Кодон — единица генетического кода¶
Кодон — участок матричной РНК (мРНК) длиной в три нуклеотида, определяющий аминокислоту при синтезе белка или сигнализирующий о завершении трансляции. Кодоны образуют генетический код — систему соответствий между последовательностями нуклеотидов в нуклеиновых кислотах и аминокислотным остатками в белках. Поскольку в РНК используются четыре нуклеотида (A, U, G, C), из трёх позиций формируется 4³ = 64 возможных комбинации, из которых 61 кодируют аминокислоты, а три служат стоп-сигналами.
¶Свойства генетического кода
Генетический код, в котором участвуют кодоны, обладает рядом фундаментальных характеристик, открытых в конце 1950-х — начале 1960-х годов:
- Трёхнуклеотидность — каждая аминокислота кодируется последовательностью из трёх нуклеотидов.
- Вырожденность (дегенеративность) — большинство аминокислот закодировано более чем одним кодоном. Так, лейцин кодируется шестью кодонами, а метионин и триптофан — только одним.
- Неперекрываемость — кодоны читаются последовательно, без перекрытия друг друга.
- Отсутствие «пробелов» — между кодонами нет разделительных последовательностей; рамка чтения задаётся старт-кодоном.
- Универсальность — основной вариант генетического кода практически одинаков для всех живых организмов, от бактерий до человека. Известны незначительные вариации у некоторых прокариот, митохондрий и простейших.
¶Старт- и стоп-кодоны
Из 64 кодонов три не кодируют аминокислоты и служат сигналами завершения трансляции: UAA («Охре»), UAG («Амбер») и UGA («Опаль»). Стоп-кодоны распознаются не транспортными РНК, а факторами релингации, которые вызывают диссоциацию рибосомного комплекса.
Старт-кодоном в большинстве организмов является AUG, кодирующий метионин (в прокариотах — формилметионин). Именно AUG определяет рамку чтения: смещение на один или два нуклеотида приводит к чтению совершенно иной последовательности кодонов и, как правило, к появлению стоп-сигнала. У бактерий в редких случаях в роли старт-кодона выступают GUG или UUG.
¶Расшифровка кода
Ключевой вклад в расшифровку генетического кода внесли Маршалл Ниренберг и Гарин Хораны, а также Йохан Маттеи. В 1961 году Ниренберг и Хораны синтезировали полимер урацила (поли-U) и показали, что он программирует синтез полифенилаланина, то есть UUU и UUC являются кодонами фенилаланина. Этот эксперимент стал первым «прочитанным» кодоном. К 1966 году совокупность биохимических и генетических экспериментов позволила установить все 64 соответствия.
¶Механизм считывания
Кодон мРНК распознаётся комплементарной трёхнуклеотидной последовательностью — антикодоном транспортной РНК (тРНК). Сопряжение кодона и антикодона происходит в А-центре рибосомы по правилам ватсон-криковского спаривания, при этом третий («третичный») нуклеотид антикодона допускает неточное спаривание — явление, известное как «воблинг» (wobble), описанное Фрэнсисом Криком в 1966 году. Именно благодаря воблингу один тРНК-молекула может узнавать несколько синонимичных кодонов, что объясняет дегенеративность кода при относительно небольшом наборе тРНК.
Ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы присоединяют соответствующую аминокислоту к тРНК, обеспечивая точность трансляции. Ошибка на этом этапе привела бы к систематической подмене аминокислоты во всех копиях белка.
¶Искусственные и расширенные кодоны
В 2000-х годах были разработаны системы генетического расширения, позволяющие включать в белок неестественные аминокислоты. Для этого создают модифицированные пары «тРНК — аминоацил-тРНК-синтетаза», которые распознают свободный стоп-кодон (обычно UAG) и вводят в эту позицию синтетическую аминокислоту. Подобные системы используются в биотехнологии для создания белков со специфическими свойствами.
¶Кодонная оптимизация
Поскольку кодон вырожден, один и тот же белок может быть закодирован множеством последовательностей. Организмы демонстрируют предпочтения в использовании определённых кодонов — явление, называемое кодонным предпочтением или кодонной оптимизацией. При клонировании генов и синтезе белков в чужеродной клеточной системе последовательность часто перекодируют, заменяя редко используемые в данном организме кодоны на предпочитаемые, что повышает выход продукта.
¶Смежные понятия
Связь «кодон — аминокислота» визуализируется в виде таблицы генетического кода, в которой по первым двум нуклеотидам кодона и третьему определяется аминокислота. Термин «кодон» введён в 1961 году Фрэнсисом Криком в работе, посвящённой гипотезе адаптеров. Понятие кодона лежит в основе молекулярной биологии и применяется при анализе геномов, построении филогенетических деревьев и разработке вакцин и терапевтических белков.
Источники:
- Крик Ф. О гипотезе генетического кода (1961)
- Ниренберг М., Маттеи Дж. Генетический код (1961)
- Льюин Б. Гены (переиздания)
- Ватсон Дж. Д., Бейкер Т. А. и др. Молекулярная биология гена
- Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell