претацию еще для трех аномалий, включая и альбинизм, который, по его мнению, вызывается блокированием метаболического пути, ведущего от тирозина к меланину.

Гэррод назвал эти наследственные биохимические аномалии врожденными ошибками метаболизма. Ему удалось сделать свои открытия благодаря осознанию того обстоятельства, что метаболический «блок» можно идентифицировать по накоплению в организме вещества, которое образуется на стадии, предшествующей этому блоку. В дальнейшем использование этого простого принципа сыграло важнейшую роль в изучении многочисленных метаболических процессов.

Гипотеза "один ген - один фермент"

Впервые представление о взаимосвязи между генами и ферментами точно сформулировали Джордж Бидл и Эдуард Татум в 1941 г. в рамках гипотезы «один ген-один фермент». За это открытие в 1958 г, они были удостоены Нобелевской премии. Бидл и Татум изучали биохимическую роль различных генов в опытах с обычной хлебной плесенью-Neurospora crassa (см. рис. 5.15). В норме этот микроскопический гриб может расти на определенной минимальной среде, содержащей сахар, некоторые минеральные соли, источник азота (аммонийные соли) и витамин биотин.

С помощью мутагенеза, индуцируемого рентгеновским излучением, Бидл и Татум получали и затем отбирали мутанты, для роста которых требовалось добавлять в среду некоторые дополнительные питательные вещества (рис. 10.3). Такие мутанты называются ауксотрофами в отличие от исходных прототрофов, способных расти на минимальной среде. (Мутации, изменяющие питательные потребности бактерий, специально обсуждаются в главе 8.) Подход, использованный Бидлом и Татумом для подтверждения наследуемого характера мутаций, приводящих к ауксотрофности, проиллюстрирован на рис. 10.4.

Первые три мутанта, выделенные Бидлом и Татумом, были обозначены pab, pdx и thi. Для их роста на минимальной среде требовались добавки n-аминобензойной кислоты, пиридоксина и тиамина соответственно. В каждом из трех случаев наблюдалось блокирование определенного этапа метаболизма, в норме приводящего к образованию соответствующего недостающего питательного вещества. Таким образом, было установлено однозначное соответствие между генетической мутацией и исчезновением определенного фермента, необходимого на данной биохимической стадии метаболизма. Исходя из этого, Бидл и Татум и сформулировали гипотезу «один ген-один фермент»: каждый ген направляет синтез одного фермента (рис. 10.5). В ходе дальнейших исследований эта гипотеза в несколько модифицированном виде - «один ген -одна полипептидная цепь»-полностью подтвердилась.

Дикий тип

Конидии (вегетативные споры)

Панто -т еновая кислота

Никоти-новая кислота

п-Амино- Инозитол бензойная кислота

Фолиевая Нуклеи- Контроль кислота новая гдез до.

кислота ^бавок)

Рис. 10.3. Метод идентификации ауксо-трофных мутаций у Neurospora. Конидии подвергают воздействию мутагенов (например, рентгеновскому или ультрафиолетовому облучению) и скрещивают с конидиями дикого типа. Затем на полной среде выращивают гаплоидные споры. Полученные культуры высевают на минимальную среду. Отсутствие роста на минимальной среде указывает на возникновение ауксотрофной мутации. Для установления природы этой мутации испытываемые штаммы высевают на минимальную среду с теми или иными питательными добавками (аминокислоты, витамины и др.). В представленном на рисунке примере мутантный штамм оказывается способен расти на минимальной среде с добавлением пантотеновой кислоты.

Биохимические превращения при метаболизме

Различные ауксотрофные штаммы, растущие при добавлении к минимальной среде одного и того же вещества, не обязательно содержат мутации в одном и том же гене. Так, все три мутанта Neurospora, отмеРис. 10.4. Метод, позволяющий подтвердить генетическую природу питательной потребности. Мутантный штамм, полученный, как показано на рис. 10.3, скрещивают со штаммом дикого типа. Гаплоидные споры высевают на минимальную среду. При этом оказывается, что на четыре споры, способные расти, приходятся четыре, неспособные расти на минимальной среде. Это подтверждает, что неспособность расти на минимальной среде является результатом генетической мутации.

Дикий тип

В отсутствие

пантотеновой

кислоты

si \t V

©в 4

Ген А

Ген В

\

Фермент А

Фермент В

Фермент С

О

Субстрат

\

Стадия А

Стадия В

Продукт А

О

Продукт В

Стадия С

?о

Продукт С

Рис. 10.5. Гипотеза «один ген-один фермент». Каждый ген направляет синтез одного фермента. Мутация в одном из генов приводит к образованию нефункционального фермента, прерывая тем самым цепь метаболических превращений. Так, мутация в гене В приведет к возникновению блока на стадии превращения

продукта А в продукт В. При этом продукт А будет накапливаться, а продукты В, С и пр. не образуются вовсе. Благодаря накоплению продукта А удается идентифицировать тот этап, на котором возникает блок в данной цепи метаболических превращений.

ченные в табл. 10.2, могут расти на минимальной среде с аргинином. В то же время мутант № 2 может расти также на минимальной среде с цитруллином, а мутант № 1 растет и на аргинине, и на цитруллине, и на орнитине. Следовательно, второй мутант может синтезировать аргинин при наличии в среде готового цитруллина, а первый мутант способен также синтезировать аргинин из орнитина. Биосинтез этих трех веществ происходит в рамках одной и той же метаболической цепи биохимических превращений в последовательности, показанной на рис. 10.6. (В настоящем обсуждении мы опускаем стадию биосинтеза еще одного промежуточного продукта - аргининосукцината.)

Мутация в гене org Е блокирует цепь превращений перед стадией биосинтеза орнитина. Этот блок можно обойти, добавив к среде орнитин (из которого клетка сама может синтезировать цитруллин, а затем и аргинин), цитруллин или аргинин. Мутацию в гене argF, блокирующую стадию превращения орнитина в цитруллин, с помощью добавки орнитина подавить не удается. Однако такой мутант способен расти как на аргинине, так и на цитруллине. В то же время мутант по гену агдН

arg Е agr F org Н

\ " \ \ \

Фермент Фермент Фермент Фермент

\ \ \ \

N-ацетилорнитин *? Орнитии » Цитруллин—* Аргининосукцинат » Аргинин

NH, I

О

,NH,

С" I

NH

HN

С I

NH I

NH2 1

R = Н—С—СН2СН2СН—

соон

Рис. 10.6. Путь биохимических превращений, ведущий к образованию аргинина. В результате мутации в гене агдЕ может возникнуть блок на стадии синтеза орнитина, который удается обойти, добавляя к питательной среде орнитин или какой-либо из последующих продуктов (цитруллин, аргининосукцинат или сам аргинин) данной цепи метаболизма. Проявление мутаций в гене argF можно подавить, добавляя к среде цитруллин или какой-либо из последующих метаболитов, но нельзя подавить с помощью орнитина. Рост мутантов по гену агдН может наблюдаться только в присутствии самого аргинина.

растет только в присутствии аргинина и не растет ни на одном из двух других промежуточных метаболитов. Это отражает очень важную общую закономерность, которая заключается в том, что различные мутанты, способные расти при добавлении одного и того же вещества, в действительности могут характеризоваться наличием блоков на различных этапах метаболического пути превращений, приводящих в итоге к синтезу этого вещества.

Дальнейшее изучение роли различных генов в определенной последовательности биохимических превращений можно проводить с использованием комплементационных тестов, обсуждавшихся в предыдущих главах. Один из модифицированных вариантов комплементационного тестирования применяется при работе с Neurospora. При совместном культивировании различных штаммов в результате контакта между гифами может происходить их слияние, приводящее к образованию гетерокарионов - гибридных клеток, в цитоплазме которых одновременно присутствуют ядра из клеток различных штаммов (рис. 10.7). Если исходные штаммы несут мутации в различных генах, то образующиеся ге-терокарионы могут приобрести способность расти на минимальной среде. И наоборот, если мутации аллельны, то при комплементационном тестировании не будет наблюдаться образования гетерокарионов с «диким» фенотипом, растущих на минимальной среде. Так, комплемента-ционное тестирование многочисленных мутантов Neurospora, нуждающихся в аргинине, позволило установить, что в метаболический путь биосинтеза этой аминокислоты вовлечены семь различных генов.

Питательные потребности некоторых мутантных штаммов бактерий Salmonella typhimurium, дефектных по биосинтезу триптофана, показаны в табл. 10.3. Ни один из этих мутантов не может расти на минимальной среде, и все они растут в присутствии триптофана. В то же время мутант trp8 может расти и на среде с добавкой антраниловой кислоты, индолглицерофосфата (ИГФ) или индола. Мутанты trp2 и trp4 не могут расти на минимальной среде с антраниловой кислотой, но растут в присутствии ИГФ или индола. Эти мутанты, кроме того, способны накапливать промежуточный метаболит-антраниловую кислоту. Мутант trp3 растет только в присутствии индола (или триптофана), ему свойственно накапливать ИГФ. Остальные мутанты растут только при доТаблица 10.3. Питательные потребности триптофановых мутантов Salmonella typhimurium. триптофане

Добавки в среде

Мутант

Минималь- Антранило- Индолглице- Индол ная среда вая кислота рофосфат

Триптофан Накапливающеес вещество

2, 4

1, 6, 7, 9, 10, 11

+ +

+ +

Антраниловая кислота

Индолглицеро-фосфат

Индол

«+»-рост, « — »-отсутствие роста

бавлении к среде триптофана и накапливают ИГФ и индол. Так* образом, искомую последовательность биохимических превращен] можно представить следующей схемой: антраниловая кислота ИГФ ->• индол -* триптофан (рис. 10.8).

Одна из первых работ по биохимии метаболических путей была п

НООС—с—о

<^г»г»и Антранилат CUOH сиитаза

Фосфорибозил-пи рофосфат-антранилат — трансфераза

Антраниловая кислота

он он он

N/CH Н

OPO,

ОН ОН

I IСН-СН-СН,

ОР03

А-белок триптофан -синтезы

1 (о-карбоксифениламино) -1 -дезокси