V predchádzajúcom článku sme sa venovali Centrálnej dogme molekulárnej biológie, teda vzniku funkčných bielkovín prekladom génov z DNA. Zásadnému prvému kroku prepisovania DNA do RNA sa v ňom ušla iba jediná veta. A pritom sa tam dejú skutočné divy. Dnes to teda napravíme.
DNA sa v bežný pracovný deň (teda keď sa bunka akurát nechystá deliť) nachádza v relaxačnej uvoľnenej polohe, takže rôzne molekuly k nej majú pomerne ľahký prístup (viďPozn.1). Vystavuje na obdiv gény (návody na budúce bielkoviny) zapísané pomocou jednotlivých chemických písmen – báz - zvaných C,G,A,T. Samotná DNA slúži iba ako zdroj genetickej informácie, prepis a preklad tejto informácie, ktorá vo výsledku určuje podobu našich tiel, má na starosti sofistikovaná mašinéria v bunkovom jadre a jeho okolí.
Aby sme si jej fungovanie zjednodušene a odľahčene priblížili, použijeme aktuálne letné prirovnanie.
Obraz I – hotel DNA a turisti s koláčikmi
Osoby a obsadenie:
Bunkové jadro – jedáleň all-inclusive hotela
DNA v chromozómoch – všetky švédske stoly v jedálni
gén – konkrétny stôl, na ktorom sú v presnom poradí poukladané misy zákuskov a koláčikov.
bázy DNA - jednotlivé koláče - písmená génu
RNA polymeráza – hladný turista, ktorý si bude kopírovať ponuku koláčov na stole
pre-mRNA – koláčiky na tanieri konkrétneho turistu
Promoter génu – miesto s tanierikmi na začiatku stola
Terminátor génu – miesto s príbormi na konci stola
V našej pomyselnej jedálni DNA hotela je mnoho stolov (génov), na jednom núkajú rôzne druhy mäsa, inde prílohy, pri tomto našom sú koláče a zákusky. Ku stolu pristupujú vyhladovaní turisti. Sú to slušní a vychovaní turisti (napr. od nás) a preto sa nevrhajú k stolu hala-bala a nejedia rukami, ale idú si pekne na začiatok radu po tanierik. Na tomto mieste je aj tabuľka „smer obsluhy“, aby každý vedel, ktorým smerom sa pri stole posúvať. Turisti kráčajú od jednej misy koláčov k ďalšej a z každého druhu si jeden zoberú. Keď sa dostanú ku koncu stola, majú na tanieri z každého koláča jeden kus na tanieri a keďže si ich tam kladú pekne úhľadne, majú pred sebou vlastne presnú kópiu ponuky na veľkom stole (všetky koláče v presnom poradí). Keď sa dostanú k príborom, vedia, že sú na konci ponuky a decentne od stola odstúpia, kráčajúc na terasu za manželkou, pre ktorú tie koláče naberali.
No a celkom podobne sa to odohráva aj v jadre bunky. Na voľnú DNA sa vrhnú stovky špecifických molekúl – RNA polymeráz a naviažu sa na tzv. promotér génu (začiatok stola). Ten chemicky vyznačuje nielen začiatok prepisu, ale aj jeho smer. Následne polymeráza číta jednotlivé písmená DNA a vytvára jej primárny prepis do jednoduchého reťazca RNA (pre-mRNA). (viďPozn. 2). Na konci génu na DNA sa nachádza terminátor, sekvencia písmen určujúcich miesto kde sa má prepis ukončiť a RNA polymeráza od DNA odpojiť. To ale nie je všetko. Prichádza druhá časť prirovnania.
Obraz II - náročná manželka a intróny.
Osoby a obsadenie:
pre-mRNA – koláče na tanieri - prvotná kópia ponuky na génovom stole
Sliceozóm – veľká a komplikovaná manželka
Exóny – koláče ponechané na tanieri
Intróny – koláče vyhodené z taniera
Koláče vyzbierané v presnom poradí z génového stola sú doručené k manželke čakajúcej na terase. Manželka je veľká a komplikovaná bielkovina zvaná Spliceozóm. Je prieberčivá, lebo z nazbieraných koláčov niektoré povyhadzuje a niektoré ponechá. Vie to podľa toho, aký má ten-ktorý koláč farbu, vôňu a tvar. Z mužského pohľadu to vyzerá ako náhodný proces, ale manželka presne vie, čo robí. Iba menšia časť koláčov sa preto dostáva do igelitovej tašky v jej kabelke, ktorú po obede vynesie z jedálne na pláž a tam ich zje (vyrobí bielkoviny).
Keď sa vrátime späť z hotela do bunky, na primárny preklad DNA v podobe pre-mRNA sa naviažu Spliceozómy, čo sú komplexné molekuly zložené z množstva bielkovín a tiež zo špecifického druhu RNA (snRNA= small nuclear RNA). Tieto Sliceozómy pomocou chemických značiek rozpoznajú, ktoré časti RNA sú pre tvorbu bielkoviny nepotrebné, tie vystrihnú a vyhodia. Odborne sa nazývajú intróny. Odstrihnuté konce pôvodného reťazca mRNA zasa spoja dokopy. Tým ponechaným kusom hovoríme exóny. Vo výsledku tak vzniká výlučne reťazec exónov, ktoré skutočne definujú budúcu bielkovinu. Ak by sa intróny z primárnej RNA nevystrihli, preklad takejto RNA by skončil veľmi zle - pravdepodobne celkom nefunčnou bielkovinou (viďPozn. 3). Pôvodná kópia RNA, často výrazne zostrihaná ako holywoodsky trhák, v podobe hotovej mediátorovej RNA postupuje z jadra cez póry do endoplazmatického retikula, kde na ňu čakajú milióny ribozómov, ktoré zabezpečia preklad do konkrétnej bielkoviny. O ňom sme si ale už niečo povedali minule.
Intróny tvoria celkovo až 26% DNA, takže objemom mnohonásobne prevážia nad užitočnejšími exónmi, ktoré tvoria naopak menej, ako 2% celej DNA. O existencii intrónov a exónov v prepise DNA vieme od roku 1993 a za tento objav bola udelená Nobelova cena. S ich existenciou sa spája mnoho vzrušujúcich otázok. Napríklad: Ako a kedy sa do pekla intróny priplietli do dôležitých kódujúcich sekvencií - exónov? Prečo baktérie veľmi často takmer žiadne intróny nemajú a sú geneticky oveľa čistejšie ako "koruna tvorstva"? Ako súvisí pôvod intrónov s mitochodriami a vznikom bunkového jadra, hlavným znakom nás, eukaryotických tvorov (eu-karyota= dobré jadro)? Ich zodpovedanie súvisí s dejinami komplexných organizmov na tejto planéte, čo si, ako uznáte, zaslúži samostatný článok.
DNA sa teda rozpája, prepisuje, vystrihuje, prekladá a následne skladá do komplikovaných tvarov výsledných bielkovín ako origami. To molekulárne je ešte dokonalejšie a presnejšie ako to japonské, ale vzniká v rozmeroch nanometrov bez zásahu majstra, len na základe chemických pochodov.
Ak by sme si chceli demonštrovať priamy dopad prepisu DNA na zdravie človeka, môžeme tak urobiť na prípade Alzheimerovej choroby. Jej špeciálne dedičné prípady s nástupom prejavov v pomerne skorom veku sú veľmi často zapríčinené poruchou tvorby bielkoviny Presenilínu, dôležitého pri regulácii iónov vápnika Ca2+ v bunke, ktorých úlohu pri vedení nervového vzruchu sme si už popisovali pri synapsiách neurónov. Dnes vieme, že dôvodom tejto konkrétnej poruchy je mutácia génu, ktorý má vynechaný 9. exón. Prepis a následne preklad tohto génu vedie k nefunkčnej podobe Presenilínu, čo sa navonok prejaví príznakmi Alzheimerovej choroby.
Na záver si doprajme video s transkripciou DNA v priamom prenose:
Poznámky:
1 - Keby sme zachádzali do hlbších podrobností, nájdeme tu ďalšiu úroveň komplexnosti a nepreberné množstvo tém: sofistikovaná kompresia 2 metre dlhej DNA v jadre, nahusto spakovaný heterochromatin, prístupný euchromatin, Barr body - spakovaný X chromozóm u žien, epigenetické modifikácie určujúce dostupnosť génov k prepisu, nukleozómy a históny atď atď. Aj na tieto témy hádam v budúcnosti dôjde. Späť do článku...
2 - Pri tvorbe RNA z DNA sa využíva tzv. komplementarita báz. Báza A sa prirodzene chemicky kamaráti iba s T a písmeno C zasa iba s G. Aby to nebolo také jednoduché, RNA používa namiesto písmena T (Tymín) písmeno U (Uracil). Napriek rôznym názvom sú v skutočnosti tieto dve písmená veľmi podobné, len Tymín má na sebe jednu metylovú CH3 skupinu navyše (preto má prezývku aj 5-metyl uracil). RNA polymeráza, ktorá realizuje prepis DNA si kúsok z jej dvojzávitnice "rozzipsuje", okopíruje a zasa spojí. Späť do článku...
3 - Zostrihanie primárneho prepisu DNA, tzv. splicing neprebieha vždy identicky. Spliceozóm môže po vyhodení intrónov zoradiť výsledné exóny v rôznom poradí. To môže mať samozrejme menší či väčší dopad na výslednú bielkovinu, ktorá sa z nich vyrobí. Tento proces sa nazýva alternatívny splicing a je zdrojom obrovskej variability bielkovín. Kým v DNA človeka je len asi 20.000 génov, naše telo disponuje stovkami tisíc rôznych druhov bielkovín. Bez alternatívneho zostrihu DNA by nič takéto nebolo možné. Späť do článku...
4 - vrelo doporučujem prečítanie článku Z. Šándorovej et al.: "Nekódujúca DNA - zbytočnosť alebo nevyhnutnosť" (str. 49-53) v mimoriadnom vydaní časopisu Biológia, ekológia, chémia z r.2013. Veľmi prehľadne sa venujú hlavne funkcii a pôvodu Intrónov.
