Что это такое?

Центральная догма молекулярной биологии - принцип, описывающий направление передачи генетической информации в биологических системах. Сформулировал её Френсис Крик в 1957 (опубликовал в 1958 и переформулировал в знаменитой статье Nature в 1970).

Что она утверждает?

Часто догму формулируют упрощенно:

ДНК -> РНК -> Белок

Но это не совсем точно передает мысль Крика. Сам исследователь формулировал догму строже, через понятие "передачи детальной последовательной информации":

Информация, однажды перешедшая в белок, не может выйти из него обратно.

То есть ключевое утверждение - это запрет: последовательность аминокислот в белке не может быть использована для построения последовательности нуклеиновой кислоты. Информация течёт от нуклеиновых кислот к белку, но никогда от белка к нуклеиновым кислотам или от белка к белку.

Крик разбил все девять мыслимых направлений (3 типа молекул, каждый может в принципе передавать информацию каждому) на три группы:

  • Общие переносы
  • ДНК -> ДНК - репликация ДНК
  • ДНК -> РНК - транскрипция
  • РНК -> Белок - трансляция
  • Специальные переносы (необходимы специальные условия или конкретные организмы)
  • РНК -> ДНК - обратная транскрипция (ретровирусы вроде ВИЧ, ретротранспозоны, теломераза)
  • РНК -> РНК - репликация РНК (многие РНК-вирусы, например SARS-Cov2, грипп)
  • ДНК -> Белок - переход наблюдался в искусственных системах
  • Запрещеные переносы (по Крику, не существуют в природе)
  • Белок -> ДНК
  • Белок -> РНК
  • Белок -> Белок (как передача последовательной информации)

Важно: «запрет» касается именно копирования последовательности. Прионы, которые передают конформацию от белка к белку, не нарушают догму, потому что они не копируют аминокислотную последовательность - они лишь навязывают пространственную укладку уже существующим молекулам.

Догма - это не утверждение «ДНК → РНК → белок и точка». Это утверждение о том, какие переносы информации невозможны. Обратная транскрипция (открытая Тёмином и Балтимором в 1970 году, Нобелевская премия 1975) не «опровергла догму», как иногда пишут - Крик прямо предусматривал такой перенос как возможный специальный случай. Он сам подчёркивал это в статье 1970 года, когда вокруг открытия поднялась шумиха.

Также догма описывает только перенос последовательной информации между линейными полимерами. Она ничего не говорит о регуляции, о том, как белки влияют на работу генов (а они влияют - через транскрипционные факторы), об эпигенетике или о пространственной структуре. Влияние белков на экспрессию генов догму не нарушает, потому что это не копирование аминокислотной последовательности в нуклеотидную.

Какие науки изучают все это?

Биологические науки можно упорядочить по тому, какой именно объект они изучают, на каком уровне организации они работают и какой масштаб данных используют. Из центральной догмы вытекают три главные мишени исследований: ген, транскрипт, белок.

Ген изучает наука генетика, белок и метаболиты - фенетика. Наука, изучающая только транскрипт, не выделена. Существует эпигенетика, изучающая наследуемые изменения активности генов, которые не связаны с изменением последовательности ДНК (метилирование, модификации гистонов).

Приставка «-омикс» (от греч. ome - «всё целиком») означает, что наука изучает совокупность всех объектов данного типа в системе, а не один объект по отдельности. Если генетика смотрит на один ген за раз, то омиксы смотрят на все гены сразу, с помощью высокопроизводительных методов (секвенирование, масс-спектрометрия и др.).

В схему попали основные дисциплины, но семейство шире. Стоит знать ещё несколько:

  • Липидомика и гликомика - по сути части метаболома, выделенные в отдельные дисциплины из-за сложности: первая изучает все липиды, вторая - все углеводы и гликановые цепи.
  • Интерактомика - полная сеть взаимодействий между молекулами (какой белок с каким связывается). Это уже не «список молекул», а карта их связей.
  • Метагеномика - геномы целых сообществ организмов из образца среды (например, всех бактерий кишечника или почвы), без выделения отдельных видов. Родственная ей микробиомика изучает микробные сообщества как систему.

Есть и прикладные гибриды: фармакогеномика (как геном влияет на ответ на лекарства), нутригеномика (взаимодействие питания и генов) и другие.

# Часть изображений взята из презентации Супонина Д.С., РНИМУ им. Пирогова.