จากยีนสู่โปรตีน

ข้อมูลที่เก็บอยู่ในยีนจะแสดงออกเป็นสองขั้นตอน: การถอดรหัสจะคัดลอก DNA เป็น RNA และการแปลรหัสจะอ่าน RNA นั้นในรูปของรหัสพันธุกรรมสามเบสเพื่อประกอบเป็นโปรตีน

Definition

การแสดงออกของยีนคือกระบวนการที่ลำดับนิวคลีโอไทด์ของยีนถูกถอดรหัสเป็น RNA และสำหรับยีนที่เข้ารหัสโปรตีน จะถูกแปลรหัสเป็นพอลิเปปไทด์ซึ่งลำดับกรดอะมิโนถูกกำหนดโดยรหัสพันธุกรรมใน messenger RNA

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการถอดรหัสและการสังเคราะห์ messenger RNA (mRNA), กระบวนการจัดการ RNA ในยูคาริโอต ซึ่งรวมถึงการตัดต่อ (splicing), การเติมแคป (capping) และการเติมโพลีอะดีนิลเลชัน (polyadenylation), โครงสร้างและความเป็นสากลของรหัสพันธุกรรมที่มีรหัสสามเบส (triplet codons), บทบาทของ transfer RNA (tRNA) และไรโบโซมในการแปลรหัส, และขั้นตอนของการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์ โดยจะติดตามเส้นทางการแสดงออกของยีนตามแบบแผน; ส่วนการควบคุมเวลาและปริมาณการแสดงออกของยีนจะกล่าวถึงในหัวข้อการควบคุมยีน

Core questions

• RNA polymerase ถอดรหัสยีนได้อย่างไร และทรานสคริปต์ถูกประมวลผลในยูคาริโอตอย่างไร?
• คุณสมบัติใดของรหัสพันธุกรรมที่ทำให้รหัสพันธุกรรมหกสิบสี่รหัสสามารถกำหนดกรดอะมิโนยี่สิบชนิดและสัญญาณหยุดได้?
• transfer RNA และไรโบโซมแปลลำดับรหัสพันธุกรรมเป็นโปรตีนได้อย่างไร?
• เหตุใดรหัสพันธุกรรมจึงถูกอธิบายว่ามีความเสื่อม (degenerate) และเป็นสากลเกือบทั้งหมด?

Key concepts

• การถอดรหัสและ messenger RNA
• การประมวลผล RNA: การตัดต่อ, การเติมแคป, การเติมโพลีอะดีนิลเลชัน
• รหัสพันธุกรรมสามเบสและการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอน
• transfer RNA, ไรโบโซม และการแปลรหัส
• ความเสื่อมและความเป็นสากลเกือบทั้งหมดของรหัส

Mechanisms

RNA polymerase สังเคราะห์สำเนา RNA ที่เป็นคู่สมของสายแม่แบบ; ในยูคาริโอต ทรานสคริปต์เริ่มต้นจะถูกเติมแคป, ตัดต่อเพื่อกำจัดอินตรอน, และเติมโพลีอะดีนิลเลชัน; จากนั้น messenger RNA ที่สมบูรณ์จะถูกอ่านทีละรหัสพันธุกรรมที่ไรโบโซม ซึ่ง transfer RNA จะนำกรดอะมิโนที่ตรงกับแต่ละรหัสพันธุกรรมโดยการจับคู่แอนติโคดอน เพื่อสร้างพอลิเปปไทด์จากรหัสเริ่มต้นถึงรหัสหยุด

Clinical relevance

ความเข้าใจในการแสดงออกของยีนช่วยอธิบายว่าการกลายพันธุ์ในบริเวณการเข้ารหัสและบริเวณการตัดต่อทำให้เกิดโรคได้อย่างไร, เป็นพื้นฐานของวัคซีน messenger-RNA และการบำบัดด้วยแอนติเซนส์, และเป็นรากฐานในการตีความว่าการเปลี่ยนแปลงลำดับที่กำหนดส่งผลต่อผลิตภัณฑ์โปรตีนอย่างไร

History

คริดจ์ได้เสนอสมมติฐานตัวปรับ (adaptor hypothesis) และหลักการกลาง (central dogma) ในช่วงปลายทศวรรษ 1950, ไนเรนเบิร์กและโครานาได้ถอดรหัสพันธุกรรมในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดยการกำหนดรหัสพันธุกรรมให้กับกรดอะมิโน, และการค้นพบยีนแบบแยกส่วน (split genes) และการตัดต่อ RNA ในปี 1977 ได้เพิ่มขั้นตอนการประมวลผลที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะในยูคาริโอต

Key figures

• Francis Crick
• Marshall Nirenberg
• Har Gobind Khorana
• Sydney Brenner

Seminal works

• crick1958

Frequently asked questions

การที่รหัสพันธุกรรมมีความเสื่อม (degenerate) หมายความว่าอย่างไร?

หมายความว่ากรดอะมิโนส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยรหัสพันธุกรรมมากกว่าหนึ่งรหัส ดังนั้นรหัสสามเบสที่แตกต่างกันหลายรหัสสามารถเข้ารหัสกรดอะมิโนเดียวกันได้; ความซ้ำซ้อนนี้ช่วยลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงเบสเดี่ยวหลายครั้งไม่ให้เปลี่ยนแปลงโปรตีน

ความแตกต่างระหว่างการถอดรหัสและการแปลรหัสคืออะไร?

การถอดรหัสคือการคัดลอก DNA ของยีนเป็นโมเลกุล RNA ที่เป็นคู่สม ในขณะที่การแปลรหัสใช้ RNA นั้นเป็นแม่แบบในการประกอบโปรตีน โดยอ่านลำดับในรหัสพันธุกรรมสามนิวคลีโอไทด์ที่ไรโบโซม