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 Фрэнсисом Криком в 1958 годуCrick, F.H.C. (1958): On Protein Synthesis. Symp. Soc. Exp. Biol. XII, 139—163. (pdf, early draft of original article) и приведено в соответствие с накопившимися к тому времени данными в 1970 годуCrick, F. (1970): Central Dogma of Molecular Biology. Nature 227, 561—563. PMID 4913914. 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
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 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 типы — встречающиеся у большинства живых организмов; специальные типы — встречающиеся в виде исключения, у вирусов, у мобильных элементов генома или в условиях биологического эксперимента; неизвестные типы — не обнаруженные.
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
Репликация ДНК: ДНК → ДНК
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
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
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
Обратная транскрипция: РНК → ДНК
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 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 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..
Эпигенетические изменения
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.
Прионы
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» 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».
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».
См. также Генетический код ДНК Транскрипция Трансляция Репликация
Примечания
Ссылки
PMID 15763551
Категория:ДНК Категория:РНК Категория:Белки Категория:Молекулярно-генетические процессы Категория:Биологические теории