Gebruiker:WikiKarlijn/Kladblok

Dit artikel of een eerdere versie ervan is een (gedeeltelijke) vertaling van het artikel One gene–one enzyme hypothesis op de Engelstalige Wikipedia, dat onder de licentie Creative Commons Naamsvermelding/Gelijk delen valt. Zie de bewerkingsgeschiedenis aldaar.

De één-gen-één-enzymhypothese is de hypothese dat genen hun uitwerking hebben via de productie van enzymen, en dat elk gen verantwoordelijk is voor de productie van een enkel enzym dat op zijn beurt een enkele stap in een metabool proces beïnvloedt. Het idee werd door George Beadle en Edward Tatum gepostuleerd in hun invloedrijke publicatie uit 1941 over genetische mutaties in Neurospora crassa. Hun collega Norman Horowitz bedacht uiteindelijk de naam 'één-gen-één-enzymhypothese'. In 2004 zei Norman Horowitz: "deze experimenten vormden de basis voor de wetenschap die Beadle en Tatum 'biochemische genetica' noemden. In werkelijkheid waren de experimenten het startsein voor de moleculaire genetica en alle ontwikkelingen die daaruit volgden." De ontwikkeling van de één-gen-één-enzymhypothese wordt veelal gezien als het eerste betekenisvolle ontwikkeling binnen wat later de moleculaire biologie zou gaan heten. Hoewel de hypothese in het verleden heel invloedrijk is geweest, werd kort na de postulering al duidelijk dat de hypothese een oversimplificatie van de feiten is. Ook de herformulering tot de 'één-gen-één-polypeptidehypothese' wordt nu als te kort door de bocht gezien om de relatie tussen genen en eiwitten te omschrijven.

Ontstaan

Aan het begin van de twintigste eeuw waren er enkele gevallen bekend van fouten in het metabolisme die de wetten van Mendel volgden, waaronder als eerste de constatering van Archibald Garrod in 1902 dat alkaptonurie een Mendeliaanse, recessieve eigenschap was. De toepassing van genetica op het metabolisme was echter tot ver in de jaren 30 verder vrijwel onmogelijk. Een andere uitzondering was het werk van Boris Ephrussi en George Beadle, die in het laboratorium van Caltech, toen onder leiding van Thomas Hunt Morgan, onderzoek deden naar pigmenten voor de oogkleur in Drosophila melanogaster. Halverwege de jaren 30 ontdekten zij dat de rode ogen van Drosophila het product waren van pigmenten die een reeks transformaties ondergaan en dat mutaties in verschillende genen voor oogkleur op verschillende punten in die transformatiereeks ingrepen. Beadle concludeerde hieruit dat elk gen verantwoordelijk was voor een enzym dat een van die transformaties verwezenlijkt. Dit was echter een vrij simpele pathway die niet gedeeld wordt door een diverse groep organismen, waardoor er nog maar weinig bekend was over de biochemie achter het metabolisme van oogkleurpigmenten. Voor het uitgebreider bestuderen van die pathway is het nodig om de pigmenten uit de ogen van Drosophila te isoleren - een vervelende klus.

In 1937 verhuisde Beadle naar de Stanford-universiteit, en begon hij samen met biochemicus Edward Tatum met het isoleren van de oogkleurpigmenten. Ze identificeerden een pigment dat een van de tussenproducten vormde vlak nadat Adolf Butenandt dezelfde ontdekking had gedaan. Beadle en Tatum schakelden hierna over op de schimmel Neurospora crassa die recentelijk genetisch was onderzocht door een van Thomas Hunt Morgans onderzoekers, Carl Lingegren. Deze schimmel had meerdere voordelen ten opzichte van Drosophila: hij heeft een eenvoudig groeimedium nodig, hij groeit snel, en doordat hij ascosporen vormt is het gemakkelijk om mutanten te isoleren.

After moving to Stanford University in 1937, Beadle began working with biochemist Edward Tatum to isolate the fly eye pigments. After some success with this approach—they identified one of the intermediate pigments shortly after another researcher, Adolf Butenandt, beat them to the discovery—Beadle and Tatum switched their focus to an organism that made genetic studies of biochemical traits much easier: the bread mold Neurospora crassa, which had recently been subjected to genetic research by one of Thomas Hunt Morgan's researchers, Carl C. Lingegren. Neurospora had several advantages: it required a simple growth medium, it grew quickly, and because of the production of ascospores during reproduction it was easy to isolate genetic mutants for analysis. They produced mutations by exposing the fungus to X-rays, and then identified strains that had metabolic defects by varying the growth medium. This work of Beadle and Tatum led almost at once to an important generalization. This was that most mutants unable to grow on minimal medium but able to grow on “complete” medium each require addition of only one particular supplement for growth on minimal medium. If the synthesis of a particular nutrient (such as an amino acid or vitamin) was disrupted by mutation, that mutant strain could be grown by adding the necessary nutrient to the medium. This finding suggested that most mutations affected only a single metabolic pathway. Further evidence obtained soon after the initial findings tended to show that generally only a single step in the pathway is blocked. Following their first report of three such auxotroph mutants in 1941, Beadle and Tatum used this method to create series of related mutants and determined the order in which amino acids and some other metabolites were synthesized in several metabolic pathways. The obvious inference from these experiments was that each gene mutation affects the activity of a single enzyme. This led directly to the one gene–one enzyme hypothesis, which, with certain qualifications and refinements, has remained essentially valid to the present day. As recalled by Horowitz et al., the work of Beadle and Tatum also demonstrated that genes have an essential role in biosyntheses. At the time of the experiments (1941), non-geneticists still generally believed that genes governed only trivial biological traits, such as eye color, and bristle arrangement in fruit flies, while basic biochemistry was determined in the cytoplasm by unknown processes. Also, many respected geneticists thought that gene action was far too complicated to be resolved by any simple experiment. Thus Beadle and Tatum brought about a fundamental revolution in our understanding of genetics.

The nutritional mutants of Neurospora also proved to have practical applications; in one of the early, if indirect, examples of military funding of science in the biological sciences, Beadle garnered additional research funding (from the Rockefeller Foundation and an association of manufacturers of military rations) to develop strains that could be used to assay the nutrient content of foodstuffs, to ensure adequate nutrition for troops in World War II.