エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験
1944年の微生物学実験
ハイダー、エイブリー、マクラウド、マッカーティは、細胞成分の溶液から沈殿させたこのような精製DNA鎖を使用して、細菌の形質転換を行った。

エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験は、 1944年にオズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティによって行われた実験であり、細菌の形質転換を引き起こす物質はDNAであると報告された。当時は、遺伝情報を運ぶ役割を担うのはタンパク質だと広く信じられていた（タンパク質という言葉自体が、その機能が主要であるという信念を示すために造語された）。これは、1928年のグリフィスの実験で初めて説明された形質転換現象の原因となる「形質転換原理」を精製し特徴づけるための、ロックフェラー医学研究所における1930年代から20世紀初頭にかけての研究の集大成であった。グリフィスの実験では、毒性の強い株であるIII-S型の殺菌した肺炎球菌を、生きていて毒性のないII-R型肺炎球菌と一緒に注射すると、III-S型肺炎球菌による致死的な感染症が引き起こされた。 1944年2月号のJournal of Experimental Medicineに掲載された論文「肺炎球菌型の変化を誘導する物質の化学的性質に関する研究：肺炎球菌III型から分離されたデオキシリボ核酸分画による変化の誘導」の中で、エイブリーと彼の同僚は、当時広く信じられていたタンパク質ではなく、DNAが細菌の遺伝物質であり、高等生物の遺伝子 やウイルスに類似している可能性があると示唆した。[1] [2]

エイブリー氏とその同僚は、グリフィスの実験においてDNA が重要な要素であることを示した。この実験では、マウスに 1 つの菌株の死んだ細菌と別の菌株の生きた細菌を注射し、死んだ菌株のタイプの感染症を発症させる。

背景

血清型の分類の発達により、医学研究者は細菌を異なる株、つまり型に分類できるようになりました。特定の型の細菌を人または実験動物（マウスなど）に接種すると、免疫反応が起こり、細菌上の 抗原と特異的に反応する抗体が生成されます。その後、抗体を含む血清を抽出し、培養された細菌に適用することができます。抗体は、最初の接種と同じ型の他の細菌と反応します。ドイツの細菌学者フレッド・ノイフェルトは、肺炎球菌の型と血清型の分類を発見しました。フレデリック・グリフィスの研究が行われるまで、細菌学者は型が固定されており、世代を超えて変化しないと考えていました。[3]

1928年に報告されたグリフィスの実験[4]は、肺炎球菌に存在する何らかの「形質転換原理」が、細菌をある型から別の型へと変化させることを明らかにした。英国の医療官であったグリフィスは、 20世紀初頭にしばしば致死的な疾患であった肺炎の症例に血清学的型別を適用するために長年を費やしていた。彼は、肺炎の臨床症例において、複数の型（毒性のあるものも非毒性のものも）がしばしば存在することを発見し、（単に複数の型が最初から存在していたのではなく）ある型が別の型に変化する可能性があると考えた。その可能性を検証する中で、彼は毒性の死んだ細菌と非毒性の生きた細菌の両方をマウスに注射すると、形質転換が起こる可能性があることを発見した。マウスは致死的な感染症（通常は毒性の生きた細菌によってのみ引き起こされる）を発症して死亡し、そのような感染マウスから毒性の細菌を分離することができた[5] 。

グリフィスの実験結果は、まずコッホ研究所のフレッド・ニューフェルド[6]、そしてロックフェラー研究所のマーティン・ヘンリー・ドーソン[7]によって確認された。その後もロックフェラー研究所の研究者たちは形質転換の研究を続けた。リチャード・H・P・シアと共に、ドーソンは（グリフィスが行ったように生体内でではなく）試験管内で細菌を形質転換する方法を開発した。 [8]ドーソンが1930年に研究所を去った後、ジェームズ・アロウェイがグリフィスの研究成果を発展させる試みを引き継ぎ、 1933年までには形質転換の原理となる水溶液の抽出に成功した。コリン・マクラウドは1934年から1937年にかけてその水溶液の精製に取り組み、1940年にも研究は継続され、マクリン・マッカーティによって完成された。[9] [10]

実験作業

肺炎球菌は、抗体形成を誘導する多糖類莢膜を有する滑らかなコロニーを特徴とし、その免疫特異性に応じて様々な種類に分類されます。[1]

エイブリーが行った精製手順は、まず細菌を加熱殺菌し、生理食塩水に可溶な成分を抽出するというものでした。次に、クロロホルムを用いてタンパク質を沈殿させ、多糖類カプセルを酵素で加水分解しました。カプセルが完全に破壊されたことを確認するために、型特異的抗体による免疫沈降法を用いました。次に、活性部分をアルコール分画法で沈殿させ、攪拌棒で取り出せる繊維状の糸を得ました。[1]

化学分析の結果、この活性部分における炭素、水素、窒素、リンの割合はDNAの化学組成と一致していることが示された。形質転換の原因が少量のRNA、タンパク質、またはその他の細胞成分ではなくDNAであることを示すために、エイブリーと彼の同僚はいくつかの生化学検査を行った。その結果、トリプシン、キモトリプシン、リボヌクレアーゼ（タンパク質またはRNAを分解する酵素）は活性部分に影響を与えなかったが、「デオキシリボヌクレオデポリメラーゼ」（様々な動物由来の粗精製物で、DNAを分解することができる）という酵素製剤は抽出物の形質転換力を破壊したことがわかった。[1]

批判や異議申し立てに対するその後の研究としては、 1948年にモーゼス・クニッツが行ったDNAデポリメラーゼ（デオキシリボヌクレアーゼI）の精製と結晶化、そして精製DNAで検出された窒素のほぼすべてがヌクレオチド塩基アデニンの分解産物であるグリシンに由来し、検出されなかったタンパク質の混入はホッチキスの推定では最大0.02%であることが示されたロリン・ホッチキスによる精密な研究などがある。[11] [12]

オズワルド・エイブリー
コリン・マクラウド
マクリン・マッカーティ（ワトソン、クリックと共著）

受容と遺産

エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験の実験結果はすぐに確認され、多糖類カプセル以外の遺伝的特徴にも拡張されました。しかし、DNAが遺伝物質であるという結論を受け入れることには、かなりの抵抗がありました。フィーバス・レヴィーンの影響力のある「テトラヌクレオチド仮説」によれば、DNAは4つのヌクレオチド塩基の繰り返し単位から構成され、生物学的特異性はほとんどないとされていました。したがって、DNAは染色体の構造構成要素であり、遺伝子は染色体のタンパク質構成要素から構成されていると考えられていました。[13] [14] この考え方は、1935年にウェンデル・スタンレーがタバコモザイクウイルスを結晶化した[15]こと、そしてウイルス、遺伝子、酵素の類似性によってさらに強化されました。多くの生物学者は遺伝子を一種の「スーパー酵素」と考え、スタンレーによればウイルスはタンパク質であり、多くの酵素と自己触媒作用の性質を共有することが示されました。[16]さらに、細菌には染色体と有性生殖 がないため、遺伝学を細菌に適用できると考える生物学者はほとんどいなかった。特に、 1950年代に分子生物学という新しい分野に大きな影響を与えることになる、通称ファージグループとして知られる遺伝学者の多くは、DNAを遺伝物質として軽視していた（そして、エイブリーとその同僚たちの「厄介な」生化学的アプローチを避ける傾向があった）。ロックフェラー研究所フェローのアルフレッド・ミルスキーを含む一部の生物学者は、形質転換の原理は純粋なDNAであるというエイブリーの発見に異議を唱え、代わりにタンパク質の混入が原因であると示唆した。[13] [14] 形質転換は一部の細菌で起こったが、他の細菌（あるいは高等生物）では再現できず、その意義は主に医学に限られていたようだった。[13] [17]

エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験を振り返る科学者たちは、1940年代から1950年代初頭にかけて、この実験がどれほど大きな影響力を持っていたかについて意見が分かれている。 ギュンター・ステントは、この実験は遺伝学が隆盛する数十年前のグレゴール・メンデルの研究と同様に、ほとんど無視され、後になってようやく称賛されたと述べている。一方、ジョシュア・レーダーバーグやレスリー・C・ダンといった科学者たちは、この実験が初期から重要であったことを証明し、分子遺伝学の始まりであったと述べている。[18]

1944年以前から、少数の微生物学者や遺伝学者が遺伝子の物理的・化学的性質に興味を示していたが、エイブリー・マクラウド・マッカーティの実験により、このテーマへの関心が新たに高まり、広く知られるようになった。最初の論文では遺伝学に特に触れていなかったが、エイブリー自身やその論文を読んだ多くの遺伝学者は、遺伝子そのものを純粋なDNAとして単離した可能性があるという遺伝学的意味合いを認識していた。生化学者のアーウィン・シャルガフ、遺伝学者のHJミュラーらは、この結果がDNAの生物学的特異性を確立し、高等生物においてもDNAが同様の役割を果たしているならば遺伝学に重要な意味を持つと称賛した。1945年、王立協会は細菌の形質転換に関する研究などにより、エイブリーにコプリー賞を授与した。 [19]

1944年から1954年の間に、この論文は少なくとも239回引用され（引用はこれらの年を通して均等に分散している）、ほとんどが微生物学、免疫化学、生化学の論文であった。ミルスキーの批判に応えてロックフェラー研究所のマッカーティらが行った追跡研究に加えて、この実験は微生物学でかなりの研究を促し、細菌の遺伝と有性生殖生物の遺伝学との類似性に新たな光を当てた。[17]フランスの微生物学者アンドレ・ボワヴァンは、エイブリーの細菌形質転換の発見を大腸菌 にまで拡張したと主張したが、[20]他の研究者によって確認することはできなかった。[17] しかし、1946年にジョシュア・レーダーバーグとエドワード・テイタムは大腸菌での細菌接合を実証し、エイブリーの特定の形質転換法が汎用的ではないとしても、遺伝学を細菌に適用できることを示した。[21] エイブリーの研究は、モーリス・ウィルキンスがDNAのX線結晶構造解析研究を続ける動機にもなったが、彼は資金提供者から生体分子ではなく細胞全体に研究を集中させるよう圧力を受けていた。[17]

論文は多数引用され、発表後数年間に好意的な反応を得たにもかかわらず、エイブリーの研究は科学界の多くから無視された。多くの科学者に好意的に受け止められたものの、この実験は主流の遺伝学研究に深刻な影響を与えなかった。その理由の一つは、遺伝子がその化学組成ではなく育種実験における挙動によって定義される古典的な遺伝学実験にはほとんど影響を与えなかったためである。HJ ミュラーは興味はあったものの、ファージグループのほとんどのメンバーと同様に、遺伝子の化学的研究よりも物理的研究に重点を置いていた。エイブリーの研究はノーベル財団からも無視され、同財団は後にエイブリーにノーベル賞を授与しなかったことを公に遺憾の意を表明した。[22]

1952年のハーシー・チェイスの実験の頃には、遺伝学者たちは遺伝物質としてDNAを考える傾向が強く、アルフレッド・ハーシーはファージグループの有力者だった。[23] [24] アーウィン・シャルガフはDNAの塩基構成は種によって異なることを示した（テトラヌクレオチド仮説に反して）、[25]また1952年にローリン・ホッチキスはシャルガフの研究を裏付けるとともにエイブリーの形質転換原理にはタンパク質が存在しないことを示す実験的証拠を発表した。[26]さらに、細菌遺伝学の分野が急速に確立されつつあり、生物学者は細菌と高等生物について遺伝を同じように考える傾向が強かった。[23] [24] ハーシーとチェイスが放射性同位元素を使用してバクテリオファージの感染により細菌に入り込むのは主にDNAでありタンパク質ではないことを示した後、[27] DNAが物質であるという考えがすぐに広く受け入れられた。実験結果の精度ははるかに低かったものの（DNAだけでなく、細胞内に少なからずタンパク質が入り込んでいることがわかった）、ハーシー＝チェイス実験は、これほどの批判にさらされることはなかった。その影響力は、ファージグループのネットワークの拡大と、翌年ワトソンとクリック （ワトソンもファージグループのメンバーだった）が提唱したDNA構造の知名度向上によってさらに高まった。しかしながら、どちらの実験もDNAが遺伝物質であることを決定的に証明したのは、後になってからであった。[23] [24]

注記

  1. ^ abcd Avery, Oswald T.; Colin M. MacLeod; Maclyn McCarty (1944-02-01). 「肺炎球菌類の形質転換を誘導する物質の化学的性質に関する研究：肺炎球菌III型から単離されたデオキシリボ核酸分画による形質転換の誘導」. Journal of Experimental Medicine . 79 (2): 137– 158. doi :10.1084/jem.79.2.137. PMC  2135445. PMID  19871359 .
  2. ^ フルトン (1999)、438–440 ページ
  3. ^ レーラー、スティーブン『身体の探検家たち』第2版、iuniverse 2006年、p 46 [1]
  4. ^ グリフィス、フレデリック（1928年1月）「肺炎球菌の種類の重要性」The Journal of Hygiene . 27 (2): 113– 159. doi :10.1017/S0022172400031879. JSTOR  4626734. PMC 2167760. PMID  20474956 . 
  5. ^ Dawes, Heather (2004年8月). 「静かな革命」. Current Biology . 14 (15): R605 – R607 . doi : 10.1016/j.cub.2004.07.038 . PMID  15296771.
  6. ^ フレッド・ノイフェルド;ウォルター、レビンタール（1928年）。 「肺炎の可能性がある」。免疫のための時代。55 : 324– 340. 2023年3月7日のオリジナルよりアーカイブ。
  7. ^ Dawson, MH (1930年1月1日). 「肺炎球菌の型転換：II. 型特異的S肺炎球菌の相互変換性」. The Journal of Experimental Medicine . 51 (1): 123–47 . doi :10.1084/jem.51.1.123. PMC 2131805. PMID 19869670  . 
  8. ^ ドーソン, マーティン H.; シア, リチャード HP (1930). 「試験管内における肺炎球菌の型変化」 .実験生物学医学会紀要. 27 (9): 989– 990. doi :10.3181/00379727-27-5078. S2CID  84395600.
  9. ^ フルトン（1999）、438ページ
  10. ^ オズワルド・T・エイブリー・コレクション：「焦点の転換：細菌形質転換に関する初期の研究、1928～1940年」『 Profiles in Science』、米国国立医学図書館。2009年2月25日アクセス。
  11. ^ フルトン（1999）、439ページ
  12. ^ Witkin EM (2005年8月). 「ローリン・ホッチキス（1911–2004）を偲んで」. Genetics . 170 (4): 1443–7 . doi :10.1093/genetics/170.4.1443. PMC 1449782. PMID  16144981 . 
  13. ^ abc モランジュ (1998)、30–39 ページ
  14. ^ ab Fruton (1999)、440–441ページ
  15. ^ Stanley, Wendell M. (1935-06-28). 「タバコモザイクウイルスの特性を有する結晶性タンパク質の単離」(PDF) . Science . New Series. 81 (2113): 644– 645. Bibcode :1935Sci....81..644S. doi :10.1126/science.81.2113.644. JSTOR  1658941. PMID 17743301. 2006年9月27日時点 のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年2月26日閲覧。
  16. ^ この時期のウイルス、遺伝子、酵素の交差理論については、アンジェラ・NH・クリーガー著『ウイルスの生涯：実験モデルとしてのタバコモザイクウイルス、1930～1965年』シカゴ大学出版局、シカゴ、2002年、 ISBNを参照。 0-226-12025-2
  17. ^ abcd ダイヒマン、220–222 ページ
  18. ^ ダイヒマン、207～209ページ
  19. ^ ダイヒマン、215～220ページ
  20. ^ ボイビン;アンドレ・ボワヴァン。ヴェンドリー、ロジャー。イヴォンヌ・ルホール（1945年）。 「L'acide thymonucleique hautement Polyrise, principe possible deCondition la spécificité sériologique et l'équipement enzymatique des Bactéries. Conséquences pour la biochemie de l'hérédité」。レンダスをコンプします。221 : 646–648 .
  21. ^ Lederberg, Joshua; Edward L. Tatum (1946-10-19). 「大腸菌における遺伝子組換え」. Nature . 158 (4016): 558. Bibcode :1946Natur.158..558L. doi : 10.1038/158558a0 . PMID  21001945. S2CID  1826960.
  22. ^ ダイヒマン、227～231ページ
  23. ^ abc モランジュ (1998)、44–50 ページ
  24. ^ abc フルトン（1999）、440–442ページ
  25. ^ Chargaff E (1950年6月). 「核酸の化学的特異性と酵素分解のメカニズム」. Experientia . 6 (6): 201–9 . doi :10.1007/BF02173653. PMID  15421335. S2CID  2522535.
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  27. ^ Hershey AD, Chase M (1952年5月). 「バクテリオファージの増殖におけるウイルスタンパク質と核酸の独立した機能」. The Journal of General Physiology . 36 (1): 39– 56. doi :10.1085/jgp.36.1.39. PMC 2147348. PMID 12981234  . 

参考文献

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  • フルトン、ジョセフ・S. (1999).タンパク質、酵素、遺伝子：化学と生物学の相互作用. ニューヘイブン、コネチカット州: イェール大学出版局. ISBN 978-0-300-07608-0。
  • コブ、マシュー、モランジュ、ミシェル (1998). 『分子生物学の歴史』 ケンブリッジ: ハーバード大学出版局. ISBN 978-0-674-00169-5。
  • レーラー、スティーブン（2006年）『身体の探検家たち：古代から現代科学までの医学の劇的な進歩』米国：iUniverse、ISBN 978-0-595-40731-6。
  • フライ、マイケル（2016）分子生物学におけるランドマーク実験；エルゼビア・アカデミック・プレス、米国、ISBN 9780128020746

さらに読む

  • Lederberg J (1994年2月). 「DNAによる遺伝学の変容：Avery、MacLeod、McCarty (1944) の記念すべき年」. Genetics . 136 (2): 423–6 . doi :10.1093/genetics/136.2.423. PMC 1205797.  PMID 8150273  .
  • マッカーティ、マクリン（1986年）『変革の原理：遺伝子はDNAでできていることの発見』ニューヨーク：ノートン、ISBN 978-0-393-30450-3。
  • ステゲンガ、ジェイコブ (2011). 「遺伝子の化学的特徴：証拠評価の変遷」生命科学の歴史と哲学. 33 (1): 105–127 . PMID  21789957.
  • 科学のプロファイル：オズワルド・T・エイブリー・コレクション


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