Moleküler Biyolojinin Merkez Dogması: Genetik Bilginin Akışı ve Önemi

Moleküler biyolojinin merkez dogması, biyolojik sistemlerde genetik bilginin nasıl aktarıldığını açıklayan temel bir ilkedir. Genellikle "DNA, RNA yapar ve RNA da protein yapar" şeklinde ifade edilir. Ancak bu tanım, aslında merkez dogmanın orjinal anlamını tam olarak yansıtmaz. Merkez dogma ilk kez Francis Crick tarafından 1957 yılında öne sürülmüş ve 1958 yılında yayımlanmıştır.

Crick, merkezi dogmayı şu şekilde tanımlamıştır:"Bir kez bilgi proteine geçtiğinde, oradan geri çıkamaz. Daha ayrıntılı olarak nükleik asitten nükleik aside veya nükleik asitten proteine bilgi transferi mümkün olabilir, ancak proteinden proteine veya proteinlerdeki amino asitlerin dizilimini ifade eder.

Crick, bu tanımı 1970'te Nature dergisinde yayınlanan bir makalede yeniden ifade etmiştir: "Moleküler biyolojinin merkez dogması, kalıntıların ayrıntılı bir şekilde ardışık bilgi aktaramını ele alır. Bu bilgi, proteinden ne proteine ne de nükleik aside geri aktarılamaz."

Bazı biyologlar arasında, Watson'ın 1965'te yayınladığı "Genin Moleküler Biyolojisi" kitabındaki DNA ->RNA->protein yolunun merkez dogma olarak görülmesi yanlış bir anlaşılmaya yol açmıştır. Crick'in orjinal tanımı bugün hala geçerliliğini korurken, Watson'ın versiyonu bu anlamda doğru kabul edilmemektedir.

Biyolojik Dizi Bilgisi ve Aktarımı

DNA, RNA ve (poli)peptitlerden oluşan biyopolimerler, doğrusal polimerlerdir, yani her monomer en fazla iki diğer monomere bağlanır. Bu monomerlerin dizisi, aslında bilgi kodlar. Bir molekülden diğerine bilgi aktarımı, bir biyopolimerin dizisinin, başka bir biyopolimerin dizisini oluşturmak için şablon olarak kullanıldığı belirleyici ve güvenilir bir süreçtir. DNA, RNA'ya transkribe edildiğinde, komplementer baz eşleşmesi gerçekleşir. DNA'daki A, G, T ve C bazları sırasıyla RNA'daki A, G, U ve C kodlarına dönüşür. Proteinlerin kodlanması ise üçlü gruplar halinde, yani kodonlar şeklinde yapılır. Standart kodon tablosu, insanlar ve memeliler için geçerlidir; ancak bazı diğer organizmalar(insan mitokondrisi dahil) farklı çeviriler kullanır.

DNA Replikasyonu

Genetik materyalin, ister somatik ister üreme hücrelerinin yavrularına aktarılması için DNA replikasyonunun gerçekleşmesi gerektiği anlamında, DNA'dan DNA'ya kopyalama işlemi bilgi aktarımında temel bir adımdır. Replizom adı verilen karmaşık bir protein grubu, ana iplikten tamamlayıcı ipliğe bilgiyi kopyalayarak bu replikasyon sürecini yürütür.

Transkripsiyon

Transkripsiyon, DNA'nın bir bölümünde yer alan bilginin, yeni oluşturulmuş bir haberci RNA(mRNA) parçası şeklinde yeniden kopyalanması sürecidir. Bu sürece RNA polimeraz ve transkripsiyon faktörleri gibi enzimler aracılık eder. Ökaryotik hücrelerde birincil transkript pre-mRNA'dır. Pre-mRNA'nın translasyona  geçmesi için işlem görmesi gerekir. Bu işlem, 5' ve pre-mRNA zincirine bir poli-A kuyruğu eklenmesini ve ardından splaysingi içerir. Alternatif splaysing gerektiğinde gerçekleşir ve böylece tek bir mRNA'nın üretebileceği protein çeşitliliği artar. Transkripsiyon sürecinin tüm ürününe oldun mRNA zinciri denir.

Translasyon

Olgun mRNA, bir ribozoma taşınır ve burada çevrilir. Prokaryotik hücrelerde, çekirdek olmadığı için transkripsiyon ve translasyon süreçleri açık bir şekilde ayrılmadan sitoplazmada gerçekleşir. Ökaryotik hücrelerde ise transkripsiyonun yapıldığı yer(çekirdek) ile translasyonun yapıldığı yer(sitoplazma)genellikle ayrıdır; bu nedenle mRNA'nın çekirdekten sitoplazmaya taşınması ve burada ribozomlar tarafından bağlanması gerekir. Ribozom, mRNA'nın üçlü kodonlarını okur ve genellikle ribozom bağlanma bölgesinin hemen sonrasındaki bir AUG(başlama kodonu) veya başlatıcı metiyonin kodonuyla başlar. İnisiyason faktörleri ve uzama faktörleri kompleksleri, aminoaçil transfer RNA'ları(tRNA) ribozom - mRNA kompleksine getirir ve burada tRNA'daki anti-kodonla mRNA'daki kodon eşleştirilir. Her tRNA, sentezlenen polipeptit zincirine eklenmesi gereken uygun amino asit kalıntısını taşır. Amino asitler büyüyen peptit zincirine eklenirken, zincir doğru konformasyonda katlanmaya başlar. Translasyon, bir UAA, UGA veya UAG üçlüsü olan bir stop kodonuyla sona erer.

mRNA, olgun bir proteinin özelliklerini belirlemek için gereken tüm bilgiyi içermez. Ribozomdan salınan yeni polipeptit zinciri, nihai ürün ortaya çıkmadan önce genellikle ek işlem gerektirir.  Doğru katlanma süreci, çoğu protein için diğer şaperon proteinlere ihtiyaç duyar. Bazı proteinler, kendi peptit zincirlerinden iç segmentleri çıkarmalı ve boşluğu sınırlayan serbest uçları birbirine bağlamalıdır; bu tür işlemlerde, içte kalan "atılan" bölümler 

intein olarak adlandırılır. Diğer proteinler, splicing olmadan birden fazla bölüme ayrılmalıdır. Bazı polipeptit zincirlerin çapraz bağlanması ve diğerlerinin işlevsel hale gelmeden önce hem gibi kofaktörlere bağlanması gerekir.

Özel Biyolojik Sıra Bilgisi Transferleri

Merkezi dogma çerçevesinde DNA'dan RNA'ya ve RNA'dan proteine bilgi aktarımı temel bilgi akışını temsil eder. Ancak bazı özel durumlarda, bu bilgi akışı belirli yollarla sapabilir ve bu da moleküler biyolojinin bazı benzersiz süreçlerini içerir. Bu özel transfer yolları, belirli koşullar altında ve belirli organizmalarda gözlemlenebilir ve bunlar, biyolojik bilgi akışının dinamik doğasını ve potansiyel esnekliklerini anlamada önemli ipuçları verir.

Ters Transkripsiyon

Asıl konuya gitmek için tıklayınız.

Ters transkripsiyon, bilginin RNA'dan DNA'ya aktarılmasıdır. Bu durum HIV gibi retrovirüsler ile ökaryotlarda, retrotranspozonlar ve telomer sentezi gibi olaylarda gerçekleşir. RNA'daki genetik bilgini yeni DNA'ya kopyalanması süreci olarak tanımlanır. Bu süreçte yer alan enzimler, Ters Transkriptaz ailesine aittir.

RNA Replikasyonu

RNA replikasyonu, bir RNA'nın başka bir RNA'ya kopyalanması işlemidir. Birçok virüs bu şekilde çoğalır. RNA'dan yeni RNA kopyalayan enzimler, RNA-bağımlı RNA polimerazlar olarak adlandırılır ve birçok ökaryotta da RNA'nın susturulmasında rol alır. RNA düzenleme işlemi de, RNA dizisinin bir protein kompleksi ve "kılavuz RNA" aracılığıyla değiştirilmesi şeklinde, RNA'dan RNA'ya bilgi transferi olarak görülebilir.

DNA'dan Proteine Doğrudan Çeviri

DNA'dan proteine doğrudan çeviri, hücre dışı bir sistemde, E.coli'den elde edilen ancak bütün hücre içermeyen ekstrelerle gösterilmiştir. Bu hücre parçacıkları, başka organizmalardan izole edilmiş tek iplikli DNA şablonlarından protein sentezleyebilir ve neomisin bu etkiyi artırabilir. Ancak, bu çeviri mekanizmasının genetik kodla özel bir şekilde uyumlu olup olmadığını net değildir.

Translasyon Sonrası Modifikasyon

Protein amino asit dizileri nükleik asit zincirlerinden çevrildikten sonra uygun enzimler tarafından düzenlenebilir. Bu, protein dizisini etkileyen bir protein şekli olmasına rağmen, merkezi dogma ile açıkça ele alınmaz. Ancak, iki alanın ilgili kavramlarının birbiriyle çok az ilgisi olduğu durumlar vardır.

Ribozom Dışı Peptit Sentezi

Bazı proteinler, yalnızca bir tür peptidi sentezleyen büyük protein kompleksleri olan ribozom dışı peptit sentetazlar tarafından sentezlenir. Ribozom dışı peptitler genellikle döngüsel ve/veya dallanmış yapılara sahiptir ve ribozom tarafından sentezlenen proteinlerden farklı olarak protein olmayan amino asitleri içerebilir. Ribozom dışı peptitlere örnek olarak bazı antibiyotikler verilebilir.

İnteinler

İntein, bir proteinin amino asit zincirinden "kendini kesip" ribozomdan çıktıkça kalan kısımları bir peptit bağı ile yeniden birleştirebilen "parazit" bir segmettir. Bu, bir proteinin kendi birincil dizisini, bir genin DNA'sı tarafından orijinal olarak kodlanan diziden değiştirdiği bir durumdur. Ek olarak, çoğu intein, bir intein olmayan kopya bulabilen bir homing endonükleaz veya HEG domaini içerir. İntein içermeyen kopyayla temas ettiğinde, HEG domaini DNA çift iplikle kırılma onarım mekanizmasını başlatır. Bu süreç, intein dizisinin orijinal kaynak genden intein içermeyen gene kopyalanmasına neden olur. Bu, bir proteinin doğrudan DNA dizisini düzenlenmesi ve dizinin kalıtsal yayılımını artırmasının bir örneğidir.

Metilasyon

DNA'nın metilasyon durumundaki değişiklikler, gen ekspresyon seviyelerini önemli ölçüde değiştirebilir. Metilasyon değişiklikleri genellikle DNA metilazlarının etkisiyle meydana gelir. Değişiklik kalıtsal olduğunda epigenetik olarak kabul edilir. Bilgi durumundaki değişiklik kalıtsal olmadığında, somatik bir epitipe olarak adlandırılır. Etkili bilgi içeriği, bir protein veya proteinlerin DNA üzerindeki etkisiyle değiştirilmiştir, ancak birincil DNA dizisi değişmez.

Prionlar

Prionlar, belirli amino asit dizilerine ve belirli konformasyonlara sahip proteinlerdir. Konak hücrelerde, aynı amino asit dizisine sahip ancak organizma için işlevsel olarak önemli veya zararlı olan farklı bir konformasyondaki diğer protein moleküllerinde konformasyonel değişiklikler yaparak kendilerini çoğaltırlar. Protein prion formuna dönüştürüldüğünde işlevi değişir. Sırasıyla yeni hücrelere bilgi akarabilir ve bu dizinin daha işlevsel moleküllerini alternatif prion formuna yeniden yapılandırabilir. Mantar prionlarının bazı türlerinde bu değişim sürekli ve doğrudandır; bilgi akışı Protein -> Protein şeklindedir.

Doğal Genetik Mühendislik

James A. Shapiro, bu örneklerin bir alt kümesinin doğal genetik mühendislik olarak sınıflandırılması gerektiğini ve merkezi dogmayı çürütmek için yeterli olduğunu savunur. Shapiro'nun görüşü saygı görse de, eleştirmenleri merkezi dogmayı Crick'in niyetiyle uyumlu bir şekilde olduğuna ikna olmamışlardır.

Bu kısım Wikipedia'dan alıntılanmıştır.

Dogma Teriminin Kullanımı

Francis Crick, otobiyografisi What Mad Pursuit'te, "dogma" kelimesini seçmesi ve bunun yol açtığı bazı sorunlar hakkında yazdı: "Bu fikri merkezi dogma olarak adlandırdım, sanırım iki nedenden dolayı. Zaten dizilim hipotezi'nde bariz kelime olan hipotezi kullanmıştım ve ek olarak bu yeni varsayımın daha merkezi ve daha güçlü olduğunu düşündürmek istedim... Sonuç olarak, dogma kelimesinin kullanılması neredeyse sağladığından daha fazla sorun yarattı. Yıllar sonra Jacques Monod, bana dogma kelimesinin doğru kullanımını anlamadığımı fark ettirdi; bu, şüphe edilemez bir inançtır. Bunu belirsiz bir şekilde anladım ama tüm dini inançların temelsiz olduğunu düşündüğümden, kelimeyi kendim nasıl düşünüyorsam öyle kullandım, çoğu insanın yaptığı gibi değil ve her ne kadar makul görünse de, çok az doğrudan deneysel desteği olan büyük bir hipoteze uyguladım."

Benzer şekilde, Horace Freeland Judson, The Eighth Day of Creation'da kaydetmiştir:"Aklımda olan şuydu, dogma makul bir kanıtı olmayan bir fikirdi. Anlıyor musunuz?!" Ve Crick bir sevinç çığlığı attı. "Dogmanın ne anlama geldiğini bilmiyordum. Ve ona gayet iyi "Merkezi Hipotez" diyebilirdim , ya da biliyorsunuz. Söylemek istediğim buydu. Dogma sadece bir slogan olarak kullanılmıştı."

Weismann Bariyeri ile Karşılaştırma

August Weismann'In germ plazm teorisinde, kalıtsal materyal, germ plazm, yalnızca gonadlarda bulunur. Somatik hücreler(vücut hücreleri), her nesilde germ plazmdan yeniden gelişir. Bu hücrelerde olan herhangi bir şey bir sonraki nesli etkilemez.

1982'de August Weismann tarafından önerilen Weismann bariyeri, gametleri üreten "ölümsüz" germ hücre soylarını(germ plazm) ve "atılabilir" somatik hücreleri birbirinden ayırır. Kalıtsal bilgi sadece germ hücrelerinden somatik hücrelere geçer(yani somatik mutasyonlar kalıtsal değildir.) Bu, DNA'nın rolü veya yapısı keşfedilmeden önce, merkezi dogmayı öngörmez, ancak hayatın gen-merkezli bir bakış açısını, moleküler olmayan terimlerle de olsa, tahmin eder.

 

Referanslar

1. Leavitt SA (June 2010). "Deciphering the Genetic Code: Marshall Nirenberg". Office of NIH History. Archived from the original on 2015-03-17. Retrieved 2012-03-02.
2. Cobb M (September 2017). "60 years ago, Francis Crick changed the logic of biology". PLOS Biology. 15 (9): e2003243. doi:10.1371/journal.pbio.2003243. PMC 5602739. PMID 28922352.
3. "CSHL Archives Repository | On Protein Synthesis". libgallery.cshl.edu. Retrieved 2018-11-13.
4. Crick FH (1958). "On Protein Synthesis". In F. K. Sanders (ed.). Symposia of the Society for Experimental Biology, Number XII: The Biological Replication of Macromolecules. Cambridge University Press. pp. 138–163.
5. Crick, Francis. H. C. (1958). "On protein synthesis". Symposia of the Society for Experimental Biology. 12. Symposia on the society for Experimental biology number XII: The Biological Replication of Macromolecules. p. 153. PMID 13580867.
6. Crick F (August 1970). "Central dogma of molecular biology". Nature. 227 (5258): 561–3. Bibcode:1970Natur.227..561C. doi:10.1038/227561a0. PMID 4913914. S2CID 4164029.
7. Moran LA (15 January 2007). "Sandwalk: Basic Concepts: The Central Dogma of Molecular Biology". sandwalk.blogspot.com. Retrieved 17 March 2018.
8. Cobb, Matthew (2015). Life's Greatest Secret: The Race to Crack the Genetic Code. Basic Books. ISBN 978-0-465-06267-6. When Crick enuciated the central dogma, his aim was not to reframe Weismann's division of cells into the somatic line and the germ line, or to defend the modern understanding of evolution by natural selection against the idea of the inheritance of acquired characteristics. The central dogma was based on known or assumed patterns of biochemical information transfer in the cell rather than any dogmatic position. As such it was vulnerable to being invalidated by future discoveries. Nevertheless, in its fundamentals it has been shown to be correct. Real or apparent exceptions to this rule, such as retrotranscription prion disease or transgenerational epigenetic effects have not undermined its basic truth. (p. 263)
9. Barrell BG, Bankier AT, Drouin J (1979). "A different genetic code in human mitochondria". Nature. 282 (5735): 189–194. Bibcode:1979Natur.282..189B. doi:10.1038/282189a0. PMID 226894. S2CID 4335828. ([1])
10. Elzanowski A, Ostell J (2008-04-07). "The Genetic Codes". National Center for Biotechnology Information (NCBI). Retrieved 2021-08-03
11. Ahlquist P (May 2002). "RNA-dependent RNA polymerases, viruses, and RNA silencing". Science. 296 (5571): 1270–3. Bibcode:2002Sci...296.1270A. doi:10.1126/science.1069132. PMID 12016304. S2CID 42526536.
12. De Tiège A, Tanghe K, Braeckman J, Van de Peer Y (January 2014). "From DNA- to NA-centrism and the conditions for gene-centrism revisited". Biology & Philosophy. 29 (1): 55–69.