Tylko wtedy, gdy struktura DNA została odkryta na początku lat pięćdziesiątych, stało się jasne, w jaki sposób informacja dziedziczna w komórkach jest zakodowana w sekwencji nukleotydów DNA. Postęp, jaki dokonał się od tego czasu, był zdumiewający. Pięćdziesiąt lat później dysponujemy kompletnymi sekwencjami genomów wielu organizmów, w tym człowieka, i dzięki temu znamy maksymalną ilość informacji, jaka jest potrzebna do wytworzenia tak złożonego organizmu jak my sami. Ograniczenia dotyczące informacji dziedzicznej potrzebnej do życia ograniczają biochemiczne i strukturalne cechy komórek i dają do zrozumienia, że biologia nie jest nieskończenie złożona.

W tym rozdziale wyjaśniamy, jak komórki dekodują i wykorzystują informacje zawarte w ich genomach. Zobaczymy, że wiele już się dowiedzieliśmy o tym, jak instrukcje genetyczne zapisane w alfabecie składającym się z zaledwie czterech „liter” – czterech różnych nukleotydów w DNA – kierują powstawaniem bakterii, muszki owocowej czy człowieka. Niemniej jednak wciąż mamy wiele do odkrycia na temat tego, w jaki sposób informacja przechowywana w genomie organizmu powoduje powstanie nawet najprostszej bakterii jednokomórkowej z 500 genami, nie mówiąc już o tym, w jaki sposób kieruje ona rozwojem człowieka z około 30 000 genów. Pozostaje ogromna niewiedza; wiele fascynujących wyzwań czeka zatem na następne pokolenie biologów komórki.

Problemy, jakie napotykają komórki w dekodowaniu genomów, można docenić, rozważając niewielki fragment genomu muszki owocowej Drosophila melanogaster (rysunek 6-1). Duża część informacji zakodowanej w DNA, obecnej w tym i innych genomach, służy do określenia liniowej kolejności – sekwencji aminokwasów dla każdego białka wytwarzanego przez organizm. Jak opisano w rozdziale 3, sekwencja aminokwasów z kolei dyktuje, w jaki sposób każde białko składa się, dając cząsteczkę o charakterystycznym kształcie i chemii. Kiedy komórka wytwarza określone białko, odpowiedni region genomu musi zostać dokładnie zdekodowany. Dodatkowe informacje zakodowane w DNA genomu określają dokładnie, kiedy w życiu organizmu i w jakich typach komórek każdy gen ma ulec ekspresji do białka. Ponieważ białka są głównymi składnikami komórek, dekodowanie genomu określa nie tylko rozmiar, kształt, właściwości biochemiczne i zachowanie komórek, ale także charakterystyczne cechy każdego gatunku na Ziemi.

Rysunek 6-1

Schematyczne przedstawienie fragmentu chromosomu 2 z genomu muszki owocowej Drosophila melanogaster. . Rysunek ten reprezentuje około 3% całego genomu Drosophila, ułożonego jako sześć sąsiadujących segmentów. Jak podsumowano w kluczu, symboliczne (więcej…)

Można by przewidzieć, że informacje obecne w genomach będą ułożone w uporządkowany sposób, przypominający słownik lub książkę telefoniczną. Chociaż genomy niektórych bakterii wydają się dość dobrze zorganizowane, genomy większości organizmów wielokomórkowych, takich jak nasz przykład Drosophila, są zaskakująco nieuporządkowane. Małe fragmenty kodującego DNA (czyli DNA, które koduje białka) przeplatają się z dużymi blokami pozornie bezsensownego DNA. Niektóre fragmenty genomu zawierają wiele genów, a inne są całkowicie pozbawione genów. Białka, które ściśle współpracują ze sobą w komórce, często mają swoje geny zlokalizowane na różnych chromosomach, a sąsiednie geny zazwyczaj kodują białka, które mają niewiele wspólnego ze sobą w komórce. Odkodowanie genomów nie jest więc sprawą prostą. Nawet przy pomocy potężnych komputerów naukowcom wciąż trudno jest ostatecznie zlokalizować początek i koniec genów w sekwencjach DNA złożonych genomów, a tym bardziej przewidzieć, kiedy każdy z genów ulegnie ekspresji w życiu organizmu. Chociaż sekwencja DNA ludzkiego genomu jest znana, prawdopodobnie minie co najmniej dekada, zanim ludzie zidentyfikują każdy gen i określą dokładną sekwencję aminokwasową produkowanego przez niego białka. Jednak komórki w naszym ciele robią to tysiące razy na sekundę.

DNA w genomach nie kieruje syntezą białek sam, ale zamiast tego używa RNA jako cząsteczki pośredniczącej. Kiedy komórka potrzebuje konkretnego białka, sekwencja nukleotydów odpowiedniej części niezmiernie długiej cząsteczki DNA w chromosomie jest najpierw kopiowana do RNA (proces zwany transkrypcją). To właśnie te kopie RNA segmentów DNA są wykorzystywane bezpośrednio jako szablony do kierowania syntezą białka (proces zwany translacją). Przepływ informacji genetycznej w komórkach odbywa się zatem od DNA do RNA i do białka (Rysunek 6-2). Wszystkie komórki, od bakterii po człowieka, wyrażają swoją informację genetyczną w ten sposób – jest to zasada tak fundamentalna, że określa się ją mianem centralnego dogmatu biologii molekularnej.

Rysunek 6-2

Ścieżka od DNA do białka. Przepływ informacji genetycznej z DNA do RNA (transkrypcja) i z RNA do białka (translacja) zachodzi we wszystkich żywych komórkach.

Pomimo uniwersalności centralnego dogmatu, istnieją istotne różnice w sposobie przepływu informacji z DNA do białka. Główną z nich jest to, że transkrypty RNA w komórkach eukariotycznych podlegają serii etapów przetwarzania w jądrze, w tym splicing RNA, zanim zostaną one dopuszczone do wyjścia z jądra i być przetłumaczone na białko. Te etapy przetwarzania mogą krytycznie zmienić „znaczenie” cząsteczki RNA i dlatego są kluczowe dla zrozumienia, jak komórki eukariotyczne odczytują genom. Wreszcie, chociaż w tym rozdziale koncentrujemy się na produkcji białek kodowanych przez genom, widzimy, że dla niektórych genów RNA jest produktem końcowym. Podobnie jak białka, wiele z tych RNA składa się w precyzyjne struktury trójwymiarowe, które pełnią funkcje strukturalne i katalityczne w komórce.

Zaczynamy ten rozdział od pierwszego kroku w dekodowaniu genomu: procesu transkrypcji, w którym cząsteczka RNA jest wytwarzana z DNA genu. Następnie śledzimy losy tej cząsteczki RNA w komórce, kończąc w momencie uformowania prawidłowo złożonej cząsteczki białka. Na końcu rozdziału rozważamy, jak obecny, dość złożony schemat przechowywania informacji, transkrypcji i translacji mógł powstać z prostszych systemów na najwcześniejszych etapach ewolucji komórkowej.