Geneetiline kood

Geneetiline kood on kindel vastavus nukleiinhapete (RNA) koodonite ja valke moodustavate aminohapete vahel. Selle koodi kindlustab elus rakkude keemiliste juhiste süsteem, mis loob geneetilist infot kandva mRNA vahendusel proteiine. Valgusüntees geneetilise info alusel ehk translatsioon toimub ribosoomides. Geneetiline kood võimaldab DNA molekulidelt ümber kirjutatud geneetilise info tõlkida RNA molekulidele, mille järgi sünteesitakse valkude molekulid. Geneetiline kood on väga sarnane terves eluslooduses. See annab aluse oletada kogu praeguse elu monofüleetilist päritolu ja ühekordset tekkimist, kuigi rangelt võttes näitab geneetilise koodi universaalsus ainult universaalse geneetilise koodi enda monofüleetilist päritolu. Samas leidub geneetilisel koodil üle kümne variandi, mis on tõenäoliselt siiski hiljem evolutsiooni käigus tekkinud.  Pikemalt artiklis Geeniekspressioon Organismi geneetiline info on talletatud kromosoomidesse, mis koosneb DNA molekulidest, mis omakorda jagunevad geenideks. Igas organismi rakus, selle tuumas sisaldub kogu organismi genoom. Geen on geneetilise info baasühik, mis kodeerib mingi kindla proteiini sünteesi. Kui geeni ekspresseeritakse, siis kopeeritakse geenist üheahelaline mRNA matriits, mis seejärel suundub rakutuumast ribosoomi, kus toimub geneetilise koodi alusel mRNAst tRNA ja mitmete ensüümide abil aminohappeahelate sünteesimine, mis hiljem pakitakse valguks. Nagu iga teine nukleiinhapegi koosneb mRNA nukleotiididest, mida tihti kutsutakse ka alusteks. RNAs sisalduvad nukleotiidid on: adeniin (A), guaniin (G), tsütosiin (C) ja uratsiil (U). DNA ahelas vastab uratsiilile tümiin (T). Nukleotiidide kolmikuid e. triplette mRNAs nimetatakse koodoniteks, mis moodustavad geneetilise koodi põhialuse. Igale koodonile mRNAs vastab mingi konkreetne aminohape proteiiniahelas või juhis valgusünteesi alustamiseks või lõpetamiseks. Ühtekokku on olemas 43 = 64 erinevat koodonit. Kuna kodeeritavaid aminohappeid on ainult 20, siis on paljud koodonid "sünonüümsed", st ühele aminohappele võib vastata mitu erinevat koodonit. Milliseid koodoneid genoomis eelistatakse, sõltub aga konkreetsest organismist endast. Otsene seos on aga aminohappele vastavate koodonite hulga ja selle aminohappe esinemissageduse vahel valkudes. Mõnele koodonile (UGA, UAA ja UAG) ei vasta ühtegi aminohapet, mistõttu neid mõnikord nimetatakse ka nonsensskoodoniteks. See nimetus ei ole aga päris õige, kuna nimetatud koodonid toimivad märgina valgusünteesi lõpetamiseks, umbes nagu punkt lause lõpus. Stoppkoodoneid e terminaatorkoodoneid tunnevad ära teatud ensüümid, nn. terminatsioonifaktorid, mis osalevad valgusünteesi lõpetamisel. Tegelikud nonsensskoodonid oleksid sellised, millele ei vasta ükski aminohape ega ka mingi muu tähendus. Koodon AUG on universaalses geneetilises koodis mitmetähenduslik – ta on nii metioniini sünteesi koodon kui ka start- ehk initsiaatorkoodon. Initsiaatorkoodon asub mRNA ahela eesotsas ja annab ühtlasi märku ribosoomis valgusünteesi alustamiseks, seega enamiku valguahelate esimeseks aminohappeks on metioniin. Kui koodon AUG asub mRNA ahelas ka pärast initsiaatorkoodonit, sünteesitakse sellelt aminohappeahelasse lihtsalt metioniin. Leidub ka alternatiivseid initsiaatorkoodoneid (näiteks UUG ja CUG), kuid neid kasutatakse valgusünteesi alustamiseks oluliselt harvemini. Järgmises tabelis on toodud mRNA koodonitele vastavate aminohapete nimetused ning nende rahvusvahelised kolme- ja ühetähelised lühendid. Tabelit loetakse vasakult paremale – vasakus püstlahtris on koodoni esimene nukleotiid, horisontaalses lahtris ülaservas keskmine ja paremas püstlahtris koodoni kolmas nukleotiid. 1 AUG on üldine start- ehk initsiaatorkoodon, teised initsiaatorkoodonid on kasutusel oluliselt harvemini. 2 AUU ja GUG on initsiaatorkoodonina kasutusel vaid prokarüootides. Nagu mainitud, on geneetiline kood olemuselt süsteem, mille alusel seatakse vastavusse mRNA koodonid ja valguahelat moodustavad aminohapped. Koodonite paiknemine kooditabelis ei ole aga päris juhuslik – keemiliselt sarnased aminohapped paiknevad tabelis lähestikku. See tähendab, et juhuslikud vead koodi lugemisel (valgusünteesil) ei muuda sünteesitava valgu omadusi tõenäoliselt eriti suures ulatuses, kuna aminohape asendub sarnaste keemiliste omadustega aminohappega. See vähendab tunduvalt geneetilise koodi müratundlikkust. Erinevatel koodoni positsioonidel on aminohappe määramisel erinev osakaal. Kõige olulisem on koodoni teine täht ehk keskmine positsioon. Tähtsuselt järgmine on koodoni esimene täht. Kõige väiksema tähtsusega on koodoni kolmas täht. Universaalses geneetilises koodis ei ole 8 aminohappe määramisel kolmas täht üldse oluline, ka ülejäänud aminohapete puhul on koodoni kolmas täht väikese tähtsusega. 20 kodeeritavast aminohappest on kolmas täht ühetähenduslik vaid kahe aminohappe – metioniini ja trüptofaani puhul. Koodoni kolmanda tähe mitmetähenduslikkust nimetatakse ka koodi kõdumiseks. Geneetiline kood sõltub organismi tRNA molekulide ehitusest ning tRNAd ja aminohapet kokkusiduvatest ensüümidest. tRNA ahela keskel on nukleotiidide kolmik, mis paardub komplementaarsusprintsiibi alusel mRNA koodoniga, seetõttu nimetatakse vastavat tRNA nukleotiidide kolmikut antikoodoniks. Vastavalt geneetilisele koodile seotakse tRNA ühte otsa (nn aktseptor-õlga) tRNA antikoodonile (seega ka mRNA koodonile) vastav aminohape. Ribosoomis seondub aminohapet kandev tRNA molekul vastava mRNA koodoniga ning jätab endaga seotud aminohappe sünteesitavasse peptiidahelasse ja realiseerib seeläbi geneetilise koodi. Kui toimuks muutus tRNAd sünteesivates geenides, siis muutuks seeläbi ka geneetiline kood ja ka kõik organismis sünteesitavad valgud. Keerukam küsimus on aga see, miks geneetiline kood on täpselt selline nagu ta on (näiteks, kas koodonile CCU võiks proliini asemel vastata nt arginiin). Ühtset vastust sellele küsimusele hetkel veel pole. Seda on püütud seletada tRNA ja aminohappe seondumise iseärasustega – mingit konkreetset antikoodonit (või ka muud nukleotiidijärjestust mõnes teises kohas tRNA ahelas) sisaldavale tRNAle seondub mõni aminohape tänu molekulidevahelisele tõmbejõule suurema tõenäosusega kui mõnda teist antikoodonit sisaldavale tRNA molekulile, teisisõnu mõni antikoodon on kindla aminohappe suhtes suurema afiinsusega kui mõni teine antikoodon või on nendevaheline side stabiilsem ja seetõttu püsib piisavalt kaua, et jõuda ribosoomi. Sellest võiks järeldada seda, et ensüüm aminoatsüül-tRNA ligaas, mis tunneb ära tRNA ja seob selle külge vastava aminohappe liidabki kokku sellise aminohappe ja tRNA, mis omavahel keemiliselt kõige paremini seonduvad. Ometi puuduvad nende hüpoteeside kohta põhjapanevad teaduslikud tõendid ja vähemalt esialgu on küsimus geneetilise koodi tähendusest ja tekkimisest lahtine. Fakt, et geneetiline kood on vigade summutamisel optimaalne (sarnased aminohapped paiknevad tabelis lähestikku) on võetud aluseks arvamusele, et geneetiline kood on aeglaselt evolutsioneerunud. Teisisõnu tekkisid alguses juhuslikud seosed ja aja jooksul on kood optimeerunud. Teiseks seisukohaks oleks see, et geneetiline kood on "külmunud õnnetus", ehk see on kunagi juhuslikult tekkinud ja kui see kord tekkis, ei saanud see enam muutuda, kuna iga muutus koodis tooks kaasa muutuse kõigis valkudes, mis oleks aga organismile väljakannatamatu. Geneetilise koodi päritolu on lahtine aga tõenäolisem on siiski universaalse geneetilise koodi väga pikaajaline evolutsioon, sest mõnedes organismides esineb universaalsest koodist väikeseid kõrvalekaldeid. Selge on igatahes see, et geneetiline kood on tekkinud elu väga varajases arengujärgus ühel ajal RNA-põhise valgusünteesi tekkimisega. Universaalsest geneetilisest koodist leidub siiski ka mitmeid kõrvalekaldeid. Eriti sagedased on alternatiivsed koodid väikese genoomiga organismides või ka eraldiseisvat genoomi omavates organellides. Kõige väiksemad genoomid on eukarüootide mitokondritel ja seetõttu on nendes erinevused universaalsest koodist levinud. Genoomi suuruse ja koodi stabiilsuse vaheline seos tuleneb koodi "külmunud" olemusest – kui koodis ühe koodoni tähendus muutub (tRNA hakkab ära tundma uut koodonit), siis toob see kaasa muutuse kõikides valkudes, kus vastav aminohape esineb. Üheaegne muutus paljudes valkudes on aga organismile üldjuhul surmav. Väikeste genoomide puhul võib üks kindel koodon esineda vaid mõnes üksikus geenis ja üksikud aminohapete asendused ei pruugi omada väga suurt mõju organismi eluvõimele. Sellisel juhul võivad muutused koodis organismi järglastele edasi kanduda, mille tulemusena tekib mõnel liigil alternatiivne geneetiline kood. Siiski on ka väikeste genoomide puhul koodi muutumise kiirus väga aeglane, enamiku koodonite osas on kõik erinevad koodid samad. Esineda võib ka mõne koodoni mitmetähenduslikkust. Näiteks transleeritakse mõnedel Candida perekonna pärmseentel universaalse koodi leutsiini koodonit CUG seriinina. Erakordne on aga see, et sama tRNA lülitab peptiidiahelasse mõnikord ka leutsiini, viimast küll väikese sagedusega. Seega ongi sellel seeneperekonnal leutsiini koodon CUG mitmetähenduslik. On võimalik ka teatud alternatiivsete (standardsete kodeeritavate amnohapete seas mitteolevate) aminohapete esinemine. Näiteks on täheldatud, et bakteril Methanosarcina barkeri kodeerib stoppkoodon UAG valgusünteesi lõpetamise asemel hoopis aminohapet pürrolüsiin. Samuti on paljudel organismidel mitmetes valkudes leitud aminohappe selenotsüsteiini esinemist, mis on kodeeritud stoppkoodoni UGA poolt (seda mitte küll otseselt vaid kindla translatsiooni kontrolliva faktori olemasolul). Need avastused on andnud alust algatada teadlaste hulgas diskussioon uute aminohapete lisamiseks kodeeritavate aminohapete nimistusse. Praeguseks on tuntud üle 20 erineva geneetilise koodi. genoom geeniekspressioon ribosoom Andrzej Elzanowski, Jim Ostell 2008. Genetic codes. Alberts, Bruce et al. Molecular Biology of the Cell, 4th ed, Garland Science Publishing, New York. 2002.