Hipótesis de un gen, una enzima

La hipótesis de un gen-una enzima es la idea de que los genes actúan a través de la producción de enzimas , y cada gen es responsable de producir una sola enzima que a su vez afecta a un solo paso en una ruta metabólica . El concepto fue propuesto por George Beadle y Edward Tatum en un influyente artículo de 1941 ^[1] sobre mutaciones genéticas en el moho Neurospora crassa , y posteriormente fue apodado la "hipótesis de un gen-una enzima" por su colaborador Norman Horowitz . ^[2] En 2004, Horowitz recordó que "estos experimentos fundaron la ciencia de lo que Beadle y Tatum llamaron 'genética bioquímica'. En realidad, demostraron ser el pistoletazo de salida en lo que se convirtió en genética molecular y todos los desarrollos que han seguido a partir de eso". ^[3] El desarrollo de la hipótesis de un gen-una enzima a menudo se considera el primer resultado significativo en lo que llegó a llamarse biología molecular . ^[4] Aunque ha sido extremadamente influyente, la hipótesis fue reconocida poco después de su propuesta como una simplificación excesiva . Incluso la reformulación posterior de la hipótesis "un gen-un polipéptido" se considera ahora demasiado simple para describir la relación entre genes y proteínas. ^[5]

Aunque algunos casos de errores en el metabolismo siguiendo patrones de herencia mendeliana se conocían antes, comenzando con la identificación en 1902 por Archibald Garrod de la alcaptonuria como un rasgo recesivo mendeliano , en su mayor parte la genética no pudo aplicarse al metabolismo hasta finales de la década de 1930. Otra de las excepciones fue el trabajo de Boris Ephrussi y George Beadle, dos genetistas que trabajaban en los pigmentos del color de los ojos de las moscas de la fruta Drosophila melanogaster en el laboratorio de Caltech de Thomas Hunt Morgan . A mediados de la década de 1930 descubrieron que los genes que afectaban al color de los ojos parecían ser dependientes en serie, y que los ojos rojos normales de Drosophila eran el resultado de pigmentos que pasaban por una serie de transformaciones; diferentes mutaciones del gen del color de los ojos interrumpían las transformaciones en diferentes puntos de la serie. Por lo tanto, Beadle razonó que cada gen era responsable de una enzima que actuaba en la vía metabólica de la síntesis de pigmentos. Sin embargo, como se trataba de una vía relativamente superficial en lugar de una compartida ampliamente por diversos organismos, se sabía poco sobre los detalles bioquímicos del metabolismo de los pigmentos oculares de la mosca de la fruta. Estudiar esa vía con más detalle requería aislar los pigmentos de los ojos de las moscas, un proceso extremadamente tedioso. ^[6]

Después de trasladarse a la Universidad de Stanford en 1937, Beadle empezó a trabajar con el bioquímico Edward Tatum para aislar los pigmentos oculares de las moscas. Tras cierto éxito con este enfoque (identificaron uno de los pigmentos intermedios poco después de que otro investigador, Adolf Butenandt , se les adelantara en el descubrimiento), Beadle y Tatum cambiaron su enfoque a un organismo que facilitaba mucho los estudios genéticos de los rasgos bioquímicos: el moho del pan Neurospora crassa , que había sido recientemente sometido a investigación genética por uno de los investigadores de Thomas Hunt Morgan, Carl C. Lingegren. Neurospora tenía varias ventajas: requería un medio de crecimiento simple , crecía rápidamente y, debido a la producción de ascosporas durante la reproducción, era fácil aislar mutantes genéticos para su análisis. Produjeron mutaciones exponiendo el hongo a rayos X y luego identificaron cepas que tenían defectos metabólicos variando el medio de crecimiento. Este trabajo de Beadle y Tatum condujo casi de inmediato a una generalización importante. Esto era que la mayoría de los mutantes incapaces de crecer en un medio mínimo pero capaces de crecer en un medio “completo” requieren cada uno la adición de un solo suplemento particular para el crecimiento en un medio mínimo. Si la síntesis de un nutriente particular (como un aminoácido o vitamina ) se interrumpía por una mutación, esa cepa mutante podría cultivarse añadiendo el nutriente necesario al medio. Este hallazgo sugirió que la mayoría de las mutaciones afectaban sólo a una única vía metabólica. Más evidencia obtenida poco después de los hallazgos iniciales tendía a mostrar que generalmente sólo se bloquea un único paso en la vía. Después de su primer informe de tres de esos mutantes auxótrofos en 1941, Beadle y Tatum utilizaron este método para crear una serie de mutantes relacionados y determinaron el orden en el que se sintetizaban los aminoácidos y algunos otros metabolitos en varias vías metabólicas. ^[7] La ​​inferencia obvia de estos experimentos fue que cada mutación genética afecta la actividad de una sola enzima. Esto condujo directamente a la hipótesis de un gen-una enzima, que, con ciertas calificaciones y refinamientos, ha permanecido esencialmente válida hasta el día de hoy. Como recuerdan Horowitz et al., ^[8]El trabajo de Beadle y Tatum también demostró que los genes tienen un papel esencial en la biosíntesis. En la época de los experimentos (1941), los no genetistas todavía creían en general que los genes gobernaban sólo rasgos biológicos triviales, como el color de los ojos y la disposición de las cerdas en las moscas de la fruta, mientras que la bioquímica básica estaba determinada en el citoplasma por procesos desconocidos. Además, muchos genetistas respetados pensaban que la acción de los genes era demasiado complicada para ser resuelta mediante un simple experimento. De este modo, Beadle y Tatum provocaron una revolución fundamental en nuestra comprensión de la genética, por la que recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958.

Los mutantes nutricionales de Neurospora también demostraron tener aplicaciones prácticas; en uno de los primeros ejemplos, aunque indirectos, de financiación militar de la ciencia en las ciencias biológicas, Beadle obtuvo fondos de investigación adicionales (de la Fundación Rockefeller y una asociación de fabricantes de raciones militares) para desarrollar cepas que pudieran usarse para analizar el contenido de nutrientes de los alimentos, para garantizar una nutrición adecuada para las tropas en la Segunda Guerra Mundial . ^[9]

En su primer artículo sobre Neurospora , publicado en la edición del 15 de noviembre de 1941 de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , Beadle y Tatum señalaron que era "totalmente sostenible suponer que estos genes, que son en sí mismos parte del sistema, controlan o regulan reacciones específicas en el sistema ya sea actuando directamente como enzimas o determinando las especificidades de las enzimas", una idea que se había sugerido, aunque con un apoyo experimental limitado, ya en 1917; ofrecieron nuevas pruebas para apoyar esa visión y esbozaron un programa de investigación que permitiría explorarla más a fondo. ^[1] En 1945, Beadle, Tatum y otros, trabajando con Neurospora y otros organismos modelo como E. coli , habían producido evidencia experimental considerable de que cada paso en una ruta metabólica está controlado por un solo gen. En una revisión de 1945, Beadle sugirió que "el gen puede visualizarse como dirigiendo la configuración final de una molécula de proteína y, por lo tanto, determinando su especificidad". También argumentó que "por razones de economía en el proceso evolutivo, se podría esperar que, con pocas excepciones, la especificidad final de una enzima particular fuera impuesta por un solo gen". En ese momento, se pensaba ampliamente que los genes estaban compuestos de proteínas o nucleoproteínas (aunque el experimento de Avery-MacLeod-McCarty y trabajos relacionados comenzaban a poner en duda esa idea). Sin embargo, la conexión propuesta entre un solo gen y una sola enzima proteica sobrevivió a la teoría proteica de la estructura genética. En un artículo de 1948, Norman Horowitz denominó el concepto "hipótesis de un gen-una enzima". ^[2]

Aunque influyente, la hipótesis de un gen-una enzima no estuvo exenta de cuestionamientos. Entre otros, Max Delbrück era escéptico respecto de que en cada paso de las vías metabólicas sólo intervenía una enzima. Para muchos de los que sí aceptaron los resultados, éstos reforzaron el vínculo entre genes y enzimas, de modo que algunos bioquímicos pensaron que los genes eran enzimas; esto era coherente con otros trabajos, como los estudios sobre la reproducción del virus del mosaico del tabaco (que se sabía que tenía variaciones hereditarias y que seguía el mismo patrón de autocatálisis que muchas reacciones enzimáticas) y la cristalización de ese virus como una proteína aparentemente pura. A principios de los años cincuenta, los hallazgos de Neurospora fueron ampliamente admirados, pero la opinión predominante en 1951 era que la conclusión que Beadle había extraído de ellos era una enorme simplificación excesiva. ^[8] Beadle escribió en 1966 que, después de leer el Simposio sobre genes y mutaciones de Cold Spring Harbor de 1951, tenía la impresión de que los partidarios de la hipótesis de un gen-una enzima “podían contarse con los dedos de una mano y aún quedaban un par de dedos más”. ^[10] A principios de la década de 1950, la mayoría de los bioquímicos y genetistas consideraban que el ADN era el candidato más probable para la base física del gen, y la hipótesis de un gen-una enzima se reinterpretó en consecuencia. ^[11]

Al atribuir a los genes una función instructiva, Beadle y Tatum implícitamente les concedieron una capacidad informativa. Esta idea sentó las bases para el concepto de código genético. Sin embargo, no fue hasta que se realizaron experimentos que demostraron que el ADN era el material genético, que las proteínas consisten en una secuencia lineal definida de aminoácidos y que la estructura del ADN contenía una secuencia lineal de pares de bases, cuando se obtuvo una base clara para descifrar el código genético.

A principios de los años 1950, los avances en genética bioquímica —estimulados en parte por la hipótesis original— hicieron que la hipótesis de un gen-una enzima pareciera muy improbable (al menos en su forma original). A partir de 1957, Vernon Ingram y otros demostraron mediante electroforesis y cromatografía 2D que las variaciones genéticas en proteínas (como la hemoglobina falciforme ) podían limitarse a diferencias en una sola cadena polipeptídica en una proteína multimérica , lo que llevó a una hipótesis de "un gen-un polipéptido" en su lugar. ^[12] Según el genetista Rowland H. Davis, "en 1958 —de hecho, incluso en 1948— un gen, una enzima ya no era una hipótesis que se pudiera defender con determinación; era simplemente el nombre de un programa de investigación". ^[13]

En la actualidad, la perspectiva de un gen por polipéptido no puede explicar las diversas versiones empalmadas en muchos organismos eucariotas que utilizan un espliceosoma para preparar individualmente una transcripción de ARN en función de las diversas señales ambientales intercelulares e intracelulares. Este empalme fue descubierto en 1977 por Phillip Sharp y Richard J. Roberts ^[14].

El historiador Jan Sapp ha estudiado la controversia en torno al genetista alemán Franz Moewus , quien, como argumentaron algunos genetistas destacados de los años 1940 y 1950, generó resultados similares antes del célebre trabajo de Beadle y Tatum de 1941. ^[15] Trabajando con el alga Chlamydomonas , Moewus publicó, en los años 1930, resultados que demostraban que diferentes genes eran responsables de diferentes reacciones enzimáticas en la producción de hormonas que controlaban la reproducción del organismo. Sin embargo, como detalla hábilmente Sapp, esos resultados fueron cuestionados por otros que encontraron que los datos eran "demasiado buenos para ser ciertos" estadísticamente, y los resultados no pudieron ser replicados.

• Edward Lawrie Tatum
• George Wells, albañil
• Neurospora crassa
• Norman Horowitz (genetista)
• Dogma central de la biología molecular

• Fruton JS (1999). Proteínas, enzimas, genes: la interacción entre la química y la biología . New Haven: Yale University Press . ISBN 0-300-07608-8.
• Kay LE (1993). La visión molecular de la vida: Caltech, la Fundación Rockefeller y el surgimiento de la nueva biología . Nueva York: Oxford University Press . ISBN 0-19-511143-5.
• Morange M (1998). Una historia de la biología molecular . Cobb M (trad.). Cambridge: Harvard University Press . ISBN. 0-674-39855-6.

• Hickman M, Cairns J (2003). "El centenario de la hipótesis de un gen, una enzima". Genética . 163 (3): 839–841. doi :10.1093/genetics/163.3.839. PMC  1462495 . PMID  12663526.
• Horowitz NH (1995). "Un gen, una enzima: recordando la genética bioquímica". Protein Science . 4 (5): 1017–1019. doi :10.1002/pro.5560040524. PMC  2143113 . PMID  7663338.