ข้อมูล

10.3: The Central Dogma - ชีววิทยา

10.3: The Central Dogma - ชีววิทยา


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

ผลการเรียนรู้

ระบุหลักธรรมแห่งชีวิต

ดังที่คุณได้เรียนรู้ การไหลของข้อมูลในสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นจาก DNA ไปยัง RNA ไปยังโปรตีน:

  • DNA ถูกคัดลอกไปยัง RNA ผ่านกฎการจับคู่เบสเสริม (แต่มี U แทนที่จะเป็น T ในการถอดเสียง)
  • ทรานสคริปต์ RNA โดยเฉพาะ mRNA จะถูกแปลเป็นกรดอะมิโนโพลีเปปไทด์
  • การพับและการดัดแปลงครั้งสุดท้ายของโพลีเปปไทด์นำไปสู่โปรตีนที่ทำหน้าที่ซึ่งทำหน้าที่ในเซลล์จริงๆ

สิ่งนี้เรียกว่า หลักคำสอนแห่งชีวิตซึ่งถือเป็นจริงสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

รูปที่ 1 คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่ คำแนะนำเกี่ยวกับ DNA จะถูกคัดลอกไปยัง RNA ของผู้ส่งสาร ไรโบโซมสามารถอ่านข้อมูลทางพันธุกรรมที่จารึกไว้บนสาย RNA ของผู้ส่งสาร และใช้ข้อมูลนี้ในการรวมกรดอะมิโนเข้าด้วยกันเป็นโปรตีน

ลิงก์ไปยังองค์ประกอบแบบโต้ตอบสามารถพบได้ที่ด้านล่างของหน้านี้

คลิกที่นี่เพื่อดูกิจกรรมในรูปแบบข้อความเท่านั้น


หลักคำสอน

หลักคำสอนนี้เสนอโดยฟรานซิส คริกในช่วงปลายทศวรรษ 1950 ทฤษฎีที่บุกเบิกนี้ชี้ให้เห็นว่าข้อมูลทางพันธุกรรมส่วนใหญ่ไหลจากกรดนิวคลีอิกในรูปของ DNA และ RNA ไปยังโปรตีนที่ใช้งานได้ในระหว่างกระบวนการแสดงออกของยีน สิ่งที่ทำให้หลักคำสอนที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ๆ คือระดับความถูกต้องในช่วงเวลาที่การวิจัยจีโนมเพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น หลักคำสอนหลักของพันธุศาสตร์ไม่ได้อธิบายกลไกของการสังเคราะห์โปรตีน แต่บอกเราว่าการแสดงออกของยีนเป็นไปตามรูปแบบที่คาดการณ์ได้ใกล้เคียง


Beyond the Central Dogma : การนำ Epigenetics มาสู่ห้องเรียน

Dina Drits-Esser, Molly Malone, Nicola C. Barber, Louisa A. Stark Beyond the Central Dogma: การนำ Epigenetics มาสู่ห้องเรียน ครูชีววิทยาอเมริกัน 1 สิงหาคม 2014 76 (6): 365–369. ดอย: https://doi.org/10.1525/abt.2014.76.6.3

Epigenetics คือการศึกษาว่าปัจจัยภายนอกและสัญญาณภายในเซลล์สามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการบรรจุและการประมวลผลของลำดับ DNA ได้อย่างไร ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนและลักษณะ การสำรวจอีพีจีโนมแนะนำให้นักเรียนรู้จักอิทธิพลของยีนและความซับซ้อนของการแสดงออกของยีนในสิ่งแวดล้อม โมดูลหลักสูตรเสริมที่พัฒนาขึ้นโดย Genetic Science Learning Center (GSLC) ที่มหาวิทยาลัย Utah นำอีพีเจเนติกส์มาสู่ห้องเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลายและระดับปริญญาตรีผ่านกิจกรรมออนไลน์และกิจกรรมต่างๆ เราอธิบายกิจกรรมเหล่านี้และจัดเตรียมกลยุทธ์สำหรับการรวมวัสดุทั้งเบื้องต้นและขั้นสูงที่สำรวจ "หน่วยความจำของเซลล์" การสืบทอด epigenetic โภชนาการ และความเชื่อมโยงที่เกิดขึ้นใหม่ระหว่างอีพิจีโนมและพฤติกรรม สุดท้ายนี้ เราสรุปการเข้าถึงล่าสุดเกี่ยวกับผลการเรียนรู้ของนักเรียนโดยใช้โมดูล epigenetics ของ GSLC และให้การเชื่อมต่อกับมาตรฐานวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไป

DNA ในแต่ละเซลล์ที่มีนิวเคลียสของเรานั้นเหมือนกันเว้นแต่จะมีการกลายพันธุ์ อย่างไรก็ตาม ปัจจัยภายนอกและสัญญาณภายในเซลล์สามารถมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงในบรรจุภัณฑ์และการประมวลผลของลำดับ DNA ที่เหมือนกันเหล่านี้ ซึ่งส่งผลให้การแสดงออกของยีนและลักษณะเปลี่ยนไป Epigenetics คือการศึกษาการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้และวิธีที่พวกเขาสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของยีนโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในลำดับดีเอ็นเอนิวคลีโอไทด์ (รากภาษากรีก epi หมายถึง "เหนือ" หรือ "เหนือ")

ในยูคาริโอต การดัดแปลงอีพีเจเนติกสองประเภทคือ การดัดแปลงดีเอ็นเอเมทิลเลชันและการดัดแปลงฮิสโตน ส่งผลต่อการที่ยีนถูก "เปิด" หรือ "ปิด" การกระตุ้นยีน - และด้วยเหตุนี้ การถอดรหัส - ถูกบล็อกเมื่อ DNA methyltransferases จับโมเลกุลเมทิลกับ DNA ที่ไซต์ที่ cytosine และ guanine เชื่อมโยงกันด้วยฟอสเฟต เมทิลเลชั่น CpG ปกติจะปิดเสียงยีนบางตัวระหว่างการสร้างไข่และสเปิร์ม แท็กเหล่านี้ส่วนใหญ่จะถูกรีเซ็ตหลังจากการปฏิสนธิ แต่ยีนที่พิมพ์ออกมาจะเก็บแท็ก epigenetic ไว้เพื่อให้ยีนทำงานได้เพียงสำเนาเดียว ตราประทับนี้จำเป็นสำหรับการพัฒนาตามปกติ ข้อผิดพลาดในการพิมพ์อาจส่งผลให้เกิดโรคต่างๆ เช่น กลุ่มอาการ Prader-Willi และ Angelman

ยีนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประมาณ 40% มีส่วนในบริเวณโปรโมเตอร์ที่เรียกว่า "เกาะ CpG" โดยที่ >55% ของคู่เบสเป็น CG ระดับเมทิลเลชันในเกาะเหล่านี้โดยปกติจะต่ำมาก แต่เซลล์มะเร็งของมนุษย์มีระดับเมทิลเลชันที่สูงกว่าและผิดปกติ อย่างไรก็ตาม กลไกที่การเปลี่ยนแปลงนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของเซลล์จากปกติเป็นมะเร็งนั้นไม่ชัดเจน DNA methylation อาจมีบทบาทที่แตกต่างกันในมะเร็งประเภทต่างๆ

นิวคลีโอโซมรอบๆ ที่ห่อหุ้มดีเอ็นเอนั้นประกอบด้วยโปรตีนฮิสโตนแปดตัวที่มีหางไลซีนยื่นออกมา คอมเพล็กซ์ DNA-nucleosome นี้เรียกว่า "โครมาติน" ฮิสโตนสามารถแก้ไขได้หลายวิธี การเติมโมเลกุลอะเซทิลเข้าไปในหางไลซีนทำให้นิวคลีโอโซมเคลื่อนออกจากกันมากขึ้น ทำให้ดีเอ็นเอคลายตัวและทำให้เข้าถึงการถอดรหัสได้ DNA ที่ทำงานอยู่นี้ถูกทำเครื่องหมายด้วยเมทิลเลชันของไลซีนจำเพาะ (K4) บนฮิสโตนเฉพาะ (H3) เมื่อโมเลกุลของอะเซทิลไม่ติดกับฮิสโตน ดีเอ็นเอจะถูกพันรอบอย่างแน่นหนาและไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการแปล DNA ที่ไม่ใช้งานถูกทำเครื่องหมายโดย methylation ของไลซีน (K9) อื่นบนฮิสโตน H3 โครโมโซม X ที่ไม่ทำงานในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเพศเมียมีการดัดแปลงอีพีเจเนติกประเภทนี้ เป็นผลให้ทั้งตัวผู้และตัวเมียมีผลิตภัณฑ์ยีน X-chromosome ในปริมาณเท่ากัน

การสำรวจอีพีเจเนติกส์ช่วยให้นักศึกษามีตัวอย่างที่จับต้องได้ของอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมที่มีต่อยีน ดังนั้นจึงสามารถช่วยให้พวกเขามองเห็นปัจจัยที่ควบคุมการแสดงออกของยีน ศูนย์การเรียนรู้ทางพันธุศาสตร์ (GSLC) ที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ได้พัฒนาโมดูลหลักสูตรเสริมฟรีที่แนะนำ epigenetics ให้กับนักเรียนระดับมัธยมศึกษาตอนปลายและระดับปริญญาตรี มีให้ที่เว็บไซต์ Learn.Genetics (http://learn.genetics.utah.edu) คอลเลกชันของกิจกรรมออนไลน์แบบโต้ตอบและแบบกระดาษนี้จะให้ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับอีพีจีโนมและวิธีที่มันสั่งดีเอ็นเอ เนื่องจากวัสดุได้รับการออกแบบสำหรับระดับเบื้องต้น วัสดุเหล่านี้จึงมุ่งเน้นไปที่การปรับเปลี่ยนอีพีเจเนติกสองแบบ ซึ่งอธิบายบทบาทได้อย่างชัดเจน ได้แก่ DNA methylation และ histone acetylation นอกจากนี้ เพื่อลดภาระคำศัพท์และความสับสนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างคำว่า "นิวคลีโอโซม" และ "นิวเคลียส" วัสดุดังกล่าวจะทำให้นิวคลีโอโซมเป็นโปรตีนฮิสโตนได้ง่ายขึ้น โมดูลนี้ยังกล่าวถึงความเข้าใจที่เกิดขึ้นใหม่ของเราเกี่ยวกับความเชื่อมโยงระหว่างอีพิจีโนม สิ่งแวดล้อม และพฤติกรรมตลอดจนการค้นพบเกี่ยวกับการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของอีพีเจเนติก สื่อสนับสนุนสำหรับนักการศึกษา ได้แก่ วัตถุประสงค์การเรียนรู้และคำถามการประเมินตัวอย่างสำหรับแต่ละกิจกรรม คำแนะนำจากครูที่มีส่วนร่วมในการพัฒนาโมดูลเกี่ยวกับวิธีการผูกอีพีเจเนติกส์กับหลักสูตรที่มีอยู่ และการบรรยายวิดีโอโดยนักวิจัยด้านอีพีเจเนติกส์ในระหว่างกระบวนการพัฒนาโมดูล โมดูล epigenetics ได้รับการทดสอบภาคสนามในห้องเรียนของโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย ผลการวิจัยพบว่า นักเรียนที่ใช้หน่วย GSLC มีความรู้ความสามารถสูงกว่ากลุ่มควบคุมอย่างมีนัยสำคัญ

กิจกรรมของโมดูลสามารถใช้เป็นรายบุคคลเพื่อเสริมหน่วยพันธุกรรมของคุณหรือร่วมกันเป็น "หน่วยมินิ" ของ epigenetics เพื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ epigenome ในที่นี้ เราให้ภาพรวมโดยย่อของแต่ละกิจกรรม ซึ่งจัดอยู่ในกรอบที่แนะนำสำหรับวิธีการจัดกลุ่มกิจกรรมเข้าด้วยกันเพื่อให้มีการสำรวจขั้นพื้นฐานและขั้นสูงของอีพีเจเนติกส์ (ตารางที่ 1) นอกจากนี้ เราอธิบายการจัดตำแหน่งของโมดูลไปที่ NSกรอบงานสำหรับการศึกษาวิทยาศาสตร์ระดับ K–12: แนวปฏิบัติ แนวความคิดข้าม และแนวคิดหลัก (สภาวิจัยแห่งชาติ [สนช.], 2554) และ มาตรฐานวิทยาศาสตร์ยุคหน้า (NGSS) (NGSS Lead States, 2013) พร้อมกับผลการวิจัยเกี่ยวกับการนำโมดูลไปใช้ของครูและการเรียนรู้ของนักเรียน

กิจกรรมโมดูล Epigenetics เพื่อใช้ในการกล่าวถึงหัวข้อเฉพาะ ลำดับกิจกรรมที่แนะนำ และการเชื่อมโยงกับแนวคิดทางพันธุกรรมอื่นๆ


ผลลัพธ์

ยีนที่รวมการถอดเสียงสูงและการแปลต่ำหมดลง

เราประมาณการถอดเสียงเป็นคำ βNS และการแปล βNS อัตรา เช่นเดียวกับ mRNA และอัตราการสลายตัวของโปรตีน สำหรับยีนหลายพันตัวจากการทดลอง mRNAseq และไรโบโซมโปรไฟล์ (RP) ก่อนหน้านี้ใน S. cerevisiae 29 , M. กล้ามเนื้อ, เอช เซเปียนส์ 30 , และ อี. โคไล 3 (วิธีการ). ข้อมูลทั้งหมดถูกเก็บรวบรวมภายใต้สภาวะที่มีการเติบโตอย่างรวดเร็ว

จากการศึกษาก่อนหน้านี้ 3,26,32,33 เราพบว่าอัตราการถอดความและการแปลในเซลล์ที่เติบโตอย่างรวดเร็วแตกต่างกันไปมากจากยีนหนึ่งไปอีกยีนมากกว่า mRNA และอัตราการสลายตัวของโปรตีน อัตราการถอดเสียงและการแปลแตกต่างกันไปในช่วง 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับช่วง 10 เท่าสำหรับอัตราการสลายตัวของ mRNA และโปรตีน (รูปที่ 1a–d เสริม) การพิจารณา mRNA เฉพาะยีนและอัตราการสลายตัวของโปรตีนนั้นมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อตำแหน่งของยีนในพื้นที่ 2D Crick (รูปที่ 1e–g เสริม วิธีการ) ดังนั้นเราจึงทำให้การสนทนาของเราง่ายขึ้นโดยพิจารณาพื้นที่ 2D Crick ซึ่งเกิดจากการถอดความและอัตราการแปล

การลดพื้นที่ Crick 4 มิติเป็นสองมิติละเลยแง่มุมของชีววิทยาของเซลล์ เช่น พลวัตของการควบคุมยีนเพื่อตอบสนองต่อการรบกวนสิ่งแวดล้อม 34,35 แต่ช่วยให้เราสามารถมุ่งเน้นไปที่อัตราที่ผันแปรได้มากที่สุดในการกำหนดปริมาณโปรตีนในสภาวะคงตัวใน เซลล์ที่กำลังเติบโต การถอดความและการแปล และถามว่ากฎเกณฑ์ใดที่อาจรองรับเซลล์เหล่านี้ นอกจากนี้ การลดขนาดเป็นสองมิติจะทำให้ได้ภาพที่สมบูรณ์มากขึ้นของพื้นที่คริก (mRNA และอัตราการสลายตัวของโปรตีนโดยปกติวัดได้ 20–50% ของยีน) และหลีกเลี่ยงความกังวลว่าจะมีการวัดอัตราการสลายตัวในการศึกษาแยกกัน ซึ่งแตกต่างจากการสังเคราะห์ อัตราสำหรับ S. cerevisiae, อี. โคไล, และ เอช เซเปียนส์ (วิธีการ).

การพล็อตอัตราการถอดรหัสและการแปลของยีนในสิ่งมีชีวิตจำลองสี่ตัว เราสังเกตขอบเขตทั่วไปในพื้นที่คริก (รูปที่ 2) อย่างแรก การแปลสูงสุดคือ 10 3.6 –10 4 โปรตีนต่อ mRNA ต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นขอบเขตที่สามารถอธิบายได้จากความเร็วการเคลื่อนย้ายไรโบโซม (วิธีการ) ประการที่สอง เราสังเกตขอบเขตล่างของอัตราการถอดความและผลคูณของการถอดความและการแปล ขอบเขตเหล่านี้เกิดจากข้อจำกัดทางเทคนิคของการทดสอบ (รูปที่ 2a เพิ่มเติม)

ยีนที่รวมการถอดความสูงและการแปลต่ำนั้นหมดไปจากพื้นที่ Crick ทั่วสิ่งมีชีวิต NSNS มีพื้นที่หมดลงในพื้นที่ Crick ของสิ่งมีชีวิตจำลองสี่ตัว อัตราการถอดเสียงและการแปลประเมินจากข้อมูลการทำโปรไฟล์ไรโบโซมและการจัดลำดับ mRNA เปอร์เซ็นต์ไทล์บนสุดของอัตราการแปล (left( <eta _p^<< m>>> ight)) แสดงเป็นเส้นประแนวนอน ขอบเขตที่สังเกตได้ของบริเวณพร่อง (เส้นประแนวทแยง) มีความชัน 1 และเป็นเช่นนั้น 99% ของยีนมีอัตราส่วนการแปล/การถอดความที่ใหญ่กว่า การยกเว้นยีน 1% ในลักษณะนี้จะทำให้เส้นขอบมีความอ่อนไหวน้อยลงต่อข้อผิดพลาดในการวัดและยีนผิดปกติ ซึ่งบางส่วนจะถูกเน้น ขอบเขตที่คาดการณ์ไว้ของบริเวณที่หมดเขต (เส้นสีแดง) เป็นไปตามทฤษฎีที่แนะนำในบทความนี้ ข้อจำกัดทางเทคนิคอธิบายการไม่มียีนที่อัตราการถอดรหัสและการแปลต่ำ (ภูมิภาคที่ทำเครื่องหมายว่า "ไม่ได้สุ่มตัวอย่าง") S. cerevisiae ข้อมูล (NS) จาก Weinberg และคณะ 29 . M. กล้ามเนื้อ (NS) และ เอช เซเปียนส์ () ข้อมูลจาก Eichhorn et al. 30 . อี. โคไล ข้อมูล (NS) จาก Li et al. 3 . อี อัตราการถอดความและการแปล3744 อี. โคไล ยีน (จุดสีเทา) และโครงสร้างสังเคราะห์ 7624 รายการ (จุดสีแดง) ของ Kosuri et al 38 . ความสัมพันธ์เชิงลบที่เห็นได้ชัดระหว่างการถอดรหัสและอัตราการแปลในชุดข้อมูลนี้เกิดจากข้อจำกัดในช่วงเชิงเส้นของการวัดโฟลว์ไซโตเมทรี ซึ่งนำไปสู่การเซ็นเซอร์ของโปรตีนที่มีความอุดมสมบูรณ์ต่ำและสูง 38 NS รูปคำอธิบายสรุปความหมายของบรรทัดต่าง ๆ บน NSอี. ดูเพิ่มเติมรูปที่ 2

โดยไม่คาดคิด และที่สำคัญที่สุดสำหรับการศึกษาในปัจจุบัน มีการขาดยีนที่รวมการถอดความสูงกับการแปลต่ำ (บริเวณสีน้ำเงินในรูปที่ 2) เราเรียกบริเวณนี้ว่าพื้นที่พร่องของพื้นที่คริก บริเวณที่หมดไปนี้ประกอบขึ้นเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของพื้นที่ Crick และล้อมรอบด้วยเส้นอัตราส่วนคงที่ระหว่างการถอดความ βNS และการแปล βNS, กล่าวคือ βNS/βNS = k, กับ k = 1.1 ± 0.1, 14 ± 3, 44 ± 3 และ 66 ± 4 นิ้ว S. cerevisiae, อี. โคไล, M. กล้ามเนื้อ, และ เอช เซเปียนส์ตามลำดับ (± หมายถึงข้อผิดพลาดมาตรฐาน ตารางที่ 1) ในแกนลอการิทึม ขอบเขตของพื้นที่พร่องลงมีความชัน 1 และล็อกการสกัดกั้น (k). เพราะฉะนั้น, k กำหนดขอบเขตของพื้นที่พร่อง

ใน อี. โคไล, ขอบเขตของพื้นที่พร่องมีโครงสร้างเพิ่มเติม. ออกจากการกระจายยีนหลักคือชุดยีน 59 ยีนที่มีอัตราการถอดรหัสและการแปลที่สูงมาก (βNS > 80 ชม. -1 และ βNS > 1000 mRNA −1 h −1 ระบุด้วยลูกศรในรูปที่ 2d) ประมาณ 90% ของยีนเหล่านี้เป็นโปรตีนไรโบโซม ส่วนที่เหลือเป็นโปรตีนที่มีความอุดมสมบูรณ์สูง เช่น เอนไซม์ไกลโคไลซิส ช่องว่างA (NS อี. โคไล เทียบเท่ากับ Gapdh), ยูนิตย่อย ATP synthase c และโปรตีนจากเยื่อหุ้มชั้นนอก (OMPs) ยีนส่วนใหญ่ในชุดนี้มีความสำคัญต่อความมีชีวิตของเซลล์ ดังที่ระบุโดยการทดลองที่น่าพิศวง (รูปที่ 2b เพิ่มเติม) ถ้าคนใดคนหนึ่งเอายีนที่จำเป็นออกจากข้อมูล ขอบเขตของบริเวณที่หมดลงจะเลื่อนขึ้นและเข้ากับยีนที่เหลืออย่างแน่นหนาด้วยการสกัดกั้นที่สูงกว่า k = 44 ± 9 การสกัดกั้นที่สูงขึ้นสำหรับยีนที่ไม่จำเป็นนี้คาดการณ์โดยทฤษฎีที่แนะนำด้านล่าง (รูปที่ 2b เสริม วิธีการ)

นอกจากนี้ยังพบขอบเขตที่หมดลงเมื่อเราประมาณการถอดความและการแปลจากชุดข้อมูลโปรตีโอมิกและ mRNAseq สองชุดใน เอช เซเปียนส์ และ M. กล้ามเนื้อ (รูปที่ 2c, d) เสริม สุดท้าย เราสังเกตบริเวณที่หมดไปเมื่อวางแผนอัตรา Burst ของการถอดรหัสเทียบกับขนาด Burst การแปล 36,37 ที่อนุมานจากการวัดปริมาณโปรตีนในเซลล์เดียว 17 (รูปที่ 2e เพิ่มเติม)

เราประเมินนัยสำคัญทางสถิติของบริเวณที่หมดไปโดยสับเปลี่ยนอัตราการถอดความและการแปลในขณะที่รักษาการกระจายของความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนและอัตราการแปล (รูปที่ 2f–h) เราพบว่าไม่มีชุดข้อมูลที่สับเปลี่ยน 10 4 ชุดใดที่แสดงบริเวณที่หมดลงที่เปรียบเทียบได้ในพื้นที่ Crick (จำนวนยีนที่เท่ากันหรือน้อยกว่าด้วย βNS/βNS < k, NS < 10 −4 ).

ยีนสามารถบรรลุการถอดความและการแปลในระดับต่ำอย่างกลไกได้

คำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับพื้นที่ที่หมดไปคือข้อจำกัดทางชีวเคมี (อาจยังไม่ทราบ) ป้องกันการถอดความในระดับสูงรวมกับการแปลที่ต่ำ เพื่อทดสอบความเป็นไปได้นี้ เราได้วิเคราะห์การวัดอีกครั้งโดย Kosuri et al 38 กับยีนสังเคราะห์ที่ให้อัตราการถอดรหัสและการแปลที่หลากหลาย ในการศึกษานั้น GFP แสดงใน อี. โคไล ภายใต้การควบคุมของ 114 โปรโมเตอร์และ 111 Ribosomal Binding Sites (RBSs) ที่มีจุดแข็งต่างกัน ความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของ GFP mRNA และโปรตีนถูกหาปริมาณโดย mRNAseq และโฟลว์ไซโตเมทรี

อัตราการถอดความและการแปลของโครงสร้างสังเคราะห์ส่วนใหญ่ทับซ้อนกับของ อี. โคไล ยีน (รูปที่ 2e, รูปที่ 2i เพิ่มเติม) อย่างไรก็ตามในทางตรงกันข้ามกับ อี. โคไล ยีน โครงสร้างสังเคราะห์ส่วนใหญ่มีการผสมผสานของการถอดความและอัตราการแปลที่ต่ำ 25% ของยีนสังเคราะห์ตกอยู่ในบริเวณที่หมดสิ้นซึ่งมองเห็นได้จากภายนอก อี. โคไล ยีน ใน S. cerevisiae เช่นกัน 32% ของโปรโมเตอร์สังเคราะห์จากห้องสมุดของชารอนและคณะ 39 ตกในพื้นที่พร่อง (รูปที่ 2j)

การสังเกตนี้สนับสนุนข้อสรุปที่ว่าชีวเคมีของการแสดงออกของยีนสามารถบรรลุการถอดรหัสสูงและการแปลในระดับต่ำในหลักการ เพื่อสนับสนุนข้อโต้แย้งนี้ มีตัวอย่างของยีนดังกล่าวในบริเวณที่หมดสิ้นของสิ่งมีชีวิตทั้งสี่ ซึ่งรวมถึงปัจจัยการเจริญเติบโตของไรโบโซม rimM ใน อี. โคไล, ตัวควบคุมการตอบสนองของกรดอะมิโน GCN4 ใน S. cerevisiaeและโปรตีน homeostasis ของเหล็ก Fth1 ใน M. กล้ามเนื้อ และ เอช เซเปียนส์ (รูปที่ 2a–d). ดังนั้น ผลลัพธ์ในบทความนี้เกี่ยวข้องกับ

99% ของยีน ที่เหลือ

1% ต้องการการวิเคราะห์เพิ่มเติม (ดูการสนทนาสำหรับผลที่แนะนำสำหรับยีนเหล่านี้)

ที่ความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนอย่างต่อเนื่อง การถอดรหัสที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มทั้งความแม่นยำและต้นทุนในการแสดงออกของยีน

เนื่องจากข้อจำกัดทางชีวเคมีดูเหมือนจะไม่สามารถอธิบายการขาดยีนที่รวมการถอดรหัสระดับสูงกับการแปลต่ำ เราจึงถามว่าการแลกเปลี่ยนเชิงวิวัฒนาการอาจอธิบายได้หรือไม่

เราอาจตั้งสมมติฐานว่าเซลล์หลีกเลี่ยงการรวมการถอดรหัสสูงกับการแปลต่ำ เพื่อลดค่าใช้จ่ายในการสังเคราะห์ mRNA ใน S. cerevisiae เติบโตในสื่อสมบูรณ์ ค่าฟิตเนสของ mRNA คือ NS

10 −9 ต่อนิวคลีโอไทด์ที่ถอดเสียง (วิธีการ) 21 . การสังเคราะห์ความยาว mRNA ที่ไม่เป็นประโยชน์ lNS นำไปสู่การลงโทษอัตราการเติบโต ΔNSNS ที่เป็นเส้นตรงที่มีอัตราการถอดความ 21 , ΔNSNS = NSlNSβNS. สำหรับ mRNA ทั่วไปของความยาว lNS = 1300 นิวคลีโอไทด์คัดลอกในอัตรา βNS = 30 mRNA ชั่วโมง -1 ค่าความเหมาะสมของการถอดความคือ NSβNSlNS ≃ 4 × 10 −5 ต่อชั่วโมง (รูปที่ 3a วิธี) ซึ่งเลือกได้ 18,21 . สามารถเลือกค่าใช้จ่ายของ mRNA ได้ใน อี. โคไล 20,22 .

การเพิ่มการถอดรหัสที่ปริมาณโปรตีนคงที่จะเพิ่มต้นทุนการถอดรหัสและลดความผันผวนแบบสุ่มในความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีน S. cerevisiae อัตราจาก Weinberg et al. 29 . เส้นประในแนวทแยงคือเส้นที่มีโปรตีนจำนวนมากคงที่ตั้งแต่ 10 ถึง 10 5 โปรตีนต่อเซลล์ NS เสียความฟิต NSβNSlNS เนื่องจากการถอดความ (เส้นสีดำ) เป็นเส้นตรงในอัตราการถอดความ βNS และความยาวของ mRNA lNS. ตัวประกอบเชิงเส้น NS (แนะนำในหัวข้อถัดไป) ปรับขนาดฟลักซ์การถอดรหัส [nt h −1 ] ใหม่เป็นการสูญเสียสมรรถภาพทางกาย [h -1 ] ใน S. cerevisiae, lNS = 1300 น. NS = 10 −9 nt -1 . NS ค่าสัมประสิทธิ์การแปรผัน (CV, เส้นสีดำ) พร้อมอัตราการถอดรหัส เราใช้ 2D Gaussian Smoothing กับ CV (วิธีการ) S. cerevisiae ข้อมูล: CVs จาก Newman et al. 17 การทำโปรไฟล์ไรโบโซมและข้อมูล mRNAseq จาก Weinberg et al. 29 . ความแม่นยำในการแสดงออกของยีนเพิ่มขึ้นด้วยการถอดรหัส ในขณะที่ปริมาณโปรตีนขึ้นอยู่กับทั้งการถอดรหัสและการแปล ดังนั้น ที่ความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนที่กำหนด การถอดรหัสที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มความแม่นยำของการแสดงออกของยีนด้วยค่าใช้จ่ายของการถอดรหัสที่สูงขึ้น ดูเพิ่มเติมรูปที่ 3

นอกจากค่าใช้จ่ายแล้ว อัตราการถอดรหัสที่สูงยังมีประโยชน์ในการลดเสียงรบกวน 13,14,15,16 อีกด้วย การเพิ่มอัตราการถอดรหัสในขณะที่คงความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนไว้จึงควรลดความผันผวนสุ่มในความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีน

เพื่อทดสอบว่าการคาดคะเนนี้มีจีโนมทั่วทั้งบริบทของโครโมโซมและโปรโมเตอร์ที่หลากหลายหรือไม่ เราใช้การวัดความผันแปรระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ในความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนใน S. cerevisiae 17 และ อี. โคไล 40 . การแปรผันระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ในความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนสามารถหาปริมาณได้โดยสัมประสิทธิ์การแปรผัน (CV) เรากำหนดโครงร่างของ CV เป็นฟังก์ชันของการถอดรหัสและอัตราการแปลโดยใช้ Gaussian smoothing (วิธีการ) และเปรียบเทียบสิ่งเหล่านี้กับโครงร่างของความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีน ทั้งใน S. cerevisiae (รูปที่ 3b) และ อี. โคไล (รูปที่ 3a เสริม) CV ลดลงตามการถอดรหัสที่เพิ่มขึ้นและการแปลที่ลดลงในแต่ละบรรทัดของโปรตีนที่เท่ากัน ประวัติย่อส่วนใหญ่จะปรับขนาดด้วยการถอดความตามที่คาดการณ์ไว้ในทฤษฎีที่ 15 (วิธีการ)

ดังนั้นอัตราการถอดความและการแปลจึงส่งผลกระทบทั้งความแม่นยำในการแสดงออกของยีนและเศรษฐกิจ mRNA ที่ความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนที่กำหนด อัตราส่วนการแปล/การถอดเสียงสูงทำให้เกิดความประหยัดแต่ก็มีสัญญาณรบกวนการแสดงออกของยีนที่สูงขึ้นด้วย ในขณะที่อัตราส่วนการแปล/การถอดความที่ต่ำให้ความแม่นยำสูงโดยมีค่าใช้จ่ายของ mRNA ที่สูงขึ้น (รูปที่ 3c) การขาดยีนที่รวมการถอดรหัสสูงและการแปลต่ำสามารถอธิบายได้ด้วยการแลกเปลี่ยน: สำหรับยีนที่อยู่ในภูมิภาคที่หมดลง ประโยชน์ของความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นอาจน้อยกว่าต้นทุนการถอดรหัส

การแลกเปลี่ยนความแม่นยำ-เศรษฐกิจและพื้นเสียงรบกวนจะอธิบายขอบเขตของพื้นที่ Crick ที่หมดลง

เพื่อทดสอบในเชิงปริมาณว่าการแลกเปลี่ยนระหว่างความเที่ยงตรงกับความประหยัดสามารถอธิบายขอบเขตที่หมดลงได้หรือไม่ เราได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขั้นต่ำของค่าใช้จ่ายด้านฟิตเนสและประโยชน์ของการถอดความและการแปล (รูปที่ 4) แบบจำลองนี้มีการคาดการณ์หลักสองประการ: ประการแรกคืออัตราส่วนที่เหมาะสมระหว่างอัตราการแปลและการถอดความ βNS/βNS ถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของต้นทุนการถอดรหัสต่อโมเลกุล mRNA และความไวต่อเสียงของยีน NS (กำหนดไว้ด้านล่าง) การคาดคะเนที่สองเป็นสูตรการวิเคราะห์สำหรับขอบเขตของขอบเขตที่หมดลง—ขอบเขตล่าง k บน βNS/βNS อัตราส่วน—ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์พื้นฐาน

การแลกเปลี่ยนระหว่างความเที่ยงตรงกับความประหยัดสามารถอธิบายการหมดสิ้นของยีนที่รวมการถอดความระดับสูงกับการแปลต่ำ NS โหลดเสียง ΔNSเสียงรบกวน คือการสูญเสียสมรรถภาพเนื่องจากความผันผวนของโปรตีนที่สุ่มตัวอย่าง NS เหมาะสมที่สุด βNS/βNS ขึ้นอยู่กับต้นทุนการถอดรหัสต่อ mRNA () และความไวของเสียง (NS

|NS''(NS * )|) ยีนคือ ยีนที่ไวต่อเสียงมีฟังก์ชันการออกกำลังกายที่แคบลง (|NS''(NS * )| ใหญ่). สำหรับให้ NS * , การถอดความที่สูงขึ้น βNS ลดความผันผวนของปริมาณโปรตีน ยีนที่ไวต่อเสียง (NS ใหญ่) จึงควรมีอัตราส่วนการแปล/การถอดเสียงต่ำ ในทางกลับกัน ความแม่นยำมีความสำคัญน้อยกว่าสำหรับยีนที่มีฟังก์ชันสมรรถภาพทางกาย (NS เล็ก). ยีนเหล่านี้ควรมีสูงกว่า βNS/βNS เพื่อให้ต้นทุนการถอดความต่ำ ความแม่นยำของการแสดงออกของยีนถูกจำกัดโดยพื้นเสียง วี0. ความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนและข้อมูล CV ที่วางแผนใหม่จาก Taniguchi et al 40 . นอกจากนี้ยังพบพื้นเสียงใน อี. โคไล การวัดของ Silander et al. 41 (รูปที่ 4b เสริม) NS ยีนที่มีฟังก์ชันฟิตเนสแคบกว่าพื้นเสียงรบกวน วี0 มีความฟิตเฉลี่ยเป็นลบ (left( ight)) ไม่สามารถเลือกยีนที่มีความฟิตเชิงลบได้ ดังนั้นพื้นเสียงรบกวน วี0 ป้องกันการเลือกฟังก์ชันฟิตเนสที่แคบและไวต่อเสียง อี ความไวเสียงสูงสุดที่เลือกได้ NSmax กำหนดตำแหน่ง k ของเขตแดนที่พร่องไป โปรตีนที่วางอยู่บนขอบเขตมีความไวต่อเสียงสูงสุด NS = NSmax. การผสมผสานที่เป็นไปได้ของการถอดความและการแปลนั้นสอดคล้องกับยีนที่มีความไวต่อเสียงน้อยกว่า NS < NSmax. NS ทฤษฎีการประนีประนอมทางเศรษฐกิจที่แม่นยำทำนายตำแหน่ง k ของพื้นที่พร่องในสิ่งมีชีวิตตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม แถบข้อผิดพลาดแสดงถึงช่วงความเชื่อมั่น 95% NS NS-ค่าคำนวณโดยใช้การทดสอบของเพียร์สันกับสิ่งมีชีวิต 4 ตัว (สองด้าน) ความสัมพันธ์ระหว่างการวัดและทฤษฎีมีความแข็งแกร่งในการแปรผันส่วนของยีนที่ใช้ในการกำหนดบริเวณที่หมดลง (รูปที่ 4e เสริม) ดูเพิ่มเติมรูปที่ 4

เพื่อหาค่าที่เหมาะสมที่สุด βNS/βNS อัตราส่วนภายใต้การประนีประนอมระหว่างความแม่นยําและเศรษฐกิจ βNS/βNS อัตราส่วนมีผลต่อเศรษฐกิจและความแม่นยำของ mRNA จากนั้นเราจะจำลองว่าเศรษฐกิจและความแม่นยำของ mRNA ส่งผลต่อความฟิตอย่างไร สุดท้าย เรากำหนดนิพจน์เชิงวิเคราะห์สำหรับค่าที่เหมาะสมที่สุด βNS/βNS อัตราส่วน

เพื่อคำนวณว่า βNS/βNS อัตราส่วนส่งผลต่อเศรษฐกิจ เราจำลองค่าความฟิตของการถอดความ 21 โดยฟังก์ชันเชิงเส้น ΔNSNS = NSlNSβNS ที่ไหน lNS คือความยาว (ก่อน-) ​​mRNA และ NS คือค่าปรับตามความเหมาะสมต่อนิวคลีโอไทด์ที่คัดลอกมา NS สามารถประมาณได้จากอัตราการเติบโต ไมโคร และผลลัพธ์การถอดความทั้งหมด ( eta _m) หากเราคิดว่า mRNA ที่ไม่เป็นประโยชน์จะถูกคัดลอกโดยเสียค่าใช้จ่ายของ mRNAs ซึ่งเข้ารหัสโปรตีนที่เป็นประโยชน์ ถ้าผลรวมของ ( eta _ml_m) นิวคลีโอไทด์ถูกถอดความในเซลล์ การมีส่วนร่วมออกกำลังกายเฉลี่ยของแต่ละนิวคลีโอไทด์คือ (mu eta _ml_m) นี่คือความฟิตที่สูญเสียไปต่อนิวคลีโอไทด์ของการถ่ายทอด mRNA ที่ไม่เป็นประโยชน์ด้วยค่าใช้จ่ายของ mRNA ที่เป็นประโยชน์ ดังนั้น ค่าฟิตเนสต่อนิวคลีโอไทด์ที่ถอดเสียงคือ

นี้ให้ NS

10 −9 ต่อนิวคลีโอไทด์ใน S. cerevisiae ซึ่งเข้ากันได้ดีกับการวัดผลการทดลองที่กล่าวข้างต้น (วิธีการ)

แม้ว่าต้นทุนการถอดความโดยทั่วไปจะน้อยกว่าต้นทุนการแปล 18,20,21 แต่ไม่จำเป็นต้องจำลองต้นทุนการแปลที่นี่ หากต้องการทราบสาเหตุ โปรดทราบว่าค่าใช้จ่ายในการแปลยีนขึ้นอยู่กับจำนวนโปรตีนที่ผลิต โดยไม่คำนึงว่าโปรตีนนั้นจะถูกสังเคราะห์จาก mRNA ไม่กี่ตัวหรือ mRNA หลายตัว ดังนั้น โดยมีเงื่อนไขว่า NS จำเป็นต้องมีสำเนาโปรตีน การแลกเปลี่ยนจะถูกกำหนดโดยการถอดรหัส กล่าวคือ มีการสร้าง mRNA จำนวนมากหรือน้อยเพื่อจัดหา NS สำเนา ต้นทุนที่เกี่ยวข้องจึงเป็นต้นทุนของการถอดความ

มาดูกันว่า βNS/βNS และความแม่นยำส่งผลต่อความฟิต เราถือว่าเป็นโปรตีนที่อุดมสมบูรณ์ NS. โปรตีนมีส่วนทำให้ปริมาณ NS(NS) เพื่อความฟิตของร่างกาย (รูปที่ 4a) เนื่องจากความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนผันผวนรอบการแสดงออกโดยเฉลี่ย (leftlangle p ight angle = p^ ast) เซลล์จึงไม่มีสมรรถภาพสูงสุด NSmax แต่ความฟิตเฉลี่ยต่ำกว่า (leftlangle ight angle) . ความฟิตหายไปเนื่องจากความผันผวนของโปรตีนที่มีอยู่มากมาย ΔNSเสียงรบกวน เรียกว่าโหลดเสียง 24,25 (รูปที่ 4a) ด้วยการขยายฟังก์ชันฟิตเนส NS ลำดับที่สองและค่าเฉลี่ยมากกว่าความผันผวนของปริมาณโปรตีน เราสามารถคำนวณปริมาณเสียงรบกวนได้:

ภาระเสียงรบกวนเพิ่มขึ้นตามความโค้งของฟังก์ชันฟิตเนส (left| ight)> ight|) และด้วยเสียง σ.

หาวิธี βNS และ βNS ส่งผลต่อความฟิตผ่านความแม่นยำของการแสดงออกของยีนเราทราบว่า βNS และ βNS ส่งผลต่อระดับเสียง σ 2 ในลักษณะที่ดี ทฤษฎีและการทดลอง 15,16,17,40 ระบุว่าความแปรปรวนของความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนถูกกำหนดโดย

ที่ไหน αNS คืออัตราการสลายตัวของโปรตีนและ วี0 คือพื้นเสียง (วิธีการ) พื้นเสียงเป็นจำนวนที่น้อยที่สุดของการแปรผันระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ในความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนในประชากรโคลน 17,40,41,42

ตอนนี้เราสามารถกำหนดอัตราการถอดความและการแปลที่เหมาะสมที่สุดได้แล้ว βNS และ βNS ที่ลดการรวมกันของต้นทุนการถอดความ ΔNSNS และของภาระเสียง ΔNSเสียงรบกวน (วิธีการ)

ที่ไหน = NSlNSαNS = NSlNSβNS/NS หาปริมาณต้นทุนของการถอดรหัสต่อโมเลกุล mRNA NS สำหรับยีนนี้ และ (Q = frac<1><2>left| ight)> ight|p^ ast) คือความไวต่อสัญญาณรบกวนของยีน ยีนที่มีฟังก์ชันการออกกำลังกายที่แคบกว่า (ใหญ่กว่า (left| ight)> ight|) ) มีความไวต่อเสียงมากกว่าเพราะเสียงรบกวนทำให้โปรตีนมีความอุดมสมบูรณ์ห่างไกลจากที่เหมาะสม ความไวของยีนต่อเสียงก็ขึ้นอยู่กับความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนด้วย NS * เพราะโดยทั่วไปเสียงจะแปรผันตามความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีน σ 2

แบบจำลองจึงทำนายความสัมพันธ์ระหว่าง βNS/βNS อัตราส่วนและรูปร่างของฟังก์ชันฟิตเนส (รูปที่ 4b) ฟังก์ชั่นการออกกำลังกายแบบกว้างควรมีขนาดใหญ่ βNS/βNS เพราะยีนที่มีสมรรถภาพกว้างๆ จะไม่ไวต่อเสียง สำหรับสิ่งเหล่านั้น ความแม่นยำสูงให้ประโยชน์เพียงเล็กน้อย และเป็นการดีที่สุดที่จะเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดโดยลดการถอดความ ในทางกลับกัน ยีนที่มีฟังก์ชันการออกกำลังกายที่แคบจะไวต่อเสียง สำหรับความต้องการเหล่านั้น ความต้องการความแม่นยำสูงในการเก็บเสียงที่โหลดต่ำจะส่งผลต่อต้นทุนของการถอดความ ยีนที่มีสมรรถภาพทางกายแคบจึงควรมีขนาดเล็ก βNS/βNS อัตราส่วน

เราเปรียบเทียบการทำนายแบบจำลองสำหรับความโค้งของฟังก์ชันฟิตเนสใกล้จุดสูงสุดกับการวัดฟังก์ชันฟิตเนสล่าสุด 21 ยีนใน S. cerevisiae 43 . เราพบว่าความโค้งทำนายจาก βNS/βNS อยู่ในลำดับความสำคัญของความโค้งที่วัดได้โดยไม่มีพารามิเตอร์ที่เหมาะสม (รูปที่ 4a เพิ่มเติม) การคาดการณ์และการวัดมีความสัมพันธ์เชิงบวก (NS = 0.39) การทดสอบแบบสับเปลี่ยนแสดงให้เห็นว่าข้อตกลงระหว่างการคาดการณ์และการวัดไม่น่าเป็นไปได้เนื่องจากโอกาส (NS = 0.04 วิธีการ) อย่างไรก็ตาม ความแปรปรวนในการวัดทดลองทำให้ไม่สามารถเปรียบเทียบผลสรุปได้

เพื่อหาขอบเขตล่าง k บน βNS/βNS และอธิบายขอบเขตของภูมิภาคที่หมดลง เราสังเกตว่าเสียงในการแสดงออกของยีนมีขีดจำกัด ขีด จำกัด นี้เรียกว่าชั้นเสียงรบกวน วี0, ถูกเปิดเผยโดยการวัดความแปรผันระหว่างเซลล์ต่อเซลล์ของความอุดมสมบูรณ์ของโปรตีนในประชากรโคลนัล 17,40,41,42 (รูปที่ 4c, รูปที่ 4b, c) เพิ่มเติม สาเหตุของเสียงพื้นเป็นหัวข้อการวิจัยในปัจจุบัน 12 และได้รับการเสนอว่าเป็นเพราะเสียงภายนอก 40 หรือขนาดระเบิดการถอดรหัสที่ใหญ่กว่าของโปรตีนปริมาณมาก 42 พื้นเสียงทำให้ขอบเขตบน NSmax ว่ายีนที่ไวต่อเสียงสามารถเป็นอย่างไร: ถ้ายีนมีสมรรถภาพทางกายที่แคบกว่าขีดจำกัดนี้ (NS > NSmax) ภาระเสียงจะครอบงำประโยชน์ของการแสดงยีน (รูปที่ 4d) ซึ่งนำไปสู่ความฟิตในเชิงลบ เพราะยีนกับ NS > NSmax ไม่สามารถเลือกได้ ยีนที่แสดงออกทั้งหมดต้องตอบสนอง NS < NSmax. ขอบเขตของภูมิภาคที่พร่องลง βNS/βNS = k จึงสอดคล้องกับยีนที่มีความไวต่อเสียงสูงสุด NSmax (รูปที่ 4e). ภูมิภาคที่หมดลง βNS/βNS < k สอดคล้องกับอัตราการถอดรหัสและการแปลที่เหมาะสมที่สุดสำหรับยีนที่มีฟังก์ชันฟิตเนสแคบเกินไปเมื่อพิจารณาจากพื้นเสียงรบกวน

การค้นหา k, เราทดแทน NS = NSmax ในสมการ (4) เพื่อความเหมาะสมที่สุด βNS/βNS อัตราส่วนและเขียนใหม่ k ในแง่ของพื้นเสียงและค่าคงที่ทางชีววิทยาของเซลล์อื่นๆ (วิธีการ):

โดยที่ ( eta _m) คือผลลัพธ์การถอดรหัสแบบรวมของยีนทั้งหมด

นิพจน์นี้ให้สัญชาตญาณสำหรับพารามิเตอร์ของเซลลูลาร์ซึ่งกำหนดขอบเขตของขอบเขตที่หมดลงของพื้นที่ Crick ตัวอย่างเช่น พื้นเสียงที่ใหญ่ขึ้น วี0 ยกขอบเขตขึ้นเพราะมีประโยชน์น้อยกว่าในการถอดความได้สูง ผลลัพธ์การถอดรหัสที่เพิ่มขึ้น ( eta _m) ลดขอบเขตลงเนื่องจาก mRNA แต่ละรายการมีต้นทุนน้อยกว่า ทำให้ความแม่นยำในการแสดงออกของยีนเพิ่มขึ้น

สูตรนี้สำหรับ k ทำนายขอบเขตของพื้นที่ Crick space ที่หมดลงได้อย่างแม่นยำ (รูปที่ 4f เส้นสีแดงในรูปที่ 2) แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่า k แตกต่างกันเกือบสองลำดับความสำคัญระหว่างสิ่งมีชีวิต (ตารางที่ 1) ดังนั้น บริเวณที่หมดพลังงานสามารถอธิบายได้ในแง่ของพารามิเตอร์พื้นฐาน เช่น พื้นเสียง อัตราการแปลสูงสุด เอาต์พุตการถอดรหัสทั้งหมด และอัตราการสลายตัวของโปรตีนเฉลี่ย ค่าคงที่แต่ละเซลล์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำนายได้อย่างแม่นยำ k (รูปที่ 4d เสริม). ไม่สามารถ k ถูกทำนายโดยเสียงอย่างเดียวโดยไม่คำนึงถึงเศรษฐกิจ เช่น การตั้งสมมติฐานว่าเขตพร่องนั้นประกอบขึ้นจากทั้งหมด βNS และ βNS ซึ่งการถอดเสียงที่เพิ่มขึ้นทำให้มีความแม่นยำเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับพื้นเสียง (วิธีการ)


10.3: The Central Dogma - ชีววิทยา

กระบวนทัศน์เป็นตัวอย่างหรือรูปแบบที่ "ทุกคน" เห็นด้วยซึ่งอธิบายแนวคิดบางอย่าง กระบวนทัศน์ของอณูชีววิทยาคือ The Central Dogma สมมติฐานนี้ถูกอธิบายโดย Crick ในปี 1958 ในปี 1953 วัตสันและคริกเป็นคนแรกที่กำหนดโครงสร้างผลึกที่แท้จริงของ DNA (แม้ว่าจะมีทฤษฎีที่แข่งขันกันมาก่อน) โดยใช้การสร้างแบบจำลองแล้วตามด้วยผลึกศาสตร์เอ็กซ์เรย์ เมื่อกำหนดโครงสร้างดีเอ็นเอแล้ว กลไกเบื้องหลังการสืบทอด การไหลของข้อมูล และการทำงานของยีนก็เข้ามาแทนที่ การไหลของข้อมูลโดยรวมแสดงเป็น: DNA --> RNA --> โปรตีน ทั้ง DNA และ RNA สามารถจำลองแบบได้ (เช่น DNA ถูกสังเคราะห์จาก DNA และ RNA จาก RNA) สามารถสร้าง RNA หรือ ถอดความ จากดีเอ็นเอ เรียกว่าการถอดความเนื่องจาก "ภาษา" ชนิดเดียวกันถูกใช้ใน DNA และ RNA นั่นคือกรดนิวคลีอิก ในบางกรณี RNA อาจใช้เพื่อสร้าง DNA (เช่น "reverse transcription") โดยใช้เอนไซม์ที่เรียกว่า reverse transciptase โปรตีนถูกสังเคราะห์จาก RNA โดย การแปล. เรียกว่าการแปล เนื่องจากโดยพื้นฐานแล้วจะใช้ "ภาษา" ที่แตกต่างกัน เช่น กรดอะมิโน (แทนที่จะเป็นกรดนิวคลีอิก) เมื่อโปรตีนถูกสังเคราะห์จากอาร์เอ็นเอแล้ว ข้อมูลจะถูกดักไว้ กล่าวอีกนัยหนึ่งไม่มีกลไกที่รู้จักที่ช่วยให้ข้อมูลไหลกลับเข้าสู่ RNA จากโปรตีน อย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่คิด "พรีออน" ที่ค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้บ่งชี้ว่าจริงๆ แล้วมีกลไกสำหรับการจำลองแบบโปรตีนชนิดหนึ่ง และสิ่งนี้ขัดกับความเชื่อหลัก โดยพื้นฐานแล้วกลไกจะแบ่งออกเป็นดังนี้ สิ่งมีชีวิต (สมมติว่าเป็นมนุษย์) มีโปรตีน "ชนิดป่า" (หรือโปรตีน "ปกติ" ที่มีรูปร่างเฉพาะสำหรับการทำงานที่เหมาะสม) ซึ่งเป็นสิ่งที่คล้ายคลึงกันกับพรีออน เมื่อมนุษย์ติดเชื้อ พรีออนจะโต้ตอบกับโฮโมล็อกชนิดไวด์และทำให้มันผิดพลาด (เช่น พรีออนทำให้โปรตีนชนิดไวด์เปลี่ยนรูปร่างเป็นพรีออน) ดังนั้นจึงมีกลไกง่ายๆ ที่โปรตีนบางชนิดสามารถทำซ้ำได้ อย่างไรก็ตาม หลักความเชื่อหลักในการไหลของข้อมูลนี้ยังคงรักษาไว้ได้ในระดับหนึ่ง

หลักคำสอนหลักอธิบายเส้นทางต่อไปนี้: ดีเอ็นเอทำให้อาร์เอ็นเอทำให้โปรตีนสร้างเซลล์. นี่แสดงให้เห็นว่าชีวิตสามารถสืบย้อนไปถึง DNA ได้ น่าเสียดายที่เส้นทางข้อมูลนั้นสั้นลงเหลือ ดีเอ็นเอสร้างเซลล์ซึ่งนำไปสู่ความเชื่อในที่สุด omnis forma ex DNA (ทุกรูปแบบจากดีเอ็นเอ) เพื่อยกตัวอย่างอย่างรวดเร็ว เครื่องมือระดับโมเลกุลสำหรับการแปลหรือการถอดรหัสนั้นซับซ้อนมาก และต้องการโมเลกุลและโปรตีน RNA ที่แตกต่างกันจำนวนมาก DNA เองไม่สามารถสร้างเซลล์ได้

เมื่อการจัดลำดับจีโนมมนุษย์เสร็จสมบูรณ์เมื่อเร็วๆ นี้ ดูเหมือนจะเป็นแนวคิดที่นิยมว่าตอนนี้เรามีแผนที่ของมนุษย์แล้ว The genome is often described as a "blue-print" for making a human (or other organism), however, this analogy is a bad one. The "genome as a blue-print" analogy is bad, because an organism is much more than just genes. Let's be clear: a genetic map is a map that shows where genes lie on chromosomes. However, it is the products of those genes that interact with each other in the context of a cell (or more appropriately, in the context of a whole organism -- unicellular or multicellular). A blue-print for a building is designed so that someone can point to one location on the map, and be able to find the actual location in the building. The blue-print shows where a particular thing is in relation to everything else. In eukaryotes, certain gene products are targetted to particular compartments within the cell (e.g. organelles, such as mitochondria, chloroplasts, golgi bodies, endoplasmic reticulum, etc). One might be able to predict where a particular gene product will go, based on the signal sequence that is encoded by the gene. However, a genetic map by itself cannot describe how gene products will interact with one another. Just because an organism is traceable to DNA, doesn't mean that the organism is created by DNA. Alternatively, just because life is traceable to the Big Bang, doesn't mean that the Big Bang created life (i.e. there were many other events that occurred between the Big Bang and the origin of life, such as the formation of atoms, stars, galaxies, planets, etc).

One of the tenets from cell theory directly opposes the gene-centric view: "all cells come from pre-existing cells". In general, this is true, but for the one exception of when life first arose on Earth. DNA alone cannot make a cell. DNA cannot even make a protein by itself. Other molecules are required, such as chaperones which direct the folding of large newly synthesized proteins. Ribosomes and proteins are required in the actual translation mechanism to make more proteins. Certain eukaryotic structures are inherited, but not encoded by any genes (i.e. organelles). In particular, mitochondria come from preexisting mitochondria. If all the mitochondria are removed from a cell, that cell can't make new mitochondria -- the mitochondrial structure is not encoded in any gene or any number of genes. The same is true for chloroplasts, the endoplasmic reticulum, centrioles, and golgi bodies. This is known as "structural inheritance" (or cytoplasmic inheritance).

Work by Sonneborn and others in the 1960s and 1970s demonstrated the importance of structural inheritance with ciliates (ref. 1). One example, is the inheritance of ciliary rows. Patches of ciliary rows were inverted 180 degrees on the cell surface of พารามีเซียม. These inverted patches retained their normal structure, function, and development. They only differed in their orientation and they were inherited as such -- progeny had the same inverted regions of cilia. Ciliary number may also be inherited (e.g. 8 rows are inherited as 8 rows and 9 rows as 9 rows). Another example in พารามีเซียม, is the inheritance of doublets and of singlets. Doublets (i.e. two cells permanently joined together) can form by the failure of conjugating cells to separate. Sonneborn showed that doublets are maintained as doublets, and singlets as singlets, and that the basis of this inheritance pattern resided in the cell cortex -- a phenomenon of structural organization, rather than of genetics.

Another point of opposition against the gene centric paradigm can arise from symbiosis. For example, elephants are made of much more than just "elephant cells" and "elephant chromosomes". Elephants also contain communities of microbes. These microbes are picked up from the environment, and not inherited through the germ line. The same is true for other metazoans (multi-cellular animals), as well as for other symbiotic relationships.


Central Dogma of Biology – the Conspiracy

If three nucleotides are lost, the reading frame will nevertheless be maintained but it can bring about serious pathological problems. In case the sequence search space proved much larger, it might be really tricky to even find the codons of note. The huge area of the proof you’ve got to believe is there.

The crucial principle that dominates molecular biology is known as the Central Dogma. The translation component of the central dogma is contained in protein synthesis, but the transcription part isn’t. It plays a vital role in the cell.

Likewise, there are lots of different processes that result in protein synthesis, but they’re not directly linked to the story of the central dogma. As a matter of true fact, it’s the gene expression which changed. Hox genes play a major role in learning the gender of an organism.

So, here is one particular idea you may try. There are all types of things that do change the true sequence of DNA. Regardless of how remarkably important it’s to life on Earth today, DNA at the same time didn’t exist.

For starters, the appropriate folding procedure is complex and vitally important. At this present moment, you’re of no use to them, but this will change when you make your very own super powers by changing up your DNA. It is vital.


Refuting Lamarckism and Interpreting ‘Adaptive’ Mutation

In 1988, John Cairns, Julie Overbaugh and Stephan Miller published a provocative paper in ธรรมชาติ entitled ‘The origin of mutants’. Until their study, it was generally accepted that alterations in DNA (mutations) occurred randomly, as a consequence of the repair of chemical damage or due to errors arising during replication. These variants might be transmitted to progeny, and thus individuals in large populations would be expected to harbour slight differences in DNA sequences. If the environment changed dramatically, individuals with alterations that were advantageous under the new circumstances would be expected to thrive, and might come to outnumber the individuals with the ‘nonmutant’ alleles. This paradigm had been established in the 1940s by elegant experiments of Salvador Luria and Max Delbrück using bacterial populations. Normal bacteria will be killed if exposed to a particular bacterial virus. However, in a population of bacteria, mutations can be acquired that have the effect of protecting the host from being killed by the virus. Luria and Delbrück showed that exposing the bacteria to the virus did not increase the likelihood that the bacteria would acquire the beneficial mutation. Instead, the virus ‘selected’ the bacteria with the protective mutation (they survived), and instantly killed the rest. See also Mutations: Origin, Nature and Impact, Adaptation and Natural Selection: Overview, L uria, S alvador E , and Delbrück, Max Ludwig Henning

Cairns and his colleagues accepted this demonstration that some mutations arise spontaneously, but they wondered if others might arise in a ‘directed’ fashion. They decided to examine a bacterial population in which an essential nutrient could not be used by the ‘normal’ bacteria (no cells were being killed – they simply could not grow or divide). They found that some of the mutations that permitted the cells to use the nutrient occurred after the cells were exposed to that nutrient! Furthermore, mutations that would not assist in metabolizing the rate-limiting nutrient did not appear to accumulate in the experiments. This was a serious challenge to the central dogma. It appeared that mutations were not strictly ‘random’, but could in fact be ‘directed’. The environment appeared to be influencing the genotype so that advantageous traits were being acquired and transmitted to progeny. The authors postulated that errors in transcribing the DNA into messenger RNA might result in a variety of proteins. Production of a favoured protein might trigger a reverse transcriptase complex to produce a DNA copy of the variant RNA, and the genome could be altered by established recombination mechanisms. Thus, information could, in theory, flow from protein to DNA without the requirement for the molecular ‘back-translation’ machinery. See also Mutation–Selection Balance, and Adaptation: Genetics

The paper unleashed a flood of commentary and further experimentation. Appropriately, Cairns himself (with Patricia Foster) provided an elegant disproof of their ‘reverse transcriptase’ model by showing that some of the advantageous revertants arose in other components of the translation machinery, and thus could not have arisen by reverse transcription of the ‘favourable’ messenger RNA. In fact, all experiments designed to ask if the mutations were in fact ‘directed’ revealed that instead, they arose in a nondirected way, although the net result was that they were advantageous to the cell under the particular circumstances (thus, they were ‘adaptive’). In looking back over the controversy, the flurry of papers and published arguments underscores the wisdom of using theories to selectively ignore extraneous complexity. Some authors behaved as though they would discount the conclusions of a well-constructed series of experiments if the mechanism underlying the surprising observations was not yet understood. Other authors proposed general models to predict how the phenomenon might work, which freed them to test parts of the models. The step-by-step approach was again productive: it now appears that a mutagenic process involving breaks in DNA and recombinational repair of the breaks with error-prone DNA synthesis occur in a small number of nondividing cells. If an ensuing ‘randomly’ generated mutation permits the cell to grow and divide, the new genotype will be selected and those individuals will quickly outnumber the others in the population (including those with newly arising mutations that are not immediately beneficial, explaining why these were hard to detect in the initial experiments). See also DNA Repair


Why is the central dogma of biology important?

to RNA ? , to make a functional product, a protein ? . NS central dogma suggests that DNA contains the information needed to make all of our proteins, and that RNA is a messenger that carries this information to the ribosomes ? .

Also Know, what is the central dogma of protein synthesis? NS central dogma is a framework to describe the flow of genetic information from DNA to RNA to โปรตีน. When amino acids are joined together to make a โปรตีน molecule, it's called การสังเคราะห์โปรตีน. แต่ละ โปรตีน has its own set of instructions, which are encoded in sections of DNA, called genes.

Consequently, what is the exception to the central dogma?

Exceptions to the central dogma The biggest revolution in the central dogma was the discovery of retroviruses, which transcribe RNA into DNA through the use of a special enzyme called reverse transcriptase has resulted in an exception to the central dogma RNA &rarr DNA &rarr RNA &rarr protein.

What are the 3 processes of central dogma?

Replication, Transcription, and Translation are the สาม หลัก กระบวนการ used by all cells to maintain their genetic information and to convert the genetic information encoded in DNA into gene products, which are either RNAs or proteins, depending on the gene.


THE CENTRAL DOGMA OF MOLECULAR BIOLOGY

The central framework of molecular biology otherwise known as the “central dogma” is the starting point for the actual course of movement of genetic information within the cell’s nucleus of an organism. The transfer of genetic information within the cell of an organism (i.e. in the nucleus) from deoxyribonucleic acid (DNA) to ribonucleic acid (RNA) and then to proteins is generally known as the central dogma of molecular biology. DNA, RNA and proteins are generally known as macromolecules and in contrast to other macromolecules, these informational macromolecules contain genetic information or gene sequences that control the day to day activities of the cell and the whole organism. The transmission of these informational macromolecules of life commonly follows this path of central dogma.

Central dogma is the main center-piece of molecular biology and genetics in particular (Figure 1). After the cellular machinery of the ribosome translates the RNA molecule transcripts from the DNA molecule to form specific amino acid chains that makeup protein molecules through the processes of translation and transcription respectively, the protein molecules so synthesized has unique biochemical and physiological functions within the cell and each of these proteins is further expressed in the cell as observable physical traits or phenotypes in the whole organism. The phenotypes showcases the actual genetic information encoded by the DNA or genes of the organism and it is these traits that help molecular biologists to decipher defects or mutation that occur in the whole organism after a particular gene or DNA molecule have been completely expressed.

รูปที่ 1. Schema of central dogma. The central dogma of molecular biology generally describes the process of การแปล of a gene to a protein. And in this process, specific sequences of DNA act as a template to synthesize mRNA in a process called การถอดความ in the nucleus of a cell. This mRNA is then exported from the nucleus into the cytoplasm (location of the ribosome in the cell), and it acts as a แม่แบบ to synthesize protein through translation. A template is a macromolecule whose structure serves as pattern for the synthesis of another macromolecule.

Despite the fact that the ดีเอ็นเอ is the actual genetic blueprint of the cell, it is the protein molecules that actually carry out all of the metabolic processes that go on in the cell of an organism. Therefore, the DNA provides the genetic information or instruction for work while the proteins of the cell do the work. โปรตีน are informational macromolecules that comprises of long chains of amino acids and they are the most important components of the physiological and biochemical metabolic pathways of the cell of an organism. They are mainly responsible for growth and the repair of worn out tissues.

Central dogma describes the genetic process in which the information encoded by a gene or DNA is transcribed into messenger ribonucleic acid (mRNA) that act as a template and is further translated into specific protein molecules in the ribosome of a cell. It is mainly comprised of two main processes which are การถอดความ และ การแปล and these shall be highlighted in this section. The illustration of the central dogma is shown in รูปที่ 1 and it is a descriptive analysis of the genetic code of belief especially as it pertains to the pattern in which hereditary or genetic materials are inherited and/or passed from parent progenitor cells to their offspring. It shows how the 3 most important informational macromolecules (DNA, RNA & protein) of a cell or the whole organism are synthesized. The DNA of eukaryotic cells is often wrapped in specialized protein molecules known as histones, and this orientation forms the chromosome of the cell. However, in prokaryotic cells, the DNA is wrapped with non-histone proteins to form the cells chromosome. DNA is the main genetic material of the cell, and genetic information flows from it to the RNA which is expressed in the cell (as directed by the genetic sequence encoded by the DNA) to form proteins. Central dogma shows how genetic information flows from one macromolecule to another in a controlled manner within the cell of living organisms.

The three important processes of this flow of genetic information shall be highlighted in this section.

  1. การถอดความ
  2. การแปล
  3. การจำลองดีเอ็นเอ
  • การถอดความis the synthesis of an RNA molecule (mRNA in particular) that is complementary to one of the 2 single strands (ss) of a double-stranded DNA molecule (dsDNA). It is catalyzed by RNA polymerase. The genetic information or gene sequence required to synthesize the ribonucleic acid (RNA) molecule is encoded by the DNA molecule. Thus for the RNA molecule to be synthesized, genetic information has to be transferred in a controlled fashion to the messenger RNA (mRNA) through the process of transcription.
  • การแปลis the synthesis of protein molecules using the genetic information in the messenger RNA (mRNA) as a template. Amino acids are the building blocks or main units of protein molecules, and they are arranged in the form of a polypeptide. The mRNA encodes one or more polypeptides, and this is dependent on the specific sequence of bases in the mRNA. It is noteworthy that each group of 3 bases on an mRNA actually codes for a single amino acid (e.g. tryptophan). Such triplets of bases are known as codons. โคดอนare sequences of 3 bases in an mRNA that encodes specific amino acids.

Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson J.D (2002). The molecular Biology of the Cell. Fourth edition. New York, Garland, USA.

Cooper G.M และ Hausman R.E (2004) เซลล์: วิธีการระดับโมเลกุล ฉบับที่สาม. ASM Press.

Dale J (2003). Molecular genetics of bacteria. Jeremy W. Dale and Simon Park (4 th eds.). John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, UK. หน้า 312-313.

Lewis R (2004). Human Genetics: Concepts and Applications. Sixth edition. McGraw Hill Publishers, USA.

Robert L. Nussbaum, Roderick R. McInnes and Huntington F. Willard (2001). พันธุศาสตร์ในการแพทย์. Philadelphia, USA. Saunders publishers.

แซมบรู๊ค เจ. รัสเซลล์ ดี.ดับบลิว. (2001). การโคลนโมเลกุล: คู่มือห้องปฏิบัติการ ฉบับที่ 3 Cold Spring Harbor Laboratory Press นิวยอร์ก

ทามาริน โรเบิร์ต เอช (2002). หลักพันธุศาสตร์. ฉบับที่เจ็ด. Tata McGraw-Hill Publishing Co Ltd, เดลี

Twyman R.M (1998). Advanced Molecular Biology: A Concise Reference. Bios Scientific Publishers. Oxford, UK.


How the Central Dogma of Molecular Biology Points to Design

From time to time, biochemists make discoveries that change the way we think about how life works. In a recent paper, Ian S. Dunn, a researcher at CytoCure, argues that biomolecules (such as DNA, RNA, and proteins) comprised of “molecular alphabets” (such as nucleotides and amino acids) are a universal requirement for life. 1

Dunn’s work has far reaching implications. Perhaps the most significant relates to the central dogma of molecular biology (the organizing framework for biochemistry). First proposed by Francis Crick in 1956, the central dogma states that biochemical information flows from DNA through RNA to proteins.

The RNA world hypothesis, a leading evolutionary explanation for life’s origin, supposes that the central dogma of molecular biology is an unintended outcome of chemical evolution. This hypothesis posits that initial biochemistry was built exclusively around RNA and only later did evolutionary processes transform the RNA world into the familiar DNA-protein world of contemporary organisms. Thus, the DNA-protein world is merely an accident, the contingent outcome of evolutionary history.

Origin-of-life researchers claimed support for the RNA world with the discovery of ribozymes in the 1980s. These RNA molecules possess functional capabilities. In other words, RNA not only harbors information like DNA, it also carries out cellular functions like proteins. Researchers presumed that RNA biochemistry’s dual capabilities later apportioned between DNA (information storage) and proteins (function). Origin-of-life researchers often point to RNA’s intermediary role in the central dogma of molecular biology as further evidence for the RNA world hypothesis. In this view, RNA’s reduced role is a vestige of evolutionary history and RNA is viewed as a sort of molecular fossil.

However, if Dunn is correct and molecular alphabets are a universal requirement for life, it follows that the central dogma of molecular biology cannot be an accidental outcome of chemical evolution—a commonplace assumption on the part of many life scientists. Instead, it seems to be more appropriate to view this process as part of the Creator’s well-planned design.

Chemical Complexity and Life

Chemical complexity is a defining feature of life. In fact, the cellular operations fundamental to biology require chemical complexity. According to Dunn, this complexity can be achieved only through a large ensemble of macromolecules, each one carrying out a specific task in the cell. However, the macromolecules must be assembled from molecular alphabets because only molecular alphabets allow for the plethora of combinatorial possibilities needed to give macromolecules the range of structural variability that makes possible the functional diversity required for life.

Proteins help illustrate Dunn’s point regarding combinatorial potential. Built from an alphabet that consists of 20 different amino acids, proteins are the workhorses of life. Each protein carries out a specific role in the cell. A typical protein might consist of 300 amino acids. So, for a protein of that size, the number of possible amino acid sequences is (20) 300 . Each sequence has the potential to form a distinct structure and, consequently, perform a distinct function. It is impossible to achieve this kind of complexity using small molecules or uniquely specified macromolecules.

Two Types of Molecular Alphabets

Another defining feature of life is its ability to replicate. For a cell to reproduce it must duplicate the information that specifies the functional macromolecules’ alphabet sequences and then pass it on to the daughter cells. Based on this requirement, Dunn identifies a need for primary and secondary molecular alphabets.

Macromolecules comprised of a primary molecular alphabet must be able to replicate themselves. This requirement, however, places constraints on the macromolecules, preventing them from being able to carry out the full range of functional activities needed to support the chemical complexity required for life. A secondary alphabet is needed to overcome this restriction. Specified by the primary alphabet, the secondary alphabet possesses the full range of functional possibilities because it is not constrained by the need to replicate.

DNA harbors the information a cell’s machinery needs to produce proteins and also possesses the ability to replicate. Therefore, DNA’s nucleotide sequence serves as a primary molecular alphabet while proteins’ amino acid sequences comprise a secondary molecular alphabet, enabling proteins to serve as the cell’s workhorse molecules.

Molecular Alphabets and the Central Dogma of Molecular Biology

According to the central dogma of molecular biology, the information stored in DNA is functionally expressed through the amino acid sequence and protein activity. When it is time for the cell’s machinery to produce a particular protein, it copies the appropriate information from the DNA alphabet and produces a molecule called messenger RNA(mRNA). Once assembled, mRNA migrates to the ribosome and directs the synthesis of proteins.

In effect, the central dogma embodies the roles assumed by the primary and secondary molecular alphabets. Information in the cell’s primary molecular alphabet (DNA) is constrained by the need to replicate and so specifies the production of the cell’s secondary molecular alphabet (proteins) with the maximal amount of functional diversity. The translation from primary to secondary alphabet requires a decoding apparatus, which in the cell is comprised of RNA and ribosomes.

The key point is that the central dogma appears to be a fundamental requirement for life—a universal property, a necessary embodiment of life’s requisite chemical complexity. In this sense, it is reasonable to view the central dogma of molecular biology as part of the elegant, sophisticated, well-designed processes characteristic of biochemistry. Conversely, the central dogma of molecular biology can no longer be viewed as an accidental outcome of chemical evolution.

Undermining the RNA World Hypothesis

In the RNA world, the molecular alphabet that comprises RNA is a primary alphabet. But based on Dunn’s work, RNA would also have been constrained in its range of functional capabilities because of its need to replicate. Because of this restriction, the ribozymes of the RNA world cannot provide the chemical complexity necessary to sustain life. Dunn’s insight into the universal character of molecular alphabets unwittingly undercuts the RNA world scenario. Thus, it seems the central dogma of molecular biology (from DNA to RNA to proteins) had to be in place at the point that life originated.


ดูวิดีโอ: DNA transcription and translation McGraw Hill (มิถุนายน 2022).