Biologia wydaje się bardzo szerokim i skomplikowanym tematem dla wielu ludzi. W wielu przypadkach tak właśnie jest. Jednak spory fragment biologicznej wiedzy, a przynajmniej jeżeli chodzi o biologię molekularną, opiera się na bardzo prostej zasadzie, którą nazywamy “centralnym dogmatem biologii molekularnej” – głównie dlatego, że fajnie brzmi.
Centralny dogmat został zarysowany w 1957 przez Francisa Cricka [1]. Ta teoria wyjaśnia jak funkcjonuje życie, od małej bakterii, poprzez rośliny i zwierzęta, aż do ludzi. Pomiędzy tymi organizmami występują różnice, lecz główna idea dotyczy wszystkich. Omówimy ją na przykładzie ludzi, bo łatwiej jest odwołać się do nas samych.
Nasze ciała są złożone z komórek. Twoje kości, mięśnie, twój mózg, itd. są wszystkie złożone z komórek. Komórki różnych części mogą się znacznie od siebie różnić (ale to jest temat na inny post!). Mimo to, wszystkie mają podstawowe części, a jedną z nich jest jądro komórkowe, które zawiera DNA.
Wszystkie informacje potrzebne do prawidłowego działania organizmu są zawarte właśnie w cząsteczkach DNA (tzn. w cząsteczkach kwasu deoksyrybonukleinowego) – można o nich myśleć jako o zbiorze instrukcji dla komórek. Te instrukcje są zakodowane za pomocą czteroliterowego alfabetu, i to wystarcza do podtrzymania wszystkich form życia!
Jednakże, zanim komórka jest w stanie przeczytać tą informację, musi ją zamienić na inny, bardziej czytelny format: RNA (kwas rybonukleinowy). Ta przemiana z DNA na RNA jest nazywana transkrypcją. Można ten proces porównać do “przepisywania” konkretnej części instrukcji, która jest w danym momencie potrzebna, i wysyłania jej jako polecenie lub zadanie do wykonania. Następnie, RNA opuszcza jądro komórkowe i jest odczytywane przez niewielkie cząsteczki nazywane rybosomami, które tworzą białka zgodnie z instrukcją. Ten proces jest nazywany translacją i może być rozumiany dosłownie, jako tłumaczenie z jednego języka (języka DNA i RNA) na drugi (język białek). Język białek, zawiera 20 “liter”, również znanych jako aminokwasy. Połączone i odpowiednio złożone aminokwasy tworzą białka, kótre są cząsteczkami wykonującymi właściwą pracę. Na przykład, nasze mięśnie kurczą się dzięki działaniu dwóch białek (aktyny i miozyny).
Centralny dogmat biologii molekularnej był rewolucją która zmieniła to, jak rozumiemy życie [1]. Po raz pierwszy naukowcy zrozumieli związek pomiędzy najpowszechniejszymi cząsteczkami (DNA, RNA i białkami). Mimo to, w tamtych czasach teoria centralnego dogmatu biologii była mocno spekulowana, a transkrypcja i translacja są bardziej skomplikowane niż przedstawione tu, ich uproszczone wersje.
Crick, konstruując swoją teorię wspomniał o jednym wyjątku – retrowirusach (np. wirus HIV: ludzki wirus niedoboru odporności). Na tamtym etapie nie mógł jednak poprzeć tego wyjątku żadnymi dowodami, lecz okazało się on prawdą [1]. Retrowirusy używają RNA jako podstawowego materiału genetycznego i są w stanie skopiować informację z formatu RNA na format DNA w procesie nazwanym odwrotną transkrypcją [2]. Ten proces przepisuje materiał genetyczny wirusa (RNA) na format ludzkiego materiału genetycznego (DNA). Dzięki tej strategii jest on w stanie przejąć machinerię komórkową i się namnażać.
Replikacja to proces tworzenia dwóch identycznych kopii DNA na podstawie jednej cząsteczki DNA. Kiedy rośniemy, liczba komórek w naszym ciele również wzrasta. Aby mogły one wykonywać swoją pracę prawidłowo, zbiór instrukcji (DNA) musi być przekazany do każdej nowej komórki. Replikacja [3] [4] zapewnia powielanie liczby kopii DNA, tak aby każda komórka otrzymała jedną. Według centralnego dogmatu biologii DNA jest główną cząsteczką replikacyjną, ale RNA również może być replikowane (jak u retrowirusów, możliwe, że ma to swoje zastosowanie również u ludzi [5]). Zgodnie z teorią Cricka białka nie podlegają replikacji. Komórki nie są w stanie stworzyć białka na podstawie innego białka – zawsze potrzebują do tego RNA. Podsumowując te wszystkie procesy, możemy przedstawić centralny dogmat biologii molekularnej na następującym schemacie (linie przerywane oznaczają rzadziej występujące procesy):
Biologia jest pełna niespodzianek i nieoczekiwane zjawiska ciągle się pojawiają. W niektórych przypadkach ich interpretacja może wydawać się zaprzeczeniem centralnego dogmatu biologii. Jednym z nich jest odkrycie prionów [6]: te nieprawidłowo złożone białka mogą zmieniać kształt już istniejących,”normalnych” białek. Są one odpowiedzialne za wiele chorób [7], jak choroba wściekłych krów. Niektórzy naukowcy postrzegają to jako replikację na poziomie białek [6].
Inny przykład pochodzi z epigenetyki – pola nauki zajmującego się mechanizmami kontrolującymi ekspresję genów bez wprowadzania zmian w sekwencji DNA (można to sobie wyobrazić jako udostępnianie lub zabieranie dostępu do jakiś części naszego zbioru instrukcji). Jednym z tych mechanizmów są białka kontrolujące który fragment DNA ulegnie ekspresji (tzn. zostanie użyty przez komórkę). Może to być rozpatrzone jako argument, że informacja jest przekazywana pod prąd oryginalnego dogmatu [8]. Mimo to, naukowcy nie osiągnęli porozumienia na tym polu, a centralny dogmat biologii molekularnej nadal stanowi klucz do zrozumienia życia na poziomie cząsteczkowym.
Centralny dogamat jest ważny nie tylko w biologii, ale również aby zrozumieć nazwę naszego bloga! Tak jak niektóre cząsteczki w komórkach przekazują informację z DNA, tak aby mogła być ona zrozumiana przez rybosomy, naszym celem jest wyjaśnianie nauki w prosty sposób, tak by mogła ona być zrozumiana przez wszystkich. Z tego względu czuejmy się transkryptomem (zbiór wszystkich cząsteczek RNA w komórce). Jedyną różnicą jest to, że zamiast informacji z DNA, my przekazujemy naukę w przystępnej formie!
Źródłospis:
1. Cobb, M. 60 years ago, Francis Crick changed the logic of biology. PLOS Biology 15 (2017).
2. Fang, J.M.C.a.H. The Discovery of Reverse Transcriptase. Annual Review of Virology 3, 29-51 (2016).
3. Cooper, G.M. in The cell: a molecular approach, Edn. 2nd (Sunderland(MA): Sinauer Associates, 2000).
4. Pray, L.A. Major Molecular Events of DNA Replication. Nature Education 1 (2008).
5. Ahlquist, P. RNA-Dependent RNA Polymerases, Viruses and RNA silencing. Science 296, 1270-1273 (2002).
6. Reid, M.D.Z.a.C. A brief history of prions. Pathogens and Disease 73 (2015).
7. Geschwind, M.D. Prion Diseases. Continuum (Minneapolis, Minn.) 21, 1612-1638 (2015).
8. Koonin, E.V. Does the central dogma still stand? Biology Direct 7 (2012).
