エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験

エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験は、 1944年にオズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティによって行われた実験で、細菌の形質転換を引き起こす物質はDNAであると報告された。当時は、遺伝情報を運ぶ役割を担うのはタンパク質であると広く信じられていた（タンパク質という言葉自体が、その機能が主要であるという信念を示すために造られたものだった）。これは、1928年のグリフィスの実験で初めて説明された形質転換現象の原因である「形質転換原理」を精製し特徴付けるために、ロックフェラー医学研究所で1930年代から20世紀初頭にかけて行われた研究の集大成であった。その実験では、毒性の強い株 III-S 型の殺菌した肺炎球菌を、生きているが毒性のない II-R 型肺炎球菌と一緒に注射すると、III-S 型肺炎球菌の致命的な感染症が引き起こされた。 1944年2月号のJournal of Experimental Medicineに掲載された論文「肺炎球菌の型の変化を誘発する物質の化学的性質に関する研究：肺炎球菌III型から分離されたデオキシリボ核酸分画による変化の誘発」の中で、エイブリーと彼の同僚は、当時広く信じられていたタンパク質ではなくDNAが細菌の遺伝物質であり、高等生物の遺伝子 やウイルスに類似している可能性があると示唆した。^{[1] [2]}

血清型の分類が発達したことにより、医学研究者は細菌を異なる系統、つまりタイプに分類できるようになりました。特定のタイプを人または実験動物 (マウスなど)に接種すると、免疫反応が起こり、細菌の 抗原と特異的に反応する抗体が生成されます。抗体を含む血清を抽出し、培養された細菌に適用することができます。抗体は、最初に接種したものと同じタイプの他の細菌と反応します。ドイツの細菌学者フレッド・ニューフェルドは、肺炎球菌のタイプと血清型分類を発見しました。フレデリック・グリフィスの研究が行われるまで、細菌学者はタイプが固定されており、世代を超えて変化しないと信じていました。^[3]

1928 年に報告されたグリフィスの実験^[4]では、肺炎球菌の「変換原理」が、細菌をあるタイプから別のタイプに変化させる可能性があることが特定されました。イギリスの医療官であったグリフィスは、 20 世紀初頭にしばしば致命的な病気であった肺炎の症例に血清学的分類を適用するために何年も費やしました。彼は、肺炎の臨床症例の経過中に、毒性の強いタイプと毒性の弱いタイプが複数存在することが多いことを発見し、1 つのタイプが別のタイプに変化する可能性があると考えました (単に複数のタイプが最初から存在していたのではなく)。その可能性をテストする中で、毒性の強いタイプの死んだ細菌と毒性の弱いタイプの生きた細菌の両方をマウスに注入すると、変化が起こる可能性があることを発見しました。マウスは致命的な感染症 (通常は毒性の強いタイプの生きた細菌によってのみ引き起こされます) を発症して死亡し、そのような感染したマウスから毒性の細菌を分離することができました^[5]

グリフィスの実験結果はすぐに確認され、最初はコッホ研究所のフレッド・ニューフェルド^[6]、次にロックフェラー研究所のマーティン・ヘンリー・ドーソン^[7]によって確認された。ロックフェラー研究所の研究者たちはその後も形質転換の研究を続けた。リチャード・H・P・シアとともにドーソンは細菌を試験管内で形質転換する方法を開発した（グリフィスが行ったように生体内では^{行わなかった）。 [8]}ドーソンが1930年に去った後、ジェームズ・アロウェイがグリフィスの研究結果を拡張する試みを引き継ぎ、 1933年までに変換原理の水溶液の抽出に成功した。コリン・マクラウドは1934年から1937年にかけてその溶液を精製し、1940年に研究は継続されマクリン・マッカーティによって完了した。^{[9] [10]}

肺炎球菌は抗体形成を誘導する多糖類カプセルを有する滑らかなコロニーを特徴とし、免疫学的特異性に応じてさまざまなタイプに分類されます。^[1]

エイブリーが行った精製手順は、まず熱で細菌を殺し、塩水に溶ける成分を抽出するというものでした。次に、クロロホルムを使用してタンパク質を沈殿させ、多糖類カプセルを酵素で加水分解しました。カプセルが完全に破壊されたことを確認するために、型特異的抗体による免疫学的沈殿を使用しました。次に、活性部分をアルコール分画で沈殿させ、攪拌棒で取り除くことができる繊維状の糸を作りました。^[1]

化学分析により、この活性部分の炭素、水素、窒素、リンの割合が DNA の化学組成と一致していることがわかった。変換の原因が少量のRNA、タンパク質、またはその他の細胞成分ではなく DNA であることを示すために、エイブリーと彼の同僚はいくつかの生化学テストを使用した。彼らは、トリプシン、キモトリプシン、リボヌクレアーゼ(タンパク質または RNA を分解する酵素) は影響を及ぼさないが、「デオキシリボヌクレオデポリメラーゼ」の酵素製剤 (多くの動物源から得られる粗製製剤で、DNA を分解できる) は抽出物の変換力を破壊したことを発見した。^[1]

批判や異議申し立てに対するその後の研究には、 1948年にモーゼス・クニッツが行ったDNA分解酵素（デオキシリボヌクレアーゼI）の精製と結晶化、そして精製DNAで検出された窒素のほぼすべてがヌクレオチド塩基アデニンの分解産物であるグリシン由来であること、そしてホッチキスの推定によれば検出されなかったタンパク質汚染は最大でも0.02%であることを示すロリン・ホッチキスの詳細な研究が含まれていた。^{[11] [12]}

エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験の実験結果はすぐに確認され、多糖類カプセル以外の遺伝的特徴にも拡張された。しかし、DNAが遺伝物質であるという結論を受け入れることには相当の抵抗があった。フィーバス・レヴィーンの影響力のあった「テトラヌクレオチド仮説」によれば、DNAは4つのヌクレオチド塩基の繰り返し単位から成り、生物学的特異性はほとんどない。したがって、DNAは染色体の構造的構成要素であると考えられ、遺伝子は染色体のタンパク質構成要素から作られる可能性が高いと考えられていた。^{[13] [14]} この考え方は、1935年にウェンデル・スタンレーがタバコモザイクウイルスを結晶化したことにより強化され、^{[15]ウイルス、遺伝子、酵素の類似点が明らかになった。多くの生物学者は、遺伝子は一種の「スーパー酵素」であると考え、スタンレーによれば、ウイルスはタンパク質であり、多くの酵素と}自己触媒特性を共有することが示された。^{[16]さらに、細菌には}染色体と有性生殖 がないため、遺伝学を細菌に適用できると考える生物学者はほとんどいなかった。特に、 1950年代に分子生物学という新しい分野で影響力を持つことになる、非公式にファージグループとして知られる遺伝学者の多くは、遺伝物質としてのDNAを否定していた（そしてエイブリーと彼の同僚の「厄介な」生化学的アプローチを避ける傾向があった）。ロックフェラー研究所フェローのアルフレッド・ミルスキーを含む一部の生物学者は、形質転換の原理は純粋なDNAであるというエイブリーの発見に異議を唱え、代わりにタンパク質の汚染物質が原因であると示唆した。^{[13] [14]} 形質転換はいくつかの種類の細菌で起こったが、他の細菌（または他の高等生物）では再現できず、その重要性は主に医学に限定されているようだった。^{[13] [17]}

エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験を振り返る科学者たちは、1940年代から1950年代初頭にかけてこの実験がどれだけ影響力があったかについて意見が分かれている。 ギュンター・ステントは、この実験は遺伝学が勃興する数十年前のグレゴール・メンデルの研究と同様に、ほとんど無視され、後になってから称賛されるようになったと示唆した。ジョシュア・レーダーバーグやレスリー・C・ダンなどの科学者は、この実験が初期の重要性を証明し、分子遺伝学の始まりだったと述べている。^[18]

1944年以前にも、少数の微生物学者や遺伝学者が遺伝子の物理的・化学的性質に興味を持っていたが、エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験によって、このテーマに対する関心が新たに高まり、さらに広がった。最初の論文では遺伝学について具体的には触れられていなかったが、エイブリーやその論文を読んだ遺伝学者の多くは、遺伝学的な意味合い、つまりエイブリーが遺伝子そのものを純粋なDNAとして単離した可能性があることを認識していた。生化学者のアーウィン・シャルガフ、遺伝学者のHJミュラーらは、この結果がDNAの生物学的特異性を確立し、DNAが高等生物で同様の役割を果たしているならば遺伝学に重要な意味を持つと称賛した。1945年、王立協会は細菌の形質転換に関する研究も評価され、エイブリーにコプリー賞を授与した。 ^[19]

1944年から1954年の間に、この論文は少なくとも239回引用され（引用はこれらの年を通して均等に分散している）、ほとんどが微生物学、免疫化学、生化学の論文であった。ミルスキーの批判に応えてロックフェラー研究所のマッカーティらが行ったフォローアップ研究に加えて、この実験は微生物学におけるかなりの研究を促し、細菌の遺伝と有性生殖生物の遺伝学との類似性に新たな光を当てた。^{[17]フランスの微生物学者アンドレ・ボワヴァンは、エイブリーの細菌形質転換の発見を}大腸菌 にまで拡張したと主張したが、^[20]他の研究者はこれを確認できなかった。^[17] しかし、1946年にジョシュア・レーダーバーグとエドワード・テイタムは大腸菌での細菌接合を実証し、エイブリーの特定の形質転換方法が一般的ではないとしても、遺伝学は細菌に適用できることを示した。^[21] エイブリーの研究はモーリス・ウィルキンスがDNAのX線結晶構造研究を続ける動機にもなったが、彼は資金提供者から生体分子ではなく細胞全体に研究を集中するよう圧力を受けていた。^[17]

論文は多数の引用があり、発表後数年間に好意的な反応があったにもかかわらず、エイブリーの研究は科学界の多くから無視された。多くの科学者から好意的に受け止められたものの、この実験は主流の遺伝学研究に深刻な影響を与えなかった。その理由の1つは、遺伝子が化学組成ではなく繁殖実験での挙動によって定義される古典的な遺伝学実験にはほとんど影響を与えなかったためである。HJ ミュラーは興味はあったものの、ファージグループのほとんどのメンバーと同様に、遺伝子の化学的研究よりも物理的研究に重点を置いていた。エイブリーの研究はノーベル財団からも無視され、同財団は後にエイブリーにノーベル賞を授与できなかったことを公に遺憾に思うと述べた。^[22]

1952年のハーシー・チェイス実験の頃には、遺伝学者は遺伝物質としてDNAを考える傾向が強く、アルフレッド・ハーシーはファージグループの有力なメンバーだった。^{[23] [24]} アーウィン・シャルガフは、DNAの塩基構成は種によって異なることを示していた（テトラヌクレオチド仮説に反して）^[25] 。また1952年には、ローリン・ホッチキスがシャルガフの研究を裏付けるとともに、エイブリーの形質転換原理にはタンパク質が存在しないことを実証する実験的証拠を発表した。^{[26]さらに、}細菌遺伝学の分野が急速に確立されつつあり、生物学者は細菌と高等生物について遺伝を同じように考える傾向が強かった。^{[23] [24]} ハーシーとチェイスが放射性同位元素を使用して、バクテリオファージの感染により細菌に入り込むのは主にDNAであり、タンパク質ではないことを示した後、^[27] DNAが物質であることはすぐに広く受け入れられた。実験結果の精度ははるかに劣っていたが（DNAだけでなく、細胞内に少なからずタンパク質が入り込んでいた）、ハーシー・チェイス実験は同程度の批判にさらされることはなかった。ハーシー・チェイス実験の影響は、ファージグループのネットワークの拡大と、翌年ワトソンとクリック （ワトソンもファージグループのメンバーだった）が提唱したDNA構造の宣伝によって高まった。しかし、振り返ってみると、どちらの実験もDNAが遺伝物質であることを決定的に証明したわけではない。^{[23] [24]}

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• Stegenga, Jacob (2011). 「遺伝子の化学的特徴：証拠評価の変遷」生命科学の歴史と哲学33 ( 1): 105–127. PMID  21789957.

• 科学のプロファイル: オズワルド T. エイブリー コレクション