A DNS története

Ebben a hónapban 50 éve jelentették be a DNS szerkezetének felfedezését. De a saga már évekkel korábban elkezdődött, mondja Susan Aldridge

1953. április 25-én a Nature-ben megjelent egy cikk, amely átalakította az élettudományokat – a biokémiától a mezőgazdaságon át az orvostudományig és a genetikáig. James Watson és Francis Crick, akik akkoriban a Cambridge-i Egyetemen dolgoztak, beszámoltak a DNS (dezoxiribonukleinsav) – a molekula, amelyből a gének felépülnek – szerkezetének felfedezéséről.

Crick és Watson modellépítéssel fedte fel a DNS ma már híres kettős spirálját, de a londoni King’s College-ban Rosalind Franklin és Maurice Wilkins röntgenkrisztallográfiai adatai döntő szerepet játszottak a felfedezésben. Az áttörés nagyban köszönhető a biokémiai technikák, a mikroszkópia, a kémiai analízis és a kémiai kötés elméleteinek fejlődésének is, amelyek a 19. század közepétől fejlődtek ki. A DNS szerkezetének valódi jelentőségét nagyjából ugyanebben az időben hangsúlyozta annak a több évtizedes vitának a végleges rendezése, amely arról folyt, hogy a DNS vagy a fehérje az “élet molekulája”.

A DNS-saga 1869-ben kezdődött, amikor Friedrich Miescher svájci biokémikus a fehérvérsejtek sejtmagjából izolált egy új anyagot. A kutatók nemrég még tisztában voltak azzal, hogy a sejtek az élet alapegységei, Miescher pedig azok kémiai összetevői iránt érdeklődött. Minden reggel felhívta a helyi klinikát, hogy felvegye a piszkos kötszereket, mivel az antiszeptikumok előtti időkben ezek gennyben áztak – ami jó forrása volt a nagy sejtmagvú fehérvérsejteknek. Lúg hozzáadásával a sejtmagok felpattantak, felszabadítva tartalmukat, amelyből Miescher kivonta a DNS-t (amit ő nukleinnek nevezett el).

Ez a nuklein elemzése kimutatta, hogy foszfort tartalmazó sav, tehát nem illeszkedik a biológiai molekulák egyik ismert csoportjába sem, mint például a szénhidrátok és a fehérjék. Miescher a képletét C29H49O22N9P3-nak számította ki – ez durván alulbecsült érték, ami azt a tényt tükrözi, hogy a DNS hosszú, törékeny molekula, amely könnyen fragmentálódik. Miescher bizonyára az egyik töredéket használta fel a képlet meghatározásához. A nukleint átkeresztelték nukleinsavnak, és kémiai újdonsága ellenére biológiai jelentőségét még évtizedekig nem ismerték fel teljesen.

Eközben a mikroszkópia fejlődésének köszönhetően a sejt továbbra is elárulta titkait. Walther Flemming német biológus 1879-ben felfedezte a sejtmagban a kromatin (később kromoszómáknak nevezett) apró, fonalszerű struktúrákat – ezeket azért nevezték így, mert könnyen felszívták a sejtalkotók feltárására használt új festékek színét. A sejtosztódással kapcsolatos tanulmányok feltárták a kromoszómáknak az öröklődésben játszott kulcsszerepét – hogyan duplázódnak meg, mielőtt a sejt osztódna, majd két készletre osztódnak, és minden egyes “leánysejtbe” egy új példányt visznek.

A további elemzések azt sugallták, hogy a kromoszómák DNS-t tartalmaznak, ami egy másik német kutatót, Oskar Hertwiget arra késztette, hogy kijelentse: “a nuklein az az anyag, amely felelős … az örökletes tulajdonságok átadásáért”. Nem mindenki értett egyet ezzel – Miescher például. A kromoszómák fehérjét is tartalmaznak, és a biokémikusok akkoriban kezdték felismerni, hogy a fehérjék milyen nagy, összetett molekulák. A DNS törékenysége még hosszú évekig elrejtette a mögötte rejlő komplexitást.

Eredetileg talán Miescher volt az első, aki felvetette a biológiai információt egyik sejtről a másikra továbbító kémiai kód gondolatát, de ő, mint sokan mások utána, úgy gondolta, hogy csak a fehérjék képesek ilyen kódot hordozni.

1900-ra már ismert volt, hogy a DNS alapvető építőkövei a foszfát, egy cukor (később kiderült, hogy dezoxiribóz) és négy heterociklusos bázis – amelyek közül kettő purin, míg a másik kettő pirimidin volt.

Phoebus Levene, a New York-i Rockefeller Intézet munkatársa, Alekszandr Borogyin orosz kémikus és zeneszerző egykori tanítványa volt az, aki kimutatta, hogy a DNS alkotórészei a foszfát-cukor-bázis sorrendben kapcsolódnak egymáshoz. Mindegyik egységet nukleotidnak nevezte el, és azt állította, hogy a DNS-molekula nukleotid egységekből áll, amelyek a molekula “gerincét” alkotó foszfátcsoportokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz.

A DNS-molekula rendkívüli hosszát azonban senki sem értékelte egészen a 20. századig. Ma már tudjuk, hogy egy emberi sejt DNS-e, ha egymás mellé helyeznénk, körülbelül 1 méter hosszú molekulát alkotna. Még egy olyan egyszerű szervezet, mint az E. coli baktérium DNS-molekulája is alig több mint 1 mm hosszú. Miescher ezt természetesen nem vette észre, ahogy Levene sem, aki ragaszkodott ahhoz, hogy a DNS viszonylag kis molekula – valószínűleg körülbelül 10 nukleotid hosszú.

Levene meg volt győződve arról is, hogy a négy bázis mennyisége minden DNS-molekulában azonos, függetlenül azok eredetétől. Így még akkor is, amikor Torbj?rn Caspersson és Einar Hammersten svéd kutatók az 1930-as években kimutatták, hogy a DNS polimer, a legtöbb ember továbbra is hitt Levene “tetranukleotid-hipotézisében”. Még ha a DNS több millió nukleotidot tartalmazott is, úgy gondolták, hogy ezek monoton és kiszámítható módon vannak elrendezve, és nem lehetett értelmes információtartalmuk. Levene kortársa, a nagy német kémikus, Emil Fischer kimutatta, hogy a fehérjék különböző sorrendben összekapcsolt aminosavakból állnak. Egyre inkább úgy tűnt, hogy a fehérjék hordozzák a genetikai kódot, míg a DNS támogató szerepet játszik a kromoszómákban.

Az áttörést Oswald Avery, Colin McLeod és Maclyn McCarty, a New York-i Rockefeller Intézet orvosi mikrobiológusokból álló csapata hozta meg. Megpróbálták azonosítani az “átalakító elv” természetét – egy olyan anyagot, amelyet az angol mikrobiológus, Fred Griffith fedezett fel 1928-ban. Griffith a pneumococcus két fajával, a tüdőgyulladást okozó (az antibiotikumok előtti időkben nagyon rettegett) baktériummal kísérletezett.

Az egyik formáról – amelyet Petri-csészében tenyésztve sima formának neveztek – tudták, hogy kórokozó, míg a másik, “durva” forma ártalmatlan volt. Meglepetésére Griffith azt találta, hogy élő durva baktériumokat elölt sima pneumococcusokkal keverve a durva pneumococcusok virulens sima formává alakulnak át. Nyilvánvalóan valamilyen anyag – az átalakító elv (más szóval gének) – átkerült a sima baktériumokból a durva baktériumokba. Avery és csapata specifikus sejtkomponenseket lebontó enzimek segítségével, egy kizárásos eljárással kimutatta, hogy nem a fehérje, hanem a DNS volt az átalakító elv.

Fizikusok is hozzájárultak ehhez a vitához – Erwin Schr?dinger például nagy hatású könyvében, a Mi az élet? című könyvében felvetette az “aperiodikus kristály” fogalmát. Az olyan egyszerű kristályok, mint a nátrium-klorid, nem képesek genetikai információt hordozni, mivel ionjaik periodikus mintázatban helyezkednek el. Schr?dinger azt javasolta, hogy az élet “tervrajza” egy olyan vegyületben található, amelynek összetevői hosszú, szabálytalan sorrendben helyezkednek el, és amely a kémiai szerkezetébe ágyazott genetikai kód formájában hordozza az információt. A fehérjék voltak a nyilvánvaló jelöltek az aperiodikus kristályok számára, ahol az aminosavak szekvenciája szolgáltatta a kódot. Most, Avery felfedezéseivel a DNS-re, mint a genetikai anyag alternatívájára esett a reflektorfény.

A DNS szerkezetének meghatározására irányuló kutatások még sürgetőbbé váltak (bár központi szerepének végleges megerősítése még váratott magára Alfred Hershey és Martha Chase 1950-es évek eleji amerikai kísérleteiből). Erwin Chargaff osztrák vegyészre például mély benyomást tett Avery munkája. Ezt írta: “Sötét körvonalakban láttam magam előtt a biológia nyelvtanának kezdetét. Avery egy új nyelv első szövegét adta nekünk, vagy inkább megmutatta, hol keressük. Elhatároztam, hogy megkeresem ezt a szöveget”. Chargaff úttörője volt a nukleinsavak papírkromatográfiájának, ennek segítségével határozta meg, hogy egy DNS-mintában az egyes alkotó nukleotidokból mennyi van. Gyorsan lerombolta Levene tetranukleotid-hipotézisét. Minden faj különbözött az A, C, G és T mennyiségében – de a fajokon belül mindegyiknek azonos az aránya, függetlenül attól, hogy a DNS-t melyik szövetből vették ki. Pontosan ez volt az, amit egy olyan molekulától várni lehetett, amely a faj biológiai kézjegye.

Még jelentősebb volt Chargaff további felfedezése, hogy az A aránya bármely DNS-molekulában mindig megegyezik a T arányával, és ugyanígy a G és a C mennyisége is mindig megegyezik – ez a szabály Chargaff-arányok néven vált ismertté. Bár úgy tűnik, hogy maga Chargaff kevés közvetlen hasznát vette felfedezéseinek, a bázispárosítás (A és T, C és G) gondolata döntő lépés volt a DNS háromdimenziós szerkezetének összerakásában.

A DNS szerkezetének rejtélye megoldásának utolsó fázisa a röntgenkrisztallográfiára támaszkodott. A röntgensugarak használata a nagy biológiai molekulák szerkezetének megoldására Dorothy Hodgkin penicillinnel, lizozimmal és B12-vitaminnal, valamint Max Perutznak a hemoglobinnal kapcsolatos munkájával kezdődött az 1930-as években. 1938-ra William Astbury, William Bragg tanítványa (aki fiával, Lawrence-szel együtt 1913-ban feltalálta a technikát) röntgenképeket készített a DNS-ről, de ezeket nehéz volt értelmezni.

Az 1940-es évek végén három különálló csoport dolgozott intenzíven a DNS szerkezetén. A londoni King’s College-ban Maurice Wilkinst lenyűgözték azok a hosszú szálak, amelyeket a DNS alkot, amikor üvegrúddal kihúzzák vizes oldatból, és azon tűnődött, vajon ez azt jelenti-e, hogy a DNS szerkezetének van-e valamilyen szabályossága. Több röntgenfelvételt készített, olyan rögtönzött készülékkel, amelyhez hasonlót manapság már nehéz elképzelni. 1951-ben Wilkinshez csatlakozott Rosalind Franklin brit fizikai kémikus, aki már nemzetközi hírnévre tett szert a szén röntgenkristallográfiájával kapcsolatos munkájával. Elkezdett egy külön röntgenlaboratóriumot építeni a King’s-ben, és hamarosan a DNS-ről a valaha készült legjobb képeket készítette. Ezek vezették őt arra az ötletre, hogy talán a DNS-molekula spirális alakban feltekeredett.

Linus Pauling, az amerikai kémikus, A kémiai kötés természete című könyv szerzője hasonlóan kezdett gondolkodni. Hiszen Pauling már felfedezte a spirális motívumokat a fehérjeszerkezetekben. Ez idő tájt a matematikai és fizikai háttérrel rendelkező Francis Crick és a fiatalabb James Watson, aki a fágok (baktériumokat megfertőző, majd a genetikai vizsgálatok laboratóriumi eszközeként használt vírusok) molekuláris biológiájában jártas volt, a cambridge-i Cavendish Laboratóriumban egyesítették erőiket, azzal a szándékkal, hogy modellépítő megközelítéssel maguk is feltörjék a DNS szerkezetét.

Az az ötletük támadt, hogy a DNS szerkezetének lehetővé kell tennie, hogy a molekula a sejtosztódás során lemásolja önmagát, hogy kódjának pontos másolata – amely ismét a szerkezetbe volt ágyazva – minden egyes új sejtbe átkerülhessen. Chargaff 1952-ben tett látogatása a Cavendishben arra a további gondolatra késztette, hogy talán a bázisok sorrendje egy kémiai kódban képviselheti a géneket. Közben Pauling publikált egy tanulmányt a DNS szerkezetéről, de az tartalmazott egy súlyos hibát (a foszfátcsoportokat a belső oldalra tette). Ennek a tudományos óriásnak a versenybe való belépése Cricket és Watsont nagyobb erőfeszítésekre sarkallta, míg Wilkins és Franklin nem igazán jöttek ki jól egymással, és alig haladtak előre a DNS-sel.

Egy korszakalkotó pillanat akkor következett be, amikor Wilkins megmutatta Watsonnak Franklin egyik fényképét a DNS úgynevezett B formájáról. A korábbi vizsgálatok az A formát használták, amely kevesebb vizet tartalmaz, és nehezen elemezhető képekhez vezetett. Ez a kép ezzel szemben gyönyörűen egyszerű volt, és úgy tűnt, egyértelműen a molekula spirális szerkezetére utal. Ahogy Watson fogalmazott híres emlékiratában: “Abban a pillanatban, amikor megláttam a képet, tátva maradt a szám, és a szívem elkezdett hevesen verni”.

A modellépítés – a nukleotidokat fémlemezek, a köztük lévő kötéseket pedig rudak segítségével – most már komolyan elkezdődött. Crick és Watson azonban nem tudta, hogy a spiráljukat a foszfátokkal belül vagy kívül építsék-e meg, és nem tudták, hogyan építsék be Chargaff bázispárosodással kapcsolatos elképzeléseit.

A végső támpontot a Cavendish egy másik látogatója, Jerry Donohue amerikai kémikus adta, aki rámutatott, hogy a hidrogénkötés lehetővé teszi, hogy az A a T-hez, a C pedig a G-hez kapcsolódjon. Ez lehetővé teszi a DNS kettős spirális szerkezetét, ahol a két szálban a bázisok belül vannak, párosítva, a foszfátok pedig kívül.

A Crick és Watson által felépített modell igazi szépsége az volt, hogy a szerkezet azonnal funkciót sugallt. Ahogy a Nature-ben megjelent cikkükben utaltak rá: “Nem kerülte el figyelmünket, hogy az általunk posztulált sajátos párosítás a genetikai anyag lehetséges másolási mechanizmusára utal”.

A DNS-molekula önmásoló (amint azt néhány évvel később kísérletekkel bizonyították), mert két egyszálú szálra képes feltekeredni. Ekkor minden bázis hidrogénkötés révén vonzza a komplementer bázisát, így két új kettős spirál áll össze.

Franklin és Wilkins nem maradt le teljesen a DNS szerkezetének megalkotásáért járó elismerésről; saját különálló közleményeiket Crick és Watson munkájával egy időben, egymás után jelentették meg a Nature ugyanabban a számában. Crick, Watson és Wilkins 1962-ben Nobel-díjat kapott munkájukért (Franklin 1958-ban, 37 éves korában rákban halt meg).

A DNS szerkezetének felfedezése egy új korszak kezdetét jelentette a biológiában, amely a következő két évtizedben a genetikai kód megfejtéséhez és annak felismeréséhez vezetett, hogy a DNS irányítja a fehérjék szintézisét. Technikai előrelépések is történtek, mint például a DNS-szekvenálás, a géntechnológia és a génklónozás. A közelmúltban számos élőlény teljes szekvenciáját megfejtették – 2000 júniusában az emberi genomot is. A DNS történetének következő 50 éve arról fog szólni, hogy Crick és Watson felfedezésének gyakorlati hasznát az emberiség számára – az iparban, az orvostudományban, az élelmiszeriparban és a mezőgazdaságban – megvalósítsuk.

Forrás: Vl:

Köszönet

Susan Aldridge

További olvasmányok