Введение

Объяснение потока генетической информации в биологической системе.

Центральная догма молекулярной биологии описывает направление потока генетической информации в биологической системе. Её часто формулируют как «ДНК создает РНК, а РНК – белок», хотя это не изначальный смысл. Впервые она была сформулирована Фрэнсисом Криком в 1957 году и опубликована в 1958 году: text=The Central Dogma. Это утверждение гласит, что однажды перейдя в белок, информация не может быть извлечена обратно. Более конкретно, передача информации от нуклеиновой кислоты к нуклеиновой кислоте или от нуклеиновой кислоты к белку возможна, но передача от белка к белку или от белка к нуклеиновой кислоте – нет. Здесь под информацией подразумевается точное определение последовательности, будь то последовательность оснований в нуклеиновой кислоте или аминокислотных остатков в белке. Он переформулировал это в статье, опубликованной в журнале Nature в 1970 году: «Центральная догма молекулярной биологии имеет дело с детальной передачей последовательной информации по остаткам. Она утверждает, что такая информация не может быть передана обратно от белка ни к белку, ни к нуклеиновой кислоте». Существует и другая, популярная, но неверная версия центральной догмы – упрощенная схема ДНК → РНК → белок, опубликованная Джеймсом Уотсоном в первом издании книги «Молекулярная биология гена» (1965). Версия Уотсона отличается от версии Крика тем, что Уотсон описывает двухэтапный процесс (ДНК → РНК и РНК → белок) как центральную догму. В то время как догма, сформулированная Криком изначально, остаётся актуальной и сегодня, версия Уотсона таковой не является.

Репликация ДНК

В том смысле, что репликация ДНК должна происходить, чтобы генетический материал был обеспечен для потомства любой клетки, будь то соматическая или репродуктивная, копирование с ДНК на ДНК, вероятно, является фундаментальным этапом в передаче информации. Сложный комплекс белков, называемый реплисомой, осуществляет репликацию информации с родительской цепи на комплементарную дочернюю цепь.

Транскрипция

Транскрипция – это процесс, в ходе которого информация, содержащаяся в участке ДНК, копируется в виде вновь синтезированной молекулы матричной 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 начала трансляции. Обработка включает добавление 5'-кэпа и поли(А)-хвоста к цепи пре-мРНК, за которым следует сплайсинг. Альтернативный сплайсинг происходит при необходимости, увеличивая разнообразие белков, которые может кодировать одна мРНК. Продуктом всего процесса транскрипции (начавшегося с синтеза цепи пре-мРНК) является зрелая молекула мРНК.

Перевод

Зрелая мРНК направляется к рибосоме, где она транслируется. В прокариотических клетках, не имеющих ядерного компартмента, процессы транскрипции и трансляции могут быть связаны между собой без чёткого разделения. В эукариотических клетках место транскрипции (ядро клетки) обычно отделено от места трансляции (цитоплазмы), поэтому мРНК должна быть транспортирована из ядра в цитоплазму, где она может связываться с рибосомами. Рибосома считывает триплетные кодоны мРНК, обычно начиная с кодона AUG (аденин-урацил-гуанин) или инициаторного метионина, расположенного ниже участка связывания рибосомы. Комплексы инициаторных и элонгаторных факторов доставляют аминоацилированные транспортные РНК (тРНК) в комплекс рибосомы и мРНК, сопоставляя кодон в мРНК с антикодоном на тРНК. Каждая тРНК несет соответствующий аминокислотный остаток, который добавляется к синтезируемой полипептидной цепи. По мере присоединения аминокислот к растущей пептидной цепи, цепь начинает сворачиваться в правильную конформацию. Трансляция завершается стоп-кодоном, которым может быть триплет UAA, UGA или UAG. мРНК не содержит всей информации, необходимой для определения структуры зрелого белка. Высвобождаемая из рибосомы полипептидная цепь обычно требует дополнительной обработки до получения конечного продукта. Прежде всего, процесс правильного сворачивания сложен и жизненно важен. Для большинства белков требуются другие белки-шапероны для контроля формы продукта. Некоторые белки затем вырезают внутренние сегменты из своих собственных пептидных цепей, соединяя свободные концы, прилегающие к разрыву; в таких процессах внутренние "отброшенные" участки называются интеинами. Другие белки должны быть разделены на несколько участков без сшивания. Некоторые полипептидные цепи нуждаются в сшивании, а другие должны быть присоединены к кофакторам, таким как гема (гема), прежде чем они станут функциональными.

Обратная транскрипция

Обратная транскрипция – это перенос информации с РНК на ДНК (обратный по отношению к обычной транскрипции). Этот процесс известен в случае ретровирусов, таких как ВИЧ, а также у эукариот, в частности при работе ретротранспозонов и синтезе теломер. Это процесс, посредством которого генетическая информация из РНК преобразуется в новую ДНК. Семейство ферментов, участвующих в этом процессе, называется обратной транскриптазой.

Репликация РНК

РНК-репликация – это копирование одной РНК на другую. Многие вирусы реплицируются таким образом. Ферменты, копирующие РНК в новую РНК, называемые РНК-зависимыми РНК-полимеразами, также встречаются у многих эукариот, где они участвуют в РНК-интерференции. Редактирование РНК, при котором последовательность РНК изменяется комплексом белков и "направляющей РНК", также можно рассматривать как передачу информации с РНК на РНК.

Прямой перевод из ДНК в белок

Прямой перевод ДНК в белок был продемонстрирован в бесклеточной системе (то есть в пробирке) с использованием экстрактов из *E. coli*, содержащих рибосомы, но не целых клеток. Эти клеточные фрагменты могли синтезировать белки из одноцепочечных матриц ДНК, выделенных из других организмов (например, мыши или жабы), и было обнаружено, что неомицин усиливает этот эффект. Однако оставалось неясным, соответствует ли этот механизм трансляции конкретно генетическому коду.

Постпереводные модификации

После того, как аминокислотные последовательности белков были транслированы из цепей нуклеиновых кислот, они могут быть отредактированы соответствующими ферментами. Хотя это и является формой влияния белка на последовательность другого белка, и не охватывается напрямую центральной догмой, существует немного чётких примеров, где связанные концепции этих двух областей тесно связаны между собой.

Внутренние

Интеин – это "паразитический" сегмент белка, способный вырезать себя из цепи аминокислот по мере их выхода из рибосомы и вновь соединить оставшиеся части пептидной связью, таким образом, чтобы основной белковый "каркас" не распался. Это пример изменения белком собственной первичной последовательности по сравнению с последовательностью, первоначально закодированной ДНК гена. Кроме того, большинство интеинов содержат домен гомонинговой эндонуклеазы или HEG, который способен находить копию родительского гена, не содержащую нуклеотидную последовательность интеина. При контакте с копией гена, свободной от интеина, домен HEG запускает механизм восстановления двойных разрывов ДНК. Этот процесс приводит к копированию последовательности интеина из исходного гена в ген, свободный от интеина. Это пример непосредственного редактирования последовательности ДНК белком, а также увеличения возможности наследования этой последовательности.

Метилирование

Изменение состояний метилирования ДНК может существенно влиять на уровни экспрессии генов. Вариации метилирования обычно происходят посредством действия ДНК-метилаз. Если это изменение наследуется, оно рассматривается как эпигенетическое. Если же изменение информационного статуса не наследуется, то это соматический эпитип. Эффективное содержание информации изменяется в результате действия одного или нескольких белков на ДНК, при этом первичная последовательность ДНК остается неизменной.

Прионы

Прионы – это белки с определенными аминокислотными последовательностями, находящиеся в определенных конформациях. Они размножаются в клетках-хозяевах, вызывая конформационные изменения в других молекулах белка с той же аминокислотной последовательностью, но с иной конформацией, которая может быть функционально важной или вредной для организма. Как только белок претерпевает переход в прионную конформацию, он меняет свою функцию. В свою очередь, он способен передавать информацию в новые клетки и перестраивать другие функциональные молекулы этой последовательности в альтернативную прионную форму. В некоторых типах прионов у грибов этот процесс происходит непрерывно и напрямую: поток информации – белок → белок. Некоторые ученые, такие как Ален Э. Буссар и Юджин Кунин, полагают, что наследование, опосредованное прионами, противоречит центральной догме молекулярной биологии. Однако Розалинд Ридли в книге "Молекулярная патология прионов" (2001) пишет, что "прионная гипотеза не противоречит центральной догме молекулярной биологии – утверждению о том, что информация, необходимая для синтеза белков, закодирована в нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот – поскольку она не утверждает, что белки реплицируются. Скорее, она утверждает, что в молекулах белка существует источник информации, влияющий на их биологическую функцию, и что эта информация может передаваться другим молекулам".

Естественная генная инженерия

Джеймс А. Шапиро утверждает, что совокупность этих примеров следует классифицировать как естественную генетическую инженерию и этого достаточно для опровержения центральной догмы. Несмотря на то, что взгляды Шапиро были выслушаны с уважением, его критики не убеждены, что его интерпретация центральной догмы соответствует первоначальному замыслу Крика.

Сравнение с барьером Вейсмана

Барьер Вайсмана, предложенный Августом Вайсманом в 1892 году, проводит различие между "бессмертными" линиями зародышевых клеток (зародышевой плазмой), производящими гаметы, и "одноразовыми" соматическими клетками. Наследственная информация передается только от зародышевых клеток к соматическим (то есть соматические мутации не наследуются). Это, до открытия роли или структуры ДНК, не предсказывало центральную догму, но предвосхищало ее генно-центрическое представление о жизни, хотя и не в молекулярных терминах.