Эксперимент Мезельсона и Сталя

Гипотетические механизмы репликации ДНК: полуконсервативный, консервативный и дисперсный

Эксперимент Мезельсона-Сталя — эксперимент, проведённый двумя молекулярными биологами — Мэтью Мезельсоном и Франклином Сталем в 1958 году. Он показал, что репликация ДНК имеет полуконсервативный характер^[1]. Это означает, что каждая дочерняя двойная спираль ДНК состоит из одной старой (матричной) цепи и из одной вновь синтезированной цепи.

Предварительные гипотезы

После открытия Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК было предложено несколько возможных механизмов её репликации. Первую гипотезу полуконсервативной репликации ДНК предложили сами Уотсон и Крик^[2].

Гипотеза консервативной репликации ДНК предполагает, что материнская двойная спираль как целое выступает в качестве матрицы для синтеза дочерней спирали, состоящей из двух новых цепочек^[3]. Эта гипотеза подразумевает большую роль гистонов в процессе репликации.

Гипотеза дисперсной репликации возникла как попытка объяснить, каким образом клетка может решить проблему раскручивания длинных дуплексов при копировании ДНК. Согласно этой гипотезе, для предотвращения суперскручивания ДНК при репликации в неё через каждые 5 нуклеотидных остатков вносятся разрывы, которые «зашиваются» после того, как излишнее напряжение снимется с молекулы. В результате дочерняя (вновь синтезируемая цепь) состоит из чередующихся старых и новых участков длиной по 5 нуклеотидных остатков. То же верно и для материнской цепи^[4].

Каждая из этих гипотез предполагает определённое распределение старой ДНК в молекулах, образующихся после завершения репликации. По гипотезе консервативной репликации, одна из молекул будет полностью старой, а вторая — полностью новой. Полуконсервативный синтез должен приводить к формированию молекул, которые содержат по одной старой и одной новой цепи. Модель дисперсной репликации же предсказывает, что каждая цепь каждой молекулы ДНК будет состоять из чередующихся старых и новых участков^[5]. Таким образом, если установить, какой из этих случаев наблюдается в природе, можно определить верную модель.

Схема эксперимента и результаты

В 1957 году Мезельсон, Сталь и Джером Виноград опубликовали статью о новом методе изучения молекулярного веса и парциального удельного объёма макромолекул (например, ДНК) — равновесном ультрацентрифугировании в градиенте плотности^[6]. Этот метод позволяет разделять молекулы ДНК по их плотности: каждая молекула остановится в том месте градиента, где плотность раствора совпадает с её плавучей плотностью. Авторы применили этот метод для разделения молекул ДНК, содержащих изотопы азота ¹⁴N и ¹⁵N^[1]. ¹⁵N не радиоактивен, а лишь тяжелее ¹⁴N. Содержащие тяжелый изотоп молекулы ДНК функциональны и могут удваиваться.

Мезельсон и Сталь показали, что если вырастить несколько поколений бактерий Escherichia coli в среде, богатой ¹⁵N или ¹⁴N, затем центрифугировать их ДНК в градиенте плотности хлористого цезия, то окажется, что более тяжёлая ¹⁵N-ДНК останавливается ближе ко дну центрифужной пробирки, чем ¹⁴N-ДНК.

Для того чтобы установить механизм репликации, E. coli, которые в течение нескольких поколений росли в ¹⁵N-содержащей среде (а значит их ДНК содержала только ¹⁵N) были перенесены в ¹⁴N-содержащую среду, где им было позволено разделиться только один раз. Плотность выделенной из этих клеток ДНК оказалась больше плотности ДНК бактерий, выращенных в среде, богатой ¹⁴N, но меньше плотности ДНК бактерий, выращенных в ¹⁵N среде. Это противоречило гипотезе о консервативном характере репликации ДНК, при котором ДНК разделились бы на две фракции с высокой и низкой плотностью, но не с промежуточной. Таким образом, первая гипотеза была отброшена.

Однако полученный результат не исключал дисперсный механизм репликации, при котором участки материнской ДНК чередуются с участками дочерней ДНК. Чтобы выяснить, какой из оставшихся механизмов верен, была проанализирована плотность ДНК второго поколения бактерий. По гипотезе дисперсной репликации плотность ДНК второго поколения бактерий должна быть одинаковой для всех молекул и занимать промежуточное положение между плотностью ДНК клеток первого поколения и плотностью самой лёгкой ДНК. Оказалось, однако, что клетки второго поколения содержали примерно равные количества лёгких и гибридных ДНК. Этот факт позволил исключить гипотезу дисперсного механизма репликации^[1].

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} Meselson M, Stahl FW. (1958). «THE REPLICATION OF DNA IN ESCHERICHIA COLI.». Proc Natl Acad Sci U S A. 44: 671—682. PMID 16590258.
2. ↑ WATSON JD, CRICK FH. (1953). «Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.». Nature. 171: 964—967. DOI:10.1038/171964b0. PMID 13063483.
3. ↑ Bloch DP. (1955). «A POSSIBLE MECHANISM FOR THE REPLICATION OF THE HELICAL STRUCTURE OF DESOXYRIBONUCLEIC ACID.». Proc Natl Acad Sci U S A. 41: 1058—1064. PMID 16589796.
4. ↑ M. Delbrück (1954). «ON THE REPLICATION OF DESOXYRIBONUCLEIC ACID (DNA).». Proc Natl Acad Sci U S A. 40: 783—788. PMID 16589559.
5. ↑ M. Delbrück, G. S.Stent On the mechanism of DNA replication // A Symposium on the Chemical Basis of Heredity. — Johns Hopkins Pr., 1957. — P. 699–736.
6. ↑ Meselson M, Stahl FW, Vinograd J. (1957). «EQUILIBRIUM SEDIMENTATION OF MACROMOLECULES IN DENSITY GRADIENTS.». Proc Natl Acad Sci U S A. 43: 581—588. PMID 16590059.

Ссылки

• Курс "Молекулярная Биология" для студентов ФЕН и МедФ, от профессора Г. М. Дымшица. Архивировано из первоисточника 1 апреля 2012.
• Природа науки:ДНК. Архивировано из первоисточника 1 апреля 2012.