Önde gelen bilimsel dergi Doğa yakın zamanda moleküler biyologlar ve bilgisayar programcıları tarafından kırılan bir tür "kod içinde kod" olan ikinci bir genetik kodun keşfedildiğini bildirdi. Üstelik bunu tespit etmek için evrim teorisini değil, bilgi teknolojisini kullandılar.
Yeni koda Ekleme Kodu adı verilir. DNA'nın içinde bulunur. Bu kod, altta yatan genetik kodu çok karmaşık ama öngörülebilir bir şekilde kontrol eder. Ekleme kodu, genlerin ve düzenleyici öğelerin nasıl ve ne zaman birleştirileceğini kontrol eder. Bu kodun bir kod içinde çözülmesi, İnsan Genomu Dizileme Projesi'nden bu yana ortaya çıkan uzun zamandır devam eden genetik gizemlerinden bazılarına ışık tutmaya yardımcı oluyor. Bu gizemlerden biri, insan gibi karmaşık bir organizmada neden sadece 20.000 genin bulunduğuydu. (Bilim insanları çok daha fazlasını bulmayı bekliyordu.) Genler neden kodlayıcı olmayan elementler (intronlar) tarafından ayrılan parçalara (ekzonlara) bölünüyor ve transkripsiyondan sonra bir araya getiriliyor (yani ekleniyor)? Ve neden genler bazı hücre ve dokularda etkinleşirken diğerlerinde etkinleşmiyor? Yirmi yıldır moleküler biyologlar genetik düzenlemenin mekanizmalarını açıklamaya çalışıyorlar. Bu makale gerçekte neler olup bittiğini anlamak için çok önemli bir noktaya değiniyor. Tüm soruları cevaplamıyor ancak dahili kodun var olduğunu gösteriyor. Bu kod, bilim adamlarının genomun belirli durumlarda nasıl davranacağını açıklanamaz bir hassasiyetle tahmin edebilmesini sağlayacak kadar net bir şekilde çözülebilen bir bilgi aktarım sistemidir.
Yan odada bir orkestra sesi duyduğunuzu hayal edin. Kapıyı açıyorsunuz, içeriye bakıyorsunuz ve odada müzik enstrümanı çalan üç-dört müzisyen görüyorsunuz. Kodun kırılmasına yardımcı olan Brandon Frey, insan genomunun buna benzediğini söylüyor. Diyor: "Yalnızca 20.000 gen tespit edebildik ama bunların çok sayıda protein ürünü ve düzenleyici unsurdan oluştuğunu biliyorduk. Nasıl? Bir yönteme alternatif birleştirme denir.". Farklı ekzonlar (genlerin parçaları) farklı şekillerde birleştirilebilir. "Örneğin, neurexin proteinine ait üç gen, beynin kablolarını kontrol etmeye yardımcı olan 3.000'den fazla genetik mesaj oluşturabilir.", diyor Frey. Makalede ayrıca bilim adamlarının, genlerimizin %95'inin alternatif olarak eklendiğini ve çoğu durumda transkriptlerin (transkripsiyon sonucu oluşan RNA molekülleri) farklı hücre ve doku türlerinde farklı şekilde ifade edildiğini bildikleri belirtiliyor. Bu binlerce kombinasyonun nasıl bir araya getirilip ifade edildiğini kontrol eden bir şey olmalı. Bu Ekleme Kodunun görevidir.
Keşfe hızlı bir genel bakış isteyen okuyucular makaleyi şu adresten okuyabilir: Günlük Bilim hak sahibi "'Birleştirme Kodunu' Kıran Araştırmacılar, Biyolojik Karmaşıklığın Ardındaki Gizemi Ortaya Çıkardı". Makale şöyle diyor: "Toronto Üniversitesi'ndeki bilim adamları, canlı hücrelerin beyin gibi inanılmaz derecede karmaşık organları oluşturmak için sınırlı sayıda genleri nasıl kullandığına dair temel yeni bilgiler elde ettiler.". Doğanın kendisi Heidi Ledford'un "Code Within Code" adlı makalesiyle başlıyor. Bunu Tejedor ve Valcárcel'in "Gen Düzenlemesi: İkinci Genetik Kodun Kırılması" başlıklı bir makale izledi. Son olarak, Toronto Üniversitesi'nden Benjamin D. Blencowe ve Brandon D. Frey liderliğindeki bir araştırmacı ekibinin "Ekleme Kodunu Kırmak" başlıklı makalesi, son noktayı kattı.
Bu makale, bize II. Dünya Savaşı'nın şifre kırıcılarını hatırlatan bilgi bilimi için bir zaferdir. Yöntemleri cebir, geometri, olasılık teorisi, vektör hesabı, bilgi teorisi, program kodu optimizasyonu ve diğer ileri teknikleri içeriyordu. İhtiyaç duymadıkları şey evrim teorisiydi bilimsel makalelerde hiç bahsedilmemiş olan. Bu makaleyi okuduğunuzda, bu uvertürün yazarlarının ne kadar stres altında olduklarını görebilirsiniz:
"Binlerce ekzonun alternatif birleşmesindeki dokuya özgü değişiklikleri tahmin etmek için yüzlerce RNA özelliğinin kombinasyonlarını kullanan bir 'bağlama kodu' şemasını tanımlıyoruz. Kod, yeni birleştirme modelleri sınıfları oluşturur, farklı dokulardaki farklı düzenleyici programları tanır ve mutasyon kontrollü düzenleyici diziler oluşturur. Beklenmedik derecede büyük mülk havuzlarının kullanımı; spesifik dokuların özellikleriyle zayıflatılan düşük seviyelerde ekson katılımının tanımlanması; intronlardaki özelliklerin tezahürü önceden düşünülenden daha derindir; ve transkriptin yapısal özelliklerine göre ekleme varyantı seviyelerinin modülasyonu. Kod, mRNA bozunmasını aktive ederek yetişkin dokularda ekspresyonu susturan ve hariç tutulması embriyogenez sırasında ekspresyonu destekleyen bir ekson sınıfının tanımlanmasına yardımcı oldu. Kod, genom çapında düzenlenmiş alternatif birleştirme olaylarının keşfini ve ayrıntılı karakterizasyonunu kolaylaştırıyor."
Kodu kıran ekipte Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü'nün yanı sıra Moleküler Genetik Bölümü'nden uzmanlar da vardı. (Frey'in kendisi de Microsoft Corporation'ın bir bölümü olan Microsoft Research'te çalışıyor) Geçmişteki şifre kırıcılar gibi, Frey ve Barash da şunları geliştirdi: "Genomun içinde saklı 'şifre sözcüklerini' tespit eden yeni bir bilgisayar destekli biyolojik analiz yöntemi". Bir araştırma ekibi, moleküler genetikçiler tarafından üretilen devasa miktarda veriyi kullanarak, birleştirme kodunu tersine mühendislikle geliştirdi nasıl davranacağını tahmin edemeyene kadar. Araştırmacılar bunu çözdükten sonra kodu mutasyonlara karşı test ettiler ve eksonların nasıl eklendiğini veya silindiğini gördüler. Kodun dokuya özgü değişikliklere neden olabileceğini veya farenin yetişkin mi yoksa embriyo mu olduğuna bağlı olarak farklı davranabileceğini buldular. Bir gen, Xpo4, kanserle ilişkilidir; Araştırmacılar şunları kaydetti: "Bu veriler, embriyogenez sırasında aktif olduğundan ancak yetişkin dokularda bol miktarda azaldığından, tümör oluşumu (kanser) dahil olmak üzere olası zararlı sonuçlardan kaçınmak için Xpo4 gen ekspresyonunun sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gerektiği sonucunu desteklemektedir. Gördükleri kontrol düzeyi karşısında kesinlikle şaşırdıkları ortaya çıktı. Frey, kasıtlı olsun ya da olmasın, ipucu olarak rastgele çeşitlilik ve seçilim yerine akıllı tasarım dilini kullandı. Not etti: “Karmaşık bir biyolojik sistemi anlamak, karmaşık bir elektronik devreyi anlamaya benzer.”
Heidi Ledford, Watson-Crick genetik kodunun dört bazı, üçlü kodonu, 20 amino asidi ve 64 DNA "karakteriyle" bariz basitliğinin - altında koca bir karmaşıklık dünyası gizlidir. Bu basit kodun içinde yer alan ekleme kodu çok daha karmaşıktır.
Ancak DNA ile proteinlerin arasında, başlı başına karmaşık bir dünya olan RNA yer alır. RNA, bazen genetik mesajları taşıyan, bazen de kontrol eden, işlevini etkileyebilecek birçok yapıyı içeren bir transformatördür. Aynı sayıda yayınlanan bir makalede, Ontario, Kanada'daki Toronto Üniversitesi'nden Benjamin D. Blencowe ve Brandon D. Frey liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, haberci RNA bölümlerinin nasıl çalıştığını tahmin edebilecek ikinci bir genetik kodu çözme çabalarını bildiriyor. Belirli bir genden kopyalananlar, farklı dokularda çeşitli ürünler oluşturacak şekilde karışabilir ve eşleşebilir. Bu işlem alternatif birleştirme olarak bilinir. Bu sefer basit bir tablo yok; bunun yerine DNA'nın 200'den fazla farklı özelliğini RNA yapısının tespitleriyle birleştiren algoritmalar var.
Bu araştırmacıların çalışmaları, hesaplamalı yöntemlerin bir RNA modeli oluşturmada kaydettiği hızlı ilerlemeye işaret ediyor. Alternatif birleştirmeyi anlamanın yanı sıra, bilgisayar bilimi, bilim adamlarının RNA yapılarını tahmin etmesine ve proteinleri kodlamayan küçük düzenleyici RNA parçalarını tanımlamasına yardımcı olur. "Harika bir zaman" Cambridge'deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde hesaplamalı biyolog olan Christopher Berg, diyor. “Gelecekte büyük başarılara imza atacağız”.
Bilgisayar bilimi, hesaplamalı biyoloji, algoritmalar ve kodlar; bu kavramlar, teorisini geliştirdiğinde Darwin'in kelime dağarcığının bir parçası değildi. Mendel'in kalıtım sırasında özelliklerin nasıl dağıldığına dair çok basitleştirilmiş bir modeli vardı. Ayrıca özelliklerin kodlandığı fikri ancak 1953'te ortaya atıldı. Orijinal genetik kodun, içinde yer alan çok daha karmaşık bir kod tarafından düzenlendiğini görüyoruz. Bunlar devrimci fikirler. Üstelik bunun tüm işaretleri var bu kontrol seviyesi son değil. Ledford, örneğin RNA ve proteinlerin üç boyutlu bir yapıya sahip olduğunu hatırlatıyor. Moleküllerin şekli değiştiğinde işlevleri de değişebilir. Üç boyutlu yapının işlevin gerektirdiğini yapabilmesi için, katlanmayı kontrol eden bir şeyin olması gerekir. Ayrıca genlere erişim kontrollü görünüyor başka bir kod, histon kodu. Bu kod, DNA bükülmesi ve süpersarılması için merkez görevi gören histon proteinleri üzerindeki moleküler işaretleyiciler veya "kuyruklar" tarafından kodlanır. Ledford, zamanımızı anlatırken şunlardan bahsediyor: "RNA bilişiminde sürekli rönesans".
Tejedor ve Valcárcel, basitliğin arkasında karmaşıklığın yattığı konusunda hemfikir. "Konsept çok basit: DNA, RNA'yı, o da proteini üretiyor.", - makalelerine başlıyorlar. “Ama gerçekte her şey çok daha karmaşık”. 1950'li yıllarda bakterilerden insanlara kadar tüm canlı organizmaların temel bir genetik koda sahip olduğunu öğrendik. Ancak çok geçmeden karmaşık organizmaların (ökaryotların) bazı doğal olmayan ve anlaşılması zor özelliklere sahip olduğunu fark ettik: genomlarında, ekzonların bir araya gelebilmesi için çıkarılması gereken tuhaf bölümler, intronlar var. Neden? Bugün sis dağılıyor: "Bu mekanizmanın temel avantajı, farklı hücrelerin öncü mesajcı RNA'yı (pre-mRNA) birleştirmenin alternatif yollarını seçmesine ve böylece aynı genden farklı mesajlar üretmesine izin vermesidir."- açıklıyorlar, - "ve sonra farklı mRNA'lar, farklı işlevlere sahip farklı proteinleri kodlayabilir". Kodun içinde bunu nasıl yapacağını bilen başka bir kod olması şartıyla, daha az kodla daha fazla bilgi elde edersiniz.
Ekleme kodunun kırılmasını bu kadar zorlaştıran şey, ekzon düzeneğini kontrol eden faktörlerin birçok başka faktör tarafından belirlenmesidir: ekson sınırlarına yakın konumdaki diziler, intron dizileri ve ekleme mekanizmasına yardımcı olan veya engelleyen düzenleyici faktörler. Ayrıca, “Belirli bir dizinin veya faktörün etkileri, intron-ekson sınırlarına veya diğer düzenleyici motiflere göre konumuna bağlı olarak değişebilir” Tejedor ve Valcárcel açıklıyor. "Bu nedenle, dokuya özgü birleşmeyi tahmin etmedeki en büyük zorluk, sayısız motifin cebirini ve bunları tanıyan düzenleyici faktörler arasındaki ilişkileri hesaplamaktır.".
Bu sorunu çözmek için bir araştırmacı ekibi, bilgisayara RNA dizileri ve bunların oluştukları koşullar hakkında büyük miktarda veri yükledi. "Bilgisayar daha sonra deneysel olarak oluşturulan dokuya özgü ekzon seçimini en iyi açıklayacak özelliklerin kombinasyonunu belirlemekle görevlendirildi.". Başka bir deyişle, araştırmacılar koda tersine mühendislik uyguladılar. İkinci Dünya Savaşı'nın şifre kırıcıları gibi, bilim insanları algoritmayı öğrendikten sonra tahminlerde bulunabilirler: "Alternatif ekzonları doğru ve doğru bir şekilde tanımladı ve bunların doku türü çiftleri arasındaki diferansiyel düzenlemelerini tahmin etti." Ve her iyi bilimsel teori gibi bu keşif de yeni bir anlayış sağladı: "Bu, daha önce tanımlanmış düzenleyici motiflere yeni bir bakış açısı sağlamamıza olanak tanıdı ve bilinen düzenleyicilerin önceden bilinmeyen özelliklerine ve aralarındaki beklenmedik işlevsel bağlantılara işaret etti." Araştırmacılar şunu belirtti. "Örneğin kod, işlenmiş proteinlere yol açan eksonların dahil edilmesinin, embriyonik dokudan yetişkin dokuya geçiş sırasında gen ekspresyonunun sürecini kontrol etmek için genel bir mekanizma olduğunu ima ediyor.".
Tejedor ve Valcárcel makalelerinin yayınlanmasının önemli bir ilk adım olduğunu düşünüyor: "Bu çalışmayı... genomumuzun alternatif mesajlarını çözmek için gerekli olan çok daha büyük Rosetta Stone'un ilk parçasının keşfi olarak görmek daha doğru olur." Bu bilim insanlarına göre gelecekteki araştırmalar şüphesiz bu yeni kod hakkındaki bilgilerini geliştirecek. Makalelerinin sonunda kısaca evrimden bahsediyorlar ve bunu da oldukça alışılmışın dışında bir şekilde yapıyorlar. “Bu, bu kodları evrimin yarattığı anlamına gelmez” diyorlar. Bu, ilerlemenin kodların nasıl etkileşimde bulunduğunun anlaşılmasını gerektireceği anlamına gelir. Bir diğer sürpriz ise bugüne kadar gözlemlenen koruma derecesinin "türe özgü kodların" olası varlığı sorusunu gündeme getirmesiydi..
Kod muhtemelen her bir hücrede çalışmaktadır ve bu nedenle 200'den fazla memeli hücre türünden sorumlu olmalıdır. Tek bir ekzonun dahil edilmesi veya atlanması gibi basit kararların yanı sıra, çok çeşitli alternatif ekleme modelleriyle de başa çıkmalıdır. Alternatif birleştirme düzenlemesinin sınırlı evrimsel korunması (insanlar ve fareler arasında yaklaşık %20 olduğu tahmin edilmektedir), türe özgü kodların varlığı sorusunu gündeme getirmektedir. Dahası, DNA işleme ve gen transkripsiyonu arasındaki bağlantı, alternatif birleştirmeyi etkiler ve son kanıtlar, birleştirmenin düzenlenmesinde histon proteinleri tarafından DNA paketlenmesine ve histonların (epigenetik kod olarak adlandırılan) kovalent modifikasyonlarına işaret eder. Bu nedenle gelecekteki yöntemlerin histon kodu ile ekleme kodu arasındaki kesin etkileşimi kurması gerekecektir. Aynı şey, karmaşık RNA yapılarının alternatif birleştirme üzerindeki hala az anlaşılan etkisi için de geçerlidir.
Kodlar, kodlar ve daha fazla kod. Bilim adamlarının bu makalelerde Darwinizm hakkında neredeyse hiçbir şey söylememesi, eski fikir ve geleneklere bağlı evrim teorisyenlerinin bu makaleleri okuduktan sonra üzerinde düşünecekleri çok şey olduğunu göstermektedir. Ancak kodların biyolojisine meraklı olanlar kendilerini ön planda bulacaklardır. Kod kırıcıların daha fazla araştırmayı teşvik etmek için oluşturduğu heyecan verici web uygulamasından yararlanmak için harika bir fırsata sahipler. Toronto Üniversitesi'nin Alternatif Ekleme Tahmini Web Sitesi adlı web sitesinde bulunabilir. Biyolojide onsuz hiçbir şeyin bir anlam ifade etmeyeceği yönündeki eski aksiyoma rağmen, ziyaretçiler burada evrimden söz etmek için boşuna çabalayacaklar. Bu ifadenin yeni 2010 versiyonu şöyle görünebilir: "Bilgisayar biliminin ışığında bakılmadıkça biyolojideki hiçbir şey anlamlı değildir." .
Bağlantılar ve notlar
Bu hikayeyi yayınlandığı gün size anlatabildiğimiz için mutluyuz. Bu yılın en önemli bilimsel makalelerinden biri olabilir. (Elbette Watson ve Crick gibi diğer bilim insanı gruplarının yaptığı her büyük keşif önemlidir.) Buna söyleyebileceğimiz tek şey: "Vay canına!" Bu keşif, Yaratılış'ın tasarım gereği olduğunu dikkate değer bir şekilde doğruluyor ve Darwinci imparatorluğa büyük bir meydan okumadır. Evrimcilerin, 19. yüzyıla kadar uzanan basit tesadüfi mutasyon ve doğal seçilim hikâyesini bu yeni veriler ışığında nasıl düzeltmeye çalışacaklarını merak ediyorum.
Tejedor ve Valcárcel'in neden bahsettiğini anlıyor musun? Türlerin, o türe özgü kendi kodları olabilir. "Dolayısıyla histon [epigenetik] kodu ile birleştirme kodu arasındaki kesin etkileşimi kurmak gelecekteki yöntemlere bağlı olacaktır" diye belirtiyorlar. Çevirisi şu anlama geliyor: “Darwinistlerin bununla hiçbir ilgisi yoktur. Sadece bununla başa çıkamıyorlar." Eğer basit Watson-Crick genetik kodu Darwinciler için bir sorun olsaydı, aynı genlerden binlerce kopya oluşturan bir birleştirme kodu hakkında şimdi ne derlerdi? Gen ifadesini kontrol eden epigenetik kodla nasıl başa çıkıyorlar? Ve kim bilir, belki de yeni yeni öğrenmeye başladığımız bu inanılmaz “etkileşim”de, kumdan yeni çıkmaya başlayan Rosetta Taşı'nı anımsatan başka kodlar da işin içindedir?
Artık kodlar ve bilgisayar bilimi hakkında düşündüğümüzde yeni araştırmalar için farklı paradigmalar düşünmeye başlıyoruz. Ya genom kısmen bir depolama ağı görevi görüyorsa? Ya kriptografi veya sıkıştırma algoritmaları içeriyorsa? Modern bilgi sistemlerini ve bilgi depolama teknolojilerini hatırlamalıyız. Steganografinin unsurlarını bile keşfedebiliriz. Kuşkusuz, psödojenlerin varlığını açıklamaya yardımcı olabilecek kopyalar ve düzeltmeler gibi ek direnç mekanizmaları vardır. Tüm genomun kopyaları strese bir yanıt olabilir. Bu fenomenlerden bazıları, evrensel bir ortak atayla hiçbir ilgisi olmayan, ancak bilgisayar bilimi ve direnç tasarımı çerçevesinde karşılaştırmalı genomiğin araştırılmasına ve hastalığın nedeninin anlaşılmasına yardımcı olan tarihsel olayların yararlı göstergeleri olabilir.
Evrimciler kendilerini büyük bir zorlukla karşı karşıya buluyorlar. Araştırmacılar kodu değiştirmeye çalıştı ama elde ettikleri tek şey kanser ve mutasyonlardı. Birisi bu ayrılmaz şekilde birbirine bağlı kodlara müdahale etmeye başladığında, her şey felaketlerle doluysa, fitness alanında nasıl ilerleyecekler? Yerleşik bir kararlılık ve taşınabilirlik bulunduğunu biliyoruz, ancak resmin tamamı inanılmaz derecede karmaşık, tasarlanmış, optimize edilmiş bir bilgi sistemidir; sonsuza kadar oynanabilecek gelişigüzel bir parça koleksiyonu değildir. Kod fikrinin tamamı akıllı tasarım kavramıdır.
A. E. Wilder-Smith buna özellikle önem verdi. Kod, iki kısım arasında bir anlaşma olduğunu varsayar. Anlaşma önceden yapılan bir anlaşmadır. Planlama ve amaç içerir. SOS sembolünü, Wilder-Smith'in de söylediği gibi, gelenek gereği bir tehlike sinyali olarak kullanırız. SOS bir felakete benzemiyor. Felaket gibi kokmuyor. Bir felaket gibi gelmiyor. İnsanlar anlaşmanın özünü anlamasalardı bu mektupların felaket anlamına geldiğini anlamazlardı. Benzer şekilde, alanin kodonu HCC, alanine benzemez, kokmaz veya hissettirmez. İki kodlama sistemi (protein kodu ve DNA kodu) arasında "GCC'nin alanin anlamına gelmesi gerektiği" yönünde önceden belirlenmiş bir anlaşma olmadığı sürece kodonun alanin ile hiçbir ilgisi olmayacaktır. Bu anlaşmayı iletmek için, bir kodu diğerine çeviren bir dönüştürücü ailesi olan aminoasil-tRNA sentetazları kullanılır.
Bu, 1950'lerde tasarım teorisini güçlendirmek içindi ve birçok yaratılışçı bunu etkili bir şekilde vaaz ediyordu. Ama evrimciler düzgün konuşan satıcılar gibidir. Şifreleri kıran, mutasyon ve seçilim yoluyla yeni türler yaratan Tinkerbell'le ilgili masallarını yaratıp, birçok insanı günümüzde hala mucizelerin olabileceğine inandırdılar. Bugün 21. yüzyıldayız ve epigenetik kodu ve birleştirme kodunu biliyoruz; bunlar basit DNA kodundan çok daha karmaşık ve dinamik olan iki kod. Kodların içindeki kodları, kodların üstündeki ve altındaki kodları biliyoruz; kodların tam bir hiyerarşisini biliyoruz. Her iki tarafta da silahlar, ana tasarım öğelerine yönelik koca bir cephanelik varken, bu kez evrimciler silaha parmaklarını sokup güzel konuşmalarıyla bize blöf yapamazlar. Bunların hepsi bir oyun. Çevrelerinde koca bir bilgisayar bilimi dönemi gelişti, çoktan modası geçmişler ve mızraklarla modern tanklara ve helikopterlere tırmanmaya çalışan Yunanlılara benziyorlar.
Üzücü ama evrimciler bunu anlamıyorlar, anlasalar bile vazgeçmeyecekler. Bu arada, Ekleme Kodu ile ilgili makalenin yayınlandığı bu hafta, Darwin yanlısı dergi ve gazetelerin sayfalarından yaratılışçılığa ve akıllı tasarıma karşı yakın tarihin en öfkeli ve nefret dolu söylemleri döküldü. Buna benzer pek çok örneği henüz duymadık. Mikrofonları ellerinde tuttukları ve kurumları kontrol ettikleri sürece birçok insan, bilimin kendilerine iyi nedenler sunmaya devam ettiğini düşünerek onların tuzağına düşecek. Bütün bunları size, bu materyali okuyup, inceleyerek, anlayıp, bu bağnaz, yanıltıcı saçmalığı gerçekle yenmek için ihtiyacınız olan bilgilerle donatmanız için anlatıyoruz. Şimdi devam edin!
Gen- belirli bir özelliğin veya özelliğin gelişimini kontrol eden yapısal ve işlevsel bir kalıtım birimi. Ebeveynler üreme sırasında yavrularına bir dizi gen aktarıyor Rus bilim adamları gen çalışmasına büyük katkı sağladı: Simashkevich E.A., Gavrilova Yu.A., Bogomazova O.V.
Şu anda, moleküler biyolojide, genlerin, bir protein molekülünün veya bir RNA molekülünün yapısı hakkında bir tür bütünleyici bilgi taşıyan DNA bölümleri olduğu tespit edilmiştir. Bunlar ve diğer fonksiyonel moleküller vücudun gelişimini, büyümesini ve işleyişini belirler.
Aynı zamanda her gen, genin ekspresyonunun düzenlenmesinde doğrudan rol oynayan promotörler gibi bir dizi spesifik düzenleyici DNA sekansı ile karakterize edilir. Düzenleyici diziler, bir proteini kodlayan açık okuma çerçevesinin yakınına veya promotörlerde olduğu gibi bir RNA dizisinin başlangıcına (sözde) yerleştirilebilir. cis cis-düzenleyici unsurlar) ve arttırıcılar, yalıtkanlar ve baskılayıcılar (bazen trans-düzenleyici unsurlar, İngilizce. trans-düzenleyici unsurlar). Dolayısıyla gen kavramı sadece DNA'nın kodlayıcı bölgesiyle sınırlı olmayıp, düzenleyici dizileri de kapsayan daha geniş bir kavramdır.
Başlangıçta terim gen ayrık kalıtsal bilgilerin iletimi için teorik bir birim olarak ortaya çıktı. Biyoloji tarihi, hangi moleküllerin kalıtsal bilginin taşıyıcısı olabileceği konusundaki tartışmaları hatırlar. Çoğu araştırmacı, yapıları (20 amino asit), yalnızca dört tip nükleotitten oluşan DNA'nın yapısından daha fazla varyantın yaratılmasına izin verdiği için yalnızca proteinlerin bu tür taşıyıcılar olabileceğine inanıyordu. Daha sonra moleküler biyolojinin merkezi dogması olarak ifade edilen kalıtsal bilgiyi içeren şeyin DNA olduğu deneysel olarak kanıtlandı.
Genler, DNA zincirindeki nükleotid dizisinde rastgele veya hedefli değişiklikler olan mutasyonlara maruz kalabilir. Mutasyonlar dizide bir değişikliğe ve dolayısıyla bir proteinin veya RNA'nın biyolojik özelliklerinde bir değişikliğe yol açabilir ve bu da vücudun genel veya lokal olarak değişmesine veya anormal işleyişine neden olabilir. Bazı durumlarda bu tür mutasyonlar hastalıkla sonuçlandığı için patojeniktir veya embriyonik düzeyde öldürücüdür. Bununla birlikte, nükleotid sekansındaki tüm değişiklikler, protein yapısında değişikliklere (genetik kodun dejenerasyonunun etkisi nedeniyle) veya sekansta önemli bir değişikliğe yol açmaz ve patojenik değildir. Özellikle insan genomu, tek nükleotid polimorfizmleri ve kopya sayısı varyasyonları ile karakterize edilir. sayı varyasyonlarını kopyala), tüm insan nükleotid dizisinin yaklaşık %1'ini oluşturan silmeler ve çoğaltmalar gibi. Özellikle tek nükleotid polimorfizmleri, tek bir genin farklı alellerini tanımlar.
DNA zincirlerinin her birini oluşturan monomerler, azotlu bazlar içeren karmaşık organik bileşiklerdir: adenin (A) veya timin (T) veya sitozin (C) veya guanin (G), pentaatomik şeker pentoz deoksiriboz, adını ve DNA'nın kendisi ve fosforik asit kalıntısı denir. Bu bileşiklere nükleotidler denir.
Gen özellikleri
- ayrıklık - genlerin karışmazlığı;
- istikrar - yapıyı koruma yeteneği;
- değişkenlik - tekrar tekrar mutasyona uğrama yeteneği;
- çoklu allelizm - bir popülasyonda birçok gen, çoklu moleküler formlarda bulunur;
- alelite - diploid organizmaların genotipinde genin yalnızca iki formu vardır;
- özgüllük - her gen kendi özelliğini kodlar;
- pleiotropi - bir genin çoklu etkisi;
- anlatımcılık - bir genin bir özellikteki ifade derecesi;
- penetrasyon - bir genin fenotipte tezahür etme sıklığı;
- amplifikasyon - bir genin kopya sayısının arttırılması.
sınıflandırma
- Yapısal genler, spesifik bir proteini veya belirli RNA türlerini kodlayan tek bir diziyi temsil eden, genomun benzersiz bileşenleridir. (Ayrıca temizlik genleri makalesine bakın).
- Fonksiyonel genler - yapısal genlerin işleyişini düzenler.
Genetik Kod- bir nükleotid dizisi kullanarak proteinlerin amino asit dizisini kodlamak için tüm canlı organizmaların karakteristik özelliği olan bir yöntem.
DNA dört nükleotid kullanır - adenin (A), guanin (G), sitozin (C), timin (T), Rus edebiyatında A, G, C ve T harfleriyle gösterilir. Bu harfler alfabeyi oluşturur. genetik Kod. RNA, U harfi (Rus edebiyatında U) ile gösterilen benzer bir nükleotid - urasil ile değiştirilen timin haricinde aynı nükleotidleri kullanır. DNA ve RNA moleküllerinde nükleotidler zincirler halinde dizilir ve böylece genetik harf dizileri elde edilir.
Genetik Kod
Doğada protein oluşturmak için 20 farklı amino asit kullanılır. Her protein, kesin olarak tanımlanmış bir diziye sahip bir zincir veya birkaç amino asit zinciridir. Bu dizi, proteinin yapısını ve dolayısıyla tüm biyolojik özelliklerini belirler. Amino asit seti aynı zamanda neredeyse tüm canlı organizmalar için evrenseldir.
Genetik bilginin canlı hücrelere uygulanması (yani, bir gen tarafından kodlanan bir proteinin sentezi), iki matris işlemi kullanılarak gerçekleştirilir: transkripsiyon (yani, bir DNA matrisinde mRNA'nın sentezi) ve genetik kodun çevrilmesi. bir amino asit dizisine (mRNA üzerinde bir polipeptit zincirinin sentezi). Ardışık üç nükleotid, 20 amino asidi kodlamak için yeterlidir ve ayrıca protein dizisinin sonunu gösteren durdurma sinyali de yeterlidir. Üç nükleotitten oluşan bir diziye üçlü denir. Amino asitlere ve kodonlara karşılık gelen kabul edilen kısaltmalar şekilde gösterilmiştir.
Özellikler
- Üçlü- anlamlı bir kod birimi, üç nükleotidin (üçlü veya kodon) birleşimidir.
- Süreklilik- Üçüzler arasında noktalama işareti yoktur, yani bilgiler sürekli okunur.
- Örtüşmeyen- aynı nükleotid aynı anda iki veya daha fazla üçlünün parçası olamaz (birkaç çerçeve kayması proteinini kodlayan bazı virüs, mitokondri ve bakteri örtüşen genlerinde gözlenmez).
- Benzersizlik (özgüllük)- belirli bir kodon yalnızca bir amino asite karşılık gelir (ancak UGA kodonunda Euplotes crassus iki amino asidi kodlar - sistein ve selenosistein)
- Dejenerasyon (artıklık)- birden fazla kodon aynı aminoasite karşılık gelebilir.
- Çok yönlülük- genetik kod, virüslerden insanlara kadar farklı karmaşıklık seviyelerindeki organizmalarda aynı şekilde çalışır (genetik mühendisliği yöntemleri buna dayanmaktadır; "Standart genetik kodun varyasyonları" bölümündeki tabloda gösterilen bir takım istisnalar vardır) altında).
- Gürültü bağışıklığı- kodlanan amino asit sınıfında bir değişikliğe yol açmayan nükleotid ikamelerinin mutasyonlarına denir tutucu; Kodlanan amino asidin sınıfında değişikliğe yol açan nükleotid ikame mutasyonlarına denir. radikal.
Protein biyosentezi ve aşamaları
Protein biyosentezi- mRNA ve tRNA moleküllerinin katılımıyla canlı organizma hücrelerinin ribozomlarında meydana gelen, amino asit kalıntılarından bir polipeptit zincirinin sentezlenmesinin karmaşık, çok aşamalı bir süreci.
Protein biyosentezi transkripsiyon, işleme ve translasyon aşamalarına ayrılabilir. Transkripsiyon sırasında DNA moleküllerinde şifrelenen genetik bilgiler okunur ve bu bilgiler mRNA moleküllerine yazılır. Bir dizi ardışık işlem aşaması sırasında, sonraki aşamalarda gereksiz olan bazı parçalar mRNA'dan çıkarılır ve nükleotid dizileri düzenlenir. Kodun çekirdekten ribozomlara taşınmasından sonra, protein moleküllerinin gerçek sentezi, bireysel amino asit kalıntılarının büyüyen polipeptit zincirine eklenmesiyle gerçekleşir.
Transkripsiyon ve translasyon arasında mRNA molekülü, polipeptit zincirinin sentezi için işleyen matrisin olgunlaşmasını sağlayan bir dizi ardışık değişikliğe uğrar. 5΄ ucuna bir başlık takılır ve 3΄ ucuna bir poli-A kuyruğu takılır, bu da mRNA'nın ömrünü uzatır. Ökaryotik hücrede işlemenin ortaya çıkışıyla birlikte, tek bir DNA nükleotid dizisi (alternatif birleştirme) tarafından kodlanan daha çeşitli proteinleri elde etmek için gen eksonlarını birleştirmek mümkün hale geldi.
Çeviri, haberci RNA'da kodlanan bilgiye uygun olarak bir polipeptit zincirinin sentezinden oluşur. Amino asit dizisi kullanılarak düzenlenir Ulaşım Amino asitlerle kompleksler oluşturan RNA (tRNA) - aminoasil-tRNA. Her amino asidin, mRNA kodonuyla "eşleşen" karşılık gelen bir antikodonu olan kendi tRNA'sı vardır. Çeviri sırasında ribozom mRNA boyunca hareket eder ve bunu yaparken polipeptit zinciri büyür. Protein biyosentezi için gereken enerji ATP tarafından sağlanır.
Bitmiş protein molekülü daha sonra ribozomdan ayrılır ve hücrede istenilen yere taşınır. Aktif durumlarına ulaşmak için bazı proteinler ek translasyon sonrası modifikasyona ihtiyaç duyar.
Proteinlerin sentezlenmesi gerektiğinde, hücrenin önünde ciddi bir sorun ortaya çıkar; DNA'daki bilgi, kodlanmış bir dizi biçiminde depolanır. 4 karakter(nükleotidler) ve proteinler şunlardan oluşur: 20 farklı sembol(amino asitler). Amino asitleri kodlamak için dört sembolün tümünü aynı anda kullanmaya çalışırsanız, yalnızca 16 kombinasyon elde edersiniz, oysa 20 proteinojenik amino asit vardır. Yeterli değildir.
Bu konuda parlak bir düşünce örneği var:
"Örneğin, yalnızca kartın rengine dikkat ettiğimiz bir oyun kağıdı destesini ele alalım. Aynı türden kaç tane üçlü alabilirsiniz? Elbette dört: kupa üçü, karo üçü, maça üçü ve sinek üçü. Aynı türden iki kart ve farklı türden bir karttan oluşan kaç tane üçlü vardır? Diyelim ki üçüncü kart için dört seçeneğimiz var. Dolayısıyla 4x3 = 12 olasılığımız var. Ayrıca üç farklı kartın da bulunduğu dört üçlümüz var. Yani 4+12+4=20 ve bu, elde etmek istediğimiz amino asitlerin tam sayısıdır" (George Gamow, İngiliz George Gamow, 1904-1968, Sovyet ve Amerikalı teorik fizikçi, astrofizikçi ve bilimin popülerleştiricisi) .
Aslında deneyler, her bir amino asit için iki zorunlu nükleotidin ve daha az spesifik olan üçüncü bir değişkenin bulunduğunu kanıtlamıştır (“ sallanma efekti"). Dört karakterden üçünü alırsanız, 64 kombinasyon elde edersiniz, bu da amino asit sayısını çok aşar. Böylece herhangi bir amino asidin üç nükleotid tarafından kodlandığı bulunur. Bu üçlüye denir. kodon. Daha önce de belirtildiği gibi 64 seçenek var. Bunlardan üçü herhangi bir amino asidi kodlamıyor; saçma kodonlar"(Fransızca) anlamsız- saçmalık) veya "kodonları durdur".
Genetik Kod
Genetik (biyolojik) kod, proteinlerin yapısı hakkındaki bilgileri bir nükleotid dizisi biçiminde kodlamanın bir yoludur. Nükleotidlerin (A, G, U, C) dört karakterli dilini amino asitlerin yirmi karakterli diline çevirmek için tasarlanmıştır. Karakteristik özelliklere sahiptir:
- Üçlü– üç nükleotid, bir amino asidi kodlayan bir kodon oluşturur. Toplam 61 duyu kodonu vardır.
- özgüllük(veya belirsizlik) – her kodon yalnızca bir amino asite karşılık gelir.
- Dejenerasyon– bir amino asit birden fazla kodona karşılık gelebilir.
- Çok yönlülük– Biyolojik kod Dünya üzerindeki tüm organizma türleri için aynıdır (ancak memelilerin mitokondrilerinde istisnalar vardır).
- Doğrusallık– kodon dizisi, kodlanan proteindeki amino asit dizisine karşılık gelir.
- Örtüşmeyen– üçüzler yan yana yer aldığından birbiriyle örtüşmez.
- Noktalama işareti yok– üçlüler arasında ilave nükleotidler veya başka sinyaller yoktur.
- Tek yönlülük– Protein sentezi sırasında kodonlar atlamadan veya geriye gitmeden sırayla okunur.
Ancak biyolojik kodun, geçiş işlevi gören ek moleküller olmadan kendini ifade edemeyeceği açıktır. adaptör işlevi.
Transfer RNA'larının adaptör rolü
Transfer RNA'ları, 4 harfli nükleik asit dizisi ile 20 harfli protein dizisi arasındaki tek aracıdır.
Her transfer RNA'nın antikodon döngüsünde spesifik bir üçlü dizisi vardır ( antikodon) ve yalnızca bu antikodonla eşleşen bir amino asit ekleyebilir. Protein molekülüne hangi amino asidin dahil edileceğini belirleyen, tRNA'da bir veya başka bir antikodon bulunmasıdır, çünkü ne ribozom ne de mRNA amino asidi tanır.
Böylece, tRNA'nın adaptör rolü dır-dir:
- Amino asitlere spesifik bağlanmada,
- spesifik olarak kodon-antikodon etkileşimine göre mRNA'ya bağlanma,
- ve bunun sonucunda mRNA'daki bilgiye uygun olarak amino asitlerin protein zincirine dahil edilmesi.
Bir amino asidin tRNA'ya eklenmesi bir enzim tarafından gerçekleştirilir aminoasil-tRNA sentetaz Aynı anda iki bileşiğe yönelik spesifikliğe sahip olan herhangi bir amino asit ve buna karşılık gelen tRNA. Reaksiyon iki yüksek enerjili ATP bağı gerektirir. Amino asit, α-karboksil grubu aracılığıyla tRNA alıcı halkasının 3" ucuna bağlanır ve amino asit ile tRNA arasındaki bağ, makroerjik. α-amino grubu serbest kalır.
Aminoasil-tRNA sentezi reaksiyonu
Yaklaşık 60 farklı tRNA olduğundan bazı amino asitlerde iki veya daha fazla tRNA bulunur. Aynı amino asidi ekleyen farklı tRNA'lara denir. izoakseptör.
Genetik kod genellikle DNA ve RNA'daki nükleotid bileşiklerinin sıralı düzenini gösteren bir işaret sistemi olarak anlaşılır; bu, bir protein molekülündeki amino asit bileşiklerinin sırasını görüntüleyen başka bir işaret sistemine karşılık gelir.
Bu önemli!
Bilim adamları genetik kodun özelliklerini incelemeyi başardıklarında, evrensellik ana kodlardan biri olarak kabul edildi. Evet, kulağa ne kadar tuhaf gelse de, her şey tek, evrensel, ortak bir genetik kodla birleşiyor. Uzun bir sürede oluşmuş ve süreç yaklaşık 3,5 milyar yıl önce sona ermiştir. Dolayısıyla kodun başlangıcından günümüze kadar geçirdiği evrimin izleri, yapısında da izlenebilmektedir.
Genetik koddaki öğelerin diziliş dizisinden bahsettiğimizde, bunun kaotik olmaktan uzak, kesin olarak tanımlanmış bir düzene sahip olduğunu kastediyoruz. Ve bu aynı zamanda genetik kodun özelliklerini de büyük ölçüde belirler. Bu, kelimelerdeki harf ve hecelerin dizilişine eşdeğerdir. Alışılagelmiş düzeni bozduğumuzda, kitap veya gazete sayfalarında okuduklarımızın çoğu saçma sapan saçmalıklara dönüşecektir.
Genetik kodun temel özellikleri
Genellikle kod, özel bir şekilde şifrelenmiş bazı bilgiler içerir. Kodu çözebilmek için ayırt edici özellikleri bilmeniz gerekir.
Yani genetik kodun temel özellikleri şunlardır:
- üçlülük;
- yozlaşma veya artıklık;
- belirsizlik;
- süreklilik;
- Yukarıda bahsedilen çok yönlülük.
Her mülke daha yakından bakalım.
1. Üçlü
Bu, üç nükleotid bileşiğinin bir molekül (yani DNA veya RNA) içinde sıralı bir zincir oluşturmasıdır. Sonuç olarak, üçlü bir bileşik oluşturulur veya amino asitlerden birini, peptid zincirindeki konumunu kodlar.
Kodonlar (bunlar aynı zamanda kod sözcüklerdir!) bağlantı sıralarına ve bunların bir parçası olan nitrojenli bileşiklerin (nükleotidler) türüne göre farklılık gösterir.
Genetikte 64 kodon tipini ayırt etmek gelenekseldir. Her birinde 3 adet olmak üzere dört tip nükleotidin kombinasyonunu oluşturabilirler. Bu, 4 sayısının üçüncü kuvvetine yükseltilmesine eşdeğerdir. Böylece 64 nükleotid kombinasyonunun oluşması mümkün olur.
2. Genetik kodun fazlalığı
Bu özellik, bir amino asidi şifrelemek için genellikle 2-6 aralığında birkaç kodona ihtiyaç duyulduğunda gözlenir. Ve yalnızca triptofan bir üçlü kullanılarak kodlanabilir.
3. Belirsizlik
Sağlıklı genetik mirasın göstergesi olarak genetik kodun özellikleri arasında yer alır. Örneğin zincirde altıncı sırada yer alan GAA üçlüsü, doktorlara kanın iyi durumu, normal hemoglobin hakkında bilgi verebilir. Hemoglobin hakkında bilgi taşıyan kişidir ve aynı zamanda onun tarafından da kodlanır. Ve eğer bir kişide anemi varsa, nükleotidlerden birinin yerini hastalığın bir sinyali olan başka bir kod harfi olan U alır.
4. Süreklilik
Genetik kodun bu özelliğini kaydederken, bir zincirdeki bağlantılar gibi kodonların, nükleik asit zincirinde birbiri ardına uzakta değil, doğrudan yakınlıkta yer aldığı ve bu zincirin kesintiye uğramadığı unutulmamalıdır - başlangıcı ve sonu yoktur.
5. Çok yönlülük
Dünya üzerinde her şeyin ortak bir genetik kodla birleştiğini asla unutmamalıyız. Dolayısıyla primatlarda ve insanlarda, böceklerde ve kuşlarda, yüz yıllık bir baobab ağacında ve topraktan yeni çıkmış bir çimen parçasında, benzer üçlüler, benzer amino asitler tarafından kodlanmaktadır.
Belirli bir organizmanın özellikleri hakkındaki temel bilgiler, organizmanın daha önce yaşamış olanlardan miras aldığı ve genetik kod olarak var olan bir tür program olan genlerde bulunur.
Genetik kod, bir nükleik asit molekülündeki nükleotid dizisini kullanarak bir protein molekülündeki amino asit dizisini kodlamanın bir yoludur. Genetik kodun özellikleri bu kodlamanın özelliklerinden kaynaklanmaktadır.
Her protein amino asidi ardışık üç nükleik asit nükleotidi ile eşleştirilir. üçlü, veya kodon. Her nükleotid dört azotlu bazdan birini içerebilir. RNA'da öyle adenin(A), urasil(Ü), guanin(G), sitozin(C). Azotlu bazları (bu durumda bunları içeren nükleotidleri) farklı şekillerde birleştirerek birçok farklı üçlü elde edebilirsiniz: AAA, GAU, UCC, GCA, AUC, vb. Olası kombinasyonların toplam sayısı 64, yani 4 3 .
Canlı organizmaların proteinleri yaklaşık 20 amino asit içerir. Doğa, her bir amino asidi üç değil iki nükleotid ile kodlamayı "planlamış olsaydı", o zaman bu tür çiftlerin çeşitliliği yeterli olmazdı, çünkü bunlardan yalnızca 16 tanesi olurdu, yani. 4 2.
Böylece, Genetik kodun ana özelliği üçlü olmasıdır. Her amino asit üçlü bir nükleotid tarafından kodlanır.
Biyolojik moleküllerde kullanılan amino asitlerden önemli ölçüde daha fazla sayıda farklı üçlüler bulunduğundan, canlı doğada aşağıdaki özellik gerçekleşmiştir: fazlalık genetik Kod. Pek çok amino asit tek bir kodon tarafından değil birkaç kodon tarafından kodlanmaya başlandı. Örneğin, glisin amino asidi dört farklı kodon tarafından kodlanır: GGU, GGC, GGA, GGG. Fazlalık da denir yozlaşma.
Amino asitler ve kodonlar arasındaki yazışmalar tablolarda gösterilmektedir. Örneğin, bunlar: 
Nükleotidlerle ilgili olarak genetik kod aşağıdaki özelliğe sahiptir: belirsizlik(veya özgüllük): her kodon yalnızca bir amino asite karşılık gelir. Örneğin, GGU kodonu yalnızca glisini kodlayabilir, başka amino asidi kodlayamaz.
Tekrar. Fazlalık, birden fazla üçlünün aynı amino asidi kodlayabileceği anlamına gelir. Özgüllük - her spesifik kodon yalnızca bir amino asidi kodlayabilir.
Genetik kodda özel bir noktalama işareti yoktur (polipeptit sentezinin sonunu gösteren durdurma kodonları hariç). Noktalama işaretlerinin işlevi üçlülerin kendileri tarafından gerçekleştirilir - birinin sonu diğerinin başlayacağı anlamına gelir. Bu, genetik kodun aşağıdaki iki özelliğini ima eder: süreklilik Ve örtüşmeyen. Süreklilik, üçlemelerin hemen arka arkaya okunması anlamına gelir. Örtüşmeme, her bir nükleotidin yalnızca bir üçlünün parçası olabileceği anlamına gelir. Yani bir sonraki üçlünün ilk nükleotidi her zaman önceki üçlünün üçüncü nükleotidinden sonra gelir. Bir kodon, kendisinden önceki kodonun ikinci veya üçüncü nükleotidi ile başlayamaz. Başka bir deyişle kod örtüşmez.
Genetik kodun özelliği var çok yönlülük. Dünyadaki tüm organizmalar için aynı olan bu durum, yaşamın kökenindeki birliğin göstergesidir. Bunun çok nadir istisnaları vardır. Örneğin mitokondri ve kloroplastlardaki bazı üçlüler, normal amino asitlerin dışında amino asitleri kodlar. Bu, yaşamın başlangıcında genetik kodda biraz farklı varyasyonların bulunduğunu düşündürebilir.
Son olarak genetik kod gürültü bağışıklığı fazlalık olarak özelliğinin bir sonucudur. Bazen DNA'da meydana gelen nokta mutasyonları genellikle bir azotlu bazın diğeriyle yer değiştirmesiyle sonuçlanır. Bu üçlüyü değiştirir. Mesela AAA’ydı ama mutasyondan sonra AAG oldu. Ancak bu tür değişiklikler her zaman sentezlenen polipeptitteki amino asitte bir değişikliğe yol açmaz çünkü genetik kodun artıklık özelliğinden dolayı her iki üçlü de bir amino asite karşılık gelebilir. Mutasyonların çoğu zaman zararlı olduğu göz önüne alındığında, gürültü bağışıklığı özelliği faydalıdır.