Zentrales Dogma der Molekularbiologie

Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie ist eine 1958 von Francis Crick publizierte Hypothese über den möglichen Informationsfluss zwischen den Biopolymeren DNA, RNA und Protein. Sie beschreibt die Übertragung der Information, die durch die Reihenfolge (Sequenz) von Monomeren (Nukleotide bei DNA und RNA, Aminosäuren bei Proteinen) festgelegt ist.

In Cricks ursprünglicher Form besagt die Hypothese:

1970 gab Crick eine alternative Formulierung des Dogmas an:

Anlass war die Entdeckung der reversen Transkriptase durch Howard Temin und David Baltimore, die zeigten, dass auch Information von RNA zu DNA fließen kann. Crick stellte danach klar, dass er nicht wie zuerst von Jean Brachet formuliert (1960) und von James D. Watson in seinem Buch Molecular biology of the gene von 1965 popularisiert von einem Dogma im Sinn eines Flusses von Information von DNA zu RNA zu Proteinsynthese gesprochen hatte.^[1]

Das Zentrale Dogma ist – auch wenn es kritische Stimmen gibt – weithin akzeptiert und wird auch heute noch als einer der Grundpfeiler der Molekularbiologie angesehen.^[2]

Crick bereute den in der Naturwissenschaft unüblichen Namen Dogma später, denn er beabsichtigte keineswegs, einen Lehrsatz mit unumstößlichem Wahrheitsgehalt zu formulieren. 1976 sagte er:

Vorgestellt hatte er die Idee schon am 19. September 1957 in einem Vortrag am University College London.^[1] Crick hatte die Idee schon länger, so gibt es Notizen von ihm dazu vom Oktober 1956. Er veröffentlicht auch Bemerkungen in diesem Sinn in seinem Scientific-American-Artikel zu Nukleinsäuren vom Oktober 1957.^[4]

Auch James D. Watson nahm in seinem Buch Die Doppelhelix (Kapitel 21) für sich in Anspruch, die Idee schon Anfang der 1950er Jahre gehabt zu haben im Sinn eines Flusses von Information von DNA über RNA zu Protein, was aber gerade nicht die Formulierung war, die Crick beabsichtigte. Ideen in derselben Richtung wie Watson hatten schon André Boivin (1949) und Alexander Dounce (1953).^[1]

Arten des Informationstransfers

Die neun theoretisch möglichen Arten der Übertragung von sequentieller Informationen zwischen DNA, RNA und Protein können nach Crick (1970) in drei Bereiche eingeteilt werden: Die allgemeinen Übertragungsarten geschehen mit seltenen Ausnahmen in jeder Zelle. Die Existenz spezieller Übertragungsarten ist bekannt, allerdings geschehen diese nur unter bestimmten Bedingungen in bestimmten Organismen. Die Existenz der verbleibenden Übertragungsarten konnte dagegen bis heute nicht gezeigt werden und würde das Zentrale Dogma widerlegen.

Allgemeine Übertragungsarten

• DNA → DNA: Replikation
• DNA → RNA: Transkription
• RNA → Protein: Translation

Spezielle Übertragungsarten

• RNA → RNA: RNA-Replikation, geschieht z. B. bei RNA-Viren (Beispiel: Poliovirus) durch RNA-abhängige RNA-Polymerasen und bei Viroiden
• RNA → DNA: Reverse Transkription, geschieht z. B. bei Retroviren durch das Enzym Reverse Transkriptase oder in Eukaryoten durch die Telomerase
• DNA → Protein: Direkte Translation von DNA zu Protein, wurde in vitro in zellfreien Umgebungen nachgewiesen.^[5][6]

Unbekannte, nach dem Zentralen Dogma verbotene Übertragungsarten

• Protein → DNA
• Protein → RNA
• Protein → Protein

Rezeption

Das Zentrale Dogma der Molekularbiologie wurde seit seiner Formulierung immer wieder kritisiert und als obsolet erklärt.

In vielen Lehrbüchern ist das Dogma allerdings nicht in der von Crick intendierten Fassung dargestellt, sondern in einer restriktiveren Version, die aus James Watsons Lehrbuch Molecular Biology of the Gene stammt^[7] und besagt, dass sequenzielle Information von DNA über RNA zum Protein übertragen wird und somit nur die allgemeinen Übertragungsarten umfasst. Diese vereinfachende Version beschreibt zwar den typischen Ablauf des Informationstransfers, sie ist aber als allgemeingültiges „Dogma“ verstanden nicht zutreffend, wie auch Crick anmerkte.^[8] Viele „Widerlegungen“ des Zentralen Dogmas beruhen auf diesem Missverständnis.^[9]

Aber auch gegen das Zentrale Dogma in Cricks ursprünglicher Version wurden mehrere Argumente angeführt,^[10] darunter folgende: Prionen wurden zunächst als Beispiel für eine „verbotene“ Art von Protein-Protein-Informationsübertragung vermutet. Allerdings sind Prionen nach heutigem Forschungsstand Proteine, die die Konformation anderer Proteine verändern können und damit keine sequenzielle Information übertragen.

Vertreter der Systembiologie betonen verschiedene regulatorische Feedbackmechanismen von Proteinen zu Nukleinsäuren, die es erfordern, eine Zelle als komplexes Netzwerk zu behandeln, in dem Informationsübertragung sequenzieller Natur keine hervorzuhebende Rolle spielt. Aus dieser Sicht beschreibt das Zentrale Dogma nur einen Teil des Informationsflusses. Kritisiert wird dagegen, dass es zur Rechtfertigung einer reduktionistischen Forschungsmethodik verwendet wird, die Organismen in einem Bottom-up-Ansatz bei den Genen anfangend verstehen möchte.^[11][12][13]

Literatur

• Denis Thieffry, Sahotra Sarkar: Forty years under the central dogma. In: Trends in Biochemical Sciences. Band 23, Nr. 8, S. 312–316, doi:10.1016/S0968-0004(98)01244-4, PMID 9757833 (englisch). 
• Francis Crick: On Protein Synthesis. In: The Symposia of the Society for Experimental Biology. Band 12, 1958, PMID 13580867 (englisch, nih.gov). 
• Francis Crick: Central Dogma of Molecular Biology. In: Nature. Band 227, 1970, S. 561–563, doi:10.1038/227561a0, PMID 4913914 (englisch). 

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Matthew Cobb: 60 years ago, Francis Crick changed the logic of biology. In: PLoS Biology. Band 15, Nr. 9, September 2017, S. e2003243, doi:10.1371/journal.pbio.2003243, PMC 5602739 (freier Volltext) – (englisch). 
2. ↑ Thieffry, Sarkar. S. 315
3. ↑ Nach Thieffry, Sarkar. S. 313
4. ↑ Francis Crick: Nucleic acids. In: Scientific American. Band 197, Oktober 1957, S. 188–200 (englisch). 
5. ↑ B. J. McCarthy, J. J. Holland: Denatured DNA as a Direct Template for in vitro Protein Synthesis. In: PNAS. Band 54, 1965, S. 880–886 (englisch). 
6. ↑ M. S. Bretscher: Direct Translation of a Circular Messenger DNA. In: Nature. Band 220, 1968, S. 1088–1091 (englisch). 
7. ↑ James D. Watson: Molecular Biology of the Gene. W. A. Benjamin, 1965 (englisch). 
8. ↑ Thieffry, Sarkar: S. 315
9. ↑ Laurence A. Moran: Basic Concepts: The Central Dogma of Molecular Biology. 15. Januar 2007, abgerufen am 21. November 2013 (englisch). 
10. ↑ Siehe Thieffry, Sarkar
11. ↑ E. Werner: Genome Semantics. In Silico Multicellular Systems and the Central Dogma. In: FEBS Letters. Band 579, 2005, S. 1779–1782 (englisch). 
12. ↑ Thieffry, Sarkar S. 316
13. ↑ D. Noble: Claude Bernard, the first systems biologist, and the future of physiology. In: Experimental Physiology. Band 93, Nr. 1, 2007, S. 16–26 (englisch).