Från gen till protein – den centrala dogmen

Sammanfattning

Den centrala dogmen beskriver framförallt hur den information som finns i gener används för att tillverka cellens proteiner. Men det finns fler former av informationsflöde. Inte minst varje gång en cell ska dela sig och allt DNA i cellen kopieras, en process som är själva förutsättningen för ärftlighet. Ett annat informationsflöde behärskas bara av en grupp virus som kan omvandla RNA till DNA. Det kallas för omvänd transkription.

Transkription – DNA kopieras till RNA

Vid transkriptionen används informationen i en gen för att tillverka ett budbärar-RNA (mRNA). När en gen transkriberas är den aktiv, det kallas att genen uttrycks. Transkription betyder ungefär ”skriva om”. Hos eukaryoter

I den här texten beskrivs transkription av kärn-DNA hos eukaryota organismer, vilket sker inuti cellkärnan. När de gener som finns i mitokondrier och kloroplaster transkriberas hos eukaryoter så sker både det och proteintillverkningen (translationen) på plats i organellen.

Så här är en gen uppbyggd

En gen består av ett antal DNA-sekvenser som kallas exoner som innehåller den genetiska koden. Hos eukaryoter finns även introner, DNA-sekvenser som finns mellan exonerna. Framför varje gen finns en promotor.

Transkription hos eukaryoter – steg för steg

1. Transkriptionen startar med att enzymet RNA-polymeras II rekryteras till genens promotor. För att RNA-polymeras II ska binda till rätt startställe krävs det att transkriptionsfaktorn TFIID först bundit till promotorn. Till TFIID binder sen fler transkriptionsfaktorer som på olika sätt hjälper att transkriptionen att starta.
2. En annan transkriptionsfaktor, TFIIF, hjälper RNA-polymeras II att öppna upp de annars slutna DNA-strängarna och gör dem tillgänglig att läsas av.
3. RNA-polymeras II rör sig längs med ena strängen och tillverkar mRNA med fria nukleotider enligt basparningsprincipen. Ett mRNA blir en kopia av den motsatta strängen. Allteftersom RNA-polymeras II rör sig vidare återsluts DNA-strängarna.
4. När RNA-polymeras II kommer fram till en stopp-sekvens (stopp-kodon) i genen så avslutas transkriptionen och ett ”omoget” mRNA, ett transkript, är klart.

Vad är ett mRNA?

Ett mRNA är en tillfällig kopia av en gen som används för att transportera den genetiska informationen från cellkärnan till proteintillverkningen i cytosolen. Bokstaven ”m” i mRNA kommer från engelskans messenger. På svenska översätts det med budbärar-RNA.

RNA är precis som DNA en nukleinsyra men till skillnad från den dubbelsträngade DNA-molekylen består RNA av en enkel sträng. DNA innehåller kvävebaserna cytosin (C), adenin (A), guanin (G) och tymin (T), men RNA skiljer sig något genom att ha kvävebasen uracil (U) istället för tymin (T).

Bearbetning av mRNA inför translation

Innan mRNA lämnar cellkärnan så modifieras och bearbetas molekylen på flera olika sätt genom att extra nukleotider kopplas på ändarna. Det krävs dels för att skydda mRNA från att förstöras av enzymer i cytosolen. Det möjliggör även och själva transporten via porer i cellkärnans membran och hjälper ribosomerna att fånga upp och binda mRNA.

Capping och polyadenyleing

I det som kallas 5′ (fem prim) änden av mRNA monteras ett extra guanin (G). Det kallas för capping från engelskans cap som betyder skydd. I det som kallas 3′ änden (tre prim) monteras en längre sekvens med 60-200 adenin (A). Det kallas för polyadenylering.

Splitsning och alternativ splitsning

Innan mRNA-molekylen är klar för transport till proteinfabrikerna (ribosomerna) klipps alla introner i sekvensen bort och exonerna som innehåller faktiskt kod fogas samman. Processen kallas för splitsning (splicing på engelska).

För vissa mRNA klipps även sekvenserna för en eller flera exoner bort i en mekanism som heter alternativ splitsning. Med alternativ splitsning kan samma gen koda för flera olika proteiner, eller fler versioner av ett protein.

Transkription hos prokaryoter

Hos encelliga prokaryota organismer (bakterier och arkeér) saknas cellkärna och både transkription och translation sker därmed i cytosolen. Hos bakterier binder RNA-polymeras direkt till genens promotor med hjälp av ett protein som heter sigmafaktor. Hos arkéer liknar transkriptionen den hos eukaryoter vilket kräver att transkriptionsfaktorn TFIID binder till promotorn för att aktivera RNA-polymeras II.

Translation – mRNA översätts till protein

Det mRNA som tillverkats i cellkärnan men en gen som mall finns information om hur ett protein ska tillverkas. Mer konkret så säger koden vilka aminosyror som ska monteras ihop till ett specifikt protein och i vilken ordning de ska sitta. Man kan säga att en kod (DNA-sekvens) översätts till en annan (aminosyrasekvens).

Ett kodon översätts till en aminosyra

Tre och tre utgör nukleotiderna i en exon ett så kallat kodon. Varje kodon översätts till en viss aminosyra. Till exempel så översätts AAG till aminosyran lysin och CGA till alanin. Sekvensen AAGCGA resulterar under proteintillverkningen i att lysin sätts ihop med alanin. På så sätt monteras aminosyror ihop som ett långt pärlband till ett protein.

Baserat på ordningsföljden av kodon, sammanfogar ribosomerna aminosyror tills ett så kallat stopp-kodon (UAA, UAG eller UGA) kommer. Då avslutas proteintillverkningen.

Fler RNA-molekyler är viktiga för translation

Förutom mRNA är två andra RNA-molekyler viktiga för proteintillverkningen: transport-RNA (tRNA) och ribosomalt RNA (rRNA).

När ribosomen rör sig över mRNA-molekylen, ett kodon i taget och sammankopplar aminosyror, så överförs aminosyrorna med hjälp av tRNA. tRNA består bland annat av ett så kallat antikodon som binder komplementärt till mRNA-molekylen. När aminosyran är på plats klipps tRNA bort med hjälp av rRNA.  

Ribosomerna består av protein och rRNA som utgör stora och lilla subenheten. Den lilla enheten läser av mRNA och bistår matchningen med rätt tRNA. Den stora enheten kopplar ihop aminosyrorna.

Aminosyrorna som bygger upp proteiner

Alla 20 aminosyror som bygger upp alla organismers proteiner består av en aminogrupp (NH2), en karboxylgrupp (COOH), en metylgrupp (CH) och en kolvätekedja som brukar kallas R och som är specifik för varje aminosyra.

Varje aminosyra har två olika förkortningar. Den ena typen av förkortning består av en enda bokstav och den andra förkortningen av tre bokstäver. I tabellen nedan finns namnen på aminosyrorna, hur de förkortas och vilket RNA kodon som översätts till vilken aminosyra. Flera kodon kan översätts med samma aminosyra.

Namn på aminosyra	Enbokstavs-förkortning	Trebokstavs-förkortning	RNA kodon
Alanin	A	Ala	GCU, GCC, GCA, GCG
Arginin	R	Arg	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG
Asparagin	N	Asn	AAU, AAC
Asparaginsyra	D	Asp	GAU, GAC
Cytein	C	Cyt	UGU, UGC
Fenylalanin	F	Phe	UUU, UUC
Glutamin	Q	Gln	CAA, CAG
Glutaminsyra	E	Glu	GAA, GAG
Glycin	G	Gly	GGU, GGC, GGA, GGG
Histidin	H	His	CAU, CAC
Isoleucin	I	Ile	AUU, AUC, AUA
Leucin	L	Leu	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
Lysin	K	Lys	AAA, AAG
Metionin	M	Met	AUG
Prolin	P	Pro	CCU, CCC, CCA, CCG
Serin	S	Ser	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
Treonin	T	Tre	ACU, ACG, ACA, ACG
Tryptofan	W	Trp	UGG
Tyrosin	Y	Tyr	UAU, UAC
Valin	V	Val	GUU, GUC, GUA, GUG

Andra flöden av genetisk information

När man talar om den centrala dogmen är det ofta DNA-RNA-protein som åsyftas. Men det finns andra flöden av genetisk information.

Från RNA till DNA

Alla levande organismers genetiska kod består av DNA. Ett undantag är retrovirus som istället har RNA som genetisk kod. Virus räknas inte alltid som organismer eftersom de saknar cellstruktur, egen ämnesomsättning och inte kan föröka sig utan att först infektera en värd.

När virus infekterar en värdcell så kapar de cellens proteintillverkning så att det tillverkar virus-proteiner. Det gör de genom att föra in sitt virus-DNA i cellkärnan där det transkriberas tillsammans med värdecellens egna aktiva gener. Innan ett retrovirus kan lyckas med det så omvandlar det sitt RNA-genom till DNA. Till sin hjälp har de ett enzym som heter omvänt transkriptas.

Från DNA till DNA

Inför varje celldelning kopieras allt DNA i en cell så att alla celler har en egen uppsättning av genomet. Processen är ett samarbete av flera enzymer: helikas som separerar DNA-strängarna, primas som tillverkas startsekvenser och DNA-polymeras som tillverkar nya DNA-strängar av fria nukleotider. DNA-replikation är en förutsättning för ärftlighet eftersom den säkerställer att den genetiska informationen kopieras och förs vidare till nya celler och till nästa generation.

Referenser

• Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB. Campbell Biology. 10th ed. Harlow: Pearson; 2014.