ақуызға енетінін анықтауға тырысты. Алғашқы маңызды тәжірибелер поли U (тек уридин негіздерінен тұратын синтетикалық РНК, Леон Хеппель мен Максин Сингер ұсынған) арқылы жүргізілді. 1961 жылдың 27 мамырында таңғы сағат 3-те Маттай фенилаланинді "ыстық" аминқышқыл ретінде пайдаланды. Бір сағаттан кейін бақылау түтігінде (поли U болмағанда) 70 есептік көрсеткіш болды, ал поли U қосылған түтікте 38 000 есептік көрсеткіш/мл белок болды, бұл қайталанатын урацил негіздерінің тізбегі тек қайталанатын фенилаланин аминқышқылынан тұратын ақуыз тізбегін тудыратынын көрсетті. Тәжірибе кодонға шаққандағы негіздердің санын анықтамаса да, ол UUU кодоны фенилаланинді кодайтынымен сәйкес келді. Басқа синтетикалық РНК-тармен жасалған ұқсас тәжірибелерде олар поли C полипролин синтезін бағыттайтынын анықтады. Ниренберг Северо Очоа мен Джеймс Уотсон зертханалары бұрын поли A-мен ұқсас тәжірибелер жүргізгенін, бірақ полилизин (көптеген ақуыздардан айырмашылығы) трихлорогук қышқылында еритіндігі үшін ақуыз синтезін анықтауға сәтсіз болды. Сонымен қатар, синтетикалық РНК-ны пайдаланып, екі негізді әртүрлі пропорцияда кездейсоқ біріктіру арқылы олар бірнеше аминқышқылдардан тұратын ақуыздарды өндірді, олардан генетикалық кодтың үштік табиғатын анықтап, басқа аминқышқылдар үшін кодон мүмкіндіктерін тарылта алды. Расында, Маршалл В. Ниренберг, Роберт В. Холли және Хар Гобинд Хорана 1968 жылы "генетикалық кодты түсіндіргені және оның ақуыз синтезіндегі рөлі үшін" физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Жеке жұмыс істеген доктор Холли (Корнелл университеті) трансферлік РНК-ның нақты химиялық құрылымын ашқан, ал доктор Хорана (Мэдисон қаласындағы Висконсин университеті) нуклеин қышқылдарын синтездеуді меңгерген. Доктор Ниренберг ДНК және РНК-да кездесетін азотты негіздердің төрт түрінен тұратын үштіктердің (яғни кодон) кез келген комбинациясы белгілі бір аминқышқылды тудыратынын көрсетті. Нобель сыйлығынан басқа, доктор Ниренберг Ұлттық ғылым академиясының молекулалық биология сыйлығын және Вашингтон ғылым академиясының биологиялық ғылымдар сыйлығын (1962), Америкалық химия қоғамының Пол Льюис сыйлығын (1963), АҚШ Денсаулық сақтау, білім беру және әл-ауқат департаментінің медалін, сондай-ақ Америка химия қоғамының Харрисон Хоу сыйлығын (1864) алды.
In order to decipher this biological mystery, Nirenberg and Matthaei needed a cell free system that would build amino acids into proteins. Following the work of Alfred Tissieres and after a few failed attempts, they created a stable system by rupturing E. coli bacteria cells and releasing the contents of the cytoplasm. This allowed them to synthesize protein, but only when the correct kind of RNA was added, allowing Nirenberg and Matthaei to control the experiment. They created synthetic RNA molecules outside the bacterium and introduced this RNA to the E. coli system. The experiments used mixtures with all 20 amino acids. For each individual experiment, 19 amino acids were "cold" (nonradioactive), and one was "hot" (radioactively tagged with 14C so they could detect the tagged amino acid later). They varied the "hot" amino acid in each round of the experiment, seeking to determine which amino acids would be incorporated into a protein following the addition of a particular type of synthetic RNA. The key first experiments were done with poly U (synthetic RNA composed only of uridine bases, provided by Leon Heppel and Maxine Singer). At 3 am on May 27, 1961, Matthaei used phenylalanine as the "hot" amino acid. After an hour, the control tube (no poly U) showed a background level of 70 counts, whereas the tube with poly U added showed 38,000 counts per milligram of protein. demonstrating that a chain of repeated uracil bases produced a protein chain made solely of the repeating amino acid phenylalanine. While the experiment did not determine the number of bases per codon, it was consistent with the triplet codon UUU coding for phenylalanine. In analogous experiments with other synthetic RNAs, they found that poly C directed synthesis of polyproline. Nirenberg recounts that the labs of Severo Ochoa and James Watson had earlier done similar experiments with poly A, but failed to detect protein synthesis because polylysine (unlike most proteins) is soluble in trichloroacetic acid. Further, using synthetic RNAs that randomly incorporated two bases at different ratios, they produced proteins containing more than one type of amino acid, from which they could deduce the triplet nature of the genetic code and narrow down the codon possibilities for other amino acids. Indeed, "for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis," Marshall W. Nirenberg, Robert W. Holley, and Har Gobind Khorana were awarded the 1968 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Working independently, Dr. Holley (Cornell University) had discovered the exact chemical structure of transfer RNA, and Dr. Khorana (University of Wisconsin in Madison) had mastered the synthesis of nucleic acids. Dr. Nirenberg showed excluding nonsense codons every combination of a triplet (i. e. a codon) composed of four different nitrogen containing bases found in DNA and in RNA produces a specific amino acid. In addition to the Nobel Prize, Dr. Nirenberg has received the Molecular Biology Award of the National Academy of Sciences and the Biological Science Award of the Washington Academy of Sciences (1962), the Paul Lewis Award of the American Chemical Society (1963), the Department of Health, Education, and Welfare Medal, along with the Harrison Howe Award of the American Chemical Society of USA, in America (1864).