Эксперимент Мезельсона и Сталя

После открытия Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК было предложено несколько возможных механизмов её репликации. Первую гипотезу полуконсервативной репликации ДНК предложили сами Уотсон и Крик[2].

Гипотеза консервативной репликации ДНК предполагает, что материнская двойная спираль как целое выступает в качестве матрицы для синтеза дочерней спирали, состоящей из двух новых цепочек[3]. Эта гипотеза подразумевает большую роль гистонов в процессе репликации.

Гипотеза дисперсной репликации возникла как попытка объяснить, каким образом клетка может решить проблему раскручивания длинных дуплексов при копировании ДНК. Согласно этой гипотезе, для предотвращения суперскручивания ДНК при репликации в неё через каждые 5 нуклеотидных остатков вносятся разрывы, которые «зашиваются» после того, как излишнее напряжение снимется с молекулы. В результате дочерняя (вновь синтезируемая цепь) состоит из чередующихся старых и новых участков длиной по 5 нуклеотидных остатков. То же верно и для материнской цепи. Эта гипотеза была предложена Максом Дельбрюком[4].

Каждая из этих гипотез предполагает определённое распределение старой ДНК в молекулах, образующихся после завершения репликации. По гипотезе консервативной репликации одна из молекул будет полностью старой, а вторая — полностью новой. Полуконсервативный синтез должен приводить к формированию молекул, которые содержат по одной старой и одной новой цепи. Модель дисперсной репликации же предсказывает, что каждая цепь каждой молекулы ДНК будет состоять из чередующихся старых и новых участков[5]. Таким образом, если установить, какой из этих случаев наблюдается в природе, можно определить верную модель.

Схема эксперимента Мезельсона и Сталя

В 1957 году Мезельсон, Сталь и Джером Виноград опубликовали статью о новом методе изучения молекулярного веса и парциального удельного объёма макромолекул (например, ДНК) — равновесном ультрацентрифугировании в градиенте плотности[6]. Этот метод позволяет разделять молекулы ДНК по их плотности: каждая молекула остановится в том месте градиента, где плотность раствора совпадает с её плавучей плотностью. Авторы применили этот метод для разделения молекул ДНК, содержащих изотопы азота ¹⁴N и ¹⁵N[1]. ¹⁵N не радиоактивен, а лишь тяжелее ¹⁴N. Содержащие тяжелый изотоп молекулы ДНК функциональны и могут удваиваться.

Мезельсон и Сталь показали, что, если вырастить несколько поколений бактерий Escherichia coli в среде, богатой ¹⁵N или ¹⁴N, затем центрифугировать их ДНК в градиенте плотности хлористого цезия, то окажется, что более тяжёлая ¹⁵N-ДНК останавливается ближе ко дну центрифужной пробирки, чем ¹⁴N-ДНК[1].

Для того чтобы установить механизм репликации, E. coli, которые в течение нескольких поколений росли в ¹⁵N-содержащей среде (а значит, их ДНК содержала только ¹⁵N) были перенесены в ¹⁴N-содержащую среду, где им было позволено поделиться только один раз. Плотность выделенной из этих клеток ДНК оказалась больше плотности ДНК бактерий, выращенных в среде, богатой ¹⁴N, но меньше плотности ДНК бактерий, выращенных в ¹⁵N среде. Это противоречило гипотезе о консервативном характере репликации ДНК, при котором ДНК разделились бы на две фракции с высокой и низкой плотностью, но не с промежуточной. Таким образом, первая гипотеза была отброшена[1].

Однако полученный результат не исключал дисперсный механизм репликации, при котором участки материнской ДНК чередуются с участками дочерней ДНК. По гипотезе дисперсной репликации плотность ДНК бактерий должна быть одинаковой для всех молекул и занимать промежуточное положение между плотностью ДНК клеток первого поколения и плотностью самой лёгкой ДНК. Оказалось, однако, что клетки содержали примерно равные количества тяжелых ДНК (первое поколение) и гибридных ДНК (второе поколение). Этот факт позволил исключить гипотезу дисперсного механизма репликации[1].