ファージ群

エモリー・エリスは回顧記事の中で、「マックス・デルブリュックがカリフォルニア工科大学生物学部に到着して間もなく、物理科学のバックグラウンドを生物学的な問題にどのように有効に活用できるかを模索していたので、私は彼にいくつかの階段成長曲線を見せた。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。 ^{[ 2 ]}しかし、エリスが述べているように、デルブリュックはすぐにこの現象を独自に分析することで、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携えて、熱意を持って研究に加わった。彼らの最初の共同研究の成果は1939年に発表された。^{[ 3 ]}

1950年代初頭、ニールス・K・イェルネは、抗原抗体反応をより精密に研究するために、バクテリオファージ、特にファージT4をモデル抗原として用いた。デンマーク国立血清研究所で、イェルネは、ファージ中和アッセイによって、極めて微量の抗原を用いて免疫応答を定量的に測定できることに気づいた。このシステムにより、単一のウイルス粒子を検出することが可能になり、抗体結合の強度と特異性を前例のない感度で観察することができた。^{[ 4 ] [ 5 ]}

このシステムを使用している間に、Jerneは驚くべき発見をした。免疫されていない（正常な）血清には、バクテリオファージT4を不活化できる抗体がすでに低レベルで含まれていた。さらに、動物にファージを免疫すると、特異抗体レベルが急速に上昇した。これは、免疫系が抗原に曝露されると増幅される既存の抗体レパートリーを持っていることを示唆している。これらの発見は、抗体は抗原刺激後にのみ合成されるという従来の考え方に異議を唱えるものであった。^{[ 6 ]}

ジェルネはこのことを、体が特定の抗原に遭遇する前に多様な抗体を自然に産生するという証拠だと解釈した。1955年の論文で、彼は抗体形成の「自然選択説」を提唱し、抗原は細胞に新しい抗体を作るよう指示するのではなく、既存の抗体プールから選択し、その増殖を促進することによって作用すると主張した。この概念は、後のクローン選択説の発展に直接影響を与え、免疫学の考え方の根本的な転換点となった。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

ファージ研究グループは、デルブリュックとルリアが物理学会議で出会った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、さまざまな細菌株とバクテリオファージ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「相互排他原理」を確立した。1943年、彼らの「変動テスト」（後にルリア・デルブリュック実験と呼ばれる）は、ファージ耐性の遺伝子変異は選択に対する反応ではなく、選択がない状態で発生することを示した。 ^{[ 10 ] [ 11 ]} 1943年以前の細菌学者の伝統的な見解は、細菌には染色体も遺伝子もないというものだった。ルリアとデルブリュックの実験は、細菌が他の確立されたモデル遺伝生物と同様に遺伝子を持ち、これらの遺伝子が自然に突然変異を起こして変異体を生成し、それが複製してクローン系統を形成する可能性があることを示した。同年、彼らはまた、別のファージ実験者であるアルフレッド・ハーシーと共同研究を開始した。^{[ 1 ]}この3人は、「ウイルスの複製機構と遺伝学に関する研究」で、1969年のノーベル生理学・医学賞を共同受賞した。

ハーシーは、1952年に研究助手マーサ・チェイスと共に行ったファージを用いた実験（後にハーシー・チェイス実験として知られる）に至るまでの経緯を回想している。^{[ 12 ] [ 13 ]}この実験は、タンパク質とは区別される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た。

1946年、ルリアは、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、それらが再び生き返り、正常な生きた子孫を産むことが多いことを発見した。この発見は、DNAの安定性がどのように達成されるかについての新たな洞察を開く運命にあった。^{[ 11 ]： 96 [ 14 ]}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、この再活性化を遺伝子組換えの結果として正しく解釈した。ジェームズ・ワトソンは、インディアナ大学で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再活性化に参加できることを示した。

ルリア^{[ 11 ]が回想しているように、 97}照射され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、初期のファージ群における放射線損傷の修復の研究をすぐに活発化させた。^{[ 15 ]}後に、ルリアが発見した相互援助による損傷したファージの修復は、DNA修復の特殊なケースの 1 つにすぎないことが判明した。現在では、あらゆる種類の細胞が複雑な生化学的プロセスによるDNA修復を行っていることが知られている。DNA修復プロセスは、老化、癌、不妊症から身を守る上で重要な役割を果たしていることも認識されている。

ジム・ワトソンは回顧記事の中で、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。^{[ 16 ]}ワトソンによれば、「…多くの学生は、間違ったことを言う人に対して傲慢だという評判のあるルリアを恐れていた」らしい。しかし、秋学期が進むにつれて、ワトソンは「愚か者に対する無神経さの噂はなかった」。彼は後にルリアの指導の下で研究することを申し出、ファージのX線誘発多重再活性化の研究を任された。当時、ワトソンと実験台を共有していたルリアの研究室の唯一の他の科学者は、ファージ多重再活性化の実験を行うためにイタリアから来たばかりのレナート・ダルベッコ（後のファージグループのメンバー）だった。その学期後半の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出会った。ワトソンは「デルブリュックの最初の言葉を聞いた瞬間から、失望することはないだろうと確信した。彼は遠回しな言い方をせず、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、彼の若々しい容姿と精神だった」と記している。^{[ 16 ]}ワトソンは、この時もその後の多くの機会と同様に、デルブリュックがニールス・ボーアについて語り、量子力学を理解するために必要なものと同様の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語ったと記している。

1950年、当時カリフォルニア工科大学にデルブリュックと共に在籍していたレナート・ダルベッコは、ファージが細菌細胞の芝生上でプラークを形成するのと同様に、動物ウイルス粒子が培養細胞のシート上でプラークを形成することによってウイルス粒子を測定する手順を考案した。この手順は、ダルベッコが動物ウイルスの細胞内増殖サイクルを解明するための定量的研究を行う包括的な研究プログラムを実施する基盤となった。この研究は1975年にノーベル賞の受賞によって認められた。^{[ 17 ]}

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まだ不明でした。当時有力視されていたモデルは半保存的複製でしたが、実験的な証明が必要でした。 1958年にマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールによって行われたメセルソン・スタール実験は、現在正しいとさ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。^{[ 18 ]}メセルソンとスタールはこの重要な実験に至った経緯を説明しました。^{[ 19 ]}この実験はその後「生物学で最も美しい実験」と評されるようになりました。^{[ 20 ]}その美しさは結果の単純さに結びついていますが、この実験に至る道のりは決して単純ではありませんでした。

回顧記事で述べられているように、シーモア・ベンザーは1949年にポスドク研究員としてカリフォルニア工科大学のデルブリュックのファージ研究グループに加わった。^{[ 21 ]}そこで彼はジャン・ワイグルと研究室を共有し、ファージT4に関する共同実験を行った。カリフォルニア工科大学を離れた後、ベンザーはパリのパスツール研究所、そしてパデュー大学でファージT4に関する実験を続け、rIIA遺伝子とrIIB遺伝子に欠陥のある変異体を用いて遺伝子の微細構造を研究するシステムを開発した。 ^{[ 22 ] [ 23 ]} rII変異体の交配を含むこれらの遺伝学的実験により、遺伝子内に変異部位の独特な直線的な順序が発見された。この結果は、遺伝子が独立して変異できる多くの部位を持つDNAの長さに相当する直線的な構造を持っているという重要な考えを強く裏付けるものとなった。

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、放出されて関連する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。^{[ 11 ]： 45、99}ヴァイグルはジュゼッペ・ベルターニとヴェルナー・アーバーと共同で、この現象の根拠をすぐに解明した。彼らは^、制限は実際には特定の細菌酵素による修飾されたファージのDNAへの攻撃によるものであることを示した。この研究は、現在「制限酵素」として知られる酵素群の発見につながった。これらの酵素により、実験室でDNAを制御された方法で操作することが可能になり、遺伝子工学の発展の基礎が築かれた。

ワイグルはまた、細菌におけるDNA損傷応答遺伝子の誘導性という性質を実証した。この現象はSOS応答として知られるようになった。この応答には、DNA損傷誘導性突然変異（ワイグルにちなんでワイグル突然変異と呼ばれる）と、DNA損傷後の誘導性修復（ワイグル再活性化と呼ばれる）が含まれる。

1961年、ファージ研究グループの初期メンバーであるシドニー・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、タンパク質の遺伝暗号の基本的な性質を示す遺伝実験を行った。 ^{[ 24 ]}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3つの連続する塩基が、タンパク質の各アミノ酸を順次指定することが示された。したがって、遺伝暗号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配列ではコドンが互いに重複せず、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。

ギュンター・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義を受けた後、1948年にファージ研究グループに加わった。研究の進捗状況に関するグループ内の非公式な議論は、ステントによる『細菌ウイルスの分子生物学』（マックス・デルブリュックに献呈）^{[ 25 ]}という本につながり、これは1963年までのこの分野における業績をまとめたものであった。その後、1998年の回顧録の中で、ステントは、ファージ研究グループの初期の重要な時期（1948～1950年）における独特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^{[ 26 ] 。}

デルブリュックは1940年代初頭に多くの生物学者や物理学者をファージ研究に引き入れた。^{[ 1 ]} 1944年、デルブリュックは「ファージ条約」を推進し、ファージ研究者に対し、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がより容易に比較可能かつ再現可能になり、細菌遺伝学の分野を統一するのに役立った。^{[ 27 ]}