If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

如果你被网页过滤器挡住,请确保域名*.kastatic.org*.kasandbox.org 没有被阻止.

主要内容

一个基因,一个酶

历史上的实验:Garrod对黑尿酸尿症的研究; Beadle和Tatum对神经孢子虫突变体的研究。

要点:

  • 一个基因一个酶的设想是每一个基因都给一种酶编码。今天,我们知道这个设想是基本上(但不是完全)正确的。
  • 英国医生Archibald Garrod爵士第一次认为基因与酶有关联。
  • Beadle和Tatum利用面包霉菌 Neurospora 的遗传和生物化学研究证实了Garrod的假设。
  • Beadle和Tatum识别了不能制造特定氨基酸的面包霉菌突变个体。在每一个里面,一个突变破坏了用于制造某一氨基酸所需的酶。

介绍

今天我们知道,一个典型的基因 给蛋白质的建造提供指示,最终决定了生物的可见形状。例如,我们现在知道孟德尔 的花朵颜色基因指定了一种可以帮助制造色素分子的蛋白质,在其正常工作的时候可以使花朵变成紫色。
但是,孟德尔不知道的是基因(他叫它们遗传因子)还决定了蛋白质和其他的功能分子。事实上他甚至没有猜测基因是怎么影响生物的可见特征的。那么谁第一个将基因与蛋白质连接起来?

伽罗德的“新陈代谢的先天障碍”

我们经常看到一些基础生物学发现在实验室中发生。但是,它们也可能在床边发生。阿奇巴尔德·伽罗德爵士,一个二十世纪初的医生,是第一个将基因和人体内的生物化学相连的人。
_改自 "Archibald Edward Garrod." 原图来自Frederick Gowland Hopkins (CC BY 4.0)._
伽罗德和一些患有代谢疾病的病人工作,他发现了这些代谢疾病通常在家族中发生。他专注于患有我们今天叫做黑酸尿症的病人。这是一个非致命的疾病,因为一个人不能分解尿黑酸,尿液会变成黑色的,而正常人会将此分子分解成别的无色分子。
通过观察有这个疾病的人的家庭树,伽罗德知道了黑尿酸症遵循隐性遗传规律,就像孟德尔在豌豆中观察到的那样 。伽罗德提出了黑尿酸症患者可能有在分解黑尿酸上的新陈代谢缺陷,此缺陷可能由孟德尔的遗传因子(例如一个基因的隐性等位基因)导致。2
伽罗德称这个是“新陈代谢的先天障碍”,他找到了很多其他的遵循类似的规律的疾病。虽然基因的本质那时没有被伽罗德或其他人认识到,但是伽罗德现在被称为化学基因学之父,他是第一个将基因和参与新陈代谢反应的酶连接的人。

Beadle 和 Tatum:将基因和酶相连

令人遗憾的是,伽罗德的想法在他的时代基本没有被注意。事实上,伽罗德的工作在乔治·比德尔(George Beadle)和爱德华·塔特姆(Edward Tatum)在40年代进行了一系列颠覆性的实验之后才被重新发现,并表示赞赏。4
比德尔和塔特姆用一个简单的生物来进行实验:普通面包霉菌,或者 Neurospora crassa。使用 Neuruspora,他们可以展示一个基因与代谢酶之间的明显联系。

为什么面包霉菌对实验很有利

你可能会想,为什么比德尔和塔特姆会选择讨厌且并不重要的面包霉菌来研究?
一开始,比德尔选择 果蝇 Drosophila (虽然还是很恶心,但是那时是比较普遍的研究生物)。 但是, 随着他更加的被基因和代谢所吸引,他发现, Neurospora 可能会提供更多他想要知道的。一方面, Neurospora 有快速便捷的生命循环, 其包括 单倍体和二倍体 阶段的生命循环使得它更容易被用来做基因实验。5
也许最重要的是, Neurospora 细胞可以在实验室中,在简单的培养基上种植(液体或固体营养培养基),培养基的化学成分是100%已知的并受实验员控制的。 Neurospora 细胞,事实上,甚至可以在 基本培养基,一个只有糖类,盐类和一种维生素(生物素)的营养源上生长,而很多种生物(例如人)就不能。 这是因为 Neurospora 有可以将糖类,盐类和维生素H转化为细胞所需的所有其他分子(例如氨基酸,维生素)的生化过程。
Neurospora 细胞还可以在完全培养基(包括一整套氨基酸和维生素)上生长。它们只是不需要完全培养基就能生存。

让我们做点突变体吧!

比德尔和塔特姆推断,如果基因和生物化学酶有关联,则应该可以通过诱发突变 (基因改变)来损毁用于在基本培养基上生长的特定的酶(因而损毁特定的过程)。一个有突变的 Neurospora 个体将在完全培养基上面生长,但是不能在基本培养基上生长。7
图片参考自在Griffiths et al8中的相似图片
为了寻找这样的变异体,比德尔和塔图姆将 Neurospora 孢子在辐射下曝光,以制造突变。在几次基因清理步骤之后,他们将辐照孢子后代在含有完全培养基的试管中培养。当每一个孢子都建立了一个正在长大的群落,群落的一部分就会被转移到另外一个包含基本培养基的试管中。
大多数群落都可以在两个培养基中生长,但是一些在完全培养基上可以生长的群落不能在基本培养基中生长。它们就是比德尔和塔特姆想找到的营养学变异体。在基本培养基上,每一个变异体都会死,因为它们不能制造出在基本培养基上生长需要的分子。完整的介质会将变异体救活,通过提供缺失的分子和一些其他分子。

指出损毁的过程

为了确定在每一个突变体中哪一个新陈代谢路线被损毁了,比德尔和塔特姆进行了一个精巧的两步实验。
首先,他们让每一个变异体都在补充了全组氨基酸或全组维生素的基本培养基上生长(或糖类,但是我们不会在这里说这个).8,10
  • 要是一个变异体在有氨基酸(但是不是维生素)的最低介质上生长,它一定无法制造出一个或更多氨基酸。
  • 要是一个变异体在有维生素,但没有氨基酸的最低介质上生长,它一定无法制造一个或更多维生素。
图片参考自在Griffiths et al8中的相似图片
Beadle和Tatum通过第二轮测试进一步确定了每次突变中的“损坏”路径。 例如,如果突变体在含有所有 20 种氨基酸的基本培养基上生长, 他们下次可能会在 20 个小瓶中测试它,每瓶都含有基本培养基,再加 20 种氨基酸之中的一种。 如果其中一瓶中突变体长大, Beadle和Tatum都会知道,这瓶中的氨基酸一定是突变体中中断的路径的最终产物。 8
这样,比德尔和塔特姆将很多营养学突变体与特定的氨基酸和维生素生物合成路径相关联。他们的工作在基因学中是革命性的,这显示了单个基因确实与特定的酶相连。11

今天的“一个基因一个酶”

一开始发现的基因和酶的联系是被叫做“一个基因一个酶”假说。这个假说在比德尔和塔特姆之后有很重要的更新.12,13
  • 一些基因编码非酶蛋白质。酶只是一种蛋白质。有很多非酶蛋白质,这些蛋白质也被基因决定。
  • 一些基因编码一个蛋白质的子单元,而不是一整个蛋白质。 一般而言,一个基因编码一个多肽,一个氨基酸链。一些蛋白质有来自不同基因的多个多肽。
  • 一些基因不编码多肽。一些基因实际上编码可工作的RNA 分子 而不是多肽。
虽然一个基因一个酶的概念并不是完全准确,但是它的核心思想,一个基因一般对应一个指定的蛋白质,对今天的基因学家依然很有帮助。

想加入讨论吗?

尚无帖子。
你会英语吗?单击此处查看更多可汗学院英文版的讨论.