Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм, в своите пионерски проучвания с гъбата Neurospora, предполагат връзка 1: 1: 1 между гена, ензима и биохимичната реакция. Но как нуклеотидната последователност на всеки ген е свързана с аминокиселинната последователност на нейния кодиран протеин остава въпрос без отговор.

генетичния

В статията от 1961 г. в Nature, озаглавена „Обща природа на генетичния кодекс на протеините“, Франсис Крик, Лесли Барнет, Сидни Бренер и Ричард Уотс-Тобин най-накрая решават пъзела. Те правилно заключиха, че генетичният код е троен код, кодът е излишен (наричан още дегенериран: излишъкът или дегенерацията е характеристика на генетичния код, правилото за съответствие между нуклеотидната последователност на нуклеиновите киселини и последователността на аминокиселините на полипептиди; той се отнася до факта, че има повече различни кодони, отколкото са необходими за съхраняване на генетичната информация), триплетите не се припокриват, няма запетаи (въпреки че интроните впоследствие са открити) и всяка нуклеотидна последователност се чете от начало от конкретна отправна точка.

През 1961 г. единствената аналитична процедура, която може да се използва за подреждане на предполагаемата нуклеотидна последователност на ген, е картографирането на генетични структури, използващи мутанти с промени в споменатия ген. Мутационно променените места, картографирани от тази процедура, са предполагаеми места за промяна на нуклеотидите.

За щастие на Крик и неговите сътрудници, Сиймор Бенцър е разработил в края на 50-те години елегантен анализ, използващ мутации в rII региона на фаг Т4 (който има 2 съседни гена, наречени цистрони А и В - цистронът е най-малката единица генетичен материал способен да бъде отговорен за синтеза на полипептид). С тази система Benzer предостави първата подробна структурна карта на генетичен регион, в случая геномът на фага.

Въпреки невъзможността да се секвенира ДНК, Крик и колегите му бяха убедени, че той може да използва мутагенеза и генетична рекомбинация със системата T4 rII, за да картографира променените места в този генетичен регион и да установи общото естество на генетичния код.

Картата на Benzer за региона T4 rII е в съответствие със заключението, че всеки ген е изграден от линейна последователност от нуклеотиди, всеки от които може да претърпи наследствена промяна, която може да промени белтъчния продукт. Това, че полипептидите се състоят и от линейни аминокиселинни последователности, е установено преди това от Fred Sanger и други.

След това през 1958 г. Върнън Инграм показва, че мутантният човешки полипептид на хемоглобин има само една промяна на аминокиселината. Логичното заключение, получено от тези и свързаните с тях проучвания, е, че всеки ген се състои от уникална линейна последователност от нуклеотиди и че тази последователност е преобразувана в уникална линейна последователност от аминокиселини. Ако тази интерпретация е вярна, тогава трябва да има „генетичен код“, свързващ нуклеотидната последователност на всеки ген с аминокиселинната последователност на кодирания му протеин.

Крик беше предложил хипотезата за "адаптера" - че специфични молекули (по-късно идентифицирани като тРНК) са отговорни за "превеждането" на специфична нуклеотидна последователност в определена аминокиселина. Бренър от своя страна сравнява известните аминокиселинни последователности на протеини и заключава, че генетичният код не може да се припокрива (една от няколкото възможности), тъй като всяка аминокиселина може да бъде разположена в съседство с всяка от останалите 19 аминокиселини.

Стратегията на Крик за определяне кой от потенциалните "кодове" е правилен се основава на убеждението му, че клас мутагени, акридинови багрила (като профлавин) причиняват добавяне на базови двойки или намаляване на ДНК. По това време това не беше преобладаващото мнение, но беше подкрепено от техните данни. В съответствие с това тълкуване беше наблюдението, че индуцираните от акридин ДНК мутации имат необичайна характеристика: те са пълни или непропускащи (т.е. мутацията води до пълна загуба на генната функция). Това предполага, че тези мутации възпрепятстват правилното транслиране на кодиращата област към 3 'края (надолу по веригата) на мястото на мутация.

Крик и колегите му по-нататък разсъждават, че мутация, причинена от добавянето на основна двойка, може да бъде потисната от близката мутационна промяна от противоположния тип, премахването на основна двойка. Тази втора промяна би възстановила "естествената" рамка за четене, към 3 'края на мястото на втората мутация. По този начин, само полипептидният сегмент, определен от ДНК последователността между местата на 2-те мутационни промени, ще бъде променен.

Те тестваха тези прогнози, използвайки мутант T4 rII, индуциран от профлавин, който те определиха FC0. Те произволно предположиха, че този мутант е възникнал в резултат на добавянето на основна двойка (наречена "+"). Тази мутация се картографира на място в специфичен сегмент от цистрон В на региона T4 rII, което според Benzer не е от съществено значение за функцията rII B. Значението на избора на този генетичен регион за анализ е очакването, че променена последователност от аминокиселини е посочена от ДНК сегмента между + (добавяне на основна двойка) и - (премахване на основната двойка) промените в избрания B регион не биха били вредни.

Всъщност, когато те извършиха първоначалните си анализи с FC0, избирайки за мутации, които възстановиха функцията rII +, те наблюдаваха много потискащи промени на второто място; те се картографират на съседни места от двете страни на мястото на мутация на FC0. След това те отделят тези супресивни промени от мутацията FC0 чрез генетична рекомбинация и наблюдават, че всяка промяна на супресора, когато е само в rII B, също има мутант фенотип. Тези отделни потискащи промени обикновено бяха пълни, в съответствие с очакванията, че всяка от тях се дължи на премахването на основна двойка.

Изследователите са изолирали супресори от тези супресори; това трябваше да бъдат добавки на двойки основи, тъй като те обърнаха мутантния фенотип на изолираните по-рано супресори и се предполагаше, че са „чистачи“. Комбинирайки мутации в различните набори, те забелязват, че има само 2 класа: тези, които изглежда са имали добавяне на основна двойка и тези, които изглежда са имали заличаването на основна двойка.

По този начин, мутационна промяна в един клас, когато се комбинира с мутационна промяна в същия клас, трябва да доведе до мутант фенотип, докато когато се комбинира със съседна мутационна промяна във втория клас, rII + фенотипът ще се наблюдава. Точно това бяха открили: повечето от супресорните мутации бяха разположени относително близо до мястото на първичната „супресорна“ мутация.

Изглежда, че грешката при четене, довела до добавяне на базова двойка, може да бъде коригирана само чрез премахване на съседна базова двойка. Това предполага наличието на нуклеотиден триплет код и че някои кодиращи триплети не могат да бъдат преведени, може би служещи като преводни "върхове". Авторите също така отбелязват, че някои от техните комбинации +/- имат псевдо-див тип фенотип, в съответствие с очакването, че някои от аминокиселинните последователности, определени от ДНК сегмента между местата на 2-те мутационни промени, могат да съдържат аминокиселина, която е бил само частично функционален приемлив в тази позиция.

След това направиха допълнителен анализ, като се съсредоточиха върху основната си цел, определяйки общото естество на генетичния код. Те разсъждаваха, че ако генетичният код е триплетен код, тогава комбинирането на 3 мутационни промени + или 3 мутационни промени - ще създаде фаг с фенотип от див или псевдо див тип. Точно това, което откриха. В тези тройни мутанти аминокиселина вероятно е добавена към или отстранена от протеин В. Тези открития предоставят убедителни доказателства в подкрепа на заключението им, че генетичният код е триплет код.

Крик, Барнет, Бренер и Уотс-Тобин създадоха по-нататъшен тест за логиката на техните интерпретации, използвайки това, което изглеждаше като сливане на гени. Те въведоха + и - мутационни промени в цистрон А на специален делеционен мутант, наречен 1589, в който неизчистеният сегмент на цистрон rII A се предполагаше, че е слят с останалата част от цистрон В. Този мутационен делеция обаче запазва функцията на протеин В, което предполага, че останалата част от ДНК в цистрон В се превежда в подходяща форма за четене, като се получава AB полипептид, който запазва функцията B.

Обикновено мутациите в цистрон А или В нямат ефект върху експресията на другия цистрон, в съответствие с факта, че rII A и rII B са отделни гени. Въвеждане на мутационни + или - промени в останалите rII Част от мутацията на делеция от 1589 г., както беше предвидено, елиминира активността на rII B. Въпреки това, когато промените + и - бяха комбинирани с 1589 rII A регион, активността B беше възстановена. Тези резултати бяха в съответствие със заключението, че нуклеотидната последователност на гена се транслира линейно, започвайки от фиксирана начална точка и продължавайки, докато се срещне знак за спиране за транслация.

По-късно те проведоха допълнителни експерименти, за да проверят дали връзката за кодиране на ДНК-протеин може да бъде 6 нуклеотида на аминокиселина вместо 3 нуклеотида на аминокиселина, които те предпочитат според техните данни.

Всички техни открития са в съответствие със заключението, че всяка мутация, индуцирана от акридин, включва добавянето или отстраняването на единична двойка основи, а не добавянето или отстраняването на 2 базови двойки. Те обаче признаха, че тези проучвания не изключват напълно възможността за 6 нуклеотида. Те също така твърдят, че техните резултати са по-съвместими с излишния код. Тъй като имаше 64 (4x4x4) различни триплетни последователности и само 20 аминокиселини, 44 от тези триплети вероятно биха кодирали високи последователности или биха могли да изпълняват някаква друга функция, ако кодът не е излишен. Ако 44 триплета бяха стоп кодони, авторите вярваха, че биха имали по-големи трудности при възстановяване на функцията rII чрез комбиниране на + и - мутационни промени. Тъй като много от мутационните промени на добавяне и изтриване бяха спасени чрез мутации на изтриване, стоп кодон не можеше да бъде въведен между двете. Най-правдоподобното обяснение беше, че генетичният код е силно излишен.

Експерименталните анализи, описани във вашата статия, са изключително завладяващи. Те споменават в един от последните параграфи съобщението на Маршал Ниренберг на Биохимичния конгрес в Москва през 1961 г., че той и Матей са добавили РНК от полиуридилова киселина към безклетъчна система за синтез на протеини in vitro, произвеждайки фенилаланин. Това предполага съществуването на някаква уридинова кодова последователност за фенилаланин и по-важното е, че синтетичните РНК могат да бъдат трансформирани в протеини, използвайки тази безклетъчна система.

Крик и останалите също се позовават на друга статия на Nirenberg и Matthaei, в която те споменават в допълнителна бележка, че „полицитидиловата киселина конкретно медиира включването на L-пролин в преципитируем TCA (трихлороцетна киселина) продукт“.

Докладът на Крик и съавт. От 1961 г. е удивителен, тъй като те правилно са извели общото естество на генетичния код, въпреки неспособността им да дешифрират генетичния код чрез директен експериментален анализ. Неговите анализи бяха брилянтни и заключенията му бяха безценно допълнение към нашите познания за информационното съдържание на ДНК. Без съмнение неговите заключения трябва да са имали голямо влияние върху учените в областта по негово време.

Това е идеален пример за използване на мисъл и логика за решаване на основни биологични проблеми, съчетавайки знания и мъдрост, за да отговори на важни научни въпроси.