2906542618

Werner Arber, Daniel Nathans i Hamilton Smith

Nagrody Nobla za badania nad enzymami restrykcyjnymi

Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla z dziedziny medycyny i fizjologii zostało trzech uczonych: prof. Werner Arber ze Szwajcarii oraz prof. prof. Daniel Nathans i Hamilton Smith ze Stanów Zjednoczonych. Nagroda ta została przyznana za prace związane z badaniami mechanizmu restrykcji i modyfikacji DNA, wyborowaniem i określeniem własności endonukleaz restrykcyjnych oraz praktycznym zastosowaniem tych enzymów do badania struktury DNA i rekombinowania cząsteczek DNA in vitro.

Pierwsze doniesienia dotyczące zjawiska restrykcji i modyfikacji pochodzą z początku lat pięćdziesiątych (1,2,3). Z badań tych wynikało, że rozwój bakteriofagów wewnątrz komórki bakteryjnej zależy od typu bakterii, w których fagi te były uprzednio namnażane. Wzrost fagów w danym szczepie bakterii powoduje ich modyfikację. Cząstki fagowe po modyfikacji są zdolne do rozwoju w komórkach bakterii tego szczepu, w którym je namnażano, natomiast w innym szczepie podlegają działaniu bakteryjnego mechanizmu restrykcji.

Zapoczątkowane przez W. Arbera, w początkach lat sześćdziesiątych, doświadczenia wyjaśniły zjawiska restrykcji i modyfikacji na poziomie molekularnym, doprowadzając do zrozumienia ich najważniejszych etapów (4,5,6,7,8). W pracach tych Arber i współpracownicy wykazali, że proces restrykcji in vivo polega na szybkiej degradacji DNA fagowego do fragmentów niskocząsteczkowych (7,8). Proces restrykcji zapoczątkowują endonukleazy restrykcyjne w kilku określonych miejscach w cząsteczkach DNA (9), w następnym etapie ten DNA ulega stopniowej degradacji do form niskocząsteczkowych. Obserwacje te znalazły dalsze potwierdzenie w doświadczeniach również z pracowni Arbera (10), w których badano mutanty fagów fd i lambda, niewrażliwych na działanie enzymów restrykcyjnych. Niewrażliwość ta spowodowana jest mutacjami punktowymi, ich położenie na mapie genetycznej badanych fagów określono dzięki analizie rekombinacyjnej.

W równolegle prowadzonych badaniach Arber i współpracownicy wyjaśnili mechanizm procesów prowadzących do zabezpieczenia fagów przed restrykcją (6, 8). Zjawisko to jest wynikiem chemicznej modyfikacji cząsteczki DNA, nie wymaga ono zajścia replikacji fagowego DNA, wystarcza modyfikacja jednej nici DNA, aby był on oporny na działanie enzymu restrykcyjnego. Wykazano również, że z modyfikacją nie łączy się pojawienie żadnych wykrywalnych zmian fizycznych w cząsteczce DNA, oraz, że obecność modyfikacji uodparniającej DNA na działanie jednego enzymu restrykcyjnego nie wyklucza wprowadzaniu modyfikacji względem innego enzymu restrykcyjnego. Arber (10) zapoczątkował również eksperymenty, które doprowadziły następnie do zrozumienia na czym, w sensie molekularnym, polega proces modyfikacji. Okazało się, że jeżeli infekcję fagiem lambda prowadzono w hodowli E. coli bez metioniny w pożywce, to uzyskiwane wówczas fagi potomne charakteryzowały się obniżoną opornością na restrykcję, a także niższym stopniem modyfikacji. Ponieważ wiadomo było, że metionina jest donorem grup metylowych w reakcjach metylacji DNA, Arber wysunął przypuszczenie, że właśnie ten proces leży u podstawy zabezpieczającej przed restrykcją modyfikacji DNA. Przypuszczenie to zostało następnie w pełni potwierdzone przez innych badaczy.