Informatie

4: DNA & The Central Dogma of Biology - Biology


  • 4.1: DNA-structuur
    Dit hoofdstuk over DNA wordt gepresenteerd door design short. Het is bedoeld om een ​​vluchtig overzicht te geven. Meer details over de structuur van nucleïnezuur en zijn rol als drager van genetische informatie kunnen worden geleerd in cursussen en leerboeken over moleculaire biologie. Deze gids is bedoeld om een ​​vluchtig overzicht te geven van dit ingewikkelde vakgebied.
  • 4.2: Het centrale dogma van de biologie
    DNA moet worden gedupliceerd in een proces dat replicatie wordt genoemd voordat een cel zich deelt. Door de replicatie van DNA kan elke dochtercel een volledig complement van chromosomen bevatten.
  • 4.3: De taal van DNA
    In dit korte hoofdstuk leer je hoe moderne moleculair biologen DNA manipuleren, de blauwdruk voor al het leven. Het vierletteralfabet (A, G, C en T) waaruit DNA bestaat, vertegenwoordigt een taal die bij transcriptie en vertaling leidt tot de talloze eiwitten die ons maken tot wie we zijn als soort en als individu

Teken een conceptkaart van het centrale dogma om de concepten samen te vatten en te verbinden. Schrijf DNA–>RNA–>protein in het midden van uw pagina. Voeg de essentiële termen (objecten en processen) toe aan de postklassepagina's voor replicatie, transcriptie en vertaling.

Teken een conceptkaart van het centrale dogma om de concepten samen te vatten en te verbinden. Schrijven DNA–>RNA–>proteïne in het midden van uw pagina. Voeg de essentiële termen (objecten en processen) toe aan de postklassepagina's voor replicatie, transcriptie en vertaling.


Op eiwit gebaseerde analoge overerving: de prionen

Omgekeerde vertaling is tot nu toe niet ontdekt en het lijkt uiterst onwaarschijnlijk dat dit ooit zal worden ontdekt. Het Centraal Dogma gaat echter niet over een specifiek moleculair mechanisme maar over informatiestroom: niet over de (on)mogelijkheid van omgekeerde translatie, maar eerder over het (niet)bestaan ​​van informatiestroom van eiwit naar nucleïnezuur. Is het denkbaar dat dit kanaal van informatieoverdracht toch niet helemaal gesloten is, maar dat de onderliggende moleculaire mechanismen totaal anders zijn dan de hypothetische omgekeerde translatie?

Voer prionen in. De entiteiten die uiteindelijk bekend werden als prionen werden voor het eerst ontdekt als verwekkers van langzame, verwoestende neurodegeneratieve ziekten (spongiforme encefalopathieën), de relatief veel voorkomende scrapie bij schapen en de zeldzame Kuru- en Creutzfeld-Jacob-ziekten bij mensen [6, 7]. De agentia van deze ziekten vertoonden buitengewoon ongebruikelijke eigenschappen, met name buitengewone weerstand tegen behandeling die zelfs de kleinste nucleïnezuurmoleculen inactiveert, zoals hoge doses UV-straling [8]. De geschiedenis van het onderzoek naar de agentia van spongiforme encefalopathieën omvatte talrijke valse aanwijzingen in de aanhoudende zoektocht naar een conventioneel virus of een ongebruikelijk nucleïnezuurbevattend middel dat verband houdt met deze ziekten [9, 10]. Uiteindelijk heeft een reeks nauwgezette experimenten door Prusiner en collega's (die in 1997 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde wonnen) zonder twijfel aangetoond dat een iconoclastische hypothese die oorspronkelijk door Griffith [11] was voorgesteld waar was: de besmettelijkheid van het scrapie-agens was volledig eiwit- bemiddeld [12-15].

De alleen-eiwit infectieuze agentia en vervolgens ontdekte factoren van epigenetische erfelijkheid kregen de naam prionen [15, 16]. De prion-eiwitten nemen twee verschillende conformaties aan, waarvan er één oplosbaar is, terwijl de andere aggregeert om amyloïde-achtige fibrillen te vormen [17-19]. De amyloïde-vormende conformatie bezit zelfvoortplantende eigenschappen: zodra een prionmolecuul deze conformatie aanneemt, interageert het met andere moleculen in de oplosbare conformatie en induceert hun omzetting in de amyloïde-vormende conformatie, net zoals Ice-9 in Kurt Vonnegut's Kattenwieg[20] (Figuur 2). Prionen zijn dus agenten van analoge erfelijkheid, in schril contrast met de mainstream, door nucleïnezuur gemedieerde digitale erfelijkheid.

Prion (Sup35)-gemedieerde generatie van epigenetische variatie.

Een baanbrekende ontdekking die verdere studie van prionen enorm vergemakkelijkte, was de demonstratie dat prionen niet alleen in dieren voorkomen, maar ook in gist, waar ze de epigenetische overerving van fenotypische eigenschappen mediëren [21–26]. Tot op heden zijn ongeveer twee dozijn gistprionen gekarakteriseerd tot een variërende mate van moleculair detail, maar screening op prionovererving geeft aan dat er veel meer bestaan ​​[25-29]. Het onderscheidende structurele kenmerk van prioneiwitten is de aanwezigheid van een wanordelijk prionbepalend domein dat de conformationele overgang in gang zet [30-32]. De prionconformatie vormt zich spontaan met een lage frequentie (in de orde van 10 -6) [33, 34]. Overschakelen van en naar de priontoestand neemt toe onder stress [35-37], en mutanten zijn geïsoleerd, met name in heterologe priongenen, met een veel hogere frequentie van prionvorming [38, 39].

Het best gekarakteriseerde gistprion is [PSI+], de Sup35 translatie-beëindigingsfactor [40]. In de prionstammen waarvan is aangetoond dat ze veel voorkomen in de natuur en geconserveerd zijn in verschillende schimmels [29], is het grootste deel van de Sup35 gesekwestreerd in amyloïde, met als resultaat een dramatische toename van de snelheid van het doorlezen van terminatiecodons [41]. De afwijkende readthrough-eiwitten induceren een verscheidenheid aan fenotypen waarvan een significant deel gunstig is onder selectieve omstandigheden [42, 43]. Het Sup35-prion is dus een katalysator van eiwitvariatie die vaak wordt besproken in termen van de aanpassingsstrategie voor het afdekken van weddenschappen [29, 37, 44]. Elke volwassen gistkolonie zal meerdere cellen met het prion bevatten. Als onder stress de door het prion veroorzaakte variatie schadelijk blijkt te zijn, zullen slechts enkele cellen vergaan zonder waarneembare gevolgen voor de fitheid van de hele kolonie. Als er echter een gunstige variant naar voren komt, hebben de prion-dragende cellen het potentieel om de kolonie over te nemen en te overleven onder ongunstige omstandigheden. Het is minder duidelijk of andere prionen die [PSI+] (Sup35) fenotypische variabiliteit bevorderen, maar de recente resultaten met het [MOT3+]-prion, een repressor van transcriptie, onthulden eigenschappen die over het algemeen die van Sup35 nabootsen [29]. Ook zijn veel van de beschreven prionen eiwitten die betrokken zijn bij transcriptie en RNA-verwerking, wat compatibel is met hun rol bij het genereren van variatie [28, 29]. Bovendien suggereren de bevindingen dat prionvorming wordt geïnduceerd door stress [35-37] en dat prionen nauwkeurig segregeren tussen dochtercellen tijdens celdeling door de werking van de moleculaire chaperonne HSP104 [45-48], sterk suggereren dat prionen ten minste gedeeltelijk adaptief zijn [ 29] in plaats van simpelweg een 'moleculaire ziekte' te zijn [49, 50].

De meest opvallende observatie van prion-gemedieerde epigenetische overerving is dat het met relatief gemak kan worden omgezet in prion-onafhankelijke genetische overerving, een fenomeen dat genetische assimilatie van een epigenetisch overgeërfde eigenschap aanduidt. Assimilatie kan eenvoudig worden bereikt door meiotische herschikking van reeds bestaande genetische variatie [29, 42, 43]. De relatief lage assimilatiefrequentie impliceert dat er meerdere mutaties nodig zijn. Het assimilatiefenomeen is niet in veel detail onderzocht en er zijn met name geen genoomsequenties van de assimilerende stammen gerapporteerd, dus het blijft onbekend wat de exacte mutaties zijn die leiden tot fixatie van de respectieve eigenschappen in een priononafhankelijke vorm. De meest voor de hand liggende mogelijkheid is dat tijdens assimilatie genetische variatie de variatie recapituleert die wordt ontmaskerd door het prion, b.v. de doorleesvarianten geïnduceerd door de Sup35-prionen. Het kan echter niet worden uitgesloten dat dezelfde fenotypische effecten, althans gedeeltelijk, voortvloeien uit verschillende mutaties. Ongeacht de exacte mechanismen, schenden prionen duidelijk het centrale dogma door de informatiestroom van eiwitten naar het genoom mogelijk te maken.


Biointeractief centraal dogma en genetische geneeskunde Antwoordsleutel. Genen zijn sequenties van DNA die voor het grootste deel coderen voor eiwitten.

Het dna draagt ​​de genetische informatie en wordt getranscribeerd naar rna en van daaruit draagt ​​een mrna-molecuul een aminozuursequentie waarvoor van daaruit eiwit wordt gesynthetiseerd. Krijg geweldig studiemateriaal en geweldige services

Enkele van de getoonde werkbladen zijn genetisch werk, genetisch mutatiewerk, activiteit 1 werk, biologie 1 werk i geselecteerde antwoorden, genetica oefenproblemen werksleutel, centraal dogma en studentenwerk genetische geneeskunde, genetica. Biointeractieve startpagina | HHMI BioInteractive


Conclusies

De voorbeelden in dit artikel benadrukken de verschillen in de volgorde van correlatiewaarden die worden waargenomen tussen soorten in het centrale dogma over celpopulaties en afzonderlijke cellen. De statistische analyses van celpopulaties schetsen een beeld dat de expressiecorrelatie tussen dezelfde moleculaire soort erg hoog is en tussen soorten matig hoog. Hoewel enkele celcorrelaties tussen dezelfde soort vergelijkbaar zijn met celpopulaties, vertoonden ze een grotere spreiding in hun expressieplots vanwege het uitgesproken effect van biologische ruis, vooral voor transcripties met lage kopieaantallen. Met name de paarsgewijze correlatie van de afzonderlijke cellen wordt nul voor individuele moleculen (Taniguchi et al., 2010). Het is zelfs bekend dat stochastische fluctuaties en variabiliteit in moleculaire expressies functioneel zijn bij het genereren van beslissingen over het lot van de cel en het kantelen van cellulaire toestanden (Losick en Desplan, 2008 Eldar en Elowitz, 2010 Kuwahara en Schwartz, 2012). Wij zijn van mening dat de sterke omics-brede correlaties optreden als gevolg van strakke gen- en eiwitregulerende netwerken over duizenden moleculen (Barabéx000E1si en Oltvai, 2004 Karsenti, 2008), wat resulteert in opkomende gemiddelde reacties. Door een klein aantal of individuele moleculen te analyseren, kan de correlatiestructuur niet worden waargenomen.

Over het algemeen is het denkbaar dat het bekijken van de informatiestroom van enkel DNA naar eiwit het centrale dogma in twijfel trekt, aangezien de respons van elk molecuul op een bepaald moment waarschijnlijk niet zal correleren. Globaal genomen suggereert de waarneming van de gemiddelde deterministische respons echter dat het netto-evenwicht van de genetische informatie uiterst rechts van de paden blijft. Daarom moet het centrale dogma worden gezien als een macroscopische cellulaire informatiestroom op omics-brede schaal, en niet op het niveau van één gen tot eiwit. Als zodanig geloven we dat de eenvoud ervan een van de meest invloedrijke theoretische pijlers van levende systemen zal blijven.


Andere bronnen

Breng onderzoek naar uw klaslokaal met de pGLO Plasmid (PPT 9,06 MB)

Gebruik pGLO Bacterial Transformation om de wetenschappelijke en technische praktijken te illustreren die worden beschreven in het NGSS-raamwerk.

YouTube pGLO Bacteriële transformatie-afspeellijst

Gebruik deze korte instructievideo's om lessen over bacteriën, bacteriële transformatie en het groen fluorescerende eiwit (GFP) te verrijken.

Casestudy's

Studentgerichte extensies die ook handig zijn voor het voorbereiden van AP-examens.

Casestudy: een rol voor bacteriële transformatie bij het beheersen van malariatransmissie (PDF 3,3 MB)

Casestudy: het darmmicrobioom hacken (PDF 1,5 MB)


Referenties

Twort, F.W. Een onderzoek naar de aard van ultramicroscopische virussen. bacteriofaag 1, 127–129 (2011).

D'Herelle, F. Over een onzichtbare microbe die vijandig staat tegenover dysenterische bacillen: korte notitie door de heer F. D'Herelle, gepresenteerd door de heer Roux. 1917. Onderzoek microbiologisch. 158, 553–554 (2007).

Summers, W.C. Bacteriofaagtherapie. Ann. Rev. Microbiol. 55, 437–451 (2001).

Ruska, H., von Borries, B. & Ruska, E. Die Bedeutung der Übermikroskopie für die Virusforschung. Boog. Virusforsch (Arch. Virol.) 1, 155-169 (in het Duits) (1940).

Summers, WC in de bacteriofagen (red. Kalender, R.) 3-7 (Oxford Univ. Press, 2006).

Ellis, E. L. & Delbruck, M. De groei van bacteriofaag. J. Gen. Physiol. 22, 365–384 (1939).

Luria, S.E. & Delbruck, M. Mutaties van bacteriën van virusgevoeligheid tot virusresistentie. Genetica 28, 491–511 (1943).

Hershey, A.D. & Chase, M. Onafhankelijke functies van viraal eiwit en nucleïnezuur bij de groei van bacteriofaag. J. Gen. Physiol. 36, 39–56 (1952).

Benzer, S. Fijne structuur van een genetisch gebied in bacteriofaag. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 41, 344–354 (1955).

Crick, F.H., Barnett, L., Brenner, S. & Watts-Tobin, R.J. Algemene aard van de genetische code voor eiwitten. Natuur 192, 1227–1232 (1961).

Jacob, F. & Monod, J. Genetische regulerende mechanismen bij de synthese van eiwitten. J. Mol. Biol. 3, 318–356 (1961).

Bertani, G. & Weigle, J. J. Host-gecontroleerde variatie in bacteriële virussen. J. Bacteriol. 65, 113–121 (1953).

Luria, S.E. & Human, M.L. Een niet-erfelijke, door de gastheer geïnduceerde variatie van bacteriële virussen. J. Bacteriol. 64, 557–569 (1952).

Pingoud, A., Wilson, G. G. & Wende, W. Type II restrictie-endonucleasen - een historisch perspectief en meer. Nucleïnezuren Res. 42, 7489–7527 (2014).

Smith, H. O. & Wilcox, K. W. Een restrictie-enzym van Hemophilus influenzae: I. Zuivering en algemene eigenschappen. J. Mol. Biol. 51, 379–391 (1970).

Weiss, B. & Richardson, C. C. Enzymatische breuk en samenvoeging van deoxyribonucleïnezuur, I. Reparatie van enkelstrengige breuken in DNA door een enzymsysteem van Escherichia coli geïnfecteerd met T4-bacteriofaag. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 57, 1021–1028 (1967).

Collins, J. & Hohn, B. Cosmids: een type plasmide-gen-kloneringsvector die verpakbaar is in vitro in bacteriofaag λ koppen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 75, 4242–4246 (1978).

Zhu, B. Bacteriofaag T7 DNA-polymerase - sequenase. Voorkant. microbiologisch. 5, 181 (2014).

Kleckner, N., Roth, J. & Botstein, D. Genetische manipulatie in vivo gebruik van transloceerbare geneesmiddelresistentie-elementen. Nieuwe methoden in bacteriële genetica. J. Mol. Biol. 116, 125–159 (1977).

Wasylyk, B. et al. Specifiek in vitro transcriptie van het conalbumine-gen wordt drastisch verlaagd door eenpuntsmutatie in de homologiesequentie van de T-A-T-A-box. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 77, 7024–7028 (1980).

Groisman, E.A. In vivo genetische manipulatie met bacteriofaag Mu. Methoden Enzymol. 204, 180–212 (1991).

Fiers, W. et al. Volledige nucleotidesequentie van bacteriofaag MS2 RNA: primaire en secundaire structuur van het replicase-gen. Natuur 260, 500–507 (1976).

Sanger, F. et al. Nucleotidesequentie van bacteriofaag ΦX174 DNA. Natuur 265, 687–695 (1977).

Sanger, F., Coulson, A.R., Hong, G.F., Hill, D.F. & Petersen, G.B. Nucleotidesequentie van bacteriofaag λ-DNA. J. Mol. Biol. 162, 729–773 (1982).

Bergh, O., Borsheim, K. Y., Bratbak, G. & Heldal, M. Hoge overvloed aan virussen gevonden in aquatische omgevingen. Natuur 340, 467–468 (1989).

Bratbak, G., Heldal, M., Norland, S. & Thingsstad, T.F. Virussen als partners in microbiële trofodynamica in de lente. toepassing omgeving. microbiologisch. 56, 1400–1405 (1990).

Proctor, L. M. & Fuhrman, J. A. Virale sterfte van mariene bacteriën en cyanobacteriën. Natuur 343, 60–62 (1990).

Suttle, C., Chan, A. & Cottrell, M. Infectie van fytoplankton door virussen en vermindering van primaire productiviteit. Natuur 347, 467–469 (1990).

Clokie, M.R., Millard, A.D., Letarov, A.V. & Heaphy, S. Fagen in de natuur. bacteriofaag 1, 31–45 (2011).

Breitbart, M. Mariene virussen: waarheid of durf. Ann. Rev. maart Sci. 4, 425–448 (2012).

Breitbart, M. et al. Genomische analyse van niet-gecultiveerde mariene virale gemeenschappen. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 99, 14250–14255 (2002).

Hendrix, R.W., Smith, M.C., Burns, R.N., Ford, M.E. & Hatfull, G.F. Evolutionaire relaties tussen verschillende bacteriofagen en profagen: de hele wereld is een faag. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 96, 2192–2197 (1999).

Pope, W.H. et al. Een volledige genoomvergelijking van een grote verzameling mycobacteriofagen onthult een continuüm van genetische diversiteit van fagen. eLife 4, e06416 (2015).

Koskella, B. & Brockhurst, M. A. Co-evolutie van bacteriën en fagen als aanjager van ecologische en evolutionaire processen in microbiële gemeenschappen. FEMS Microbiol. ds. 38, 916–931 (2014).

Buckling, A., Craig Maclean, R., Brockhurst, MA & Colegrave, N. The Brak in een fles. Natuur 457, 824–829 (2009).

Brussow, H., Canchaya, C. & Hardt, W. D. Fagen en de evolutie van bacteriële pathogenen: van genomische herschikkingen tot lysogene conversie. microbiologisch. Mol. Biol. ds. 68, 560–602 (2004).

Waldor, M.K. & Mekalanos, J.J. Lysogene omzetting door een filamenteuze faag die codeert voor choleratoxine. Wetenschap 272, 1910–1914 (1996).

Freeman, V. J. Studies naar de virulentie van met bacteriofaag geïnfecteerde stammen van Corynebacterium diphtheriae. J. Bacteriol. 61, 675–688 (1951).

Neely, M.N. & Friedman, D.I. Functionele en genetische analyse van regulerende regio's van colifaag H-19B: locatie van shiga-achtige toxine- en lysisgenen suggereren een rol voor faagfuncties bij toxine-afgifte. Mol. microbiologisch. 28, 1255–1267 (1998).

Zinder, N. D. & Lederberg, J. Genetische uitwisseling in Salmonella. J. Bacteriol. 64, 679–699 (1952).

Modi, S.R., Lee, H.H., Spina, C.S. & Collins, J.J. Behandeling met antibiotica breidt het resistentiereservoir en het ecologische netwerk van het faagmetagenoom uit. Natuur 499, 219–222 (2013).

Penades, J.R., Chen, J., Quiles-Puchalt, N., Carpena, N. & Novick, R.P. Bacteriofaag-gemedieerde verspreiding van bacteriële virulentiegenen. Curr. Opin. microbiologisch. 23, 171–178 (2015).

McDaniel, L.D. et al. Hoge frequentie van horizontale genoverdracht in de oceanen. Wetenschap 330, 50 (2010).

Lang, A. S., Zhaxybayeva, O. & Beatty, J. T. Genoverdrachtsmiddelen: faagachtige elementen van genetische uitwisseling. nat. Rev. Microbiol. 10, 472–482 (2012).

Novick, R.P., Christie, G.E. & Penades, J.R. De faaggerelateerde chromosomale eilanden van Gram-positieve bacteriën. nat. Rev. Microbiol. 8, 541–551 (2010).

Coulthurst, S. J. Het type VI-secretiesysteem - een wijdverbreid en veelzijdig celtargetingsysteem. Onderzoek microbiologisch. 164, 640–654 (2013).

Shikuma, N.J. et al. Metamorfose van mariene buiswormen geïnduceerd door reeksen van bacteriële faagstaartachtige structuren. Wetenschap 343, 529–533 (2014).

Schmelcher, M. & Loessner, M. J. Toepassing van bacteriofagen voor de detectie van door voedsel overgedragen pathogenen. bacteriofaag 4, e28137 (2014).

Chan, B.K., Abedon, S.T. & Loc-Carrillo, C. Phage-cocktails en de toekomst van faagtherapie. Toekomstige microbiologie. 8, 769–783 (2013).

Nobrega, F.L., Costa, A.R., Kluskens, L.D. & Azeredo, J. Faagtherapie opnieuw bezoeken: nieuwe toepassingen voor oude bronnen. Trends Microbiol. 23, 185–191 (2015).

Wright, A., Hawkins, C.H., Anggard, E.E. & Harper, D.R. Een gecontroleerde klinische studie van een therapeutisch bacteriofaagpreparaat bij chronische otitis als gevolg van antibioticaresistent Pseudomonas aeruginosa een voorlopig rapport van de werkzaamheid. clin. Otolaryngol. 34, 349–357 (2009).

Roach, D.R. & Donovan, D.M. Antimicrobiële, van bacteriofaag afgeleide eiwitten en therapeutische toepassingen. bacteriofaag 5, e1062590 (2015).

Schuch, R., Nelson, D. & Fischetti, V. A. Een bacteriolytisch middel dat detecteert en doodt Bacillus anthracis. Natuur 418, 884–889 (2002).

Young, R. Phage lysis: hebben we het gatenverhaal al? Curr. Opin. microbiologisch. 16, 790–797 (2013).

Briers, Y. et al. Op endolysine gebaseerde 'Artilysins' om multiresistente Gram-negatieve pathogenen te bestrijden. mBio 5, e01379-14 (2014).

Dubos, R. & Avery, O. T. Ontleding van het kapselpolysaccharide van pneumokokken type III door een bacterieel enzym. J. Exp. Med. 54, 51–71 (1931).

Lu, T.K. & Collins, J.J. Biofilms verspreiden met gemanipuleerde enzymatische bacteriofaag. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 104, 11197–11202 (2007).

Meyer, J.R. et al. Herhaalbaarheid en contingentie in de evolutie van een belangrijke innovatie in faag λ. Wetenschap 335, 428–432 (2012).

Liu, M. et al. Door reverse transcriptase gemedieerd tropisme inschakelen Bordetella bacteriofaag. Wetenschap 295, 2091–2094 (2002).

Yacoby, I. & Benhar, I. Gerichte filamenteuze bacteriofagen als therapeutische middelen. Deskundige mening. Medicijnen afleveren. 5, 321–329 (2008).

Edgar, R., Friedman, N., Molshanski-Mor, S. & Qimron, U. Het omkeren van bacteriële resistentie tegen antibiotica door faag-gemedieerde afgifte van dominante gevoelige genen. toepassing omgeving. microbiologisch. 78, 744–751 (2012).

Lu, T.K. & Collins, J.J. Engineered bacteriofaag gericht op gennetwerken als adjuvantia voor antibiotische therapie. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 106, 4629–4634 (2009).

Rakonjac, J., Bennett, N.J., Spagnuolo, J., Gagic, D. & Russel, M. Filamenteuze bacteriofaag: biologie, faagweergave en nanotechnologietoepassingen. Curr. Kwesties Mol. Biol. 13, 51–76 (2011).

Smith, G. P. Filamenteuze fusiefaag: nieuwe expressievectoren die gekloonde antigenen op het virion-oppervlak vertonen. Wetenschap 228, 1315–1317 (1985).

Henry, K.A., Arbabi-Ghahroudi, M. & Scott, J.K. Beyond-faagweergave: niet-traditionele toepassingen van de filamenteuze bacteriofaag als vaccindrager, therapeutische biologische en bioconjugatie-steiger. Voorkant. microbiologisch. 6, 755 (2015).

Fokine, A. & Rossmann, M. G. Moleculaire architectuur van dubbelstrengs DNA-fagen met staart. bacteriofaag 4, e28281 (2014).

Ackermann, H.W. Fagenclassificatie en karakterisering. Methoden Mol. Biol. 501, 127–140 (2009).

Guo, F. et al. Visualisatie van niet-gecorreleerde, tandem-symmetriemismatches in het interne genoomverpakkingsapparaat van bacteriofaag T7. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 110, 6811–6816 (2013).

Wikoff, W.R. et al. Topologisch gekoppelde eiwitringen in de bacteriofaag HK97-capside. Wetenschap 289, 2129–2133 (2000).

Kanamaru, S. et al. Structuur van het celdoorprikapparaat van bacteriofaag T4. Natuur 415, 553–557 (2002).

Dai, W. et al. Visualisatie van tussenproducten van virusassemblage in mariene cyanobacteriën. Natuur 502, 707–710 (2013).

Dewey, J.S. et al. Gaten op micronschaal beëindigen de faaginfectiecyclus. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 107, 2219–2223 (2010).

Hu, B., Margolin, W., Molineux, I.J. & Liu, J. Het bacteriofaag T7-virion ondergaat uitgebreide structurele hermodellering tijdens infectie. Wetenschap 339, 576–579 (2013).

Citorik, R.J., Mimee, M. & Lu, T.K. Op bacteriofaag gebaseerde synthetische biologie voor de studie van infectieziekten. Curr. Opin. microbiologisch. 19, 59–69 (2014).

Smith, H.O., Hutchison, C.A., Pfannkoch, C. & Venter, J.C. Genereren van een synthetisch genoom door volledige genoomassemblage: ΦX174 bacteriofaag van synthetische oligonucleotiden. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 100, 15440–15445 (2003).

Fogg, P.C., Colloms, S., Rosser, S., Stark, M. & Smith, M.C. Nieuwe toepassingen voor faagintegrasen. J. Mol. Biol. 426, 2703–2716 (2014).

Sauer, B. & Henderson, N. Plaatsspecifieke DNA-recombinatie in zoogdiercellen door de Cre-recombinase van bacteriofaag P1. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 85, 5166–5170 (1988).

Bonnet, J., Subsoontorn, P. & Endy, D. Herschrijfbare digitale gegevensopslag in levende cellen via gemanipuleerde controle van recombinatie-directionaliteit. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 109, 8884–8889 (2012).

Shis, D.L. & Bennett, M.R. Bibliotheek van synthetische transcriptionele AND-poorten gebouwd met gesplitste T7 RNA-polymerasemutanten. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 110, 5028–5033 (2013).

Dy, R.L., Richter, C., Salmond, G.P.C. & Fineran, P.C. Opmerkelijke mechanismen in microben om virale infecties te weerstaan. Ann. ds. Virol. 1, 307–331 (2014).

Barrangou, R. et al. CRISPR zorgt voor verworven resistentie tegen virussen in prokaryoten. Wetenschap 315, 1709–1712 (2007).

Jinek, M. et al. Een programmeerbare dual-RNA-geleide DNA-endonuclease in adaptieve bacteriële immuniteit. Wetenschap 337, 816–821 (2012).

Rath, D., Amlinger, L., Rath, A. & Lundgren, M. Het immuunsysteem van CRISPR-Cas: biologie, mechanismen en toepassingen. Biochimie (2015).

Doudna, J. A. & Charpentier, E. De nieuwe grens van genoomengineering met CRISPR-Cas9. Wetenschap 346, 1258096 (2014).

Liao, H.K. et al. Gebruik van het CRISPR/Cas9-systeem als intracellulaire verdediging tegen HIV-1-infectie in menselijke cellen. nat. gemeenschappelijk 6, 6413 (2015).

Gantz, V. M. & Bier, E. De mutagene kettingreactie: een methode voor het omzetten van heterozygote naar homozygote mutaties. Wetenschap 348, 442–444 (2015).

Selle, K. & Barrangou, R. Gebruik maken van CRISPR-Cas-systemen voor bacteriële genoombewerking. Trends Microbiol. 23, 225–232 (2015).

Martel, B. & Moineau, S. CRISPR-Cas: een efficiënt hulpmiddel voor genoomengineering van virulente bacteriofagen. Nucleïnezuren Res. 42, 9504–9513 (2014).

Hendrix, R. W. Jumbo bacteriofagen. Curr. Bovenkant. microbiologisch. Immunol. 328, 229–240 (2009).

King, A.M.Q., Lefkowitz, E., Adams, M.J. & Carstens, E.B. Virustaxonomie: classificatie en nomenclatuur van virussen (Elsevier, 2011).

Lwoff, A., Horne, R. & Tournier, P. Een systeem van virussen. Koude Lente Harb. Symp. aantal. Biol. 27, 51–55 (1962).

Westra, E.R., Buckling, A. & Fineran, P.C. CRISPR-Cas-systemen: voorbij adaptieve immuniteit. nat. Rev. Microbiol. 12, 317–326 (2014).

van der Oost, J., Westra, E.R., Jackson, R.N. & Wiedenheft, B. Het ontrafelen van de structurele en mechanistische basis van CRISPR-Cas-systemen. nat. Rev. Microbiol. 12, 479–492 (2014).

Makarova, K.S. et al. Een bijgewerkte evolutionaire classificatie van CRISPR-Cas-systemen. nat. Rev. Microbiol. 13, 722–736 (2015).

Zetsche, B. et al. Cpf1 is een enkel RNA-geleid endonuclease van een klasse 2 CRISPR-Cas-systeem. Cel 163, 759–771 (2015).

Levy, A. et al. Vooroordelen over CRISPR-adaptatie verklaren de voorkeur voor het verwerven van vreemd DNA. Natuur 520, 505–510 (2015).

Goldberg, G.W., Jiang, W., Bikard, D. & Marraffini, L.A. Voorwaardelijke tolerantie van gematigde fagen via transcriptie-afhankelijke CRISPR-Cas-targeting. Natuur 514, 633–637 (2014).

Fineran, P.C. et al. Gedegenereerde doelsites bemiddelen snelle geprimede CRISPR-aanpassing. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 111, E1629–E1638 (2014).

Bondy-Denomy, J., Pawluk, A., Maxwell, K.L. & Davidson, A.R. Bacteriofaaggenen die het bacteriële immuunsysteem van CRISPR/Cas inactiveren. Natuur 493, 429–432 (2013).

Seed, K.D., Lazinski, D.W., Calderwood, S.B. & Camilli, A. Een bacteriofaag codeert voor zijn eigen CRISPR / Cas-adaptieve reactie om de aangeboren immuniteit van de gastheer te omzeilen. Natuur 494, 489–491 (2013).


DNA kan ook een enzym zijn

In de herfst van 1994 probeerden wij (R.R.B. en G.F.J.) een verbeterde versie te ontwikkelen van het zelfsplitsende gehamerde ribozym, met behulp van in vitro selectie om varianten met verbeterde katalytische snelheid te verkrijgen. Het selectieschema omvatte het vastbinden van gerandomiseerde vormen van de hamerkop aan een kort substraatdomein, dat geïmmobiliseerd was op een vaste drager. De verwachting was dat die varianten die het best tot splijting in staat waren zich bij voorkeur los zouden maken van de drager en selectief zouden worden versterkt. Het ging niet goed vanwege het aanzienlijke achtergrondniveau van niet-specifieke splitsing door het hele molecuul. Was de rest van het molecuul maar niet zo gevoelig voor splitsing. Was het maar gemaakt van DNA.

Dezelfde oligonucleotiden die werden gebruikt om de populatie van variant-RNA's te construeren, werden hergebruikt om DNA's met willekeurige sequentie te construeren die via een enkel gevoelig ribonucleotide aan een vaste drager waren gekoppeld. We vreesden dat als we meer dan één ribonucleotide zouden leveren, het katalytische motief zou voortkomen uit dat segment van RNA in plaats van laag DNA. Binnen een periode van vijf dagen werd het eerste DNA-enzym geboren. Het eenvoudige motief bestaat uit twee substraatbindende armen die een katalytisch centrum van 15 residuen flankeren, die de Pb2+-afhankelijke splitsing van een RNA-fosfodiester katalyseren met een snelheidsverhoging van 105-voudig vergeleken met de niet-gekatalyseerde reactie. In die tijd, en nog steeds, zijn er in de biologie geen geëvolueerde DNA-enzymen bekend. Dit was een creatie van een scheikundige gebaseerd op de principes van evolutionaire biologie en biochemie. Uiteraard is de krant gepubliceerd in Scheikunde & Biologie (Breaker en Joyce, 1994).

Andere DNA-enzymen volgden snel, waaronder een DNA-enzym dat de samenvoeging van door imidazool geactiveerde oligodeoxynucleotiden katalyseert (Cuenod en Szostak, 1995), een DNA-enzym dat de Mg2+-afhankelijke splitsing van een RNA-fosfodiester katalyseert (Breaker en Joyce, 1995) en een RNA-splitsend DNA-enzym voor algemene doeleinden dat kan worden aangestuurd om een ​​grote verscheidenheid aan doel-RNA's onder fysiologische omstandigheden te splitsen (Santoro en Joyce, 1997). De laatste hiervan, het �-23” DNA-enzym, is gemaakt om c-juni mRNA in cellen (Cai et al., 2012) en voltooide onlangs een succesvolle fase I/IIa klinische studie bij mensen voor de behandeling van basaalcelcarcinoom (Cho et al., 2013).

In het Pantheon van macromoleculaire katalyse nemen eiwitenzymen zeker de hoogste plaats in. RNA-enzymen komen daarna vanwege hun rol in de biologie, met name het ribosoom, maar ook de vele opmerkelijke RNA-enzymen die zijn verkregen door in vitro evolutie (zie hieronder). DNA heeft ook zijn plaats, nu met meer dan 20 voorbeelden van DNA-enzymen die verschillende chemische transformaties katalyseren. Deze omvatten de fosforylering (Li en Breaker, 1999), ligatie (Sreedhara et al., 2004), deglycosylering (Sheppard et al., 2000) en hydrolytische splitsing (Chandra et al., 2009) van DNA-substraten, evenals reacties met niet-nucleïnezuursubstraten, zoals porfyrinemetallering (Li en Sen, 1996), Diels-Alder-cycloadditie (Chandra en Silverman, 2008) en tyrosinefosforylering (Walsh et al., 2013).

Achteraf lijkt het niet verrassend dat DNA een enzym kan zijn, gezien de immense combinatoriek van mogelijke DNA-sequenties en de kracht van de darwinistische evolutie om die sequenties te ontdekken en te verfijnen die aanleiding geven tot structuur en functie. Er blijft een gevoel bestaan ​​dat RNA een veelzijdiger katalysator is dan DNA, maar RNA en DNA zijn twee-eiige tweelingen, met verschillende persoonlijkheden en toch sterk gelijkende samenstelling. Meer verrassend is dat, 20 jaar na de ontdekking van DNA-enzymen, er geen nieuwe klasse van geëvolueerde macromoleculaire katalysatoren is gemeld. Chemisch gemodificeerd RNA en DNA kan men niet tellen, hoewel er verschillende voorbeelden zijn van nucleïnezuurenzymen die gemodificeerde basen bevatten (Wiegand et al., 1997 Tarasow et al., 1997 Santoro et al., 2000 Lermer et al., 2002) of dragen een substitutie op de C2′-positie (Beaudry et al., 2000). Recente ontwikkelingen met 'x0201cxeno-nucleïnezuren' (XNA's), die een andere ruggengraat bevatten dan (deoxy)ribosefosfaat, lijken veelbelovend en hebben al geleid tot de ontwikkeling van XNA-aptameren (Yu et al., 2012 Pinheiro et al. , 2012). Men kan met vertrouwen voorspellen dat de eerste XNAzyme binnenkort zal worden gerapporteerd.


MolGenT: de docent moleculaire genetica

Het centrale dogma van de moleculaire biologie stelt dat informatie die wordt gecodeerd door het DNA van levende cellen wordt getranscribeerd in ribonucleïnezuur of RNA, dat vervolgens wordt vertaald in eiwit. Om het proces van eiwitsynthese te starten, wordt het getoonde DNA-molecuul eerst gescheiden op de plaats waar transcriptie zal plaatsvinden. Vervolgens synthetiseert een enzym genaamd RNA-polymerase een keten van ribonucleotiden, weergegeven in blauw, die complementair zijn aan de basen van de geopende DNA-streng. Het enkelstrengs RNA-molecuul wordt vervolgens vrijgemaakt van de DNA-matrijs en vertaald in eiwit. Elke set van drie basen op de RNA-streng codeert voor een aminozuur of eiwitbouwsteen, hier weergegeven als de gekleurde bollen. Naarmate de translatie vordert, wordt een lange keten van aminozuren samengesteld uit de informatie die in de RNA-sequentie wordt gecodeerd, zoals kralen aan een touwtje. Het eindproduct van dit proces is een voltooid eiwit dat is samengesteld uit vele gekoppelde aminozuurbouwstenen.

  1. DNA, vertaald, RNA, getranscribeerd
  2. RNA, vertaald, DNA, getranscribeerd
  3. DNA, getranscribeerd, RNA, vertaald
  4. RNA, getranscribeerd, DNA, vertaald

/>MolGenT is gelicentieerd onder een Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationaal-licentie.


Bekijk de video: The Central Dogma of Biology (December 2021).