The Embryo Project Encyclopedia

De één-gen-één-enzym-hypothese, in 1941 in de VS voorgesteld door George Wells Beadle, is de theorie dat elk gen rechtstreeks één enkel enzym produceert, dat bijgevolg een individuele stap in een metabolische route beïnvloedt. In 1941 toonde Beadle aan dat één gen in een fruitvlieg één enkele, specifieke chemische reactie in de fruitvlieg controleerde, die door één enzym werd gestuurd. In de jaren 1950 werd de theorie dat genen enzymen produceren die één enkele metabolische stap controleren, de “één gen – één enzym”-hypothese genoemd door Norman Horowitz, een professor aan het California Institute of Technology (Caltech) en een medewerker van Beadle. Dit concept hielp onderzoekers genen te karakteriseren als chemische moleculen, en het hielp hen de functies van die moleculen te identificeren.

De drie wetenschappers die betrokken waren bij de ontwikkeling van de theorie van één gen – één enzym waren Boris Ephrussi, Edward Lawrie Tatum, en Beadle, maar omdat Beadle deelnam aan alle experimenten die leidden tot de constructie van de theorie, gaven de anderen toe dat Beadle de belangrijkste rol speelde bij het ontstaan ervan. Ephrussi werkte aan het Institut de Biologie Physico-chimique (Instituut voor fysisch-chemische biologie) in Parijs, Frankrijk, en bestudeerde de genen van de fruitvlieg Drosophila melanogaster. Hij ontmoette Beadle, die aan de Caltech in Pasadena, Californië werkte nadat hij in 1930 een Rockefeller-beurs had gekregen die hem in staat stelde er van 1934 tot 1935 onderzoek te doen. Bij Caltech bestudeerden Beadle en Ephrussi de genetische factoren van oogpigmentatie bij Drosophila melanogaster.

Bij Caltech experimenteerden Beadle en Ephrussi van 1934 tot 1937 met gemuteerde fruitvliegen. In een poging om de oogkleur van vliegen te verklaren door genetische componenten, brachten Beadle en Ephrussi larvale weefsels die normaal volwassen ogen zouden worden over van het ene larvale embryo naar het andere embryo en registreerden de resultaten. Met behulp van zesentwintig mutanten die verschillende oogkleuren van elkaar hadden, transplanteerden Beadle en Ephrussi oogweefsel van een vlieg van elke soort mutant in de buikstreek van een wild-type, of normale, fruitvlieg. In alle gevallen, op twee na, ontwikkelden de in de buik getransplanteerde ogen zich met de mutante oogkleur. De larven hadden dus normale ogen en het getransplanteerde, rudimentaire abdominale oog. Dit resultaat suggereerde dat het de larvale genen in de cellen van de getransplanteerde weefsels waren, en niet de omgeving van de larvale weefsels, die tot de gemuteerde oogkleur leidden.

De twee uitzonderingen betroffen vliegenlarven die vermiljoen (v) en cinnaber (cn) oogkleur zouden ontwikkelen, kleuren die mutaties waren verwijderd van de normale oogkleur bruin. Wanneer het weefsel van deze mutanten werd getransplanteerd in het wild-type, ontwikkelde het getransplanteerde oogweefsel zich tot de wild-type oogkleur, in plaats van de respectieve mutantkleur. Beadle en Ephrussi leidden uit deze resultaten af dat een of andere stof vanuit het omliggende gastheerweefsel in het mutantlarveweefsel diffundeerde, wat leidde tot de ontwikkeling van de normale wild-type oogkleur. Zij veronderstelden dat de vermiljoen- en cinnabar-factoren van het wildtype genen waren die codeerden voor enzymen die nodig zijn voor de productie van stoffen die de ontwikkeling van het wildtype oog kunnen veroorzaken. Hoewel het idee van één gen – één enzym dus pas populair werd na de experimenten van Beadle en Tatum met Neurospora, kwam de theorie voort uit de eerdere experimenten van Beadle en Ephrussi met Drosophila.

Nadat Ephrussi in 1935 Caltech verliet, werkte Beadle in 1937 samen met Edward Tatum aan de Stanford University in Palo Alto, Californië. Beadle en Tatum werkten om te bepalen hoe genen precies enzymen regelden en biochemische reacties controleerden. Vóór die tijd zochten weinig onderzoekers in de VS naar de genetische oorzaken van chemische reacties, en het gebied van de biochemie had zich grotendeels ontwikkeld binnen een medische context, terwijl de genetica zich had ontwikkeld binnen de landbouwcontext. Om het mechanisme van de werking van genen op te helderen en om de vragen die voortvloeiden uit de Drosophila-experimenten verder te onderzoeken, richtten Beadle en Tatum zich op de rode broodschimmel Neurospora crassa. Tussen 1937 en 1945 publiceerden de twee samen een reeks artikelen.

Beadle en Tatum creëerden eerst Neurospora-mutanten door Neurospora te bestralen met röntgenstraling. Vervolgens kiemden zij geslachtelijke sporen in buisjes met een compleet medium, of fysisch milieu, dat aminozuren, vitaminen en andere organische stoffen bevatte. Vervolgens brachten zij Neurospora over in buisjes met een minimaal medium, waarin enkele voedingsstoffen ontbraken die de Neurospora nodig had om te overleven. Beadle en Tatum onderzochten opnieuw alle Neurospora-mutanten die niet groeiden in het tweede, minimale medium om te bepalen of er al dan niet nieuwe groeifactorvereisten waren geïnduceerd. In bijna alle gevallen waarin een mutant niet in staat was in het minimale medium te overleven, verhelpen Beadle en Tatum het groeiachterstand door een bepaalde chemische stof – een vitamine of een specifiek aminozuur – aan het medium toe te voegen. De resultaten suggereerden dat deze chemicaliën, die producten van genen waren, noodzakelijk waren voor de genen om een vereist enzym in een biochemische route te coderen. In 1941 publiceerden Beadle en Tatum hun resultaten in “Genetic control of biochemical reactions in Neurospora,” waarin Beadle de één-gen-één-enzym-hypothese voorstelde.

De informatie die werd verkregen uit de experimenten met Neurospora bevestigde wat Beadle had gezien bij Drosophila toen hij met Ephrussi werkte. Het bevestigde dat een gen de werking van een enkele biochemische route specificeerde, of één stap in een totale reeks reacties, en dit werd gedaan door de productie van een specifiek enzym. Beadle en Tatum ontvingen in 1958 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor hun werk aan de Neurospora en voor het aantonen dat genen chemische processen reguleerden.

De hypothese werd gewijzigd na verschillende studies, waaronder die van Vernon Ingram die werkte aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts. In 1957 toonde Ingram aan dat sommige genen verantwoordelijk waren voor afzonderlijke polypeptideketens van een eiwit dat uit meerdere ketens bestond. Vervolgens werd dit idee de één-gen-één-polypeptide-hypothese genoemd, nadat verder onderzoek naar het verschijnsel wetenschappers tot de conclusie had gebracht dat genen eigenlijk eiwitproducten specificeren.