Molekulaarbioloogia keskne dogma: DNA, RNA ja valkude infoedastus

Molekulaarbioloogia keskne dogma: kuidas DNA-lt RNA kaudu valgud sünnivad — selge ülevaade replikatsioonist, transkriptsioonist, translatsioonist ja päriliku info liikumisest.

Molekulaarbioloogia keskne dogma on Francis Cricki tuntud mõiste, mis kujutab bioloogilise järjestusteabe voogu rakkudes. Crick püstitas selle idee pärast oma tööd DNA topeltsideme struktuuri avastamisega: põhiline printsiip on, et informatsioon liigub DNA‑lt RNA kaudu valkudele, kuid informatsiooni lineaarsel järjestusel (nukleotiidide ja aminohapete järjestusel) ei edastata tavaliselt tagasi valguilt DNA‑le.

Crick esitas selle mõtte esimest korda 1958. aastal ja laiendas ning selgitas seda korduselt 1970. aastal. Keskne dogma on lihtsas vormis raamistik, mis aitab mõista, kuidas geenide kogus sisalduv järjestusteave kopeeritakse, loetakse ja kasutatakse raku funktsioonide juhtimiseks.

Biopolümeeride põhiliigid ja võimalikud infoülekanded

Selliseid biopolümeere on kolm peamist klassi: DNA ja RNA (mõlemad nukleiinhapped) ning valgud. Teoreetiliselt võib informatsioon liikumise suunas iga kirje vahel olla üheksast võimalikust otsekontaktist (3 × 3): igast kolmest liigist igaühe juurde kolm sihtmärki. Cricki klassifikatsioon jagab need ülekanded kolmeks rühmaks:

• 3 üldist ülekannet — toimuvad enamikus rakkudes normaalselt;
• 3 spetsiaalsed ülekanded — teadaolevalt võimalikud, kuid tavaliselt ainult eritingimustel (näiteks mõnede viiruste või laboris tekkivate protsesside puhul);
• 3 tundmatut või ebatõenäolist ülekannet — eeldatavasti ei toimu või ei too kaasa järjestusteabe edastamist.

Üldised (tavalised) ülekanded

Üldised ülekanded kirjeldavad bioloogilise teabe normaalseid ja igapäevaseid voogusid rakkudes:

• DNA → DNA — DNA replikatsioon: päriliku info täpne kopeerimine rakujagunemisel.
• DNA → RNA — transkriptsioon: geenide DNA‑järjestus kopeeritakse mRNA‑ks ja ka muudeks RNAdeks (tRNA, rRNA, regulaator‑RNA jne).
• RNA → valk — translatsioon): mRNA‑s kodeeritud informatsiooni kasutatakse aminohapete järjestuse määramiseks ja valkude sünteesiks.

Spetsiaalsed ja erandid

Crick tunnistas ka mõningaid erandeid, mida võib täheldada eri olukordades:

• RNA → DNA — tuntud kui retrotranskriptsioon; seda teevad retroviirused (nt HIV) ja retrotranskriptaasid, samuti mõningad rakuensüümid, mis võivad RNA‑põhiselt teavet tagasi DNA‑ks kirjutada.
• RNA → RNA — RNA‑viirustel (näiteks paljud rna‑viirused) ja mõnel raku mehhanismil on võimalik RNA kopeerimine RNA‑st.
• DNA → valk (otsene) — idee, et DNA võiks valke otse kodeerida ilma RNA‑vaheastmeta, on Cricki skeemis märgitud erilise kategooriana; sellist otsest mehhanismi ei ole tavalistes rakkudes kindlalt dokumenteeritud ja see kuulub pigem teoreetiliste või väga eripäraste olukordade hulka.

Tundmatud või ebatõenäolised ülekanded ja kaasaegsed täiendused

Dogma rõhutab, et teabe lineaarsed järjestused ei liigu tagasi valkudest nukleiinhapetesse. Kolmas rühm Cricki klassifikatsioonis hõlmab:

• valk → DNA,
• valk → RNA,
• valk → valk (järjestusteabe edastamine aminohapete järjestusena).

Need ülekanded on Cricki vaates ebatõenäolised või "suletud". Tänapäeval teame siiski, et mõningaid valkude kaudu toimivaid informatsioonilisi mõjusid on olemas — näiteks prioonid annavad oma konformatsiooni (kuju) edasi teistele valkudele (see on näide valk → valk‑tüüpi informatsioonilisest replikatsioonist, kuid ei hõlma aminohappejärjestuse muutmist). Samuti on teada epigeneetilised mehhanismid (nt DNA metüülimine ja histoonide modifikatsioonid), mis mõjutavad geenide aktiivsust ja mõnel juhul võivad päranduda — ent need ei muuda DNA nukleotiidide järjestust nagu replikatsioon või transkriptsioon, vaid reguleerivad selle lugemist.

Mida dogma ei ütle ja miks see on siiski kasulik

Keskne dogma ei ole väide, et ükski muu molekulaarne interaktsioon ei eksisteeri — pigem on see konkreetne väide järjestusteabe suundumuse kohta (kes kirjutab järjestust kellele). See ei hõlma kogu biokeemilist regulaatorvõrgustikku: rakkudes toimub palju tagasisidet, signaalülekandeid, post‑translatsioonilisi modifikatsioone ja RNA‑põhiseid regulaatoreid, mis kõik mõjutavad geenide väljendumist ja rakufunktsiooni.

Dogma on olnud aluseks kogu molekulaarbioloogia arengule: sellest lähtuvad mõisted, kuidas geenid avalduvad, kuidas haiguse‑ ja ravimehhanismid töötavad ning miks mehhanismid nagu retrotranskriptsioon või RNA‑põhised viirused on eraldi huvipakkuvad. Samas on teadus näidanud, et looduses leidub põnevaid erandeid ja nüansse, mis rikastavad algset lihtsast skemast lähtuvat pilti.

Weismanni tõkke ideega seotud mõtteviis — et pärilik teave liigub eelkõige geenidest keharakkudesse ja mitte vastupidises suunas — on keskmises tähenduses säilinud: somaatiliste rakkude omased muutused (näiteks enamik mutatsioone) ei kanta tavaliselt edasi sugurakkudesse. Samas tänapäevane teadus rõhutab, et päranduvus ja infoülekanne on mitmekihilised ning sisaldavad nii DNA järjestust, epigeneetikat kui ka mõningaid viirus‑ või RNA‑põhiseid erisusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on molekulaarbioloogia keskne dogma?

K: Millal see esimest korda kirja pandi?

K: Mis on dogma, mis annab raamistiku mõistmiseks?

K: Kui palju võib nende biopolümeeride vahel toimuda otsest informatsiooni ülekannet?

K: Millised kolm rühma liigitavad neid ülekandeid?

K: Mida kirjeldavad üldised ülekanded?

K: Mis on Weismanni barjäär?

Otsing