Teprve po objevu struktury DNA na počátku 50. let 20. století bylo jasné, jak je dědičná informace v buňkách zakódována v sekvenci nukleotidů DNA. Pokrok od té doby byl ohromující. O padesát let později máme k dispozici kompletní sekvence genomů mnoha organismů, včetně člověka, a známe tedy maximální množství informace, které je zapotřebí k vytvoření složitého organismu, jako jsme my. Limity dědičné informace potřebné pro život omezují biochemické a strukturní vlastnosti buněk a jasně ukazují, že biologie není nekonečně složitá.

V této kapitole vysvětlíme, jak buňky dekódují a využívají informace ve svých genomech. Uvidíme, že jsme se dozvěděli mnoho o tom, jak genetické instrukce zapsané v abecedě sestávající z pouhých čtyř „písmen“ – čtyř různých nukleotidů v DNA – řídí vznik bakterie, ovocné mušky nebo člověka. Přesto máme stále co objevovat o tom, jak informace uložené v genomu organismu vytvářejí i tu nejjednodušší jednobuněčnou bakterii s 500 geny, natož jak řídí vývoj člověka s přibližně 30 000 geny. Zůstává obrovské množství neznámých; na příští generaci buněčných biologů proto čeká mnoho fascinujících výzev.

Problémy, kterým buňky čelí při dekódování genomů, lze ocenit na malé části genomu ovocné mušky Drosophila melanogaster (obrázek 6-1). Velká část informací zakódovaných v DNA přítomných v tomto a dalších genomech slouží k určení lineárního pořadí – sekvence – aminokyselin pro každý protein, který organismus vytváří. Jak je popsáno v kapitole 3, pořadí aminokyselin určuje, jak se každý protein skládá, aby vznikla molekula s charakteristickým tvarem a chemickým složením. Když buňka vyrábí určitý protein, musí být příslušná oblast genomu přesně dekódována. Další informace zakódované v DNA genomu přesně určují, kdy v životě organismu a v jakých typech buněk má být každý gen exprimován do proteinu. Protože bílkoviny jsou hlavní složkou buněk, dekódování genomu určuje nejen velikost, tvar, biochemické vlastnosti a chování buněk, ale také charakteristické rysy každého druhu na Zemi.

Obrázek 6-1

Schematické znázornění části chromozomu 2 z genomu ovocné mušky Drosophila melanogaster. . Tento obrázek představuje přibližně 3 % celkového genomu Drosophily, uspořádaného jako šest souvislých segmentů. Jak je shrnuto v klíči, symbolické (více…)

Dalo by se předpokládat, že informace přítomné v genomech budou uspořádány uspořádaně, podobně jako ve slovníku nebo telefonním seznamu. Ačkoli se genomy některých bakterií zdají být poměrně dobře uspořádané, genomy většiny mnohobuněčných organismů, jako je náš příklad drozofily, jsou překvapivě neuspořádané. Malé kousky kódující DNA (tj. DNA, která kóduje bílkoviny) se střídají s velkými bloky zdánlivě nesmyslné DNA. Některé úseky genomu obsahují mnoho genů a v jiných geny zcela chybí. Proteiny, které v buňce úzce spolupracují, mají často své geny umístěny na různých chromozomech a sousední geny obvykle kódují proteiny, které spolu v buňce příliš nesouvisejí. Dekódování genomů proto není jednoduchou záležitostí. I s pomocí výkonných počítačů je pro vědce stále obtížné definitivně lokalizovat začátek a konec genů v sekvencích DNA složitých genomů, natož předpovědět, kdy se který gen v životě organismu projeví. Přestože je sekvence DNA lidského genomu známa, bude pravděpodobně trvat nejméně deset let, než lidé identifikují každý gen a určí přesnou sekvenci aminokyselin bílkoviny, kterou produkuje. Přesto to buňky v našem těle dělají tisíckrát za sekundu.

DNA v genomech sama neřídí syntézu bílkovin, ale využívá RNA jako zprostředkující molekulu. Když buňka potřebuje určitý protein, sekvence nukleotidů příslušné části nesmírně dlouhé molekuly DNA v chromozomu se nejprve zkopíruje do RNA (proces se nazývá transkripce). Právě tyto RNA kopie úseků DNA jsou použity přímo jako šablony pro řízení syntézy bílkoviny (proces zvaný translace). Tok genetické informace v buňkách tedy probíhá od DNA přes RNA k proteinu (obrázek 6-2). Všechny buňky, od bakterií až po člověka, vyjadřují svou genetickou informaci tímto způsobem – princip je tak zásadní, že je označován za ústřední dogma molekulární biologie.

Obrázek 6-2

Cesta od DNA k proteinu. Tok genetické informace z DNA do RNA (transkripce) a z RNA do proteinu (translace) probíhá ve všech živých buňkách.

Přes univerzálnost ústředního dogmatu existují významné rozdíly ve způsobu toku informace od DNA k proteinu. Hlavní z nich je, že transkripty RNA v eukaryotických buňkách podléhají řadě kroků zpracování v jádře, včetně sestřihu RNA, než je jim dovoleno opustit jádro a být přeloženy do proteinu. Tyto kroky zpracování mohou zásadně změnit „význam“ molekuly RNA, a proto jsou klíčové pro pochopení toho, jak eukaryotické buňky čtou genom. A konečně, ačkoli se v této kapitole zaměřujeme na produkci proteinů kódovaných genomem, vidíme, že u některých genů je konečným produktem RNA. Stejně jako proteiny se mnohé z těchto RNA skládají do přesných trojrozměrných struktur, které mají v buňce strukturní a katalytickou úlohu.

Tuto kapitolu začneme prvním krokem při dekódování genomu: procesem transkripce, při němž se z DNA genu vytváří molekula RNA. Poté sledujeme osud této molekuly RNA v buňce a končíme, když se vytvoří správně složená molekula proteinu. V závěru kapitoly se zamyslíme nad tím, jak mohlo současné, poměrně složité schéma ukládání informací, transkripce a translace vzniknout z jednodušších systémů v nejranějších fázích buněčné evoluce.

.