Кіріспе

Ниренберг пен Ледер эксперименті – 1964 жылы Маршалл В. Ниренберг пен Филип Ледер жүргізген ғылыми тәжірибе. Тәжірибе генетикалық кодтың үштік екенін аңғарды және генетикалық кодтағы қалған беймағына кодондарды түсіндіруге мүмкіндік берді. Бұл тәжірибеде, рибосомалық байланысу әдісі деп аталатын триплеттік байланысу сынағы арқылы, мРНК-ның әртүрлі комбинациялары рибосомалары бар сүзгі арқылы өткізілді. Нақты үштіктер белгілі бір тРНК-ның рибосомаға байланысуын ынталандырды. тРНК-ны оның сәйкес аминқышқылымен байланыстыру арқылы, әрбір аминқышқылы үшін кодтаған мРНК үштігін анықтауға болады.

Өмірбаян

Освальд Эйвери бактериялардың ауру тудыратын, тұқым қуалайтын өзгерістерді қамтамасыз ететін заттың ақуыз да, липид те емес, дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) екенін анықтады. Ол және оның әріптестері Колин МакЛеод пен Маклин МакКарти ДНК генетикалық ақпаратты жеткізуге жауапты екенін ұсынды. Кейінірек Эрвин Шаргафф түрлерге қарай ДНК құрамының өзгеше екенін анықтады. Бұл тәжірибелер ДНК құрылымын ашуға жол ашты. 1953 жылы Морис Уилкинс пен Розалинд Франклиннің рентгендік кристаллографиясының көмегімен Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик ДНК-ның қос спираль құрылымдасқан екенін ұсынды. 1960 жылдары ғалымдардың шеше алмаған ДНК-ның бір мәселесі – әр код сөзінде неше негіз болады, яғни кодонды анықтау болатын. Ғалымдар төрт негіздің (гуанин, цитозин, аденин және тимин) бар екенін білген. Сондай-ақ, 20 белгілі аминқышқылы бар екенін білген. Джордж Гамов генетикалық кодтың әрбір аминқышқылы үшін үш нуклеотидтен тұратынын болжады. Ол 20 аминқышқылы бар және тек 4 негіз ғана бар екенін ескере отырып, кодтау бірліктері жеке (4 комбинация) немесе жұп (16 комбинация) бола алмайтынын түсіндірді. Керісінше, ол үштіктердің (64 мүмкін комбинация) генетикалық кодтың кодтау бірлігі екенін ойлады. Бірақ ол үштіктердің үстіне жабыспайтын және дегенерацияланбайтын екенін айтты. 1950 жылдардың соңында Сеймур Бензер фаг мутацияларын пайдалана отырып, генетикалық аймақтың ең алғашқы толық сызықтық құрылымдық картасын жасады. Крик мутагенез бен генетикалық рекомбинациялық фагтарды пайдаланып генетикалық кодтың мәнін одан әрі анықтауға болатынын сезді. Крик, Бреннер және басқалар жасаған тәжірибеде осы фагтарды қолдану арқылы генетикалық кодтың үштік екені расталды. Олар фрейм сдвигі мутацияларын және реверсия процесін пайдаланып, әртүрлі мөлшерде нуклеотидтерді қосты және жойды. ДНК тізбегіне нуклеотидтік триплет қосылғанда немесе алынғанда, кодталған белок минималды түрде ғана өзгеретін болды. Осылайша, олар генетикалық кодтың үштік код екенін қорытындылады, себебі ол оқу тізбегінде фрейм сдвигін тудырмады. Олар кодтың дегенерацияланғанын, үштіктердің үстіне жабыспайтынын және әр нуклеотидтік тізбектің белгілі бір бастапқы нүктеден оқылатынын дұрыс анықтады.

Эксперименттік жұмыстар

Бірінші аминқышқылы кодоны (фенилаланинге кодтейтін УУУ) Ниренберг пен оның докторанты Генрих Маттай (Ниренберг пен Маттай экспериментіне қараңыз) ұзын синтетикалық РНК қолданып шифрлаған. Бірақ, егер ұқсас РНК бірнеше РНК негіздерін қамтыса, негіздердің реті кездейсоқ болады. Мысалы, С пен U арақатынасы 2:1 болатын ұзын РНК жасауға болады, сондықтан CCU, CUC, UCC кодондары жоғары жиілікте кездеседі. Рибосомалар арқылы аударғанда, бұл пролин, лейцин және серин аминқышқылдарын қамтитын ақуызды береді, бірақ қай кодон қай аминқышқылына сәйкес келетінін анықтау мүмкін емес еді. Сондықтан Ниренберг тобы өте қысқа синтетикалық РНК-қа көшті. Олар UUU тринуклеотидінің (фенилаланин кодоны) фенилаланинмен зарядталған тРНК-ның рибосомалармен ерекше байланысын тудыратынын тапты. Бұл байланысты қоспаны нитроцеллюлоза сүзгісінен өткізу арқылы анықтауға болады: сүзгі рибосомаларды, бірақ еркін тРНК-ны ұстамайды; егер тРНК рибосомамен байланысқан болса, ол да ұсталады (тРНК-ға қосылған радиоактивті фенилаланинмен бірге). Олар сондай-ақ AAA немесе CCC тринуклеотидтерінің сәйкесінше лизин тРНК немесе пролин тРНК рибосомалық байланысын тудыратынын анықтады. Эксперименттік жоспар нақты болды: 64 тринуклеотидтің барлық комбинацияларын синтездеп, 20 аминқышқылымен зарядталған тРНК-мен сүзгілеу әдісін қолданып, қай аминқышқылының қай тринуклеотидпен байланысқанына көз жеткізу керек. Бірақ, аралас негіз тізбектері бар, мысалы GUU тринуклеотидтерін тазарту қиын мәселе болды. Ледердің пионерлік зерттеулерінде нуклеазамен ұзын кездейсоқ поли-ГУ РНК-ны ыдыратып, қағаз хроматографиясымен нақты тринуклеотидтерді тазарту арқылы жасалған тринуклеотидтер қолданылды: сәйкесінше цистеин және лейцин. Кейін Ниренберг тобы ДНК полимеразаларын нуклеотидтермен және РНК полимеразаларын біріктіріп, ұзын кездейсоқ поли-ГУ РНК-ны және тазартылған тринуклеотидтерді жасанды түрде көбейтіп шығарды. МРНК жеткілікті концентрацияға жеткеннен кейін, полимераза өнімдерінің ыдырауы мен қайта құралуы ферментативтік процестер арқылы жүзеге асырылды. Мысалы, AGU AG және U-дан полинуклеотид фосфорилазамен жасалуы мүмкін; UAG AG және U-дан жоғары концентрациядағы метанолдағы рибонуклеаза А-мен жасалуы мүмкін. Ниренбергтің докторанты Мертон Бернфилд осы әдістерді қолданып, UUU және UUC фенилаланинге, UCU және UCC серинге, ал CCC және CCU пролинге кодтейтінін анықтады, бұл генетикалық кодтың аминқышқылдарды артық кодтайтын ерекшелігін көрсетті. Ниренберг зертханасы мен NIH-тағы көптеген ғалымдар генетикалық кодты толық түсінуге үлес қосты.