Информация

10.3: Централната догма - Биология

10.3: Централната догма - Биология



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Резултати от обучението

Идентифицирайте централната догма на живота

Както научихте, информационният поток в организма се осъществява от ДНК към РНК към протеин:

  • ДНК се транскрибира в РНК чрез допълнителни правила за сдвояване на бази (но с U вместо T в транскрипта)
  • РНК транскриптът, по-специално иРНК, след това се транслира в аминокиселинен полипептид
  • Окончателното сгъване и модификациите на полипептида водят до функционални протеини, които всъщност вършат нещата в клетките

Това е известно като Централна догма на живота, което важи за всички организми.

Фигура 1. Щракнете за по-голямо изображение. Инструкциите за ДНК се транскрибират върху информационна РНК. Рибозомите са в състояние да четат генетичната информация, вписана върху верига от информационна РНК и да използват тази информация, за да обединят аминокиселини в протеин.

Връзка към интерактивни елементи може да бъде намерена в долната част на тази страница.

Щракнете тук за текстова версия на дейността.


Централна догма

Централната догма е предложена от Франсис Крик в края на 50-те години. Тази новаторска теория предполага, че генетичната информация протича предимно от нуклеинови киселини под формата на ДНК и РНК към функционални протеини по време на процеса на генна експресия. Това, което прави централната догма толкова иновативна, е нейното ниво на коректност във време, когато изследванията на генома тепърва започваха. Централната догма на генетиката не описва механиката на протеиновия синтез, но ни казва, че генната експресия следва почти предсказуем модел.


Отвъд централната догма: Внасяне на епигенетиката в класната стая

Дина Дриц-Есер, Моли Малоун, Никола С. Барбър, Луиза А. Старк отвъд централната догма: Пренасяне на епигенетиката в класната стая. Американският учител по биология 1 август 2014 г. 76 (6): 365–369. doi: https://doi.org/10.1525/abt.2014.76.6.3

Епигенетиката е изследването на това как външните фактори и вътрешните клетъчни сигнали могат да доведат до промени в опаковането и обработката на ДНК последователности, като по този начин променят експресията на гени и черти. Изследването на епигенома запознава учениците с влиянието на околната среда върху нашите гени и сложността на генната експресия. Допълнителен модул на учебната програма, разработен от Центъра за обучение по генетични науки (GSLC) към Университета на Юта, носи епигенетиката в класните стаи на гимназиите и бакалавърските години чрез редица онлайн и хартиени дейности. Ние описваме тези дейности и предоставяме стратегии за включване както на въвеждащи, така и на по-съвременни материали, които изследват „клетъчната памет“, епигенетичното наследство, храненето и възникващите връзки между епигенома и поведението. И накрая, ние очертаваме неотдавнашния обхват на постиженията в обучението на учениците, използвайки модула за епигенетика на GSLC и осигуряваме връзки със стандартите за наука от следващо поколение.

ДНК във всяка от нашите клетки, носещи ядро, е идентична, освен ако не е претърпяла мутация. Въпреки това, външни фактори и вътрешни клетъчни сигнали могат да повлияят на промените в опаковането и обработката на тези идентични ДНК последователности, като по този начин променят експресията на гени и черти. Епигенетиката е изследването на тези промени и как те могат да доведат до вариации в генната експресия без промени в ДНК нуклеотидната последователност (гръцкият корен епи означава „над“ или „над“).

При еукариотите два вида епигенетични модификации, метилиране на ДНК и модификация на хистони, влияят върху това дали гените са „включени“ или „изключени“. Генното активиране - и по този начин транскрипцията - се блокира, когато ДНК метилтрансферазите свързват метилови молекули към ДНК на места, където цитозин и гуанин са свързани с фосфат. Нормалното CpG метилиране заглушава определени гени по време на образуването на яйцеклетки и сперматозоиди. Повечето от тези етикети се нулират след оплождането, но отпечатаните гени запазват своите епигенетични етикети, така че само едно копие на гена е активно. Това отпечатване е необходимо за нормалното развитие. Грешките при отпечатване могат да доведат до заболявания като синдроми на Prader-Willi и Angelman.

Около 40% от гените на бозайници съдържат участък в своя промоторен регион, наречен "CpG остров", където >55% от базовите двойки са CG. Нивата на метилиране в тези острови обикновено са много ниски, но човешките ракови клетки показват по-високи, анормални нива на метилиране. Въпреки това, механизмът, чрез който тази промяна участва в трансформацията на клетката от нормална в злокачествена, е неясен. ДНК метилирането може да играе различни роли при различните видове рак.

Нуклеозомите, около които е обвита ДНК, са съставени от осем хистонови протеина, които имат изпъкнали лизинови опашки. Този ДНК-нуклеозомен комплекс е известен като "хроматин". Хистоните могат да бъдат модифицирани по няколко начина. Добавянето на ацетилни молекули към лизиновите опашки кара нуклеозомите да се отдалечават една от друга, като развиват ДНК и я правят достъпна за транскрипция. Тази активна ДНК също се маркира чрез метилиране на специфичен лизин (K4) върху определен хистон (H3). Когато молекулите на ацетил не са прикрепени към хистоните, ДНК е плътно навита около тях и е недостъпна за транслация. Неактивната ДНК се маркира чрез метилиране на различен лизин (K9) върху H3 хистона. Инактивираната Х хромозома при женски бозайници съдържа този тип епигенетична модификация. В резултат на това и мъжете, и жените имат еднакви количества генни продукти на Х-хромозомата.

Изследването на епигенетиката предоставя на учениците осезаем пример за влиянието на околната среда върху гените. По този начин може да им помогне да си представят факторите, които регулират генната експресия. Центърът за обучение по генетична наука (GSLC) към Университета на Юта разработи безплатен допълнителен модул за учебна програма, който въвежда епигенетиката на студенти от гимназията и бакалавърска степен. Достъпна на уебсайта Learn.Genetics (http://learn.genetics.utah.edu), тази колекция от интерактивни онлайн и хартиени дейности предоставя основно разбиране на епигенома и как той инструктира ДНК. Тъй като материалите са предназначени за въвеждащо ниво, те се фокусират върху две епигенетични модификации, чиито роли могат да бъдат ясно обяснени: ДНК метилиране и ацетилиране на хистон. В допълнение, за да се намали натоварването на речника и потенциалното объркване между думите „нуклеозома“ и „ядро“, материалите опростяват нуклеозомите до хистонови протеини. Модулът също така обсъжда нашето ново разбиране за връзките между епигенома, околната среда и поведението, както и откритията за епигенетичното наследяване. Подкрепящите материали за преподавателите включват учебни цели и примерни въпроси за оценка за всяка дейност, предложения от учителите, участвали в разработването на модула за начини за обвързване на епигенетиката със съществуващите учебни програми и видеозапис, изнесен от изследовател по епигенетика по време на процеса на разработване на модула. Модулът за епигенетика е тестван на място в класните стаи на гимназията. Резултатите показват, че учениците, които са използвали модула GSLC, са имали значително по-високо придобиване на знания от тези в контролната група.

Дейностите на модула могат да се използват поотделно, за да допълнят вашата генетична единица, или заедно като епигенетична „мини единица“ за по-подробен поглед върху епигенома. Тук предоставяме кратък преглед на всяка дейност, организирана в предложена рамка за това как дейностите могат да бъдат групирани заедно, за да осигурят основни и по-напреднали изследвания на епигенетиката (Таблица 1). Освен това описваме подравняването на модула към АРамка за K–12 научно образование: практики, кръстосани концепции и основни идеи (Национален изследователски съвет [NRC], 2011) и Научни стандарти от следващо поколение (NGSS) (NGSS Lead States, 2013), заедно с констатациите от изследването относно прилагането на модула от учителите и обучението на учениците.

Епигенетични модулни дейности, които да се използват при разглеждане на специфични теми, предложена последователност на дейностите и връзки с други генетични концепции.


Резултати

Гените, съчетаващи висока транскрипция и ниска транслация, са изчерпани

Преценихме транскрипцията βм и превод βстр скорости, както и скорости на разпадане на иРНК и протеини, за хиляди гени от предишни експерименти с mRNAseq и профилиране на рибозоми (RP) в S. cerevisiae 29 , M. musculus, H. sapiens 30 и Е. coli 3 (Методи). Всички данни са събрани при условия на бърз растеж.

Откриваме, в съответствие с предишни проучвания 3,26,32,33, че скоростта на транскрипция и транслация в бързо растящите клетки варират много повече от ген до ген, отколкото скоростта на разпадане на иРНК и протеин. Скоростите на транскрипция и транслация варират в 1000-кратен диапазон в сравнение с 10-кратен диапазон за скоростите на разпадане на иРНК и протеин (допълнителна фигура 1a-d). Отчитането на генно-специфичната иРНК и скоростта на разпадане на протеин има само малко влияние върху позицията на гените в 2D Крик пространство (допълнителна фигура 1e-g, методи). Ето защо ние опростяваме нашата дискусия, като разглеждаме 2D Crick пространство, образувано от скоростта на транскрипция и транслация.

Намаляването на 4-измерното пространство на Крик до две измерения пренебрегва аспекти на клетъчната биология, като динамиката на генната регулация в отговор на смущенията в околната среда 34,35, но ни позволява да се съсредоточим върху най-променливите скорости при определяне на изобилието на протеини в стационарно състояние в растящи клетки, транскрипция и транслация и попитайте какви правила могат да лежат в основата им. Освен това, редуцирането до две измерения дава по-пълна картина на пространството на Крик (скоростите на разпадане на иРНК и протеини обикновено се измерват за 20–50% от гените) и избягва опасенията, че скоростите на разпадане са измерени в отделни изследвания, за разлика от синтеза ставки за S. cerevisiae, Е. coli, и H. sapiens (Методи).

Начертавайки скоростите на транскрипция и транслация на гените в четири моделни организма, ние наблюдаваме общи граници в пространството на Крик (фиг. 2). Първо, максималната транслация е 10 3,6 –10 4 протеина на mRNA на час, граница, която може да се обясни от скоростта на транслокация на рибозома (Методи). Второ, наблюдавахме по-ниски граници на скоростта на транскрипция и на продукта на транскрипция и транслация. Тези граници произтичат от техническите граници на анализите (допълнителна фигура 2а).

Гените, съчетаващи висока транскрипция и ниска транслация, се изчерпват от пространството на Крик между организмите. ад В пространството на Крик има изчерпан регион на четири моделни организма. Скоростите на транскрипция и транслация бяха оценени от рибозомно профилиране и данни за секвениране на иРНК. Най-горният процентил на процентите на превод (left( <eta _p^<< m>>> вдясно)) се представя като хоризонтална пунктирана линия. Наблюдаваната граница на изчерпаната област (диагонална пунктирана линия) има наклон 1 и е такава, че 99% от гените имат по-голямо съотношение транслация/транскрипция. Изключването на 1% от гените по този начин прави граничната линия по-малко чувствителна към грешките в измерването и към извънредните гени, някои от които са подчертани. Прогнозната граница на изчерпания регион (червена линия) е според теорията, въведена по-късно в тази статия. Техническите ограничения обясняват отсъствието на гени при ниски скорости на транскрипция и транслация (регион, отбелязан като „не е взет проби“). S. cerevisiae данни (а) от Weinberg et al. 29 . M. musculus (б) и H. sapiens (° С) данни от Eichhorn et al. 30 . Е. coli данни (д) от Li et al. 3 . д Скорости на транскрипция и превод от 3744 Е. coli гени (сиви точки) и на 7624 синтетични конструкции (червени точки) на Kosuri et al. 38 . Очевидната отрицателна корелация между скоростите на транскрипция и транслация в този набор от данни се дължи на ограничения в линейния диапазон на измерванията на поточната цитометрия, което води до цензуриране на протеини с ниско и високо съдържание 38 . е Фигурна легенда, обобщаваща значението на различните линии на ад. Вижте също допълнителна фигура 2

Неочаквано и най-важното за настоящото изследване имаше липса на гени, комбиниращи висока транскрипция с ниска транслация (сини области на фиг. 2). Ние наричаме този регион изчерпан регион на пространството Крик. Тази изчерпана област съставлява около половината от пространството на Крик и е ограничена от линия с постоянно съотношение между транскрипцията βм и превод βстр, а именно βстр/βм = к, с к = 1,1 ± 0,1, 14 ± 3, 44 ± 3 и 66 ± 4 инча S. cerevisiae, Е. coli, M. musculus, и H. sapiens, съответно (± представлява стандартна грешка, таблица 1). В логаритмичните оси границата на изчерпаната област има наклон 1 и пресечен log(к). следователно, к определя границата на изчерпания регион.

В Е. coli, границата на изчерпената област има допълнителна структура. Отклонявайки се от основното разпределение на гените, има набор от 59 гена с много високи скорости на транскрипция и транслация (βм > 80 h −1 и βстр > 1000 mRNA -1 h -1, обозначено със стрелка на Фиг. 2d). Около 90% от тези гени са рибозомни протеини. Останалите са протеини с високо съдържание, като ензима на гликолиза празнина A (на Е. coli еквивалент на Gapdh), субединицата на АТФ синтаза с и протеините на външната мембрана (OMPs). Повечето гени в този набор са от съществено значение за клетъчната жизнеспособност, както е показано от експерименти с нокаут (допълнителна фигура 2b). Ако се премахнат основни гени от данните, границата на изчерпаната област се измества нагоре и плътно приляга останалите гени с по-високо прихващане, к = 44 ± 9. Това по-високо прихващане за несъществени гени се предвижда от теорията, въведена по-долу (допълнителна фигура 2b, методи).

Изчерпаният регион също се открива, когато оценяваме транскрипцията и транслацията от два набора от протеомични и mRNAseq данни в H. sapiens и M. musculus (Допълнителна фигура 2в, г). И накрая, ние наблюдаваме изчерпания регион, когато начертаваме скоростта на транскрипционен взрив спрямо размера на транслационния взрив 36,37, изведен от измерванията на изобилието на единични клетки на протеин 17 (допълнителна фигура 2e).

Ние оценихме статистическата значимост на изчерпания регион чрез разбъркване на скоростите на транскрипция и транслация, като същевременно запазваме разпределенията на изобилието на протеини и скоростите на транслация (допълнителна фигура 2f-h). Откриваме, че нито един от 10 4 разбъркани набора от данни не показва сравним изчерпан регион в пространството на Крик (равен или по-малък брой гени с βстр/βм < к, стр < 10 -4).

Гените могат механично да постигнат висока транскрипция и ниска транслация

Възможно обяснение за изчерпания регион е, че (вероятно все още неизвестно) биохимично ограничение предотвратява високата транскрипция, комбинирана с ниска транслация. За да проверим тази възможност, ние анализирахме повторно измерванията на Kosuri et al. 38 върху синтетични гени, които осигуряват широк спектър от скорости на транскрипция и транслация. В това проучване GFP се изразява в Е. coli под контрола на 114 промотора и 111 рибозомни свързващи места (RBS) с различна сила. След това относителното изобилие на GFP иРНК и протеин се определя количествено чрез mRNAseq и поточна цитометрия.

Скоростите на транскрипция и транслация на синтетичните конструкции до голяма степен се припокриват с тези на Е. coli гени (фиг. 2д, допълнителна фигура 2i). Въпреки това, за разлика от Е. coli гени, голяма част от синтетичните конструкции постигат комбинация от висока транскрипция и ниски скорости на транслация. 25% от синтетичните гени попадат в изчерпаната област, наблюдавана за ендогенни Е. coli гени. В S. cerevisiae също така, 32% от синтетичните промотори от библиотеката на Sharon et al. 39 попадат в изчерпания регион (допълнителна фигура 2j).

Това наблюдение подкрепя заключението, че биохимията на генната експресия може да постигне висока транскрипция и ниска транслация по принцип. В подкрепа на този аргумент наистина има примери за такива гени в изчерпания регион и за четирите организма. Те включват фактора на съзряване на рибозомите джанта М в Е. coli, регулаторът на аминокиселинния отговор GCN4 в S. cerevisiaeи белтъка за хомеостаза на желязото Fth1 в M. musculus и H. sapiens (фиг. 2а–г). Следователно резултатите в този документ се отнасят

99% от гените, с останалите

1% изисква допълнителен анализ (вижте дискусията за предложените ефекти за тези гени).

При постоянно изобилие от протеини, увеличаването на транскрипцията увеличава както прецизността, така и цената на генната експресия

Тъй като биохимичните ограничения изглежда не обясняват липсата на гени, комбиниращи висока транскрипция с ниска транслация, ние попитахме дали еволюционните компромиси могат да го обяснят.

Може да се предположи, че клетките избягват комбинирането на висока транскрипция с ниска транслация, за да се сведат до минимум разходите за синтез на иРНК. В S. cerevisiae растящи в богата среда, фитнес цената на иРНК е ° См

10 −9 на транскрибиран нуклеотид (Методи) 21 . Синтезиране на неполезна иРНК с дължина лм води до намаляване на темпа на растеж Δем което е линейно със скоростта на транскрипция 21, Δем = ° Смлмβм. За типична иРНК с дължина лм = 1300 нуклеотида, транскрибирани със скорост βм = 30 mRNA h -1 , по този начин цената за годност на транскрипцията е ° Смβмлм ≃ 4 × 10 −5 на час (Фиг. 3а, Методи), което е избираемо 18,21 . Цената на иРНК също може да бъде избрана в Е. coli 20,22 .

Увеличаването на транскрипцията при постоянно изобилие на протеини увеличава разходите за транскрипция и намалява стохастичните флуктуации в изобилието на протеини. S. cerevisiae ставки от Weinberg et al. 29 . Диагоналните пунктирани линии са линии с постоянно изобилие на протеини от 10 до 10 5 протеина на клетка. а Загубата на фитнес ° Смβмлм поради транскрипция (черни линии) е линеен в скоростите на транскрипция βм и дължината на иРНК лм. Линейният фактор ° См (въведено в следващия раздел) мащабира транскрипционните потоци [nt h −1 ] в загуба на годност [h −1 ]. В S. cerevisiae, лм = 1300 nt, ° См = 10 −9 nt −1 . б Скала на коефициентите на вариация (CV, черни линии) със скоростта на транскрипция. Приложихме 2D Гаусово изглаждане на CV (методи). S. cerevisiae данни: автобиографии от Newman et al. 17, рибозомно профилиране и данни за mRNAseq от Weinberg et al. 29 . ° С Прецизността в генната експресия се увеличава с транскрипцията, докато изобилието на протеин зависи както от транскрипцията, така и от транслацията. По този начин, при дадено изобилие от протеин, увеличаването на транскрипцията увеличава прецизността на генната експресия за сметка на по-високите разходи за транскрипция. Вижте също допълнителна фигура 3

В допълнение към цената им, високите скорости на транскрипция също имат предимства за намаляване на шума 13,14,15,16. Увеличаването на скоростта на транскрипция, като същевременно поддържа фиксирано изобилие на протеини, трябва да намали стохастичните колебания в изобилието на протеини.

За да проверим дали тази прогноза се отнася за целия геном в разнообразието от хромозомен контекст и промотори, ние използваме измервания на вариациите от клетка до клетка в изобилието на протеини в S. cerevisiae 17 и Е. coli 40 . Вариациите от клетка до клетка в изобилието на протеини могат да бъдат количествено определени чрез коефициента на вариация (CV). Ние определяме контурите на CV като функция от скоростта на транскрипция и транслация, използвайки изглаждане на Гаус (Методи) и ги сравняваме с контурите на изобилието на протеини. И двамата в S. cerevisiae (фиг. 3b) и Е. coli (Допълнителна фигура 3а), CV намалява с увеличаване на транскрипцията и намаляване на транслацията на всяка равнопротеинова линия. CV основно се мащабира с транскрипция, както е предвидено от теория 15 (Методи).

Следователно скоростите на транскрипция и транслация влияят както на прецизността на генната експресия, така и на икономиката на иРНК. При дадено изобилие от протеини, високите съотношения на транслация/транскрипция водят до икономия, но също така и до по-висок шум от генната експресия, докато ниските съотношения на транслация/транскрипция дават висока точност за сметка на по-високата цена на иРНК (фиг. 3в). Липсата на гени, съчетаващи висока транскрипция и ниска транслация, може да се обясни с този компромис: за гени, разположени в изчерпания регион, ползите от повишената прецизност може да са по-малки от разходите за транскрипция.

Компромисът между прецизност и икономичност и нивото на шума обясняват изчерпания регион на пространството на Крик

За да проверим количествено дали компромисът между прецизност и икономичност може да обясни изчерпания регион, ние разработихме минимален математически модел на разходите и ползата за годност от транскрипцията и транслацията (фиг. 4). Моделът има две основни прогнози: първо, оптималното съотношение между скоростите на транслация и транскрипция βстр/βм се определя от съотношението на разходите за транскрипция на молекула иРНК ° С и чувствителността на гена към шум В (дефинирано по-долу). Второто предсказание е аналитична формула за границата на изчерпания регион - долната граница к на βстр/βм съотношение - базирано на основни параметри.

Компромис между прецизност и икономичност може да обясни изчерпването на гените, комбинирайки висока транскрипция с ниска транслация. а Шумовото натоварване Δешум е загубата на годност поради стохастични колебания в изобилието на протеини. б Оптималното βстр/βм зависи от цената на транскрипция на иРНК (° С) и колко е чувствителен към шум (В

|f′′(стр * )|) генът е. Чувствителните към шум гени имат по-тесни фитнес функции (|f′′(стр * )| голям). За даденост стр * , по-висока транскрипция βм намалява колебанията в изобилието на протеини. Гени, които са чувствителни към шум (В голям) следователно трябва да има ниско съотношение на транслация/транскрипция. От друга страна, прецизността е по-малко критична за гени с плоски фитнес функции (В малък). Тези гени трябва да имат по-високи βстр/βм за да поддържате ниски разходите за транскрипция. ° С Прецизността на генната експресия е ограничена от нивото на шума ° Сv0. Изобилието на протеини и данните за CV, повторно нанесени от Taniguchi et al. 40 . Подът на шума се намира и в Е. coli измервания на Silander et al. 41 (допълнителна фигура 4b). д Гените с фитнес функции са по-тесни от нивото на шума ° Сv0 имат отрицателна средна годност (left( ight)) . Гените с отрицателна годност не могат да се избират. По този начин нивото на шума ° Сv0 предотвратява избора на тесни, чувствителни към шум фитнес функции. д Максималната, избираема чувствителност към шум Вмакс определя позицията к на границата на изчерпания регион. Протеините, разположени на границата, имат максимална шумочувствителност В = Вмакс. Възможните комбинации от транскрипция и транслация съответстват на гени, които са по-малко чувствителни към шум В < Вмакс. е Теорията за компромис за прецизност и икономичност предсказва позицията к на изчерпаната област в организмите от бактерии до бозайници. Лентите за грешки представляват 95% доверителни интервали. В стр-стойността се изчислява с помощта на теста на Пиърсън върху 4 организма (двустранно). Връзката между измерванията и теорията е стабилна за промяна на фракцията на гените, използвани при дефинирането на изчерпания регион (допълнителна фигура 4e). Вижте също допълнителна фигура 4

За да се определи оптималното βстр/βм съотношението при компромис между прецизност и икономичност, първо моделираме как βстр/βм съотношението влияе върху икономичността и прецизността на иРНК. След това моделираме как икономиката и прецизността на иРНК влияят на фитнес. Накрая определяме аналитичен израз за оптималното βстр/βм съотношение.

За да изчислим как βстр/βм съотношението влияе върху икономичността, ние моделираме фитнес цената на транскрипция 21 чрез линейната функция Δем = ° Смлмβм където лм е дължината на (пред-) иРНК и ° См е санкцията за годност на транскрибиран нуклеотид. ° См може да се оцени от темпа на растеж μ и общият транскрипционен изход ( eta _m), ако приемем, че не-полезните иРНК се транскрибират за сметка на иРНК, които кодират полезните протеини. Ако общо ( eta _ml_m) нуклеотиди се транскрибират в клетка, средният принос за годност на всеки нуклеотид е (mu eta _ml_m) . Това е също така загубената годност на нуклеотид при транскрибиране на неполезна иРНК за сметка на полезна иРНК. По този начин, цената за годност на транскрибиран нуклеотид е

Това осигурява ° См

10 −9 на нуклеотид in S. cerevisiae което се съгласува добре с експерименталните измервания, споменати по-горе (Методи).

Въпреки че цената на транскрипцията обикновено е по-ниска от цената на превода 18,20,21, цената на превода не е необходимо да се моделира тук. За да разберете защо, обърнете внимание, че цената на транслацията на ген зависи от това колко протеини са направени, независимо дали протеините са синтезирани от няколко иРНК или много иРНК. Така, при условие че стр необходими са протеинови копия, компромисът се определя от транскрипцията, т.е. дали са направени много или малко иРНК, за да доставят стр копия. Следователно съответните разходи са разходите за транскрипция.

За да видите как βстр/βм и прецизността влияят на фитнеса, ние считаме за протеин на изобилие стр. Протеинът допринася за количеството е(стр) към годността на организма (фиг. 4а). Тъй като изобилието на протеин се колебае около средния израз (leftlangle p ight angle = p^ ast), клетката не изпитва максимална годност емакс а по-скоро по-ниска средна фитнес (leftlangle десенъгъл). Пригодността се губи поради стохастични колебания в изобилието на протеин Δешум се нарича шумово натоварване 24,25 (фиг. 4а). Чрез разширяване на фитнес функцията е до втори ред и осреднявайки флуктуациите в изобилието на протеини, можем да изчислим шумовото натоварване:

Шумовото натоварване се увеличава с кривината на фитнес функциите (left|). ight)> ight|) и със шум σ.

За да намерите как βм и βстр влияят на фитнеса чрез прецизността на генната експресия, отбелязваме, че βм и βстр влияят на нивото на шума σ 2 по добре характеризиран начин. Теория и експерименти 15,16,17,40 показват, че дисперсията на изобилието на протеин се дава от

където αстр е скоростта на разпад на протеина и ° Сv0 е нивото на шума (Методи). Нивото на шума е минималното количество на вариации от клетка до клетка в изобилието на протеини в клоналните популации 17,40,41,42.

Вече можем да определим оптималните скорости на транскрипция и транслация βм и βстр които минимизират комбинацията от разходите за транскрипция Δем и на шумовото натоварване Δешум (Методи),

където ° С = ° Смлмαм = ° Смлмβм/м определя количествено цената на транскрипцията на молекула иРНК м за този ген и (Q = frac<1><2>left| ight)> ight|p^ ast) е чувствителността на гена към шум. Гени с по-тесни фитнес функции (по-големи (left| ight)> ight|) ) са по-чувствителни към шум, тъй като шумът изхвърля изобилието на протеини по-далеч от оптималното. Чувствителността на гена към шум също зависи от изобилието на протеини стр * защото шумът обикновено се увеличава с изобилието на протеини σ 2

Следователно моделът предвижда връзка между βстр/βм съотношенията и формата на фитнес функциите (фиг. 4б). Широките фитнес функции трябва да имат големи βстр/βм тъй като гените с широки фитнес функции не са чувствителни към шум. За тях високата прецизност осигурява малка полза и е най-добре да се увеличи максимално икономията чрез намаляване на транскрипцията. От друга страна, гените с тесни фитнес функции са чувствителни към шум. За тях изискванията за висока точност, за да се поддържа ниско натоварване на шума, доминират над цената на транскрипцията. Следователно гените с тесни фитнес функции трябва да имат малки βстр/βм съотношения.

Сравнихме прогнозата на модела за кривината на фитнес функцията близо до нейния пик с неотдавнашно измерване на фитнес функциите на 21 гена в S. cerevisiae 43 . Откриваме, че кривините, предсказани от βстр/βм са в рамките на порядъка на измерените кривини без никакви параметри на монтиране (допълнителна фигура 4а). Прогнозите и измерванията корелират положително (r = 0,39). Тест за разбъркване предполага, че съгласието между прогнозите и измерванията е малко вероятно да се дължи на случайност (стр = 0,04, методи). Променливостта в експерименталните измервания обаче изключва убедително сравнение.

За да намерите долна граница к На βстр/βм и да обясним границата на изчерпания регион, отбелязваме, че има ограничение за това колко малък може да бъде шумът в генната експресия. Тази граница, наречена шумов под ° Сv0, се разкрива чрез измервания на вариациите от клетка до клетка на изобилието на протеини в клонални популации 17,40,41,42 (фиг. 4в, допълнителна фигура 4b, c). Причината за нивото на шума е текуща изследователска тема 12 и се предполага, че се дължи на външен шум 40 или по-голям размер на транскрипционния взрив на протеини с голямо изобилие 42 . Нивото на шума поставя горна граница Вмакс за това колко чувствителни към шум могат да бъдат гените: ако генът има фитнес функция, по-тясна от тази граница (В > Вмакс), шумовото натоварване би доминирало в ползата от експресията на гена (фиг. 4d), което води до отрицателна годност. Тъй като гените с В > Вмакс не може да бъде избран за, всички експресирани гени трябва да отговарят В < Вмакс. Границата на изчерпания регион βстр/βм = к следователно съответства на гени с най-висока чувствителност към шум Вмакс (фиг. 4д). Изчерпаният регион βстр/βм < к съответства на скорости на транскрипция и транслация, които са оптимални за гени с твърде тесни фитнес функции, предвид дъното на шума.

Да намеря к, заместваме В = Вмакс в уравнение (4) за оптимално βстр/βм съотношение и пренаписване к по отношение на нивото на шума и други константи на клетъчната биология (методи):

където ( eta _m) е комбинираният транскрипционен изход на всички гени.

Този израз предоставя интуиция за клетъчните параметри, които задават границата на изчерпената област на пространството на Крик. Например по-голям шумов под ° Сv0 повдига границата, защото има по-малко полза от високата транскрипция. Увеличеният транскрипционен изход ( eta _m) понижава границата, тъй като отделните иРНК са по-евтини, което позволява повишена прецизност в генната експресия.

Тази формула за к точно предсказва границата на изчерпаната област на пространството на Крик (фиг. 4f червени линии на фиг. 2) въпреки факта, че к варира с почти два порядъка между организмите (Таблица 1). По този начин изчерпаният регион може да бъде обяснен от гледна точка на фундаментални параметри като нивото на шума, максималната скорост на транслация, общия изход на транскрипция и средната скорост на разпадане на протеина. Отделните клетъчни константи сами по себе си не могат да предскажат точно к (Допълнителна фигура 4d). Нито може к да се прогнозира само от шума, без да се взема предвид икономичността, като например хипотезата, че изчерпаният регион е съставен от всички βм и βстр за които увеличаващата се транскрипция осигурява малка допълнителна прецизност спрямо нивото на шума (Методи).


10.3: Централната догма - Биология

Парадигмата е пример или модел, с който „всички“ са съгласни, който описва някаква концепция. Парадигмата на молекулярната биология е Централната догма. Тази хипотеза е описана от Крик през 1958 г. През 1953 г. Уотсън и Крик са първите, които определят истинската кристална структура на ДНК (въпреки че е имало някои конкуриращи се теории преди тях), използвайки изграждане на модели и след това рентгенова кристалография. След като структурата на ДНК беше определена, механизмите зад наследяването, информационния поток и генната функция застанаха на мястото си. Като цяло потокът от информация се изобразява като: ДНК --> РНК --> протеин. И ДНК, и РНК могат да бъдат репликирани (т.е. ДНК се синтезира от ДНК, а РНК от РНК). РНК може да се направи или транскрибирано от ДНК. Нарича се транскрипция, тъй като същият тип "език" се използва в ДНК и РНК - т.е. нуклеинови киселини. В някои случаи РНК може да се използва за създаване на ДНК (т.е. "обратна транскрипция") с помощта на определен ензим, наречен обратна трансциптаза. Протеинът се синтезира от РНК чрез превод. Нарича се превод, тъй като по същество се използва различен "език" - т.е. аминокиселини (вместо нуклеинови киселини). След като протеинът е синтезиран от РНК, информацията е уловена. С други думи, няма известен механизъм, който позволява на информацията да се връща обратно в РНК от протеин. Поне така се смяташе. Наскоро откритите "приони" показват, че всъщност има механизъм за вид протеинова репликация и това противоречи на централната догма. По същество механизмът се разпада по следния начин. Един организъм (да речем, човешко същество) има протеин от "див тип" (или "нормален" протеин със специфична форма за правилното му функциониране), който е хомолог на прион. Когато човекът е заразен, прионът взаимодейства с дивия тип хомолог и причинява неправилното му нагъване (т.е. прионът кара протеина от дивия тип да промени формата си в прион). По този начин има прост механизъм, чрез който определени протеини могат да се репликират. Въпреки това, тази централна догма за информационния поток все още се поддържа до известна степен.

По същество централната догма описва следния път: ДНК прави РНК прави Протеините прави клетка. Това предполага, че животът е проследим до ДНК. За съжаление, информационният път се съкращава до ДНК прави клетката, което в крайна сметка води до вярата omnis forma ex ДНК (всички форми от ДНК). За да дадем бърз пример, молекулярният апарат за транслация или транскрипция е много сложен и изисква много различни РНК молекули и протеини. ДНК сама по себе си не може да създаде клетка.

С неотдавнашното завършване на секвенирането на човешкия геном изглежда популярно схващането, че сега имаме карта на човешко същество. The genome is often described as a "blue-print" for making a human (or other organism), however, this analogy is a bad one. The "genome as a blue-print" analogy is bad, because an organism is much more than just genes. Let's be clear: a genetic map is a map that shows where genes lie on chromosomes. However, it is the products of those genes that interact with each other in the context of a cell (or more appropriately, in the context of a whole organism -- unicellular or multicellular). A blue-print for a building is designed so that someone can point to one location on the map, and be able to find the actual location in the building. The blue-print shows where a particular thing is in relation to everything else. In eukaryotes, certain gene products are targetted to particular compartments within the cell (e.g. organelles, such as mitochondria, chloroplasts, golgi bodies, endoplasmic reticulum, etc). One might be able to predict where a particular gene product will go, based on the signal sequence that is encoded by the gene. However, a genetic map by itself cannot describe how gene products will interact with one another. Just because an organism is traceable to DNA, doesn't mean that the organism is created by DNA. Alternatively, just because life is traceable to the Big Bang, doesn't mean that the Big Bang created life (i.e. there were many other events that occurred between the Big Bang and the origin of life, such as the formation of atoms, stars, galaxies, planets, etc).

One of the tenets from cell theory directly opposes the gene-centric view: "all cells come from pre-existing cells". In general, this is true, but for the one exception of when life first arose on Earth. DNA alone cannot make a cell. DNA cannot even make a protein by itself. Other molecules are required, such as chaperones which direct the folding of large newly synthesized proteins. Ribosomes and proteins are required in the actual translation mechanism to make more proteins. Certain eukaryotic structures are inherited, but not encoded by any genes (i.e. organelles). In particular, mitochondria come from preexisting mitochondria. If all the mitochondria are removed from a cell, that cell can't make new mitochondria -- the mitochondrial structure is not encoded in any gene or any number of genes. The same is true for chloroplasts, the endoplasmic reticulum, centrioles, and golgi bodies. This is known as "structural inheritance" (or cytoplasmic inheritance).

Work by Sonneborn and others in the 1960s and 1970s demonstrated the importance of structural inheritance with ciliates (ref. 1). One example, is the inheritance of ciliary rows. Patches of ciliary rows were inverted 180 degrees on the cell surface of Парамеций. These inverted patches retained their normal structure, function, and development. They only differed in their orientation and they were inherited as such -- progeny had the same inverted regions of cilia. Ciliary number may also be inherited (e.g. 8 rows are inherited as 8 rows and 9 rows as 9 rows). Another example in Парамеций, is the inheritance of doublets and of singlets. Doublets (i.e. two cells permanently joined together) can form by the failure of conjugating cells to separate. Sonneborn showed that doublets are maintained as doublets, and singlets as singlets, and that the basis of this inheritance pattern resided in the cell cortex -- a phenomenon of structural organization, rather than of genetics.

Another point of opposition against the gene centric paradigm can arise from symbiosis. For example, elephants are made of much more than just "elephant cells" and "elephant chromosomes". Elephants also contain communities of microbes. These microbes are picked up from the environment, and not inherited through the germ line. The same is true for other metazoans (multi-cellular animals), as well as for other symbiotic relationships.


Central Dogma of Biology – the Conspiracy

If three nucleotides are lost, the reading frame will nevertheless be maintained but it can bring about serious pathological problems. In case the sequence search space proved much larger, it might be really tricky to even find the codons of note. The huge area of the proof you’ve got to believe is there.

The crucial principle that dominates molecular biology is known as the Central Dogma. The translation component of the central dogma is contained in protein synthesis, but the transcription part isn’t. It plays a vital role in the cell.

Likewise, there are lots of different processes that result in protein synthesis, but they’re not directly linked to the story of the central dogma. As a matter of true fact, it’s the gene expression which changed. Hox genes play a major role in learning the gender of an organism.

So, here is one particular idea you may try. There are all types of things that do change the true sequence of DNA. Regardless of how remarkably important it’s to life on Earth today, DNA at the same time didn’t exist.

For starters, the appropriate folding procedure is complex and vitally important. At this present moment, you’re of no use to them, but this will change when you make your very own super powers by changing up your DNA. It is vital.


Refuting Lamarckism and Interpreting ‘Adaptive’ Mutation

In 1988, John Cairns, Julie Overbaugh and Stephan Miller published a provocative paper in природата entitled ‘The origin of mutants’. Until their study, it was generally accepted that alterations in DNA (mutations) occurred randomly, as a consequence of the repair of chemical damage or due to errors arising during replication. These variants might be transmitted to progeny, and thus individuals in large populations would be expected to harbour slight differences in DNA sequences. If the environment changed dramatically, individuals with alterations that were advantageous under the new circumstances would be expected to thrive, and might come to outnumber the individuals with the ‘nonmutant’ alleles. This paradigm had been established in the 1940s by elegant experiments of Salvador Luria and Max Delbrück using bacterial populations. Normal bacteria will be killed if exposed to a particular bacterial virus. However, in a population of bacteria, mutations can be acquired that have the effect of protecting the host from being killed by the virus. Luria and Delbrück showed that exposing the bacteria to the virus did not increase the likelihood that the bacteria would acquire the beneficial mutation. Instead, the virus ‘selected’ the bacteria with the protective mutation (they survived), and instantly killed the rest. See also Mutations: Origin, Nature and Impact, Adaptation and Natural Selection: Overview, L uria, S alvador E , and Delbrück, Max Ludwig Henning

Cairns and his colleagues accepted this demonstration that some mutations arise spontaneously, but they wondered if others might arise in a ‘directed’ fashion. They decided to examine a bacterial population in which an essential nutrient could not be used by the ‘normal’ bacteria (no cells were being killed – they simply could not grow or divide). They found that some of the mutations that permitted the cells to use the nutrient occurred after the cells were exposed to that nutrient! Furthermore, mutations that would not assist in metabolizing the rate-limiting nutrient did not appear to accumulate in the experiments. This was a serious challenge to the central dogma. It appeared that mutations were not strictly ‘random’, but could in fact be ‘directed’. The environment appeared to be influencing the genotype so that advantageous traits were being acquired and transmitted to progeny. The authors postulated that errors in transcribing the DNA into messenger RNA might result in a variety of proteins. Production of a favoured protein might trigger a reverse transcriptase complex to produce a DNA copy of the variant RNA, and the genome could be altered by established recombination mechanisms. Thus, information could, in theory, flow from protein to DNA without the requirement for the molecular ‘back-translation’ machinery. See also Mutation–Selection Balance, and Adaptation: Genetics

The paper unleashed a flood of commentary and further experimentation. Appropriately, Cairns himself (with Patricia Foster) provided an elegant disproof of their ‘reverse transcriptase’ model by showing that some of the advantageous revertants arose in other components of the translation machinery, and thus could not have arisen by reverse transcription of the ‘favourable’ messenger RNA. In fact, all experiments designed to ask if the mutations were in fact ‘directed’ revealed that instead, they arose in a nondirected way, although the net result was that they were advantageous to the cell under the particular circumstances (thus, they were ‘adaptive’). In looking back over the controversy, the flurry of papers and published arguments underscores the wisdom of using theories to selectively ignore extraneous complexity. Some authors behaved as though they would discount the conclusions of a well-constructed series of experiments if the mechanism underlying the surprising observations was not yet understood. Other authors proposed general models to predict how the phenomenon might work, which freed them to test parts of the models. The step-by-step approach was again productive: it now appears that a mutagenic process involving breaks in DNA and recombinational repair of the breaks with error-prone DNA synthesis occur in a small number of nondividing cells. If an ensuing ‘randomly’ generated mutation permits the cell to grow and divide, the new genotype will be selected and those individuals will quickly outnumber the others in the population (including those with newly arising mutations that are not immediately beneficial, explaining why these were hard to detect in the initial experiments). See also DNA Repair


Why is the central dogma of biology important?

to RNA ? , to make a functional product, a protein ? . В central dogma suggests that DNA contains the information needed to make all of our proteins, and that RNA is a messenger that carries this information to the ribosomes ? .

Also Know, what is the central dogma of protein synthesis? В central dogma is a framework to describe the flow of genetic information from DNA to RNA to протеин. When amino acids are joined together to make a протеин molecule, it's called protein synthesis. Всеки протеин has its own set of instructions, which are encoded in sections of DNA, called genes.

Consequently, what is the exception to the central dogma?

Exceptions to the central dogma The biggest revolution in the central dogma was the discovery of retroviruses, which transcribe RNA into DNA through the use of a special enzyme called reverse transcriptase has resulted in an exception to the central dogma RNA &rarr DNA &rarr RNA &rarr protein.

What are the 3 processes of central dogma?

Replication, Transcription, and Translation are the три главен процеси used by all cells to maintain their genetic information and to convert the genetic information encoded in DNA into gene products, which are either RNAs or proteins, depending on the gene.


THE CENTRAL DOGMA OF MOLECULAR BIOLOGY

The central framework of molecular biology otherwise known as the “central dogma” is the starting point for the actual course of movement of genetic information within the cell’s nucleus of an organism. The transfer of genetic information within the cell of an organism (i.e. in the nucleus) from deoxyribonucleic acid (DNA) to ribonucleic acid (RNA) and then to proteins is generally known as the central dogma of molecular biology. DNA, RNA and proteins are generally known as macromolecules and in contrast to other macromolecules, these informational macromolecules contain genetic information or gene sequences that control the day to day activities of the cell and the whole organism. The transmission of these informational macromolecules of life commonly follows this path of central dogma.

Central dogma is the main center-piece of molecular biology and genetics in particular (Figure 1). After the cellular machinery of the ribosome translates the RNA molecule transcripts from the DNA molecule to form specific amino acid chains that makeup protein molecules through the processes of translation and transcription respectively, the protein molecules so synthesized has unique biochemical and physiological functions within the cell and each of these proteins is further expressed in the cell as observable physical traits or phenotypes in the whole organism. The phenotypes showcases the actual genetic information encoded by the DNA or genes of the organism and it is these traits that help molecular biologists to decipher defects or mutation that occur in the whole organism after a particular gene or DNA molecule have been completely expressed.

Фигура 1. Schema of central dogma. The central dogma of molecular biology generally describes the process of превод of a gene to a protein. And in this process, specific sequences of DNA act as a template to synthesize mRNA in a process called транскрипция in the nucleus of a cell. This mRNA is then exported from the nucleus into the cytoplasm (location of the ribosome in the cell), and it acts as a шаблон to synthesize protein through translation. A template is a macromolecule whose structure serves as pattern for the synthesis of another macromolecule.

Despite the fact that the ДНК is the actual genetic blueprint of the cell, it is the protein molecules that actually carry out all of the metabolic processes that go on in the cell of an organism. Therefore, the DNA provides the genetic information or instruction for work while the proteins of the cell do the work. Протеини are informational macromolecules that comprises of long chains of amino acids and they are the most important components of the physiological and biochemical metabolic pathways of the cell of an organism. They are mainly responsible for growth and the repair of worn out tissues.

Central dogma describes the genetic process in which the information encoded by a gene or DNA is transcribed into messenger ribonucleic acid (mRNA) that act as a template and is further translated into specific protein molecules in the ribosome of a cell. It is mainly comprised of two main processes which are транскрипция и превод and these shall be highlighted in this section. The illustration of the central dogma is shown in Фигура 1 and it is a descriptive analysis of the genetic code of belief especially as it pertains to the pattern in which hereditary or genetic materials are inherited and/or passed from parent progenitor cells to their offspring. It shows how the 3 most important informational macromolecules (DNA, RNA & protein) of a cell or the whole organism are synthesized. The DNA of eukaryotic cells is often wrapped in specialized protein molecules known as histones, and this orientation forms the chromosome of the cell. However, in prokaryotic cells, the DNA is wrapped with non-histone proteins to form the cells chromosome. DNA is the main genetic material of the cell, and genetic information flows from it to the RNA which is expressed in the cell (as directed by the genetic sequence encoded by the DNA) to form proteins. Central dogma shows how genetic information flows from one macromolecule to another in a controlled manner within the cell of living organisms.

The three important processes of this flow of genetic information shall be highlighted in this section.

  1. Транскрипция
  2. Превод
  3. ДНК репликация
  • Транскрипцияis the synthesis of an RNA molecule (mRNA in particular) that is complementary to one of the 2 single strands (ss) of a double-stranded DNA molecule (dsDNA). It is catalyzed by RNA polymerase. The genetic information or gene sequence required to synthesize the ribonucleic acid (RNA) molecule is encoded by the DNA molecule. Thus for the RNA molecule to be synthesized, genetic information has to be transferred in a controlled fashion to the messenger RNA (mRNA) through the process of transcription.
  • Преводis the synthesis of protein molecules using the genetic information in the messenger RNA (mRNA) as a template. Amino acids are the building blocks or main units of protein molecules, and they are arranged in the form of a polypeptide. The mRNA encodes one or more polypeptides, and this is dependent on the specific sequence of bases in the mRNA. It is noteworthy that each group of 3 bases on an mRNA actually codes for a single amino acid (e.g. tryptophan). Such triplets of bases are known as codons. кодониare sequences of 3 bases in an mRNA that encodes specific amino acids.

Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson J.D (2002). The molecular Biology of the Cell. Fourth edition. New York, Garland, USA.

Cooper G.M и Hausman R.E (2004). Клетката: Молекулярен подход. Трето издание. ASM Press.

Dale J (2003). Molecular genetics of bacteria. Jeremy W. Dale and Simon Park (4 th eds.). John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, UK. стр. 312-313.

Lewis R (2004). Human Genetics: Concepts and Applications. Шесто издание. McGraw Hill Publishers, USA.

Robert L. Nussbaum, Roderick R. McInnes and Huntington F. Willard (2001). Генетика в медицината. Philadelphia, USA. Saunders publishers.

Самбрук, Дж., Ръсел, Д.У. (2001). Молекулно клониране: лабораторно ръководство, 3-то изд. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Ню Йорк.

Тамарин Робърт Х (2002). Принципи на генетиката. Seventh edition. Tata McGraw-Hill Publishing Co Ltd, Делхи.

Twyman R.M (1998). Advanced Molecular Biology: A Concise Reference. Bios Scientific Publishers. Oxford, UK.


How the Central Dogma of Molecular Biology Points to Design

From time to time, biochemists make discoveries that change the way we think about how life works. In a recent paper, Ian S. Dunn, a researcher at CytoCure, argues that biomolecules (such as DNA, RNA, and proteins) comprised of “molecular alphabets” (such as nucleotides and amino acids) are a universal requirement for life. 1

Dunn’s work has far reaching implications. Perhaps the most significant relates to the central dogma of molecular biology (the organizing framework for biochemistry). First proposed by Francis Crick in 1956, the central dogma states that biochemical information flows from DNA through RNA to proteins.

The RNA world hypothesis, a leading evolutionary explanation for life’s origin, supposes that the central dogma of molecular biology is an unintended outcome of chemical evolution. This hypothesis posits that initial biochemistry was built exclusively around RNA and only later did evolutionary processes transform the RNA world into the familiar DNA-protein world of contemporary organisms. Thus, the DNA-protein world is merely an accident, the contingent outcome of evolutionary history.

Origin-of-life researchers claimed support for the RNA world with the discovery of ribozymes in the 1980s. These RNA molecules possess functional capabilities. In other words, RNA not only harbors information like DNA, it also carries out cellular functions like proteins. Researchers presumed that RNA biochemistry’s dual capabilities later apportioned between DNA (information storage) and proteins (function). Origin-of-life researchers often point to RNA’s intermediary role in the central dogma of molecular biology as further evidence for the RNA world hypothesis. In this view, RNA’s reduced role is a vestige of evolutionary history and RNA is viewed as a sort of molecular fossil.

However, if Dunn is correct and molecular alphabets are a universal requirement for life, it follows that the central dogma of molecular biology cannot be an accidental outcome of chemical evolution—a commonplace assumption on the part of many life scientists. Instead, it seems to be more appropriate to view this process as part of the Creator’s well-planned design.

Chemical Complexity and Life

Chemical complexity is a defining feature of life. In fact, the cellular operations fundamental to biology require chemical complexity. According to Dunn, this complexity can be achieved only through a large ensemble of macromolecules, each one carrying out a specific task in the cell. However, the macromolecules must be assembled from molecular alphabets because only molecular alphabets allow for the plethora of combinatorial possibilities needed to give macromolecules the range of structural variability that makes possible the functional diversity required for life.

Proteins help illustrate Dunn’s point regarding combinatorial potential. Built from an alphabet that consists of 20 different amino acids, proteins are the workhorses of life. Each protein carries out a specific role in the cell. A typical protein might consist of 300 amino acids. So, for a protein of that size, the number of possible amino acid sequences is (20) 300 . Each sequence has the potential to form a distinct structure and, consequently, perform a distinct function. It is impossible to achieve this kind of complexity using small molecules or uniquely specified macromolecules.

Two Types of Molecular Alphabets

Another defining feature of life is its ability to replicate. For a cell to reproduce it must duplicate the information that specifies the functional macromolecules’ alphabet sequences and then pass it on to the daughter cells. Based on this requirement, Dunn identifies a need for primary and secondary molecular alphabets.

Macromolecules comprised of a primary molecular alphabet must be able to replicate themselves. This requirement, however, places constraints on the macromolecules, preventing them from being able to carry out the full range of functional activities needed to support the chemical complexity required for life. A secondary alphabet is needed to overcome this restriction. Specified by the primary alphabet, the secondary alphabet possesses the full range of functional possibilities because it is not constrained by the need to replicate.

DNA harbors the information a cell’s machinery needs to produce proteins and also possesses the ability to replicate. Therefore, DNA’s nucleotide sequence serves as a primary molecular alphabet while proteins’ amino acid sequences comprise a secondary molecular alphabet, enabling proteins to serve as the cell’s workhorse molecules.

Molecular Alphabets and the Central Dogma of Molecular Biology

According to the central dogma of molecular biology, the information stored in DNA is functionally expressed through the amino acid sequence and protein activity. When it is time for the cell’s machinery to produce a particular protein, it copies the appropriate information from the DNA alphabet and produces a molecule called messenger RNA(mRNA). Once assembled, mRNA migrates to the ribosome and directs the synthesis of proteins.

In effect, the central dogma embodies the roles assumed by the primary and secondary molecular alphabets. Information in the cell’s primary molecular alphabet (DNA) is constrained by the need to replicate and so specifies the production of the cell’s secondary molecular alphabet (proteins) with the maximal amount of functional diversity. The translation from primary to secondary alphabet requires a decoding apparatus, which in the cell is comprised of RNA and ribosomes.

The key point is that the central dogma appears to be a fundamental requirement for life—a universal property, a necessary embodiment of life’s requisite chemical complexity. In this sense, it is reasonable to view the central dogma of molecular biology as part of the elegant, sophisticated, well-designed processes characteristic of biochemistry. Conversely, the central dogma of molecular biology can no longer be viewed as an accidental outcome of chemical evolution.

Undermining the RNA World Hypothesis

In the RNA world, the molecular alphabet that comprises RNA is a primary alphabet. But based on Dunn’s work, RNA would also have been constrained in its range of functional capabilities because of its need to replicate. Because of this restriction, the ribozymes of the RNA world cannot provide the chemical complexity necessary to sustain life. Dunn’s insight into the universal character of molecular alphabets unwittingly undercuts the RNA world scenario. Thus, it seems the central dogma of molecular biology (from DNA to RNA to proteins) had to be in place at the point that life originated.


Гледай видеото: 3 задание ЕГЭ. Генетическая информация в клетке. БИОЛОГИЯ ЕГЭ 2021 (Август 2022).