Home

Wszyscy, którzy na jakimś etapie są katowani w szkole i na studiach mechanizmami replikacji i transkrypcji muszą zadać sobie to pytanie choć raz: po co w ogóle jest to DNA, skoro w RNA można zapisać tę samą informację? A tu takie udziwnianie i komplikowanie? Eony temu istniał nawet „świat RNA„, o ile wierzyć teoriom opartym o analizy bioinformatyczne, a więc RNA może być nośnikiem informacji. Co więcej może być jednocześnie maszynerią enzymatyczną, radzącą sobie prawie tak dobrze jak białka.

Po co nam to całe DNA?

Otóż RNA chyba jednak się nie nadawało na nośnik informacji genetycznej. Trochę tak jak z dyskietkami 3,5′. Ci, którzy je pamiętają, pamiętają też, że korzystanie z nich do instalowania plików i back-upu danych było snem wariata.

Mało pojemne i podatne na zniszczenie – to nie jest dobry nośnik, podobnie jak RNA. Gdy programy były malutkie, dyskietki jakoś funkcjonowały; gdy jednak systemy komputerowe wyewoluowały, taka forma zapisu przestała wystarczać.

Tak samo jest z organizmami żywymi: nie znaleźliśmy dziś ani jednego organizmu, działającego autonomicznie w oparciu o RNA. Wirusy co prawda mogą być pozostałością „tamtego świata” (albo i nie!), ale nie są niezależne i pasożytują na komórkowcach. Natomiast złożoność genomu nawet pasożytniczej Mycoplasma jest o wiele za wysoka na wykorzystanie RNA.

Genetyczne kwarki

Nikt nie wie jak to wszystko się zaczęło: trudno sobie wyobrazić, że nagle w prościutkich, w zasadzie nie metabolizujących jeszcze prawie niczego tworach złożonych z błony, niewielkich oligopeptydów i RNA, nagle wykształcił się nowy, skomplikowany szlak syntezy i przetwarzania informacji. To tak jakby Gutenberg zaraz po swoich pierwszych ruchomych czcionkach zbudował zakład poligraficzny oparty np. o fleksograficzną maszynę drukarską.

Pewne jest tylko to, że szlak syntezy DNA powstał raczej szybko i całkowicie wyparł RNA z funkcji banku danych. Gdy już na dobre zadomowił się w komórce, miał kilka miliardów lat na samodoskonalenie. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak cwana mimo prostoty jest konstrukcja naszego kwasiku.

DNA to nie jest fosforan, deoksyryboza i zasada azotowa. To wkuwamy na lekcjach biologii, a to, co powinniśmy o nim wiedzieć, umyka jakoś dydaktykom. Bo w DNA fosforan nie jest fosforanem w sensie „jakimś tam związkiem chemicznym bez znaczenia”. On jest okładką, oprawą, ochroną i obroną tego, co znajduje się w środku. A przy okazji bardzo zgrabnie tworzy „spawy” pomiędzy kolejnymi zasadami podczas syntezy nowej nici: tzw. dNTP, czyli trifosforany nukleozydów używane do syntezy nici, posiadają dwa wiązania wysokoenergetyczne, które wystarczy odciąć od fosforanu, by doprowadzić do polimeryzacji. Wracając do funkcji ochronnej: ortofosforany są mało podatne na procesy redoks, co jest dodatkową zaletą.

Wewnątrz solidnej oprawy fosforanowej znajdują się deoksyrybonukleozydy, czyli zasady azotowe połączone z pentozą, podobną jak ta w RNA (rybozą), ale jednak inną. Inność deoksyrybozy polega na braku grupy OH w pozycji 2 pierścienia. Czyni to DNA niepodatnym na hydrolizę. W RNA ryboza utrzymała się zapewne ze względu na autokatalityczne właściwości związane z grupą 2’OH; łatwość degradacji jest też korzystna ze względu na współczesną funkcję kwasu rybonukleinowego.

Wieloliterowy alfabet

Jeśli ktoś myśli, że istnieje tylko 5 zasad azotowych (adenina, tymina, uracyl, guanina, cytozyna), to srogo się myli. W przyrodzie spotykamy kilkadziesiąt różnych puryn i pirymidyn, pełniących pewne role w metabolizmie i w katalizie ryboenzymatycznej. Żeby daleko nie szukać: tRNA posiada „nietypowe” zasady w swojej strukturze. Z częstszych warto przytoczyć pseudourydynę, inozynę, izopentyloadeninę, 5-metylocytozynę….

Dlaczego zatem akurat A, T, U, G, C? Dlatego że tak wyszło! Te pięć zasad tworzy ładne pary puryna-pirymidyna, o tej samej szerokości, mogące tworzyć tzw. „oddziaływania stackingowe”, czyli leżeć jedna na drugiej. Dodatkowo reszty boczne tych konkretnych zasad nadają się do modyfikacji przez metylację i acetylację, co w komórce znalazło zastosowanie w regulacji ekspresji genów. Z innych właściwości: te zasady są raczej odporne na degradację chemiczną (poza cytozyną, o czym za chwilę) i tworzą bardzo słabe oddziaływania poza łańcuchem głównym DNA.

Co jednak z tą cytozyną? Za sprawą cytozyny w DNA zamiast uracylu mamy tyminę. Jeśli nie widzicie związku, zaraz Wam go pokażę…

cyt-to-urac

Tak więc pod wpływem środowiska kwaśnego cytozyna przekształca się do uracylu. Jeśli zdarzy się to in vivo w DNA, komórka łatwo wychwyci błąd, bo fizjologicznie w DNA nie ma uracylu. Gdyby jednak występował zamiast tyminy, mutacje zabiłyby każdy gatunek w ciągu kilku pokoleń, bo komórka nie byłaby w stanie odróżnić od normalnej sekwencji w kodonie uszkodzenia powodującego zmianę zasady.

Dlaczego w takim razie w RNA jest uracyl? Na to pytanie trudniej odpowiedzieć. Wydaje się, że uracyl był pierwszy, zanim protoplaści dzisiejszych komórek wynaleźli tyminę. Poza tym uracyl nadaje się do tworzenia „nie-crickowskich” par zasad (G-U wobble* itp.), które są wykorzystywane m.in. w tRNA, rRNA i rybozymach. Jego rola nie ogranicza się więc do kodowania aminokwasów!

Jak widać, zrozumienie struktury DNA wcale nie jest łatwe, ale sam problem jest bardzo fascynujący. Oto bowiem stoimy przed miliardami lat doświadczeń organizmów żywych, które metodą prób i błędów „skroiły sobie życie na miarę”. Miliardy lat to dużo czasu, więc i wynalazek jest dopracowany w najdrobniejszych szczegółach. Tu nic nie dzieje się bez sensu i bez potrzeby.

Przejście w nadświetlną – różnice genomowe

Zwizualizujcie sobie proszę:

– całą sagę książek o Harrym Potterze leżącą na 1 stosiku;
– obok spoczywającą książkę „Hobbit”;
– dalej nowelę „Latarnika”;
– gazetę Wyborczą;
– ulotkę leku;
– notatkę odręczną na kilka linijek;
– linijkę kodu książkowego (jak ktoś nie zna, to taki kod, który za pomocą koordynatów słów w książce zapisuje treść wiadomości. Np. 310-12-2 oznacza słowo z 310 strony, 12 linijki, 2 z kolei).

Co możemy powiedzieć o tych przedmiotach? Są to zbiory słów, czyli danych albo informacji. Takim samym zbiorem jest DNA i/lub RNA. I w zależności od tego, jakie informacje chcemy zawrzeć na naszym nośniku (czy to na papierze czy w genomie), korzystamy z różnej pojemności mediów.

Saga o Harrym reprezentuje genom podzielony na kilka chromosomów (7). Dużo informacji, stopień skomplikowania nie daje się zawrzeć w pojedynczym tomie. Hobbit reprezentuje duży chromosom pierwotniakowy lub drożdżowy. Informacja także wartościowa, ale zwarta i nie tak obszerna.  I tu na samym początku już, porównując te dwa dzieła możemy wysnuć wnioski na temat genomu. Czy od wielkości genomu zależy jego stopień organizacji? Wartość informacji, jaką on zawiera? Jakość tej informacji? Zgodzi się ze mną większość nerdów, że siedmioksiąg o młodym czarodzieju nie umywa się do prozy Tolkiena. A więc odpowiedź brzmi: nie, stopień złożoności informacji, jej konstrukcja i przekaz nie zależą wprost od obszerności informacji. Przechodząc na genomy: salamandry czy też poczciwa kukurydza mają znacznie więcej chromatyny niż człowiek, a nie stworzyły teorii względności ani nie napisały Hamleta!

Wracając do naszej literatury:

Nowelę możemy porównać do genomu bakteryjnego, a gazetę do plazmidu – znacznie prostsze, inaczej uorganizowane (w artykuły, powiedzmy że odpowiadające operonom) źródło informacji. A ulotka leku? Przytaczam ją jako przykład najmniejszych genomów autonomicznych. Wiemy, jak nieczytelne i skomasowane są dane na ulotce syropu czy tabletek. Informacja jest upchana tak jak w małych genomach, gdzie czasami mamy do czynienia z więcej niż jedna otwarta ramka odczytu w jednej sekwencji kodującej (odczyt w obu kierunkach z jednej nici, przesunięcie ramki o jeden i dwa nukleotydy: w sumie daje to maksymalnie sześć ramek w każdym odcinku DNA… choć nie wiem, czy jakikolwiek organizm umiał wykorzystać aż tyle!).

Dochodzimy do notatki odręcznej. To jest analogia dla mRNA, obecnego w każdym organizmie żywym. Nie zależy nam na trwałości ani obszerności tej informacji. Ma ona znaczenie praktyczne (np. lista zakupów, ściąga na egzamin), ale krótkoterminowe. Tak jak mRNA. Ostatni na mojej liście kod książkowy może Wam się wydać wciśnięty na siłę. To jest najbardziej wydajny sposób przekazywania informacji. W kilkunastu znakach można zawszeć całe zdania, korzystając z „gospodarza” jako nośnika informacji. Czy wiecie już gdzie zmierzam? Ku pasożytnictwu wewnątrzkomórkowemu. Wirusy korzystają z przepisów na wiele białek swojego gospodarza, samodzielnie uzupełniając tylko jego maszynerię o elementy, umożliwiające przejęcie kontroli nad tą maszynerią. Tu tkwi geniusz nie-organizmów wirusowch, ale także naszych symbiontów: mitochondriów, a także niektórych malutkich bakterii pasożytniczych, mykoplazm i chlamydii. Nawet pierwotniaki, zarodźce malarii, korzystają z takiej strategii.

size_genome

Podsumowując: genomy należy traktować jako nośniki informacji i nie należy oceniać ich na zasadzie „lepszy/gorszy” pod względem wielkości czy stopnia organizacji. Ważne, żeby nośnik informacji był adekwatny do funkcji, jaką musi spełnić, do kontekstu środowiska, w jakim organizm żyje. Każdy genom był dopieszczany przez dany gatunek od początku jego istnienia, trudno więc oceniać arbitralnie coś tak doskonałego – nieważne czy mówimy o plazmidzie, kariotypie ludzkim czy też wirusowym RNA.

Autorka: Marzena Wojtaszewska, Pisane z labu

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s