RNA je prostředníkem mezi DNA a proteinem

Studijní text Animace Galerie Video BIO Úkol Odkazy a literatura

DNA se ve většině případů nalézá v jádře buňky, avšak další typ nukleové kyseliny, RNA, se běžně vyskytuje v cytoplazmě. Watson a Crick předložili teorii, že RNA musí představovat kopii zprávy uložené v DNA v jádře a přenášet ji do cytoplazmy, kde jsou syntetizovány proteiny. Crick také předpověděl existenci „adaptorové“ molekuly, která čte genetický kód a vybírá vhodnou aminokyselinu, která je připojena ke vznikajícímu polypeptidovému řetězci v průběhu jeho syntézy. Tento tok genetické informace z DNA přes RNA k proteinu se stal známým jako tzv. „centrální dogma molekulární biologie“.

Jak se ukázalo, existuje několik typů RNA, které jsou zapojeny do přenosu genetické informace. V jádře je kód DNA „transkribován“ (přepisován) nebo kopírován do molekuly messenger RNA (mRNA). V cytoplazmě je kód mRNA „translatován“ (překládán) do pořadí aminokyselin. Transalace probíhá na ribozomu, který je zčásti sám složen z RNA, a zapojuje se do ní transferová RNA hrající roli adaptoru.

Věděli jste, že?

tRNA byla izolována před Hoaglandovým a Zamecnikovým pokusem. Nikoho nenapadlo, že je tak důležitá, protože RNA byla velice malá. Někteří vědci si dokonce mysleli, že tRNA je produkt rozpadu větších RNA, a že jde vlastně jen o jakýsi odpad.

Hmmm…

Existuje 20 rozdílných typů tRNA adaptorů, jeden pro každou aminokyselinu. Jak molekuly tRNA rozeznávají své aminokyselinové partnery?

Galerie

Věděli jste, že?

Sydney Brenner se po práci na RNA začal zabývat otázkami vývoje organizmů. Hledal jednoduchý modelový organizmus, který by mohl k tomuto studiu využít. V roce 1963 si vybral červa Caenorhabditis elegans a položil tak základy nového oboru.

Hmm…

Proč jsou mRNA a tRNA tak významné. Proč se protein nevytvoří přímo z DNA?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

Paul Zamecnik Dr. Zamecnik byl emeritním profesorem Harvardské univerzity a byl členem představenstva Hybridon, Inc, biotechnologické společnosti, kterou pomáhal zakládat, až do své smrti v roce 2009.

Paul Zamecnik vyvinul bezbuněčný extrakt, který s Mahlonem Hoaglandem použili ke studiu proteinové syntézy. Identifikovali tRNA jako adaptor, který předpověděl Francis Crick ve svém centrálním dogma. Sydney Brenner ukázal, že mRNA je nestabilním prostředníkem, který nese zprávu z DNA na ribozom.

Paul Charles Zamecnik (1913–2009)

Paul Zamecnik se narodil v Clevelandu v Ohiu. Navštěvoval Dartmouth College a v roce 1934 promoval na Dartmouth Medical School. Ačkoliv studoval lékařství, vždy se zajímal o vědu. Nakonec se rozhodl, že se bude věnovat výzkumu, protože ho lákalo objevování nového. Jeho zájem o syntézu proteinů začal otázkou. V roce 1938 prováděl jako asistent pitvu obézní ženy. Podivoval se nad tím, proč se v místech, kde měly být proteiny a svaly, nacházel tuk. Nikdo mu však nedokázal odpovědět.

V roce 1939 navázal kontakt s Maxem Bergmannem, proteinovým chemikem v Rockefellerově Institutu. Doufal, že získá místo v Bergmanově laboratoři, kde by mohl pracovat na problému syntézy proteinů. Bergmann ho však odmítl, protože Zamecnik byl lékař, nebyl vystudovaný vědec.

Zamecnik získal stipendium, aby mohl pracovat s Kajem Linderstrøm-Langem v Carlsberově laboratoři v Dánsku. Linderstrøm-Lang byl vedoucí osobností v oblasti chemie proteinů. Zamecnik zde získal takovou průpravu a zkušenosti, že ho Bergmann po jeho návratu do Spojených států nakonec zaměstnal.

Zamecnik nezůstal v Rockefellerově Institutu nadlouho. Byla mu nabídnuta práce v Huntingtonově laboratoři v Massachusetts General Hospital v Bostonu. Zde pracoval s Fritzem Lipmannem (nositel Nobelovy ceny za rok 1953). Využili radioaktivní izotopy k tomu, aby dokázali, že proteiny jsou sestaveny z aminokyselin v procesu vyžadujícím chemickou energii z ATP. Zamecnik se poté začal zajímat o to, čím jsou určeny proteinové sekvence a zkoušel izolovat a identifikovat všechny součásti nezbytné pro proteinovou syntézu.

V roce 1952 slavil Zamecnik částečný úspěch, když vytvořil bezbuněčný extrakt z potkaních jater, s jehož pomocí byl schopný syntetizovat proteiny z aminokyselin. V roce 1953 Zamecnik s Mahlonem Hoaglandem za použití tohoto systému ukázali, že aminokyseliny musí být před tím, než jsou včleněny do peptidového řetězce, nabity energií, „aktivovány“ pomocí ATP. Poté v roce 1956 navázal Hoagland na Zamecnikova dřívější pozorování, kdy si Zamecnik všiml, že RNA o nízké molekulové hmotnosti v bezbuněčném extraktu může být nějak spojená s radioaktivně označenými aminokyselinami. Toto vedlo k identifikaci tRNA, adaptoru, který Francis Crick předpověděl ve svém centrálním dogma.

V roce 1956 byl Zamecnik jmenován vedoucím Huntingtonovy laboratoře. V roce 1960 jeho laboratoř vyvinula bezbuněčný extrakt z bakterie E. coli. O svou metodu přípravy extraktu se podělil s dalšími vědci. Marshall Nirenberg a Johann Matthaei použili tento bezbuněčný extrakt z E. coli k prolomení genetického kódu.

Zamecnik pokračoval v práci na získání čisté tRNA a na jejím sekvenování. Poté v roce 1978 učinil další zajímavý objev. Zjistil, že oligonukleotidy jsou schopné vstupovat do buněk. Toto vedlo k nové éře ve výzkumu s možnostmi využití v terapii. Protismyslná RNA by tak mohla být použita k blokování translatované virové messenger RNA. Od roku 1993 byl Zamecnik v představenstvu biotechnologické společnosti pojmenované jako Hybridon Inc., která vyvíjí terapeutické léky založené na myšlence protismyslných blokátorů.

Zamecnik nikdy neodešel do důchodu, vedl laboratoř v Massachusetts General Hospital a byl emeritním profesorem na Harvardově univerzitě, dokud roku 2009 nezemřel.

Mahlon Hoagland (1921–2009)

Mahlon Hoagland se narodil v Bostonu. Jeho otec byl vědec zabývající se neurobiologií. Jeho obětavost a vášeň pro svoji práci se odrazila na mladém Hoaglandovi, který tak z první ruky poznal, jaké to je být vědcem. Hoagland věděl celkem brzo, že chce mít vyšší vzdělání, ale nebyl si jistý, zda chce být přímo vědcem.

Hoagland se nejdříve rozhodl, že se stane lékařem, aby tak nebyl v přímé soutěži se svým otcem. Šel na vysokou, nejprve na Williams College a po roce přešel na Harvard. Ještě než stačil dokončit vysokou školu, tak začala druhá světová válka. Zjistil, že má vlohy pro to, aby byl chirurgem. Byl manuálně zručný a anatomie byla jeden z jeho nejoblíbenějších předmětů.

Naneštěstí, tři měsíce před promocí Hoagland onemocněl tuberkulózou. Byl poslán do sanatoria u Saranackého jezera, do stejného sanatoria, kde se léčil také Phoebus Leven. Léčba tuberkulózy antibiotiky byla k dispozici až ke konci jeho pobytu, ale i tak se Hoagland dostatečně uzdravil.

V roce 1947 se Hoagland vrátil na Harvard Medical School, aby dokončil přerušený ročník. Stále se chtěl stát chirurgem a po promoci v roce 1948 se ucházel o místo chirurgického asistenta. Brzy však bylo jasné, že si bude muset zvolit méně namáhavou práci, jelikož po pár týdnech se mu vrátila tuberkulóza. Zklamaný Hoagland zažádal o postdoktorskou pozici u Dr. Josepha Auba, ředitele Huntingtonových laboratoří v Massachusetts General Hospital.

V Huntigntonových laboratořích se Hoagland naučil vědecké práci. Zkoumal vlivy berylia na enzymatickou aktivitu a během této doby ho začala hodně zajímat biochemie a syntézu proteinů, na které se pracovalo v laboratoři Paula Zamecnika. Hoagland si vzal roční studijní volno, aby se zdokonalil v biochemii. Cílem tohoto jeho snažení bylo, aby mohl po návratu pracovat právě v Zamecnikově laboratoři.

V roce 1953 začal Hoagland pracovat v Zamecnikově laboratoři na problému aktivace aminokyselin. Za použití Zamecnikova bezbuněčného systému se Hoaglandovi podařilo tento mechanismus vyřešit a své výsledky publikoval v roce 1955. Poté začal pracovat na odloženém Zamecnikově projektu. To nakonec vedlo k objevu tRNA, adaptoru (předpovězeného Francisem Crickem) dopravujícím aminokyseliny k mRNA. Výsledky byly publikovány v roce 1957 a vedly k propojení dvou vědních oborů, biochemie a molekulární biologie.

Hoagland strávil rok 1958 na Cambridgské univerzitě, kde spolu s Francisem Crickem zkoušeli využít tRNA k rozluštění genetického kódu. Poté se vrátil do Spojených států a nastoupil jako docent mikrobiologie na Harvard Medical School. Během sedmi let strávených na Harvardu našel Hoagland velké uspokojení ve výuce a byl nešťastný z toho, jak málo vědců je ochotných se výuce věnovat, protože se zajímali pouze o výzkum. Opustil Harvard, aby přijal místo v Dartmouth Medical School, kde vylepšil studijní plán oboru biochemie.

V roce 1970 přijal Hoagland ředitelování ve Worcester Foundation, institutu založeného jeho otcem. Hoagland byl schopný nalákat do Worcesteru nové výzkumníky, ustanovil a posílil zde výzkumné programy zaměřené na buněčnou biologii, endokrinologii, neurobiologii a reprodukční biologii. V roce 1980 se mu podařilo do Worcesteru získat i Paula Zamecnika.

I poté, co Hoagland odešel do důchodu, se stále silně zajímal o vzdělávání a výuku. Během let napsal množství neakademických knih, jejichž předmětem byly geny a molekulární biologie. The Way Life Works („Jak funguje život“) byla znovu vydaná jako úspěšná učebnice pro hodiny biologie na středních školách a pro zájemce z řad veřejnosti. Hoaglandovým celoživotním koníčkem bylo vyřezávání uměleckých soch ze dřeva.

Sydney Brenner (1927–)

Sydney Brenner se narodil v Germistonu v Jižní Africe. Když mu bylo 15 let, získal Brenner stipendium na University of the Witwatersrand v Jižní Africe. V té době byl univerzitní systém v Jižní Africe zaostalý. Brenner se proto intenzivně věnoval samovzdělávání a výzkumu zejména v oblasti molekulární biologie. Když vystudoval Witwatersrand, nenašel zde vhodný výzkumný program. Brenner se přihlásil a nakonec i dostal na Oxford, kde zahájil svou absolventskou práci na téma bakteriofágů.

V roce 1953 byl Brenner ve skupině, která byla pozvána na Cambridge University, aby si prohlédla Watsonovu a Crickovu strukturu DNA. Toto bylo první z mnoha dalších setkání a spoluprací, které měl Brenner s Watsonem, a ještě více jich bylo s Crickem.

V roce 1954 získal Brenner doktorát a vrátil se přednášet na University of the Witwatersrand. V této době pracoval na otázce genetického kódu a role RNA v přenosu informací. V roce 1956 poslal Brenner článek členům „RNA tie club“ s názvem „On the Impossibility of All Overlapping Triplet Codes“. Byl to elegantní důkaz, který za použití statistiky a aminokyselinové proteinové sekvence ukázal, že tři nukleotidy kódují jednu aminokyselinu. Ještě tentýž rok mu Francis Crick, který se taktéž zajímal o problém přenosu informací, pomohl získat pozici výzkumného pracovníka na Medical Research Council v Cambridge.

V roce 1957 publikovali Brenner, Seymour Benzer, Francis Crick a Leslie Barnett v časopise Nature článek týkající se přesného mapování mutací u fága. Korelací genetických mutací se změnami v aminokyselinové sekvenci byli schopní prokázat souvislost mezi genetickou zprávou a proteinovým produktem. Brenner poté svůj výzkum přesunul k problému způsobu přenosu informace mezi DNA a proteinem. V roce 1960 Brenner, François Jacob, a Matthew Meselson navrhli a vypracovali sérii pokusů prokazující existenci a funkci messengerové RNA.

Na konci šedesátých let se začal Brenner zajímat o problematiku vývoje, zejména nervového systému. V roce 1968, kdy odmítl použít k těmto studiím Drosophila melanogaster pro její přílišnou složitost, si Brenner vybral jako modelový organismus Caenorhabditis elegans. C. elegans představuje dnes sama o sobě celou vědeckou disciplínu a v roce 1998 byl tento model prvním mnohobuněčným organismem s plně osekvenovaným genomem.

V 90. letech si Brenner zvolil ještě další organismus a to Fugu rubripes, japonskou rybu čtverzubce. Ačkoliv má přibližně stejně množství genů jako člověk, čtverzubec nemá takové množství „odpadní“ nekódující DNA. V roce 1989 Brenner a jeho kolegové zahájili projekt sekvenování genomu Fugu rubripes.

V roce 1998 s pomocí příspěvku od tabákového giganta Phillip Morris, Brenner založil a stal se ředitelem Molecular Science Institution (MSI) v Berkeley v Kalifornii. Jednou z rolí MSI jako neziskové organizace je zpracovávaní toku informací z různých sekvenovacích genomových projektů.

Brenner má rád cestování a dobré víno. V časopise Current Biology je autorem názorového sloupku nazvaného „Loose Ends“.

Brenner byl oceněn Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu společně s kolegy Johnem Sulstonem a Robertem Horvitzem. Všichni tři významně přispěli k výzkumu na poli vývojové biologie, a to díky použití modelového organizmu Caenorhabditis elegans.

Věděli jste, že?

Otec Mahlona Hoaglanda byl výzkumníkem a založil Worcester Foundation for Experimental Biology, instituci, kde kromě dalších věci byly vyvinuty antikoncepční pilulky.

Hmmm…

Hoagland a Zamecnik objevili molekuly a potřebu energie v reakcích proteinové syntézy. Bylo by to jednodušší, kdyby věděli o adaptorové hypotéze Francise Cricka?

Odkazy a literatura

Modelování struktury RNA
Web laboratoře Dr. Michaela Zukera v Rensselaer Polytechnic Institute's School of Science. Vložte RNA sekvenci a počítačový program Vám předpoví sekundární strukturu RNA. Svět RNA
Je databází struktur RNA z Institute of Molecular Biology v Německu. Jsou zde náhledové obrázky předpovězených struktur a také odkazy na literaturu a další informace o RNA sekvencích. Když použijete plug-in Rasmol/Chime, pak získáte 3D pohled na navržené struktury. Použijte vstup přes PDB (protein data bank).

• Alberts, Bruce et al., 1983, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing Inc., New York.
• Borek, Ernest, 1965, The Code of Life, Columbia University Press, New York.
• Dunn, L.C., 1991, A Short History of Genetics: The Development of Some of the Main Lines of Thought: 1864-1939, Iowa State University Press, Ames.
• Griffiths, Anthony, et al., 1996, An Introduction to Genetic Analysis, W. H. Freeman and Company, New York.
• Hoagland, Mahlon, and Dodson, Bert, 1998, The Way Life Works, Random House Inc., New York.
• Hoagland, Mahlon, 1990, Towards the Habit of Truth: A Life in Science, W. W. Norton & Company, New York.
• Judson, Horace Freeland, 1979, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, Simon and Schuster, New York.
• Lagerkvist, Ulf, 1998, DNA Pioneers and Their Legacy, Yale University Press, New Haven.
• Lundardini, Rosemary, 1993, DNA Drama, Dartmouth Medicine, 18, No. 1, Dartmouth College, Hanover, New Hampshire.
• Micklos, David A., and Freyer, G., 1990, DNA Science: A First Course in Recombinant DNA Technology, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York.
• Rosenfield, Israel, Ziff, Edward, and Van Loon, Borin, 1983, DNA for Beginners, Writers and Readers Publishing, Inc.
• Taylor, J. Herbert, 1965, Selected Papers on Molecular Genetics, Academic Press, New York.
• Watson, James D., Gilman, Michael, Witkowski, Jan, Zoller, Mark, 1982, Recombinant DNA, 2nd edition, W. H. Freeman and Company, New York.
• Woese, Carl R., 1967, The Genetic Code: The Molecular Basis for Genetic Expression, Harper & Row, New York.

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D., Mgr. Zuzana Hanzelková a kolektiv |
ÚEB, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Mendelovo muzeum, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |

| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041

Nahoru