Может ли центральная догма работать наоборот?

Давайте сначала рассмотрим, что на самом деле говорит Центральная Догма ^{[ 1 ] .} Это точно показано на следующем рисунке ^{[ 2 ]} :

^{сплошные стрелки представляют передачу информации, которая наблюдалась непосредственно; пунктирные стрелки представляют потенциальную, еще не наблюдаемую передачу информации}

За время, прошедшее с момента первоначальной формулировки Центральной догмы в 1958 году, мы смогли представить доказательства одной из пунктирных линий: РНК→ДНК осуществляется in vivo с помощью обратной транскриптазы . Напротив, обратите внимание на отсутствие каких-либо стрелок, исходящих от «белка». Идея Центральной догмы заключалась в том, что белки являются приемником для передачи информации: информация может поступать только внутрь, а не наружу.

И у Крика и его современников были веские основания предполагать такой сток информации: трансляция с РНК на белки происходит с потерями , потому что генетический код вырожден . Данная аминокислота может кодироваться более чем одним кодоном.

Это не означает, что полипептидные цепи не могут быть обратно транслированы в «а»-представление РНК. Но это не обязательно будет исходная РНК. Сформулировав это таким образом, очевидно, что это возможно: мы действительно можем взять полипептидную цепь, секвенировать ее и синтезировать соответствующую РНК .

Однако в природе этого не происходит — по крайней мере, до сих пор это не наблюдалось, и есть веские основания предполагать, что этого не происходит вообще . На самом деле, статья Крика ^{[ 1 ]} объясняет:

Переход белок→РНК… потребовал бы (обратной) трансляции, то есть перехода из одного алфавита в структурно совершенно другой. Стало понятно, что прямой перевод требует очень сложного механизма. Кроме того, казалось маловероятным, что этот механизм может легко работать в обратном направлении. Единственная разумная альтернатива заключалась в том, что клетка развила совершенно отдельный набор сложных механизмов для обратной трансляции, и следов этого не было, и не было никаких причин полагать, что они могут понадобиться.

«Сложный механизм», о котором здесь упоминает Крик, состоит из двух отдельных частей: с одной стороны, рибосомы , а с другой стороны, аминоацил-тРНК-синтетаз (aaRS, единственное число aaRS). Последний по существу является физическим воплощением генетического кода в клетке. Первый - это механизм, необходимый для декодирования РНК с использованием адаптеров кодонов (= тРНК ), заряженных aaRS.

Крик правильно отмечает, что для осуществления переноса белок→РНК клетке потребуется система, аналогичная рибосоме и всем aaRS , избыточно кодирующая точно такую ​​же информацию. И это должно гарантировать, что эти две разные системы кодирования (перевод и обратный перевод) никогда не будут рассинхронизированы друг с другом.

Стоит вкратце задуматься, почему процесс клеточной трансляции не является просто обратимым, учитывая, что это химический процесс, и, таким образом, теоретически обратимый по определению. Причина этого в том, что трансляция происходит в две совершенно разные и физически отдельные стадии: зарядка отдельных тРНК соответствующими им аминокислотами с помощью aaRS и фактическая трансляция мРНК с помощью рибосомы.

Простое изменение активности рибосом привело бы к расщеплению полипептида с одного конца с образованием отдельных аминокислот. Однако на самом деле рибосома не имеет возможности захватывать эти аминокислоты, они просто диффундируют, не прикрепляясь к тРНК, не говоря уже о правильной тРНК. Успешная обратная трансляция должна физически соединить каждый тип aaRS по очереди с рибосомой, чтобы гарантировать, что концевые аминокислоты будут спарены с правильной тРНК, которая, в свою очередь, будет спарена с кодоном. Есть два основных возражения против него, которые делают его невозможным:

• Кодоны, которые могут быть объединены в цепочки мРНК, не плавают по отдельности. На самом деле короткие цепи РНК очень нестабильны и быстро разрушаются. Напротив, отдельные рибонуклеотиды могут объединяться в цепочки — в конце концов, полимеразы именно этим и занимаются весь день. Но рибосома не обладает полимеразной активностью, и антикодон тРНК не обеспечивает достаточную физическую поддержку, чтобы позволить полимеразе пристыковаться к нему и начать синтезировать вторичную цепь.
• Стерические препятствия не позволяют ферментам aaRS взаимодействовать с тРНК, пока они удерживаются рибосомой: рибосома и aaRS должны были бы физически перекрываться.

Трудно получить окончательные ответы в науке исключительно из теоретических соображений, но этот ответ настолько же очевиден, насколько вы, вероятно, получите: клеточная трансляция с использованием рибосомы — необратимый процесс. Поэтому обратный перевод, если бы он существовал, потребовал бы отдельного механизма.

Вопреки моему мнению, это может быть возможно.

Основная проблема, на которую мы должны обратить внимание, - это преобразование белка в РНК, поскольку мы знаем, что преобразование РНК в ДНК может быть осуществлено с помощью обратной транскрипции.

Некоторые ученые-эволюционисты считают, что обратный перевод может быть процессом, который мог произойти естественным образом в процессе эволюции и создать центральную догму, известную нам сегодня. Следовательно, все еще существует вероятность того, что существует механизм этого процесса, который остается неоткрытым. То, что у нас нет доказательств этого, не означает, что этого не существует.

Также разрабатывается продукт под названием PeplicaTM, который, как утверждается, способен преобразовывать белок в РНК, которую затем можно амплифицировать с помощью обычной ПЦР. Тем не менее, я не могу найти много информации об этом, что заставляет меня немного сомневаться в том, действительно ли это работает.

Ниже приводится небольшой обзор по теме, в котором дополнительно излагаются некоторые моменты, которые я упомянул. Если вам интересно, прочтите.

https://www.omicsonline.org/open-access/revisiting-cricks-dogma-and-the-impossibility-of-reverse-translation-jtco.1000110.php?aid=24768

Ключевая концепция так называемой Центральной догмы молекулярной биологии Фрэнсиса Крика заключается в том, что генетическая информация для создания новой клетки (или организма) закодирована в клеточной ДНК, и, следовательно, именно ДНК реплицируется при делении материнской клетки. чтобы дать две дочерние клетки, и это одна и та же ДНК, которая должна быть поровну разделена или передана каждой из дочерних клеток для продолжения жизни.

Основная информация, закодированная в этой ДНК, — это последовательность всех белков, которые могут понадобиться дочерним клеткам, чтобы остаться в живых. Итак, у нас есть:

«ДНК производит РНК, а РНК — белок»

Где информационная РНК является временным посредником между тем, где хранится генетическая информация, и тем, где генетическая информация расшифровывается (на рибосомах, где происходит синтез белка).

Обращением к центральной догме была бы ситуация, когда белки клетки содержат генетическую информацию, которая реплицируется в материнской клетке, а затем разделяется или передается двум дочерним клеткам. Если бы белки могли быть обратно транслированы в генетическую мРНК (это, безусловно, было сделано в пробирке, где первичная последовательность белка использовалась для создания олигонуклеотидного праймера (предположительно состоящего из ДНК) (для этого требовался человек, который мог бы прочитать универсальная таблица генетического кода — тоже составленная людьми)), то теоретически РНК может быть преобразована в копию ДНК с помощью RT, как вы описали. Но тогда мы остаемся с неполным сценарием, где именно последовательности ДНК должны обеспечивать ферментативную, структурную и регуляторную роль результирующих клеток (т. е. все роли, которые в настоящее время выполняют белки).

ДНК не обладает никакой ферментативной активностью (насколько нам известно), поэтому на данный момент предложенная вами модель не кажется жизнеспособной.

Вы также игнорируете тот факт, что генетический код вырожден, так что существует до шести различных кодонов, которые могут кодировать одну из 20 распространенных аминокислот, поэтому любая обратная транслатаза должна быть неточной.

Задумайтесь над вопросом: где внутри клетки хранится таблица генетического кода?

Рассмотрим следующую теоретическую возможность молекулярного механизма передачи информации от белка к РНК или ДНК. Можно представить себе «адаптеры» (либо белок, либо РНК, либо даже ДНК), которые с высокой аффинностью связываются с определенной белковой складкой. Есть оценки около 4000 возможных различных белковых складок, из них ~ 2000 пока продемонстрировано) (Govindarajan et al. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10382668/). Таким образом, можно представить ~2000 различных адаптеров, некоторые из которых могут одновременно связываться с белком и приводиться в линейный регистр с помощью гибких линкерных участков различной длины. Затем можно представить, что на других концах этой гибкой области находится трехбуквенный кодон (или антикодон). Представьте себе полимеразу, которая либо полимеризует зарегистрированный массив кодонов (или образует ядро ​​растущей цепи РНК на нековалентно расположенных антикодонах). Эта фантазия физически правдоподобна, но маловероятно, что она будет конкурировать с прямой передачей генетической информации. Однако на экзопланетах жизнь могла эволюционировать, чтобы передавать информацию от полимеров неправильной формы к полимерам с правильными характеристиками для безопасного хранения. Другими словами, можно представить передачу информации от сложных кодировщиков к простым,