Molekyylibiologian keskeinen dogmi: Crickin määritelmä DNA:sta RNA:han ja proteiineihin

Molekyylibiologian dogma: Crickin näkemys DNA→RNA→proteiinit, tiedonsiirron periaatteet, poikkeukset ja merkitys solubiologiassa.

Molekyylibiologian keskeinen dogmi on Francis Crickin termi, jolla hän kuvasi solun biologisen tiedon pääasiallista kulkua: tieto siirtyy DNA:n sekvenssistä RNA:han ja edelleen proteiineihin, mutta proteiinit eivät voi siirtää sekvenssitietoa takaisin DNA:han tai RNA:han. Crick käytti sanaa "dogma" kuvaamaan periaatetta ensimmäisen kerran vuonna 1958 ja täsmensi sen käsitteen merkitystä uudelleen vuonna 1970.

Keskeinen dogma ei koske kaikkia mahdollisia molekyylisiä ilmiöitä eikä estä muiden viestintämuotojen olemassaoloa (kuten epigeneettisiä merkintöjä tai proteiinien konformaatiomuutoksia). Tarkoituksena oli rajata käsitteellisesti, miten perinnöllinen informaatiota sisältävä sekvenssi-informaatio (nukleotidijärjestys) pääsääntöisesti liikkuu solussa.

Biopolymeerien luokat ja mahdolliset tiedonsiirrot

Solun keskeiset biopolymeeriluokat ovat kolme:

• DNA (nukleiinihappo)
• RNA (nukleiinihappo)
• proteiinit

Näiden välillä on teoreettisesti 3 × 3 = 9 mahdollista suuntaa tiedonsiirrolle (kukin luokka voi siirtää tietoa kullekin luokalle, myös itselleen). Crick luokitteli nämä siirrot kolmeen ryhmään:

• Yleiset siirrot, jotka tapahtuvat normaalisti useimmissa soluissa;
• Erityiset siirrot, jotka tunnetaan tapahtuvan, mutta vain tietyissä olosuhteissa (esim. joissain viruksissa tai laboratoriossa);
• Tuntemattomat siirrot, joita ei ole havaittu eikä niitä odoteta tapahtuvan, ainakaan sekvenssitiedon tasolla.

Yleiset siirrot — biologisen tiedon normaali kulku

Yleiset siirrot kuvaavat solun normaalisti tapahtuvaa informaation käsittelyä:

• DNA:ta voidaan kopioida DNA:lle (DNA:n replikaatio) — solu jakaa perintöaineistonsa tytärsoluille;
• DNA:n informaatio voidaan kopioida mRNA:han (transkriptio) — geenien lukeminen ja mRNA:n synteesi;
• Proteiineja voidaan syntetisoida käyttäen mRNA:n informaatiota mallina (translaatio) — aminohappojärjestys määräytyy mRNA-sekvenssin mukaan.

Erityiset siirrot ja tunnetut poikkeukset

Käytännössä on olemassa tunnettuja poikkeuksia, jotka Crick luokkasi "erityisiksi" siirroiksi. Niistä tärkeimpiä esimerkkejä ovat:

• RNA → RNA: monet RNA-virukset pystyvät kopioimaan RNA-genominsa suoraan RNA:ksi (RNA-riippuvaiset RNA-polymeraasit);
• RNA → DNA: retrovirusten käänteistranskriptaasi muuttaa RNA:n DNA:ksi (reverse transcription). Myös telomeraasin RNA-komponentti toimii mallina DNA-pituuden ylläpitämisessä soluissa;
• Laboratoriomenetelmät: käänteiskopiointi (cDNA-synteesi) ja geenitekniikan menetelmät voivat ohjata tiedon kulkua keinotekoisesti suuntaan, jota ei vakiintuneesti tapahdu tietyissä solutyypeissä.

Lisäksi on todettu ilmiöitä, jotka eivät varsinaisesti muuta nukleotidisekvenssiä, mutta vaikuttavat tiedon ilmenemiseen: RNA-editointi muuttaa yksittäisten RNA-molekyylien emäsjärjestystä jälkikäteen, ja epigeneettiset merkinnät (esim. DNA-metylaatio, histonimuokkaukset) säätelevät geenien ilmentymistä ilman DNA-sekvenssin muuttamista. Nämä vaikuttavat soluominaisuuksiin, mutta eivät riko sitä perusajatusta, että sekvenssitieto ei palaudu proteiinista takaisin nukleiinihappoihin.

Tuntemattomat siirrot ja rajat

Crickin "tuntemattomiin" siirtoihin lukeutuvat ne, joissa proteiinin järjestysinformaatio siirtyisi suoraan DNA:han tai RNA:han tai proteiineiksi muissa olomuodoissa siirtyisi sekvenssitietoa nukleiinihappoihin. Tällaisia sekvenssitason siirtoja ei ole dokumentoitu luonnossa. On kuitenkin muistettava, että proteiinit voivat vaikuttaa toisten proteiinien rakenteeseen (esim. prionit), eli proteiini → proteiini -vaikutuksia on havaittu; nämä eivät kuitenkaan tarkoita, että aminohapposekvenssi siirtyisi takaisin nukleiinihapoksi.

Dogman merkitys ja nykyaika

Crickin keskeinen dogma antoi selkeän käsitteellisen raamin geeniekspression ymmärtämiselle. Nykybiologia on laajentanut tätä kuvaa: löydökset kuten retroelementit, käänteistranskriptaasi, RNA-virukset, laaja kirjo säätely-RNA:ita ja epigeneettinen periytyminen ovat osoittaneet, että tiedon liikkuminen solussa on joustavampaa kuin alkuperäinen karkeampi malli antoi ymmärtää. Silti perusajatus — että geneettinen sekvenssi-informaatio kulkee pääsääntöisesti nukleiinihapoista proteiineihin eikä päinvastoin — säilyy hyödyllisenä ja toistaiseksi paikkansapitävänä kuvauksena sekvenssitiedon suunnasta.

Weismannin este

Crickin dogmaa verrataan usein August Weismannin esittämään periaatteeseen, jota kutsutaan Weismannin esteeksi: idea on, että perinnöllinen tieto kulkee yleensä sukusoluista (germline) somaattisiin soluihin eikä somaattisista solutyypeistä palaudu sukulinjaan. Toisin sanoen perinnölliset muutokset, jotka tapahtuvat vain kehon soluissa, eivät yleensä siirry seuraaviin sukupolviin. Moderni genetiikka on myös osoittanut poikkeuksia ja lisäyksiä tähän periaatteeseen (esim. jotkin retroelementit, horizontaalinen geeninsiirto tietyillä organismeilla ja epigeneettinen periytyminen), mutta Weismannin käsite auttaa ymmärtämään eron somaattisten muutosten ja periytyvien muutosten välillä.

Yhteenvetona: Crickin keskeinen dogma ei ole kiveen hakattu käsky, vaan selkeä ja käyttökelpoinen viitekehys siitä, miten geneettinen sekvenssitieto normaalisti kulkee solussa. Modernit löydökset ovat laajentaneet kuvaa ja osoittaneet erityistapauksia, mutta perusperiaate — sekvenssitiedon päävirtaus nukleiinihapoista proteiineihin — pysyy biologian peruskäsitteenä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on molekyylibiologian keskeinen dogmi?

K: Milloin se kirjoitettiin ensimmäisen kerran?

K: Mitä dogma tarjoaa puitteet ymmärtämiselle?

K: Kuinka monta suoraa tiedonsiirtoa voi tapahtua näiden biopolymeerien välillä?

K: Mitkä kolme ryhmää luokittelevat nämä tiedonsiirrot?

K: Mitä yleiset siirtymät kuvaavat?

K: Mikä on Weismannin este?

Hae kirjaimella