Die meisten Menschen glaubten, dass Gene aus Proteinen bestehen müssten, weil Nukleinsäuren als zu einfach angesehen wurden, um genetische Informationen zu tragen. Avery arbeitete sein ganzes Leben lang an Pneumokokken und bakterieller Lungenentzündung. Griffith zeigte, dass die Transformation eines nicht-virulenten Stammes in Mäusen durch die gleichzeitige Injektion von hitzegetöteten virulenten Bakterien erreicht werden kann. Averys Labor gelang es, eine Transformation im Reagenzglas zu erreichen, aber es dauerte viele Jahre, um einen zuverlässigen Test zu etablieren und schließlich das für diesen Effekt verantwortliche Molekül zu reinigen, das sich als DNA herausstellte. Obwohl diese Arbeit gut bekannt war, waren die meisten Wissenschaftler nicht von der allgemeinen Bedeutung dieses Phänomens überzeugt. Außerdem glaubten viele Biochemiker, dass sogar die gereinigte DNA mit einem Protein verunreinigt war. Schließlich war die Transformation ein sehr ineffizienter Prozess und der Mechanismus der Transformation blieb viele Jahre lang rätselhaft. Die Arbeit von Hershey und Chase überzeugte die wissenschaftliche Gemeinschaft schließlich davon, dass Gene aus DNA bestehen. Heute wissen wir, dass der Austausch von DNA durch Transformation sehr häufig vorkommt und zum horizontalen Transfer von DNA zumindest zwischen bakteriellen Arten beiträgt und ein erheblicher Beschleuniger der Evolution war

Der Ursprung von Mutationen war ein Feld heftiger Diskussionen zwischen den Anhängern des Darwinismus und denen des Lamarckismus. Das Hauptproblem bestand darin, einen experimentellen Ansatz zu definieren, mit dem eindeutig zwischen zufälligen Mutationen und Mutationen, die durch das Selektionsmittel verursacht wurden, das ihre Existenz aufdeckte, unterschieden werden konnte. Im Falle von Bakterien, die gegen die lytische Wirkung eines Bakteriophagen resistent wurden, wurden die Hypothesen als "Mutation zur Immunität" und "erworbene Immunität" bezeichnet. Luria und Delbrück erkannten, dass die Schwankungen in der Anzahl der resistenten Bakterien in verschiedenen Parallelkulturen eng mit der Mutationshypothese zusammenhingen. Diese außergewöhnliche Zusammenarbeit zwischen einem theoretischen Physiker und einem Bakteriologen ist ein perfektes Beispiel für interdisziplinäre Arbeit, während diese beiden "feindlichen Ausländer" in den USA arbeiteten. Zu dieser Zeit war noch nicht einmal klar, dass Bakterien Gene haben und die meisten bakteriologischen Arbeiten waren nur beschreibend. Die Verwendung eines quantitativen Ansatzes ermöglichte es den Autoren, diese Frage zu klären. Der Fluktuationstest ist ein sehr leistungsfähiges Instrument zur Berechnung von Mutationsraten. Bald darauf führte Newcombe ein einfaches, aber elegantes Experiment durch, um zu zeigen, dass die erhöhte Anzahl resistenter Bakterien, die bei klonaler Expansion festgestellt wird, sowohl die Verstärkung bereits vorhandener Mutanten als auch das kontinuierliche Auftreten neuer Mutationen widerspiegelt

Als man feststellte, dass die DNA das genetische Material ist, wusste man nicht, wie dieses Molekül Informationen transportieren kann. Die Struktur der DNA wurde somit von entscheidender Bedeutung. Die verfügbaren Röntgenbilder von M. Wilkins und R. Franklin ergaben nur ein grobes Bild, und selbst R. Franklin, der über die deutlichsten Beugungsdaten verfügte, konnte nicht entscheiden, ob die Moleküle zwei oder drei Stränge enthielten. Sowohl Pauling als auch Watson und Crick verwendeten Molekülmodelle mit bekannten Abständen zwischen den Kernen (Bindungslänge) und Bindungswinkeln, um eine Struktur vorherzusagen. Während das Modell von Pauling kaum realistisch war, da es die protonierte Form des Phosphats verwendete, schlug das von Watson und Crick vorgeschlagene Modell vor, dass die DNA aus einem Paar von DNA-Strängen besteht. Außerdem zeigte es, dass jede Nukleotidsequenz in der Struktur untergebracht werden kann. Die einzige zentrale biologische Frage, die in der ersten Arbeit angesprochen wurde, war die Replikation, und der berühmte Satz war eigentlich nichts weiter als ein Prioritätsanspruch. In der zweiten Arbeit wurde viel mehr Biologie diskutiert. Es wurde angenommen, dass die Basenpaarung ausreicht, um die Replikationstreue zu gewährleisten. Die Bedeutung der DNA-Polymerase für die Replikationstreue wurde erstmals von Speyer nachgewiesen.

Vor Benzers Experimenten war für die meisten genetischen Kartierungen ein Screening aller Nachkommen einer Kreuzung erforderlich, um die Rekombinationshäufigkeiten zu berechnen. Die Stärke des rII-Systems von Phage T4 liegt in der Tatsache, dass viele unabhängige Mutanten durch Auswertung der Plaquemorphologie auf dem permissiven Wirtsstamm identifiziert werden können und dass nur Wildtyp-Rekombinanten auf dem restriktiven Wirtsstamm wachsen werden. In Verbindung mit der sehr hohen Rekombination der T4-DNA ermöglicht dies den Nachweis von Rekombinationen zwischen Mutationen, die benachbarte Nukleotide betreffen. Der cis-trans-Komplementierungstest zeigte, dass der rII-Locus aus zwei Genen besteht. Anhand von mehr als 100 Deletionsmutanten, die nicht zum Wildtyp zurückkehren, konnte Benzer zunächst nachweisen, dass die Topologie der DNA linear ist. Mit Hilfe dieser Deletionen konnte er die rIIA- und rIIB-Gene in 47 Segmente zerschneiden. Ein sehr einfacher und schneller Rekombinationstest ermöglichte es ihm, Tausende von Punktmutanten, sowohl unabhängige als auch durch Mutagene hervorgerufene, in einzelnen Segmenten zu kartieren. Diese Karte war vollkommen kongruent mit den Karten, die mühsam durch klassische Rekombinationstests erstellt wurden. Die Topographie der Karte war auffallend unregelmäßig, mit Stellen, die 100-mal wahrscheinlicher mutieren als andere und als Hot Spots bezeichnet werden. Das Spektrum der nach der Mutagenese entdeckten Stellen war auffallend anders. Inzwischen ist bekannt, dass es sich bei den meisten spontanen rII-Mutanten um eine Rahmenverschiebung handelt, d.h. um die Addition oder Deletion von einem oder wenigen Basenpaaren, die die Übersetzung der mRNA in Protein stören. Im Gegensatz dazu führen die meisten in dieser Arbeit verwendeten Mutagene zu Basenaustauschen, die die Translation in der Regel nicht unterbrechen. Jetzt, da die Sequenz des rII-Lokus bekannt ist, ist die Karte so gesättigt, dass es etwa alle 8 Nukleotide eine Mutation gibt.

Benzer und Champe untersuchten die Eigenschaften von Deletionen, die die Grenze zwischen rIIA und rIIB abdecken. Wie erwartet, können die meisten von ihnen während der Infektion eines nicht-permissiven Stammes keine der beiden Funktionen übernehmen. Eine Deletion war jedoch sehr ungewöhnlich und konnte immer noch die rIIB-Funktion übernehmen, obwohl ihr 10 % der rIIB-Stellen fehlten. Diese Deletion trug dazu bei, die allgemeine Natur des von Crick et al. vorgeschlagenen genetischen Codes zu bestätigen. In der Diskussion erinnern die Autoren an bifunktionale Enzyme wie die Tryptophan-Synthase. In Bakterien werden die beiden katalytischen Aktivitäten von einzelnen Proteinen ausgeführt, die von benachbarten Enzymen kodiert werden. Bei Eukaryoten werden beide Reaktionen von einem einzigen Protein ausgeführt: Das Produkt der ersten Reaktion diffundiert nicht nach außen, sondern wird in die zweite aktive Stelle "geschleust". Dies ist nur eine Ausnahme von dem in der ersten Sitzung besprochenen Modell "ein Gen, ein Enzym". Crick et al. beginnen ihre Arbeit mit dem Nachweis, dass der Code nicht überlappend sein muss. Ein Beweis, der von Brenner erbracht wurde, ist die Gründungsarbeit dessen, was später zur Bioinformatik wurde. Ausgehend von einer einzigen rIIB-Rahmenverschiebungsmutation, von der heute bekannt ist, dass es sich um die Hinzufügung eines einzigen Basenpaares handelt, das den Leserahmen der mRNA verschiebt, isolieren sie viele intragenische Suppressormutationen, die die rIIB-Funktion wiederherstellen. Die ursprüngliche Mutation wird mit einem +-Zeichen versehen, ihre Suppressoren mit einem --Zeichen. Dann isolieren sie Suppressoren dieser Suppressoren, die selbst +-Mutanten sind. Allen getesteten Kombinationen von zwei + und zwei - Mutationen fehlt die rIIB-Funktion. Die meisten Kombinationen aus einer + und einer - Mutation haben eine rIIB Funktion; die anderen Kombinationen erzeugen ein Stopcodon zwischen den beiden Frame Shifts. Schließlich wurde gezeigt, dass eine Reihe von Dreifachmutanten eine rIIB-Funktion haben. Sie nutzen die ungewöhnliche Deletion, die die beiden rII-Gene fusioniert, um zu zeigen, dass eine Frameshift-Mutation im rIIA-Teil des fusionierten Gens dessen rIIB-Funktion aufhebt. Die einfachste Interpretation ist, dass + Mutanten ein Basenpaar mehr (oder ein Basenpaar weniger) haben und dass - Mutanten ein Basenpaar weniger (oder ein Basenpaar mehr) haben. Obwohl die allgemeine Natur des Codes 3n Basenpaare pro Aminosäure ist, glauben sie, dass es sich um einen Code mit drei und nicht mit sechs Buchstaben handelt

Die Existenz von Nonsense- oder Stopcodons wurde durch den Mutantenphänotyp bestimmter Kombinationen von (+-) Doppelmutanten nahegelegt (siehe vorherige Sitzung). Benzer hatte beobachtet, dass sich bestimmte rII-Mutanten in einigen restriktiven Stämmen, die zum Beispiel das Wachstum von rII-Deletions- und Frameshift-Mutanten nicht zulassen, als Wildtyp verhalten können; er nannte diese Mutanten ambivalente rII-Mutanten und die Stämme Suppressor-Stämme. In der ersten Arbeit verwendete er wieder die Deletion, die rIIA und rIIB verschmilzt, während die Funktion von rIIB erhalten bleibt. Basenanaloge, reversible Mutationen in der N-terminalen Region von rIIA wurden mit der Deletion kombiniert. Einige der Mutationen, so genannte Missense-Mutationen, beeinträchtigen die rIIB-Funktion des fusionierten Gens nicht. Andere hingegen heben die rIIB-Funktion in restriktiven Stämmen auf, nicht aber in den Suppressor-Stämmen. Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen aus dieser Arbeit ist, dass der genetische Code unter der genetischen Kontrolle des Organismus selbst steht. Diese Kontrolle wird durch die Gene erreicht, die für die tRNAs und die Aminosäuresynthetasen des Organismus kodieren. Brenner erörtert die Ergebnisse, die in verschiedenen bakteriellen und viralen Systemen beobachtet wurden, die Nonsense-Mutationen und ihre bakteriellen Suppressoren beschreiben. Sie schlagen eine vereinheitlichende Nomenklatur für Amber- und Ocker-Mutationen vor. Sie zeigen, dass Amber-Suppressoren nur Amber-Mutationen unterdrücken, während Ocker-Suppressoren, die in der Regel schwach sind, sowohl Amber- als auch Ocker-Mutationen unterdrücken. Die unterschiedlichen Ergebnisse, die mit den verschiedenen Suppressoren erzielt wurden, erklären sich durch die Art der Aminosäure, die von jedem Suppressor eingefügt wird, sowie durch Kontexteffekte. Das wichtigste in dieser Arbeit verwendete Mutagen ist Hydroxylamin, das C-Reste so verändern kann, dass sie während der Transkription und Replikation als T erkannt werden. Da die rII-Gene vor der Replikation exprimiert werden müssen, kann ein modifiziertes C nur dann seine Wirkung entfalten, wenn es sich auf dem DNA-Strang befindet, der transkribiert wird. Unter Verwendung von Hydroxylamin zeigen sie, dass weder Amber- noch Ocker-Mutanten mit Hydroxylamin zur Reversion veranlasst werden können, weder sofort noch nach einem Wachstumszyklus auf einem permissiven Stamm. Da Ocker durch Behandlung mit 2-Aminopurin, einem basenanalogen Mutagen, in Amber umgewandelt werden kann, müssen die beiden Codons zwei gemeinsame Basen haben (UAx) und die dritte unterscheidet sich durch einen Übergang (UAG versus UAA). In einer brillanten Jagd nach durch Hydroxylamin induzierten Vorwärtsmutationen in Amber und Ocker zeigen sie, dass die beiden Codons sowohl ein U als auch ein A haben müssen. Diese genetischen Daten werden mit biochemischen Untersuchungen von Proteinen kombiniert, die entweder durch Unterdrückung von Amber-Mutanten oder durch mutageninduzierte Reversion dieser Mutanten entstehen. Die Daten passen perfekt zu der biochemischen Entschlüsselung des Codes, die von Nirenberg et al. durchgeführt wurde

Der Phage T4 war der erste Organismus, für den alle wesentlichen Gene beschrieben wurden. Dies war möglich durch die Verwendung von zwei Arten von bedingten letalen Mutationen, die in praktisch jedem Gen auftreten können. Bernsteinmutationen führen das UAG-Stopcodon ein. Zwei Faktoren tragen zur allgemeinen Verwendung von Amber-Mutationen bei. Viele vom ursprünglichen K-12-Stamm abgeleitete Stämme tragen Amber-Suppressoren und ihre Effizienz ist sehr hoch. Temperaturempfindliche Mutationen erlauben nur ein Wachstum bei der zulässigen Temperatur. Sie kommen in den meisten Proteinen vor, die sich bei der restriktiven Temperatur entfalten und oft abgebaut werden. Sie kommen auch in tRNA-Genen vor, wo sie die Struktur destabilisieren, indem sie die Basenpaarung verhindern. Zellen, die unter nicht permissiven Bedingungen infiziert wurden, wurden biochemisch und elektronenmikroskopisch analysiert. Mutationen, die die Replikation der viralen DNA verhindern, verhinderten alle die Synthese der viralen Komponenten; sie definieren die frühen T4-Gene. Mutationen in Strukturgenen ermöglichen die DNA-Replikation, verhindern aber das Auftreten einer oder mehrerer Phagenkomponenten. Mutationen in Kopfgenen ermöglichen jedoch die Bildung von Schwänzen und Fasern und umgekehrt akkumulieren Schwanzmutanten Köpfe und Fasern. Wenn Partikel mit einem Extrakt inkubiert werden, der Fasern, aber keine Köpfe (oder keine Schwänze) enthält, setzen sich die Komponenten schnell, spontan und effizient wieder zusammen, um infektiöse Viruspartikel zu erzeugen. Extrakte aus mutierten Infektionen können als Kopfspender oder Schwanzspender klassifiziert werden. In allen Fällen wird der Genotyp des aktiven Virus, wie erwartet, durch die Köpfe bestimmt. Diese Experimente haben dazu beigetragen, den Assemblierungsprozess des Phagen T4 zu definieren: Drei unabhängige Assemblierungslinien (Kopf, Schwanz und Faser) konvergieren, um ein infektiöses Virus zu bilden. Sie lieferten auch einen funktionellen Test für die Reinigung von Strukturkomponenten des Phagen.

Obwohl zahlreiche Versuche unternommen wurden, die Rekombination in Bakterien nachzuweisen, wurde erst als Lederberg und Tatum begannen, Stämme mit multiplen auxotrophen Anforderungen zu verwenden, die Reversion zur Prototrophie ausreichend reduziert, um den eindeutigen Nachweis von Rekombinanten zu ermöglichen. Der ursprüngliche K-12 Stamm trägt das F-Episom, ein Plasmid, das für alle Funktionen kodiert, die für den DNA-Transfer zwischen Zellen erforderlich sind. Glücklicherweise haben viele der von K-12 abgeleiteten Stämme das F verloren und können DNA von einem Spenderstamm empfangen. Der Unterschied zwischen diesem System des DNA-Austauschs, das später Konjugation genannt wurde, und der Transformation wurde deutlich demonstriert. Versuche, Mutationen auf dem E. coli-Chromosom zu kartieren, waren nicht sehr erfolgreich, vor allem weil die Rekombinationshäufigkeit extrem niedrig war. Die Isolierung von Hfr-Männchenstämmen (für hohe Rekombinationshäufigkeit) durch Cavalli-Sforza und Hayes war eine enorme Verbesserung für die Chromosomenkartierung. In der Tat konnte nun eine reproduzierbare Rekombinationsfrequenz erzielt werden. Mit Hilfe eines Mixers zur Trennung von Paarungen konnten Wollman und Jacob die minimale Kontaktzeit bestimmen, die erforderlich ist, damit ein bestimmter Marker von einem Spender auf einen Empfänger übertragen wird. Bei Paarungen mit einem Stamm, der für den Phagen Lambda lysogen war, gab es einen auffälligen Unterschied, je nachdem, welcher Stamm lysogen war. Wenn der Empfängerstamm lysogen war, passierte mit den Paarungszellen nichts. War dagegen der Spenderstamm lysogen, begann der Empfänger mit hoher Effizienz Viruspartikel zu produzieren. In diesem System konnten mehr als 50% des Empfängers dazu gebracht werden, nach der Paarung Phagen zu produzieren. Schließlich waren die Paarungen so häufig, dass sie im Elektronenmikroskop beobachtet werden konnten, und es wurde eine kleine zelluläre Brücke zwischen den Empfänger- und Spenderzellen entdeckt

Wenn Bakterien in Gegenwart von Glukose und einem anderen Zucker wie Laktose gezüchtet werden, verwenden sie zuerst die Glukose. Wenn die Glukose aufgebraucht ist, beginnen sie nach einer kurzen Verzögerung, den zweiten Zucker zu verwenden. Dieses Phänomen wird als Anpassung bezeichnet. Laktosemetabolisierende Enzyme sind während der ersten Phase des diauxischen Wachstums im Wesentlichen nicht vorhanden und werden in Gegenwart von Laktose induziert. Es gibt Mutanten, sogenannte laktosekonstitutive Mutanten, die immer β-Galaktosidase exprimieren. Monod und seine Kollegen nutzten die Konjugation, um den Mechanismus der Enzymsynthese und ihrer Induktion zu bestimmen. Sie zeigten, dass die Konjugation nur den Transfer von genetischem Material vom Spender zum Empfänger beinhaltet, ohne dass ein Transfer des Zytoplasmas nachweisbar ist. Nach dem Transfer einer Wildtyp-Laktoseregion in einen Empfänger, der konstitutiv ist, dem aber das lacZ-Gen fehlt, beginnt der Empfänger, β-Galaktosidase konstitutiv zu exprimieren. Nach zwei Stunden hört die Anhäufung des Enzyms in Abwesenheit des Induktors auf, setzt sich aber in dessen Gegenwart fort, was darauf hindeutet, dass die Zellen nun den induzierbaren Phänotyp des Wildtyps erworben haben. In diesen Zellen findet zwar eine Rekombination statt, aber ihr Beitrag zu den Laktose-Phänotypen ist nicht relevant. Die Ähnlichkeit zwischen der Kontrolle der lac-Gene und der der Lysogenese mit dem Phagen λ war ausschlaggebend dafür, die Autoren von der allgemeinen Bedeutung ihrer Ergebnisse zu überzeugen. In der kurzen Notiz von Jacob et al. konnten die Autoren stabile partielle Diploide verwenden. Sie isolieren eine weitere Klasse von konstitutiven Mutanten im Operator. Die meisten konstitutiven Mutationen sind dem i-Gen zugeordnet, das die Synthese eines Repressors, eines regulatorischen Gens, kontrolliert, und sie sind rezessiv. Im Gegensatz dazu sind Mutanten im Operator dominant in cis. Obwohl das Vorhandensein eines Promotors den Phänotyp der "physiologischen Deletionen" hätte erklären können, stellte sich später heraus, dass es sich um polare lacZ-Mutanten handelt, die die Expression des benachbarten lacY-Gens verhindern. In der kurzen Zeitspanne von zwei Jahren konstruierten die Autoren eine umfassende Theorie der negativen Regulierung der Genexpression. Das Studium des Laktosesystems wurde durch eine Reihe von Laktoseanaloga, die eine Trennung der Induktion von der Substratverwertung ermöglichen, erheblich erleichtert. Die Eigenschaft des Laktose-Repressors führte zu dem Konzept der Allosterie.

Der wichtigste Ausgangspunkt in der modernen Geschichte der Lysogenese, geschrieben von Lwoff und Guttman, ist nicht auf Englisch verfügbar. Wir werden diese Sitzung mit der Studie von Bertani über den Li-Stamm von E. coli beginnen, der 3 lysogene Prophagen trägt. Jeder Prophage kann unabhängig von den beiden anderen induziert werden, und die relative Rate der spontanen Induktion hängt vom physiologischen Zustand der Zellen ab. Bertani hat eine Methode zum Nachweis einzelner Bursts entwickelt und konnte berechnen, dass die Induktionsrate etwa 1 pro 50000 Zellen pro Generation beträgt, eine Rate, die viel niedriger ist als die von Lwoff mit dem B. Megatherium Prophagen beobachtete. Die Suppressoren dieses Phänotyps gehören zu zwei Hauptklassen: Mutationen in den Genen O oder P verhindern die Replikation des Phagen, während x-Mutationen die Expression des frühen Operons verhindern, das O und P enthält. Bei einer Verschiebung zu einer hohen Temperatur wird der Repressor inaktiviert. Wenn die Zellen mehrere Generationen lang bei der hohen Temperatur inkubiert werden und dann zu der permissiven Temperatur zurückkehren, bei der der Repressor aktiv sein kann, erlangen die x-Mutanten langsam ihre Immunität zurück, während die O- und P-Mutanten dauerhaft nicht immun bleiben. Wir wissen jetzt, dass x-Mutationen ein frühes Operon inaktivieren, das O und P enthält. Diese Mutationen werden als "physiologische Deletionen" bezeichnet. Der Phänotyp der x-Mutanten ist rezessiv und liefert den ersten Beweis für Cro, ein neues Gen im x-O-P-Operon. Es wurden Mutanten isoliert, die kein Cro bilden. Im Gegensatz zu Wildtyp-Phagen, die vorzugsweise das lytische Programm einschalten, können Cro-Mutanten keine Plaques bilden, weil das lysogene Programm das bevorzugte ist. Cro unterdrückt auch das andere frühe Operon, da seine Expression sowohl bei x- als auch bei cro-Mutanten erhöht ist

Das Arabinose-System ist der erste Nachweis für eine positive Regulierung der Genexpression. Die ersten araC-Mutanten synthetisieren keines der katabolen Enzyme, die von den benachbarten araBAD-Genen kodiert werden. Sie exprimieren auch nicht AraE, die wichtigste Arabinose-Permease, deren Gen sich auf der gegenüberliegenden Seite des bakteriellen Chromosoms befindet, weit entfernt vom araCBAD-Locus. In dieser Arbeit isolieren und charakterisieren Engelsberg et al. konstitutive Mutanten. Sie zeigen zunächst, dass alle konstitutiven und negativen araC-Mutanten demselben Gen zugeordnet sind. Sie zeigen eine koordinierte Expression aller getesteten Arabinose-Enzyme, einschließlich der weit entfernten Permease; diese Expression ist spezifisch, da der Spiegel eines nicht verwandten Enzyms und einer Glukose-Permease nicht beeinflusst wird. Anhand von partiellen Diploiden zeigen sie, dass die araC-negativen Mutanten sowohl gegenüber dem normalen Gen als auch gegenüber den konstitutiven Mutanten rezessiv sind Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den bekannten Mutanten des Laktosesystems diskutiert. Die Pionierarbeit wird in einen Zusammenhang mit dem gestellt, was heute über die Regulation des Arabinose-Enzyms bekannt ist, einschließlich der Tatsache, dass AraC auch ein Repressor ist und dass die Repression DNA-Schleifen zwischen entfernten Stellen beinhaltet.