ニーレンバーグとレーダーの実験

ニーレンバーグとレーダーの実験は、1964年にマーシャル・W・ニーレンバーグとフィリップ・レーダーによって行われた科学実験である。この実験により、遺伝暗号のトリプレットの性質が解明され、遺伝暗号に残っていた曖昧なコドンを解読することができた。

この実験では、トリプレット結合アッセイと呼ばれるリボソーム結合アッセイを使用して、さまざまな組み合わせのmRNA をリボソームを含むフィルターに通しました。ユニークなトリプレットは、特定のtRNAのリボソームへの結合を促進しました。tRNA を特定のアミノ酸と関連付けることで、各アミノ酸をコードするトリプレット mRNA 配列を決定することができました。

オズワルド・エイブリーは、病原菌に遺伝性の変化をもたらす原因物質はタンパク質でも脂質でもなく、デオキシリボ核酸（DNA）であることを発見した。彼と同僚のコリン・マクラウド、マクリン・マッカーティは、 DNAが遺伝情報の伝達を担っていると示唆した。後に、アーウィン・シャルガフは、 DNAの構成が種によって異なることを発見した。これらの実験は、DNAの構造発見への道を開くのに役立った。1953年、モーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンのX線結晶構造解析の助けを借りて、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックは、 DNAが二重らせん構造であると提唱した。^[1]

1960年代、科学者が解明する必要があったDNAの主な謎の1つは、翻訳時に各コードワード、つまりコドンにいくつの塩基が含まれるかということでした。科学者は、合計で4つの塩基（グアニン、シトシン、アデニン、チミン）があることを知っていました。また、20種類のアミノ酸が知られていることも知っていました。ジョージ・ガモフは、遺伝暗号はアミノ酸1つにつき3つのヌクレオチドでできていると提唱しました。彼は、アミノ酸は20種類で塩基は4つしかないため、コード単位は単一（4通りの組み合わせ）またはペア（16通りの組み合わせのみ）にはなり得ないと推論しました。むしろ、彼は、遺伝暗号のコード単位はトリプレット（64通りの組み合わせが可能）だと考えました。しかし、彼はトリプレットは重複しており、非縮重であると提唱しました。^[2]

1950年代後半、シーモア・ベンザーはファージの突然変異を用いた分析法を開発し、遺伝領域の詳細な線形構造地図を初めて作成した。クリックは、突然変異誘発と遺伝子組み換えファージを用いて遺伝暗号の性質をさらに詳しく解明できると考えた。 ^[3]クリック、ブレンナーらの実験 では、これらのファージを使用して、遺伝暗号のトリプレット性質が確認された。彼らは、フレームシフト突然変異と復帰と呼ばれるプロセスを使用して、さまざまな数のヌクレオチドを追加および削除した。^[4] DNA配列にヌクレオチドトリプレットが追加または削除されても、コードされたタンパク質への影響は最小限であった。したがって、彼らは、遺伝暗号が読み取りフレームでフレームシフトを引き起こさないことから、トリプレットコードであると結論付けた。^[5] 彼らは、コードは縮重しており、トリプレットは重複しておらず、各ヌクレオチド配列は特定の開始点から読み取られると正しく結論付けた。

最初のアミノ酸コドン（フェニルアラニンをコードする UUU）は、長い合成 RNA を使用して、ニーレンバーグと彼のポスドクであるハインリッヒ・マタイ（ニーレンバーグとマタイの実験を参照）によって解読されました。しかし、1 つ以上の RNA 塩基を含む同様の RNA が作られると、塩基の順序はランダムになります。たとえば、C と U の比率が 2:1 の長い RNA が作られ、コドン CCU、CUC、UCC が高頻度で含まれることになります。リボソームによって翻訳されると、プロリン、ロイシン、セリンというアミノ酸を含むタンパク質が生成されますが、どのコドンがどのアミノ酸と一致するかはわかりませんでした。^[7]

代わりに、ニーレンバーグのグループは非常に短い合成RNAに目を向けました。彼らは、トリヌクレオチドUUU（フェニルアラニンのコドン）が、フェニルアラニンをチャージしたtRNAとリボソームの特異的な会合を引き起こすことができることを発見しました。この会合は、混合物をニトロセルロースフィルターに通すことで検出できました。フィルターはリボソームを捕らえますが、遊離tRNAは捕らえません。しかし、tRNAがリボソームと会合している場合は、それも捕らえられます（tRNAに付着した放射性フェニルアラニンも一緒に）。彼らは同様に、トリヌクレオチドAAAまたはCCCが、それぞれリジンtRNAまたはプロリンtRNAのリボソーム会合を引き起こすことを発見しました。^[8]

したがって、実験計画は明確でした。64種類の異なるトリヌクレオチドの組み合わせをすべて合成し、20種類のアミノ酸すべてを充填したtRNAを使用してフィルターアッセイを使用し、どのアミノ酸がどのトリヌクレオチドと関連しているかを確認します。ただし、GUUなどの混合塩基配列を持つ純粋なトリヌクレオチドを取得することは困難な課題でした。Lederの先駆的な研究では、長いランダムポリGU RNAをヌクレアーゼで分解し、ペーパークロマトグラフィーで特定のトリヌクレオチドを精製することによって作成されたトリヌクレオチドを使用しました。^[8]彼は、GUU、UGU、およびUUGがそれぞれバリン、^[9]システイン、およびロイシン^[10]というアミノ酸をコードしていることを突き止めました。その後、Nirenbergのグループは、ヌクレオチドと結合したDNAポリメラーゼとRNAポリメラーゼを使用してトリヌクレオチドを構築し、長いランダムポリGU RNAを作成し、精製されたトリヌクレオチドを人工的に複製しました。十分な濃度のmRNAが生成されると、酵素プロセスによってポリメラーゼ産物の分解と再形成が達成されました。例えば、AGUはAGとUからポリヌクレオチドホスホリラーゼで作ることができ、UAGはAGとUから高濃度メタノール中のリボヌクレアーゼAで作ることができます。 ^[11]ニーレンバーグのポスドクであるマートン・バーンフィールドはこれらの技術を使用して、UUUとUUCがフェニルアラニンを、UCUとUCCがセリンを、CCCとCCUがプロリンをコードしていることを突き止め、遺伝暗号がアミノ酸を冗長的にコードする方法のパターンを浮き彫りにしました。^[12]ニーレンバーグ研究室とNIHの他の多くの人々が遺伝暗号の完全な解読に貢献しました。^[11]

1966 年のコールド スプリング ハーバー シンポジウムまでに、ニーレンバーグとコラナの共同研究により遺伝暗号はほぼ完全に解読されました。ニーレンバーグは 1968 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。受賞者はウィスコンシン大学のハル ゴビンド コラナとソーク研究所のロバート W. ホリーでした。コラナは独立して研究し、核酸の合成を習得し、ホリーは転移 RNA の正確な化学構造を発見しました。

ニューヨークタイムズ紙はニーレンバーグの研究について「生物学は新たな境地に到達した」と述べ、「その潜在的意義は原爆や水素爆弾よりもはるかに大きな革命」につながるとしている。科学界の大半はこれらの実験を非常に重要かつ有益だとみなした。しかし、分子遺伝学の新時代を懸念する者もいた。例えば、 1948年のノーベル化学賞受賞者であるアルネ・ティセリウスは、遺伝暗号の知識は「生命を改変したり、新しい病気を作り出したり、心をコントロールしたり、遺伝に影響を与えたり、場合によっては特定の望ましい方向に導く方法につながる可能性がある」と主張した。^[13]

• フィリップ・レーダーの研究ノート（1963 年 12 月から 1965 年 8 月まで）は、ハーバード大学医学部のカウントウェイ図書館の医学史センターで閲覧できます。デジタル サロゲートは、ハーバード大学の HOLLIS カタログからも入手できます。

• クリック、ブレンナーらの実験
• ニーレンバーグとマッセイの実験
• 実験リスト