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10.3 : Le dogme central - Biologie

10.3 : Le dogme central - Biologie


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Résultats d'apprentissage

Identifier le dogme central de la vie

Comme vous l'avez appris, le flux d'informations dans un organisme se fait de l'ADN à l'ARN à la protéine :

  • L'ADN est transcrit en ARN via des règles d'appariement de bases complémentaires (mais avec U au lieu de T dans la transcription)
  • Le transcrit d'ARN, en particulier l'ARNm, est ensuite traduit en un polypeptide d'acides aminés
  • Le repliement final et les modifications du polypeptide conduisent à des protéines fonctionnelles qui agissent réellement dans les cellules

Ceci est connu comme le Dogme central de la vie, ce qui est vrai pour tous les organismes.

Figure 1. Cliquez pour une image plus grande. Les instructions sur l'ADN sont transcrites sur l'ARN messager. Les ribosomes sont capables de lire les informations génétiques inscrites sur un brin d'ARN messager et d'utiliser ces informations pour enchaîner les acides aminés en une protéine.

Un lien vers un élément interactif se trouve au bas de cette page.

Cliquez ici pour une version texte seulement de l'activité.


Dogme central

Le dogme central a été proposé par Francis Crick à la fin des années 1950. Cette théorie novatrice a suggéré que l'information génétique circule principalement des acides nucléiques sous forme d'ADN et d'ARN vers des protéines fonctionnelles au cours du processus d'expression des gènes. Ce qui rend le dogme central si innovant, c'est son niveau d'exactitude à une époque où la recherche sur le génome ne faisait que commencer. Le dogme central de la génétique ne décrit pas les mécanismes de la synthèse des protéines, mais nous dit que l'expression des gènes suit un schéma presque prévisible.


Au-delà du dogme central : introduire l'épigénétique en classe

Dina Drits-Esser, Molly Malone, Nicola C. Barber, Louisa A. Stark Au-delà du dogme central : introduire l'épigénétique dans la salle de classe . Le professeur de biologie américain 1er août 2014 76 (6) : 365-369. doi : https://doi.org/10.1525/abt.2014.76.6.3

L'épigénétique est l'étude de la façon dont les facteurs externes et les signaux cellulaires internes peuvent entraîner des changements dans l'emballage et le traitement des séquences d'ADN, modifiant ainsi l'expression des gènes et des traits. L'exploration de l'épigénome initie les étudiants aux influences environnementales sur nos gènes et aux complexités de l'expression des gènes. Un module de programme supplémentaire développé par le Genetic Science Learning Center (GSLC) de l'Université de l'Utah apporte l'épigénétique aux écoles secondaires et aux classes de premier cycle grâce à une gamme d'activités en ligne et sur papier. Nous décrivons ces activités et proposons des stratégies pour incorporer des matériaux d'introduction et plus avancés qui explorent la «mémoire cellulaire», l'héritage épigénétique, la nutrition et les connexions émergentes entre l'épigénome et le comportement. Enfin, nous décrivons la portée récente des gains d'apprentissage des étudiants à l'aide du module d'épigénétique du GSLC et fournissons des liens avec les normes scientifiques de la prochaine génération.

L'ADN de chacune de nos cellules porteuses de noyau est identique à moins qu'il n'ait subi une mutation. Cependant, des facteurs externes et des signaux cellulaires internes peuvent influencer les changements dans l'emballage et le traitement de ces séquences d'ADN identiques, modifiant ainsi l'expression des gènes et des traits. L'épigénétique est l'étude de ces changements et de la manière dont ils peuvent entraîner une variation de l'expression des gènes sans modification de la séquence nucléotidique de l'ADN (la racine grecque épi signifie "au-dessus" ou "au-dessus").

Chez les eucaryotes, deux types de modifications épigénétiques, la méthylation de l'ADN et la modification des histones, influencent l'activation ou la désactivation des gènes. L'activation des gènes - et donc la transcription - est bloquée lorsque les ADN méthyltransférases lient les molécules de méthyle à l'ADN à des sites où une cytosine et une guanine sont liées par un phosphate. La méthylation CpG normale fait taire certains gènes pendant la formation des ovules et des spermatozoïdes. La plupart de ces balises sont réinitialisées après la fécondation, mais les gènes imprimés conservent leurs balises épigénétiques de sorte qu'une seule copie du gène est active. Cette empreinte est nécessaire pour un développement normal. Les erreurs d'impression peuvent entraîner des maladies telles que les syndromes de Prader-Willi et d'Angelman.

Environ 40 % des gènes de mammifères contiennent une section dans leur région promotrice, appelée « îlot CpG », où plus de 55 % des paires de bases sont CG. Les niveaux de méthylation dans ces îles sont normalement très faibles, mais les cellules cancéreuses humaines présentent des niveaux de méthylation anormaux plus élevés. Cependant, le mécanisme par lequel ce changement est impliqué dans la transformation d'une cellule de normale à maligne n'est pas clair. La méthylation de l'ADN peut jouer différents rôles dans différents types de cancer.

Les nucléosomes autour desquels l'ADN est enroulé sont composés de huit protéines histones qui ont des queues de lysine saillantes. Ce complexe ADN-nucléosome est connu sous le nom de « chromatine ». Les histones peuvent être modifiées de plusieurs manières. L'ajout de molécules d'acétyle aux queues de lysine provoque l'éloignement des nucléosomes, déroulant l'ADN et le rendant accessible à la transcription. Cet ADN actif est également marqué par la méthylation d'une lysine spécifique (K4) sur une histone particulière (H3). Lorsque les molécules d'acétyle ne sont pas attachées aux histones, l'ADN est étroitement enroulé autour d'elles et inaccessible pour la traduction. L'ADN inactif est marqué par la méthylation d'une lysine différente (K9) sur l'histone H3. Le chromosome X inactivé chez les mammifères femelles contient ce type de modification épigénétique. En conséquence, les mâles et les femelles ont les mêmes quantités de produits du gène du chromosome X.

L'exploration de l'épigénétique fournit aux élèves un exemple tangible des influences environnementales sur les gènes. Ainsi, cela peut les aider à envisager les facteurs qui régulent l'expression des gènes. Le Genetic Science Learning Center (GSLC) de l'Université de l'Utah a développé un module de programme d'études supplémentaire gratuit qui présente l'épigénétique aux étudiants du secondaire et du premier cycle. Disponible sur le site Web Learn.Genetics (http://learn.genetics.utah.edu), cette collection d'activités interactives en ligne et sur papier fournit une compréhension de base de l'épigénome et de la façon dont il instruit l'ADN. Parce que les matériaux sont conçus pour un niveau d'introduction, ils se concentrent sur deux modifications épigénétiques dont les rôles peuvent être clairement expliqués : la méthylation de l'ADN et l'acétylation des histones. De plus, pour réduire la charge de vocabulaire et la confusion potentielle entre les mots « nucléosome » et « noyau », les matériaux simplifient les nucléosomes en protéines histones. Le module traite également de notre compréhension émergente des liens entre l'épigénome, l'environnement et le comportement ainsi que des découvertes sur l'héritage épigénétique. Le matériel de soutien pour les éducateurs comprend des objectifs d'apprentissage et des exemples de questions d'évaluation pour chaque activité, des suggestions des enseignants qui ont participé à l'élaboration du module sur les moyens de lier l'épigénétique aux programmes existants, et une conférence vidéo donnée par un chercheur en épigénétique pendant le processus de développement du module. Le module d'épigénétique a été testé sur le terrain dans des classes de lycée. Les résultats ont montré que les étudiants qui utilisaient l'unité GSLC avaient un gain de connaissances significativement plus élevé que ceux d'un groupe témoin.

Les activités du module peuvent être utilisées individuellement pour compléter votre unité de génétique, ou ensemble en tant que « mini unité » d'épigénétique pour un examen plus détaillé de l'épigénome. Ici, nous fournissons un bref aperçu de chaque activité, organisé dans un cadre suggéré sur la façon dont les activités pourraient être regroupées pour fournir des explorations de base et plus avancées de l'épigénétique (tableau 1). De plus, nous décrivons l'alignement du module sur UNECadre pour l'enseignement des sciences de la maternelle à la 12e année : pratiques, concepts transversaux et idées fondamentales (Conseil national de recherches [CNRC], 2011) et le Normes scientifiques de nouvelle génération (NGSS) (NGSS Lead States, 2013), ainsi que les résultats de la recherche sur la mise en œuvre du module par les enseignants et l'apprentissage des élèves.

Activités du module d'épigénétique à utiliser pour aborder des sujets spécifiques, la séquence d'activités suggérée et les liens avec d'autres concepts génétiques.


Résultats

Les gènes combinant une transcription élevée et une traduction faible sont épuisés

Nous avons estimé la transcription ??m et traduction ??p ainsi que les taux de dégradation de l'ARNm et des protéines, pour des milliers de gènes issus d'expériences précédentes de mRNAseq et de profilage des ribosomes (RP) dans S. cerevisiae 29 , M. musculus, H. sapiens 30 et E. coli 3 (Méthodes). Toutes les données ont été recueillies dans des conditions de croissance rapide.

Nous trouvons, conformément aux études précédentes 3,26,32,33, que les taux de transcription et de traduction dans les cellules à croissance rapide varient beaucoup plus d'un gène à l'autre que les taux de dégradation de l'ARNm et des protéines. Les taux de transcription et de traduction varient sur une plage de 1000 fois par rapport à une plage de 10 fois pour les taux de décroissance de l'ARNm et des protéines (Fig. 1a-d). La prise en compte des taux d'ARNm et de protéines spécifiques au gène n'a qu'un faible impact sur la position des gènes dans l'espace Crick 2D (Fig. 1e–g supplémentaire, Méthodes). Nous simplifions donc notre discussion en considérant un espace Crick 2D, formé de taux de transcription et de traduction.

La réduction de l'espace Crick à quatre dimensions à deux dimensions néglige des aspects de la biologie cellulaire tels que la dynamique de la régulation des gènes en réponse aux perturbations environnementales 34,35, mais cela nous permet de nous concentrer sur les taux les plus variables pour définir l'abondance des protéines à l'état d'équilibre dans cellules en croissance, transcription et traduction, et demandez quelles règles peuvent les sous-tendre. De plus, la réduction à deux dimensions donne une image plus complète de l'espace de Crick (les taux de décomposition de l'ARNm et des protéines ont généralement été mesurés pour 20 à 50 % des gènes) et évite de craindre que les taux de décomposition aient été mesurés dans des études distinctes, contrairement à la synthèse tarifs pour S. cerevisiae, E. coli, et H. sapiens (Méthodes).

En traçant les taux de transcription et de traduction des gènes dans quatre organismes modèles, nous observons des limites communes dans l'espace de Crick (Fig. 2). Premièrement, la traduction maximale est de 10 3,6 –10 4 protéines par ARNm par heure, une limite qui peut s'expliquer par la vitesse de translocation des ribosomes (Méthodes). Deuxièmement, nous avons observé des limites inférieures sur le taux de transcription et sur le produit de la transcription et de la traduction. Ces limites découlent des limites techniques des dosages (Fig. 2a supplémentaire).

Les gènes combinant une transcription élevée et une traduction faible sont épuisés de l'espace Crick à travers les organismes. une Il y a une région appauvrie dans l'espace de Crick de quatre organismes modèles. Les taux de transcription et de traduction ont été estimés à partir des données de profilage des ribosomes et de séquençage de l'ARNm. Le centile supérieur des taux de traduction (left( <eta _p^<< m>>> ight)) est représenté par une ligne pointillée horizontale. La limite observée de la région appauvrie (ligne pointillée diagonale) a une pente 1 et est telle que 99% des gènes ont un rapport traduction/transcription plus important. Exclure ainsi 1 % des gènes rend la ligne frontière moins sensible aux erreurs de mesure et aux gènes aberrants, dont certains sont mis en évidence. La limite prédite de la région appauvrie (ligne rouge) est conforme à la théorie présentée plus loin dans cet article. Des contraintes techniques expliquent l'absence de gènes à faible taux de transcription et de traduction (région marquée « non échantillonnée »). S. cerevisiae Les données (une) de Weinberg et al. 29 . M. musculus (b) et H. sapiens (c) les données d'Eichhorn et al. 30 . E. coli Les données () de Li et al. 3 . e Tarifs de transcription et de traduction de 3744 E. coli gènes (points gris) et de 7624 constructions synthétiques (points rouges) de Kosuri et al. 38 . La corrélation négative apparente entre les taux de transcription et de traduction dans cet ensemble de données est due aux limites de la plage linéaire des mesures de cytométrie en flux qui conduit à la censure des protéines d'abondance faible et élevée 38 . F Légende de la figure résumant la signification des différentes lignes sur unee. Voir aussi la Fig. 2 supplémentaire

De manière inattendue, et le plus important pour la présente étude, il y avait un manque de gènes combinant une transcription élevée avec une traduction faible (régions bleues sur la figure 2). Nous appelons cette région la région appauvrie de l'espace de Crick. Cette région appauvrie représente environ la moitié de l'espace de Crick et est délimitée par une ligne de rapport constant entre la transcription ??m et traduction ??p, à savoir ??p/??m = k, avec k = 1,1 ± 0,1, 14 ± 3, 44 ± 3 et 66 ± 4 pouces S. cerevisiae, E. coli, M. musculus, et H. sapiens, respectivement (± représente l'erreur standard, tableau 1). Dans les axes logarithmiques, la limite de la région appauvrie a la pente 1 et l'interception log(k). D'où, k détermine la limite de la région appauvrie.

Dans E. coli, la limite de la région appauvrie a une structure supplémentaire. Partant de la distribution principale des gènes, il existe un ensemble de 59 gènes avec des taux de transcription et de traduction très élevés (??m > 80 h -1 et ??p > 1000 ARNm -1 h -1 , indiqué par une flèche sur la figure 2d). Environ 90 % de ces gènes sont des protéines ribosomiques. Les autres sont des protéines de grande abondance telles que l'enzyme de glycolyse écartA (les E. coli équivalent de Gapdh), la sous-unité c de l'ATP synthase et les protéines de la membrane externe (OMP). La plupart des gènes de cet ensemble sont essentiels à la viabilité cellulaire, comme l'indiquent les expériences de knock-out (Fig. 2b supplémentaire). Si l'on supprime les gènes essentiels des données, la limite de la région appauvrie se déplace vers le haut et correspond étroitement au reste des gènes avec une interception plus élevée, k = 44 ± 9. Cette intersection plus élevée pour les gènes non essentiels est prédite par la théorie présentée ci-dessous (Fig. 2b supplémentaire, Méthodes).

Une région appauvrie est également trouvée lorsque nous estimons la transcription et la traduction à partir de deux ensembles de données protéomiques et mRNAseq dans H. sapiens et M. musculus (Fig. 2c, d). Enfin, nous observons la région appauvrie lors du traçage du taux de rafale de transcription par rapport à la taille de rafale traductionnelle 36,37 déduite des mesures d'abondance de protéines monocellulaires 17 (Fig. 2e supplémentaire).

Nous avons évalué la signification statistique de la région appauvrie en mélangeant les taux de transcription et de traduction tout en conservant les distributions d'abondance des protéines et les taux de traduction (Fig. 2f–h supplémentaire). Nous constatons qu'aucun des 10 4 ensembles de données mélangés ne montre une région appauvrie comparable dans l'espace de Crick (nombre égal ou inférieur de gènes avec ??p/??m < k, p < 10 -4 ).

Les gènes peuvent atteindre mécaniquement une transcription élevée et une traduction faible

Une explication possible de la région appauvrie est qu'une contrainte biochimique (peut-être encore inconnue) empêche une transcription élevée combinée à une traduction faible. Pour tester cette possibilité, nous avons ré-analysé les mesures de Kosuri et al. 38 sur des gènes synthétiques qui ont fourni un large éventail de taux de transcription et de traduction. Dans cette étude, la GFP a été exprimée en E. coli sous le contrôle de 114 promoteurs et de 111 sites de liaison ribosomale (RBS) de différentes forces. L'abondance relative de l'ARNm et de la protéine GFP a ensuite été quantifiée par mRNAseq et cytométrie en flux.

Les taux de transcription et de traduction des constructions synthétiques chevauchent largement ceux de E. coli gènes (Fig. 2e, Fig. 2i supplémentaire). Cependant, contrairement à E. coli gènes, une grande partie des constructions synthétiques atteint une combinaison de taux de transcription élevés et de faibles taux de traduction. 25% des gènes synthétiques tombent dans la région appauvrie vue pour endogène E. coli gènes. Dans S. cerevisiae ainsi, 32 % des promoteurs synthétiques de la bibliothèque de Sharon et al. 39 tombent dans la région appauvrie (Fig. 2j supplémentaire).

Cette observation appuie la conclusion que la biochimie de l'expression génique peut en principe obtenir une transcription élevée et une traduction faible. À l'appui de cet argument, il existe en effet des exemples de tels gènes dans la région appauvrie pour les quatre organismes. Ceux-ci incluent le facteur de maturation du ribosome janteM dans E. coli, le régulateur de la réponse des acides aminés GCN4 dans S. cerevisiae, et la protéine d'homéostasie du fer Fth1 dans M. musculus et H. sapiens (Fig. 2a–d). Ainsi, les résultats de cet article concernent

99% des gènes, le reste

1 % nécessitant une analyse supplémentaire (voir la discussion pour les effets suggérés pour ces gènes).

À abondance constante de protéines, l'augmentation de la transcription augmente à la fois la précision et le coût de l'expression des gènes

Parce que les contraintes biochimiques ne semblent pas expliquer le manque de gènes combinant une transcription élevée avec une traduction faible, nous avons demandé si des compromis évolutifs pourraient l'expliquer.

On pourrait émettre l'hypothèse que les cellules évitent de combiner une transcription élevée avec une traduction faible afin de minimiser le coût de la synthèse d'ARNm. Dans S. cerevisiae poussant dans un milieu riche, le coût de fitness de l'ARNm est cm

10 -9 par nucléotide transcrit (Méthodes) 21 . Synthétiser un ARNm non bénéfique de longueur jem entraîne une pénalité de taux de croissance ΔFm qui est linéaire avec le taux de transcription 21 , ΔFm = cmjem??m. Pour un ARNm typique de longueur jem = 1300 nucléotides transcrits à une vitesse ??m = 30 ARNm h −1 , le coût de fitness de la transcription est donc cm??mjem ≃ 4 × 10 −5 par heure (Fig. 3a, Méthodes), qui est sélectionnable 18,21 . Le coût de l'ARNm est également sélectionnable dans E. coli 20,22 .

L'augmentation de la transcription à abondance constante de protéines augmente le coût de la transcription et diminue les fluctuations stochastiques de l'abondance des protéines. S. cerevisiae les taux de Weinberg et al. 29 . Les lignes pointillées diagonales sont des lignes d'abondance constante de protéines de 10 à 10 5 protéines par cellule. une La perte de forme cm??mjem due à la transcription (lignes noires) est linéaire dans les taux de transcription ??m et la longueur de l'ARNm jem. Le facteur linéaire cm (introduit dans la section suivante) redimensionne les flux de transcription [nt h −1 ] en perte de fitness [h −1 ]. Dans S. cerevisiae, jem = 1300 nt, cm = 10 -9 nt -1 . b Échelle des coefficients de variation (CV, lignes noires) avec taux de transcription. Nous avons appliqué le lissage gaussien 2D sur les CV (Méthodes). S. cerevisiae données : CV de Newman et al. 17, le profilage des ribosomes et les données mRNAseq de Weinberg et al. 29 . c La précision de l'expression des gènes augmente avec la transcription alors que l'abondance des protéines dépend à la fois de la transcription et de la traduction. Ainsi, à une abondance de protéines donnée, l'augmentation de la transcription augmente la précision de l'expression des gènes au détriment des coûts de transcription plus élevés. Voir également la Fig. 3 supplémentaire

En plus de leur coût, les taux de transcription élevés ont également des avantages dans la réduction du bruit 13,14,15,16. L'augmentation du taux de transcription tout en maintenant l'abondance des protéines fixe devrait donc diminuer les fluctuations stochastiques de l'abondance des protéines.

Pour tester si cette prédiction est valable à l'échelle du génome à travers la diversité du contexte chromosomique et des promoteurs, nous utilisons des mesures des variations de cellule à cellule de l'abondance des protéines dans S. cerevisiae 17 et E. coli 40 . Les variations de cellule à cellule de l'abondance des protéines peuvent être quantifiées par le coefficient de variation (CV). Nous déterminons les contours du CV en fonction du taux de transcription et de traduction en utilisant le lissage gaussien (Méthodes), et les comparons aux contours de l'abondance des protéines. Les deux dans S. cerevisiae (Fig. 3b) et E. coli (Fig. 3a supplémentaire), le CV diminue avec l'augmentation de la transcription et la diminution de la traduction sur chaque lignée équiprotéique. Le CV évolue principalement avec la transcription, comme le prédit la théorie 15 (Méthodes).

Par conséquent, les taux de transcription et de traduction ont un impact à la fois sur la précision de l'expression des gènes et sur l'économie de l'ARNm. À une abondance de protéines donnée, des ratios traduction/transcription élevés entraînent une économie mais également un bruit d'expression génique plus élevé, tandis que des ratios traduction/transcription faibles donnent une précision élevée au détriment d'un coût plus élevé de l'ARNm (Fig. 3c). L'absence de gènes combinant une transcription élevée et une traduction faible pourrait s'expliquer par ce compromis : pour les gènes situés dans la région appauvrie, les avantages d'une précision accrue peuvent être inférieurs aux coûts de transcription.

Le compromis précision-économie et le bruit de fond expliquent la région appauvrie de l'espace Crick

Pour tester quantitativement si un compromis entre précision et économie peut expliquer la région appauvrie, nous avons développé un modèle mathématique minimal du coût de remise en forme et des avantages de la transcription et de la traduction (Fig. 4). Le modèle a deux prédictions principales : d'abord que le rapport optimal entre les taux de traduction et de transcription ??p/??m est fixé par le rapport du coût de transcription par molécule d'ARNm C et la sensibilité du gène au bruit Q (défini ci-dessous). La deuxième prédiction est une formule analytique pour la limite de la région appauvrie - la limite inférieure k sur le ??p/??m ratio—basé sur des paramètres fondamentaux.

Un compromis entre précision et économie peut expliquer l'épuisement des gènes combinant une transcription élevée avec une traduction faible. une La charge sonoreFbruit est la perte de fitness due aux fluctuations stochastiques de l'abondance des protéines. b L'optimal ??p/??m dépend du coût de transcription par ARNm (C) et sur la sensibilité au bruit (Q

|F''(p * )|) le gène est. Les gènes sensibles au bruit ont des fonctions de fitness plus étroites (|F''(p * )| grand). Pour un donné p * , transcription supérieure ??m diminue les fluctuations de l'abondance des protéines. Gènes sensibles au bruit (Q large) devrait donc avoir un faible rapport traduction/transcription. D'un autre côté, la précision est moins critique pour les gènes avec des fonctions de fitness plates (Q petit). Ces gènes devraient avoir plus ??p/??m pour maintenir les coûts de transcription bas. c La précision de l'expression des gènes est limitée par le bruit de fond cv0. L'abondance des protéines et les données CV retracées à partir de Taniguchi et al. 40 . Le plancher de bruit se retrouve également dans le E. coli les mesures de Silander et al. 41 (Fig. 4b supplémentaire). Gènes avec des fonctions de fitness plus étroites que le plancher de bruit cv0 ont une forme physique moyenne négative (left( ight)) . Les gènes avec fitness négatif ne sont pas sélectionnables. Ainsi, le plancher de bruit cv0 empêche la sélection de fonctions de fitness étroites et sensibles au bruit. e La sensibilité au bruit maximale et sélectionnable Qmax détermine la position k de la limite de la région appauvrie. Les protéines situées à la limite ont une sensibilité maximale au bruit Q = Qmax. Les combinaisons possibles de transcription et de traduction correspondent à des gènes moins sensibles au bruit Q < Qmax. F La théorie du compromis précision-économie prédit la position k de la région appauvrie dans les organismes, des bactéries aux mammifères. Les barres d'erreur représentent des intervalles de confiance à 95 %. Les p-valeur est calculée en utilisant le test de Pearson sur 4 organismes (bilatéral). La corrélation entre les mesures et la théorie est robuste à la variation de la fraction de gènes utilisée pour définir la région appauvrie (Fig. 4e supplémentaire). Voir aussi la Fig. 4 supplémentaire

Pour déterminer l'optimum ??p/??m rapport sous le compromis précision-économie, nous modélisons d'abord comment le ??p/??m rapport affecte l'économie et la précision de l'ARNm. Nous modélisons ensuite comment l'économie et la précision de l'ARNm affectent la forme physique. Enfin, nous déterminons une expression analytique pour la valeur optimale ??p/??m rapport.

Pour calculer comment le ??p/??m ratio affecte l'économie, nous modélisons le coût de fitness de la transcription 21 par la fonction linéaire ΔFm = cmjem??mjem est la longueur du (pré-)ARNm et cm est la pénalité de fitness par nucléotide transcrit. cm peut être estimé à partir du taux de croissance ?? et la production transcriptionnelle totale ( eta _m) si nous supposons que les ARNm non bénéfiques sont transcrits aux dépens des ARNm qui codent pour des protéines bénéfiques. Si un total de ( eta _ml_m) nucléotides sont transcrits dans une cellule, la contribution de fitness moyenne de chaque nucléotide est (mu eta _ml_m) . C'est aussi l'aptitude perdue par nucléotide à transcrire un ARNm non bénéfique au détriment d'un ARNm bénéfique. Ainsi, le coût de fitness par nucléotide transcrit est

Cela fournit cm

10 -9 par nucléotide dans S. cerevisiae ce qui concorde bien avec les mesures expérimentales mentionnées ci-dessus (Méthodes).

Bien que le coût de la transcription soit généralement inférieur au coût de la traduction 18,20,21 , le coût de la traduction n'a pas besoin d'être modélisé ici. Pour comprendre pourquoi, notez que le coût de traduction d'un gène dépend du nombre de protéines fabriquées, que les protéines soient synthétisées à partir de quelques ARNm ou de nombreux ARNm. Ainsi, à condition que p des copies de protéines sont nécessaires, le compromis est déterminé par la transcription, c'est-à-dire si beaucoup ou peu d'ARNm sont fabriqués pour fournir le p copies. Le coût pertinent est donc le coût de la transcription.

Pour voir comment ??p/??m et la précision affectent la forme physique, nous considérons une protéine d'abondance p. La protéine apporte une quantité F(p) à l'aptitude de l'organisme (Fig. 4a). Parce que l'abondance des protéines fluctue autour de l'expression moyenne (leftlangle p ight angle = p^ ast) , la cellule ne connaît pas la fitness maximale Fmax mais plutôt une condition physique moyenne inférieure (leftlangle droit angle) . La fitness perdue en raison des fluctuations stochastiques de l'abondance des protéines ΔFbruit est appelée charge de bruit 24,25 (Fig. 4a). En élargissant la fonction fitness F au second ordre et en faisant la moyenne des fluctuations de l'abondance des protéines, nous pouvons calculer la charge de bruit :

La charge sonore augmente avec la courbure des fonctions de fitness (left| ight)> ight|) et avec du bruit ??.

Pour trouver comment ??m et ??p affectent la fitness par la précision de l'expression des gènes, nous notons que ??m et ??p affecter le niveau de bruit ?? 2 d'une manière bien caractérisée. La théorie et les expériences 15,16,17,40 indiquent que la variance de l'abondance des protéines est donnée par

??p est le taux de dégradation des protéines et cv0 est le bruit de fond (Méthodes). Le bruit de fond est la quantité minimale de variation de cellule à cellule de l'abondance des protéines dans les populations clonales 17,40,41,42.

Nous pouvons maintenant déterminer les taux de transcription et de traduction optimaux ??m et ??p qui minimisent la combinaison du coût de transcription ΔFm et de la charge sonoreFbruit (Méthodes),

C = cmjem??m = cmjem??m/m quantifie le coût de la transcription par molécule d'ARNm m pour ce gène, et (Q = frac<1><2>left| ight)> ight|p^ ast) est la sensibilité du gène au bruit. Gènes avec des fonctions de fitness plus étroites (plus grand (left| ight)> ight|) ) sont plus sensibles au bruit car le bruit repousse l'abondance des protéines plus loin de l'optimum. La sensibilité d'un gène au bruit dépend aussi de l'abondance des protéines p * parce que le bruit s'adapte généralement à l'abondance des protéines ?? 2

Le modèle prédit donc une relation entre ??p/??m ratios et la forme des fonctions de fitness (Fig. 4b). Les fonctions de fitness larges devraient avoir de grandes ??p/??m parce que les gènes avec des fonctions de fitness larges ne sont pas sensibles au bruit. Pour ceux-là, la haute précision offre peu d'avantages, et il est préférable de maximiser l'économie en réduisant la transcription. D'autre part, les gènes avec des fonctions de fitness étroites sont sensibles au bruit. Pour ceux-ci, les exigences de haute précision pour maintenir la charge de bruit faible dominent le coût de la transcription. Les gènes avec des fonctions de fitness étroites devraient donc avoir de petites ??p/??m rapports.

Nous avons comparé la prédiction du modèle pour la courbure de la fonction de fitness près de son pic à la mesure récente des fonctions de fitness de 21 gènes dans S. cerevisiae 43 . Nous trouvons que les courbures prédites à partir de ??p/??m sont dans un ordre de grandeur des courbures mesurées sans aucun paramètre d'ajustement (Fig. 4a supplémentaire). Les prédictions et les mesures sont corrélées positivement (r = 0,39). Un test de brassage suggère que l'accord entre les prédictions et les mesures est peu probable en raison du hasard (p = 0,04, Méthodes). Cependant, la variabilité des mesures expérimentales empêche une comparaison concluante.

Pour trouver une borne inférieure k au ??p/??m et expliquer la limite de la région appauvrie, nous notons qu'il y a une limite à la petite taille du bruit dans l'expression des gènes. Cette limite, appelée plancher de bruit cv0, est révélé par des mesures de la variation de cellule à cellule de l'abondance des protéines dans les populations clonales 17,40,41,42 (Fig. 4c, Fig. 4b, c). La cause du bruit de fond est un sujet de recherche actuel 12 et il a été proposé qu'il soit dû à un bruit extrinsèque 40 ou à une taille de rafale transcriptionnelle plus grande de protéines à forte abondance 42 . Le plancher de bruit met une limite supérieure Qmax sur la façon dont les gènes sensibles au bruit peuvent être : si un gène avait une fonction de fitness plus étroite que cette limite (Q > Qmax), la charge de bruit dominerait le bénéfice de l'expression du gène (Fig. 4d), conduisant à une fitness négative. Parce que les gènes avec Q > Qmax ne peut pas être sélectionné, tous les gènes exprimés doivent satisfaire Q < Qmax. La limite de la région appauvrie ??p/??m = k correspond donc aux gènes les plus sensibles au bruit Qmax (Fig. 4e). La région épuisée ??p/??m < k correspond à des taux de transcription et de traduction optimaux pour des gènes dont les fonctions de fitness sont trop étroites compte tenu du bruit de fond.

Trouver k, nous substituons Q = Qmax dans l'éq. (4) pour l'optimum ??p/??m ratio et réécriture k en termes de bruit de fond et d'autres constantes de biologie cellulaire (Méthodes) :

où ( eta _m) est la sortie transcriptionnelle combinée de tous les gènes.

Cette expression fournit une intuition pour les paramètres cellulaires qui définissent la limite de la région appauvrie de l'espace de Crick. Par exemple, un plancher de bruit plus grand cv0 soulève la frontière parce qu'il y a moins d'avantages à avoir une transcription élevée. Une production transcriptionnelle accrue ( eta _m) abaisse la limite car les ARNm individuels sont moins coûteux, permettant une précision accrue dans l'expression des gènes.

Cette formule pour k prédit avec précision la limite de la région appauvrie de l'espace de Crick (Fig. 4f lignes rouges sur la Fig. 2) malgré le fait que k varie de près de deux ordres de grandeur entre les organismes (tableau 1). Ainsi, la région appauvrie peut être expliquée en termes de paramètres fondamentaux tels que le bruit de fond, le taux de traduction maximal, la production totale de transcription et le taux moyen de dégradation des protéines. Les constantes cellulaires individuelles seules ne peuvent pas prédire avec précision k (Fig. 4d supplémentaire). Ni peut k être prédit par le bruit seul sans tenir compte de l'économie, par exemple en faisant l'hypothèse que la région appauvrie est constituée de tous ??m et ??p pour laquelle l'augmentation de la transcription apporte peu de précision supplémentaire par rapport au bruit de fond (Méthodes).


10.3 : Le dogme central - Biologie

Un paradigme est un exemple ou un modèle sur lequel « tout le monde » est d'accord et qui décrit un concept. Le paradigme de la biologie moléculaire est le dogme central. Cette hypothèse a été décrite par Crick en 1958. En 1953, Watson et Crick ont ​​été les premiers à déterminer la véritable structure cristalline de l'ADN (bien qu'il y ait eu quelques théories concurrentes avant eux), en utilisant la construction de modèles puis la cristallographie aux rayons X. Une fois la structure de l'ADN déterminée, les mécanismes derrière l'hérédité, le flux d'informations et la fonction des gènes se sont mis en place. Dans l'ensemble, le flux d'informations est représenté par : ADN --> ARN --> protéine . L'ADN et l'ARN peuvent être répliqués (c'est-à-dire que l'ADN est synthétisé à partir de l'ADN et l'ARN à partir de l'ARN). L'ARN peut être fabriqué ou transcrit à partir de l'ADN. On l'appelle transcription car le même type de "langage" est utilisé dans l'ADN et l'ARN, c'est-à-dire les acides nucléiques. Dans certains cas, l'ARN peut être utilisé pour fabriquer de l'ADN (c'est-à-dire une "transcription inverse") en utilisant une enzyme particulière appelée transciptase inverse. La protéine est synthétisée à partir de l'ARN par Traduction. C'est ce qu'on appelle la traduction, car essentiellement un "langage" différent est utilisé - c'est-à-dire des acides aminés (au lieu d'acides nucléiques). Une fois que la protéine a été synthétisée à partir de l'ARN, l'information est piégée. En d'autres termes, il n'existe aucun mécanisme connu permettant à l'information de revenir dans l'ARN à partir d'une protéine. Du moins, c'était ce qu'on pensait. Les « prions » récemment découverts indiquent qu'il existe en fait un mécanisme pour un type de réplication des protéines, et cela va à l'encontre du dogme central. Essentiellement, le mécanisme se décompose comme suit. Un organisme (disons un être humain), possède une protéine de "type sauvage" (ou une protéine "normale" avec une forme spécifique pour son bon fonctionnement), qui est un homologue d'un prion. Lorsque l'humain est infecté, le prion interagit avec l'homologue de type sauvage et provoque un mauvais repliement (c'est-à-dire que le prion fait changer la forme de la protéine de type sauvage en un prion). Ainsi, il existe un mécanisme simple par lequel certaines protéines peuvent se répliquer. Cependant, ce dogme central de la circulation de l'information est toujours maintenu dans une certaine mesure.

Essentiellement, le dogme central décrit la voie suivante : L'ADN fait l'ARN fait les protéines fait la cellule. Cela suggère que la vie est traçable à l'ADN. Malheureusement, le chemin de l'information est alors raccourci à L'ADN fait la cellule, ce qui conduit finalement à la croyance omnis forma ex ADN (tous sous forme d'ADN). Pour donner un exemple rapide, l'appareil moléculaire pour la traduction ou la transcription est très complexe et nécessite de nombreuses molécules d'ARN et protéines différentes. L'ADN par lui-même ne peut pas faire une cellule.

Avec l'achèvement récent du séquençage du génome humain, il semble être une notion populaire que nous ayons maintenant une carte d'un être humain. 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 Paramecium. 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 Paramecium, 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 La nature 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 ? . Les 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? Les central dogma is a framework to describe the flow of genetic information from DNA to RNA to protéine. When amino acids are joined together to make a protéine molecule, it's called protein synthesis. Chaque protéine 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 Trois principale processus 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.

Figure 1. Schema of central dogma. The central dogma of molecular biology generally describes the process of Traduction 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 transcription 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 modèle 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 ADN 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. Protéines 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 transcription et Traduction and these shall be highlighted in this section. The illustration of the central dogma is shown in Figure 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. Transcription
  2. Traduction
  3. Réplication de l'ADN
  • Transcriptionis 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.
  • Traductionis 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. Codonare 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. Quatrième édition. New York, Garland, USA.

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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.


Voir la vidéo: The Central Dogma of Biology (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Stoner

    Je pense que c'est le mensonge.

  2. Andrian

    Dans ce document, je pense aussi, quelle est la bonne idée.

  3. Ritchie

    Je m'excuse, mais, à mon avis, vous commettez une erreur. Je suggère d'en discuter. Écrivez-moi dans PM.

  4. Salkree

    Je ne comprends pas la raison d'un tel remue-ménage. Rien de nouveau et d'avis différents.



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