Atunci când a fost descoperită structura ADN-ului, la începutul anilor 1950, a devenit clar modul în care informația ereditară din celule este codificată în secvența de nucleotide a ADN-ului. Progresele înregistrate de atunci au fost uluitoare. Cincizeci de ani mai târziu, dispunem de secvențe complete ale genomului pentru multe organisme, inclusiv pentru oameni, și, prin urmare, cunoaștem cantitatea maximă de informații care este necesară pentru a produce un organism complex precum noi înșine. Limitele informației ereditare necesare pentru viață constrâng caracteristicile biochimice și structurale ale celulelor și arată clar că biologia nu este infinit de complexă.

În acest capitol, explicăm modul în care celulele decodifică și utilizează informația din genomul lor. Vom vedea că s-au învățat multe despre modul în care instrucțiunile genetice scrise într-un alfabet de doar patru „litere” – cele patru nucleotide diferite din ADN – dirijează formarea unei bacterii, a unui licurici sau a unui om. Cu toate acestea, mai avem încă multe de descoperit despre modul în care informațiile stocate în genomul unui organism produc chiar și cea mai simplă bacterie unicelulară cu 500 de gene, ca să nu mai vorbim de modul în care dirijează dezvoltarea unui om cu aproximativ 30.000 de gene. Rămâne o cantitate enormă de ignoranță; prin urmare, multe provocări fascinante așteaptă următoarea generație de biologi celulari.

Problemele cu care se confruntă celulele în decodarea genomurilor pot fi apreciate prin luarea în considerare a unei mici porțiuni din genomul muștei de fructe Drosophila melanogaster (figura 6-1). O mare parte din informațiile codificate în ADN prezente în acest genom și în alte genomuri sunt folosite pentru a specifica ordinea liniară – secvența – a aminoacizilor pentru fiecare proteină pe care o produce organismul. După cum este descris în capitolul 3, secvența de aminoacizi dictează, la rândul său, modul în care fiecare proteină se pliază pentru a da o moleculă cu o formă și o chimie distincte. Prin urmare, atunci când o anumită proteină este produsă de celulă, regiunea corespunzătoare a genomului trebuie să fie decodificată cu precizie. Informațiile suplimentare codificate în ADN-ul genomului specifică exact când, în viața unui organism și în ce tipuri de celule, fiecare genă trebuie să fie exprimată în proteine. Deoarece proteinele sunt principalii constituenți ai celulelor, decodificarea genomului determină nu numai dimensiunea, forma, proprietățile biochimice și comportamentul celulelor, ci și trăsăturile distinctive ale fiecărei specii de pe Pământ.

Figura 6-1

Reprezentare schematică a unei porțiuni din cromozomul 2 din genomul muștelei de fructe Drosophila melanogaster. . Această figură reprezintă aproximativ 3% din genomul total al Drosophilei, dispus sub forma a șase segmente contigue. Așa cum este rezumat în cheie, simbolicul (continuare…)

S-ar fi putut prezice că informația prezentă în genomuri ar fi aranjată în mod ordonat, asemănător cu un dicționar sau cu un director de telefon. Deși genomurile unor bacterii par destul de bine organizate, genomurile celor mai multe organisme multicelulare, cum ar fi exemplul nostru Drosophila, sunt surprinzător de dezordonate. Bucăți mici de ADN codificator (adică ADN care codifică pentru proteine) sunt intercalate cu blocuri mari de ADN aparent fără sens. Unele secțiuni ale genomului conțin multe gene, iar în altele lipsesc cu desăvârșire genele. Proteinele care lucrează îndeaproape unele cu altele în celulă au adesea genele lor localizate pe cromozomi diferiți, iar genele adiacente codifică în mod obișnuit proteine care au prea puțin de-a face unele cu altele în celulă. Decodificarea genomurilor nu este, prin urmare, o chestiune simplă. Chiar și cu ajutorul unor computere puternice, cercetătorilor le este încă dificil să localizeze definitiv începutul și sfârșitul genelor în secvențele de ADN ale unor genomuri complexe, și cu atât mai puțin să prezică momentul în care fiecare genă este exprimată în viața organismului. Deși secvența de ADN a genomului uman este cunoscută, va fi probabil nevoie de cel puțin un deceniu pentru ca oamenii să identifice fiecare genă și să determine secvența exactă de aminoacizi a proteinei pe care o produce. Cu toate acestea, celulele din corpul nostru fac acest lucru de mii de ori pe secundă.

ADN-ul din genomuri nu dirijează el însuși sinteza proteinelor, ci folosește ARN-ul ca moleculă intermediară. Atunci când celula are nevoie de o anumită proteină, secvența de nucleotide din porțiunea corespunzătoare a moleculei imens de lungi de ADN dintr-un cromozom este mai întâi copiată în ARN (un proces numit transcripție). Aceste copii ARN ale segmentelor de ADN sunt folosite direct ca șabloane pentru a dirija sinteza proteinei (un proces numit traducere). Fluxul informației genetice în celule este, prin urmare, de la ADN la ARN și apoi la proteină (figura 6-2). Toate celulele, de la bacterii la oameni, își exprimă informația genetică în acest mod – un principiu atât de fundamental încât este denumit dogma centrală a biologiei moleculare.

Figura 6-2

Calea de la ADN la proteină. Fluxul de informație genetică de la ADN la ARN (transcriere) și de la ARN la proteină (traducere) are loc în toate celulele vii.

În ciuda universalității dogmei centrale, există variații importante în modul în care informația trece de la ADN la proteină. Principala dintre acestea este faptul că transcriptele de ARN din celulele eucariote sunt supuse unei serii de etape de procesare în nucleu, inclusiv splicingul ARN, înainte de a li se permite să iasă din nucleu și să fie traduse în proteine. Aceste etape de procesare pot schimba în mod critic „sensul” unei molecule de ARN și, prin urmare, sunt esențiale pentru înțelegerea modului în care celulele eucariote citesc genomul. În cele din urmă, deși în acest capitol ne concentrăm asupra producerii proteinelor codificate de genom, observăm că, pentru unele gene, ARN-ul este produsul final. Ca și proteinele, multe dintre aceste ARN-uri se pliază în structuri tridimensionale precise care au roluri structurale și catalitice în celulă.

Începem acest capitol cu primul pas în decodificarea unui genom: procesul de transcripție prin care o moleculă de ARN este produsă din ADN-ul unei gene. Urmărim apoi soarta acestei molecule de ARN prin celulă, terminând atunci când s-a format o moleculă proteică pliată corect. La sfârșitul capitolului, luăm în considerare modul în care schema actuală, destul de complexă, de stocare a informației, transcripție și traducere ar fi putut apărea din sisteme mai simple în primele etape ale evoluției celulare.

.