Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Центральная догма молекулярной биологии объяснение потока генетической информации в биологической системе. Часто говорят, что «ДНК создает РНК, а РНК создает белок» [1], хотя это не является его первоначальным значением. Впервые это было заявлено Фрэнсисом Криком в 1957 году [2] [3], а затем опубликовано в 1958 году: [4] [5]

Центральная догма. Это говорит о том, что как только «информация» перешла в белок, она не может выйти снова. 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. Под информацией здесь понимается точное определение последовательности оснований нуклеиновой кислоты или аминокислотных остатков в белке.

Он вновь заявил в Nature статье , опубликованной в 1970 году: «Центральную догму молекулярной биологии сделок с детальным остатком ей-остатком передачи последовательной информации В нем говорится , что такая информация не может быть передана обратно от белка к любому белку или нуклеиновому. кислота." [6]

Информационный поток в биологических системах

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, потому что Уотсон описывает двухэтапный процесс (ДНК → РНК и РНК → белок) как центральную догму. [7] В то время как догма, первоначально заявленная Криком, остается в силе и сегодня, [6] версия Уотсона - нет. [2]

Эта догма представляет собой основу для понимания передачи информации о последовательности между несущими информацию биополимерами , в наиболее общем случае в живых организмах . Есть 3 основных класса таких биополимеров: ДНК и РНК (обе нуклеиновые кислоты) и белок . Есть 3 × 3 = 9мыслимые прямые передачи информации, которые могут происходить между ними. Догма подразделяет их на 3 группы по 3 человека: три общих переноса (которые, как считается, обычно происходят в большинстве клеток), три специальных переноса (которые, как известно, происходят, но только при определенных условиях в случае некоторых вирусов или в лаборатории) и три неизвестных переводы (считается, что никогда не произойдет). Общие передачи описывают нормальный поток биологической информации: ДНК можно копировать в ДНК ( репликация ДНК ), информацию ДНК можно копировать в мРНК ( транскрипция ), а белки можно синтезировать, используя информацию в мРНК в качестве матрицы ( трансляция ). Специальные передачи описывают: РНК копируется из РНК ( репликация РНК), ДНК синтезируется с использованием матрицы РНК ( обратная транскрипция ), а белки синтезируются непосредственно из матрицы ДНК без использования мРНК . Неизвестные трансферы описывают: копирование белка из белка, синтез РНК с использованием первичной структуры белка в качестве матрицы и синтез ДНК с использованием первичной структуры белка в качестве матрицы - это не считается естественным. [6]

Информация о биологической последовательности [ править ]

Основная статья: Первичная структура

В биополимеры , которые содержат ДНК, РНК и (поли) пептиды представляют собой линейные полимеры (т.е. каждый мономер соединен с не более двух других мономеров). Последовательность их мономеров эффективно кодирует информацию. Передачи информации, описываемые центральной догмой, в идеале являются точными, детерминированными передачами, при которых последовательность одного биополимера используется в качестве шаблона для создания другого биополимера с последовательностью, которая полностью зависит от последовательности исходного биополимера. Когда ДНК транскрибируется в РНК, с ней связывается комплемент. Коды ДНК A, G, T и C переносятся на коды РНК U, C, A и G соответственно. Кодирование белков осуществляется группами по три, называемых кодонами. по таблице.

ДНК в РНК в аминокислоты

Общие передачи биологической последовательной информации [ править ]

Таблица трех предлагаемых догмой классов передачи информации
ОбщийОсобыйНеизвестный
ДНК → ДНКРНК → ДНКбелок → ДНК
ДНК → РНКРНК → РНКбелок → РНК
РНК → белокДНК → белокбелок → белок

Репликации ДНК [ править ]

Основные статьи: репликация ДНК и реплисома

В том смысле, что репликация ДНК должна происходить, если генетический материал должен быть предоставлен потомству любой клетки, будь то соматической или репродуктивной , копирование ДНК в РНК, возможно, является фундаментальным шагом в центральной догме. Сложная группа белков, называемая реплисомой, выполняет репликацию информации от родительской цепи к комплементарной дочерней цепи. [8]

Реплисома включает:

  • хеликаза , что разматывает суперспираль , а также спирали с двухцепочечной ДНК , чтобы создать вилку репликации [8]
  • Белок SSB, который связывает двухцепочечную ДНК, открывает, чтобы предотвратить ее повторное связывание [8]
  • РНК-примаза, которая добавляет комплементарный праймер РНК к каждой цепи матрицы в качестве отправной точки для репликации [8]
  • ДНК-полимераза III, которая считывает существующую матричную цепь от ее 3 'конца до своего 5' конца и добавляет новые комплементарные нуклеотиды от 5 'конца к 3' концу дочерней цепи [8]
  • ДНК-полимераза I, которая удаляет праймеры РНК и заменяет их ДНК [8]
  • ДНК - лигазы , которая соединяет два Оказаки фрагментов с фосфодиэфирных связей , чтобы произвести непрерывную цепь [8]

Этот процесс , как правило , происходит во время S фазы от клеточного цикла .

Транскрипция [ править ]

Основная статья: Транскрипция (генетика)

Транскрипция - это процесс, посредством которого информация, содержащаяся в участке ДНК, реплицируется в виде вновь собранной части информационной РНК (мРНК). Ферменты, способствующие этому процессу, включают РНК-полимеразу и факторы транскрипции . В эукариотических клетках первичным транскриптом является пре-мРНК . Пре-мРНК должна быть обработана для продолжения трансляции. Процессинг включает добавление 5'-кэпа и поли-А-хвоста к цепи пре-мРНК с последующим сплайсингом . Альтернативная сваркапроисходит при необходимости, увеличивая разнообразие белков, которые может продуцировать любая отдельная мРНК. Продуктом всего процесса транскрипции (который начался с производства цепи пре-мРНК) является зрелая цепь мРНК.

Перевод [ править ]

Основная статья: Перевод (генетика)

Зрелая мРНК попадает в рибосому , где транслируется . В прокариотических клетках, у которых нет ядерного компартмента, процессы транскрипции и трансляции могут быть связаны друг с другом без четкого разделения. В эукариотических клетках сайт транскрипции ( ядро клетки ) обычно отделен от сайта трансляции ( цитоплазма ), поэтому мРНК должна транспортироваться из ядра в цитоплазму, где она может быть связана с рибосомами. Рибосома считывает мРНК триплетных кодонов , как правило , начинается с AUG ( аденин - урацил - гуанин ) или инициаторакодон метионина ниже сайта связывания рибосомы . Комплексы факторов инициации и факторов элонгации приносят аминоацилированные тРНК (тРНК) в рибосом-мРНК комплекс, соответствующий кодон в мРНК к анти-кодона на тРНК. Каждая тРНК несет соответствующий аминокислотный остаток для добавления к синтезируемой полипептидной цепи. Когда аминокислоты соединяются 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. Растущая полипептидная цепь, высвобождаемая из рибосомы, обычно требует дополнительной обработки, прежде чем появится конечный продукт. Во-первых, правильный процесс складывания сложен и жизненно важен. Для большинства белков требуются другие белки-шапероны, чтобы контролировать форму продукта. Некоторые белки затем вырезают внутренние сегменты из своих собственных пептидных цепей, сращивая свободные концы, которые граничат с разрывом; в таких процессах внутренние «отброшенные» секции называются интеинами . Остальные белки необходимо разделить на несколько частей без сращивания. Некоторые полипептидные цепи должны быть сшиты, а другие должны быть присоединены к кофакторам. такие как гем (гем), прежде чем они станут функциональными.

Специальные передачи биологической последовательной информации [ править ]

Обратная транскрипция [ править ]

Необычные потоки информации выделены зеленым цветом
Основная статья: обратная транскрипция

Обратная транскрипция - это передача информации от РНК к ДНК (обратная нормальной транскрипции). Известно, что это происходит в случае ретровирусов , таких как ВИЧ , а также у эукариот в случае ретротранспозонов и синтеза теломер . Это процесс, с помощью которого генетическая информация из РНК транскрибируется в новую ДНК. Семейство ферментов, участвующих в этом процессе, называется обратной транскриптазой .

Репликация РНК [ править ]

Основная статья: РНК-зависимая РНК-полимераза

Репликация РНК - это копирование одной РНК в другую. Так размножаются многие вирусы. Ферменты, копирующие РНК в новую РНК, называемые РНК-зависимыми РНК-полимеразами , также обнаруживаются у многих эукариот, где они участвуют в подавлении РНК . [9]

Редактирование РНК , при котором последовательность РНК изменяется комплексом белков и «направляющей РНК», также можно рассматривать как перенос РНК на РНК.

Прямой перевод из ДНК в белок [ править ]

Прямая трансляция ДНК в белок была продемонстрирована в бесклеточной системе (например, в пробирке) с использованием экстрактов из E. coli , содержащих рибосомы, но не интактных клеток. Эти клеточные фрагменты могут 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 специфическому генетическому коду. [10] [11]

Передача информации, явно не описанная в теории [ править ]

Посттрансляционная модификация [ править ]

Основная статья: Посттрансляционная модификация

После трансляции аминокислотных последовательностей белков из цепей нуклеиновых кислот их можно редактировать с помощью соответствующих ферментов. Хотя это форма белка, влияющая на последовательность белка, не охватываемая явным образом центральной догмой, существует не так много четких примеров, когда связанные концепции этих двух областей имеют много общего друг с другом.

Интеины [ править ]

Основная статья: Интеин

Интеин - это «паразитарный» сегмент белка, который способен вырезать себя из цепочки аминокислот, когда они выходят из рибосомы, и воссоединять оставшиеся части пептидной связью таким образом, что основной «каркас» белка делает это. не развалится. Это случай, когда белок меняет свою собственную первичную последовательность из последовательности, изначально кодированной ДНК гена. Кроме того, большинство интеинов содержат самонаводящуюся эндонуклеазу или домен HEG, который способен обнаруживать копию родительского гена, которая не включает нуклеотидную последовательность интеина. При контакте с копией, свободной от интеина, домен HEG инициирует репарацию двухцепочечного разрыва ДНК.механизм. Этот процесс вызывает копирование последовательности интеина из исходного гена-источника в ген, свободный от интеина. Это пример того, как белок напрямую редактирует последовательность ДНК, а также увеличивает наследуемое размножение последовательности.

Метилирование [ править ]

Основная статья: Эпигенетика

Вариация состояний метилирования ДНК может значительно изменить уровни экспрессии генов . Вариации метилирования обычно происходят под действием ДНК- метилаз . Когда изменение передается по наследству, оно считается эпигенетическим . Когда изменение информационного статуса не передается по наследству, это будет соматический эпитип . Эффективное информационное наполнение было изменено посредством воздействия белка или белков на ДНК, но первичная последовательность ДНК не изменилась.

Прионы [ править ]

Основная статья: Прион

Прионы представляют собой белки определенных аминокислотных последовательностей в определенных конформациях. Они размножаются в клетках - хозяевах путем конформационных изменений в других молекулах белка с одной и той же аминокислотной последовательностью, но с другой конформации, функционально важным или вредным для организма. Как только белок трансформируется в прионную укладку, он меняет функцию. В свою очередь, он может передавать информацию в новые клетки и преобразовывать более функциональные молекулы этой последовательности в альтернативную прионную форму. У некоторых видов прионов у грибов это изменение непрерывное и прямое; информационный поток: Белок → Белок.

Некоторые ученые, такие как Ален Э. Бюссар и Юджин Кунин , утверждали, что наследование, опосредованное прионами, нарушает центральную догму молекулярной биологии. [12] [13] Однако Розалинд Ридли в « Молекулярной патологии прионов» (2001) написала, что «гипотеза прионов не еретична центральной догме молекулярной биологии - информация, необходимая для производства белков, закодирована в нуклеотидной последовательности. нуклеиновой кислоты - потому что он не утверждает, что белки реплицируются. Скорее, он утверждает, что внутри белковых молекул есть источник информации, который способствует их биологической функции, и что эта информация может передаваться другим молекулам ». [14]

Естественная генная инженерия [ править ]

Джеймс А. Шапиро утверждает, что надмножество этих примеров следует классифицировать как естественную генную инженерию и достаточно, чтобы опровергнуть основную догму. Хотя Шапиро получил уважительное отношение к своей точке зрения, его критики не были убеждены, что его понимание центральной догмы соответствует тому, что имел в виду Крик. [15] [16]

Использование термина " догма" [ править ]

В своей автобиографии , Что Mad Pursuit Крик писал о своем выборе слова догмы и некоторые из проблем , которые она причинила ему:

«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 сильным ... Как выяснилось, использование слова догма вызвало больше проблем, чем оно того стоило. Много лет спустя Жак Моно указал мне, что я, похоже, не понимаю правильного использования слова догма, а это убеждение, которое не может сомневаться . Я действительно понимал это смутно, но поскольку я думал, что все религиозные убеждения не имели под собой основания, я использовал это слово так, как я сам думал о нем, а не как большинство людей в мире, и просто применил его к великой гипотезе, которая, сколь бы правдоподобной она ни была, не имела прямого экспериментального подтверждения ».

Точно так же Гораций Фриланд Джадсон записывает в «Восьмой день творения» : [17]

«Я считал, что догма - это идея, для которой не было разумных доказательств . Видите ?!» И Крик восторженно взревел. «Я просто не знал, что означает догма . И с таким же успехом я мог бы назвать это« центральной гипотезой »или - вы знаете. Это то, что я хотел сказать.« Догма »была просто крылатой фразой».

Сравнение с барьером Вейсмана [ править ]

В августе Weismann «s росток протоплазма теории, наследственный материал, зародыш протоплазма, приурочена к гонадам . Соматические клетки (тела) заново развиваются в каждом поколении из зародышевой плазмы. Что бы ни случилось с этими клетками, это не повлияет на следующее поколение.

Барьер Вейсмана, предложенный Августом Вейсманном в 1892 году, различает «бессмертные» линии зародышевых клеток ( зародышевую плазму ), которые продуцируют гаметы, и «одноразовые» соматические клетки. Наследственная информация передается только от клеток зародышевой линии к соматическим клеткам (то есть соматические мутации не передаются по наследству). Это, до открытия роли или структуры ДНК, не предсказывает центральную догму, но предвосхищает ее геноцентрический взгляд на жизнь, хотя и в немолекулярных терминах. [18] [19]

См. Также [ править ]

  • Жизнь
  • Клетка (биология)
  • Деление клеток
  • ген
  • экспрессия гена
  • Эпигенетика
  • Геном
  • Альтернативная сварка
  • Генетический код
  • Рибопереключатель

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Leavitt SA (июнь 2010 г.). «Расшифровка генетического кода: Маршалл Ниренберг» . Управление истории NIH. Архивировано из оригинала на 2015-03-17 . Проверено 2 марта 2012 .
  2. ^ a b Cobb M (сентябрь 2017 г.). «60 лет назад Фрэнсис Крик изменил логику биологии» . PLOS Биология . 15 (9): e2003243. DOI : 10.1371 / journal.pbio.2003243 . PMC 5602739 . PMID 28922352 .  
  3. ^ "Репозиторий архивов CSHL | О синтезе белков" . libgallery.cshl.edu . Проверено 13 ноября 2018 .
  4. ^ Крика FH (1958). «О синтезе белков». В Ф.К. Сандерсе (ред.). Симпозиумы Общества экспериментальной биологии, номер XII: Биологическая репликация макромолекул . Издательство Кембриджского университета. С. 138–163.
  5. ^ Крик, Фрэнсис. HC (1958). «О синтезе белка» . Симпозиумы Общества экспериментальной биологии . Симпозиумы Общества экспериментальной биологии № XII: Биологическая репликация макромолекул. 12 . п. 153. PMID 13580867 . 
  6. ^ a b c Crick F (август 1970). «Центральная догма молекулярной биологии» (PDF) . Природа . 227 (5258): 561–3. Bibcode : 1970Natur.227..561C . DOI : 10.1038 / 227561a0 . PMID 4913914 . S2CID 4164029 .   
  7. Перейти ↑ Moran LA (15 января 2007 г.). «Песчаные тропы: основные концепции: центральная догма молекулярной биологии» . sandwalk.blogspot.com . Проверено 17 марта 2018 года .
  8. ^ Б с д е е г Yao NY, O'Donnell M (июнь 2010 г.). «Снимок: Реплисом» . Cell . 141 (6): 1088–1088.e1. DOI : 10.1016 / j.cell.2010.05.042 . PMC 4007198 . PMID 20550941 .  
  9. ^ Ahlquist P (май 2002). «РНК-зависимые РНК-полимеразы, вирусы и сайленсинг РНК». Наука . 296 (5571): 1270–3. Bibcode : 2002Sci ... 296.1270A . DOI : 10.1126 / science.1069132 . PMID 12016304 . S2CID 42526536 .  
  10. ↑ 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. Полномочный код : 1965PNAS ... 54..880M . DOI : 10.1073 / pnas.54.3.880 . PMC 219759 . PMID 4955657 .  
  11. ^ . Удзава Т., Ямагиши А., Осима Т. (июнь 2002 г.). «Синтез полипептидов, управляемый ДНК как посредником в внеклеточном синтезе полипептидов экстремальными термофилами, Thermus thermophilus HB27 и штаммом Sulfolobus tokodaii 7». Журнал биохимии . 131 (6): 849–53. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.jbchem.a003174 . PMID 12038981 . 
  12. ^ Bussard АЕ (август 2005). «Научная революция? Прионная аномалия может бросить вызов центральной догме молекулярной биологии» . EMBO Reports . 6 (8): 691–4. DOI : 10.1038 / sj.embor.7400497 . PMC 1369155 . PMID 16065057 .  
  13. ^ Кунин EV (август 2012). "Остается ли в силе центральная догма?" . Биология Директ . 7 : 27. DOI : 10.1186 / 1745-6150-7-27 . PMC 3472225 . PMID 22913395 .  
  14. Перейти ↑ Ridley R (2001). «Что сделал бы Томас Генри Хаксли из прионных болезней?». В Baker HF (ред.). Молекулярная патология прионов . Методы молекулярной медицины. Humana Press. стр.  1 -16. ISBN 0-89603-924-2.
  15. ↑ Wilkins AS (январь 2012 г.). «(Обзор) Эволюция: взгляд из 21 века» . Геномная биология и эволюция . 4 (4): 423–426. DOI : 10.1093 / GbE / evs008 . PMC 3342868 . 
  16. ↑ Моран Л.А. (май – июнь 2011 г.). «(Обзор) Эволюция: взгляд из 21 века» . Отчеты Национального центра естественнонаучного образования . 32.3 (9): 1–4. Архивировано из оригинала на 2013-09-15 . Проверено 27 октября 2012 .
  17. ^ Джадсон HF (1996). «Глава 6: Я думал, что догма - это идея, для которой не было разумных доказательств . Видите ?! ». Восьмой день творения: создатели революции в биологии (25-летие изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. ISBN 978-0-87969-477-7.
  18. ^ De Tiège A, Tanghe K, J Braeckman, Ван - де - Peer Y (январь 2014). «От ДНК к НА-центризму и новые условия для геноцентризма». Биология и философия . 29 (1): 55–69. DOI : 10.1007 / s10539-013-9393-Z . S2CID 85866639 . 
  19. ^ Тернер JS (2013). Хеннинг Б.Г., Скарф А.С. (ред.). Второй закон биологии: гомеостаз, цель и желание . За пределами механизма: возвращение жизни в биологию . Роуман и Литтлфилд. п. 192. ISBN. 978-0-7391-7436-4. В то время как Вейсманн сказал бы, что изменения, приобретенные в течение жизни организма, не могут влиять на передаваемые признаки в зародышевой линии, CDMB теперь добавил, что информация, закодированная в белках, не может иметь обратную связь и влиять на генетическую информацию в какой бы то ни было форме. , который был, по сути, молекулярной переработкой барьера Вейсмана.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бюссар А.Е. (август 2005 г.). «Научная революция? Прионная аномалия 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 
  • Ли Дж.Дж., Биггин, доктор медицины (март 2015 г.). «Экспрессия гена. Статистика требует центральной догмы» . Наука . 347 (6226): 1066–7. Bibcode : 2015Sci ... 347.1066L . DOI : 10.1126 / science.aaa8332 . PMID  25745146 .
  • Пирас В., Томита М., Сельвараджу К. (2012). «Является ли центральная догма глобальным свойством клеточного информационного потока?» . Границы физиологии . 3 : 439. DOI : 10,3389 / fphys.2012.00439 . PMC  3505008 . PMID  23189060 .
  • Робинсон В.Л. (2009). «Переосмысление центральной догмы: некодирующие РНК биологически значимы». Урологическая онкология . 27 (3): 304–6. DOI : 10.1016 / j.urolonc.2008.11.004 . PMID  19414118 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Разработка центральной догмы - Scitable: By Nature education
  • Анимация центральной догмы от RIKEN - NatureDocumentaries.org
  • Обсуждение вызовов «Центральной догме молекулярной биологии»
  • Объяснение центральной догмы с помощью музыкальной аналогии
  • «Фрэнсис Гарри Комптон Крик (1916–2004)» А. Андрея в энциклопедии Embryo Project