فرضية جين واحد - إنزيم واحد

تُعرف فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد بأنها فكرة مفادها أن الجينات تعمل من خلال إنتاج الإنزيمات ، حيث يكون كل جين مسؤولاً عن إنتاج إنزيم واحد يؤثر بدوره على خطوة واحدة في مسار أيضي . وقد طُرح هذا المفهوم من قِبل جورج بيدل وإدوارد تاتوم في ورقة بحثية مؤثرة نُشرت عام 1941 ^{[ 1 ]} حول الطفرات الجينية في فطر نيوروسبورا كراسا ، ثم أطلق عليها لاحقًا زميلهما نورمان هورويتز اسم "فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد" ^{[ 2 ]} . وفي عام 2004، استذكر هورويتز قائلاً: "أسست هذه التجارب علم ما أسماه بيدل وتاتوم "علم الوراثة الكيميائية الحيوية". وفي الواقع، أثبتت أنها كانت بمثابة الشرارة الأولى لما أصبح يُعرف بعلم الوراثة الجزيئية وجميع التطورات التي تلتها" ^{[ 3 ]} . وغالبًا ما يُعتبر تطوير فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد أول نتيجة مهمة في ما أصبح يُعرف بعلم الأحياء الجزيئي . ^{[ 4 ]} على الرغم من تأثيرها الكبير، فقد اعتُرف بهذه الفرضية بعد طرحها بفترة وجيزة بأنها تبسيط مفرط . حتى إعادة صياغة فرضية "جين واحد - عديد ببتيد واحد" اللاحقة تُعتبر الآن مبسطة للغاية لوصف العلاقة بين الجينات والبروتينات. ^{[ 5 ]}

على الرغم من معرفة بعض حالات الأخطاء في التمثيل الغذائي التي تتبع أنماط الوراثة المندلية في وقت سابق، بدءًا من تحديد أرشيبالد جارود لمرض الألكابتونوريا كصفة متنحية مندلية عام 1902 ، إلا أنه لم يكن بالإمكان تطبيق علم الوراثة على التمثيل الغذائي في معظم الحالات حتى أواخر ثلاثينيات القرن العشرين. ومن الاستثناءات الأخرى عمل بوريس إفروسي وجورج بيدل، وهما عالما وراثة كانا يعملان على أصباغ لون عيون ذباب الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوجاستر ) في مختبر توماس هانت مورغان التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا . في منتصف ثلاثينيات القرن العشرين، وجدا أن الجينات المؤثرة على لون العين تبدو مترابطة بشكل متسلسل، وأن العيون الحمراء الطبيعية لذباب الفاكهة ناتجة عن أصباغ تمر بسلسلة من التحولات؛ حيث أدت طفرات جينية مختلفة في لون العين إلى تعطيل هذه التحولات في نقاط مختلفة من السلسلة. وهكذا، استنتج بيدل أن كل جين مسؤول عن إنزيم يعمل في مسار التمثيل الغذائي لتخليق الصبغة. ومع ذلك، ولأن هذا المسار كان سطحيًا نسبيًا وليس مسارًا مشتركًا على نطاق واسع بين الكائنات الحية المتنوعة، لم يكن معروفًا سوى القليل عن التفاصيل البيوكيميائية لعملية استقلاب صبغة عين ذبابة الفاكهة. وقد تطلبت دراسة هذا المسار بمزيد من التفصيل عزل الصبغات من عيون الذباب، وهي عملية شاقة للغاية. ^{[ 6 ]}

بعد انتقاله إلى جامعة ستانفورد عام ١٩٣٧، بدأ بيدل العمل مع عالم الكيمياء الحيوية إدوارد تاتوم لعزل أصباغ عيون الذباب. وبعد بعض النجاح في هذا النهج - إذ تمكنا من تحديد أحد الأصباغ الوسيطة بعد فترة وجيزة من اكتشاف الباحث أدولف بوتيناندت لها - حوّل بيدل وتاتوم تركيزهما إلى كائن حيّ سهّل الدراسات الجينية للصفات البيوكيميائية: عفن الخبز نيوروسبورا كراسا ، الذي خضع مؤخرًا لأبحاث جينية أجراها كارل سي. لينجغرين ، أحد باحثي توماس هانت مورغان . تميّز نيوروسبورا بعدة مزايا: فهو لا يتطلب وسط نموّ كبير ، وينمو بسرعة، وبفضل إنتاجه للأبواغ الزقية أثناء التكاثر، كان من السهل عزل الطفرات الجينية لتحليلها. وقد أحدثا طفرات بتعريض الفطر للأشعة السينية ، ثم حدّدا السلالات التي تعاني من عيوب أيضية بتغيير وسط النمو. وقد أدى عمل بيدل وتاتوم هذا، على الفور تقريبًا، إلى تعميم مهم. كانت النتيجة أن معظم الطفرات غير القادرة على النمو في وسط غذائي بسيط، ولكنها قادرة على النمو في وسط غذائي "كامل"، لا تتطلب سوى إضافة مكمل غذائي واحد محدد للنمو في الوسط الغذائي البسيط. إذا تعطل تخليق عنصر غذائي معين (مثل حمض أميني أو فيتامين ) بسبب طفرة، فإنه يمكن تنمية سلالة الطفرة هذه بإضافة العنصر الغذائي اللازم إلى الوسط. تشير هذه النتيجة إلى أن معظم الطفرات تؤثر على مسار أيضي واحد فقط. وقد أظهرت أدلة أخرى تم الحصول عليها بعد النتائج الأولية بفترة وجيزة أن خطوة واحدة فقط في المسار هي التي تُحجب عادةً. بعد تقريرهما الأول عن ثلاث طفرات غذائية ذاتية التغذية في عام 1941، استخدم بيدل وتاتوم هذه الطريقة لإنشاء سلسلة من الطفرات ذات الصلة، وحددا ترتيب تخليق الأحماض الأمينية وبعض المستقلبات الأخرى في عدة مسارات أيضية. ^{[ 7 ]} كان الاستنتاج الواضح من هذه التجارب هو أن كل طفرة جينية تؤثر على نشاط إنزيم واحد. أدى هذا مباشرةً إلى فرضية "جين واحد - إنزيم واحد"، والتي، مع بعض التحفظات والتحسينات، ظلت صالحة بشكل أساسي حتى يومنا هذا. كما ذكر هورويتز وآخرون، ^{[ 8 ]}أظهرت أعمال بيدل وتاتوم أيضًا أن للجينات دورًا أساسيًا في عمليات التخليق الحيوي. في ذلك الوقت (عام ١٩٤١)، كان غير المتخصصين في علم الوراثة يعتقدون عمومًا أن الجينات لا تتحكم إلا في سمات بيولوجية بسيطة، مثل لون العين وترتيب الشعيرات في ذباب الفاكهة، بينما تُحدد العمليات الكيميائية الحيوية الأساسية في السيتوبلازم بواسطة عمليات غير معروفة. كما اعتقد العديد من علماء الوراثة المرموقين أن آلية عمل الجينات معقدة للغاية بحيث لا يمكن فهمها من خلال أي تجربة بسيطة. وهكذا، أحدث بيدل وتاتوم ثورة جوهرية في فهمنا لعلم الوراثة، ونالا بفضلها جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام ١٩٥٨.

كما أثبتت الطفرات الغذائية لفطر نيوروسبورا أن لها تطبيقات عملية؛ ففي أحد الأمثلة المبكرة، وإن كانت غير مباشرة، للتمويل العسكري للعلوم في العلوم البيولوجية، حصل بيدل على تمويل بحثي إضافي (من مؤسسة روكفلر ورابطة مصنعي الحصص الغذائية العسكرية) لتطوير سلالات يمكن استخدامها لتحليل المحتوى الغذائي للمواد الغذائية، لضمان التغذية الكافية للقوات في الحرب العالمية الثانية . ^{[ 9 ]}

في أول ورقة بحثية لهما حول فطر نيوروسبورا ، المنشورة في عدد 15 نوفمبر 1941 من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، أشار بيدل وتاتوم إلى أنه "من الممكن تمامًا افتراض أن هذه الجينات، التي تُعد جزءًا من النظام نفسه، تتحكم في تفاعلات محددة في النظام أو تنظمها، إما من خلال العمل مباشرةً كإنزيمات أو من خلال تحديد خصائص الإنزيمات"، وهي فكرة طُرحت، وإن كانت مدعومة بتجارب محدودة، منذ عام 1917؛ وقدّما أدلة جديدة لدعم هذا الرأي، وحدّدا برنامجًا بحثيًا من شأنه أن يُتيح استكشافه بشكل أوسع. ^{[ 1 ]} وبحلول عام 1945، قدّم بيدل وتاتوم وآخرون، من خلال العمل مع فطر نيوروسبورا وكائنات نموذجية أخرى مثل الإشريكية القولونية ، أدلة تجريبية كبيرة تُثبت أن كل خطوة في مسار أيضي يتحكم بها جين واحد. وفي مراجعة نُشرت عام 1945، اقترح بيدل أنه "يمكن تصور الجين على أنه يُوجّه التكوين النهائي لجزيء البروتين، وبالتالي يُحدد خصائصه". كما جادل بأن "أسبابًا تتعلق بالاقتصاد في عملية التطور، يُمكن توقع أن تُفرض الخصوصية النهائية لإنزيم معين، باستثناءات قليلة، بواسطة جين واحد فقط". في ذلك الوقت، كان يُعتقد على نطاق واسع أن الجينات تتكون من بروتينات أو بروتينات نووية (على الرغم من أن تجربة أفيري-ماكلويد-مكارتي والأبحاث ذات الصلة بدأت تُشكك في هذه الفكرة). ومع ذلك، فقد تجاوزت الصلة المقترحة بين جين واحد وإنزيم بروتيني واحد نظرية البروتين لبنية الجين. في ورقة بحثية نُشرت عام 1948، أطلق نورمان هورويتز على هذا المفهوم اسم "فرضية جين واحد - إنزيم واحد". ^{[ 2 ]}

على الرغم من تأثيرها، لم تكن فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد - بلا معارضة. فقد شكك ماكس ديلبروك ، من بين آخرين، في أن إنزيمًا واحدًا فقط هو الذي يشارك فعليًا في كل خطوة من خطوات المسارات الأيضية. بالنسبة للكثيرين ممن قبلوا النتائج، فقد عززت هذه الفرضية الصلة بين الجينات والإنزيمات، حتى أن بعض علماء الكيمياء الحيوية اعتقدوا أن الجينات هي إنزيمات؛ وهذا يتوافق مع أعمال أخرى، مثل دراسات تكاثر فيروس تبرقش التبغ (المعروف بوجود اختلافات وراثية فيه، والذي يتبع النمط نفسه للتحفيز الذاتي الذي تتبعه العديد من التفاعلات الإنزيمية) وتبلور ذلك الفيروس كبروتين نقي ظاهريًا. في بداية خمسينيات القرن العشرين، لاقت نتائج دراسة فطر نيوروسبورا إعجابًا واسعًا، لكن الرأي السائد في عام 1951 كان أن الاستنتاج الذي توصل إليه بيدل منها كان تبسيطًا مفرطًا. ^{[ ٨ ]} كتب بيدل في عام ١٩٦٦ أنه بعد قراءة ندوة كولد سبرينغ هاربور لعام ١٩٥١ حول الجينات والطفرات، انتابه شعور بأن مؤيدي فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد "يمكن عدّهم على أصابع يد واحدة مع بقاء إصبعين". ^{[ ١٠ ]} وبحلول أوائل الخمسينيات، اعتبر معظم علماء الكيمياء الحيوية وعلماء الوراثة الحمض النووي (DNA) المرشح الأرجح للأساس الفيزيائي للجين، وأُعيد تفسير فرضية الجين الواحد - الإنزيم الواحد وفقًا لذلك. ^{[ ١١ ]}

درس المؤرخ يان ساب الجدل الدائر حول عالم الوراثة الألماني فرانز مويفوس ، الذي، كما جادل بعض علماء الوراثة البارزين في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، توصل إلى نتائج مماثلة قبل العمل الشهير الذي قام به بيدل وتاتوم عام 1941. ^{[ 15 ]} فقد نشر مويفوس، أثناء عمله على طحالب الكلاميدوموناس ، في ثلاثينيات القرن العشرين، نتائج أظهرت أن جينات مختلفة مسؤولة عن تفاعلات إنزيمية مختلفة في إنتاج الهرمونات التي تتحكم في تكاثر الكائن الحي. ومع ذلك، وكما يوضح ساب ببراعة، فقد طُعن في هذه النتائج من قبل آخرين وجدوا أن البيانات "مبالغ فيها إحصائيًا"، ولم يكن من الممكن تكرار النتائج.

• إدوارد لوري تاتوم
• جورج ويلز بيدل
• نيوروسبورا كراسا
• نورمان هورويتز (عالم الوراثة)
• العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي

• فروتون، جيه إس (1999). البروتينات، الإنزيمات، الجينات: التفاعل بين الكيمياء وعلم الأحياء . نيو هيفن: مطبعة جامعة ييل . ISBN 0-300-07608-8.
• كاي، ل. إي. (1993). الرؤية الجزيئية للحياة: معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، ومؤسسة روكفلر، ونشأة علم الأحياء الجديد . نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد . رقم ISBN 0-19-511143-5.
• مورانج، م. (1998). تاريخ البيولوجيا الجزيئية . ترجمة كوب، م. كامبريدج: مطبعة جامعة هارفارد . ISBN 0-674-39855-6.

• هيكمان م، كيرنز ج (2003). " الذكرى المئوية لفرضية الجين الواحد والإنزيم الواحد" . علم الوراثة . 163 (3): 839-841 . doi : 10.1093/genetics/163.3.839 . PMC 1462495. PMID 12663526 .  
• هورويتز، ن. هـ. (1995). "جين واحد - إنزيم واحد: استذكار علم الوراثة الكيميائية الحيوية" . علم البروتين . 4 (5): 1017-1019 . doi : 10.1002/pro.5560040524 . PMC 2143113. PMID 7663338 .