ハーシー・チェイス実験

ハーシー・チェイス実験は、1952年^[1]にアルフレッド・ハーシーとマーサ・チェイスによって行われた一連の実験であり、 DNAが遺伝物質であることを確認するのに役立ちました。

DNAは1869年から生物学者に知られていましたが、^[2]当時はまだ多くの科学者が、 DNAは不活性な分子のようで、核内にあるためリンを蓄える役割があると考えられていたため、タンパク質が遺伝情報を運ぶと想定していました。ハーシーとチェイスは実験で、 DNAとタンパク質で構成されるバクテリオファージが細菌に感染すると、DNAは宿主の細菌細胞に入り込みますが、タンパク質のほとんどは入り込まないことを示しました。ハーシーとチェイスとその後の発見はすべて、DNAが遺伝物質であることの証明となりました。

ハーシーはマックス・デルブリュックとサルバドール・ルリアとともに「ウイルスの遺伝子構造に関する発見」により1969年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。 ^[3]

20世紀初頭、生物学者はタンパク質が遺伝情報を運ぶと考えていた。これは、タンパク質はDNAよりも複雑であるという信念に基づいていた。DNAは同一のヌクレオチドの繰り返しセットであるという誤った提唱をした、フィーバス・レヴィーンの影響力のある「テトラヌクレオチド仮説」は、この結論を支持した。1944年に発表されたエイブリー・マクラウド・マッカーティ実験の結果は、DNAが遺伝物質であることを示唆したが、一般の科学界ではこれを受け入れることにまだ躊躇があり、それがハーシー・チェイス実験の舞台となった。^[4]

ハーシーとチェイスは、関連する実験を行った他の研究者とともに、DNA が遺伝情報を運ぶ生体分子であることを確認しました。それ以前には、オズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティが、DNA が肺炎球菌の 1 つの株を別の株に変化させることを示していました。これらの実験の結果は、DNA が遺伝情報を運ぶ生体分子であるという証拠を提供しました。^[要出典]

ハーシーとチェイスは、研究していたファージのさまざまな部分を別々に調べる必要があったため、ファージのサブセクションを区別する必要がありました。ウイルスはタンパク質の殻と DNA で構成されていることが知られていたため、それぞれを異なる元素同位体で独自にラベル付けすることにしました。これにより、それぞれを別々に観察および分析できるようになりました。リンは DNA には含まれていますがアミノ酸には含まれていないため、放射性リン 32 を使用してT2 ファージに含まれる DNA をラベル付けしました。硫黄はタンパク質には含まれていますが DNA には含まれていないため、放射性硫黄 35 を使用して T2 ファージのタンパク質セクションをラベル付けしました。^[5]

ハーシーとチェイスは、バクテリオファージを導入する前に細菌を 4 時間増殖させた別の培地に放射性同位元素を加えることで、バクテリオファージに放射性元素を挿入しました。バクテリオファージが細菌に感染すると、子孫はその構造内に放射性同位元素を含みました。この手順は、硫黄標識ファージに対して 1 回、リン標識ファージに対して 1 回実行されました。次に、標識された子孫を未標識細菌に感染させました。ファージの外殻は細菌の外側に残り、遺伝物質が入り込みました。ブレンダーで撹拌して細菌からファージを破壊し、その後遠心分離することで、細菌からファージの外殻を分離することができました。これらの細菌を溶解して、ファージの子孫を放出しました。放射性リンで標識されたファージの子孫は標識されたままでしたが、放射性硫黄で標識されたファージの子孫は標識されていませんでした。このように、ハーシー・チェイス実験は、タンパク質ではなくDNAが遺伝物質であることを確認するのに役立ちました。^[5]

ハーシーとチェイスは、 DNAを分解する酵素であるデオキシリボヌクレアーゼ（ DNaseと呼ばれる）を標識バクテリオファージを含む溶液に導入しても、 ^32Pは溶液に導入されないことを示した。これは、ファージが無傷の状態で酵素に耐性があることを実証した。さらに、彼らはバクテリオファージを原形質分解して浸透圧ショック状態にし、^{32Pの大部分を含む溶液と、 35S}とウイルスのタンパク質コートを含む「ゴースト」と呼ばれる構造を含むより重い溶液を効果的に生成した。これらの「ゴースト」は、DNAを含まず、元のウイルスカプセルの残骸であるにもかかわらず、T2に感受性のある細菌に吸着できることがわかった。彼らは、タンパク質がDNAをDNaseから保護するが、2つが分離されてファージが不活性化されると、DNaseがファージDNAを加水分解できると結論付けた。^[1]

ハーシーとチェイスは、ウイルスが宿主に付着した直後にファージのDNAが細菌に挿入されることも証明した。彼らは高速ブレンダーを使用して、吸着後にバクテリオファージを細菌細胞から押し出すことに成功した。バクテリオファージが細菌に吸着した後、溶液中に^{32P標識DNAが残っていないことから、ファージDNAが細菌細胞に移されたことがわかった。溶液中に放射性35S}がほぼすべて存在していたことから、吸着前にDNAを保護するタンパク質コートが細胞の外側に残っていたことがわかった。^[1]

ハーシーとチェイスは、遺伝物質はタンパク質ではなく DNA であると結論付けました。彼らは、バクテリオファージの周囲に保護タンパク質コートが形成され、細菌内で子孫を生産する能力を付与したのは内部 DNA であると結論付けました。彼らは、成長においてタンパク質は機能しないが、DNA は何らかの機能を持つことを示しました。彼らはこれを、細胞外に残る放射性物質の量から決定しました。32 P の 20% のみが細胞外に残り、DNA とともに細胞の遺伝物質に組み込まれたことを示しました。タンパク質コートの³⁵ Sはすべて細胞外に残り^、細胞に組み込まれなかったこと、つまりタンパク質が遺伝物質ではないことを示しまし た。^{[引用が必要]}

ハーシーとチェイスの実験では、硫黄を含む物質はほとんど細菌細胞に入り込まなかったという結論が出ました。しかし、ファージ吸着後に硫黄を含まない物質が細菌細胞に入るかどうかについては、具体的な結論は出せません。細胞に入ったのはバクテリオファージの DNA のみであり、タンパク質に硫黄が含まれていないタンパク質と DNA の組み合わせではないという結論を出すには、さらなる研究が必要でした。

ハーシーとチェイスは、タンパク質が遺伝物質である可能性は低いと結論付けた。しかし、彼らはDNAの遺伝物質としての特定の機能については結論を出さず、DNAには何らかの未定義の役割があるに違いないとだけ述べた。^{[1] [6]}

1年後の1953年、ジェームズ・D・ワトソンとフランシス・クリックが、雑誌記事「核酸の分子構造：デオキシリボース核酸の構造」で、 DNAの二重らせん構造を正しく仮説し、 DNAが遺伝物質として機能する複製メカニズムを示唆したことで、確認と明確化がもたらされました。さらに、ワトソンとクリックは、遺伝物質であるDNAが、細胞内に存在する何千ものタンパク質の合成を担っていると示唆しました。彼らは、タンパク質とDNAの両方がモノマー（それぞれアミノ酸とヌクレオチド）の線形配列であるという、2つの高分子間に存在する構造的類似性に基づいてこの提案を行いました。^[7]

ハーシー・チェイスの実験が発表されると、科学界はDNAが遺伝暗号の材料であると一般に認めた。この発見は、DNAのより詳細な調査につながり、その組成と3D構造を決定することになった。X線結晶構造解析を用いて、ジェームス・ワトソンとフランシス・クリックは、モーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンによって以前に文書化された実験的証拠の助けを借りて、DNAの構造を発見した。^[8] DNAの構造に関する知識により、科学者は遺伝暗号の性質を調べ、ひいてはタンパク質合成のプロセスを理解するようになった。ジョージ・ガモフは、遺伝暗号はトリプレットまたはコドンと呼ばれる3つのDNA塩基対の配列で構成されており、これが20種類のアミノ酸のうちの1つを表すと提唱した。^{[9]遺伝暗号は、研究者が}遺伝子発現、つまり遺伝子からの情報がタンパク質合成に使用されるプロセスのメカニズムを理解するのに役立った。それ以来、遺伝子発現プロセスのステップを調整するための多くの研究が行われてきた。これらのステップには、タンパク質の化学的性質と構造的性質を制御するために使用される転写、RNAスプライシング、翻訳、翻訳後修飾が含まれます。 ^{[10]さらに、遺伝子工学により、エンジニアは}組換えDNA技術を使用して生物の遺伝物質を直接操作できるようになります。最初の組換えDNA分子は、 1972年にポール・バーグによって、サルウイルスSV40のDNAとラムダファージのDNAを組み合わせて作成されました。^[11]

ハーシー・チェイス実験の時代、遺伝物質の実験ではバクテリオファージがモデル生物としてよく使われた。バクテリオファージは遺伝物質を宿主細胞の遺伝物質に組み込む（便利なツールになる）ため、増殖が速く、研究者が簡単に収集できるため、遺伝物質の実験に適している。^[6]

ハーシー・チェイス実験、その前身であるエイブリー・マクロード・マッカーティ実験、そして後継実験は、遺伝情報がDNAによって運ばれることを明白に証明するのに役立ちました。この発見は、法医学、犯罪捜査、系図学において数多くの応用があります。この発見は、 DNA指紋法がタンパク質源ではなくDNA由来のデータを使用して遺伝的変異を推測するDNA法医学におけるさらなる応用のための背景知識を提供しました。^[12]

• ハーシー・チェイス実験アニメーション
• 明確な描写とシンプルな要約