生物学

细菌的“适应”

1953年,雅克·莫诺(Jacques Monod)将细菌的酶适应性改名为酶诱导,并证明……直到那时为止所提出的模型都是虚假的。

米歇尔·莫兰奇 科学天才N°10
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操纵子模型的第二个根源是雅克·莫诺德(Jacques Monod)在第二次世界大战后进入巴黎巴斯德研究所时进行的细菌的酶适应研究。这项研究确实将提供必要的信息:蛋白质能够调节其他蛋白质的产生。

在19世纪末,已经描述了酶促适应现象:当细菌或酵母置于新的营养源存在下时,仅在一段必要的时间后使用该细菌或酵母。形成可以被细菌或酵母利用的酶。例如,一种细菌在乳糖(乳糖)的存在下产生b-半乳糖苷酶(一种将乳糖切成葡萄糖和半乳糖的酶),这两种糖会被细菌立即吸收。

模型系统

早在1930年代,英国生物化学家Marjory Stephenson就表明,简单的酶促适应系统可以作为研究更复杂现象的模型,这些现象干预了高等生物对其环境的生理适应。此外,当在1930年代末和1940年代初,蛋白质合成的机制和基因在该过程中的作用引起越来越多的生物化学家的注意时,便出现了适应性酶。再次特别好...适合研究这些问题。实验者有一种简单且可重现的方法来诱导一些明确定义的酶和蛋白质的合成。这些酶和蛋白质的合成速率很高,很快就代表了细菌蛋白质的重要​​组成部分,从而促进了它们的纯化。

最后,酶适应赋予细菌(或酵母)细胞新的特性。它被认为是细胞分化和胚胎发育过程中发生的分子事件的模型,虽然简单但仍然有效:例如,在肌肉分化过程中,细胞开始合成肌球蛋白和肌动蛋白与其他肌动蛋白一样,是肌纤维的组成部分。

正是酶适应与细胞分化之间的这种联系促使雅克·莫诺德(Jacques Monod)研究了这一过程。战前,雅克·莫诺德(Jacques Monod)在索邦大学(Sorbonne)实验室担任助理,研究了不同营养源对细菌生长的影响:他观察到,如果将两种不同的糖同时添加到细菌培养物中,葡萄糖和乳糖,或葡萄糖和木糖,细菌首先使用葡萄糖,然后延迟使用第二个糖,第二个糖赋予细菌生长曲线原始形状,并具有两个连续的平台。对此观察结果很感兴趣,雅克·莫诺(Jacques Monod)在1940年向巴黎巴斯德研究所的安德烈·洛夫夫(AndréLwoff)咨询,后者是世界著名的微生物营养需求专家。自从几年前在夏季实习期间在Roscoff海洋站一起工作以来,两人彼此认识。几年后,安德烈·洛夫夫(AndréLwoff)尤其建议他选择大肠杆菌进行研究,而不要选择纤毛等复杂的微生物。安德烈·洛夫夫(AndréLwoff)将这种被称为“ diauxie”的现象解释为一种酶适应过程:细菌首先使用最简单的糖,对此糖来说,它们已经具有转化所需的酶。当第一营养源耗尽时,细菌将不再分裂并产生第二糖,乳糖或木糖代谢所必需的酶。在此滞后阶段后,他们使用第二种糖恢复了生长。

雅克·莫诺(Jacques Monod)一步一步拆除酶促适应模型

战后,雅克·莫诺(Jacques Monod)离开尘土飞扬的索邦大学(Sorbonne),对安德烈·洛夫(AndréLwoff)的“阁楼”毫不后悔,后者是在Duclaux大楼屋顶下建立的小型阁楼实验室。它偏爱乳糖而不是其他糖,因为参与其代谢的酶b-半乳糖苷酶的剂量更容易。他正在与加入巴斯德小组的美国免疫学家梅尔文·科恩(Melvin Cohn)合作开发新技术,以表征与酶促适应过程有关的分子事件:获得特异性识别b-半乳糖苷酶的抗体,使用氨基酸在乳糖的不同化学类似物的适应阶段,合成(或回收)过程中具有放射性,以跟随该酶,从而比较该分子作为b-半乳糖苷酶底物及其活性诱导剂的作用。

在这些最初的作品中,雅克·莫诺德(Jacques Monod)想到了一个分子模型,该模型是由英国生物化学家约翰·尤德金(John Yudkin)几年前提出的,该模型简单地解释了双生现象和过程的揭示。适应:b-半乳糖苷酶以蛋白质前体Pz的形式合成。 Pz是多能的:它可以通过改变其形状来产生几种能够代谢一种或另一种糖的酶。该无活性的前体在与乳糖相互作用期间被转化为活性的b-半乳糖苷酶。该模型的一个变体假设该酶由几个亚基组成,一个亚基在基因的控制下,另一个在诱导物的控制下。此模型的灵感来自美国化学家Linus Pauling于1940年提出的另一种模型,该模型解释了活生物体如何产生有效识别其所面临病原体多样性的抗体:根据Pauling,这些抗体采用通过围绕遇到的分子模制自身来形成它们的形式和功能。今天我们知道情况并非如此:每种抗体从其合成来看,都有一个明确定义的结构,这与该抗体反应的分子的结构无关。

雅克·莫诺德(Jacques Monod)的优点在于,在接下来的几年中,通过受控和严格分析的实验,证明了初始模型的所有虚假性。他与Annamaria Torriani一起完善了一种称为“细菌原”的设备,该设备可以进行连续细菌培养。化合物的发现给模型带来了第一波震惊,尽管这些化合物是b-半乳糖苷酶的优秀诱导剂,但与乳糖不同,该酶很难转化该化合物。另外,b-半乳糖苷酶的性质总是相同的,而不管所用诱导剂的性质如何,这很难解释该酶的结构是否通过与诱导剂接触而获得。

最初的免疫学实验似乎证实了Pz前体的存在。实际上,针对b-半乳糖苷酶的抗体在诱导之前检测到细菌中是否存在没有酶活性但与b-半乳糖苷酶有关的蛋白质。但是,梅尔文·科恩(Melvin Cohn)通过向细菌的营养培养基中添加放射性氨基酸,明确表明,在适应阶段,β-半乳糖苷酶是完全从头合成的,其基础成分只有氨基酸。顺便说一句,雅克·莫诺德(Jacques Monod)排除了索尔·斯皮格曼(Sol Spiegelman)提出的另一种模型,他的实验室也从事适应性酶的研究。索尔·斯皮格曼(Sol Spiegelman)假设这些是在细胞质中由自身复制的称为“血浆”的粒子合成的,这些粒子本身在基因的控制下。在1940年代末和1950年代初,经常需要血浆基因来解释大量现象,尤其是细胞分化。 Alvin Pappenheimer,Germaine Cohen-Bazire和Jacques Monod成功地区分了细菌的生长,这是由于在存在新营养素的情况下添加了一种诱导剂,通过简单地使用一种新形式即可从诱导效应本身中表示法,称为“ Monod图”:它们不再随时间携带b-半乳糖苷酶的活性,而是对酶活性增加与细菌量增加之间的关系感兴趣(请参见下图)。通过这种简单的表示变化,自动催化作用消失了,等离子体模型崩溃了!

B-半乳糖苷酶不是乳糖诱导的唯一蛋白质

在寻找乳糖诱导物的靶标时,乔治·科恩和霍华德·里肯伯格在发现乳糖诱导物不同于b-半乳糖苷酶时发现了乳糖通透酶,这种蛋白质可以使乳糖进入细菌。像b-半乳糖苷酶的合成一样,乳糖通透酶的合成不是“本构”的(内在的),而是可诱导的:进入细胞的乳糖诱导了乳糖通透酶的合成(……负责乳糖的进入!请参阅第28页的方框)。两种巴斯德氏菌还显示了针对不同氨基酸的特异性通透酶的存在。渗透酶的证明是一项重要发现,是迄今为止在细胞生理学中忽略的一章。

在Madeleine Jolit的帮助下,与这些酶学研究同时进行了寻找破坏酶促适应过程的突变的研究。自1936年留在帕萨迪纳加州理工学院的托马斯·摩根实验室以来,雅克·莫诺德就坚信遗传学研究可以为理解生理现象提供重要要素。如果巴斯德人发现直接影响b-半乳糖苷酶和通透酶基因的突变(他们分别为z-和y-浸洗),则约书亚·莱德伯格已经描述的其他研究的突变称为i-。更难解释:在没有诱导剂的情况下,它们会导致b-半乳糖苷酶(和通透酶)的永久合成(使用组成型表达)。

雅克·莫诺(Jacques Monod)创造了“酶促诱导” ...

从所有这些观察中,对初始模型的质疑,雅克·莫诺德(Jacques Monod)得出了许多结论。首先是放弃术语“酶促适应性”来表示观察到的现象:b-半乳糖苷酶的合成绝不是“适应性的”,因为它可以由人工化学化合物触发,细菌是无法代谢。 1953年,雅克·莫诺(Jacques Monod)和适应性酶的主要专家向英国科学杂志《自然》(Nature)发出了简短说明,他们郑重呼吁将“适应性”一词改成“中性的”。如果这种呼吁是基于我们描述的雅克·莫诺德及其合作者的观察结果,那么它的紧迫性无疑是由于雅克·莫诺德希望将他的实验方法与新拉马克派和吕森克派的实验方法区分开来的。强调生物体的适应能力(参见“生物大战”和“科学的四个”贵族”一章)。

雅克·莫诺德(Jacques Monod)将其归因于酶促诱导现象的重要性,导致他的观点发生了完全错误的颠覆:据他介绍,酶促诱导并不是特定于某些特定酶促体系的特异性,而是一种共同的特征。所有蛋白质合成系统。但是,Monod补充说,在大多数情况下,诱导剂是内源性和非外源性的,永久存在于细胞中,使这些合成错误地构成。

最后,如果巴斯德的经验破坏了先前的先驱模型,则它们不会提供描述归纳机制的替代解决方案。因此,直到1958年初,雅克·莫诺德(Jacques Monod)继续提出以一种或另一种形式延续模型的模型,该模型是诱导剂将导致b-半乳糖苷酶前体进化为活性形式的一种方法。 '酶。而就在弗朗索瓦·雅各布(FrançoisJacob)进行实验的当下,已经对酶诱导现象有了全新的了解,并有可能开始开发将成为操纵子的模型。

有一点很明确:解决方案将来自对不同的孤立突变的表征,特别是使b-半乳糖苷酶合成成为组成性成分的i-突变。过去几年在细菌遗传学上取得的进展,尤其是Elie Wollman和FrançoisJacob在安德烈·洛夫夫(AndréLwoff)的实验室中所做的工作,提供了迄今为止所缺乏的工具。 Elie Wollman和FrançoisJacob将研究重点放在了特定的噬菌体,噬菌体l和相应的溶菌性大肠杆菌K12菌株上,其特征是Joshua和Esther Lederberg:该K12菌株正是雅克·莫诺德分离出的一种1956年,突变破坏了乳糖的诱导过程。现在可以研究这些不同的突变是否属于一个或多个基因,在细菌染色体上对它们进行排序,并表征基因的野生和突变形式之间的关系。 1957年,为“伟大的合作”的开始做好了一切准备。

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