The Embryo Project Encyclopedia

Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese, die 1941 von George Wells Beadle in den USA vorgeschlagen wurde, ist die Theorie, dass jedes Gen direkt ein einzelnes Enzym produziert, das folglich einen einzelnen Schritt in einem Stoffwechselweg beeinflusst. Beadle wies 1941 nach, dass ein Gen in einer Fruchtfliege eine einzelne, spezifische chemische Reaktion in der Fruchtfliege steuert, die von einem Enzym kontrolliert wird. In den 1950er Jahren wurde die Theorie, dass Gene Enzyme produzieren, die einen einzelnen Stoffwechselschritt kontrollieren, von Norman Horowitz, einem Professor am California Institute of Technology (Caltech) und Mitarbeiter von Beadle, als „One gene-one enzyme hypothesis“ bezeichnet. Dieses Konzept half den Forschern, Gene als chemische Moleküle zu charakterisieren, und es half ihnen, die Funktionen dieser Moleküle zu identifizieren.

Die drei Wissenschaftler, die an der Entwicklung der Ein-Gen-ein-Enzym-Theorie beteiligt waren, waren Boris Ephrussi, Edward Lawrie Tatum und Beadle, aber da Beadle an allen Experimenten teilnahm, die zur Konstruktion der Theorie führten, räumten die anderen ein, dass Beadle die bedeutendste Rolle bei ihrer Entstehung spielte. Ephrussi arbeitete am Institut de Biologie Physico-chimique (Institut für physikalisch-chemische Biologie) in Paris, Frankreich, und untersuchte die Gene der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Er lernte Beadle kennen, der am Caltech in Pasadena, Kalifornien, arbeitete, nachdem er 1930 ein Rockefeller-Stipendium erhalten hatte, das ihm erlaubte, dort von 1934 bis 1935 zu forschen. Am Caltech untersuchten Beadle und Ephrussi die genetischen Faktoren der Augenpigmentierung bei Drosophila melanogaster.

Am Caltech experimentierten Beadle und Ephrussi von 1934 bis 1937 mit mutierten Fruchtfliegen. In einem Versuch, die Augenfarbe der Fliegen durch genetische Komponenten zu erklären, übertrugen Beadle und Ephrussi larvales Gewebe, das normalerweise zu erwachsenen Augen wird, von einem larvalen Embryo auf einen anderen und zeichneten die Ergebnisse auf. Anhand von sechsundzwanzig Mutanten, die unterschiedliche Augenfarben hatten, transplantierten Beadle und Ephrussi Augengewebe von einer Fliege jeder Art von Mutante in die Bauchregion einer Wildtyp- oder normalen Fruchtfliege. In allen Fällen bis auf zwei, entwickelten sich die in die Bauchhöhle transplantierten Augen mit der Augenfarbe der Mutante. Die Larven hatten also normale Augen und das transplantierte, rudimentäre Hinterleibsauge. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass es die Larvengene in den Zellen des transplantierten Gewebes waren und nicht die Umgebung des Larvengewebes, die zu der mutierten Augenfarbe führten.

Die beiden Ausnahmen betrafen Fliegenlarven, die eine zinnoberrote (v) und zinnoberrote (cn) Augenfarbe entwickelten, Farben, die Mutationen weg von der normalen Augenfarbe von Braun waren. Als das Gewebe dieser Mutanten in den Wildtyp transplantiert wurde, entwickelte sich das transplantierte Augengewebe in die Wildtyp-Augenfarbe und nicht in die jeweilige Mutantenfarbe. Beadle und Ephrussi schlossen aus diesen Ergebnissen, dass eine Substanz aus dem umgebenden Wirtsgewebe in das Gewebe der Mutantenlarve diffundiert, die zur Entwicklung der normalen Wildtyp-Augenfarbe führt. Sie stellten die Hypothese auf, dass es sich bei den Wildtyp-Zinnoberrot- und Zinnoberrot-Faktoren um Gene handelt, die für Enzyme kodieren, die für die Produktion von Substanzen notwendig sind, die die Wildtyp-Augenentwicklung verursachen. Obwohl die Idee „ein Gen – ein Enzym“ erst nach den Experimenten von Beadle und Tatum an Neurospora an Popularität gewann, stammte die Theorie also aus den früheren Versuchen von Beadle und Ephrussi mit Drosophila.

Nachdem Ephrussi 1935 Caltech verließ, arbeitete Beadle 1937 mit Edward Tatum an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien. Beadle und Tatum arbeiteten daran, herauszufinden, wie genau Gene Enzyme regulieren und biochemische Reaktionen steuern. Vor dieser Zeit suchten nur wenige Forscher in den USA nach den genetischen Ursachen chemischer Reaktionen, und das Gebiet der Biochemie hatte sich weitgehend im medizinischen Kontext entwickelt, während die Genetik im landwirtschaftlichen Kontext entstanden war. Um den Mechanismus der Funktionsweise von Genen aufzuklären und die Fragen, die sich aus den Drosophila-Experimenten ergaben, weiter zu untersuchen, konzentrierten sich Beadle und Tatum auf den Rotbrotschimmel Neurospora crassa. Zwischen 1937 und 1945 veröffentlichten die beiden gemeinsam eine Reihe von Arbeiten.

Beadle und Tatum erzeugten zunächst Neurospora-Mutanten, indem sie Neurospora mit Röntgenstrahlen bestrahlten. Anschließend keimten sie die geschlechtlichen Sporen in Röhrchen mit einem kompletten Medium, also einer physikalischen Umgebung, die Aminosäuren, Vitamine und andere organische Substanzen enthielt. Anschließend überführten sie Neurospora in Röhrchen mit einem Minimalmedium, in dem einige der Nährstoffe fehlten, die Neurospora zum Überleben brauchte. Beadle und Tatum untersuchten alle Neurospora-Mutanten, die im zweiten, minimalen Medium nicht wuchsen, erneut, um festzustellen, ob neue Anforderungen an die Wachstumsfaktoren induziert worden waren oder nicht. In fast allen Fällen, in denen eine Mutante im Minimalmedium nicht überleben konnte, behoben Beadle und Tatum die Wachstumsstörung durch Zugabe einer bestimmten Chemikalie – entweder eines Vitamins oder einer spezifischen Aminosäure – zum Medium. Die Ergebnisse legten nahe, dass diese Chemikalien, die Produkte von Genen waren, notwendig waren, damit die Gene ein benötigtes Enzym in einem biochemischen Weg kodierten. 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. Später wurde diese Idee als „Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese“ bezeichnet, nachdem weitere Untersuchungen des Phänomens Wissenschaftler zu dem Schluss führten, dass Gene tatsächlich Proteinprodukte spezifizieren.