W jaki sposób geny w DNA mają zakodowane przepisy na białka. Centralny dogmat biologii molekularnej: DNA → RNA → białko. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Przegląd: Ekspresja genów

DNA jest materiałem genetycznym wszystkich organizmów na Ziemi. Kiedy DNA jest przekazywane od rodziców do dzieci, może ono określać pewne ich cechy (takie jak ich kolor oczu czy włosów). Ale jak w rzeczywistości sekwencja cząsteczki DNA wpływa na cechy człowieka lub innych organizmów? Na przykład, jak sekwencja nukleotydów (A, T, C i G) w DNA w groszkach Mendla określa kolor ich kwiatów?

Geny określają funkcjonalne produkty (takie jak białka)

Cząsteczka DNA nie jest tylko długim, nudnym ciągiem nukleotydów. Jest natomiast podzielona na funkcjonalne jednostki nazywane genami. Każdy gen dostarcza instrukcji dla funkcjonalnego produktu, to znaczy, cząsteczki niezbędnej do wypełnienia konkretnej funkcji w komórce. Na przykład, gen koloru kwiatów Mendla dostarcza instrukcji dla białka, które pomaga w utworzeniu kolorowych cząsteczek (barwników) w płatkach kwiatów.
Schemat opisujący jak gen może determinować fenotyp (widzialną cechę) organizmu. Gen koloru kwiatu, który badał Mendel, składa się z fragmentu DNA znajdującego się na chromosomie. DNA ma konkretną sekwencję, jej część, pokazana na tym schemacie, jest 5'-GTAAATCG-3', sparowana z komplementarną sekwencją 3'-CATTTAGC-5'. DNA tego genu określa syntezę białka, które pomaga tworzyć barwniki. Kiedy białko jest obecne i funkcjonalne, barwniki są produkowane i kwiaty roślin są różowe.
Obraz na podstawie danych eksperymentalnych opisanych przez Hellens et al.start superscript, 1, end superscript i na podstawie podobnej ryciny u Reece et al.start superscript, 2, end superscript.
Funkcjonalne produkty większości znanych genów są białkami, lub dokładniej - polipeptydami. Polipeptyd jest tylko innymi słowy łańcuchem aminokwasów. Chociaż wiele białek składa się z pojedynczego polipeptydu, niektóre z nich są zbudowane z wielu polipeptydów. Geny, które określają białka, są nazywane genami kodującymi białka.
Nie wszystkie geny określają polipeptydy. Natomiast niektóre dostarczają instrukcji do utworzenia cząsteczek RNA, takich jak tRNA i rRNA, które pełnią rolę w translacji.
Jak powyżej wspomniano, DNA organizmu może być podzielone na funkcjonalne jednostki nazywane genami. Każdy gen składa się z sekwencji DNA i ta sekwencja dostarcza instrukcji do utworzenia produktu niezbędnego dla komórki. Niektóre produkty są polipeptydami, kiedy inne są funkcjonującymi RNA.
Examples of different functional products that genes can specify.
In this example, there is a stretch of DNA that contains three different genes:
  • Gene 1 encodes an mRNA, which is then translated to make a polypeptide (protein or protein subunit).
  • Gene 2 encodes a regulatory RNA. This RNA is not translated into a polypeptide, but rather, carries out a job in the cell itself (regulating expression of other genes).
  • Gene 3 encodes a transfer RNA (tRNA). This RNA is also not translated into a polypeptide. Instead, it folds into a complex cloverleaf shape and will play a key role in the synthesis of proteins.
Image modified from "Central dogma of molecular biochemistry with enzymes," by Daniel Horspool (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license.
Pomysł, że geny kodują polipeptydy był od wielu lat (śledząc jego korzenie wracamy do eksperymentów Beadle'a i Tatum'a z lat '40 XX wieku).
Idea, że geny powszechnie kodują funkcjonalne RNA jest nowsza. Poszczególne rodzaje funkcjonalnych RNA (takie jak tRNA i rRNA) były znane od wielu lat. Jednakże, naukowcy dopiero niedawno odkryli wiele innych genów, które kodują regulatorowe RNA, RNA nie kodujące białek, które zmieniają ekspresję innych genów. Jak działają te RNA jest pod lupą wielu naukowców.

Jak sekwencja DNA genu określa dane białko?

Wiele genów dostarcza wskazówek do tworzenia polipeptydów. Jak dokładnie DNA kieruje budową polipeptydu? Ten proces obejmuje dwa główne kroki: transkrypcję i translację.
  • W transkrypcji, sekwencja DNA genu jest kopiowana, aby utworzyć cząsteczkę RNA. Ten etap jest nazywany transkrypcją, ponieważ obejmuje przepisywanie, czyli transkrybowanie, sekwencji DNA w podobnym "alfabecie" RNA. U eukariotów, cząsteczka RNA musi przejść obróbkę, aby stać się dojrzałym informacyjnym (mRNA)
  • W translacji, sekwencja mRNA jest dekodowana, aby zdefiniować sekwencję aminokwasową polipeptydu. Nazwa translacja odzwierciedla to, że sekwencja nukleotydowa mRNA musi być przetłumaczona na kompletnie inny "język" aminokwasów.
Uproszczony schemat centralnego dogmatu, pokazujący sekwencje cząsteczek w niego zaangażowanych.
Dwie nici DNA mają poniższe sekwencje:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
Transkrypcja jednej z nici DNA daje mRNA, które niemal pasuje do drugiej nici DNA w sekwencji. Jednakże, z powodu biochemicznej różnicy pomiędzy DNA i RNA, T z DNA jest zastępowane przez U w RNA. Sekwencja mRNA to:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Translacja obejmuje odczytywanie nukleotydów mRNA w grupach po trzy, w których każda z nich określa aminokwas (czy dostarcza sygnał STOP wskazujący, że translacja jest zakończona).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow metionina AUC right arrow izoleucyna UCG right arrow seryna UAA right arrow "STOP"
Sekwencja polipeptydu (N-koniec) metionina-izoleucyna-seryna (C-koniec)
Zatem, podczas ekspresji genu kodującego białko, informacja przepływa DNA right arrow RNA right arrow białko. Ten kierunkowy przepływ informacji jest znany jako centralny dogmat biologii molekularnej. Geny niekodujące białek (geny, które określają funkcjonalne RNA) są nadal transkrybowane, aby produkować RNA, ale to RNA nie jest przepisywane na polipeptyd. Dla obu typów genów, proces przechodzenia od DNA do funkcjonalnego produktu jest znany jako ekspresja genu.
Możesz się zastanawiać, dlaczego ekspresja genów ma etap transkrypcji. Dlaczego sekwencja DNA nie jest bezpośrednio przepisywana za sekwencję aminokwasów polipeptydu?
To dobre pytanie i nie możemy dać ostatecznej odpowiedzi. Do pewnego stopnia jest to jasne, jak system ekspresji genów ewoluował i obecnie spekulujemy, kiedy możemy skierować pytanie "dlaczego właśnie transkrypcja?". Jeśli znajdziemy życie na innej planecie, będzie ono mogło prawdopodobnie wyrażać swoje geny w innym procesie, który nie zawiera transkrypcji.
W znanych organizmach, transkrypcja jest niezbędną częścią ekspresji genów. Nawet jeśli komórki w jakiś sposób miałyby sposób na bezpośrednie odczytywanie sekwencji DNA i wykorzystywanie go do budowania białka (którego w rzeczywistości nie mają), poniżej znajdują się przyczyny, dlaczego nadal byłby to niezbędny etap:
  • Jedna przyczyna odnosi się po prostu do lokalizacji. W komórkach eukariotycznych, DNA jest zamknięty w jądrze, kiedy rybosomy - molekularne maszyny wykorzystywane do tworzenia białek - znajdują się w cytozolu. Zatem, "wysłannik" jest potrzebny do przeniesienia informacji z DNA poza jądro komórkowe do czekających rybosomów. mRNA wypełniają tą rolę.
  • Transkrypcja także dostarcza ważnego punktu kontroli, w którym komórki regulują ile zostanie wyprodukowane danego polipeptydu. Chociaż inne etapy ekspresji genów mogą być także regulowane, kontrola transkrypcji jest najbardziej powszechną formą regulacji genów. Jeśli etap transkrypcji zostałby w jakiś sposób usunięty, komórki straciłyby w dużym stopniu swoją kontrolę nad tym, które polipeptydy są produkowane i gdzie.

Transkrypcja

W transkrypcji, jedna nić DNA, która tworzy gen, nazywana nicią niekodującą, działa jak matryca do syntezy pasującej (komplementarnej) nici RNA dzięki enzymowi nazywanemu polimerazą RNA. Ta nić RNA jest pierwotnym transkryptem.
Dwie nici DNA mają poniższe sekwencje:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
DNA otwiera się tworząc oczko i nić służy jako matryca do syntezy komplementarnej nici RNA. Ta nić jest nazywana nicią matrycową. Transkrypcja nici matrycowej daje mRNA, które prawie pasuje do drugiej nici (nici kodującej) DNA w sekwencji. Jednakże, z powodu biochemicznych różnic między DNA i RNA, T w DNA jest zastępowane przez U w mRNA. Sekwencją mRNA jest:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Pierwotny transkrypt niesie tą samą sekwencję informacji jak nietranskrybowana nić DNA, czasami nazywana nicią kodującą. Jednakże, pierwotny transkrypt i nić kodująca DNA nie są identyczne dzięki niektórym biochemicznym różnicom pomiędzy DNA i RNA. Jedną ważną różnicą jest ta, że cząsteczka RNA nie zawiera tyminy (T). Natomiast, ma podobną zasadę - uracyl (U). Tak jak tymina, uracyl paruje z adeniną.
Identyczność cukrów. Cukier w nukleotydzie RNA to ryboza, kiedy cukrem w DNA jest deoksyryboza. Są one bardzo podobne, ale ryboza ma grupę hydroksylową (minus, O, H), która została utracona w deoksyrybozie.
DNA nucleotide: lacks a hydroxyl group on the 2' carbon of the sugar (i.e., sugar is deoxyribose). Bears a thymine base that has a methyl group attached to its ring.
RNA nucleotide: has a hydroxyl group on the 2' carbon of the sugar (i.e., sugar is ribose). Bears a uracil base that is very similar in structure to thymine, but does not have a methyl group attached to the ring.
Image based on similar image from CyberBridge start superscript, 3, end superscript.
Liczba nici. Transkrypcja daje jednoniciową cząsteczkę RNA, kiedy początkowa cząsteczka DNA była dwuniciowa.
Chociaż transkrypty RNA nie są stworzone z dwóch oddzielnych nici, RNA może czasami ponownie składać się i tworzyć regiony dwuniciowe i złożone struktury 3D. Zobaczymy przykłady fałdowania RNA, kiedy spojrzymy na tRNA i translację białek. Także niektóre wirusy mają genomy zbudowane z dwuniciowego RNA.
Zobacz artykuł o kwasach nukleinowych, aby uzyskać więcej informacji o DNA i RNA.

Transkrypcja i obróbka RNA: eukarioty vs. bakterie

W bakteriach pierwotny transkrypt RNA może bezpośrednio służyć jako informacyjny RNA, czyli mRNA. mRNA otrzymały taką swoją nazwę, ponieważ służą jako informacyjni pośrednicy pomiędzy DNA i rybosomami. Rybosomy są strukturami zbudowanymi z RNA i białek obecnymi w cytozolu, gdzie białka są syntetyzowane.
U eukariotów (takich jak ludzie), pierwotny transkrypt musi przejść przez kilka dodatkowych etapów obróbki, aby stać się dojrzałym mRNA. Podczas obróbki, czapeczki są dodawane do końców RNA i niektóre kawałki RNA mogą być starannie usunięte w procesie nazywanym splicingiem. Te etapy nie mają miejsca u bakterii.
Komórka eukariotyczna: Transkrypcja ma miejsce w jądrze komórkowym. Pierwotny transkrypt także przechodzi etapy obróbki w jądrze komórkowym, aby stać się dojrzałym mRNA. Następnie jest eksportowany do cytozolu, gdzie może łączyć się z rybosomem i kierować syntezą polipeptydu w procesie translacji.
Bakteria: Transkrypcja zachodzi w cytozolu. Z tego powodu, mRNA nie musi nigdzie migrować zanim ulegnie translacji przez rybosom. W rzeczywistości, rybosom może rozpoczynać translację mRNA nawet przed tym jak jest ono w pełni przepisane (kiedy transkrypcja nadal zachodzi).
Lokalizacja transkrypcji jest także różna pomiędzy prokariotami i eukariotami. Transkrypcja eukariotyczna ma miejsce w jądrze komórkowym, gdzie składowane jest DNA, kiedy synteza białek dzieje się w cytozolu. Z tego powodu. eukariotyczne mRNA musi być eksportowane z jądra przed tym jak będzie przepisywane na polipeptyd. Komórki prokariotyczne, z drugiej strony, nie maja jądra, więc przeprowadzają i transkrypcję i translację w cytozolu.

Translacja

Po transkrypcji (i u eukariotów po obróbce) cząsteczka mRNA jest gotowa do kierowania syntezą białka. Proces wykorzystujący informację z mRNA, aby utworzyć polipeptyd jest nazywany translacją.

Kod genetyczny

Podczas translacji, sekwencja nukleotydów mRNA jest przepisywana na sekwencję aminokwasów polipeptydu. W szczególności nukleotydy mRNA są czytane trypletami (grupami po trzy) nazywanymi kodonami. Jest 61 kodonów, które określają aminokwasy. Jeden kodon jest kodonem "START", który określa, gdzie rozpocząć translację. Kodon start określa aminokwas metioninę, więc większość polipeptydów rozpoczyna się tym aminokwasem. Trzy inne kodony "stop"sygnalizują koniec polipeptydu. Te związki pomiędzy kodonami i aminokwasami są nazywane kodem genetycznym.
Genetic code table. Each three-letter sequence of mRNA nucleotides corresponds to a specific amino acid, or to a stop codon. UGA, UAA, and UAG are stop codons. AUG is the codon for methionine, and is also the start codon.
Image credit: "The genetic code," by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0).
Sekwencja mRNA jest:
5'-AUGAUCUCGUAA-5'
Translacja obejmuje odczytywanie nukleotydów mRNA w grupach po trzy, w których każda z nich określa aminokwas (czy dostarcza sygnał STOP wskazujący, że translacja jest zakończona).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow metionina AUC right arrow izoleucyna UCG right arrow seryna UAA right arrow "STOP"
Sekwencja polipeptydu (N-koniec) metionina-izoleucyna-seryna (C-koniec)

Etapy translacji

Translacja ma miejsce wewnątrz struktur znanych jako rybosomy. Rybosomy są molekularnymi maszynami, których zadaniem jest tworzenie polipeptydów. Kiedy rybosom doczepia się do mRNA i znajduje kodon start, szybko wędruje w dół, wzdłuż mRNA, po jednym kodonie. Jak to się dzieje, stopniowo buduje łańcuch aminokwasów, które dokładnie odzwierciedlają sekwencję kodonów w mRNA.
Jak rybosom "wie", który aminokwas dodać dla każdego z kodonów? Jak się okazuje, to dopasowanie nie jest wykonywane przez sam rybosom. Natomiast zależy ono od grupy wyspecjalizowanych cząsteczek RNA nazywanych transferowym RNA (tRNA). Każde tRNA ma trzy wystające nukleotydy na jednym końcu, które mogą rozpoznawać (parować z) tylko jedną lub kilkoma szczególnymi kodonami. Na drugim końcu, tRNA niesie aminokwas - szczególny, który pasuje do tych kodonów.
Translacja mająca miejsce w rybosomie. mRNA jest przyłączone do rybosomu, gdzie może współdziałać z cząsteczką tRNA.
Na tym obrazku, mRNA ma sekwencję:
3'-...AUG UAC AUC UCG GAU...-5'
tRNA dołączone do trzeciego kodonu (5'-AUC-3') ma komplementarną sekwencję do 3'-UAG-5'. To daje łańcuch polipeptydów składający się z metioniny i izoleucyny, która jest dołączona do tRNA przez izoleucynę. Na prawo od tego tRNA, inne tRNA przyłącza się do następnego kodonu (5'-UGC-3'). To tRNA znowu ma komplementarna sekwencję do nukleotydów i niesie aminokwas serynę, który jest aminokwasem określanym przez kodon mRNA. Seryna niesiona przez to tRNA będzie dodawana do rosnącego łańcucha polipeptydowego.
Inne tRNA niosące inne aminokwasy pływają w tle. Jedno niesie Glu (kwas glutaminowy) i ma sekwencję nukleotydów na swoim końcu, która odczytuje 3'-CUU-5'. Inna niesie Asp (kwas asparaginowy) i ma sekwencję nukleotydów na swoim końcu, która odczytuje 3'-CUA-5'.
Istnieje wiele tRNA pływających w komórce, ale tylko jedno tRNA, które pasuje (paruje z) kodonem, który obecnie jest odczytywany, łączy się i dostarcza swój ładunek - aminokwas. Kiedy tRNA jest ciasno połączone z pasującym kodonem w rybosomie, jego aminokwas będzie dodawany do końca łańcucha polipeptydowego.
  1. Pasujące tRNA łączy się z wyeksponowanym kodonem po prawej stronie od otworu rybosomu.
  2. Łańcuch aminokwasów jest przepisywany z tRNA wewnątrz otworu rybosomu na aminokwasy tRNA w otworze najbardziej wysuniętym na prawo. Daje to efekt w postaci dodawania aminokwasu na koniec łańcucha aminokwasowego.
  3. Rybosom przesuwa się o jeden kodon. tRNA wcześniej będące w środkowym otworze przesuwa się do najbardziej wysuniętego po lewej stronie i opuszcza rybosom. tRNA będące wcześniej w otworze po prawej stronie przesuwa się do środkowego otworu i kontynuuje utrzymywanie łańcucha aminokwasowego. Nowy kodon jest eksponowany w otworze najbardziej po prawej stronie dla nowego tRNA, aby mogło się ono przyłączyć.
Ten proces powtarza się wiele razy, wraz z rybosomem przesuwającym się dalej, kodon za kodonem. Łańcuch aminokwasów jest budowany jeden za drugim, z sekwencją aminokwasów, która pasuje do sekwencji kodonów znajdujących się w mRNA. Translacja kończy się, kiedy rybosom osiąga kodon stop i uwalnia polipeptyd.

Co dzieje się później?

Kiedy polipeptyd jest ukończony, może być przetwarzany lub modyfikowany, łączony z innymi polipeptydami lub kierowany do specjalnego miejsca wewnątrz lub na zewnątrz komórki. Ostatecznie, będzie pełnić swoją funkcję potrzebną dla komórki lub organizmu - może jako cząsteczka sygnałowa, element budulcowy lub enzym!

Podsumowanie:

  • DNA jest podzielne na małe funkcjonalne jednostki nazywane genami, które mogą określać polipeptydy (białka i podjednostki białek) lub funkcjonalne RNA (takie jak tRNA i rRNA).
  • Informacja z genu jest wykorzystywana do utworzenia funkcjonalnego produktu w procesie nazywanym ekspresją genów.
  • Gen, który koduje polipeptyd jest wyrażany w dwóch etapach. W tym procesie, informacja przepływa DNA right arrow RNA right arrow białko, to kierunkowa relacja znana jako centralny dogmat biologii molekularnej.
    • Transkrypcja: Jedna nić DNA genu jest kopiowana na RNA. U eukariotów. transkrypt RNA musi przechodzić dodatkowe etapy obróbki, aby stać się dojrzałym informacyjnym RNA (mRNA).
    • Translacja: Sekwencja nukleotydów mRNA jest odczytywana, aby określić sekwencję aminokwasów polipeptydu. Ten proces dzieje się wewnątrz rybosomu i wymaga cząsteczek przejściowych nazywanych tRNA.
  • Podczas translacji. nukleotydy tRNA są odczytywane grupami po trzy nazywanymi kodonami. Każdy kodon określa poszczególny aminokwas lub sygnał stop. Ten zestaw związków jest znany jako kod genetyczny.
Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

  1. Hellens, R. P., Moreau, C., Lin-Wang, K., Schwinn, K. E., Thomson, S. J., Fiers, M. W. E. J., . . . Noel Ellis, T. H. (11 października 2010). Identification of Mendel's white flower character. PLOS ONE. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0013230.
  2. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Figure 14.4. Alleles, alternative versions of a gene. W Campbell biology (10th ed., p. 271). San Francisco, CA: Pearson.
  3. CyberBridge. (2007). RNA structure. W Structure of DNA. Źródło: http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html.

Bibliografia:

Hellens, R. P., Moreau, C., Lin-Wang, K., Schwinn, K. E., Thomson, S. J., Fiers, M. W. E. J., . . . Noel Ellis, T. H. (11 października 2010). Identification of Mendel's white flower character. PLOS ONE. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0013230.
OpenStax College, Biology. (29 grudnia 2015). The genetic code. W OpenStax CNX. Źródło: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:QEibhJMi@8/The-Genetic-Code.
Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., Heller, H.C. (2004). DNA, RNA, and the flow of information. W Life: the science of biology (7th ed., pp. 236-237). Sunderland, MA: Sinauer Associates.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Genes specify proteins via transcription and translatioin. W Campbell biology (10th ed., pp. 334-340). San Francisco, CA: Pearson.

Podziękowania:

Wielkie dzięki dla Willy McAllister za pomocne komentarze na temat tego artykułu.