Центральная догма молекулярной биологии
Объяснение потока генетической информации в биологической системе

Центральная догма молекулярной биологии касается потока генетической информации в биологической системе. Часто ее формулируют как «ДНК создает РНК, а РНК создает белок» [1] , хотя это не ее первоначальное значение. Впервые ее сформулировал Фрэнсис Крик в 1957 году [2] [3], затем опубликовал в 1958 году: [4] [5]

Центральная догма. Она гласит, что как только «информация» перешла в белок, она не может выйти обратно. Более подробно, передача информации от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте или от нуклеиновой кислоты к белку может быть возможна, но передача от белка к белку или от белка к нуклеиновой кислоте невозможна. Информация здесь означает точное определение последовательности, либо оснований в нуклеиновой кислоте, либо остатков аминокислот в белке.

Он переформулировал это в статье журнала Nature , опубликованной в 1970 году: «Центральная догма молекулярной биологии касается детального переноса последовательной информации от остатка к остатку . Она гласит, что такая информация не может быть передана обратно от белка ни к белку, ни к нуклеиновой кислоте». [6]

Вторая версия центральной догмы популярна, но неверна. Это упрощенный путь ДНК → РНК → белок, опубликованный Джеймсом Уотсоном в первом издании «Молекулярной биологии гена» (1965). Версия Уотсона отличается от версии Крика, поскольку Уотсон описывает двухэтапный (ДНК → РНК и РНК → белок) процесс как центральную догму. [7] Хотя догма, изначально сформулированная Криком, остается актуальной и сегодня, [6] [8] версия Уотсона — нет. [2]

Информация о биологической последовательности

Биополимеры , которые включают ДНК, РНК и (поли) пептиды, являются линейными полимерами (т. е. каждый мономер соединен максимум с двумя другими мономерами). Последовательность их мономеров эффективно кодирует информацию. Передача информации от одной молекулы к другой является точной, детерминированной передачей, при которой последовательность одного биополимера используется в качестве шаблона для построения другого биополимера с последовательностью, которая полностью зависит от последовательности исходного биополимера. Когда ДНК транскрибируется в РНК, ее комплемент спаривается с ней. Коды ДНК A, G, T и C переносятся в коды РНК A, G, U и C соответственно. Кодирование белков выполняется группами по три, известными как кодоны . Стандартная таблица кодонов применима для людей и млекопитающих, но некоторые другие формы жизни (включая митохондрии человека [9] ) используют другие трансляции . [10]

Общие передачи биологической последовательной информации

Таблица трех классов передачи информации.
ОбщийОсобенныйНеизвестный
ДНК → ДНКРНК → ДНКБелок → ДНК
ДНК → РНКРНК → РНКБелок → РНК
РНК → белокБелок → белок
ДНК → белок

репликации ДНК

В том смысле, что репликация ДНК должна происходить, если генетический материал должен быть предоставлен потомству любой клетки, будь то соматической или репродуктивной , копирование с ДНК на ДНК, возможно, является фундаментальным шагом в передаче информации. Сложная группа белков, называемая реплисомой, выполняет репликацию информации с родительской цепи на комплементарную дочернюю цепь.

Транскрипция

Транскрипция — это процесс, посредством которого информация, содержащаяся в участке ДНК, реплицируется в форме вновь собранного фрагмента информационной РНК (мРНК). Ферменты, облегчающие этот процесс, включают РНК-полимеразу и факторы транскрипции . В эукариотических клетках первичным транскриптом является пре-мРНК . Пре-мРНК должна быть обработана для продолжения трансляции. Обработка включает добавление 5'-кэпа и поли-А-хвоста к цепи пре-мРНК с последующим сплайсингом . Альтернативный сплайсинг происходит при необходимости, увеличивая разнообразие белков, которые может производить любая отдельная мРНК. Продуктом всего процесса транскрипции (который начался с производства цепи пре-мРНК) является зрелая цепь мРНК.

Перевод

Зрелая мРНК попадает в рибосому , где транслируется . В прокариотических клетках, не имеющих ядерного компартмента, процессы транскрипции и трансляции могут быть связаны друг с другом без четкого разделения. В эукариотических клетках место транскрипции ( ядро клетки ) обычно отделено от места трансляции ( цитоплазма ), поэтому мРНК должна транспортироваться из ядра в цитоплазму, где она может быть связана рибосомами. Рибосома считывает триплетные кодоны мРНК , обычно начиная с AUG ( аденин − урацил − гуанин ) или инициирующего метионинового кодона ниже места связывания рибосомы . Комплексы факторов инициации и факторов элонгации переносят аминоацилированные транспортные РНК (тРНК) в комплекс рибосома-мРНК, сопоставляя кодон в мРНК с антикодоном на тРНК. Каждая тРНК несет соответствующий аминокислотный остаток для добавления к синтезируемой полипептидной цепи. По мере того, как аминокислоты связываются в растущую пептидную цепь, цепь начинает складываться в правильную конформацию. Трансляция заканчивается стоп-кодоном , который может быть триплетом UAA, UGA или UAG.

мРНК не содержит всей информации для определения природы зрелого белка. Зарождающаяся полипептидная цепь, высвобождаемая из рибосомы, обычно требует дополнительной обработки перед появлением конечного продукта. Во-первых, правильный процесс сворачивания сложен и жизненно важен. Для большинства белков требуются другие белки-шапероны для контроля формы продукта. Затем некоторые белки вырезают внутренние сегменты из своих собственных пептидных цепей, сращивая свободные концы, которые граничат с зазором; в таких процессах внутренние «отброшенные» секции называются интеинами . Другие белки должны быть разделены на несколько секций без сплайсинга. Некоторые полипептидные цепи должны быть сшиты, а другие должны быть присоединены к кофакторам, таким как гем (heme), прежде чем они станут функциональными.

Специальные передачи биологической последовательной информации

Обратная транскрипция

Необычные потоки информации выделены зеленым цветом

Обратная транскрипция — это перенос информации с РНК на ДНК (обратный процесс нормальной транскрипции). Известно, что это происходит в случае ретровирусов , таких как ВИЧ , а также у эукариот в случае ретротранспозонов и синтеза теломер . Это процесс, посредством которого генетическая информация с РНК транскрибируется в новую ДНК. Семейство ферментов, участвующих в этом процессе, называется обратной транскриптазой .

репликация РНК

Репликация РНК — это копирование одной РНК в другую. Многие вирусы реплицируются таким образом. Ферменты, которые копируют РНК в новую РНК, называемые РНК-зависимыми РНК-полимеразами , также встречаются у многих эукариот, где они участвуют в подавлении РНК . [11]

Редактирование РНК , при котором последовательность РНК изменяется с помощью комплекса белков и «направляющей РНК», также можно рассматривать как перенос РНК-РНК.

Прямой перевод с ДНК на белок

Прямая трансляция с ДНК на белок была продемонстрирована в бесклеточной системе (т. е. в пробирке) с использованием экстрактов из E. coli , содержащих рибосомы, но не целые клетки. Эти фрагменты клеток могли синтезировать белки из одноцепочечных ДНК-матриц, выделенных из других организмов (например, мыши или жабы), и было обнаружено, что неомицин усиливает этот эффект. Однако было неясно, соответствует ли этот механизм трансляции конкретно генетическому коду. [12] [13]

Передача информации, явно не охваченная теорией

Посттрансляционная модификация

После того, как аминокислотные последовательности белков были переведены из цепей нуклеиновых кислот, их можно редактировать с помощью соответствующих ферментов. Хотя это форма воздействия белка на последовательность белков, явно не охваченная центральной догмой, существует не так много ясных примеров, где связанные концепции двух областей имеют много общего друг с другом.

Нерибосомальный синтез пептидов

Некоторые белки синтезируются нерибосомальными пептидсинтетазами , которые могут быть большими белковыми комплексами, каждый из которых специализируется на синтезе только одного типа пептида. Нерибосомальные пептиды часто имеют циклическую и/или разветвленную структуру и могут содержать непротеиногенные аминокислоты — оба этих фактора отличают их от синтезируемых рибосомами белков. Примером нерибосомальных пептидов являются некоторые антибиотики.

Интеины

Интеин — это «паразитический» сегмент белка, который способен вырезать себя из цепочки аминокислот по мере их выхода из рибосомы и воссоединять оставшиеся части с помощью пептидной связи таким образом, что основной «остов» белка не распадается. Это случай, когда белок меняет свою собственную первичную последовательность с последовательности, изначально закодированной ДНК гена. Кроме того, большинство интеинов содержат самонаводящуюся эндонуклеазу или домен HEG, который способен находить копию родительского гена, которая не включает последовательность нуклеотидов интеина. При контакте с копией, свободной от интеина, домен HEG инициирует механизм репарации двухцепочечных разрывов ДНК . Этот процесс приводит к тому, что последовательность интеина копируется с исходного гена-источника на ген, свободный от интеина. Это пример прямого редактирования белком последовательности ДНК, а также увеличения наследуемого распространения последовательности.

Метилирование

Изменение в состояниях метилирования ДНК может значительно изменить уровни экспрессии генов . Изменение метилирования обычно происходит под действием ДНК- метилаз . Когда изменение наследуется, оно считается эпигенетическим . Когда изменение в информационном статусе не наследуется, это будет соматический эпитип . Эффективное информационное содержание было изменено посредством воздействия белка или белков на ДНК, но первичная последовательность ДНК не изменена.

Прионы

Прионы — это белки с определенными последовательностями аминокислот в определенных конформациях. Они размножаются в клетках-хозяевах, внося конформационные изменения в другие молекулы белка с той же последовательностью аминокислот, но с другой конформацией, которая функционально важна или вредна для организма. После того, как белок трансформируется в прионную укладку, он меняет функцию. В свою очередь, он может передавать информацию в новые клетки и перестраивать более функциональные молекулы этой последовательности в альтернативную прионную форму. В некоторых типах прионов в грибах это изменение является непрерывным и прямым; поток информации — Белок → Белок.

Некоторые ученые, такие как Ален Э. Буссар и Юджин Кунин, утверждали, что наследование, опосредованное прионами, нарушает центральную догму молекулярной биологии. [14] [15] Однако Розалинд Ридли в «Молекулярной патологии прионов» (2001) написала, что «гипотеза прионов не является еретической по отношению к центральной догме молекулярной биологии — о том, что информация, необходимая для производства белков, закодирована в нуклеотидной последовательности нуклеиновой кислоты, — поскольку она не утверждает, что белки реплицируются. Скорее, она утверждает, что внутри молекул белков есть источник информации, который способствует их биологической функции, и что эта информация может передаваться другим молекулам». [16]

Естественная генная инженерия

Джеймс А. Шапиро утверждает, что надмножество этих примеров следует классифицировать как естественную генную инженерию и что их достаточно для фальсификации центральной догмы. Хотя Шапиро получил уважительное слушание за свою точку зрения, его критики не были убеждены, что его прочтение центральной догмы соответствует тому, что имел в виду Крик. [17] [18]

Использование терминадогма

В своей автобиографии « Какая безумная погоня » Крик писал о своем выборе слова «догма» и о некоторых проблемах, которые он ему создал:

«Я назвал эту идею центральной догмой, по двум причинам, как я подозреваю. Я уже использовал очевидное слово гипотеза в гипотезе последовательности , и, кроме того, я хотел предположить, что это новое предположение было более центральным и более мощным. ... Как оказалось, использование слова догма вызвало едва ли не больше проблем, чем того стоило. Много лет спустя Жак Моно указал мне, что я, по-видимому, не понимаю правильного использования слова догма, которое является убеждением , которое не может быть подвергнуто сомнению . Я действительно понимал это смутно, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют под собой оснований, я использовал это слово так, как я сам думал об этом, а не так, как это делает большинство людей в мире, и просто применил его к великой гипотезе, которая, хотя и была правдоподобной, имела мало прямых экспериментальных подтверждений».

Аналогично, Гораций Фриланд Джадсон пишет в «Восьмом дне творения» : [19]

«Я думал, что догма — это идея, для которой нет разумных доказательств . Видите?!» И Крик издал рев восторга. «Я просто не знал , что означает догма . И я мог бы с тем же успехом назвать это «Центральной гипотезой» или — вы знаете. Что я и хотел сказать. Догма была просто крылатой фразой».

Сравнение с барьером Вейсмана

В теории зародышевой плазмы Августа Вейсмана наследственный материал, зародышевая плазма, ограничена гонадами . Соматические клетки (тела) развиваются заново в каждом поколении из зародышевой плазмы. Что бы ни случилось с этими клетками, это не повлияет на следующее поколение.

Барьер Вейсмана , предложенный Августом Вейсманом в 1892 году, различает «бессмертные» линии зародышевых клеток ( зародышевую плазму ), которые производят гаметы, и «одноразовые» соматические клетки. Наследственная информация перемещается только от зародышевых клеток к соматическим клеткам (то есть соматические мутации не наследуются). Это, до открытия роли или структуры ДНК, не предсказывает центральную догму, но предвосхищает ее геноцентрический взгляд на жизнь, хотя и в немолекулярных терминах. [20] [21]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Leavitt SA (июнь 2010 г.). «Расшифровка генетического кода: Маршалл Ниренберг». Office of NIH History. Архивировано из оригинала 2015-03-17 . Получено 2012-03-02 .
  2. ^ ab Cobb M (сентябрь 2017 г.). «60 лет назад Фрэнсис Крик изменил логику биологии». PLOS Biology . 15 (9): e2003243. doi : 10.1371/journal.pbio.2003243 . PMC 5602739. PMID  28922352 . 
  3. ^ "Репозиторий архивов CSHL | О синтезе белков". libgallery.cshl.edu . Получено 13.11.2018 .
  4. ^ Крик Ф. Х. (1958). «О синтезе белков». В FK Sanders (ред.). Симпозиумы Общества экспериментальной биологии, номер XII: Биологическая репликация макромолекул . Cambridge University Press. стр. 138–163.
  5. ^ Крик, Фрэнсис. HC (1958). «О синтезе белка». Симпозиумы Общества экспериментальной биологии . 12. Симпозиумы Общества экспериментальной биологии номер XII: Биологическая репликация макромолекул. стр. 153. PMID  13580867.
  6. ^ ab Crick F (август 1970). «Центральная догма молекулярной биологии». Nature . 227 (5258): 561–3. Bibcode :1970Natur.227..561C. doi :10.1038/227561a0. PMID  4913914. S2CID  4164029.
  7. ^ Moran LA (15 января 2007 г.). «Sandwalk: Basic Concepts: The Central Dogma of Molecular Biology». sandwalk.blogspot.com . Получено 17 марта 2018 г. .
  8. ^ Кобб, Мэтью (2015). Величайший секрет жизни: Гонка за взлом генетического кода . Базовые книги. ISBN 978-0-465-06267-6. Когда Крик излагал центральную догму, его целью не было переосмыслить разделение клеток Вейсмана на соматическую линию и зародышевую линию или защитить современное понимание эволюции путем естественного отбора от идеи наследования приобретенных характеристик. Центральная догма основывалась на известных или предполагаемых моделях передачи биохимической информации в клетке, а не на какой-либо догматической позиции. Как таковая, она была уязвима для того, чтобы быть опровергнутой будущими открытиями. Тем не менее, в своих основах она была показана правильной. Реальные или кажущиеся исключения из этого правила, такие как ретротранскрипционная прионная болезнь или трансгенерационные эпигенетические эффекты, не подорвали его основную истину. (стр. 263)
  9. ^ Barrell BG, Bankier AT, Drouin J (1979). «Другой генетический код в митохондриях человека». Nature . 282 (5735): 189–194. Bibcode :1979Natur.282..189B. doi :10.1038/282189a0. PMID  226894. S2CID  4335828.([1])
  10. ^ Elzanowski A, Ostell J (2008-04-07). "Генетические коды". Национальный центр биотехнологической информации (NCBI) . Получено 2021-08-03 .
  11. ^ Ahlquist P (май 2002). «РНК-зависимые РНК-полимеразы, вирусы и подавление РНК». Science . 296 (5571): 1270–3. Bibcode :2002Sci...296.1270A. doi :10.1126/science.1069132. PMID  12016304. S2CID  42526536.
  12. ^ McCarthy BJ, Holland JJ (сентябрь 1965 г.). «Денатурированная ДНК как прямая матрица для синтеза белка in vitro». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 54 (3): 880–6. Bibcode :1965PNAS...54..880M. doi : 10.1073/pnas.54.3.880 . PMC 219759 . PMID  4955657. 
  13. ^ . Uzawa T, Yamagishi A, Oshima T (июнь 2002 г.). «Полипептидный синтез, направляемый ДНК как мессенджером в бесклеточном полипептидном синтезе экстремальными термофилами, Thermus thermophilus HB27 и Sulfolobus tokodaii штамм 7». Журнал биохимии . 131 (6): 849–53. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a003174. PMID  12038981.
  14. ^ Bussard AE (август 2005 г.). «Научная революция? Аномалия прионов может бросить вызов центральной догме молекулярной биологии». EMBO Reports . 6 (8): 691–4. doi :10.1038/sj.embor.7400497. PMC 1369155. PMID  16065057 . 
  15. ^ Кунин EV (август 2012). «Центральная догма все еще стоит?». Biology Direct . 7 : 27. doi : 10.1186/1745-6150-7-27 . PMC 3472225. PMID  22913395 . 
  16. ^ Ридли Р. (2001). «Что бы Томас Генри Хаксли сделал из прионных заболеваний?». В Baker HF (ред.). Молекулярная патология прионов . Методы в молекулярной медицине. Humana Press. стр. 1–16. ISBN 0-89603-924-2.
  17. ^ Wilkins AS (январь 2012 г.). «(Обзор) Эволюция: взгляд из 21-го века». Геномная биология и эволюция . 4 (4): 423–426. doi :10.1093/gbe/evs008. PMC 3342868 . 
  18. ^ Moran LA (май–июнь 2011 г.). «(Обзор) Эволюция: взгляд из 21-го века». Отчеты Национального центра научного образования . 32.3 (9): 1–4. Архивировано из оригинала 15-09-2013 . Получено 27-10-2012 .
  19. ^ Джадсон ХФ (1996). "Глава 6: Я считал, что догма — это идея, для которой нет разумных доказательств . Видите?! ". Восьмой день творения: Создатели революции в биологии (ред. к 25-летию). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 978-0-87969-477-7.
  20. ^ De Tiège A, Tanghe K, Braeckman J, Van de Peer Y (январь 2014 г.). «От ДНК- к NA-центризму и условия геноцентризма снова». Biology & Philosophy . 29 (1): 55–69. doi :10.1007/s10539-013-9393-z. S2CID  85866639.
  21. ^ Тернер Дж. С. (2013). Хеннинг Б. Г., Скарф А. К. (ред.). Второй закон биологии: гомеостаз, цель и желание. Роуман и Литтлфилд. стр. 192. ISBN 978-0-7391-7436-4. Если Вейсман утверждал, что изменения, приобретенные в течение жизни организма, не могут передаваться по обратной связи в зародышевые признаки, то CDMB теперь добавил, что информация, закодированная в белках, не может передаваться по обратной связи и влиять на генетическую информацию в какой бы то ни было форме, что по сути является молекулярной переделкой барьера Вейсмана. {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )

Дальнейшее чтение

  • Bussard AE (август 2005 г.). «Научная революция? Аномалия прионов может бросить вызов центральной догме молекулярной биологии». EMBO Reports . 6 (8): 691–4. doi :10.1038/sj.embor.7400497. PMC  1369155. PMID  16065057 .
  • Бейкер, Гарри Ф. (2001). Молекулярная патология прионов (методы молекулярной медицины) . Humana Press. ISBN 0-89603-924-2 
  • Li JJ, Biggin MD (март 2015 г.). «Экспрессия генов. Статистика пересчитывает центральную догму». Science . 347 (6226): 1066–7. Bibcode :2015Sci...347.1066L. doi : 10.1126/science.aaa8332 . PMID  25745146.
  • Пирас В., Томита М., Сельвараджо К. (2012). «Является ли центральная догма глобальным свойством клеточного информационного потока?». Frontiers in Physiology . 3 : 439. doi : 10.3389/fphys.2012.00439 . PMC  3505008. PMID  23189060 .
  • Робинсон ВЛ (2009). «Переосмысление центральной догмы: некодирующие РНК биологически значимы». Урологическая онкология . 27 (3): 304–6. doi :10.1016/j.urolonc.2008.11.004. PMID  19414118.
На Викискладе есть медиафайлы по теме Центральная догма молекулярной биологии .
  • Разработка центральной догмы – Scitable: образование от природы
  • Анимация Центральной Догмы от RIKEN - NatureDocumentaries.org
  • Обсуждение проблем «Центральной догмы молекулярной биологии»
  • Объяснение центрального догмата с помощью музыкальной аналогии.
  • "Фрэнсис Гарри Комптон Крик (1916–2004)" А. Андрея в энциклопедии Embryo Project
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Центральная_догма_молекулярной_биологии&oldid=1247328867"