kodon

Kritika půlstoletí panujících domněnek o nadbytečných kodonech

pavelkabrt Evoluce organizmů Napsat komentář

David Tyler

(Z www.arn.org přeložil M. T. – 05/2012)

Kód DNA tvoří kodony (slova o třech písmenech) vybrané z 64 různých kombinací bazí spojujících příslušné dva řetězce DNA. Zmíněných 64 kombinací však kóduje pouze 20 aminokyselin nebo signalizuje ukončení translace daného polypeptidového řetězce (jak vysvětluji zde). Z toho vyplývá, že odlišné kodony jsou s to vytvářet stejnou aminokyselinu. O této skutečnosti se mluví jako o „redundanci“ genetického kódu. V raném stadiu vývoje molekulární biologie chápali vědci tuhle redundanci jako evoluční nahodilou událost, která nestojí za to, aby se jí podrobněji zabývali, avšak zároveň jako náhodu šťastnou, protože umožňovala, aby tak byly tlumeny veškeré negativní účinky bodových mutací. Hromadí se však důkazy o tom, že pojem „redundance“ je zavádějící pojem.

  • „Vědci vědí o téhle redundanci už 50 let, ale v poslední době, s tím, jak dochází k dekódování stále dalších genomů z organizmů tak odlišných jako jsou domácí psi a divoká rýže, došli vědci k závěru, že ne všechny nadbytečné kodony jsou stejné. Mnoho organizmů dává zřetelně přednost jednomu typu kodonů před jinými, i když se konečný výsledek neliší. Uvedená záhada podnítila další výzkum odpovídající na tuto otázku: fungují-li všechny nadbytečné kodony stejně, pročpak dává příroda přednost jednomu konkrétnímu před ostatními?“ (zdroj zde)

Obrázek: Ribozom v akci při translaci proteinu, při sestavování (a následném zkompletování) proteinu krok za krokem (=algoritmicky) vycházejícím z třípísmenných kodonových sekvencí v pásce mRNA a užívajícím tRNA jako aminokyselinové „taxisy“ a břitové destičky polohovacích ramen, a představujícím tak klíčovou součást samoreplikátoru von Neumannova typu (zdroj zde)

Nový výzkum syntézy proteinů u bakterií vnesl do zmíněných sporů nové světlo. „Vědecký tým objevil dosud skrytou a neznámou informační vrstvu v genetickém kódu“, přičemž použil techniku zvanou ribozomové profilování. Tenhle nástroj umožňuje monitoring genetické aktivity v živé buňce včetně měření rychlosti tvorby proteinů.

  • „Profilování ribozomů registruje genetickou aktivitu tak, že z buňky „vydestiluje“ všechny molekulární mechanizmy známé jako ribozomy. Typická bakteriální buňka obsahuje přitom statisíce takových ribozomů, a buňky lidské jich mají ještě víc. Hrají v životě klíčovou úlohu, protože překládají genetická poselství do proteinů. Jejich izolování a maximální „vytěžení“ jejich genetického materiálu umožňuje vědcům zjistit, jaké proteiny buňka právě vyrábí, a v jakém stadiu se tato výroba nalézá. Weissmanovi a Limu se podařilo pomocí téhle techniky změřit tempo, jakým probíhá syntéza proteinů, když statisticky vyhodnotili všechny geny bakteriální buňky, u kterých právě proběhla exprese“ (zdroj zde)

Ribozomy se váží na řetězce mRNA a vyrábějí proteinové struktury. Aby tak mohly činit, musí „přečíst“ sekvence bazí a přeložit je do sekvencí aminokyselin, ze kterých se skládá protein. Celý proces začíná kodonem AUG. Sekvence AUG se však mohou objevovat i jinde na řetězci mRNA, takže je nutný mechanizmus, který by zjistil, zda je konkrétní kodon AUG skutečně počátečním bodem, či pouhou součástí kódovací sekvence. Prokaryota široce využívají sekvence Shine-Dalgarno (sekvence SD) z mRNA umístěné blízko iniciačního kodonu. Sekvence SD se těsně váže na sekvenci anti-Shine-Dalgarno v ribozomu. Jakmile se pak tahle vazba jednou vytvoří, umí už ribozom snadno nalézt ten správný počátek pro syntetizování proteinu.

Zásadním poznatkem, který nový výzkum přinesl, je zjištění, že „redundance“ vyskytující se na sekvencích SD ovlivňují rychlost translace.

  • „Na základě měření tempa produkce proteinů u bakterií došel tým k závěru, že i nepatrné genetické alterace mohou mít dalekosáhlé důsledky. A platí to i pro zdánlivě zanedbatelné genetické změny známé jako „tiché mutace“, u kterých dochází k výpadku jediného písmene v DNA, aniž by to poznamenalo výsledný genetický produkt. Vědci ke svému překvapení zjistili, že zmíněné změny mohou zpomalit produkci proteinu na desetinu či ještě menší díl rychlosti normální. …. Změnu rychlosti přitom způsobuje informace obsažená v tom, co je známo jako nadbytečné kodony – kousky DNA tvořící součást genetického kódu. Bývaly nazývány „nadbytečnými“, protože se dříve myslelo, že obsahují duplicitní, a nikoli rozhodující instrukce. Tento nový objev zpochybňuje půlstoletí panující elementární axiomy biologie“. (zdroj zde)

Nový objev znamená, že genetický kód nese informaci nejen o příslušné sekvenci aminokyselin, nýbrž i o rychlosti, kterou bude translační mechanizmus pracovat. Informace se tedy týkají jak procesu, tak obsahu.

„Vědci se domnívají, že studované pauzy existují jako součást regulačního mechanizmu, který zajišťuje náležitou kontrolu celého procesu – takže buňky neprodukují proteiny v nesprávnou dobu či v nadměrném množství“ (zdroj zde)

Význam citované práce přitom zdaleka přesahuje pouhý výzkum v oblasti bakterií. Redundance je nesprávné označení! Máme zde totiž co dělat s další úrovní informace, jejíž výzkum potrvá ještě nějaký čas. Je správnější pochopení, že jde o možnosti regulace? Cornelius Hunter upozornil na mylné evolucionistické domněnky:

  • „ Pro evolucionisty byla zmíněná redundance jen jednou z řady biologických černých skříněk, které svědčily o dysteleologii přírody (dysteleologie – neúčelnost, pozn. edit.). A tak samozřejmě předpokládali, že mutace, které neprodukují žádnou změnu v sekvenci aminokyselin – takzvané synonymické mutace – , jsou bezcenné a v průběhu dalšího vývoje vymizí. K masivní změně vyžadované evolucí je třeba změny aminokyselinových sekvencí proteinů, a tak se genetická srovnání různých organizmů zaměřují většinou na mutace, které produkují právě takové změny v aminokyselinách – takzvané nesynonymické mutace. I tento předpoklad je však jen jedním z dlouhé řady mylných očekávání. Ve skutečnosti  odhalila genetická srovnání různých organizmů … stav, kdy se nesynonymická místa udržují v genomu nepoměrně déle než místa synonymická, někdy o celý řád či více“. (zdroj zde)

Další článek na blogu rozvířil diskuzi kolem způsobu, kterým se využívají molekulární data k obraně teorie o původu ze společného předka. Na základě tohoto nového chápání funkčnosti „nadbytečných“ kodonů musí být celá zmíněná problematika znovu promyšlena.

  • „Zjištění, že tiché synonymické výměny mezi jednotlivými páry bazí mohou mít význam pro fungování celého genomu, zejména genové exprese, mohou zproblematizovat tvrzení uváděné často na obranu teorie o původu ze společného předka – to znamená tvrzení, že v genech sdílených různými taxony se setkáváme s vyšším výskytem sdílených synonymických (a tedy podle evolucionistických předpokladů funkčně bezvýznamných) výměn než bychom očekávali za předpokladu neutrální evoluce – a toto zjištění by tedy nutně vedlo k závěru o původu ze společného předka.“ (zdroj zde)

Pokud se evoluční teoretici mýlili v předpokladu, že varianty jsou bezvýznamné kromě toho, že se podle nich dá vystopovat evoluční rodokmen, jaké paradigma by nám mohlo pomoci pohnout se dále? Odpovědí je paradigma předpokládající funkčnost a další výzkum pátrající po funkčnosti ve veškeré architektuře živých buněk. Paradigma Plánu je s to tomuto úkolu dostát – je pouze třeba, aby myšlenka designu (plánu) nebyla tak zuřivě napadána odpůrci; dále je třeba konečně náležitě uznat, že biologie jako vědní obor trpí, nehovoří-li se ve vědecké komunitě  otevřeně a férově o otázkách Plánu.

Sekvence anti-Shine-Dalgarno je motorem translační interpunkce a výběru kodonů u bakterií

  • Li Gene-Wei, Eugene Oh a Jonathan S. Weissman. Nature, 484, 538-541 (26. dubna 2012) | doi: 10.1038/nature 10965

K syntéze proteinů pomocí ribozomů dochází v lineárním prostředí, ale nikoli vždy stejnou rychlostí. Krátkodobé přerývky (interpunkce) v ribozomech mohou ovlivňovat celou řadu procesů provázejících translaci včetně targetingu a foldingu proteinů. Zmíněné přerývky ovlivňuje konkrétní sekvence informační RNA. Takže redundance v genetickém kódu umožňuje, aby translace téhož proteinu probíhala různou rychlostí. Naše znalosti jak umístění tak mechanizmu translační interpunkce in vivo jsou velmi omezené.  Prezentujeme zde analýzu translační interpunkce napříč genomem bakterie cestou ribozomové profilace – hlubinného sekvenování zlomků mRNA chráněných ribozomy. Tento přístup umožňuje s vysokým stupněm rozlišení změřit  profily ribozomové hustoty u většiny transkriptů na neexcitovaných, endogenních úrovních exprese. Ke svému překvapení jsme zjistili, že  dekódování kodonů vzácnými transferovými RNA nevede za eutrofických podmínek  k pomalé translaci. Namísto toho způsobují znaky podobné Shine-Delgarno (SD) v kódujících sekvencích množení translační interpunkce. Pomocí pravoúhlého ribozomu se změněnou sekvencí anti-SD ukazujeme, že motorem interpunkce je hybridizace mezi mRNA a 16S ribozomální RNA translačního ribozomu. V sekvencích kódujících proteiny jsou interní sekvence SD potlačovány, což vede k nerovnovážnému stavu bránícímu funkci kodonů a kodonových párů, které připomínají klasická místa s SD. Z našich výsledků vyplývá, že interní sekvence podobné SD jsou hlavními dirigenty tempa translace a globálním motorem kódování bakteriálních genomů.

Další informace

  1. New Layer of Genetic Information Helps Determine How Fast Proteins Are Produced, ScienceDaily (28 March 2012)
  2. A New Study Adds Further Depth to the Information Story, by Jonathan M. (Evolution News & Views, 30 March 2012)
  3. Hunter, C. Here’s What That New UCSF Paper Says in Plain English (And Why Evolution Needs Another Do-Over) (Darwin’s God, 31 March 2012)
  4. Hunter, C. Here is a Completely Different Way of Doing Science, (Darwin’s God, 1st April 2012)

Komentujte

Please Přihlásit to comment
  Subscribe  
Upozornit na