การถอดความดีเอ็นเอ: มันทำงานอย่างไร?

ไม่ว่าคุณจะเป็นผู้มาใหม่ในวิชาชีววิทยาหรือผู้คลั่งไคล้มานาน โอกาสนั้นดีมากโดย โดยค่าเริ่มต้น คุณมองว่ากรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) อาจเป็นแนวคิดเดียวที่ขาดไม่ได้มากที่สุดในชีวิต วิทยาศาสตร์. อย่างน้อยที่สุด คุณน่าจะรู้ว่า DNA คือสิ่งที่ทำให้คุณไม่เหมือนใครท่ามกลางผู้คนหลายพันล้านคนใน ให้มีบทบาทในโลกความยุติธรรมทางอาญาตลอดจนเวทีกลางในอณูชีววิทยา การบรรยาย คุณเกือบจะได้เรียนรู้แล้วว่า DNA มีหน้าที่ทำให้คุณมีคุณสมบัติใดๆ ก็ตามที่คุณสืบทอดมา จากพ่อแม่ของคุณและ DNA ของคุณเองเป็นมรดกโดยตรงของคุณไปยังคนรุ่นต่อไปในอนาคตที่คุณควรมี เด็ก ๆ

สิ่งที่คุณอาจไม่รู้มากนักคือเส้นทางที่เชื่อมโยง DNA ในเซลล์ของคุณกับลักษณะทางกายภาพที่คุณแสดงออก ทั้งที่เปิดเผยและปกปิด และลำดับขั้นตามเส้นทางนั้น นักชีววิทยาระดับโมเลกุลได้ผลิตแนวคิดของ "หลักความเชื่อ" ในสาขาของตน ซึ่งสามารถสรุปได้ง่ายๆ ว่า "DNA เป็น RNA เป็นโปรตีน" ส่วนแรกของกระบวนการนี้ – การสร้าง RNA หรือกรดไรโบนิวคลีอิกจาก DNA – เรียกว่า การถอดความและชุดยิมนาสติกชีวเคมีที่ได้รับการศึกษาและประสานงานมาเป็นอย่างดีนี้มีความสง่างามพอๆ กับที่ลึกซึ้งทางวิทยาศาสตร์

DNA และ RNA เป็นกรดนิวคลีอิก ทั้งสองเป็นพื้นฐานของทุกชีวิต โมเลกุลขนาดใหญ่เหล่านี้มีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด แต่หน้าที่ของพวกมันในขณะที่พันกันอย่างประณีตนั้นมีความแตกต่างกันและมีความเชี่ยวชาญสูง

DNA เป็นโพลีเมอร์ ซึ่งหมายความว่าประกอบด้วยหน่วยย่อยที่ทำซ้ำจำนวนมาก หน่วยย่อยเหล่านี้ไม่เหมือนกันทุกประการ แต่มีรูปแบบเหมือนกัน พิจารณาลูกปัดสายยาวที่ประกอบด้วยลูกบาศก์ที่มีสี่สีและมีขนาดแตกต่างกันเล็กน้อย และคุณจะเข้าใจพื้นฐานว่า DNA และ RNA ถูกจัดเรียงอย่างไร

โมโนเมอร์ (หน่วยย่อย) ของกรดนิวคลีอิกเรียกว่า นิวคลีโอไทด์. นิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยโมเลกุลสามกลุ่มที่แตกต่างกัน: กลุ่มฟอสเฟต (หรือกลุ่ม) a น้ำตาลห้าคาร์บอนและเบสที่อุดมด้วยไนโตรเจน ("เบส" ไม่ใช่ในความหมายของ "ฐานราก" แต่หมายถึง "ไฮโดรเจน-ไอออน" ตัวรับ") นิวคลีโอไทด์ที่ประกอบเป็นกรดนิวคลีอิกมีหมู่ฟอสเฟตหนึ่งหมู่ แต่บางกลุ่มมีฟอสเฟตสองหรือสามตัวติดอยู่เป็นแถว โมเลกุลอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) และอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) เป็นนิวคลีโอไทด์ที่มีความสำคัญเป็นพิเศษในการเผาผลาญพลังงานของเซลล์

DNA และ RNA แตกต่างกันในแง่มุมที่สำคัญหลายประการ หนึ่ง ในขณะที่แต่ละโมเลกุลเหล่านี้ประกอบด้วยเบสไนโตรเจนที่แตกต่างกันสี่เบส DNA รวมถึงอะดีนีน (A) ไซโตซีน (C), กัวนีน (G) และไทมีน (T) ในขณะที่อาร์เอ็นเอรวมสามตัวแรกของสิ่งเหล่านี้ แต่แทนที่ uracil (U) สำหรับ ต. สอง น้ำตาลในดีเอ็นเอคือดีออกซีไรโบส ขณะที่ในอาร์เอ็นเอคือไรโบส และประการที่สาม ดีเอ็นเอมีสายคู่ในรูปแบบที่เสถียรที่สุด ในขณะที่ RNA มีสายเดี่ยว ความแตกต่างเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในทั้งการถอดรหัสอย่างจำเพาะและหน้าที่ของกรดนิวคลีอิกตามลำดับเหล่านี้โดยทั่วไป

เบส A และ G เรียกว่า purines ในขณะที่ C, T และ U จัดเป็น pyrimidines ที่สำคัญ A จับกับสารเคมีและเฉพาะกับ T (ถ้า DNA) หรือ U (ถ้า RNA); C ผูกกับ G เท่านั้น โมเลกุลดีเอ็นเอสองสายเป็นส่วนเสริม หมายความว่าเบสในแต่ละเกลียวจะจับคู่ที่ทุกจุดกับฐาน "พันธมิตร" ที่ไม่ซ้ำกันในสายตรงข้าม ดังนั้น AACTGCGTATG จึงเป็นส่วนเสริมของ TTGACGCATAC (หรือ UUGACGCAUAC)

ก่อนที่จะเจาะลึกลงไปในกลไกของการถอดรหัสดีเอ็นเอ คุณควรสละเวลาสักครู่เพื่อทบทวนคำศัพท์ เกี่ยวข้องกับ DNA และ RNA เนื่องจากมีคำที่คล้ายคลึงกันมากมายผสมกัน ทำให้สับสนได้ง่าย พวกเขา

การจำลองแบบ คือการทำสำเนาของบางสิ่งที่เหมือนกัน เมื่อคุณทำสำเนาเอกสารที่เป็นลายลักษณ์อักษร (โรงเรียนเก่า) หรือใช้ฟังก์ชันคัดลอกและวางบนคอมพิวเตอร์ (โรงเรียนใหม่) คุณกำลังทำซ้ำเนื้อหาในทั้งสองกรณี

DNA ผ่านการจำลองแบบ แต่ RNA ตราบใดที่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่สามารถยืนยันได้ ก็ไม่สามารถทำได้ มันเกิดขึ้นเฉพาะจากการถอดความ_._ จากรากภาษาละตินที่หมายถึง "การเขียนข้าม" การถอดความคือการเข้ารหัสข้อความเฉพาะในสำเนาของแหล่งที่มาดั้งเดิม คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับ Medical transcriptionists ซึ่งมีหน้าที่ในการพิมพ์บันทึกทางการแพทย์ที่ทำขึ้นเพื่อบันทึกเสียง ตามหลักการแล้ว คำพูดและข้อความจะเหมือนกันทุกประการแม้สื่อจะเปลี่ยนไป ในเซลล์ การถอดรหัสเกี่ยวข้องกับการคัดลอกข้อความดีเอ็นเอทางพันธุกรรม ซึ่งเขียนด้วยภาษาของลำดับเบสไนโตรเจน เป็นรูปแบบ RNA โดยเฉพาะ RNA ของผู้ส่งสาร (mRNA) การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอนี้เกิดขึ้นในนิวเคลียสของเซลล์ยูคาริโอต หลังจากนั้น mRNA จะออกจากนิวเคลียสและมุ่งหน้าไปยังโครงสร้างที่เรียกว่าไรโบโซม การแปล.

ในขณะที่การถอดความคือการเข้ารหัสทางกายภาพอย่างง่ายของข้อความในสื่อที่แตกต่างกัน การแปลในแง่ชีววิทยาคือการแปลงข้อความนั้นเป็นการกระทำที่มีจุดมุ่งหมาย ความยาวของ DNA หรือข้อความ DNA เดี่ยวที่เรียกว่า a ยีนส่งผลให้เซลล์ผลิตผลิตภัณฑ์โปรตีนที่มีลักษณะเฉพาะ ดีเอ็นเอส่งสารนี้ไปในรูปแบบของ mRNA ซึ่งนำข้อความไปยังไรโบโซมเพื่อให้มันถูกแปลเป็นการสร้างโปรตีน ในมุมมองนี้ mRNA เป็นเหมือนพิมพ์เขียวหรือชุดคำสั่งในการประกอบเฟอร์นิเจอร์

หวังว่าจะช่วยไขความลึกลับที่คุณมีเกี่ยวกับกรดนิวคลีอิกได้ แต่โดยเฉพาะการถอดความล่ะ?

DNA ค่อนข้างมีชื่อเสียงถูกถักทอเป็นเกลียวสองเกลียว แต่ในรูปแบบนี้ มันจะเป็นเรื่องยากที่จะสร้างอะไรจากมัน ดังนั้นใน การเริ่มต้น เฟส (หรือขั้นตอน) ของการถอดรหัสโมเลกุลดีเอ็นเอจะคลายออกโดยเอนไซม์ที่เรียกว่าเฮลิเคส สาย DNA ที่เป็นผลลัพธ์เพียงหนึ่งในสองเส้นเท่านั้นที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอในแต่ละครั้ง เกลียวนี้เรียกว่า ไม่เข้ารหัส เนื่องจากตามกฎของการจับคู่เบสของ DNA และ RNA ทำให้สาย DNA อื่นมีลำดับเบสไนโตรเจนเหมือนกันกับ mRNA ที่จะสังเคราะห์ จึงทำให้สายนี้ การเข้ารหัส สาระ จากประเด็นที่ทำไว้ก่อนหน้านี้ คุณสามารถสรุปได้ว่าสาย DNA และ mRNA ที่รับผิดชอบในการผลิตเป็นส่วนเสริม

เมื่อเกลียวพร้อมสำหรับการดำเนินการ ส่วนหนึ่งของ DNA ที่เรียกว่าลำดับโปรโมเตอร์จะระบุตำแหน่งที่การถอดความจะเริ่มตามเกลียวนั้น เอ็นไซม์ RNA polymerase มาถึงตำแหน่งนี้และกลายเป็นส่วนหนึ่งของโปรโมเตอร์คอมเพล็กซ์ ทั้งหมดนี้เป็นการทำให้แน่ใจว่าการสังเคราะห์ mRNA เริ่มต้นตรงที่มันควรจะเป็นบนโมเลกุล DNA และสิ่งนี้จะสร้างสาย RNA ที่เก็บข้อความเข้ารหัสที่ต้องการ

ต่อไปใน การยืดตัว เฟส RNA polymerase "อ่าน" สาย DNA โดยเริ่มจากลำดับโปรโมเตอร์และเคลื่อนที่ไปตามสาย DNA เช่น ครูเดินขึ้นไปแถวของนักเรียนและแจกจ่ายการทดสอบโดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ไปยังส่วนปลายของ RNA ที่สร้างขึ้นใหม่ โมเลกุล

พันธะที่สร้างขึ้นระหว่างกลุ่มฟอสเฟตของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับกลุ่มไรโบสหรือดีออกซีไรโบสบนนิวคลีโอไทด์ถัดไปเรียกว่า การเชื่อมโยงฟอสโฟไดสเตอร์. สังเกตว่าโมเลกุลดีเอ็นเอมีสิ่งที่เรียกว่าปลายทาง 3' ("ทรีไพรม์") ที่ปลายด้านหนึ่งและขั้ว 5' ("ห้าไพรม์") ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง โดยตัวเลขเหล่านี้มาจาก ตำแหน่งขั้วคาร์บอน-อะตอมใน "วงแหวน" ของเทอร์มินัลไรโบสตามลำดับ เมื่อโมเลกุล RNA เติบโตในทิศทาง 3' มันจะเคลื่อนที่ไปตามสาย DNA ใน 5' ทิศทาง. คุณควรตรวจสอบไดอะแกรมเพื่อให้แน่ใจว่าคุณเข้าใจกลไกของการสังเคราะห์ mRNA อย่างถ่องแท้

การเติมนิวคลีโอไทด์ – โดยเฉพาะนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟต (ATP, CTP, GTP และ UTP; ATP คือ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต, CTP คือ ไซทิดีน ไตรฟอสเฟต เป็นต้น) – สำหรับ mRNA ที่ยืดออกนั้นต้องการพลังงาน เช่นเดียวกับกระบวนการทางชีววิทยามากมาย พันธะฟอสเฟตในตัวนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟตเอง เมื่อพันธะฟอสเฟต-ฟอสเฟตพลังงานสูงถูกทำลาย นิวคลีโอไทด์ที่เป็นผลลัพธ์ (AMP, CMP, GMP และ UMP; ในนิวคลีโอไทด์เหล่านี้ "MP" ย่อมาจาก "monophosphate") จะถูกเพิ่มลงใน mRNA และโมเลกุลฟอสเฟตอนินทรีย์คู่หนึ่งซึ่งมักจะเขียนเป็น PP_ผม, หลุด.

เมื่อมีการถอดรหัสเกิดขึ้น ตามที่ระบุไว้ใน DNA สายเดียว อย่างไรก็ตาม พึงระวังว่าโมเลกุลดีเอ็นเอทั้งหมดไม่คลายเกลียวและแยกออกเป็นเกลียวคู่ขนานกัน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับการถอดความเท่านั้น เป็นผลให้คุณสามารถเห็นภาพ "ฟองการถอดเสียง" ที่เคลื่อนที่ไปตามโมเลกุลดีเอ็นเอ นี่เป็นเหมือนวัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามซิปที่ถูกคลายซิปโดยกลไกหนึ่งในขณะที่กลไกอื่นจะรูดซิปอีกครั้งในการปลุกของวัตถุ

ในที่สุด เมื่อ mRNA มีความยาวและรูปแบบที่ต้องการแล้ว การเลิกจ้าง เฟสกำลังดำเนินการอยู่ เช่นเดียวกับการเริ่มต้น เฟสนี้เปิดใช้งานโดยลำดับดีเอ็นเอเฉพาะที่ทำหน้าที่เป็นสัญญาณหยุดสำหรับ RNA polymerase

ในแบคทีเรีย สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั่วไปสองวิธี ในข้อใดข้อหนึ่ง ลำดับการสิ้นสุดจะถูกถอดความ ทำให้เกิดความยาวของ mRNA ที่พับกลับเข้าไปในตัวมันเอง และด้วยเหตุนี้จึง "รวมกลุ่ม" ขณะที่ RNA polymerase ยังคงทำงาน ส่วนที่พับของ mRNA เหล่านี้มักถูกเรียกว่าสายกิ๊บ และเกี่ยวข้องกับการจับคู่เบสเสริมภายในโมเลกุล mRNA ที่เป็นเกลียวเดี่ยวแต่บิดเบี้ยว ปลายน้ำจากส่วนกิ๊บนี้เป็นส่วนที่ยืดออกของฐาน U หรือสารตกค้าง เหตุการณ์เหล่านี้บังคับให้ RNA polymerase หยุดเพิ่มนิวคลีโอไทด์และแยกตัวออกจาก DNA เป็นการสิ้นสุดการถอดรหัส สิ่งนี้เรียกว่าการสิ้นสุดของ rho-independent เนื่องจากไม่ได้อาศัยโปรตีนที่เรียกว่าปัจจัย rho

ในการยุติที่ขึ้นกับ rho สถานการณ์จะง่ายกว่า และไม่ต้องการเซ็กเมนต์ mRNA ของกิ๊บหรือ U เรซิดิว ในทางกลับกัน ปัจจัย rho จะผูกมัดกับจุดที่ต้องการบน mRNA และดึง mRNA ออกจาก RNA polymerase ทางกายภาพ การสิ้นสุดของ rho-independent หรือ rho-dependent เกิดขึ้นหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับเวอร์ชันที่แน่นอนของ RNA polymerase ที่ทำหน้าที่ เกี่ยวกับ DNA และ mRNA (มีหลายชนิดย่อย) เช่นเดียวกับโปรตีนและปัจจัยอื่น ๆ ในเซลล์ทันที สิ่งแวดล้อม

เหตุการณ์ที่ลดหลั่นกันในท้ายที่สุดนำไปสู่ ​​mRNA ที่แตกออกจาก DNA ที่ฟองการถอดรหัส

มีความแตกต่างมากมายระหว่างการถอดรหัสในโปรคาริโอต (เกือบทั้งหมดเป็นแบคทีเรีย) และยูคาริโอต (สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่น สัตว์ พืช และเชื้อรา) ตัวอย่างเช่น การเริ่มต้นในโปรคาริโอตมักจะเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงฐาน DNA ที่เรียกว่ากล่อง Pribnow ด้วย, ลำดับเบส TATAAT นั้นอยู่ห่างจากจุดที่เกิดการเริ่มต้นการถอดความเองประมาณ 10 คู่เบส อย่างไรก็ตาม ยูคาริโอตมีลำดับเอนแฮนเซอร์อยู่ในตำแหน่งที่ห่างจากตำแหน่งเริ่มต้นมากพอสมควร เช่น รวมทั้งโปรตีนกระตุ้นที่ช่วยทำให้โมเลกุลดีเอ็นเอเสียไปในลักษณะที่ทำให้ RNA. เข้าถึงได้ง่ายขึ้น พอลิเมอเรส

นอกจากนี้ การยืดตัวยังเกิดขึ้นได้เร็วกว่าในแบคทีเรียประมาณสองเท่า (ประมาณ 42 ถึง 54 คู่เบสต่อนาที ชิดหนึ่งคู่ต่อวินาที) เช่นเดียวกับในยูคาริโอต (ประมาณ 22 ถึง 25 คู่เบสต่อนาที) ในที่สุด ในขณะที่กลไกการสิ้นสุดของแบคทีเรียได้อธิบายไว้ข้างต้น ในยูคาริโอต ระยะนี้เกี่ยวข้องกับปัจจัยการสิ้นสุดที่จำเพาะ รวมทั้งสายของ RNA ที่เรียกว่าโพลี-A (ดังเช่นในหลาย ๆ adenine ฐานเป็นแถว) "หาง" ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าการหยุดการยืดตัวทำให้เกิดความแตกแยกของ mRNA จากฟองสบู่หรือไม่ หรือว่าความแตกแยกเองจะสิ้นสุดการยืดตัวในทันที กระบวนการ.