22.4.1. Данные, указывающие на роль ДНК в наследственности

Еще в начале XX века Саттон и Бовери высказали верную мысль, что именно хромосомы передают генетическую информацию от одного поколения другому (см. разд. 23.2), однако потребовалось еще много лет, для того чтобы выяснить, что служит генетическим материалом-ДНК или белок хромосом. В ряде экспериментов Альфред Мирский показал, что у особей данного вида все соматические клетки содержат одинаковое количество ДНК, которое вдвое больше количества ДНК в гаметах. Но то же самое относится и к содержанию в хромосомах белка, так что эти данные мало способствовали выяснению природы генетического материала.

Ученые склонны были думать, что белок - это единственное вещество, молекулы которого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом.

В 1928 г. английский микробиолог Фредерик Гриффит сделал наблюдение, которое впоследствии оказалось важным для решения этой проблемы. Во времена, когда еще не было антибиотиков, Гриффит пытался приготовить вакцину против пневмококка - возбудителя одной из форм пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, из которых одна обладает студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет капсулы и невирулентна. Способность этих бактерий вызывать пневмонию, по-видимому, была связана с наличием капсулы. Граффит надеялся, что если ввести больному бескапсульную или убитую нагреванием инкапсулированную форму, то его организм начнет вырабатывать антитела, которые смогут предохранить от заболевания пневмонией. В ряде экспериментов Гриффит вводил мышам обе формы бактерий и получил результаты, представленные в табл. 22.3. При вскрытии погибших мышей в них были обнаружены живые инкапсулированные формы. На основании этих результатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм к живым бескапсульным формам, очевидно, передается какой-то фактор, заставляющий их вырабатывать капсулы и становиться вирулентными. Однако природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной вплоть до 1944 г., когда его удалось выделить и идентифицировать. На протяжении 10 лет Эвери, Мак-Карти и Мак-Леод занимались выделением и очисткой молекул, входящих в состав убитых нагреванием инкапсулированных клеток пневмококка, и изучали их способность трансформировать бескапсульные клетки. Удаление полисахаридной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не оказывало влияния на эту способность, но добавление фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), гидролизующей ДНК, препятствовало трансформации. Способность высокоочищенных экстрактов ДНК из инкапсулированных клеток вызывать трансформацию показала, что фактором Гриффита была ДНК. Несмотря на эти результаты, многие ученые все еще отказывались признать, что генетическим материалом служит ДНК, а не белок. В начале пятидесятых годов множество неоспоримых данных, полученных при изучении вирусов, наконец, продемонстрировали универсальность ДНК как носителя генетической информации.

Таблица 22.3. Результаты экспериментов Гриффита

В сороковые годы вирусы стали одним из главных объектов экспериментальных генетических исследований; проведенные на них эксперименты считаются теперь такими же классическими, как эксперименты на горохе, плодовой мушке и, как будет описано позже, хлебной плесени Neurospora. Вирусные частицы имеют очень простое строение; они состоят из оболочки, образованной в основном из белка, и заключенной внутри нее молекулы нуклеиновой кислоты-ДНК или РНК (см. разд. 2.5.2). Это делает их идеальным материалом для изучения вопроса о том, что служит генетическим материалом - белок или нуклеиновая кислота. В 1952 г. Херши и Чейс приступили к ряду экспериментов на вирусах особого типа, заражающих бактериальные клетки и называемых бактериофагами. Бактериофаг Т₂ проникает в клетку кишечной палочки (Escherichia coli) и заставляет ее за очень короткий срок образовать множество фаговых частиц. Херши и Чейс выращивали частицы фага Т₂ в клетках Е. coli, которые росли на среде с радиоактивными изотопами серы (³⁵S) или фосфора (³²Р). Фаговые частицы, образующиеся в клетках Е. coli на среде с радиоактивной серой, включали 35S в свои белковые оболочки, а частицы, образующиеся в Е. coli на среде с изотопом фосфора, содержали ДНК, меченную ³²Р. Такое избирательное распределение изотопов связано с тем, что белки не содержат фосфора, а нуклеиновые кислоты не содержат серы. Мечеными частицами фага Т₂ заражали немеченые клетки Е. coli, и спустя несколько минут эти клетки встряхивали в смесителе, чтобы отделить фаговые частицы от клеточных стенок. Затем бактерий инкубировали и проверяли на радиоактивность. Результаты представлены на рис. 22.13.

Рис. 22.13. Схема экспериментов Херши и Чейза на фаге Т2 и Е. coli

Из полученных данных Херши и Чейз сделали вывод, что в бактериальную клетку проникает фаговая ДНК, которая и дает начало многочисленному фаговому потомству. Эти эксперименты показали, что наследственным материалом служит ДНК, которая определяет в новообразованных фаговых частицах структуру не только фаговой ДНК, но и фаговых белков. Результаты электронно-микроскопических исследований и более полные данные о жизненном цикле вирусов подтверждают, что в бактериальную клетку проникает только ДНК фага. (Жизненный цикл вирусных и фаговых частиц описан в разд. 2.5.3 и 2.5.4.)