Csak amikor az 1950-es évek elején felfedezték a DNS szerkezetét, vált világossá, hogy a sejtek örökletes információi hogyan kódolódnak a DNS nukleotidok sorrendjében. Az azóta elért fejlődés elképesztő volt. Ötven évvel később számos élőlény, köztük az ember teljes genomszekvenciájával rendelkezünk, és így ismerjük a hozzánk hasonló komplex szervezetek létrehozásához szükséges maximális információmennyiséget. Az élethez szükséges örökletes információ határai behatárolják a sejtek biokémiai és szerkezeti jellemzőit, és világossá teszik, hogy a biológia nem végtelenül összetett.

Ebben a fejezetben elmagyarázzuk, hogyan dekódolják és használják fel a sejtek a genomjukban lévő információt. Látni fogjuk, hogy sok mindent megtudtunk arról, hogy a mindössze négy “betűből” álló ábécébe – a DNS négy különböző nukleotidjába – írt genetikai utasítások hogyan irányítják egy baktérium, egy gyümölcslegy vagy egy ember kialakulását. Mindazonáltal még rengeteg felfedezni valónk van arról, hogy a szervezet genomjában tárolt információ hogyan hozza létre még a legegyszerűbb, 500 génnel rendelkező egysejtű baktériumot is, nem is beszélve arról, hogyan irányítja a körülbelül 30 000 génnel rendelkező ember fejlődését. Óriási mennyiségű ismeretlenség maradt; a sejtbiológusok következő generációjára tehát számos izgalmas kihívás vár.

Azokat a problémákat, amelyekkel a sejtek a genomok dekódolása során szembesülnek, a Drosophila melanogaster gyümölcslégy genomjának egy kis részlete alapján lehet érzékeltetni (6-1. ábra). Az ebben és más genomokban található DNS-kódolt információ nagy része arra szolgál, hogy meghatározza a szervezet által előállított minden egyes fehérje aminosavainak lineáris sorrendjét – az aminosavak sorrendjét. Amint azt a 3. fejezetben leírtuk, az aminosavak szekvenciája határozza meg, hogy az egyes fehérjék hogyan hajtogatódnak össze, hogy egy jellegzetes alakú és kémiai felépítésű molekulát kapjanak. Amikor a sejt egy adott fehérjét állít elő, a genom megfelelő régióját ezért pontosan dekódolni kell. A genom DNS-ében kódolt további információk pontosan meghatározzák, hogy a szervezet életében mikor és mely sejttípusokban kell az egyes géneknek fehérjévé kifejeződniük. Mivel a fehérjék a sejtek fő alkotóelemei, a genom dekódolása nemcsak a sejtek méretét, alakját, biokémiai tulajdonságait és viselkedését határozza meg, hanem a Földön élő egyes fajok megkülönböztető jegyeit is.

6-1. ábra

A Drosophila melanogaster gyümölcslégy genomjából a 2. kromoszóma egy részének sematikus ábrázolása. . Ez az ábra a teljes Drosophila genom kb. 3%-át képviseli, hat összefüggő szegmensként elrendezve. Ahogy a kulcsban összefoglaltuk, a szimbolikus (tovább…)

Azt gondolhatnánk, hogy a genomban lévő információ rendezett módon, egy szótárhoz vagy telefonkönyvhöz hasonlóan van elrendezve. Bár néhány baktérium genomja meglehetősen jól szervezettnek tűnik, a legtöbb többsejtű élőlény, például a mi Drosophila példánk genomja meglepően rendezetlen. A kódoló DNS (azaz a fehérjéket kódoló DNS) apró darabjai között nagy, látszólag értelmetlen DNS-blokkok váltakoznak. A genom egyes szakaszai sok gént tartalmaznak, míg másokból teljesen hiányoznak a gének. A sejtben egymással szorosan együttműködő fehérjék génjei gyakran különböző kromoszómákon találhatók, és a szomszédos gének jellemzően olyan fehérjéket kódolnak, amelyeknek a sejtben kevés közük van egymáshoz. A genomok dekódolása tehát nem egyszerű feladat. Még a nagy teljesítményű számítógépek segítségével is nehéz a kutatóknak az összetett genomok DNS-szekvenciáiban a gének kezdetét és végét véglegesen megtalálni, nemhogy megjósolni, hogy az egyes gének mikor fejeződnek ki a szervezet életében. Bár az emberi genom DNS-szekvenciája ismert, valószínűleg legalább egy évtizedbe fog telni, amíg az emberek minden egyes gént azonosítanak, és meghatározzák az általa termelt fehérje pontos aminosavsorrendjét. Pedig a testünkben lévő sejtek ezt másodpercenként több ezer alkalommal teszik meg.

A genomokban lévő DNS nem maga irányítja a fehérjeszintézist, hanem az RNS-t használja közvetítő molekulaként. Amikor a sejtnek szüksége van egy adott fehérjére, a kromoszómában lévő mérhetetlenül hosszú DNS-molekula megfelelő részének nukleotidszekvenciáját először RNS-be másolják (ezt a folyamatot nevezik átírásnak). A DNS-szakaszok ezen RNS-kópiáit közvetlenül sablonként használják fel a fehérje szintézisének irányításához (ezt a folyamatot nevezzük transzlációnak). A genetikai információ áramlása a sejtekben tehát a DNS-től az RNS-en át a fehérjéig tart (6-2. ábra). A baktériumoktól az emberig minden sejt így fejezi ki genetikai információját – ez az elv olyan alapvető, hogy a molekuláris biológia központi dogmájának nevezik.

6-2. ábra

A DNS-től a fehérjéig vezető út. A genetikai információ áramlása a DNS-ből az RNS-be (transzkripció) és az RNS-ből a fehérjébe (transzláció) minden élő sejtben megtörténik.

A központi dogma egyetemessége ellenére fontos eltérések vannak a DNS-től a fehérjéig tartó információáramlás módjában. Ezek közül a legfontosabb, hogy az eukarióta sejtekben az RNS-transzkriptumok a sejtmagban egy sor feldolgozási lépésen mennek keresztül, beleértve az RNS-splicinget is, mielőtt kiléphetnek a sejtmagból, és fehérjévé fordíthatók. Ezek a feldolgozási lépések döntően megváltoztathatják az RNS-molekula “jelentését”, és ezért kulcsfontosságúak annak megértéséhez, hogy az eukarióta sejtek hogyan olvassák a genomot. Végül, bár ebben a fejezetben a genom által kódolt fehérjék előállítására összpontosítunk, látjuk, hogy néhány gén esetében az RNS a végtermék. A fehérjékhez hasonlóan sok ilyen RNS pontos háromdimenziós struktúrákba hajtódik, amelyeknek szerkezeti és katalitikus szerepük van a sejtben.

Ezt a fejezetet a genom dekódolásának első lépésével kezdjük: az átírás folyamatával, amelynek során egy gén DNS-éből RNS-molekula keletkezik. Ezután követjük ennek az RNS-molekulának a sorsát a sejten keresztül, és akkor fejezzük be, amikor egy helyesen összehajtogatott fehérjemolekula keletkezett. A fejezet végén megvizsgáljuk, hogy az információtárolás, az átírás és a transzláció jelenlegi, meglehetősen összetett rendszere hogyan alakulhatott ki egyszerűbb rendszerekből a sejtek evolúciójának legkorábbi szakaszaiban.