DNA是干什么的?

六十年前,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解锁化学遗传学的基础。¹推导DNA的结构由x射线衍射的罗莎琳德富兰克林和莫里斯·威尔金斯,他们发现基因是编码在一个四个字母的字母表化学链的双螺旋结构。这些遗传信息翻译成蛋白质,编排一个生物体的生物化学。随机错误复制DNA在生殖细胞形成提供的原材料,一旦翻译成生物体的蛋白质表型,自然选择导致进化。DNA分子遗传学的根源。

至少,这是通常的故事,这是一个你可能会听到很多次在这钻石周年。好吧,你不相信。

不完全是不真实的,但它是误导的方式变得越来越重要的潜在承诺基因组时代。因为这里是钝的事实:许多专家的DNA是如何工作的问题,甚至都开始质疑这是否分子基因的载体。一些是恢复到旧的基因为抽象的概念,概念,可遗传的实体的材料既不知道也不可能很重要的体现。其他人已经几乎停止谈论基因。

这样的修正主义不应该走得太远。没有严重怀疑DNA中起着重要的作用的产业特点和有机体的发展。它仍然是有效的DNA编码蛋白质的结构,和DNA仍明显的织物基本信息记录是关于生物体的分子机器如何运作。然而,这并不等于说,一些遗传学家继续,碱基对序列的DNA是有机体的蓝图或“生命之书”。分子遗传学的前沿的最新分派表明它并不是那么简单。

曾经有一段时间

人们常说,沃森和克里克的开创性的1953年发现镜像几乎可怕的数字信息从计算机科学的概念。就像磁带被用于编码信息的一系列二进制0和1,这双链分子胶带使用四元系统腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶碱基来记录信息构建蛋白质以线性方式。

在接下来的十年左右,克里克和其他人推断遗传密码是如何工作的。尤其要感谢美国生物化学家的工作马歇尔Nirenberg Har Gobind Khorana和罗伯特华立,分享了1968年诺贝尔医学奖为他们的工作,很明显,每个氨基酸在蛋白质编码DNA碱基对的三联体(密码子),而蛋白质编码序列的转录成信使RNA,然后作为一个模板将氨基酸链在一起。信息单向流动的想法从基因到蛋白质,首先提出了克里克1958年,成为了分子生物学的中心法则:正如Nirenberg所说,“DNA产生RNA产生蛋白质”。

然后是垃圾DNA的问题。随着可以解码的DNA序列在70年代和1960年代,研究人员发现,大部分的基因组- DNA的完成补不编码蛋白质,和似乎没有明确的功能。这个东西被认为是进化的无用的残留积累:废弃文件没有清除,如灭绝基因和miscopied碎片,没有任何严重的不利影响,没有整理的选择。更重要的是,DNA基因本身并不是那么简单的第一个念头:它们包含序列的编辑的RNA转录前被翻译成蛋白质。有时记录得到重组过程中,因此,单个基因可能编码不同的蛋白质。

的人类基因组计划公布了初稿的完成人类基因组2000年,复杂而不是解决了这张照片。²虽然大部分是由这个序列揭示人类意味着什么,事实上大部分的功能(如果有的话)保持神秘。和人类基因的数量是相当令人担忧的是,只有25000左右,这似乎仅仅满足这样一个复杂的有机体(所以我们想)。

这一切导致一些研究人员质疑gene-centred分子生物学的观点。我们自己安装了一套华丽的有色眼镜的,牛津大学的生理学家写道丹尼斯高贵在他2006年的书生命的音乐:生物学以外的基因。我们使自己无法看基因编码之间的关系和生活系统在任何其他方式”。

解码编码

高贵的挑战因果关系的标准视图从基因到有机体。他指出,例如,基因DNA只能在一个环境功能已经充满了很多“隐式”信息。例如,基因可能指定所需的蛋白质使脂质,但没有基因本身引导细胞内脂质自组装成复杂的隔间。更重要的是,一些生理过程,如随水流信号在肌肉活动,取决于运行机制,依靠高级交互比遗传:你永远不会了解他们通过搜索的基因组。gene-centred方法看起来表型相关的基因型的变化一般不工作,高贵的说,因为这些改变的基因“缓冲”的基因相互作用网络,这使得它不可能测试的概念“自私基因”,因为甚至无法定义这样的自私,实际上意味着什么。³

这种观点难以穿透的甲壳遗传研究。具有讽刺意味的是,然而,现在是非常的研究提供一些最严峻挑战的DNA的霸权。其中最重要的之一是去年发现,当一个项目的重要发现编码被宣布。⁴编码的目的是解决困难的问题,在胜利的庆祝活动也被隐藏起来的人类基因组计划:所有这些DNA序列实际上做什么?流行的观点是,只有5%的基因组“活跃”和生物相关的,通过编码蛋白质或调节其他基因。剩下的是什么,如果不是“垃圾”,那么至少产生的后果很小。

编码践踏践踏这一愿景的利益。调查发现,高达80%的基因组转录,复制酶RNA片段。⁵转录,在图中,沃森克里克和遗传学的发现,主要是关于使RNA模板蛋白质的肽链组装。最近,很明显,一些RNA转录得不到表达为蛋白质,但有自己的角色,监管基因网络的元素之间的交互的DNA基因”。但编码显示,实际情况比这更极端:转录和RNA是真正的行动在哪里。

更重要的是,这个高度的转录意味着许多,也许是大多数,“基因”的重叠与其他DNA序列也转录:DNA不仅仅是一连串的“基因”点缀着非功能性材料。这提示的问题这样的所谓的“基因”的DNA。它还质疑DNA是如何进化的,考虑到只有5%的基因组似乎受到选择压力,更多的功能作用。它长期以来一直认为non-protein-coding序列转录但并不“守恒”不同物种之间不能有任何功能性的作用,因为显然进化并不认为他们值得保留。但是现在有理由认为这是错误的,而这些非编码rna可能经历快速发展与编码序列不同的约束。⁶

的结果托马斯Gingeras和他的同事在编码迫使他们一个戏剧性的和有争议的结论:基因并不在DNA。我们将建议记录被视为继承的基本原子单位,”他们写道。“与此同时,基因就表示一个高阶的概念旨在捕捉所有这些成绩单…造成一个给定的表型特征。⁵换句话说,一个“基因”将不再被视为一个物质实体,在DNA一连串的基地,但将是一个更抽象的指定和松散的概念。这不会改变任何事情在群体遗传学的标准方法——不依赖任何特定基因的物质基础的概念,实际上主要是在沃森和克里克之前开发的,但它当前的时代,基因组学在一个新的光。

这个新观点更强调了RNA转录做什么。这是一个分子生物学家的观点约翰Mattick在澳大利亚悉尼Garvan研究所。大部分的信息在人类基因组中,他认为,参与复杂的监管流程,巩固发展和大脑功能。这包括大量的非编码rna和DNA转座子(在基因组序列,可以“跳”),而不是垃圾,似乎提供程序所需的监管权力和可塑性个体发生和认知。⁷RNA在Mattick看来,这使得系统的计算引擎,DNA是硬盘,但RNA供应真正的软件。

重写这本书

这不是唯一的理由重新评估DNA遗传的作用。具有讽刺意味的是,或许是巨大的增加基因组测序的数据通过技术发达,凸显了一些潜在的问题与传统的画面。最大的一个谜题问题特征和疾病有一个复杂的遗传因素。虽然有些遗传疾病和人类变异可以与单个蛋白质的突变,他们中的大多数,如智力或高度,说,似乎受到许多不同的基因组区域,通常那些参与基因调控而非蛋白质编码。但令人费解的是,虽然可以量化的遗传影响等特点,目前基因组区域与他们似乎能够只占非常小的比例的影响。缺失的基因物质有时被称为暗物质的基因组。

有很多可能的解释,但其中一个是,暗物质是不编码的DNA序列。例如,基因组中的信息可以修改,添加甲基等化学标记的DNA碱基或组蛋白蛋白质链的伤口在染色体,可以打开或关闭开关基因。这些所谓的表观遗传修饰可以通过生物体的环境、条件,通常擦干净当DNA复制到新的配子。但这并不经常发生,一些表观遗传标记可能被继承。

去年约瑟夫Nadeau领导的一个团队在克利夫兰凯斯西储大学医学院,俄亥俄州,雄性老鼠的表观遗传修饰的影响报道对癌症能持续至少三代。⁸根据Mattick,这和类似的结果表明,“表观遗传可能比预期的更重要,“挑战遗传学的基本原则”。9 Nadeau表明这个基因遗传是由非编码RNA介导的。更重要的是,这种RNA-directed修改似乎能从体细胞反馈(身体)细胞到细胞细胞——由传统遗传学是被禁止的,因为它的拉马克的色彩。

在Mattick看来,这些发现增加了参数,RNA, DNA,可能是遗传学的核心。如果RNA编辑可以改变天生的遗传信息在一个上下文相关的方式,从而改变表观遗传记忆,它是可行的,环境的历史可能形状表型,并提供一个塑料和动态继承平台远比设想的遗传正统的过去的一个世纪,他写道。RNA可能是计算引擎的进化和发育复杂和认知高级生物的个体发生。⁹

一个新的角色

如果是这样,那么DNA到底做什么?全基因组测序项目如人类基因组并不真正面临这个问题。他们调查的DNA景观——例如,碱基对分布的统计数据(如C-G-rich地区)、基因复制的程度和物种之间的差异和相似之处——没有打扰太多关于这些分子材料。

DNA是一种信息存储,可以相当准确地复制

史蒂文玫瑰

但我们可以开始做一些建议。显然,DNA是遗传的核心。显然它编码的蛋白质,在对自然选择进化,包含关于生物信息发展。这个问题也许是如何思考这一信息。一些生物学家认为,如高贵的,DNA序列代表一个在许多“层”的信息为一个有机体。的基因只有一个数据库,”他说。在生物系统功能取决于重要属性的物质不是指定的基因。”

与其说DNA可能最好被作为蓝图但草图,速记备忘录,有点像莫扎特或贝多芬的音乐成绩写下来,并不是所有的笔记或动力表示,因为大部分的信息已经可以被视为理所当然,居住而不是音乐家将比分。它只是支持RNA的操作系统软件。“我认为DNA是一个格式化的数据库,使用的生物来做许多事情,就像一个孩子让很多不同的东西在同一组乐高积木块,“高贵的说。生物化学家史蒂文玫瑰开放大学也有类似的观点:“DNA是一种信息存储在开发过程中可以在细胞过程,可以复制非常准确地在细胞分裂和繁殖和传播。但它本身传达没有意义;意思是细胞DNA的上下文提供的画。什么是DNA肯定不是这些隐喻主分子,生命之书等等。

在这个视图中,DNA不是一个详尽的蓝图,因为它不需要。它编码的“语言”是像一个真正的语言:获取意义不准确、不完整的,只有当它是正确的上下文和环境。是时候停止崇拜的祭坛的DNA双螺旋结构,看到什么是真的。

菲利普球是一个基于科学作家在伦敦,英国