25.4. Экспериментальные данные о существовании информационной РНК-посредника в синтезе белка

Правомочность гипотезы о короткоживущей РНК-посреднике, играющей роль переносчика информации при синтезе белка, была проверена вскоре после того, как гипотеза была сформулирована. Сидней Бреннер, Франсуа Жакоб и Мэтью Меселсон (Sydney Brenner, Francois Jacob, Matthew Meselson) провели эксперименты на E. coli, зараженной бактериофагом Почти все белки, синтезирующиеся после заражения, детерминируются генами фага. Синтез этих белков не сопровождается увеличением общего количества РНК. Однако вскоре после заражения появляется минорная фракция РНК с коротким временем жизни. Как уже говорилось выше, нуклеотидный состав минорной фракции РНК сходен с составом фаговой ДНК. Эта система представлялась оптимальной для проверки гипотезы посредника, поскольку в ней происходило быстрое переключение природы синтезируемого белка. Еще одно преимущество состояло в том, что в зараженных клетках не происходило синтеза рРНК и тРНК.

Рис. 25.3. Электронная микрофотография клетки E. coli, зараженной вирусами (Печатается с любезного разрешения д-ра Lee Simon.)

Как же происходит при заражении переключение синтеза с одних белков на другие? Одна возможность состояла в том, что фаговая ДНК программирует образование новых рибосом. Согласно этому предположению, гены определяют синтез специализированных рибосом, а каждая рибосома может синтезировать белок только одного вида. Альтернативное предположение, выдвинутое Жакобом и Моно, состояло в том, что рибосомы - неспециализированные структуры, которые получают генетическую информацию от гена в виде нестабильной информационной РНК (посредника). Эксперименты Бреннера, Жакоба и Меселсона были спланированы таким образом, чтобы можно было выяснить, происходит ли после заражения синтез новых рибосом или же новообразованная РНК присоединяется к предсуществовавшим рибосомам.

Бактерии выращивали в среде, содержавшей тяжелые изотопы заражали фагом и немедленно переносили в среду, содержащую легкие изотопы Рибосомы, синтезированные до и после заражения, можно было разделить центрифугированием в градиенте плотности, так как их плотности различались («тяжелые» и «легкие» соответственно; рис. 25.4). Новая РНК была помечена радиоактивными изотопами с помощью -урацила, а новый белок был помечен изотопом В результате этих экспериментов было установлено следующее.

1. Синтеза рибосом после заражения не происходит, о чем свидетельствует отсутствие «легких» рибосом.

2. РНК синтезируется после заражения. Большая часть радиоактивно меченной РНК обнаруживается в «тяжелом» рибосомном пике. Итак, большая часть новосинтезированной РНК ассоциирована с предсуществующими рибосомами. Дополнительные эксперименты показали, что во время роста фага происходит быстрый распад и ресинтез этой новой РНК.

3. Радиоактивный изотоп временно появлялся в «тяжелом» рибосомном пике, из чего следует, что синтез новых белков происходит на предсуществующих рибосомах.

Эти эксперименты позволили сделать

Рис. 25.4. Центрифугирование рибосом и РНК контрольных бактерий и бактерий, зараженных фагом в градиенте плотности. Меченная 32Р РНК, синтезированная после заражения, попадает в полосу рибосом, образованных до заражения («тяжелые» рибосомы). После заражения синтеза рибосом не происходит.

следующий вывод: рибосомы - неспециализированные структуры, синтезирующие в каждый данный момент тот белок, который закодирован в информационной РНК, находящейся в данный момент в рибосомах. Исследования незараженных бактериальных клеток также показали, что информационная РНК служит звеном, переносящим информацию от гена к белку. Вскоре представление об информационной РНК стало одним из основополагающих в молекулярной биологии.