Codice genetico

Ilcodice geneticoè l'insieme delle regole con le quali viene tradotta l'informazione codificata neinucleotidicostituenti igeniper la sintesi diproteinenellecellule.
La decodifica biologica viene effettuata da un particolare RNA nelribosoma, il quale assembla una serie diamminoacidisecondo un ordine specificato dall'mRNA. Ciò avviene utilizzando l'RNA transfer(tRNA), che trasporta gli amminoacidi e che legge l'mRNA trenucleotidialla volta, più specificamente la loro tripletta di basi, ocodone. Un codone corrisponde a un singolo amminoacido.
Poiché la maggior parte dei geni si esprime secondo lo stesso codice, questo viene spesso indicato come "codice genetico canonico" o "standard", o semplicemente "il codice genetico", anche se in realtà alcune versioni si sono con il tempo evolute. Ad esempio, la sintesi proteica che avviene neimitocondriumani si basa su un codice genetico leggermente diverso da quello standard.
Le basi dell'RNA sono quattro:adenina,guanina,citosinaeduracile(nel DNA l'uracile è sostituito dallatimina). Esistono quindi 4= 64 codoni possibili. 61 di essi codificano gli amminoacidi, mentre i restanti tre (UAA, UAG, UGA) codificano segnali di stop (stabiliscono, cioè, a che punto deve interrompersi l'assemblamento della catena polipeptidica). Poiché gli amminoacidi che concorrono alla formazione delle proteine sono 20 e i codoni 64, essi in generale sono codificati da più di un codone (con l'eccezione ditriptofanoemetionina) pertanto il codice genetico viene definito  "degenere". Codoni distinti che codificano il medesimo amminoacido sono dettisinonimi.
Il codice genetico viene letto "senza punteggiatura" ossia linearmente di tre basi in tre basi e non è in genere sovrapponibile (ad esempio l'ultima base di un codone non può essere letta come la prima base del codone successivo, tuttavia nei virus i geni possono essere sovrapposti).
Seri sforzi per capire come leproteinevenissero codificate sono iniziati in seguito alla scoperta della struttura delDNA, avvenuta nel 1953.George Gamowpostulò che gruppi di trebasidovevano essere impiegati per codificare i 20amminoacidistandard utilizzati dalle cellule viventi per costruire le proprie proteine. Avendo a disposizione quattro nucleotidi diversi, un codice costituito da 2 nucleotidi consentirebbe solo un massimo di 4= 16 aminoacidi. Diversamente, un codice con 3 nucleotidi può codificare fino a 4= 64 aminoacidi.
Nel 1961, l'esperimento di Crick, Brenner, Barnett, Watts-Tobin fu il primo a dimostrare che icodoniconsistono in tre basi di DNA; nello stesso annoMarshall Nirenberge Heinrich Matthaei furono, invece, i primi a chiarire la natura di un codone, presso ilNational Institutes of Health. Essi utilizzarono unsistema acellularepertradurreuna sequenza diRNApoli-uracile(ovvero: UUUUUU....) e così scoprirono che ilpolipeptideche avevano sintetizzato consisteva di solafenilalanina(un amminoacido).Essi quindi dedussero che il codone UUU fosse specifico per quel dato amminoacido. A ciò seguirono esperimenti nel laboratorio diSevero Ochoache portarono alla dimostrazione che la sequenza RNA poli-adenina(AAAAA...) codificava il polipeptide poli-lisinae che la sequenza RNA pol-citosina(CCCCC...) codificava il polipeptide poli-prolina.Pertanto il codone AAA specificava lalisinae il codone CCC specificava laprolina. Utilizzando diversi copolimeri, la maggior parte dei rimanenti codoni furono quindi determinati. Il lavoro successivo svolto daHar Gobind Khoranaportarono ad identificare il resto del codice genetico. Poco dopo,Robert W. Holleydeterminò la struttura dell'RNA transfer(tRNA), la molecola adattatore che facilita il processo di traduzione dell'RNA in proteina. Questo lavoro si basò sugli studi precedenti di Severo Ochoa, il quale ricevette ilPremio Nobel per la medicinanel 1959 per il suo lavoro sullaenzimologiadella sintesi dell'RNA.
Estendendo questo lavoro, Nirenberg e Philip Leder dimostrarono la natura a tripletta del codice genetico e decifrarono i codoni del codice genetico standard. In questi esperimenti, varie combinazioni di mRNA furono fatte passare attraverso un filtro che contenevaribosomi, gliorganulicontenuti nelle cellule che realizzano la traduzione dell'RNA in proteina. Triplette univoche promuovono il legame di specifici tRNA al ribosoma. Leder e Nirenberg, grazie ai loro esperimenti, furono in grado di determinare le sequenze di 54 dei 64 codoni.Nel 1968, Khorana, Holley e Nirenberg ricevettero il Premio Nobel per la medicina per il loro lavoro.
Un codone viene definito dal nucleotide di partenza da cui inizia traduzione. Ad esempio, la stringa GGGAAACCC, se letta dalla prima posizione, contiene i codoni GGG, AAA, e CCC; se viene letto dalla seconda posizione, contiene i codoni GGA e AAC; se letto a partire dalla terza posizione, GAA e ACC. Ogni sequenza può, pertanto, essere letta in tre diverse fasi, ciascuna delle quali produrrà una sequenza amminoacidica diversa (nell'esempio dato, Gly-Lys-Pro, Gly-Asn, Glu-Thr, rispettivamente). Nella doppia elica del DNA, vi sono sei possibili "quadri di lettura", tre che indicano un orientamento in avanti su un capo del filamento e tre nella direzione inversa sull'altro filamento.
La traduzione inizia in corrispondenza di un codone di inizio ma, a differenza del codone di termine, questi non è sufficiente per avviare il processo di sintesi; in prossimità del codone di avvio devono infatti anche trovarsi alcune sequenze tipiche che permettono all'mRNA di legarsi airibosomi. Particolari sequenze, come lasequenza di Shine-Dalgarnonell'Escherichia coliefattori di iniziazione, sono inoltre necessari per avviare la traduzione. Il codone di inizio più comune è AUG, che codifica anche lametioninao, nei batteri, laformilmetionina. A seconda dell'organismo, codoni alternativi di inizio possono essere GUG o UUG; questi codoni normalmente rappresentano, rispettivamente, lavalinae laleucina, ma come codoni di inizio sono tradotti in metionina o formilmetionina.Altri codoni di inizio sono CUG, UUG e, nei procarioti, GUG e AUU.
Ai trecodoni di stopsono stati assegnati dei nomi:  UAG o codoneAmbra, UAA o codoneOcra, e UGA o codoneOpale. Il codoneAmbraè stato chiamato così, dagli scopritori Richard Epstein e Charles Steinberg, in onore diHarris Bernsteinche lo ha scoperto ed il cui cognome significaambrain tedesco. Gli altri due codoni di terminazione sono stati chiamati in modo da rimanere nel tema dei colori (rispettivamenteocraeopale).I codoni di stop vengono anche chiamati codoni di "cessazione" o codoni "nonsense". Il loro scopo è di far sì che vi sia il rilascio delpolipeptidenascente dal ribosoma e questo avviene poiché non vi è un tRNA affine che possieda anticodoni complementari a queste sequenze di stop, e quindi nel ribosoma viene a legarsi unfattore di rilascio.
Durante il processo direplicazione del DNA, occasionalmente possono verificarsi degli errori nellapolimerizzazionedel secondo filamento. Questi errori, chiamatimutazioni, possono avere un impatto sulfenotipo(ovvero le caratteristiche osservabili) di un organismo, specialmente se esse si verificano all'interno della sequenza del gene codificante una proteina. I tassi di errore sono solitamente molto bassi, stimabili i 1 errore ogni 10-100 milioni di basi, grazie alla capacità di "revisione" dellaDNA polimerasi.
Lemutazioni missensoe lemutazioni nonsensosono esempi dimutazioni puntiformi, che possono causaremalattie genetichecome l'anemia falciformee latalassemia, rispettivamente.Le mutazioni missenso generalmente sono clinicamente importanti poiché comportano la modifica delle proprietà dell'amminoacido codificato tra cui se è essenziale, acido, polare o non polare, mentre le mutazioni nonsense comportano la formazione di un codone di stop.
Le mutazioniframeshiftsono dovute a delezione o inserzioni (indel) di un numero di nucleotidi non divisibile per 3, comportando lo spostamento del quadro lettura a valle della mutazione e quindi la codificazione di una sequenza amminoacidica non corrispondente a quella del trascritto originario. La conseguenza è la produzione di proteine anomale o la mancata esportazione o traduzione dell'mRNA mutato.L'ereditarietà delle mutazioni frameshift è rara, poiché la conseguente assenza di una proteina funzionale può causare la prematura morte dell'organismo.Una grave malattia dovuta ad una mutazione di questo tipo è lamalattia di Tay-Sachs.
Sebbene la maggior parte delle mutazioni che comportano il cambiamento nelle sequenze proteiche sono dannose o, al limite, neutre, alcune possono comportare un effetto benefico su di un organismoconsentendogli di resistere a particolari stress ambientali meglio degli organismiwild type(dotati di geni più comuni), o di riprodursi più rapidamente. In questi casi, la mutazione tenderà a diventare sempre più comune nella popolazione attraverso laselezione naturale.Ivirusche utilizzano l'RNA come materiale genetico, hanno tassi di mutazione molto rapidi,e ciò può essere per loro un vantaggio, dal momento che si evolveranno costantemente e rapidamente e quindi poter eludere le risposte difensive delsistema immunitarioumano.Nelle grandi popolazioni composti da organismi ariproduzione asessuata, ad esempio nell'Escherichiacoli coli, possono coesistere molteplici mutazioni benefiche. Questo fenomeno è chiamatointerferenza clonalee comporta competizioni tra le mutazioni.
Per degenerazione si intende laridondanzadel codice genetico, cioè due o più codoni corrispondono allo stesso amminoacido. Il codice genetico è ridondante, ma, tuttavia, non vi è alcuna ambiguità in esso (vedi le tabelle sottostanti). Ad esempio, sia il codone GAA che GAG specificano l'acido glutammico(ridondanza), ma nessuno dei due specifica qualsiasi altro amminoacido (assenza di ambiguità). I codoni che codificano un aminoacido possono differire in una delle loro tre posizioni. Per esempio laleucinaè specificata dai codoniYUR oCUN(UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, o CUG), con differenze nella prima o terza posizione, mentre l'amminoacido serina viene specificato dai codoni UCNo AGY(UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, o AGC), con differenza nella prima, seconda o terza posizione).
Un codone è detto "quattro volte degenere" se qualsiasi nucleotide nella sua terza posizione codifica lo stesso amminoacido (ad esempio, UCA, UCC, UCG e UCU, tutti corrispondenti allaserina); è detto "due volte degenere" se solo due delle quattro basi nella sua terza posizione codificano lo stesso amminoacido (ad esempio AAA ed AAG, corrispondenti allalisina). Nei codoni due volte degeneri, i nucleotidi equivalenti nella terza posizione sono sempre o duepurine(A/G) o duepirimidine(C/U).
La ridondanza rende il codice genetico meno vulnerabile allemutazionicausali. Un codone quattro volte ridondante può subire qualsiasi mutazione alla sua terza posizione ed un codone due volte ridondante può subire una delle tre possibili mutazioni alla sua terza posizione senza che l'amminoacido da esso espresso - e quindi la struttura della proteina in cui l'amminoacido verrà inserito - cambi. Inoltre, dato che le mutazioni per transizione (da una purina all'altra o da una pirimidina all'altra) sono più probabili delle mutazioni per transversione (da purina a pirimidina o viceversa), l'equivalenza tra purine o tra pirimidine nei codoni due volte degeneri aggiunge un'ulteriore resistenza. Infatti, gli eventuali errori posti nella terza posizione di una tripletta causano soltanto una mutazione silente o un errore, senza che la proteina venga pregiudicata, poiché l'idrofiliao l'idrofobiaviene mantenuta dalla sostituzione equivalente degli amminoacidi; per esempio, un codone di NUN (dove N è un qualsiasi nucleotide) tende a codificare aminoacidi idrofobici; NAN codifica residui idrofili di medie dimensioni. Il codice genetico è così ben strutturato per l'idropatia che una analisi matematica (decomposizione ai valori singolari) di 12 variabili (4 nucleotidi x 3 posizioni) produce unacorrelazionenotevole (C=0,95) per la predizione dell'idropatia dell'amminoacido codificato direttamente dalla sequenza nucleotidica, senza la traduzione.Come si vede dalla tabella sottostante, otto amminoacidi non sono interessati da eventuali mutazioni nella terza posizione del codone, mentre una mutazione nella seconda posizione rischia di provocare un cambiamento radicale nelle proprietà fisico-chimiche dell'aminoacido codificato.
Ilgenomadi un organismo si trova nel DNA o, nel caso di alcuni virus, nell'RNA. La porzione del genoma che codifica una o più catene polipeptidiche o per l'RNA è chiamatogene. I geni che codificano le proteine sono composti da unità di tre nucleotidi chiamaticodoni, di cui ciascuna di esse codifica un singolo amminoacido. Ogni nucleotide consiste di unfosfato, di uno zuccherodeossiribosioe di una delle quattrobasi azotate. La basi puriniche,adenina(A) eguanina(G), sono le più grandi e sono costituite da dueanelli aromatici. Le basi pirimidiniche,citosina(C) etimina(T), sono più piccole e consistono di un solo anello aromatico. Nella configurazione a doppia elica, i due filamenti di DNA sono uniti tra loro dalegami idrogenoin una forma nota comecoppia di basi. Questi legami si formano quasi sempre tra la base adenina su un filamento e una base timina sull'altro, oppure tra una base citosina e una base guanina. Ciò significa che, in un determinato filamento a doppia elica, il numero di basi A e T sarà lo stesso, così come il numero di basi G e C.Nell'RNA, la timina (T) è sostituita dall'uracile(U) e il desossiribosio è sostituito dalribosio.
Ogni gene codificante proteine viene trascritto in una molecola del polimero RNA. Neiprocarioti, questo RNA funziona comeRNA messaggeroo mRNA; neglieucarioti, la trascrizione deve essere elaborata per produrre un m-RNA maturo. L'm-RNA interagisce nel citoplasma con l'R-RNA. A questo punto il T-RNA che porta con sé un amminoacido specifico si lega all'M-RNA permettendo la formazione di una catena amminoacidica. L’interazione avviene mediante il riconoscimento della prima base dell’anticodone presente sul T-RNA con l’ultima base del codone posto sull' M-RNA: legame complementare e antiparallelo.
Vi sono 4=64 possibili diverse combinazioni di codoni formati da tre nucleotidi; tutti i 64 codoni corrispondono ad un amminoacido o ad un segnale di stop. Se, per esempio, viene considerata una sequenza di RNA UUUAAACCC e il quadro di lettura inizia con il primo U (per convenzione, 5' a 3'), vi sono tre codoni, ovvero UUU, AAA, e CCC, ciascuno dei quali specifica un amminoacido. Pertanto, questa sequenza di RNA a 9 basi sarà tradotta in una sequenza di tre amminoacidi.Un dato aminoacido può essere codificato da una a sei diverse sequenze di codone.
Il codice genetico standard viene mostrato nelle seguenti tabelle. La tabella 1 mostra quale aminoacido viene codificato da ciascuno dei 64 codoni. La tabella 2 mostra quali codoni specificano i 20 amminoacidi standard coinvolti nella traduzione. Ad esempio, il codone "AAU" rappresenta l'aminoacido asparagina, e "UGU" e "UGC" rappresentano la cisteina (nella denominazioni standard a tre lettere standard, Asn e Cys, rispettivamente).
La tabella codone RNA è essenzialmente identica a quella per il DNA, ma con T sostituito da U.
Sebbene lievi variazioni del codice standard erano state previste fin dall'inizio,esse non sono state scoperte fino al 1979 quando i ricercatori che studiavano igeni mitocondrialiumani scoprirono che essi utilizzavano un codice alternativo. Molte altre piccole varianti sono state scoperte da allora,tra cui vari codici mitocondriali alternativie piccole varianti come la traduzione del codone UGA atriptofanonelle specie diMycoplasmae la traduzione di CUG come unaserinapiuttosto che una leucina neilievitidel "cladeCTG" (laCandida albicansfa parte di questo gruppo).Poiché i virus devono utilizzare lo stesso codice genetico dei loro ospiti, le modifiche al codice genetico standard potrebbe interferire con la sintesi o il funzionamento delle proteine virali. Tuttavia, alcuni virus (come itotivirus) hanno adattato il codice alle modifiche genetiche dell'ospite.Neibatterie negliarcheobatteri, GUG e UUG sono comuni codoni di inizio, ma in rari casi, alcune proteine possono utilizzare codoni di inizio alternativi non normalmente utilizzate da tali specie.
Anche iprotozoiciliati presentano qualche modifica: in loro (come anche in alcune specie dialgaverde) UAG e, spesso, UAA codificano la glutammina e UGA codifica la cisteina. In alcune specie dilievito, CUG codifica la serina. In altre specie dibatteried archeobatteri i codoni di arresto codificano invece amminoacidi non comuni: UGA codifica laselenocisteinae UAG lapirrolisina. È possibile che vi siano altri amminoacidi non-standard la cui codifica è ancora ignota. Inoltre si possono avere diversissime variazioni anche del codice genetico mitocondriale, che inoltre ha tassi di evoluzione maggiore a seguito dell'inefficienza dei meccanismi di riparazione del DNA. Ad esempio, oltre ai già citati vertebrati (CGM 2), anche gruppi filogeneticamente vicini a noi, come ad esempio leAscidie, hanno un codice genetico mitocondriale particolare.
In certe proteine, gli amminoacidi non standard sono sostituiti da codoni di stop, a seconda delle sequenze di segnali associati a dell'RNA messaggero. Ad esempio, UGA può codificareselenocisteinae UAG può codificarepirrolisina. La selenocisteina è classificato come l'amminoacido 21 e la pirrolisina come il 22.A differenza della selenocisteina, la pirrolisina codificata UAG viene tradotta grazie alla partecipazione di un apposito tRNA sintetasi.Sia la selenocisteina che la pirrolisina possono essere presenti nello stesso organismo.Anche se il codice genetico in un organismo è normalmente immutabile, in alcuni casi ciò può non essere vero: ad esempio l'archeobatterioacetohalobium arabaticumpuò espandere il suo codice genetico da 20 a 21 amminoacidi (aggiungendo lapirrolisina) quando si riscontrano alcune condizioni di crescita.
Nonostante queste differenze, tutti i codici genetici noti presenti nelle forme di vita della Terra sono molto simili meccanismo di codifica è lo stesso per tutti gli organismi: codoni di tre basi, tRNA, ribosomi, lettura del codice nella stessa direzione e traduzione del codice a tre lettere in sequenze di amminoacidi. Dato che i codici genetici possibili e potenzialmente adatti alla vita sono molti, la teoria dell'evoluzionefa pensare che questo codice genetico sia andato a definirsi molto presto nella storia della vita su questo pianeta. Le pressioni che poi possono aver portato all'evoluzione di codici genetici non canonici sono state sicuramente secondarie, in particolare si pensa legate a fenomeni di resistenza al trasferimento genico o all'attacco virale.
Dal 2001, 40 amminoacidi non naturali sono stati aggiunti alle proteine creando un codone unico (ricodifica) ed un corrispondente RNA transfer. Ciò ha permesso di studiare proprietà fisico-chimiche e biologiche diverse e per esplorare la struttura delle proteine, la loro funzione o per crearne di nuove o migliore quelle già esistenti.
H. Murakami e M. Sisido hanno esteso alcuni codoni portandoli a quattro e cinque basi. Steven A. Benner sintetizzò un 65° codone funzionale (in vivo).
Se gli aminoacidi fossero stati assegnati in modo casuale ai codoni, allora ci sarebbero 1.5 x 10possibili codici genetici tra cui scegliere.Questo numero è individuato calcolando quanti modi vi sono per posizionare 21 elementi (20 aminoacidi più uno di stop) in 64 posizioni, in cui ciascun elemento è utilizzato almeno una volta. Il codice genetico usato da tutte le forme di vita conosciute è quasi universale, con solo qualche piccola variante. Ci si potrebbe quindi chiedere se tutte le forme di vita presenti sullaTerradiscendano da un unico antenato che è andato incontro a mutazioni che abbiano ottimizzato il codice genetico. Sono state formulate diverse ipotesi sulle origini e sull'evoluzione del codice genetico.
Le tante ipotesi possono essere raggruppate in quattro temi principali riguardanti l'evoluzione del codice genetico:
Le molecole di RNA transfer sembrano essersi sviluppate prima delle moderneamminoacil-tRNA sintetasi, per cui quest'ultima non può essere parte della spiegazione dei vari modelli proposti.
Inoltre, sono stati esplorati modelli comprendenti aspetti che sommano due o più dei suddetti temi. Ad esempio, i modelli basati sulgioco di segnalazionecombinano elementi dellateoria dei giochi, laselezione naturalee lateoria dell'informazione. Tali modelli sono stati utilizzati per suggerire che i primi polipeptidi fossero probabilmente brevi e possedessero alcune funzioni diverse da quella enzimatica. Modelli teorici hanno anche suggerito che l'organizzazione nelle cellule di stringhe di RNA potevano essere necessari per evitare l'uso "ingannevole" del codice genetico, cioè impedendo all'equivalente ancestrale del virus di stravolgere la sequenza dell'RNA.
La distribuzione delle assegnazioni del codone nel codice genetico non è casuale.Per esempio, determinati gruppi di codice genetico codificano determinati aminoacidi. Quelli che condividono la stessa via biosintetica tendono ad avere nei loro codoni la prima base uguale.Gli aminoacidi con proprietà fisiche simili tendono ad avere codoni simili,al fine di ridurre i problemi causati dalle mutazioni puntiformi e da errori di traduzione.Un'ipotesi coerente per spiegare l'origine del codice genetico dovrebbe anche affrontare o prevedere le seguenti caratteristiche: