1941 veröffentlichten Beadle und Tatum ihre Ergebnisse in "Genetic control of biochemical reactions in Neurospora", in dem Beadle die "Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese" vorschlug. Die aus den Experimenten an Neurospora gewonnenen Informationen bestätigten, was Beadle bei Drosophila beobachtet hatte, als er mit Ephrussi arbeitete. Es bestätigte, dass ein Gen die Wirkung eines einzelnen biochemischen Weges oder eines Schrittes in einer Gesamtheit von Reaktionen spezifizierte, und zwar durch die Produktion eines spezifischen Enzyms. Beadle und Tatum erhielten 1958 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für ihre Arbeit an Neurospora und für den Nachweis, dass Gene chemische Prozesse regulieren. Die Hypothese wurde nach verschiedenen Studien modifiziert, unter anderem von Vernon Ingram, der am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, arbeitete. 1957 zeigte Ingram, dass einige Gene für einzelne Polypeptidketten eines aus mehreren Ketten bestehenden Proteins verantwortlich sind.
Ein Prototroph oder Wildtyp ist das normale Individuum, das alle für sein Wachstum erforderlichen komplexen Metaboliten aus von außen gewonnenen Rohstoffen synthetisieren kann. Es kann im Labor auf Minimalmedium wachsen, das aus Ammoniak, Zucker, Salzen und Biotin besteht. Beadle und Tatum (Abb. 6. 15) fanden drei Arten von Auxotrophen, die die Aminosäuren Ornithin, Citrullin und Arginin benötigten. In den Prototrophen wurde Aminosäure Arginin in ihrem Körper gefunden. Offensichtlich wurde es aus Ammoniak und Zucker des Minimalmediums synthetisiert. Auxotroph, der Ornithin für sein Wachstum benötigt, enthält kein Arginin und stirbt aufgrund von Proteinmangel. Wenn es mit Ornithin geliefert wird, besitzt es Arginin. Auxotrophe, die Citrullin benötigen, besitzt Ornithin, aber kein Arginin. Wenn Citrullin zugeführt wird, erhält der Auxotroph Arginin. Die Nährstoffmutante, die Arginin benötigt, enthält sowohl Ornithin als auch Citrullin. Es scheint, dass Arginin aus Ammoniak und Zucker des Minimalmediums in mindestens drei Schritten synthetisiert wird, die jeweils ein eigenes Enzym benötigen.
Diese Schimmelpilzvariante besitzt die Fähigkeit, alle Aminosäuren selbst herzustellen. Mit UV-Licht behandelte Pilzsporen konnten dies nicht mehr! Testaminosäure war Arginin (R). Die entstandenen Varianten von Neurospora crassa bezeichnet man als Arginin-Mangelmutante (R -). Minimalmedium Medium mit Arginin Ornithin Citrullin Wildtyp (Kontrolle) + + + + Nc-Variante 1 - + + + Nc-Variante 2 - + - + Nc-Variante 3 - + - - + = Variante kann auf diesem Nährboden wachsen - = Variante kann auf diesem Nährboden nicht wachsen Was können Sie aus dieser Versuchsanordnung lernen? Tatum und Beadle kamen zu der Schlussfolgerung, dass sich die Erzeugung der Aminosäure Arginin aus mehreren Schritten zusammensetzt. Die Biosynthese dieser Aminosäure beinhaltet Zwischenschritte über Citrullin und Ornithin, ausgehen von einem umzusetzenden Substrat. Aus den Messergebnissen kann folgende Genwirkkette abgeleitet werden: Die Experimente von Beadle und Tatum beschreiben eine Genwirkkette. Methode Hier klicken zum Ausklappen Zum Nachdenken: Interpretieren Sie die Versuchsergebnisse im Sinne der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese.
Bei Eukaryonten führt ein und derselbe DNA-Abschnitt oft zu unterschiedlichen mRNA -Molekülen und damit zu unterschiedlichen Proteinen. Ursache ist das alternative Spleißen, durch das erst entschieden wird, welche DNA-Abschnitte eines Gens kodieren, also Exons sind und welche im Reifungsprozess herausgeschnitten werden ( Introns). Mit der Entdeckung des alternativen Spleißens bei der Transkription der Eukaryoten musste die Hypothese also erneut modifiziert werden. Durch unterschiedliche Verarbeitung (Spleißen) der an der DNA erzeugten prä-mRNA können aus derselben DNA-Sequenz mehrere unterschiedliche reife mRNA-Moleküle und damit mehrere unterschiedliche Polypeptide entstehen. Die Regulation ist noch nicht vollständig geklärt. Weitere Einschränkungen der Hypothese An der DNA synthetisierte RNA-Moleküle können an andere mRNA-Moleküle binden und Doppelstränge ausbilden. Diese werden dann von der Zelle zerstört. Durch dieses RNA-Silencing kann eine RNA-Sequenz als nachträglicher Genschalter wirken und andere Gene beeinflussen.
Zum weiteren Verlauf der Experimente von Beadle & Tatum: Durch Isolation dieser mutierten Pilzzellen konnten vier verschiedene Typen nachgewiesen werden, welche die Aminosäure Tryptophan zu bilden nicht in der Lage waren. Jedoch war es bei allen vier Varianten möglich durch Zusatz einer Aminosäure das Wachstum anzuregen. Neurospara crassa katalysiert die Aminosäure Tryptophan in vier aufeinander folgenden Schritte, bei denen ebenso viele Enzyme beteiligt sind, welche in der nebenstehenden Abbildung der Einfachheit halber als Enzyme 1-4 bezeichnet werden. Enzym 1 (siehe links) katalysiert Shikimisäure zu Chorrisminsäure, Enzym 2 Chorrisminsäure zu Anthranilsäure und so weiter. Nach ultravioletter Bestrahlung wurde jedoch eines der Enzyme deaktiviert, und zwar bei jedem der Mangelmutanten ein anderes. Bei Mangelmutant Nr. 4 bilden sich durch Zugabe von allen Aminosäuren Pilze. 3hingegen entsteht durch Chorrisinsäure als zugrunde liegender Nährboden kein Pilz, bei Anthranilsäure, Indol und Tryptophan jedoch schon.
Daraus kann man schließen, dass Enzym 2, welches ja für die Umwandlung von Chorrisminsäure zu Anthranilsäure zuständig ist, blockiert ist. Somit zeigte sich, dass ein Gen womöglich den Bauplan für ein Enzym trägt -> Ein Gen ein Enzym Hypothese.
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