Adapterhypotes
Adapterhypotesen är ett teoretiskt schema inom molekylärbiologi för att förklara hur information som kodas i nukleinsyrasekvenserna av budbärar - RNA ( mRNA ) används för att specificera aminosyrorna som utgör proteiner under translationsprocessen . Den formulerades av Francis Crick 1955 i en informell publikation av RNA Tie Club , och utarbetades senare 1957 tillsammans med den centrala dogmen av molekylärbiologi och sekvenshypotesen . Den publicerades formellt som en artikel "On proteinsynthesis" 1958. Namnet "adapterhypotes" gavs av Sydney Brenner .
Crick postulerade att det måste finnas en liten molekyl för att exakt känna igen och binda mRNA-sekvenserna medan aminosyror syntetiseras. Den hypotetiska adaptermolekylen fastställdes senare att vara en hittills okänd nukleinsyra, transfer-RNA (tRNA).
Utveckling
År 1953 utarbetade den engelske biofysikern Francis Crick och den amerikanske biologen James Watson , som arbetade tillsammans vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, den korrekta beskrivningen av strukturen hos DNA , ett av de viktigaste genetiska materialen. I sin uppföljning samma år introducerade de begreppet genetisk information vid sidan av föreställningen att DNA och proteinmoln är relaterade. År 1954 började man förstå att DNA , RNA (endast budbärar-RNA förstods vid den tiden, men bara som en vag nukleinsyra, och identifierades som sådan först 1960) och proteiner var besläktade som komponenter i samma genetiska information väg. Men strukturen av RNA och detaljer om hur dessa biologiska molekyler relaterar till och interagerar med varandra var fortfarande ett mysterium, särskilt om hur proteiner kunde syntetiseras från nukleinsyror. Watson kallade detta problem "livets mysterier" i sitt brev till Crick. Watson och Alexander Rich diskuterade i PNAS och sa: "Vi kommer inte att kunna kontrollera ett strukturellt förhållande mellan RNA och proteinsyntes eller mellan RNA och DNA förrän vi känner till strukturen av RNA."
Bevis hade ackumulerats sedan 1940-talet att proteinsyntes sker samtidigt med ökad nivå av RNA i cytoplasman. Förhållandet mellan DNA och RNA för proteinsyntes antogs först av den franska biologen André Boivin och Roger Vendrely 1947. De skrev i Experientia (senare omdöpt till Cellular and Molecular Life Sciences) : "Genom katalytiska åtgärder styr de makromolekylära desoxiribonukleinsyrorna uppbyggnaden av makromolekylära ribonukleinsyror, och, i sin tur, dessa styr produktionen av cytoplasmatiska enzymer. I själva verket är den enzymatiska utrustningen ett resultat av effekten av ribonukleinsyror (katalytisk verkan) och från effekten av substrat (massverkan).
Nukleinsyramallens hypoteser
Alexander Dounce , från University of Rochester Medical Center i New York, kom nära den korrekta tolkningen av proteinsyntes från RNA. 1952 föreslog han den första uppfattningen och kallade den "nukleinsyramallhypoteserna", att proteiner tillverkades av RNA snarare än från DNA. Men eftersom den exakta kemiska strukturen av DNA eller RNA inte var känd vid den tiden, föreslog han felaktigt att proteiner och RNA har komplementära sekvenser, som han beskrev i Enzymologia: "det specifika arrangemanget av aminosyrarester i en given peptidkedja härleds från det specifika arrangemanget av nukleotidrester i en motsvarande specifik nukleinsyramolekyl." Det möttes av kritik i Nature nästa år, där Dounce försvarade sin hypotes:
I den av mig föreslagna hypotesen valdes ribonukleinsyra medvetet som mall, eftersom det av ett antal överväganden och experimentella undersökningar verkar troligt att proteinsyntes kan förekomma i cytoplasman såväl som i kärnor. Det kan i dagsläget inte finnas några invändningar mot att anta att generna är mallar, men det är inte nödvändigt att anta att generna fungerar direkt som mallar för proteinsyntes.
Dounce var också nära en korrekt och fundamental förklaring av genproteinförhållandet, som han sa: "förhållandet mellan plasmagener och nukleära gener [postulerat av Sol Spiegelman och Martin David Kamen 1946] kunde förklaras av mallsekvensen deoxiribonukleinsyra - ribonukleinsyra - protein, med det ytterligare postulatet av en samexisterande oberoende ribonukleinsyrasyntes med ribonukleinsyra som sin egen mall." Den korrekta tolkningen av genetisk informationsöverföring (DNA → RNA → protein) utvecklad av Crick 1957 blev molekylärbiologins centrala dogm .
Hypotes för direkt DNA-mall
Den sovjetisk-amerikanske fysikern George Gamow var den första som kom med ett sammanhängande schema för proteinsyntes från DNA. Baserat på Watson-Crick-modellen förutsåg han att själva DNA:t är en direkt mall för proteinsyntes. Förutsatt att de fyra baserna av DNA kunde producera 20 olika kombinationer som tripletter, föreslog han att de olika aminosyrorna måste motsvara ett alfabet på tjugo bokstäver i nukleotidsekvensen. I en sådan konfiguration producerar DNA direkt proteiner från de fria molekylerna av aminosyror. Nature den 13 februari 1954 förklarade han:
Det förefaller mig som om ett sådant översättningsförfarande lätt kan fastställas genom att överväga " nyckel-och-lås "-relationen mellan olika aminosyror och de rombformade "hålen" som bildas av olika nukleotider i deoxiribonukleinsyrakedjan... En kan spekulera i att fria aminosyror från det omgivande mediet fastnar i 'hålen' av deoxiribonukleinsyramolekyler, och därmed förenas till motsvarande peptidkedjor.
Watson, då vid California Institute of Technology i Massachusetts, funderade också på frågan. Till skillnad från Gamow insåg han den möjliga betydelsen av RNA som ett mellanstadium i proteinsyntesen. Han föreställde sig först att DNA först omvandlades genom kemisk reaktion till RNA, men ändrade sedan sin syn till DNA som en mall för RNA-syntes. Den senare modellen, som han kallade "inte ful" började bli mer övertygande. I ett brev till Crick den 11 december 1954, där han diskuterade hur RNA kunde produceras från DNA eftersom de innehåller i grunden liknande nukleotidkompositioner, skrev han: "Jag misstänker att svaret stirrar oss i ansiktet."
För att lösa gåtan med proteinsyntes skapade Gamow (som Synthesizer) ett informellt team av vetenskapsmän som han kallade RNA Tide Club 1954. Som hans förutsägelse att beteckna 20 aminosyror kunde klubben bara ha 20 medlemmar, med de utsedda officerare: Crick (som pessimisten), Rich (Lord Privy Seal) och Watson (optimisten) bland dem. Det var delvis menat att vara humoristiskt.
Cricks hypotes
När Crick kom över Gamows papper, märkte han omedelbart några problem i programmet. Den första var att han och Watson aldrig tidigare hade räknat de 20 aminosyrorna eller de möjliga 20 nukleotidtripletterna (även om Gamow senare visade sig vara korrekt och hans modell var den första förutsägelsen av den genetiska koden ) . Den andra frågan var att RNA- och proteinsyntesen verkade uteslutande äga rum i cytoplasman och inte i kärnan, vilket indikerar att DNA till proteinvägen inte kräver direkt kemisk bindning, utan någon form av mediator måste vara involverad.
Crick började tänka på en lösning på detta problem i linje med Watsons idé att RNA:s roll förbisågs. Han förkastade Gamows antagande att molekyler gillar aminosyror som är alltför olika kemiskt från nukleinsyra att det skulle vara strukturellt omöjligt att binda till DNA. Istället visualiserade han en viss typ men okänd molekyl som kopplade samman nukleinsyror och bär aminosyror till ribosomer för att bilda peptidkedjor. När han diskuterade det med sin kollega Sydney Brenner om egenskaperna hos en sådan molekyl, blev Brenner imponerad av idén och kallade konceptet som "adapterhypotesen". Adaptern var då en hypotetisk molekyl som uppenbarligen hjälpte till i en indirekt interaktion mellan DNA, RNA och aminosyror under proteinsyntesen. Som Crick förklarade:
Jag tror inte att någon som tittar på DNA eller RNA skulle tänka på dem som mallar för aminosyror om det inte vore för andra, indirekta bevis... [I ett möjligt schema] skulle varje aminosyra kombineras kemiskt, vid ett speciellt enzym, med en liten molekyl som, med en specifik vätebindande yta, skulle kombineras specifikt med nukleinsyramallen. Denna kombination skulle också ge den energi som krävs för polymerisation. I sin enklaste form skulle det finnas 20 olika sorters adaptermolekyler, en för varje aminosyra, och 20 olika enzymer för att förena aminosyran till sina adaptrar, Sydney Brenner, som jag har diskuterat denna idé med, kallar detta "adaptorhypotesen" ", eftersom varje aminosyra är utrustad med en adapter för att gå vidare till mallen... Adapterhypotesen antyder att den faktiska uppsättningen av tjugo aminosyror som finns i proteiner beror antingen på en historisk olycka eller på biologiskt urval vid en extremt primitiv skede."
Crick erkände att han inte hade något sätt att veta vilken typ av kemisk substans som var en adapter, men föreslog sedan försiktigt att den var sammansatt av nukleotider, ett slags RNA, som hade gemensamma egenskaper för både DNA och RNA. Han spekulerade till och med att "insulin, till exempel, förmodligen är RNA-tillverkade proteiner. Kanske finns det en speciell klass av DNA-tillverkade proteiner, nästan alltid i små mängder (och därför normalt förbises).
Mallen kan bestå av kanske en enda kedja av RNA... Varje adaptermolekyl som innehåller, säg, en di- eller trinukleotid skulle var och en vara förenad med sin egen aminosyra med ett speciellt enzym. Dessa molekyler skulle sedan diffundera till de mikrosomala partiklarna och fästa till rätt plats på basis av RNA:t genom basparning.
Artikeln som cirkulerade till medlemmarna i RNA Tie Club i januari 1955 som "On Degenerate Templates and the Adapter Hypothesis: A Note for the RNA Tie Club" beskrivs som "en av de viktigaste opublicerade artiklarna i vetenskapens historia", och "den mest berömda opublicerade artikeln i annalerna om molekylärbiologi."
Adapterhypotesen formaliserades helt 1957. Crick presenterade den utarbetade förklaringen i en föreläsning med titeln "Proteinsynthesis" den 19 september 1957 vid Society for Experimental Biology- symposium om den biologiska replikeringen av makromolekyler, som hölls vid University College London .
Föreläsningen utökades ytterligare och publicerades som "Om proteinsyntes" 1958, vilket vetenskapshistorikern Horace Freeland Judson anmärkte: "Artikeln förändrade permanent biologins logik." Detta beror på att det var den första heltäckande insikten i genetisk information (senare kallad molekylärbiologins centrala dogm), proteinsyntes (känd som sekvenshypotesen), RNA:s roll (adapterhypotesen) samt förekomsten av genetisk kod .
Förklaring
Adapterhypotesen utformades för att förklara hur information kan extraheras från en nukleinsyra och användas för att sätta ihop en sträng av aminosyror i en specifik sekvens, den sekvensen bestäms av nukleotidsekvensen för nukleinsyramallen (DNA eller RNA) . Crick föreslog att varje aminosyra först fästs till sin egen specifika "adapter" nukleinsyrabit (i en enzymkatalyserad reaktion). Ordningen för sammansättning av aminosyrorna bestäms sedan av en specifik igenkänning mellan adaptern och nukleinsyran som tjänar som informationsmallen. På detta sätt kunde aminosyrorna radas upp av mallen i en specifik ordning. Koppling mellan intilliggande aminosyror skulle sedan leda till syntesen av en polypeptid vars sekvens bestäms av mallnukleinsyran.
Grund
Cricks tankesätt bakom detta förslag baserades på en allmän övervägande av de kemiska egenskaperna hos de två klasserna av molekyler - nukleinsyror och proteiner. Aminosyrorna kännetecknas av att de har en mängd olika sidokedjor som varierar från att vara hydrofila till hydrofoba : deras individuella karaktärer ligger i de mycket olika egenskaperna som dessa sidokedjor har. Däremot är en nukleinsyra sammansatt av en sträng av nukleotider vars sekvens uppvisar en geometriskt definierad yta för vätebindning . Detta gör nukleinsyror bra på att känna igen varandra, men dåliga på att särskilja de olika sidokedjorna av aminosyror. Det var denna uppenbara avsaknad av möjlighet till specifik igenkänning av aminosyrasidokedjor genom en nukleotidsekvens som fick Crick att dra slutsatsen att aminosyror först skulle bindas till en liten nukleinsyra – adaptern – och att detta, genom basparning med mallen (förmodligen som sker mellan DNA-strängar i dubbelhelixen), skulle bära aminosyrorna som ska radas upp på mallen.
Bevis
Gamow hade inte helt fel. Även om hans idé om direkt syntes av aminosyra från DNA-dubbelsträngarna bevisades vara falsk, bekräftades hans förutsägelse om aminosyrornas natur och hur de kodades av DNA-sekvenserna (triplettnukleotider) nyckelkomponenterna i proteinsyntesen. Detta breda koncept är nu känt som den genetiska koden. Det var Crick, tillsammans med JS Griffith och Leslie Orgel (medlem i RNA Tie Club), som beskrev förutsägelsen om 20 aminosyror som det "magiska numret", som introducerade det rätta konceptet 1957:
Aminosyrornas ordning bestäms av ordningen på nukleinsyrans nukleotider. Det finns ett tjugotal naturligt förekommande aminosyror som vanligtvis finns i proteiner, men (vanligtvis) bara fyra olika nukleotider. Problemet med hur en sekvens av fyra saker (nukleotider) kan bestämma en sekvens av tjugo saker (aminosyror) är känt som det "kodande" problemet.
När Crick föreläste om sin hypotes, att sådana adaptrar existerar i naturen upptäcktes redan av teamet av Mahlon Hoagland och Paul Zamecnik , vars artikel publicerades året därpå i mars 1958. Dessa "lösliga RNA" kallas nu transfer-RNA och förmedlar översättningen av budbärar-RNA på ribosomer enligt reglerna i den genetiska koden . Crick föreställde sig att hans adaptrar skulle vara små, kanske 5-10 nukleotider långa. Faktum är att de är mycket större, har en mer komplex roll att spela i proteinsyntesen och är närmare 100 nukleotider långa.