하나의 유전자-하나의 효소 가설

One gene–one enzyme hypothesis

하나의 유전자-1 효소 가설은 유전자가 효소의 생산을 통해 작용하고, 각각의 유전자는 하나의 효소를 생산하는 역할을 하며, 이것은 차례로 대사 경로의 단일 단계에 영향을 미친다는 것입니다. 이 개념은 1941년 뉴로스포라 크라사 곰팡이의 유전적 돌연변이에 대한 영향력 있는 논문에서[1] 조지 비들과 에드워드 테이텀에 의해 제안되었고, 그 후 그들의 협력자인 노먼 호로위츠에 의해 "하나의 유전자-하나의 효소 가설"로 불렸습니다.[2] 2004년 호로위츠는 "이 실험들이 비들과 테이텀이 '생화학적 유전학'이라고 부르는 과학을 창시했다"고 회상했습니다. 사실 그들은 분자 유전학이 된 것과 그로부터 나온 모든 발전의 첫 단추가 되었다는 것을 증명했습니다."[3] 하나의 유전자-1 효소 가설의 개발은 분자생물학이라고 불리는 것의 첫 번째 중요한 결과로 종종 여겨집니다.[4] 그것은 매우 큰 영향을 미쳤지만, 그 가설은 그것의 제안 직후에 지나치게 단순화된 것으로 인정되었습니다. "하나의 유전자-하나의 폴리펩티드" 가설의 후속 재구성조차도 유전자와 단백질 사이의 관계를 설명하기에는 너무 간단한 것으로 여겨집니다.[5]

기원.

1958년 뉴욕의 미국 자연사 박물관에서 비들과 테이텀의 노벨상 수상에 대한 언급.

멘델 유전 패턴에 따른 대사의 오류 사례는 1902년 알캅토뇨증의 아치볼드 개로드(Archibald Garrod)가 멘델 열성 형질로 식별한 것을 시작으로 1930년대 후반까지 대부분의 유전학은 대사에 적용될 수 없었습니다. 또 다른 예외는 토마스 헌트 모건(Thomas Hunt Morgan)의 칼텍(Caltech) 연구소에서 초파리의 눈 색깔 색소를 연구하는 두 유전학자인 보리스 에프루시(Boris Ephrussi)와 조지 비들(George Beadle)의 연구였습니다. 1930년대 중반에 그들은 눈 색깔에 영향을 미치는 유전자들이 연속적으로 의존하는 것으로 나타났고, 초파리의 정상적인 빨간 눈은 일련의 변형을 겪은 색소의 결과라는 것을 발견했습니다; 다른 눈 색깔 유전자 돌연변이는 시리즈의 다른 지점에서 변형을 방해했습니다. 그래서 비들은 각각의 유전자가 색소 합성의 대사 경로에 작용하는 효소에 책임이 있다고 추론했습니다. 그러나, 그것은 다양한 유기체에 의해 널리 공유되는 경로라기보다는 상대적으로 피상적인 경로였기 때문에, 초파리 눈 색소 대사의 생화학적 세부 사항에 대해서는 거의 알려져 있지 않았습니다. 그 경로를 더 자세히 연구하려면 파리의 눈에서 색소를 분리해야 했는데, 이는 매우 지루한 과정이었습니다.[6]

1937년 스탠퍼드 대학교로 옮긴 후, 비들은 생화학자 에드워드 테이텀과 함께 파리 눈 색소를 분리하기 위해 일하기 시작했습니다. 이 접근법으로 약간의 성공을 거둔 후에, 그들은 다른 연구자인 Adolf Butenandt가 그들을 물리치고 발견한 직후에 중간 색소들 중 하나를 발견했습니다. Beadle과 Tatum은 생화학적 특성에 대한 유전적 연구를 훨씬 쉽게 만드는 유기체로 초점을 바꾸었습니다. 빵 곰팡이인 Neurospora crassa, 최근 토마스 헌트 모건의 연구원 중 한 명인 칼 C가 유전자 연구를 수행했습니다. 링그렌. 뉴로스포라는 간단한 성장 배지가 필요하고, 빠르게 성장하며, 번식 중 자낭포자가 생성되기 때문에 분석을 위해 유전자 돌연변이를 쉽게 분리할 수 있다는 몇 가지 장점이 있었습니다. 그들은 균을 X선에 노출시켜 돌연변이를 일으킨 다음, 성장 배지를 달리함으로써 대사 결함이 있는 균주를 확인했습니다. 비들과 테이텀의 이 작업은 거의 한 번에 중요한 일반화로 이어졌습니다. 이것은 최소 배지에서는 성장할 수 없지만 "완전한" 배지에서는 성장할 수 있는 대부분의 돌연변이체가 각각 최소 배지에서의 성장을 위해 하나의 특정 보충제를 추가해야 한다는 것이었습니다. 돌연변이로 인해 특정 영양소(예: 아미노산 또는 비타민)의 합성이 중단되었다면, 그 돌연변이 균주는 배지에 필요한 영양소를 첨가함으로써 성장할 수 있었습니다. 이 발견은 대부분의 돌연변이가 단일 대사 경로에만 영향을 미친다는 것을 시사했습니다. 초기 발견 직후에 얻은 추가 증거는 일반적으로 경로의 단일 단계만 차단된다는 것을 보여주는 경향이 있습니다. 1941년 세 개의 그러한 영양요구성 돌연변이체에 대한 그들의 첫 보고에 이어, 비들과 테이텀은 일련의 관련 돌연변이체를 생성하기 위해 이 방법을 사용하여 아미노산과 다른 대사 생성물이 여러 대사 경로에서 합성되는 순서를 결정했습니다.[7] 이 실험에서 명백한 추론은 각각의 유전자 돌연변이가 단일 효소의 활성에 영향을 미친다는 것이었습니다. 이것은 직접적으로 하나의 유전자-1 효소 가설로 이어졌으며, 특정 자격과 개선을 통해 오늘날까지 본질적으로 유효하게 유지되고 있습니다. Horowitz 등이 상기한 바와 같이,[8] Beadle과 Tatum의 연구는 유전자가 생합성에 필수적인 역할을 한다는 것을 증명하기도 했습니다. 실험(1941) 당시 비유전학자들은 일반적으로 유전자가 눈 색깔, 초파리의 털 배열과 같은 사소한 생물학적 특성만을 지배한다고 믿었지만, 기본적인 생화학은 알려지지 않은 과정에 의해 세포질에서 결정되었습니다. 또한, 많은 존경 받는 유전학자들은 유전자 작용이 너무 복잡해서 어떤 간단한 실험으로도 해결할 수 없다고 생각했습니다. 따라서 비들과 테이텀은 유전학에 대한 우리의 이해에 근본적인 혁명을 가져왔고, 1958년에 노벨 생리학·의학상을 수상했습니다.

Neurospora의 영양 돌연변이는 또한 실용적인 응용이 있는 것으로 증명되었습니다; 간접적이지만, 생물 과학 분야의 과학에 대한 군사 자금 지원의 초기 예들 중 하나에서, 비들은 (록펠러 재단과 군용 배급제 제조업체 협회로부터) 추가적인 연구 자금을 받아 식품의 영양소 함량을 분석하고 제2차 세계 대전에 참전한 군인들에게 충분한 영양을 보장하기 위해 사용될 수 있는 균주를 개발했습니다.[9]

가설과 대안적 해석

1941년 11월 15일 발간된 미국 국립과학원 회보(The Proceedings of the National Academy of Sciences)의 첫 번째 신경포자(Neurospora) 논문에서 비들과 테이텀은 "이 유전자들이 시스템의 일부라고 가정하는 것은 전적으로 가능하다"고 언급했습니다. 효소로 직접 작용하거나 효소의 특이성을 결정함으로써 시스템의 특정 반응을 제어하거나 조절합니다."라는 아이디어가 제안되었지만, 제한된 실험적 지원으로 1917년 그들은 그 견해를 뒷받침하는 새로운 증거를 제시했습니다. 그리고 그것을 더 완전하게 탐구할 수 있는 연구 프로그램의 개요를 설명했습니다.[1] 1945년까지, 비들, 테이텀 그리고 다른 사람들은 뉴로스포라와 대장균과 같은 다른 모델 유기체들과 협력하여 대사 경로의 각 단계가 하나의 유전자에 의해 제어된다는 상당한 실험적 증거를 만들어냈습니다. 1945년 리뷰에서 비들은 "유전자는 단백질 분자의 최종 구성을 지시하고 따라서 그 특이성을 결정하는 것으로 시각화될 수 있다"고 제안했습니다. 그는 또한 "진화 과정의 경제적인 이유로, 거의 예외 없이 특정 효소의 최종 특이성이 단 하나의 유전자에 의해 부과될 것이라고 예상할 수 있다"고 주장했습니다. 그 당시에는 유전자가 단백질이나 핵단백질로 구성되어 있다고 널리 생각되었습니다. (비록 에이버리-맥로드-맥카티 실험과 관련 연구는 이 아이디어에 의문을 제기하기 시작했습니다.) 그러나 단일 유전자와 단일 단백질 효소 간의 연관성은 유전자 구조에 대한 단백질 이론보다 더 오래 지속되었습니다. 1948년 논문에서 노먼 호로위츠는 이 개념을 "하나의 유전자-하나의 효소 가설"이라고 이름 지었습니다.[2]

비록 영향력이 있지만, 하나의 유전자-1 효소 가설은 논란의 여지가 없었습니다. 그 중에서도 막스 델브뤼크는 대사 경로를 따라 각 단계에서 단 하나의 효소만이 실제로 관여하는지 회의적이었습니다. 결과를 받아들인 많은 사람들에게 유전자와 효소의 연결을 강화시켜 일부 생화학자들은 유전자가 효소라고 생각했습니다. 이것은 다른 작업과 일치했습니다. 예를 들어, 담배 모자이크 바이러스(유전적인 변이가 있는 것으로 알려져 있고 많은 효소 반응과 동일한 자가 촉매 패턴을 따르는 것으로 알려져 있음)의 번식과 겉보기에 순수한 단백질로서의 바이러스의 결정화에 대한 연구. 1950년대 초에는 뉴로스포라 연구 결과가 널리 칭송받았지만 1951년에는 비들이 이 연구 결과로부터 도출한 결론이 방대한 지나치게 단순화된 것이라는 견해가 지배적이었습니다.[8] 비들은 1966년에 1951년 유전자와 돌연변이에 관한 콜드 스프링 하버 심포지엄을 읽은 후, 그는 한 유전자-원 효소 가설의 지지자들이 "몇 손가락을 남겨둔 채 한 손의 손가락에서 셀 수 있다"는 인상을 받았다고 썼습니다.[10] 1950년대 초까지, 대부분의 생화학자들과 유전학자들은 DNA를 유전자의 물리적 기반을 위한 가장 유력한 후보로 여겼고, 그에 따라 1개의 유전자-1 효소 가설이 재해석되었습니다.[11]

1개의 유전자-1개의 폴리펩티드

비들과 테이텀은 지시적 역할을 유전자에 귀속시키는 데 있어 암묵적으로 유전자에 정보적 능력을 부여했습니다. 이 통찰력은 유전자 코드의 개념에 대한 기초를 제공했습니다. 그러나 DNA가 유전물질이고, 단백질은 정의된 아미노산의 선형 서열로 이루어져 있으며, DNA 구조에 염기쌍의 선형 서열이 포함되어 있다는 사실이 밝혀지면서 비로소 유전 코드를 해결할 수 있는 명확한 근거가 생겼습니다.

1950년대 초, 생화학적 유전학의 발전은 부분적으로 원래의 가설에 의해 촉진되어, 하나의 유전자-1 효소 가설은 (적어도 원래의 형태로는) 매우 가능성이 없어 보입니다. 1957년부터 버논 잉그램 등은 전기영동과 2D 크로마토그래피를 통해 단백질의 유전적 변이(예: 낫형 세포 헤모글로빈)가 다량체 단백질의 단 하나의 폴리펩티드 사슬의 차이로 제한될 수 있음을 보여주었고, 대신 "1개의 유전자-1개의 폴리펩티드" 가설로 이어졌습니다.[12] 유전학자 롤랜드 H. 데이비스(Rowland H. Davis)에 따르면, "1958년 – 실제로 1948년 – 한 유전자에 이르기까지, 하나의 효소는 더 이상 단호하게 방어되어야 할 가설이 아니었고, 그것은 단순히 연구 프로그램의 이름이었습니다."[13]

현재, 단일 유전자-1 폴리펩티드 관점은 다양한 세포간 및 세포내 환경 신호에 따라 개별적으로 RNA 전사체를 준비하기 위해 스플라이싱을 사용하는 많은 진핵생물의 다양한 스플라이싱된 버전을 설명할 수 없습니다. 이 스플라이싱은 1977년 필립 샤프와 리처드 J. 로버츠에[14] 의해 발견되었습니다.

Beadle과 Tatum의 결과에 대한 예상 가능성

역사학자 얀 샙은 1940년대와 50년대의 몇몇 대표적인 유전학자들이 주장했듯이 비들과 테이텀의 기념된 1941년 작업 이전에 비슷한 결과를 만들어낸 독일의 유전학자 프란츠 모에우스와 관련된 논쟁을 연구했습니다.[15] 1930년대에 조류 클라미도모나스(Clamydomonas)에 대한 연구 결과를 발표한 모우스(Moewus)는 서로 다른 유전자가 유기체의 번식을 조절하는 호르몬 생성에서 서로 다른 효소 반응을 담당한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 Sap이 능숙하게 자세히 설명했듯이, 그 결과는 통계적으로 '너무 좋아서 사실이 아니다'라는 데이터를 발견한 다른 사람들에 의해 도전을 받았고, 그 결과를 복제할 수 없었습니다.

참고 항목

참고문헌

  • Fruton JS (1999). Proteins, Enzymes, Genes: The Interplay of Chemistry and Biology. New Haven: Yale University Press. ISBN 0-300-07608-8.
  • Kay LE (1993). The Molecular Vision of Life: Caltech, The Rockefeller Foundation, and the Rise of the New Biology. New York: Oxford University Press. ISBN 0-19-511143-5.
  • Morange M (1998). A History of Molecular Biology. Cobb M (trans.). Cambridge: Harvard University Press. ISBN 0-674-39855-6.
  1. ^ a b Beadle GW, Tatum EL (15 November 1941). "Genetic Control of Biochemical Reactions in Neurospora" (PDF). PNAS. 27 (11): 499–506. Bibcode:1941PNAS...27..499B. doi:10.1073/pnas.27.11.499. PMC 1078370. PMID 16588492.
  2. ^ a b Horowitz, Norman (1948). "The one gene-one enzyme hypothesis". Genetics. 33 (6): 612–613. PMID 18207813.
  3. ^ Horowitz NH, Berg P, Singer M, et al. (January 2004). "A centennial: George W. Beadle, 1903-1989". Genetics. 166 (1): 1–10. doi:10.1534/genetics.166.1.1. PMC 1470705. PMID 15020400.
  4. ^ 모란지, 21쪽
  5. ^ Bussard AE (2005). "A scientific revolution? The prion anomaly may challenge the central dogma of molecular biology". EMBO Reports. 6 (8): 691–694. doi:10.1038/sj.embor.7400497. PMC 1369155. PMID 16065057.
  6. ^ 모란지, 21-24쪽
  7. ^ Fruton, pp. 432-434
  8. ^ a b Horowitz NH (May 1996). "The sixtieth anniversary of biochemical genetics". Genetics. 143 (1): 1–4. doi:10.1093/genetics/143.1.1. PMC 1207243. PMID 8722756.
  9. ^ 네, 204-205쪽입니다
  10. ^ Beadle, G. W. (1966) "생화학적 유전학: 약간의 회상", 페이지 23-32, J. Cairns, G. S. Stent 및 J. D. 편집. 왓슨. 뉴욕주 콜드 스프링 하버 정량생물학 연구소 콜드 스프링 하버 심포지움 (Cold Spring Harbor Symposiumia) ASIN: B005F08아이큐8
  11. ^ 모란지, 27-28쪽
  12. ^ Berg P, 가수 M. 흔하지 않은 농부 조지 비들: 20세기 유전학의 출현, CSHL Press, 2003. ISBN 0-87969-688-5, ISBN 978-0-87969-688-7
  13. ^ Davis R. H. (2007). "Beadle's progeny: Innocence rewarded, innocence lost" (PDF). Journal of Biosciences. 32 (2): 197–205 [202]. doi:10.1007/s12038-007-0020-5. PMID 17435312. S2CID 11263056.
  14. ^ 차우, 루이즈 T, 리처드 E. 젤리나스, 토마스 R. 브로커, 그리고 리처드 J. 로버츠. "아데노바이러스 2 전령RNA의 5' 말단에 놀라운 서열 배열." 세포 12, 1번 (1977년 9월): 1-8.
  15. ^ 얀 샙, 진실이 있는 곳: 프란츠 모우스와 분자생물학의 기원, 뉴욕: 옥스퍼드 대학 출판부.

더보기