1943 жылғы мутация жылдамдығына қатысты зерттеулер
Luria–Delbrück experiment
Лүрия-Дельбрюк эксперименті (1943) бактериялардағы мутациялар табиғи таңдама арқылы кездейсоқ туындайтынын көрсетті. ДНК рөліне дейін генетикалық эволюция.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
1943 жылғы мутациялардың жылдамдығына қатысты эксперимент
1943 experiment into rate of mutations
Лурия-Дельбрюк эксперименті (1943) (сонымен қатар, Флуктуациялық тест деп те аталады) бактерияларда генетикалық мутациялар таңдау қысымына жауап ретінде емес, оның болмауында туындайтынын көрсетті. Осылайша, Дарвиннің кездейсоқ мутацияларға табиғи іріктеу теориясы бактерияларға да, күрделі организмдерге де қолданылады деген қорытындыға келді. Макс Дельбрюк және Сальвадор Лурия осы жұмысы үшін 1969 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды.
The Luria–Delbrück experiment (1943) (also called the Fluctuation Test) demonstrated that in bacteria, genetic mutations arise in the absence of selective pressure rather than being a response to it. Thus, it concluded Darwin's theory of natural selection acting on random mutations applies to bacteria as well as to more complex organisms. Max Delbrück and Salvador Luria won the 1969 Nobel Prize in Physiology or Medicine in part for this work.
Тарих
1940 жылдары тұқым қуалаушылық және мутация туралы идеялар қалыпты қабылданған, бірақ ДНК-ның тұқым қуалайтын материал ретіндегі рөлі әлі анықталмаған. Бактериялардың басқаша екені және олардың өмірлік жағдайларына байланысты тұқым қуалайтын генетикалық мутацияларды дамыта алатыны ойластырылды: түйіндемесінде, бактериялардағы мутация алдын ала бейімделуге (болғанға дейін) немесе бейімделуден кейін (бағытталған бейімделу) бола ма? Эксперименттерінде Лурия мен Дельбрюк шағын мөлшерде бактерияларды (Escherichia coli) бөлек өсіру түтіктеріне екті. Өсу кезеңінен кейін олар осы бөлек мәдениеттердің тең көлемін T1 фагты (вирусты) қамтитын агарға жақты. Егер бактериялардағы вирусқа төзімділік бактериялардың ішкі белсенділігінен туындаса, яғни төзімділік тұқым қуалайтын генетикалық компоненттерге байланысты болмаса, онда әр табақта шамамен бірдей төзімді колониялар болуы керек еді. Мутация жылдамдығы тұрақты деп есептегенде, Лурия мутациялар таңдау агентіне әсер еткеннен кейін және оған жауап ретінде пайда болса, тірі қалғандардың саны Пуассон үлестіріміне сәйкес таралады, орташасы дисперсияға тең болады деп болжады. Дельбрюк пен Лурия тапқан нәрсе одан өзгеше болды: әр табақтағы төзімді колониялардың саны күрт өзгерді: дисперсия орташадан едәуір үлкен болды. Лурия мен Дельбрюк бұл нәтижелерді бастапқы өсіру түтіктерінде өсіп жатқан бактериялардың әрбір буынында кездейсоқ мутациялардың тұрақты жылдамдығының пайда болуымен түсіндіруге болатынын ұсынды. Осы болжамдарға сүйене отырып, Дельбрюк ықтималдық үлестірімін (қазір Лурия–Дельбрюк үлестірімі деп аталады) алды, ол эксперименттік түрде алынған мәндерге сәйкес келетін сәттер арасындағы байланысты көрсетеді. Сондықтан бактериялардағы мутациялар, басқа организмдердегідей, бағытталған емес, кездейсоқ болып шықты деген қорытындыға келді. Лурия мен Дельбрюк нәтижелері Ньюкомбпен графикалық, бірақ сандық тұрғыдан расталды. Ньюкомб бактерияларды Петри ыдысында бірнеше сағат инкубациялады, содан кейін оны фагпен өңделген екі жаңа Петри ыдысына жапсырды. Бірінші табақша таралмады, ал екінші табақша қайта таратылды, яғни бактериялық жасушалар бір-бірінен жылжып, кейбір колониялардағы жеке жасушалар өздерінің жаңа колонияларын құруға мүмкіндік алды. Егер колонияларда фаг вирусымен байланысқа түспей тұрып, оларда төзімді бактериялық жасушалар болса, онда олардың кейбіреулері қайта таратылған табақта жаңа төзімді колониялар құрауы күтілді, сондықтан онда тірі қалған бактериялардың саны көп болар еді. Екі табақты да өсіру үшін инкубациялағанда, қайта таратылған табақта 50 есе көп бактериялық колониялар болды. Бұл алғашқы инкубация кезінде вирусқа қарсы бактериялық мутациялар кездейсоқ пайда болғанын көрсетті. Мұнда да мутациялар таңдау қолданылғанға дейін пайда болды. Соңғы уақытта Люрия мен Дельбрюк нәтижелерін Кэрнс және басқалар күмәнмен қарады, олар қант метаболизміндегі мутацияларды қоршаған ортаның стресі ретінде зерттеді. Кейбір ғалымдар бұл нәтиже генді күшейту үшін таңдау және/немесе бөліне алмайтын жасушаларда жоғары мутация деңгейінен туындаған болуы мүмкін деп болжайды. Басқалары зерттеуді қорғап, байқалған құбылыстарды түсіндіретін және адаптивті мутагенезге сәйкес келетін механизмдерді ұсынады. Бұл үлестіруді алғаш рет Холдейн анықтаған көрінеді. 1991 жылы Лондон университетінің колледжінде бұл үлестіруді сипаттайтын жарияланбаған қолжазба табылды. Туындысы басқаша, бірақ компьютерсіз нәтижелерді есептеу қиын.
By the 1940s the ideas of inheritance and mutation were generally accepted, though the role of DNA as the hereditary material had not yet been established. It was thought that bacteria were somehow different and could develop heritable genetic mutations depending on the circumstances they found themselves: in short, was the mutation in bacteria pre adaptive (pre existent) or post adaptive (directed adaption)? In their experiment, Luria and Delbrück inoculated a small number of bacteria (Escherichia coli) into separate culture tubes. After a period of growth, they plated equal volumes of these separate cultures onto agar containing the T1 phage (virus). If resistance to the virus in bacteria were caused by an induced activation in bacteria i. e. if resistance were not due to heritable genetic components, then each plate should contain roughly the same number of resistant colonies. Assuming a constant rate of mutation, Luria hypothesized that if mutations occurred after and in response to exposure to the selective agent, the number of survivors would be distributed according to a Poisson distribution with the mean equal to the variance. This was not what Delbrück and Luria found: Instead the number of resistant colonies on each plate varied drastically: the variance was considerably greater than the mean. Luria and Delbrück proposed that these results could be explained by the occurrence of a constant rate of random mutations in each generation of bacteria growing in the initial culture tubes. Based on these assumptions Delbrück derived a probability distribution (now called the Luria–Delbrück distribution) that gives a relationship between moments consistent with the experimentally obtained values. Therefore, the conclusion was that mutations in bacteria, as in other organisms, are random rather than directed. The results of Luria and Delbrück were confirmed in more graphical, but less quantitative, way by Newcombe. Newcombe incubated bacteria in a Petri dish for a few hours, then replica plated it onto two new Petri dishes treated with phage. The first plate was left unspread, and the second plate was then respread, that is, bacterial cells were moved around allowing single cells in some colony to form their own new colonies. If colonies contained resistant bacterial cells before entering into contact with the phage virus, one would expect that some of these cells would form new resistant colonies on the respread dish and so to find a higher number of surviving bacteria there. When both plates were incubated for growth, there were actually as much as 50 times greater number of bacterial colonies on the respread dish. This showed that bacterial mutations to virus resistance had randomly occurred during the first incubation. Once again, the mutations occurred before selection was applied. More recently, the results of Luria and Delbrück were questioned by Cairns and others, who studied mutations in sugar metabolism as a form of environmental stress. Some scientists suggest that this result may have been caused by selection for gene amplification and/or a higher mutation rate in cells unable to divide. Others have defended the research and propose mechanisms which account for the observed phenomena consistent with adaptive mutagenesis. This distribution appears to have been first determined by Haldane. An unpublished manuscript was discovered in 1991 at University College London describing this distribution. The derivation is different but the results are difficult to compute without the use of a computer.
Молекулалық биология
Т1 фагына қарсы тұру механизмі T1 рецепторы ретінде әрекет ететін мембраналық белок – fhuA геніндегі мутацияларға байланысты болған сияқты. Т1 инфекциясы үшін tonB генінің өнімі де қажет. FhuA ақуызы феррихром, альбомицин және рифамициннің тасымалдануына белсенді қатысады. Ол сондай-ақ микроцин J25 және колицин M-ге сезімталдық береді және T5, phi80 фагтарымен қатар T1 үшін де рецептор болып табылады. FhuA ақуызында бета-барелдік домен (қалдықтар 161-ден 714-ке дейін) бар, ол шар тәрізді тығын доменімен (қалдықтар 1-ден 160-қа дейін) жабылады. Тығын доменінің ішінде TonB байланысу аймағы (қалдықтар 7-ден 11-ге дейін) орналасқан. Ірі мембраналық, мономерлік β-барелдік домендерде 22 β-жіпшесі бар, олардың бірнешеуі мембрананың гидрофобтық ядросынан тыс, клеткадан тыс кеңістікке қарай айтарлықтай созылады. 11 клеткадан тыс цикл бар, олар L1-ден L11-ге дейін нөмірленген. T1 фагы L4 циклына байланысады.
The mechanism of resistance to the phage T1 appears to have been due to mutations in the fhuA gene a membrane protein that acts as the T1 receptor. The tonB gene product is also required for infection by T1. The FhuA protein is actively involved in the transport of ferrichrome, albomycin and rifamycin. It also confers sensitivity to microcin J25 and colicin M and acts as a receptor for the phages T5 and phi80 as well as T1. The FhuA protein has a beta barrel domain (residues 161 to 714) that is closed by a globular cork domain (residues 1 to 160). Within the cork domain is the TonB binding region (residues 7 to 11). The large membrane spanning monomeric β barrel domains have 22 β strands of variable length, several of which extend significantly beyond the membrane hydrophobic core into the extracellular space. There are 11 extracellular loops numbered L1 to L11. The L4 loop is where the T1 phage binds.