허쉬-체이스 실험

Hershey–Chase experiment
실험 및 관찰 개요

허시-체이스 실험은 1952년[1] 알프레드 허시와 마사 체이스가 DNA가 유전물질임을 확인하는 데 도움을 준 일련의 실험이었습니다.

과학자 마사 체이스와 알프레드 허시

DNA는 1869년부터 생물학자들에게 알려졌지만,[2] 당시에도 많은 과학자들은 DNA가 비활성 분자로 보이기 때문에 유전을 위해 단백질이 정보를 전달한다고 추정했고, 핵 안에 위치하기 때문에 그 역할은 인 저장으로 간주되었습니다. 허시와 체이스는 그들의 실험에서 DNA와 단백질로 구성된 박테리오파지가 박테리아를 감염시킬 때 그들의 DNA가 숙주 박테리아 세포로 들어가지만 대부분의 단백질은 그렇지 않다는 것을 보여주었습니다. 허시와 체이스 그리고 그 후의 발견들은 모두 DNA가 유전 물질이라는 것을 증명해주는 역할을 했습니다.

허시는 1969년 막스 델브루크, 살바도르 루리아와 함께 "바이러스의 유전적 구조에 관한 발견"으로 노벨 생리학·의학상을 공동 수상했습니다.[3]

역사적 배경

20세기 초, 생물학자들은 단백질이 유전 정보를 가지고 있다고 생각했습니다. 이것은 단백질이 DNA보다 더 복잡하다는 믿음에 기반을 두고 있었습니다. DNA가 동일한 뉴클레오티드의 반복 집합이라고 잘못 제안한 피버스 레벤의 영향력 있는 "테트라뉴클레오티드 가설"이 이 결론을 뒷받침했습니다. 1944년 발표된 에이버리-맥로드-맥카티 실험 결과는 DNA가 유전물질임을 시사했지만, 일반 과학계 내에서는 여전히 이를 받아들이기를 주저하는 분위기가 형성돼 허시-체이스 실험의 발판이 됐습니다.[citation needed]

허시와 체이스는 관련 실험을 한 다른 사람들과 함께 DNA가 유전 정보를 전달하는 생체 분자임을 확인했습니다. 그 이전에, 오스왈드 에이버리, 콜린 맥레오드, 그리고 매클린 매카티는 DNA가 폐렴 연쇄상구균의 한 변종을 다른 변종으로 변형시킨다는 것을 보여주었습니다. 이 실험 결과는 DNA가 유전 정보를 전달하는 생체 분자라는 증거를 제공했습니다.[citation needed]

방법 및 결과

T2 파지의 구조개요

허쉬와 체이스는 각자 연구하고 있는 파지의 다른 부분을 조사할 수 있어야 했기 때문에 파지 하위 섹션을 구별할 필요가 있었습니다. 바이러스는 단백질 껍질과 DNA로 구성되어 있다고 알려져 있었기 때문에 각각 다른 원소 동위원소로 고유하게 표지하기로 선택했습니다. 이를 통해 각각을 별도로 관찰하고 분석할 수 있었습니다. DNA에는 인이 포함되어 있지만 아미노산에는 포함되어 있지 않기 때문에 방사성 인-32를 사용하여 T2 파지에 포함된 DNA에 라벨을 붙였습니다. T2 파지의 단백질 부분에는 황이 포함되어 있지만 DNA에는 포함되어 있지 않기 때문에 방사성 황-35가 라벨링에 사용되었습니다.[4]

허시와 체이스는 박테리오파지를 도입하기 전에 4시간 동안 박테리아가 자랄 수 있는 분리된 배지에 동위원소를 첨가하여 박테리오파지에 방사성 원소를 삽입했습니다. 박테리오파지가 박테리아를 감염시켰을 때, 자손은 그들의 구조에 방사성 동위원소를 포함시켰습니다. 이 절차는 황으로 표지된 파지에 대해 1회, 인으로 표지된 파지에 대해 1회 수행되었습니다. 그런 다음 표지된 자손이 표지되지 않은 박테리아를 감염시키도록 허용했습니다. 파지 코트는 박테리아 외부에 남아 있었고 유전 물질이 들어갔습니다. 블렌더에서 교반한 후 원심분리하여 박테리아로부터 파지를 파괴하면 박테리아로부터 파지 코트를 분리할 수 있습니다. 이 박테리아는 파지 자손을 방출하기 위해 용해되었습니다. 방사성 인으로 표지된 파지의 자손은 표지된 상태로 유지된 반면, 방사성 황으로 표지된 파지의 자손은 표지되지 않았습니다. 따라서 허시-체이스 실험은 단백질이 아닌 DNA가 유전물질임을 확인하는 데 도움이 되었습니다.[4]

허시와 체이스는 DNA를 분해하는 효소인 데옥시리보뉴클레아제(DNase)를 표지된 박테리오파지를 포함하는 용액에 도입해도 용액에 P가 전혀 도입되지 않았음을 보여주었습니다. 이것은 파지가 손상되지 않은 상태에서 효소에 내성이 있음을 보여주었습니다. 또한 박테리오파지를 플라스몰리징하여 삼투압 충격에 빠뜨릴 수 있었고, 이것은 효과적으로 대부분의 P를 포함하는 용액과 S와 바이러스의 단백질 코팅을 포함하는 "유령"이라는 구조를 포함하는 더 무거운 용액을 만들었습니다. 이들 "유령"은 비록 DNA가 포함되어 있지 않고 단순히 원래 바이러스 캡슐의 잔해일 뿐이지만 T2에 취약한 박테리아에 흡착할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그들은 단백질이 DNase로부터 DNA를 보호하지만, 일단 둘이 분리되고 파지가 비활성화되면 DNase가 파지 DNA를 가수분해할 수 있다고 결론지었습니다.[1]

실험과 결론

허시와 체이스는 또한 바이러스가 숙주에 부착된 직후 파지의 DNA가 박테리아에 삽입된다는 것을 증명할 수 있었습니다. 고속 블렌더를 사용하여 흡착 후 박테리아 세포에서 박테리오파지를 강제로 주입할 수 있었습니다. 박테리오파지가 박테리아에 흡착되도록 허용된 후 용액에 남아있는 P-표지된 DNA의 부족은 파지 DNA가 박테리아 세포로 옮겨졌음을 보여주었습니다. 용액에 거의 모든 방사성 S가 존재하는 것은 흡착 전 DNA를 보호하는 단백질 코트가 세포 외부에 남아 있음을 보여주었습니다.[1]

허쉬와 체이스는 단백질이 아닌 DNA가 유전물질이라는 결론을 내렸습니다. 그들은 박테리오파지 주위에 보호 단백질 코트가 형성되어 있지만, 박테리아 내부에서 자손을 생산하는 능력을 부여하는 것은 내부 DNA라고 판단했습니다. 그들은 성장에서 단백질은 기능이 없는 반면 DNA는 일부 기능이 있다는 것을 보여주었습니다. 그들은 세포 밖에 남아 있는 방사성 물질의 양으로부터 이것을 결정했습니다. 세포 밖에 남아 있는 P는 20%에 불과했는데, 이는 세포의 유전물질에 DNA가 섞여 있음을 보여주는 것입니다. 단백질 코트에 있는 S는 모두 세포 밖에 남아 있어 세포 안에 통합되지 않았고, 단백질이 유전물질이 아니라는 것을 보여주었습니다.[citation needed]

허쉬와 체이스의 실험은 유황을 함유한 물질이 박테리아 세포 안으로 거의 들어가지 않는다는 결론을 내렸습니다. 그러나 파지 흡착 후 유황이 없는 물질이 세균 세포에 들어가는지에 대해서는 구체적인 결론을 내릴 수 없습니다. 세포에 들어간 것은 박테리오파지의 DNA일 뿐 단백질이 황을 전혀 함유하지 않은 곳에서는 단백질과 DNA의 조합이 아니라는 결론을 내리기 위해서는 추가적인 연구가 필요했습니다.

논의

확인

상세정보 : DNA 및 DNA § DNA 연구의 역사

허쉬와 체이스는 단백질이 유전물질일 가능성이 없다고 결론 내렸습니다. 그러나 유전물질로서의 DNA의 특정 기능에 대해서는 어떤 결론도 내리지 않았고, 그것이 어떤 정의되지 않은 역할을 가지고 있을 것이라고만 말했습니다.[1][5]

확인과 명확성은 1년 후인 1953년에 James D. 왓슨과 프란시스 크릭은 학술지 '핵산의 분자구조: 디옥시리보스 핵산의 구조'라는 논문에서 DNA의 이중나선 구조를 정확히 가정하고 DNA가 유전물질로서 기능하는 복제 메커니즘을 제시했습니다. 게다가, 왓슨과 크릭은 세포에서 발견되는 수천 개의 단백질의 합성을 유전물질인 DNA가 담당한다고 제안했습니다. 그들은 단백질과 DNA가 모두 단량체의 선형 서열(각각 아미노산과 뉴클레오티드)이라는 두 거대 분자 사이에 존재하는 구조적 유사성에 기초하여 이 제안을 했습니다.[6]

기타실험

허시-체이스 실험이 발표되자 과학계는 대체로 DNA가 유전자 코드 물질임을 인정했습니다. 이 발견은 DNA의 구성과 3D 구조를 결정하기 위해 DNA에 대한 더 자세한 조사로 이어졌습니다. X선 결정학을 사용하여, 이전에 문서화된 모리스 윌킨스와 로잘린드 프랭클린의 실험적 증거의 도움으로 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 DNA의 구조를 발견했습니다.[7] DNA의 구조에 대한 지식은 과학자들이 유전자 코딩의 본질을 조사하고, 다시 단백질 합성의 과정을 이해하도록 이끌었습니다. 조지 가모프([8]George Gamow)는 유전 코드가 20개의 아미노산 중 하나를 나타내는 세 개의 DNA 염기쌍의 서열로 구성되어 있다고 제안했습니다. 유전자 코딩은 연구자들이 유전자의 정보가 단백질 합성에 사용되는 과정인 유전자 발현 메커니즘을 이해하는 데 도움이 되었습니다. 이후 유전자 발현 과정의 단계를 조절하기 위한 많은 연구가 진행되었습니다. 이러한 단계에는 단백질의 화학적 및 구조적 특성을 제어하는 데 사용되는 전사, RNA 접합, 번역 및 번역 후 변형이 포함됩니다.[9] 게다가, 유전 공학은 공학자들에게 재조합 DNA 기술을 사용하여 유기체의 유전 물질을 직접 조작할 수 있는 능력을 제공합니다. 최초의 재조합 DNA 분자는 1972년 폴 버그가 원숭이 바이러스 SV40의 DNA와 람다 파지의 DNA를 결합하면서 만들어졌습니다.[10]

Hershey-Chase 실험 당시 유전물질에 대한 실험은 박테리오파지를 모델 유기체로 사용하는 경우가 많았습니다. 박테리오파지는 자신의 유전물질을 숙주 세포의 유전물질에 포함시키고(유용한 도구로 만들기 때문에), 빠르게 증식하고, 연구자들이 쉽게 수집하기 때문에 유전물질에 대한 실험에 의존합니다.[5]

레거시

허시-체이스 실험, 에이버리-맥로드-맥카티 실험과 같은 전임자, 그리고 후속자들은 유전 정보가 DNA에 의해 전달된다는 것을 분명히 입증하는 역할을 했습니다. 이 발견은 법의학, 범죄 수사 및 계보학 분야에서 수많은 응용 프로그램을 가지고 있습니다. DNA 지문 채취가 단백질 공급원이 아닌 DNA에서 유래한 데이터를 사용하여 유전자 변이를 추론하는 DNA 포렌식에 추가로 적용할 수 있는 배경 지식을 제공했습니다.[11]

참고문헌

  1. ^ a b c d Hershey A, Chase M (1952). "Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage". J Gen Physiol. 36 (1): 39–56. doi:10.1085/jgp.36.1.39. PMC 2147348. PMID 12981234.
  2. ^ Dahm R (January 2008). "Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research". Hum. Genet. 122 (6): 565–81. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. PMID 17901982. S2CID 915930.
  3. ^ "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969". Nobel Foundation. Retrieved 6 April 2011.
  4. ^ a b "Hershey-Chase Experiment", Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics and Informatics, Dordrecht: Springer Netherlands, 2008, p. 865, doi:10.1007/978-1-4020-6754-9_7525, ISBN 978-1-4020-6753-2, retrieved 19 December 2022
  5. ^ a b O'Connor, Clare (2008). "Isolating hereditary material: Frederick Griffith, Oswald Avery, Alfred Hershey, and Martha Chase". Scitable by Nature Education. Retrieved 20 March 2011.
  6. ^ Pauling L, Corey RB (February 1953). "A Proposed Structure for the Nucleic Acids". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 39 (2): 84–97. Bibcode:1953PNAS...39...84P. doi:10.1073/pnas.39.2.84. PMC 1063734. PMID 16578429.
  7. ^ "L.O. Rosalind Franklin and the Double Helix. Physics Today, March 2003". Physics Today. Retrieved 6 April 2011.
  8. ^ Crick, Francis (1988). "Chapter 8: The genetic code". What mad pursuit: a personal view of scientific discovery. New York: Basic Books. pp. 89–101. ISBN 978-0-465-09138-6.
  9. ^ Berk V, Cate JH (June 2007). "Insights into protein biosynthesis from structures of bacterial ribosomes". Curr. Opin. Struct. Biol. 17 (3): 302–9. doi:10.1016/j.sbi.2007.05.009. PMID 17574829.
  10. ^ Jackson DA, Symons RH, Berg P (October 1972). "Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of Simian Virus 40: circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 69 (10): 2904–9. Bibcode:1972PNAS...69.2904J. doi:10.1073/pnas.69.10.2904. PMC 389671. PMID 4342968.
  11. ^ Jobling MA, Gill P (October 2004). "Encoded evidence: DNA in forensic analysis" (PDF). Nat. Rev. Genet. 5 (10): 739–51. doi:10.1038/nrg1455. PMID 15510165. S2CID 2236821.

외부 링크