ниренберг расшифровка генетического кода

Нобелевские лауреаты: Маршалл Уоррен Ниренберг

Aмериканский биохимик и генетик Маршалл Уоррен Ниренберг

Gerald V./NHI/Wikimedia Commons/Indicator.Ru

Маршалл Уоррен Ниренберг

Родился: 10 апреля 1927 года, Нью-Йорк, США

Умер: 15 января 2010 года, Нью-Йорк, США

Нобелевская премия по физиологии или медицине 1968 года (1/3 премии, совместно с Харом Корана и Робертом Холли). Формулировка Нобелевского комитета: «За расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков (for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis)».

Наш герой родился в Бруклине — самом населенном районе (точнее, боро) Нью-Йорка. Его родители, портной Гарри Эдвард Ниренберг и Минерва Быковская, были выходцами из Российской Империи. Правда, в Нью-Йорке Ниренберг прожил всего десять лет. Затем он заболел острой ревматической лихорадкой (она же болезнь Сокольского — Буйо, которую раньше называли просто ревматизмом). Тогда врачи не знали, что болезнь вызвана иммунным ответом организма на стрептококковую инфекцию, и считали, что лечить ее нужно теплом. Потому семья отправилась во Флориду, в Орландо, — и позже будущий нобелевский лауреат считал себя флоридцем.

Но пока что до Нобелевской премии было далеко. Отец основал в Орландо иудаистсткую общину, сын в 1944 году поступил в Университет Флориды, где изучал зоологию и биологию, и магистерскую диссертацию (1952 год) защищал по таксономии и экологии типичного флоридского животного — майской мухи. Только после этого Ниренберг, перейдя в Университет Мичигана в Энн-Арборе, стал изучать биохимию на должности преподавателя-стажера, получив докторскую степень в 1957 году за работу по поглощению глюкозы раковыми клетками. Собственно, саму работу над молекулярной биологией генетики Ниренберг начал делать только в 1960 году — всего за год до своего триумфа.

Напомним, что в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, опираясь на рентгеновские данные Мориса Уилкинсона и Розалинд Франклин, показали структуру ДНК в виде двойной спирали. Нужно было понять, как ДНК кодирует синтез белка.

Источник

Криптография в пробирке Умер ученый, расшифровавший генетический код

Код жизни

Одним из таких людей был Маршалл Уоррен Ниренберг. Он родился в 1927 году в Нью-Йорке. Ниренберг с детства интересовался биологией и в 1948 году получил степень бакалавра, а еще через четыре года степень магистра в этой области. Работа Ниренберга на соискание магистерской степени была посвящена экологии и таксономии ручейников. В те годы биохимия только-только набирала обороты (а молекулярной биологии и вовсе еще не существовало), поэтому будущие первопроходцы нарождающихся направлений начинали с «классики».

Ниренберг в лаборатории. Фото с сайта nlm.nih.gov

Что было известно ученым на рубеже 50-х и 60-х годов прошлого века? Они знали, что ДНК необходима для синтеза белков, знали, что генетическая информация записана в форме некоего кода, знали, что код этот линеен, знали, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида (эту идею обосновал американский физик русского происхождения Георгий Гамов) и знали, что между ДНК и белком «стоит» РНК. Примечательно, что все эти выводы были сделаны в отсутствие значительных экспериментальных данных. В 1961 году Френсис Крик в своей уже упоминавшейся выше работе вывел общие принципы, которым должен удовлетворять генетический код. Однако сам код по-прежнему оставался неизвестен.

Параллельно с Ниренбергом, работавшим в Национальном институте здоровья (NIH), расшифровать генетический год пытались еще в нескольких лабораториях. Основным конкурентом ученого был нобелевский лауреат Северо Очоа, у которого было намного больше денег и сотрудников. Чтобы помочь Ниренбергу выиграть гонку, его коллеги из NIH на время отложили свои исследования и сосредоточились на экспериментах по установлению соответствия между последовательностями РНК и аминокислотами.

Расчет Ниренберга был следующим: если тройка нуклеотидов УУУ кодирует какую-либо из аминокислот (на тот момент их было известно 20), то синтезированный в бесклеточной системе белок будет представлять собой цепочку из молекул только этой аминокислоты. Чтобы увидеть, какой именно белок будет синтезирован, исследователи использовали радиоактивно меченые аминокислоты (их также называют «горячими»). Во всех раундах эксперимента ученые использовали 20 пробирок, в каждой из которых была своя аминокислота. Одна из 20 пробирок содержала «горячие» аминокислоты. В каждом раунде радиоактивной была только одна из 20 аминокислот и каждый раз разная. Ниренберг добавлял РНК УУУУ….УУУ в каждую из пробирок и смотрел, в какой из них будет синтезирован радиоактивный продукт (белок). По итогам опыта было установлено, что тройка УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.

Следующими были вскрыты коды ЦЦЦ, ААА и ГГГ. Затем Ниренберг вместе со своим сотрудником Ледером придумали, как работать с «шифрами», состоящими не только из одинаковых нуклеотидов. В итоге в 1966 году генетический код был полностью определен. Все имеющиеся данные собрал воедино Френсис Крик в своем выступлении на симпозиуме по количественной биологии в лаборатории Колд Спринг Харбор. Через два года Нобелевский комитет присудил премию Ниренбергу и еще двум исследователям, получившим критические для теории генетического кода данные. Невиданная быстрота в вынесении решения о награде (среднее время, проходящее между совершением открытия и вручением Нобелевской премии, составляет около 10 лет) свидетельствует, насколько важным считали современники работы Ниренберга.

Эталонные работы

Эксперименты, придуманные и поставленные Ниренбергом, ценны не только своим огромным значением для науки. В эпоху зарождения молекулярной биологии фактических данных у ученых было очень мало, а открыть им предстояло самые основные принципы функционирования живого. Поэтому опыты тех лет отличаются удивительным изяществом и остроумными подходами к решению поставленной задачи. Сейчас биологические работы зачастую «берут» огромным количеством экспериментального материала, а их выводы нередко являются всего лишь обобщением имеющихся фактов.

Ниренберг был одним из тех старых ученых, которых отличали блестящий ум и нестандартные подходы. Его работы заслуживают того, чтобы о них знали не только специалисты-биологи. Они являются уникальным пособием для тех, кто хочет научиться думать.

Источник

В Эксперимент Ниренберга и Ледера был научным экспериментом, проведенным в 1964 г. Маршалл В. Ниренберг и Филип Ледер. Эксперимент выяснил триплетную природу генетический код и допустил оставшиеся неоднозначные кодоны в генетический код быть расшифрованным.

В этом эксперименте с помощью рибосома привязка проба называется анализ триплетного связывания, различные комбинации мРНК были пропущены через фильтр, содержащий рибосомы. Уникальные триплеты способствовали связыванию специфических тРНК к рибосоме. Связывая тРНК с ее специфическим аминокислота, можно было определить триплетную последовательность мРНК, кодирующую каждую аминокислоту.

Содержание

Освальд Эйвери обнаружил, что вещество, ответственное за производство наследственных изменений у болезнетворных бактерий, не было ни белком, ни липидом, а дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Он и его коллеги Колин МакЛауд и Маклин Маккарти предположил, что ДНК отвечает за передачу генетической информации. Потом, Эрвин Чаргафф обнаружили, что состав ДНК отличается от одного вида к другому. Эти эксперименты помогли открыть путь к открытию структуры ДНК. В 1953 г. с помощью Морис Уилкинс и Розалинд ФранклинС Рентгеновская кристаллография, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предлагаемая ДНК структурирована как двойная спираль. [1]

В 1960-х годах ученым-загадочным ДНК нужно было разобраться, перевод сколько оснований будет в каждом кодовом слове, или кодон. Ученые знали, что всего было четыре базы (гуанин, цитозин, аденин, и тимин). Они также знали, что было 20 известных аминокислоты. Георгий Гамов предположил, что генетический код состоит из трех нуклеотидов на аминокислоту. Он рассудил, что, поскольку существует 20 аминокислот и только четыре основания, единицы кодирования не могут быть одиночными (4 комбинации) или парами (только 16 комбинаций). Скорее он думал, что тройни (64 возможных комбинации) были единицей кодирования генетического кода. Однако он предположил, что тройни перекрываются и невырожденный. [2]

Сеймур Бензер в конце 1950-х годов разработал тест с использованием фаговых мутаций, который предоставил первую подробную линейно структурированную карту генетической области. Крик почувствовал, что он может использовать мутагенез и генетическую рекомбинацию фага для дальнейшего определения природы генетического кода. [3] в Крик, Бреннер и др. экспериментс помощью этих фагов была подтверждена триплетность генетического кода. Они использовали мутации сдвига рамки считывания и процесс, называемый реверсии, для добавления и удаления различного количества нуклеотидов. [4] Когда нуклеотидный триплет был добавлен или удален из последовательности ДНК, кодируемый белок был минимально затронут. Таким образом, они пришли к выводу, что генетический код представляет собой триплетный код, поскольку он не вызывает сдвига рамки считывания. [5] Они правильно пришли к выводу, что код является вырожденным, что триплеты не перекрываются и что каждая нуклеотидная последовательность считывается с определенной начальной точки.

Экспериментальная работа

Самый первый аминокислотный кодон (UUU, кодирующий фенилаланин) был расшифрован Ниренбергом и его постдоком. Генрих Маттай (видеть Эксперимент Ниренберга и Маттеи) с использованием длинной синтетической РНК. Однако при создании подобных РНК, содержащих более одного основания РНК, порядок оснований был случайным. Например, может быть получена длинная РНК, которая имеет отношение U к C 2: 1, и поэтому она будет содержать кодоны UCU, CUU, UUC с высокой частотой. При трансляции рибосомами это будет производить белок, содержащий аминокислоты серин, лейцин и фенилаланин; но было невозможно сказать, какой кодон соответствует какой аминокислоте. [7]

Вместо этого группа Ниренберга обратилась к очень коротким синтетическим РНК. Они обнаружили, что тринуклеотид UUU (который является кодоном для фенилаланина) был способен вызывать специфическую ассоциацию тРНК, заряженной фенилаланином, с рибосомами. Эта ассоциация может быть обнаружена при пропускании смеси через нитроцеллюлозный фильтр: фильтр захватывает рибосомы, но не свободную тРНК; однако, если тРНК была связана с рибосомой, она также была бы захвачена (вместе с радиоактивным фенилаланином, прикрепленным к тРНК). Они аналогичным образом обнаружили, что тринуклеотиды AAA или CCC вызывают рибосомную ассоциацию лизин-тРНК или пролин-тРНК соответственно. [8]

Прием и наследство

На симпозиуме в Колд-Спринг-Харбор 1966 года между Ниренбергом и Хораной генетический код был почти полностью расшифрован. Ниренберг был награжден орденом 1968 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине. Он разделил награду с Хар Гобинд Кхорана из Университет Висконсина и Роберт В. Холли из Института Солка. Работая независимо, Хорана овладел синтезом нуклеиновых кислот, а Холли открыл точную химическую структуру транспортной РНК.

Нью-Йорк Таймс сказал о работе Ниренберга, что «наука о биологии достигла нового рубежа», что привело к «революции, которая по своему потенциальному значению намного больше, чем атомная или водородная бомба». Большая часть научного сообщества считала эти эксперименты очень важными и полезными. Однако были и те, кто был озабочен новой эрой молекулярная генетика. Например, Арне Тизелиуслауреат Нобелевской премии по химии 1948 года утверждал, что знание генетического кода может «привести к методам вмешательства в жизнь, создания новых болезней, контроля над разумом, влияния на наследственность, даже, возможно, в определенных желаемых направлениях». [13]

Источник

Ниренберг, Корана и Холи. Роль генетического кода в синтезе белка

Маршалл Уоррен Ниренберг родился 10 апреля 1929 года в Бруклине, в еврейской семье выходцев из России. Отец его был управляющим на молочной ферме и по совместительству руководил религиозной сектой. Будучи подростком, Маршалл делал всё то же самое, чем обычно занимаются еврейские дети, заучки и ботаны — радовал маму и папу своими успехами и научным восприятием окружающей действительности, слегка преломляемой призмой эстетизма.

В университете Флориды он прошел путь от абитуриента до кандидата биохимических наук, получив перед тем звание бакалавра и магистра зоологии. Ниренберг довольно долго, примерно до 1966 года работал в национальных институтах здоровья и институте сердца. За это время его успела окрутить предприимчивая Перола Зальцман, которую он первоначально принял за бразильянку. Девушка только что закончила университет в Рио-де Жанейро и имела прекрасный загар, но оказалась еврейкой. Как известно, показывать мужу дикую обезьяну еврейки умеют не хуже бразильянок. Так в семье появился химик, и учёному больше не приходилось жаловаться на простую пищу холостяка.

Холи, Ниренберг и Корана отмечают присуждение им Нобелевской премии. 1968 г.

Источник изображения: https://profiles.nlm.nih.gov

Ещё в 1959 году Ниренберг стал изучать взаимодействия между ДНК и РНК и производство белков. Вместе с Дж. Генрихом Маттеи они создали синтетическую молекулу РНК и осуществили её перенос прямо в кишечную палочку Е. Coli. И эта искусственная молекула «заработала».

В августе 1961 года их работа была опубликована в издании Национальной Академии наук США. В 1968 году Маршалл Уоррен Ниренберг получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине с формулировкой: «За работу по интерпретации генетического кода и его функции в синтезе белка». Ему пришлось разделить премию с Робертом Уильямом Холли и Харом Гобиндом Кораной, каждому из которых досталась треть.

Последние годы жизни он много посвятил воспитанию понимания ответственности учёного за свои эксперименты, которые могут принести как хорошее, так и плохое. Он ярко пропагандировал свои идеи, обращаясь с прошениями к президентам США, собирая сотни подписей Нобелевских лауреатов. Стволовые клетки, клонирование человека и многие другие неоднозначные открытия были темой его петиций. Маршалл Уоррен Ниренберг умер от рака в 15 января 2010 года в Нью-Йорке 83 лет от роду.

Хар Гобинд Корана появился на свет в Британской Индии, в Пенджабе, на территории, которая сейчас принадлежит Пакистану, так что его родне в 1948 году пришлось несладко, так как они были индусы, а не мусульмане. Он родился в семье местного мытаря — сборщика налогов. Начальным знаниям его обучил отец, Ганпат Рай Корана, единственный грамотей в деревне. Потом его учил сельский школьный учитель в нештатном классе. Несмотря на отсутствие регулярного начального образования, Гобинд успешно проходит среднюю школу и поступает в Университет Пенджаба. К 1943 году он уже бакалавр, получивший степень с отличием, а ещё через два года — магистр химии в Лахоре.

Хар Гобинд Корана уезжает в Англию, в Ливерпульский Университет. Ему сначала хотели предложить карьеру создателя новых ядохимикатов, но потом поставили заниматься органической химией. В 1948 году он получил докторскую степень по химии за работу с пигментом виолацеином, окрашивающим клетки некоторых бактерий. После этого Корана едет в Цюрих, чтобы провести докторантуру на немецком языке, так как он изучал очень много немецкой научной литературы. Корана явился в Цюрихскую Высшую Техническую школу прямо к профессору Владимиру Прелогу без всякой рекомендации и даже без звонка.

В 1949 году Хар Гобинд Корана вернулся на родину, чтобы отработать долги за обучение, но после кровавого раздела на Индию и Пакистан его родню раскидало по разным городам. Долг, правда, простили, но работы не было. Корана жил в хибарке в Нью-Дели, занимаясь поисками работы, с чем в Индии было туго даже для доктора наук. Наконец его приглашают поработать в Кембридже с Александром Тоддом, назначив стипендию. Десятки родственников складываются ему на билет, и неунывающий Гобинд радостно едет в Англию. Там он некоторое время работает под руководством профессора Кеннера, изучая воздействия карбомида на пептиды. Когда потребовался химик-подвижник, готовый работать в ледяном Ванкувере, в Канаде, в необорудованной, без должных условий лаборатории, но с абсолютной научной свободой действий, довольный Корана отправился на север, прихватив с собой супругу. Там он сделался сотрудником Университета Британской Колумбии в Ванкувере.

Ещё в 1952 году он женился на Эстер Элизабет Сильбер, которую до этого обожал целых пять лет, познакомившись с эффектной швейцаркой на пивном фестивале в Праге. Внимание к себе экзотичный индиец привлёк тем, что, в отличие от всех, не вливал в себя пиво кружку за кружкой. Эстер родила ему троих детей, из которых выжили двое. Через восемь лет Корана переходит в Висконсинский университет, где и работает над генетическим кодом и пытается совершить химический синтез транспортной РНК, что ему вполне удаётся.

Корана и его помощники открыли, что биологический язык состоит из трехбуквенных слов: каждый набор из трех нуклеотидов кодирует специфическую аминокислоту. В 1970 году Корана становится профессором в Массачусетском Технологическом институте, где и работает до 2007 года, до самой пенсии. Великий индиец никогда ничем серьёзно не болел, впрочем, как и все йоги и свами, и спокойно ушел из жизни в 89 лет.

Роберт Холли учился последовательно в школах штатов Иллинойс, Калифорния и Айдахо. Американцы вообще часто переезжают, то и дело меняя работу, и семья Роберта не была исключением. С ранней юности он сильно интересовался биологией. Закончив школу, он поступает в университет штата Иллинойс на факультет химии. После получения степени бакалавра он перешел в Корнеллский университет, занимаясь исследованиями в области органической химии.

На время Второй Мировой войны Холли бросает собственные работы и присоединяется к ученым Американской службы развития исследований, занимавшейся синтезом пенициллина, столь нужного миллионам раненых. По окончании войны он женится на очень красивой и добродушной учительнице математики Анне Дворкин, и она немедленно рождает ему сына. Роберт Холли работает в Национальном совете по исследованиям в Корнелле, где в 1947 году получает степень доктора философии. Талантливому учёному назначают стипендию Американского химического общества, которая предоставила ему возможность целых два года посвятить исследованиям в Вашингтонском колледже в Пулмене.

Через некоторое время он возвращается в Корнелл и становится ассистентом профессора органической химии. Ученые занятия тех времён позволили ему начать научную работу с нуклеиновыми кислотами. Около 1955 года Холли получает в Корнелле отпуск для работы над своими исследованиями и уезжает в Пасадену, в Калифорнию. Там он работает в Калифорнийском университете, во многом благодаря научной субсидии, предоставленной ему фондом Гуггенхейма. Череда экспериментов, приведших к определению химической структуры РНК, началась именно там и продолжалась целых десять лет.

В 1964 году Холли стал профессором и руководителем отделов химии и молекулярной биологии Корнеллского Университета и продолжил работы Ниренберга по синтезу молекул транспортной РНК. Через год их результаты опубликовал журнал «Science». В 1968 году на презентационной лекции Нобелевского комитета Холли был назван одним из «…первооткрывателей специального типа нуклеиновой кислоты. »

Хорошая стипендия Национального научного общества позволила Холли проводить исследования аж до 1969 года. Вообще, изумительные способности, живость и напористость характера Роберта Холли позволили ему получать гораздо больше различных грантов и стипендий, чем другие ученые. Можно сказать, процесс изучения был непрерывным. Список наград и ученых степеней, а также почетных титулов Роберта Холли занимают примерно пятнадцать сантиметров стандартного листа, поэтому его награды перечислять мы не будем. Ясно одно: Холли получил их вполне заслуженно, и действительно является великим учёным, сделавшим немало шагов к тому, чтобы, к примеру, победить рак. Умер он в Лос-Гатосе (США) в возрасте 71 года.

Источник

Кодовая система ДНК (работы Ниренберга, Очоа и др). Свойства ген. кода.

В 1955 г. Очоа. выделил бактериальный фермент полинуклеотидфосфорилазу, которая катализирует в обратимой реакции синтез полирибонуклеотидов из рибонуклеозиддифосфатов. С помощью этого фермента он получил синтетические РНК с различным составом азотистых оснований, что дало ему возможность расшифровать триплетный код для 11 аминокислот. Таким образом, в тестовой системе удалось синтезировать РНК и белковые молекулы с известной последовательностью азотистых оснований и составом аминокислот. Это достижение – первое в истории биологии – позволило ученым в дальнейшем расшифровать генетический код.

Очоа. разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1959 г. с Артуром Корнбергом «за открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот».

Первое кодовое слово было расшифровано Ниренбергом и Маттеи в 1961 г. Они получили из кишечной палочки экстракт, содержащий рибосомы и прочие факторы, необходимые для синтеза белка. Получилась бесклеточная система для синтеза белка, которая могла бы осуществлять сборку белка из аминокислот, если в среду добавить необходимую мРНК. Добавив в среду синтетическую РНК, состоящую только из урацилов, они обнаружили, что образовался белок, состоящий только из фенилаланина (полифенилаланин). Так было установлено, что триплет нуклеотидов УУУ (кодон) соответствует фенилаланину. В течение последующих 5-6 лет были определены все кодоны генетического кода.

Свойства генетического кода

Генетический код имеет следующие свойства:

· Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав значащего кодона. В 1961г. Сеймур Бензер и Френсис Крик экспериментально доказали триплетность кода и его непрерывность (компактость) [показать]

· В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из 3-х терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: UAA, UAG, UGA. Они терминируют трансляцию.

· Вырожденность, или избыточность,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов (аминокислот – 20, возможных триплетов – 64, 61 из них смысловой, т. е. в среднем каждой аминокислоте соответствует около 3 кодонов); исключение составляет метионин (Met) и триптофан (Trp).

· Причина вырожденности кода состоит в том, что главную смысловую нагрузку несут два первых нуклеотида в триплете, а третий не так важен. Отсюда правило вырожденности кода: если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида, а их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и ту же аминокислоту.

· Однако из этого идеального правила есть два исключения. Это кодон АUА, который должен соответствовать не изолейцину, а метионину и кодон UGА, который является терминирующим, тогда как должен соответствовать триптофану. Вырожденность кода имеет, очевидно, приспособительное значение.

Источник