הקוד הגנטי

הקוד הגנטי או הצופן הגנטי הוא אוסף של כללים שעל פיהם נעשה תרגום ומיפוי של רצפי DNA ו-RNA לרצפים של חלבונים המקודדים על ידם. הקוד הגנטי בא לידי ביטוי בתהליך של תרגום ביולוגי, שבו מסונתזת מולקולה של חלבון על-פי מידע המצוי במולקולת mRNA. בתאיהם של מרבית היצורים החיים, הקוד הגנטי הוא הקוד הגנטי הסטנדרטי, אך ידועות גם מספר סטיות מקוד זה, למשל בגנום המיטוכונדריאלי. הקוד הגנטי בוסס לראשונה על ידי מרשל נירנברג (Marshall W. Nirenberg) מהמכונים הלאומיים לבריאות. נירנברג גילה את הקשר בין הקודונים לבין חומצות האמינו שהם מקודדים. הר קוהארה (Har Gobind Khorana) שִכלל את שיטותיו של נירנברג, ויחד הם זכו בפרס נובל לפיזיולוגיה ולרפואה לשנת 1968. מקטע ברצף ה-DNA שמקודד לשרשרת חלבון נקרא גן. על מנת ליצור מולקולת חלבון, יוצר התא העתק של הגן בצורת מולקולת mRNA שיכולה לעבור דרך מכונת ייצור החלבונים – הריבוזום. רצף מולקולת ה-mRNA מתחלק לשלשות רצופות של נוקלאוטידים הקרויות קודונים. תהליך התרגום מתאים לכל קודון חומצת אמינו ספציפית אחת בחלבון המסונתז. זהות חומצת האמינו נקבעת על-פי הקוד הגנטי. מולקולת ה-mRNA בנויה מארבעה סוגי נוקלאוטידים המזוהים על-פי הבסיס החנקני שלהם – אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ואורציל (U). הקוד הגנטי מתאר, כאמור, מעבר משלשה רצופה של נוקלאוטידי RNA לחומצת אמינו אחת. הקוד הגנטי הסטנדרטי מתאר מעבר ל-20 חומצות האמינו השכיחות בטבע, ובנוסף לשלושה קודונים המקודדים לסיום התרגום. כשהריבוזום מזהה קודון סיום נפסק תהליך התרגום. קיימים 64 קודונים שונים בקוד הגנטי (ארבעה סוגי נוקלאוטידים בחזקת שלושה נוקלאוטידים המרכיבים כל קודון, שהם 64). 64 קודונים אלו מקודדים ל-21 "סימנים" (20 חומצות אמינו וסיום התרגום). לפיכך נאמר על הקוד הגנטי שהוא מנוון – מספר קודונים שונים מקודדים לאותה חומצת אמינו. שני קודונים המקודדים לאותה חומצת אמינו, זהים, בדרך כלל, זה לזה בשני הנוקלאוטידים הראשונים שלהם ונבדלים בנוקלאוטיד השלישי. בתהליך התרגום קיים קודון פתיחה שממנו מתחיל התרגום. הריבוזום סורק את מולקולת ה-mRNA עד שהוא נתקל בקודון ההתחלה. בתאים איקריוטיים קודון ההתחלה הוא תמיד AUG, המקודד לחומצת האמינו מתיונין. חומצת אמינו זו מוּסרת לרוב מהחלבון בסיום תהליך התרגום. התרגום יכול להתחיל גם מקודונים אחרים, כגון UUG ,CUG ובתאים פרוקריוטיים גם מ-AUU ו-GUG. בקוד הגנטי הסטנדרטי קיימים 3 קודוני סיום. כאשר הריבוזום נתקל באחד מהקודונים הללו, נקשרים אליו גורמי שחרור והתרגום מופסק. לקודונים הללו קיימים השמות ההיסטוריים Ochre, Amber ו-Opal, והם התגלו כתוצאה ממוטציות שהתרחשו בהם ושגרמו ליצירת חלבון ארוך מהרגיל. הקוד הגנטי מנוון, שכן קיימות בו קבוצות של קודונים שונים שמקודדים לאותה חומצת אמינו. היתרון בניוון זה הוא בעמידות מסוימת למוטציות. מוטציות ב-DNA שאינן משנות את חומצת האמינו שאליה מקודד החלבון נקראות מוטציות שקטות. עיקר הניוון הוא בעמדה השלישית של הקודונים (למשל בלאוצין, פרולין, סרין וגליצין). ניוון זה נפוץ במיוחד בשל מבנה ה-tRNA; האנטיקודון שהוא נושא נקשר ביתר חוזקה לקודון של ה-mRNA בשתי העמדות הראשונות בכל קודון. תופעה זו נקראת באנגלית Wobble. בנוסף, ניתן לראות ניוון גדול יותר בין קודונים השונים ביניהם בנוקלאוטידים מאותה קבוצה – פורינים (A/G) או פירימידינים (C/T). גם תופעה זו מגבירה את עמידות החומר התורשתי למוטציות, שכן אלו שכיחות יותר בין נוקלאוטידים בעלי מבנה כימי דומה. בטבע קיימות אמנם מספר דוגמאות של סטיות מן הקוד הגנטי הסטנדרטי, למשל בקוד הגנטי של המיטוכונדריה, באצות מסוימות ובמיני פרוטוזואה, אבל רוב היצורים החיים על גבי כדור הארץ חולקים ביניהם קוד גנטי זהה. מסטייה זו חוקרי האבולוציה מניחים שהקוד הסטנדרטי התבסס בשלב מוקדם מאוד של התפתחות החיים. לאחרונה, מחקרים הראו עדויות לכך שלמספר חומצות אמינו קיימת אפיניות (נטייה לקישור כימי) גבוהה יותר לקודונים המקודדים להן. ממצאים אלה עשויים להעיד כי למגנון התרגום המורכב המשתמש ב-tRNA קדם מנגנון פשוט יותר, בו רצף החלבון נבנה ישירות על-גבי חומצות הגרעין. תאוריות אחרות גורסות כי מספר חומצות האמינו ביצורים הקדמונים היה קטן יותר מזה הנצפה על ידינו היום. פרויקט גנום האדם Phred quality score קוד גנטי, דף שער בספרייה הלאומית