Центральная догма молекулярной биологии

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Центральная догма молекулярной биологии — обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом Криком в 1958 году[1] и приведено в соответствие с накопившимися к тому времени данными в 1970 году[2]. Переход генетической информации последовательно от ДНК к РНК и затем от РНК к белку является универсальным для всех без исключения клеточных организмов, лежит в основе биосинтеза макромолекул. Репликации генома соответствует информационный переход ДНК → ДНК. В природе встречаются также переходы РНК → РНК и РНК → ДНК (например, у некоторых вирусов), а также изменение конформации белков, передаваемое от молекулы к молекуле.

Информация, содержащаяся в биологических последовательностях

[править | править код]

Биополимеры — это синтезируемые живыми существами биологические полимеры. ДНК, РНК и белки относятся к линейным полимерам, которые собираются путём последовательного присоединения друг к другу отдельных элементов — мономеров. Последовательность мономеров кодирует информацию, правила передачи которой описываются центральной догмой. Информация передаётся с высокой точностью, детерминистически и один биополимер используется как шаблон для сборки другого полимера с последовательностью, которая полностью определяется последовательностью первого полимера.

Универсальные способы передачи биологической информации

[править | править код]

В живых организмах встречаются три вида гетерогенных, то есть состоящих из разных мономеров полимера — ДНК, РНК и белок. Передача информации между ними может осуществляться девятью (3 × 3 = 9) способами. Центральная догма разделяет эти девять типов передачи информации на три группы:

Общие Специальные Неизвестные
ДНК → ДНК РНК → ДНК белок → ДНК
ДНК → РНК РНК → РНК белок → РНК
РНК → белок ДНК → белок белок → белок

Общие способы передачи информации

[править | править код]
Принципиальная схема реализации генетической информации у про- и эукариот.
Прокариоты. У прокариот синтез белка рибосомой (трансляция) пространственно не отделён от транскрипции и может происходить ещё до завершения синтеза мРНК РНК-полимеразой. Прокариотические мРНК часто полицистронные, то есть содержат несколько независимых генов.
Эукариоты. мРНК эукариот синтезируется в виде предшественника, пре-мРНК, претерпевающего затем сложное стадийное созревание — процессинг, включающий присоединение кэп-структуры к 5'-концу молекулы, присоединение нескольких десятков остатков аденина к её 3'-концу (полиаденилирование), выщепление незначащих участков — интронов и соединение друг с другом значащих участков — экзонов (сплайсинг). При этом соединение экзонов одной и той же пре-мРНК может проходить разными способами, приводя к образованию разных зрелых мРНК, и в конечном итоге разных вариантов белка (альтернативный сплайсинг). Только мРНК, успешно прошедшая процессинг, экспортируется из ядра в цитоплазму и вовлекается в трансляцию.

Репликация ДНК: ДНК → ДНК

[править | править код]

Репликация ДНК — основной способ передачи информации между поколениями живых организмов, поэтому точное удвоение (репликация) ДНК очень важно. Репликация осуществляется комплексом белков. Сначала белки расплетают хроматин, затем — двойную спираль; получаются две цепочки. После этого ДНК-полимераза и ассоциированные с ней белки строят на каждой из двух цепочек комплементарную ей цепочку.

Транскрипция: ДНК → РНК

[править | править код]

Транскрипция — биологический процесс, в результате которого информация, содержащаяся на участке ДНК, копируется на синтезируемую молекулу мРНК. Транскрипцию осуществляют факторы транскрипции и РНК-полимераза. В эукариотической клетке первичный транскрипт (пре-мРНК) часто редактируется. Этот процесс называется процессингом РНК.

Трансляция: РНК → белок

[править | править код]

Зрелая мРНК считывается рибосомами в процессе трансляции. В прокариотических клетках процесс транскрипции и трансляции не разделён пространственно, и эти процессы сопряжены. В эукариотических клетках место транскрипции — клеточное ядро — отделено от места трансляции (цитоплазмы) ядерной мембраной, поэтому мРНК транспортируется из ядра в цитоплазму. мРНК считывается рибосомой в виде трёхнуклеотидных «слов». Комплексы факторов инициации и факторов элонгации доставляют аминоацилированные транспортные РНК к комплексу мРНК-рибосома.

Специальные способы передачи информации

[править | править код]

Обратная транскрипция: РНК → ДНК

[править | править код]

Обратная транскрипция — перенос информации с РНК на ДНК, процесс, обратный транскрипции и осуществляемый ферментом, называемым обратной транскриптазой. Встречается у ретровирусов, например, у ВИЧ и в случае ретротранспозонов.

Репликация РНК: РНК → РНК

[править | править код]

Репликация РНК — копирование цепи РНК на комплементарную ей цепь РНК с помощью фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы. Таким способом реплицируются вирусы, содержащие одноцепочечную (например, пикорнавирусы, к которым относится вирус ящура, коронавирусы) или двуцепочечную РНК.

Прямая трансляция белка на матрице ДНК: ДНК → белок

[править | править код]

Прямая трансляция была продемонстрирована в клеточных экстрактах кишечной палочки. Экстракты содержали рибосомы, но не иРНК, синтезировали белки с введённых в систему одноцепочечных ДНК; антибиотик неомицин усиливал этот эффект[3][4].

Эпигенетические изменения

[править | править код]

Эпигенетические изменения — это изменения в проявлении генов, не обусловленные изменением генетической информации (мутациями). Эпигенетические изменения происходят в результате модификации уровня экспрессии генов, то есть их транскрипции и/или трансляции. Наиболее изученным видом эпигенетической регуляции является метилирование ДНК с помощью белков ДНК-метилтрансфераз, что приводит к временной, зависящей от условий жизни организма инактивации метилированного гена. Однако поскольку первичная структура молекулы ДНК при этом не изменяется, это исключение нельзя считать истинным примером передачи информации от белка к ДНК.

Связь матричных процессов первого и второго рода[5]

Прионы — белки, которые существуют в двух формах. Одна из форм (конформаций) белка является функциональной, обычно растворимой в воде. Вторая форма образует нерастворимые в воде агрегаты, часто в виде молекулярных трубочек-полимеров. Мономер — молекула белка — в этой конформации способен присоединяться к другим сходным молекулам белка, переводя их во вторую, прионоподобную, конформацию. Такие процессы иногда, в отличие от всех остальных матричных процессов (первого рода), относят к матричным процессам второго рода. У грибов такие молекулы могут передаваться по наследству. Но, как и в случае метилирования ДНК, первичная структура белка в данном случае остаётся прежней, и переноса информации на нуклеиновые кислоты не происходит.

История возникновения термина «догма»

[править | править код]

Хорас Джадсон (англ. Horace Judson) написал в книге «Восьмой день творения»:

«Я считал, что догма — это идея, которая не подтверждена фактами. Понимаете?». И Крик воскликнул с удовольствием: «Я просто не знал, что означает „догма“. Я мог бы с тем же успехом назвать это „Центральной гипотезой“ или — чем-нибудь ещё. Догма была просто слоганом».[6]

Кроме того, в автобиографической книге «Что за сумасшедший поиск» («What Mad Pursuit») Крик писал о выборе слова «догма» и о вызванных этим выбором проблемах:

«Я назвал эту идею центральной догмой, я подозреваю, по двум причинам. Я уже использовал слово „гипотеза“ в гипотезе о последовательности, кроме того, я хотел предположить, что это новое допущение более центральное и сильное… Как оказалось, использование термина „догма“ вызвало больше неприятностей, чем оно того стоило… Через много лет Жак Моно сказал мне, что по-видимому я не понимал, что подразумевается под словом „догма“, которая означает часть веры, не подлежащая сомнению. Я смутно опасался подобного значения слова, но поскольку я считал, что все религиозные убеждения не имеют основания, я использовал слово так, как понимал его я, а не большинство других людей, применив его к грандиозной гипотезе, которая, несмотря на внушаемое ею доверие, была основана на небольшом количестве прямых экспериментальных данных».

Примечания

[править | править код]
  1. Crick, F.H.C. (1958): On Protein Synthesis. Архивная копия от 24 января 2018 на Wayback Machine Symp. Soc. Exp. Biol. XII, 139—163. (pdf, early draft of original article)
  2. Crick, F. (1970): Central Dogma of Molecular Biology. Архивная копия от 26 января 2020 на Wayback Machine Nature 227, 561—563. PMID 4913914
  3. B. J. McCarthy and J. J. Holland. Denatured DNA as a Direct Template for in vitro Protein Synthesis (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1965. — 15 September (vol. 54). — P. 880—886. — doi:10.1073/pnas.54.3.880. — PMID 4955657.
  4. .T. Uzawa, A. Yamagishi, T. Oshima. Polypeptide Synthesis Directed by DNA as a Messenger in Cell-Free Polypeptide Synthesis by Extreme Thermophiles, Thermus thermophilus HB27 and Sulfolobus tokodaii Strain 7 (англ.) // The Journal of Biochemistry[англ.] : journal. — 2002. — 9 April (vol. 131). — P. 849—853. — PMID 12038981.
  5. Андрейчук Ю. В. и др. Связь матричных процессов I и II рода: амилоиды и стабильность генома //Молекулярная биология. – 2020. – Т. 54. – №. 5. – С. 750-775.
  6. Horace Freeland Judson. The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (25th anniversary edition) (англ.). — 1996. — ISBN 0-87969-477-7.
  1. B. J. McCarthy, J. J. Holland. Denatured DNA as a Direct Template for in vitro Protein Synthesis (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — National Academy of Sciences, 1965. — Vol. 54. — P. 880—886.
  2. Werner, E. Genome Semantics, In Silico Multicellular Systems and the Central Dogma // FEBS Letters. — 2005. — Вып. 579. — С. 1779—1782. PMID 15763551
  3. Horace Freeland Judson. Chapter 6: My mind was, that a dogma was an idea for which there was no reasonable evidence. You see?! // The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology (25th anniversary edition). — 1996.