ファージグループ

ファージグループ（アメリカファージグループと呼ばれることもある）は、マックス・デルブリュックを中心とする生物学者の非公式ネットワークであり、 20世紀半ばの細菌遺伝学と分子生物学の起源に大きく貢献しました。ファージグループの名前は、グループが実験モデル生物として使用した細菌感染ウイルスであるバクテリオファージに由来しています。デルブリュックに加えて、ファージグループに関連する重要な科学者には、サルバドール・ルリア、アルフレッド・ハーシー、シーモア・ベンザー、チャールズ・スタインバーグ、ギュンター・ステント、ジェームズ・D・ワトソン、フランク・スタール、レナート・ダルベッコが含まれます。

バクテリオファージは、 1917年にフェリックス・デレルが分離し、検出および培養法を開発して以来、実験研究の対象となってきた。物理学者から生物学者に転向し、生命の基本法則を探る最も単純な実験システムを求めていたデルブリュックが初めてファージに出会ったのは、1937年にカリフォルニア工科大学のTHモーガンのハエ研究室を訪れた時だった。デルブリュックは、モーガンの実験的に複雑なモデル生物であるショウジョウバエには感心しなかったが、別の研究者であるエモリー・エリスは、より基本的なファージを扱っていた。その後数年間、エリスとデルブリュックは、ファージを数え、増殖曲線を追跡する方法を共同で研究し、ウイルス増殖の基本的な段階的パターン（溶菌サイクルの最も顕著な特徴）を確立した。^[1]

エモリー・エリスは^回顧 的な記事の中で、「マックス・デルブルックがカリフォルニア工科大学の生物学部に着任して間もなく、物理科学の知識を生物学の問題にどう応用できるかを模索していたとき、私は彼にいくつかの段階的成長曲線を見せた。彼の最初のコメントは『信じられない』だった」と述べている。しかし、エリスが述べているように、デルブルックはすぐにこの現象を独自に分析してこの最初の不信感を払拭し、数学と物理学の訓練と遺伝学への強い関心を注ぎ込んで、すぐに熱意を持って研究に参加した。彼らの最初の共同研究の結果は 1939 年に発表された。^[3]

ファージグループは、デルブリュックとルリアが物理学会で出会った1940年頃に始まった。デルブリュックとサルバドール・ルリアは、細菌とバクテリオファージの異なる株の感染パターンに関する一連の共同実験を開始した。彼らはすぐに、個々の細菌は1つのファージ株にしか感染できないという「相互排除原理」を確立した。1943年、後にルリア・デルブリュック実験と呼ばれることになる彼らの「変動テスト」は、ファージ耐性の遺伝子変異は選択への反応ではなく、選択がない場合に生じることを示した。[ 4 ] ^{[ 5]} 1943年以前の細菌学者の間での伝統的な見解は、細菌には染色体も遺伝子もないというものだった。ルリア・デルブリュック実験は、細菌も他の確立されたモデル遺伝子生物と同様に遺伝子を持ち、これらが自発的に変異して突然変異体を生み出し、それが複製されてクローン系統を形成する可能性があることを示した。その年、彼らは別のファージ実験者であるアルフレッド・ハーシーとも共同研究を始めた。 ^[6] （3人は「ウイルスの複製メカニズムと遺伝学に関する研究」により、1969年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。）

ハーシー^[7]は、1952年に研究助手のマーサ・チェイスと行った、後にハーシー・チェイス実験として知られるファージを使った実験に至るまでの状況を回想形式で説明しました。^[8] この実験は、タンパク質とは異なり、DNAがファージの遺伝物質であり、したがって一般的に遺伝物質である可能性が高いという重要な証拠を提供しました。

1946 年、ルリアは DNA の安定性がどのように達成されるかについて新たな洞察を開くことになる発見をした (ルリア、^[5] 96 ページを参照)。彼が発見したのは、紫外線照射後、2 つ以上の「死んだ」ファージが同じ細菌細胞に入ると、それらはしばしば再び生き返り、正常な生きた子孫を生み出すということだった。^[9] これは、放射線によって損傷を受けた細胞または生物の再活性化の最初の例であった。彼は、再活性化を遺伝子組換えの結果であると正しく解釈した (相同組換えも参照)。 ジェームズ・ワトソン(1953 年に DNA のワトソン・クリック構造を共同発見し、1962 年にノーベル賞を受賞した人物) は、インディアナ大学におけるルリアの最初の大学院生であった。ワトソンは博士論文プロジェクトとして、X 線照射されたファージが遺伝子組換えと多重性再活性化に関与できることを示した。

ルリア (1984、^[5] 97 ページ) が回想しているように、放射線照射を受けたファージの再活性化 (「多重再活性化」と呼ばれる) の発見は、すぐに初期のファージ グループ内での放射線損傷の修復に関する研究の活発な活動を開始しました (1981 年にバーンスタイン^[10]がレビュー)。後に、ルリアが発見した相互援助による損傷ファージの修復は、DNA 修復の特殊なケースの 1 つに過ぎないことが判明しました。細菌やそのウイルスだけでなく、研究されているすべての生物 (人間を含む) のすべての種類の細胞は、DNA 損傷を修復するための複雑な生化学的プロセスを持つことが現在では知られています ( DNA 修復を参照)。DNA 修復プロセスは、老化、ガン、不妊症の予防に重要な役割を果たすことも現在では認識されています。

ジム・ワトソンは回想記事^[11]で、 1947年にルリアの学生として初めて経験したことを述べている。ワトソンによると、「…多くの学生は、間違ったことを言う人に対して傲慢な態度を取るという評判のルリアを恐れていた」ようだ。しかし、秋学期が進むにつれて、ワトソンは「愚か者に対する噂の無神経さの証拠は見当たらなかった」。したがって、特にためらいもなく（たまにルリアの仲間に入るほど賢くないのではないかという不安はあったが）、彼はルリアに、春学期に彼の指導の下で研究をしてもよいかと尋ねた。ルリアはすぐに「イエス」と答え、ワトソンに、上記のように、X線によるファージの多重性再活性化を研究する任務を与えた。当時、ルリアの研究室でワトソンと実験台を共有していた他の唯一の科学者は、ファージ多重性再活性化の実験を行うためにイタリアから到着したばかりだったレナート・ダルベッコ（後にファージグループのメンバーとなる）であった。その学期の後半 (1948 年)、ワトソンはルリアを短期間訪問していたデルブリュックと初めて会った。ワトソン^[11]は「デルブリュックの最初の一文から、私はがっかりすることはないだろうと分かった。彼は遠回しにせず、言葉の意図は常に明確だった。しかし、私にとってさらに重要だったのは、彼の若々しい外見と精神だった」と書いている。ワトソンは、このときもその後の多くの機会と同様に、デルブリュックはボーア(物理学者) について、そして量子力学を理解するために必要なような相補性原理が生物学の真の理解の鍵となるだろうという彼の信念について話したと述べている。

1950年、現在カリフォルニア工科大学に在籍するレナート・ダルベッコはデルブリュックとともに、培養細胞シート上での動物ウイルス粒子のプラーク形成を検査する手順を考案した。これは、バクテリア細胞の芝生上でファージがプラークを形成するのと同じである。この手順は、動物ウイルスの細胞内生殖周期を解明するための動物ウイルスの定量的研究のための包括的な研究プログラムを実施する土台となった。この研究は1975年にノーベル賞の受賞という形で評価された。^[12]

1953年にDNAの構造が発見された後も、DNAがどのように複製されるかは不明でした。当時好まれたモデルは半保存的複製でしたが、実験による証明が必要でした。 1958年にマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールが行ったメセルソン・スタール実験^[13]は、現在では正しいと知られているメカニズムである半保存的複製の説得力のある証拠を提供した重要な実験でした。メセルソンとスタールは、この重要な実験に至った状況を説明しました。^[14] 以来、この実験は「生物学で最も美しい実験」と呼ばれています。^[15] その美しさは結果の単純さに結びついていますが、実験に至る経路は決して単純ではありませんでした。

ある回顧論文で述べられているように、^[16] シーモア・ベンツァーは1949年にカリフォルニア工科大学のデルブリュックのファージグループにポスドク研究員として加わった。そこで彼はジャン・ヴァイグルと研究室を共有し、ファージT4の共同実験を行った。カリフォルニア工科大学を去った後、ベンツァーはパリのパスツール研究所、次いでパデュー大学でファージT4の実験を続け、rIIA遺伝子とrIIB遺伝子に欠陥のある変異体を使用して遺伝子の微細構造を研究するシステムを開発した。^{[17] [18]} rII変異体の交配を含むこれらの遺伝子実験により、遺伝子内の変異部位の独特な線形順序が発見された。この結果は、遺伝子がDNAの長さに相当する線形構造を持ち、独立して変異できる多くの部位を持つという重要な考えを強力に裏付ける証拠となった。

1952年、サルバドール・ルリアは「制限修飾」現象（感染した細菌内で増殖するファージの修飾により、放出されて関連細菌に再感染するとファージの増殖が制限される現象）を発見した（ルリア^[5] 45ページと99ページ）。ジュゼッペ・ベルターニおよびヴェルナー・アーバーと共同研究するヴァイグレは、すぐにこの現象の根拠を明らかにした。彼らは、制限は実際には修飾されたファージのDNAに対する特定の細菌酵素の攻撃によるものであることを明らかにした。この研究により、現在「制限酵素」として知られている酵素のクラスが発見された。これらの酵素により、実験室でDNAを制御的に操作できるようになり、遺伝子工学の発展の基礎が築かれた。

ヴァイグルは細菌における DNA 損傷応答遺伝子の誘導性も実証しました。これはSOS 応答として知られるようになった現象です。この応答には、DNA 損傷誘導性突然変異誘発 (ヴァイグルにちなんでヴァイグル突然変異誘発と名付けられました) と DNA 損傷後の誘導性修復 (ヴァイグル再活性化と名付けられました) が含まれます。

1961年、ファージグループの初期メンバーであったシドニー・ブレナーは、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所でフランシス・クリック、レスリー・バーネット、リチャード・ワッツ・トービンと共同で、タンパク質の遺伝コードの基本的な性質を実証する遺伝子実験を行った。^[19] ファージT4のrIIB遺伝子の変異体を用いて行われたこれらの実験では、タンパク質をコードする遺伝子の場合、遺伝子のDNAの連続する3つの塩基が、タンパク質の連続する各アミノ酸を指定することが示された。したがって、遺伝コードはトリプレットコードであり、各トリプレット（コドンと呼ばれる）が特定のアミノ酸を指定する。彼らはまた、タンパク質をコードするDNA配列内でコドンが互いに重複していないこと、およびそのような配列は固定された開始点から読み取られるという証拠も得た。

グンター・ステントは、ニューヨーク州コールド・スプリング・ハーバーでファージの講座を受講した後、1948年にファージグループに加わった。研究の進捗状況について研究者間で非公式に議論が続けられた結果、ステントは『細菌ウイルスの分子生物学』（マックス・デルブリュックに捧げる）^[20]という本を出版した。この本は、1963年までのこの新興分野における成果を明快に記述したものである。後に、ステント（1998）は回想録の中で、ファージグループの初期の極めて重要な時期（1948-1950年）における独自の知的精神を示す活動や個人的な交流について述べている。^[21]

デルブリュックは、その魅力と熱意により、1940年代初頭に多くの生物学者（および物理学者）をファージ研究に引き入れた（チャールズ・スタインバーグを参照）。^{[22] 1944年、デルブリュックは「ファージ条約」を推進し、ファージ研究者に標準化された実験条件で限られた数のファージと細菌株に焦点を当てるよう呼びかけた。これにより、異なる研究室の研究をより簡単に比較および再現できるようになり、細菌}遺伝学 の分野を統一するのに役立った。^[23]

直接的な共同研究の他に、ファージグループの主な遺産は、コールドスプリングハーバー研究所で毎年夏に開講され、カリフォルニア工科大学でも散発的に開講されたファージ講座から生まれた。1945年から、デルブリュックらは若い生物学者にファージ生物学と実験の基礎を教え、ファージグループ特有の数学と物理学を重視した生物学へのアプローチを植え付けた。分子生物学という新興分​​野のリーダーの多くは、1950年代から1960年代まで教えられ続けたファージ講座の卒業生であった。^{[24] [25]}

1995年、ミラード・サスマンは、コールド・スプリング・ハーバー（ニューヨーク）とカリフォルニア工科大学の両方で（1945年から1970年にかけて）提供されたファージコースに関する回顧的な記事を発表しました。^[26] 記事には、コースの卒業生の多くがリストされ、彼らの業績の一部が説明され、コースに関連する興味深い逸話が紹介されています。 カリフォルニア工科大学の著名な理論物理学者であるリチャード・ファインマンは、1961年の夏にチャールズ・M・スタインバーグの助けを借りてファージの扱い方を学び、彼の実験結果はエドガーらの出版物に掲載されました。^[27]

1962年から1964年にかけてファージグループのメンバーによって条件付き致死変異体が分離されたことにより、実験室条件下でファージの増殖に必須のほぼすべての遺伝子の機能を研究する機会がもたらされた。^{[28] [29]} 条件付き致死変異体の1つのクラスは、アンバー変異体として知られている。^[30] これらの変異体は、1962年にリチャード・エプスタイン、アントワネット・ボレ、チャールズ・M・スタインバーグ^[31]によって分離され、遺伝学的に特徴付けられた（ただし、彼らの最初の研究結果の発表は50年遅れた。エプスタインら、2012年を参照。^[32]）。アンバー変異体のより完全な遺伝学的特徴付けは、1964年にエプスタインらによって説明された。^[33] 温度感受性変異体と呼ばれる別のクラスの条件付き致死変異体は、ロバート・エドガーとイルガ・リエラウシスによって得られた。^[34] これら 2 種類の突然変異体の研究により、数多くの基本的な生物学的問題に対する大きな洞察が得られた。こうして、DNA の複製、修復、組み換えの機構に用いられるタンパク質の機能と相互作用、およびウイルスがタンパク質と核酸成分からどのように組み立てられるか (分子形態形成) についての理解が深まった。さらに、連鎖終結コドンの役割も解明された。注目すべき研究の 1 つは、シドニー ブレナーと共同研究者が、ファージ T4 の主要なヘッド タンパク質をコードする遺伝子に欠陥のあるアンバー突然変異体を使用して行ったものである。^[35] この実験は、タンパク質のアミノ酸配列は、タンパク質を決定する遺伝子のヌクレオチド配列によって指定されるという、広く信じられていたが 1964 年以前にはまだ証明されていなかった「配列仮説」の強力な証拠となった。したがって、この研究は、遺伝子とそれがコードするポリペプチドの共線性を実証した。

ウィキメディア・コモンズには、ファージグループに関連するメディアがあります。

• モランジュ、ミシェル (2000-03-04)。分子生物学の歴史(新版)。ハーバード大学出版局。p. 348。ISBN 0-674-00169-9。
• 歴史: ファージグループ - コールドスプリングハーバー研究所