遺傳密碼

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遺傳密碼（Genetic code）又稱遺傳編碼，是遺傳資訊的傳遞規則，將DNA或mRNA序列以三個核苷酸為一組的「Q165052（codon）」轉譯為蛋白質的胺基酸序列，以用於蛋白質合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼，稱為「標準遺傳密碼」；即使是非細胞結構的病毒，它們也是使用標準遺傳密碼。有些具感染性的致病因子，使用一些稍微不同的遺傳密碼，如朊毒體以蛋白質為遺傳密碼。密碼子簡併性是遺傳密碼的突出特徵。

## 破解歷史

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自從發現了DNA的結構，科學家便開始致力研究有關製造蛋白質的秘密。伽莫夫通過計算指出需要以三個核酸一組才能為20個胺基酸編碼。1961年，弗朗西斯·克里克對T4噬菌體的某個基因中增加或刪除鹼基對。以該基因最終合成蛋白的情況。證明「以三個鹼基對編碼一個胺基酸」，以及遺傳密碼有固定起點，且以非重疊無分隔符形式閱讀的特點。美國國家衛生院的J·海因里希·馬特伊與馬歇爾·沃倫·尼倫伯格在無細胞系統環境下，把一條只由尿嘧啶（U）組成的RNA轉釋成一條只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首個密碼子（UUU -> Phe）。隨後哈爾·葛賓·科拉納破解了其它密碼子，接著羅伯特·W·霍利發現了負責轉錄過程的tRNA。1968年，科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學或醫學獎。

## 基因組的表達

一個生物體攜帶的遺傳資訊－即基因組－被記錄在DNA或RNA分子中，分子中每個有功能的單位被稱作基因。每個基因均是由一連串單核苷酸組成。每個單核苷酸均由鹼基，戊糖（即五碳糖，DNA中為脫氧核糖，RNA中為核糖）和磷酸三部分組成。鹼基不同構成了不同的單核苷酸。組成DNA的鹼基有腺嘌呤（A），鳥嘌呤（G），胞嘧啶（C）及胸腺嘧啶（T）。組成RNA的鹼基以尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。三個單核苷酸形成一組密碼子，而每個密碼子代表一個胺基酸或停止訊號。

製造蛋白質的過程中，基因先被從DNA轉錄為對應的RNA範本，即信使RNA（mRNA）。接下來在核糖體和轉移RNA（tRNA）以及一些酶的作用下，由該RNA範本轉譯成為胺基酸組成的鏈（多肽），然後經過轉譯後修飾形成蛋白質。詳情參閱轉譯。

因為密碼子由三個核苷酸組成，故一共有43=64種密碼子。例如，RNA序列UAGCAAUCC包含了三個密碼子：UAG，CAA和UCC。這段RNA編碼代表了長度為3個胺基酸的一段蛋白質序列。（DNA也有類似的序列，但是以T代替了U）。

標準遺傳密碼如下表所示：由3個鹼基對應到胺基酸的密碼子表以及由胺基酸對應到3個鹼基的反密碼子表。

## 密碼子表

### DNA密碼子表

DNA密碼子表與RNA密碼子表基本相同，除了使用T來替代U。

### 非標準胺基酸

在某些蛋白質中，終止密碼子被非標準胺基酸取代，具體取決於信使 RNA 中的相關信號序列。例如，UGA 可以編碼硒代半胱氨酸，UAG 可以編碼吡咯賴氨酸。硒代半胱氨酸被視為第 21 個胺基酸，吡咯賴氨酸被視為第 22 個胺基酸。

## 技術細節

### 起始和終止密碼子

蛋白質的轉譯從初始化密碼子（起始密碼子）開始，但亦需要適當的初始化序列和起始因子才能使mRNA和核糖體結合。最常見的起始密碼子為AUG，其同時編碼的胺基酸在細菌為甲醯甲硫氨酸，在真核生物為甲硫氨酸，但在個別情況其它一些密碼子也具有起始的功能。

在經典遺傳學中，終止密碼子各有名稱：UAG為琥珀（amber），UGA為蛋白石（opal），UAA為赭石（ochre）。這些名稱來源於最初發現到這些終止密碼子的基因的名稱。終止密碼子使核醣體和釋放因子結合，使多肽從核醣體分離而結束轉譯的程式。另外，在哺乳動物的線粒體中，AGA和AGG也充當終止密碼子。

### 密碼子簡併性

大部分密碼子具有簡併性，即兩個或者多個密碼子編碼同一胺基酸。簡併的密碼子通常只有第三位元鹼基不同，例如，GAA和GAG都編碼穀氨醯胺。如果密碼子前兩位相同,而且不管密碼子的第三位為哪種核苷酸，都編碼同一種胺基酸，則稱之為四重簡併密碼子(fourfold degenerate codons)；如果三位中的某一位有兩種核苷酸使該密碼子編碼同一種胺基酸，則稱之為二重簡併密碼子(twofold degenerate codons)，一般第三位上兩種等價的核苷酸同為嘌呤（A/G,或R）或者嘧啶（C/T,或Y）。只有兩種胺基酸僅由一個密碼子編碼，一個是甲硫氨酸，由AUG編碼，同時也是起始密碼子；另一個是色氨酸，由UGG編碼。

遺傳密碼的這些性質可使基因更加耐受點突變。例如，四重簡併密碼子可以容忍密碼子第三位元的任何變異；二重簡併密碼子使三分之一可能的第三位的變異不影響蛋白質序列。由於轉換變異（嘌呤變為嘌呤或者嘧啶變為嘧啶）比顛換變異（嘌呤變為嘧啶或者嘧啶變為嘌呤）的可能性更大，因此二重簡併密碼子也具有很強的對抗突變的能力。不影響胺基酸序列的突變稱為沉默突變。

簡併性的出現是由於tRNA反密碼子的第一位鹼基可以和mRNA構成擺動鹼基對，常見的情況為反密碼子上的次黃嘌呤（I），以及和密碼子形成非標準的U-G配對。

另一種有助對抗點突變的情況，是NUN（N代表任何核苷酸）傾向於代表疏水性胺基酸，故此即使出現突變，仍有較大機會維持蛋白質的親水度，減低致命破壞的可能。

### 閱讀框

「密碼子」是由閱讀的起始位點決定的。例如，一段序列GGGAAACCC，如果由第一個位置開始讀，包括3個密碼子GGG，AAA和CCC。如果從第二位開始讀，包括GGA和AAC（忽略不完整的密碼子）。如果從第三位開始讀，則為GAA和ACC。故此每段序列都包括多個閱讀框，每個都能產生不同的胺基酸序列（在上例中，相應為Gly-Lys-Pro，Gly-Asp，和Glu-Thr）。而因為DNA的雙螺旋結構，每段DNA實際上有六個閱讀框。

實際的框架是由起始密碼子確定，通常是mRNA序列上第一個出現的AUG。

破壞閱讀框架的變異（例如，插入或刪除1個或2個核苷酸）稱為閱讀框變異，通常會嚴重影響到蛋白質的功能，故此並不常見，因為它們通常不能在演化中存活下來。

### 非標準的遺傳密碼

雖然遺傳密碼在不同生命之間有很強的一致性，但亦存在非標準的遺傳密碼。在有「細胞能量工廠」之稱的線粒體中，便有和標準遺傳密碼數個相異的之處，甚至不同生物的線粒體有不同的遺傳密碼。支原體會把UGA轉譯為色氨酸。纖毛蟲則把UAG（有時候還有UAA）轉譯為穀氨醯胺（一些綠藻也有同樣現象），或把UGA轉譯為半胱氨酸。一些酵母會把GUG轉譯為絲氨酸。在一些罕見情況，一些蛋白質會有AUG以外的起始密碼子。

真菌、原生生物和人以及其它動物的粒線體中的遺傳密碼與標準遺傳密碼的差異，主要變化如下：

Q165052｜通常的作用｜例外的作用｜所屬的生物

UGA｜中止編碼｜色氨酸編碼｜人、牛、酵母線粒體，支原體（Mycoplasma）基因組，如Capricolum

UGA｜中止編碼｜半胱氨酸編碼｜一些纖毛蟲（ciliate）細胞核基因組，如遊纖蟲屬（Euplotes）

UGA｜中止編碼｜硒半胱氨酸編碼｜人，大鼠，小鼠等哺乳體系

AGR｜精氨酸編碼｜中止編碼｜大部分動物線粒體，脊椎動物線粒體

AGA｜精氨酸編碼｜絲氨酸編碼｜果蠅線粒體

AUA｜異亮氨酸編碼｜蛋氨酸編碼｜一些動物和酵母線粒體

UAA｜中止編碼｜穀氨醯胺編碼｜草履蟲、一些纖毛蟲（ciliate）細胞核基因組，如嗜熱四膜蟲（ThermophAilus tetrahymena）

UAG｜中止編碼｜穀氨酸編碼｜草履蟲核細胞核基因組

UAG｜中止編碼｜吡咯賴氨酸編碼｜甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）核基因組，表達轉甲基酶（methyltransferase）

GUG｜纈氨酸編碼｜絲氨酸編碼｜假絲酵母核基因組

AAA｜賴氨酸編碼｜天冬氨酸編碼｜一些動物的線粒體，果蠅線粒體

CUG｜亮氨酸編碼｜絲氨酸編碼｜白色念珠菌（Candida albicans）等酵母的細胞核基因組

CUN｜亮氨酸編碼｜蘇氨酸編碼｜酵母線粒體

按信使RNA的序列，在一些蛋白質裏停止密碼子會被翻譯成非標準的胺基酸，例如UGA轉譯為硒半胱氨酸和UAG轉譯為吡咯賴氨酸，隨著對基因組序列加深瞭解，科學家可能還會發現其它非標準的轉譯方式，以及其它未知胺基酸在生物中的應用。

## 遺傳密碼的起源

除了少數的不同之外，地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近；這顯示遺傳密碼應在生命演化的歷史中很早期就出現，並且證明了所有生物都源自共同祖先。

現有的證據表明遺傳密碼的設定並非是隨機的結果，對此有以下的可能解釋1:

- 最近一項研究顯示，一些胺基酸與它們相對應的密碼子有選擇性的化學結合力2，這顯示現在複雜的蛋白質製造過程可能並非一早存在，最初的蛋白質可能是直接在核酸上形成。
- 原始的遺傳密碼可能比今天簡單得多，隨著生命演化製造出新的胺基酸再被利用而令遺傳密碼變得複雜。雖然不少證據證明這觀點3，但詳細的演化過程仍在探索之中4,5。
- 經過自然選擇，現時的遺傳密碼減低了突變造成的不良影響。

## 搖擺特性

1966年，弗朗西斯·克里克提出了擺動假說（英文：wobble hypothesis）。即一組密碼子可對應多個反密碼子。因為第三對鹼基對有時不遵守配對原則，稱為搖擺鹼基對。

搖擺特性的鹼基配對如下：

密碼子第三對鹼基｜反密碼子第一對鹼基

G｜C

U｜A

A、G｜U

C、U｜G

擺動假說現已被多方實驗證明。

## 參考資料

- 1 Knight, R.D.; Freeland S. J. and Landweber, L.F. (1999) The 3 Faces of the Genetic Code. Trends in the Biochemical Sciences 24(6), 241-247.
- 2 Knight, R.D. and Landweber, L.F. (1998). Rhyme or reason: RNA-arginine interactions and the genetic code. Chemistry & Biology 5(9), R215-R220. PDF version of manuscript
- 3 Brooks, Dawn J.; Fresco, Jacques R.; Lesk, Arthur M.; and Singh, Mona. (2002). Evolution of Amino Acid Frequencies in Proteins Over Deep Time: Inferred Order of Introduction of Amino Acids into the Genetic Code. Molecular Biology and Evolution 19, 1645-1655.
- 4 Amirnovin R. (1997) An analysis of the metabolic theory of the origin of the genetic code. Journal of Molecular Evolution 44(5), 473-6.
- 5 Ronneberg T.A.; Landweber L.F. and Freeland S.J. (2000) Testing a biosynthetic theory of the genetic code: Fact or artifact? Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 97(25), 13690-13695.
- 6 Freeland S.J.; Wu T. and Keulmann N. (2003) The Case for an Error Minimizing Genetic Code. Orig Life Evol Biosph. 33(4-5), 457-77.

### 其它參考資料

網路上有很多有關本題目的資料，由美國國家衛生院提供 NCBI Bookshelf。

- Griffiths, Anthony J.F.; Miller, Jeffrey H.; Suzuki, David T.; Lewontin, Richard C.; Gelbart, William M. (1999). Introduction to Genetic Analysis (7th ed.). New York: W. H. Freeman & Co. ISBN 0-7167-3771-X
- Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. (2002). Molecular Biology of the Cell (4th ed.). New York: Garland Publishing. ISBN 0-8153-3218-1
- Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. (1999). Molecular Cell Biology (4th ed.). New York: W. H. Freeman & Co. ISBN 0-7167-3706-X
- 有關遺傳密碼演化的wiki
- NCBI網頁，有關遺傳密碼的詳細的說明