Genetischer Code
Als genetischer Code wird die Weise bezeichnet, mit der eine in der Abfolge von Basenpaaren des DNA-Doppelstrangs niedergelegte Erbinformation, nachdem sie in die Nukleotidsequenz eines RNA-Einzelstrangs umgeschrieben wurde, sodann in die Aminosäurensequenz der Polypeptidkette eines Proteins übersetzt werden kann.
Dieser genetische Code ist bei allen bekannten Arten von Lebewesen in den Grundzügen gleich. Er ordnet einem Triplett von drei aufeinanderfolgenden Nukleobasen der Nukleinsäuren – dem sogenannten Codon – jeweils eine bestimmte proteinogene Aminosäure zu. Die Übersetzung, Translation genannt, findet an den Ribosomen im Zytosol einer Zelle statt. Sie bilden nach Vorgabe der Sequenz von Nukleotiden einer mRNA die Sequenz von Aminosäuren eines Peptids, indem jedem Codon über das Anticodon einer Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA) eine bestimmte Aminosäure zugewiesen und diese mit der vorherigen verbunden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmte vorgegebene Information in die Form einer Peptidkette überführt, die sich dann zur besonderen Form eines Proteins faltet.
Je komplexer Lebewesen jedoch sind, desto höher scheint der Anteil genetischer Information zu sein, der nicht in Proteine übersetzt wird. Ein beträchtlicher Teil an nicht-kodierender DNA wird zwar in RNAs transkribiert, doch nicht translatiert. Diese nicht-kodierenden RNA-Spezies des Transkriptoms dienen einer vielfältigen Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse – so der Transkription selbst, wie auch der möglichen Translation, außerdem einer eventuellen DNA-Reparatur, und darüber hinaus besonderen epigenetischen Markierungen von DNA-Abschnitten sowie u.a. verschiedenen Funktionen des Immunsystems.
Die Transfer-Ribonukleinsäuren, tRNAs, enthalten an prominenter Stelle einer Schleife des kleeblattähnlichen Moleküls ein kennzeichnendes Nukleotid-Triplett, das sie voneinander unterscheidet. Es besteht jeweils aus drei Nukleotiden, die den Nukleotiden eines bestimmten Codons entsprechen, indem sie komplementär zu diesen sind und so ein dreigliedriges Anticodon bilden. Codon und Anticodon passen basenpaarend zueinander und ihnen ist die gleiche spezifische Aminosäure zugeordnet. Eine tRNA wird jeweils mit derjenigen Aminosäure beladen, für die das zu ihrem Anticodon passende Codon steht. Auf diese Weise, durch die spezifische Bindung einer Aminosäure an eine tRNA mit einem bestimmten Anticodon, wird also das Zeichen für eine bestimmte Aminosäure, das Codon, in die genetisch codierte Aminosäure übersetzt.
Streng genommen ist der genetische Code also schon in der Struktur der verschiedenen tRNA-Arten enthalten: Denn ein jedes tRNA-Molekül enthält eine derart strukturierte Aminosäure-Bindungsstelle, dass daran nur jene Aminosäure gebunden wird, die seinem Anticodon nach dem genetischen Code entspricht. Nach Bindung an ihre tRNA steht eine Aminosäure für die Biosynthese von Proteinen am Ribosom zur Verfügung, sodass sie als nächstes Glied der Polypeptidkette angefügt werden kann – falls das Anticodon der tRNA zu einem Codon in der vorgegebenen Nukleotidsequenz der mRNA passt.
Als Voraussetzung für diese Proteinsynthese muss der DNA-Abschnitt eines Gens zunächst in eine Ribonukleinsäure (RNA) umgeschrieben werden (Transkription). Dabei können in eukaryoten Zellen bestimmte Teile dieser hnRNA gezielt entfernt (Spleißen) oder danach verändert werden (RNA-Editing); anschließend wird diese vorläufige prä-mRNA weiter prozessiert zur definitiven mRNA, die schließlich aus dem Zellkern exportiert wird. Denn erst an den Ribosomen, die frei im Zytosol vorliegen können oder gebunden sind an das endoplasmatische Reticulum, werden anhand der mRNA-Vorlage dann die Aminosäuren der zu den Codons passenden tRNAs miteinander zu einem Polypeptid verknüpft.
Dieser Vorgang, mit dem die Information eines Gens in der Form eines Proteins ausgedrückt wird (Genexpression), ergibt sich somit aus einer Folge von Schritten. Hierbei werden die Hauptprozesse unterschieden als (1) Transkription – ein Abschnitt der DNA des Genoms wird durch RNA-Polymerase in RNA umgeschrieben – und (2) posttranskriptionale Modifikation – eine RNA des Transkriptoms wird verändert – sowie (3) Translation – eine mRNA wird am Ribosom in ein Polypeptid übersetzt. Daran kann sich (4) noch eine posttranslationale Modifikation anschließen – ein Polypeptid des Proteoms wird verändert. Die Prozesse bis zur Synthese eines Proteins werden auch als Translation zusammengefasst, da erst bei der Proteinsynthese die Umsetzung der Triplett-Abfolgen einer DNA in eine Aminosäure-Abfolge deutlich wird.
Die eigentliche Anwendung des genetischen Codes, nämlich die Übersetzung einer Nukleotidsequenz in eine Aminosäure anhand des Codons beziehungsweise des Anticodons, findet schon bei der Bindung einer Aminosäure an ihre tRNA durch die jeweilige Aminoacyl-tRNA-Synthetase statt, also bei der Vorbereitung der Aminosäuren für ihren möglichen Zusammenbau in einem Protein. Einige wenige Basentripletts codieren nicht für eine Aminosäure. Insofern sie in diesem Sinn keine Bedeutung tragen, werden sie auch Nonsens-Codons genannt; diese führen bei der Translation zu einem Stop, der die Proteinsynthese beendet, und heißen daher auch Stopcodons.
Alle Lebewesen benutzen in Grundzügen denselben genetischen Code. Die grundlegend am häufigsten gebrauchte Version ist in den folgenden Tabellen angegeben. Diese zeigen, welche Aminosäuren von einem der 43 = 64 möglichen Codons gemeinhin codiert werden, bzw. welches Codon in eine der 20 kanonischen Aminosäuren translatiert wird. So steht zum Beispiel das Codon GAU für die Aminosäure Asp (Asparaginsäure), und Cys (Cystein) wird von den Codons UGU und UGC codiert. Die in der Tabelle angegebenen Basen sind Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil der Nukleotide der mRNA; in den Nukleotiden der DNA tritt dagegen Thymin anstelle von Uracil auf.
Geschichte der Entdeckung
In der ersten Hälfte der sechziger Jahre des 20. Jahrhunderts herrschte unter Biochemikern eine gewisse Konkurrenz um das Verständnis des genetischen Codes. Am 27. Mai 1961 um 3 Uhr morgens gelang dem deutschen Biochemiker Heinrich Matthaei im Labor von Marshall Nirenberg mit dem Poly-U-Experiment der entscheidende Durchbruch: die Entschlüsselung des Codons UUU für die Aminosäure Phenylalanin. Dieses Experiment wird von einigen Genetikern als das bedeutendste des 20. Jahrhunderts bezeichnet. 1966, fünf Jahre nach der Entzifferung des ersten Codons, war die vollständige Entschlüsselung des genetischen Codes mit allen 64 Basentripletts gelungen.
Codon
Als Codon bezeichnet man das Variationsmuster einer Sequenz von drei Nukleobasen der mRNA, eines Basentripletts, das im genetischen Code für eine Aminosäure codieren kann. Insgesamt existieren 43 = 64 mögliche Codons, davon codieren 61 für die insgesamt 20 kanonischen, proteinogenen Aminosäuren; die restlichen drei sind sogenannte Nonsens-Codons, und stellen Stopcodons zur Termination der Translation dar. Für viele Aminosäuren gibt es also mehrere verschiedene Codierungen. Doch ist eine Codierung als Triplett notwendig, da bei einer Duplett-Codierung nur 42 = 16 mögliche Codons entstehen würden, womit nicht genügend Möglichkeiten gegeben wären, um alle 20 kanonischen Aminosäuren abzudecken.
| 2. Base | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Base | U |
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| C |
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| |||||||||||||||||||||||||||||||||
| A |
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| G |
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| * Das Triplett AUG dient sowohl als Codon für Methionin wie auch als Startsignal der Translation, es wird daher auch als Startcodon bezeichnet. Eines der ersten AUG-Tripletts auf der mRNA wird das erste Codon, das zu Protein translatiert wird. Welches AUG genau als AUG verwendet werden soll, erkennen die Proteine des Ribosoms an Signalen in der umliegenden Sequenz. |
| hydrophob (unpolar) |
| hydrophil neutral (polar) |
| hydrophil und positiv geladen (basisch) |
| hydrophil und negativ geladen (sauer) |
| Az | AS | AS | Codon |
|---|---|---|---|
| 1 | Start | > | AUG |
| 1 | Met | M | AUG |
| 1 | Trp | W | UGG |
| 1 | Sec | U | (UGA) |
| 1 | Pyl | O | (UAG) |
| 2 | Tyr | Y | UAU UAC |
| 2 | Phe | F | UUU UUC |
| 2 | Cys | C | UGU UGC |
| 2 | Asn | N | AAU AAC |
| 2 | Asp | D | GAU GAC |
| 2 | Gln | Q | CAA CAG |
| 2 | Glu | E | GAA GAG |
| 2 | His | H | CAU CAC |
| 2 | Lys | K | AAA AAG |
| 3 | Ile | I | AUU AUC AUA |
| 4 | Gly | G | GGU GGC GGA GGG |
| 4 | Ala | A | GCU GCC GCA GCG |
| 4 | Val | V | GUU GUC GUA GUG |
| 4 | Thr | T | ACU ACC ACA ACG |
| 4 | Pro | P | CCU CCC CCA CCG |
| 6 | Leu | L | CUU CUC CUA CUG UUA UUG |
| 6 | Ser | S | UCU UCC UCA UCG AGU AGC |
| 6 | Arg | R | CGU CGC CGA CGG AGA AGG |
| 3 | Stop | < | UAA UAG UGA |
Die Translation beginnt mit einem Start-Codon, aber dies alleine ist nicht ausreichend, um den Prozess zu beginnen. Daneben sind bestimmte Initiationssequenzen nahe dem Start-Codon nötig, um die Transkription in mRNA und deren Bindung am Ribosom herbeizuführen. Das wichtigste Start-Codon ist AUG, das auch für Methionin codiert. CUG und UUG – sowie GUG und AUU in prokaryoten Zellen – funktionieren ebenfalls, allerdings mit wesentlich geringerer Effizienz. Die erste Aminosäure ist jeweils – bei Prokaryoten N-fomyliertes – Methionin.
Die Translation endet mit einem der drei Stop-Codons, auch Terminations-Codons genannt. Anfangs wurden diesen Codons auch Namen gegeben – UAG ist amber (bernsteinfarben), UGA ist opal (opalfarben), und UAA ist ochre (ockerfarben) (ein Wortspiel auf den Nachnamen ihres Entdeckers Harris Bernstein).
Während das Codon UGA zumeist als Stop gelesen wird, kann es selten und nur unter bestimmten Bedingungen für eine 21. (proteinogene) Aminosäure stehen: Selenocystein (Sec). Die Biosynthese und der Einbaumechanismus von Selenocystein in Proteine unterscheiden sich stark von dem aller anderen Aminosäuren: seine Insertion erfordert einen neuartigen Translationsschritt, bei dem ein UGA im Rahmen einer bestimmten Sequenzumgebung und zusammen mit bestimmten Cofaktoren anders interpretiert wird. Hierfür ist außerdem eine für Selenocystein bestimmte, strukturell einzigartige tRNA (tRNASec) erforderlich, die bei Vertebraten auch mit zwei chemisch verwandten Aminosäuren beladen werden kann: neben Selenocystein auch Serin oder Phosphoserin.
Einige Archaeen und Bakterien können daneben ein kanonisches Stopcodon UAG auch translatieren in eine weitere (22.) proteinogene Aminosäure: Pyrrolysin (Pyl). Sie verfügen über eine spezielle tRNAPyl sowie ein spezifisches Enzym, diese zu beladen (Pyrrolysyl-tRNA-Synthetase).
Manche kurze DNA-Sequenzen kommen im Genom einer Art nur selten oder gar nicht vor (Nullomere). Bei Bakterien erweisen sich manche dieser als toxisch; auch das Codon AGA, welches die Aminosäure Arginin codiert, wird in Bakterien vermieden (stattdessen wird CGA verwendet).[1] Es gibt durchaus artspezifische Unterschiede in der Codonverwendung.[2]
Degeneration und Fehlertoleranz
Wird während der Translation ein Codon falsch decodiert (eine falsche Aminosäure verwendet), so stimmt die Struktur des hergestellten Protein nicht mehr, und es funktioniert nicht mehr wie vorgesehen. Offenbar war es daher sehr früh in der Evolutionsgeschichte hilfreich, dass der genetische Code eine gewisse Fehlertoleranz aufweist: Er ist ein so genannter degenerierter Code, das heißt, dass eine semantische Einheit durch mehrere unterschiedliche syntaktische Symbole codiert wird. Bei drei Nukleotiden pro Codon mit je vier möglichen Basen entstehen 64 mögliche Kombinationen. Abzüglich der drei Stopcodons stehen 61 unterschiedliche Codons zu Verfügung, es müssen aber nur 20 bzw. 21 translational eingebaute Aminosäuren codiert werden. Wie in der Tabelle oben ersichtlich, werden also für manche Aminosäuren mehrere Codes verwendet.[3] Diese unterscheiden sich dann in der Regel in nur einer der drei Basen (und haben damit einen minimalen Abstand im Coderaum, siehe Hammingdistanz bzw. Levenshtein-Distanz). Meist unterscheiden sich die betroffenen Codons zudem in der dritten Base eines Codons, der „wackelnden“, die bei der Translation am häufigsten falsch gelesen wird (siehe auch „wobble“-Hypothese).[4] Die Degeneriertheit mancher Codons sorgt für eine begrenzte Unempfindlichkeit gegenüber Punktmutationen, sowohl bei synonymen Mutationen (die zu der gleichen codierten Aminosäure führen) als auch bei nichtsynonymen Mutationen, die zu Aminosäuren mit ähnlichen Eigenschaften führen.[5]
Darüber hinaus haben Aminosäuren, die häufiger in Proteinen vorkommen als andere, mehr Codons, die sie codieren.
Bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Charakter einer Aminosäure weitgehend durch die mittlere Position eines Tripletts bestimmt wird:
- U (RNA) / T (DNA) – hydrophob
- C – polar bis neutral
- A – geladen
- G – geladen, neutral bis polar
Daraus folgt, dass Radikalsubstitutionen (Tausch gegen Aminosäuren eines anderen Charakters) in erster Linie Folge von Mutationen in dieser zweiten Position sind. Mutationen in der ersten, besonders aber in der dritten Position („wobble“) erhalten dagegen häufig die Aminosäure oder zumindest ihren Charakter „konservative Substitution“. Berücksichtigt man ferner, dass Transitionen (Umwandlung von Purinen bzw. Pyrimidinen ineinander) aus mechanistischen Gründen häufiger auftreten als Transversionen (Umwandlung eines Purins in ein Pyrimidin und umgekehrt; dieser Prozess setzt zumeist eine Depurinierung voraus), so ergibt sich eine weitere Erklärung für den konservativen Charakter des Codes.
Ursprung des genetischen Codes
Die Verwendung des Wortes „Code“ geht auf Erwin Schrödinger zurück, der die Begriffe „hereditary code-script“, „chromosome code“ und „miniature code“ in einer Vortragsreihe 1943 verwendet hatte, die er 1944 zusammenfasste und als Grundlage für sein Buch „Was ist Leben?“ aus dem Jahr 1944 verwendete.[6] Der genaue Sitz oder Träger dieses Codes war zu diesem Zeitpunkt noch unklar.
Früher glaubte man, der genetische Code sei zufällig entstanden. Noch 1968 bezeichnete Francis Crick ihn als „eingefrorenen Zufall“.[7][8] Untersuchungen aus dem Jahr 2004 deuten jedoch darauf hin, dass er das Resultat einer strengen Optimierung hinsichtlich der Fehlertoleranz darstellt.[9] Fehler sind besonders gravierend für die räumliche Struktur eines Proteins, wenn sich die Hydrophobie einer fälschlich eingebauten Aminosäure deutlich vom Original unterscheidet. Im Rahmen einer statistischen Analyse erweisen sich in dieser Hinsicht unter einer Million Zufallscodes nur 100 besser als der tatsächliche. Berücksichtigt man bei der Berechnung der Fehlertoleranz zusätzliche Faktoren, die typischen Mustern von Mutationen und Lesefehlern entsprechen, so reduziert sich diese Zahl sogar auf 1 von 1 Million.[10]
Universalität des Codes
Grundprinzip
Bemerkenswert ist, dass der genetische Code im Prinzip bis auf wenige Ausnahmen für alle Lebewesen gleich ist, alle Lebewesen sich also der gleichen „genetischen Sprache“ bedienen. Da ein bestimmtes Codon immer für dieselbe Aminosäure steht, ist es möglich, in der Gentechnik z.B. das Gen für menschliches Insulin in Bakterien einzuschleusen, damit diese dann Insulin produzieren. Dieses Prinzip wird als „Universalität des Codes“ bezeichnet. Dies erklärt sich aus der Evolution so, dass der genetische Code schon sehr früh in der Entwicklungsgeschichte des Lebens ausgestaltet und dann von allen sich entwickelnden Arten weitergegeben wurde. Eine solche Generalisierung schließt nicht aus, dass sich die Häufigkeit verschiedener Codewörter (das sogenannte Codon Usage) zwischen den Organismen unterscheiden kann.
Ausnahmen
Es gibt auch Ausnahmen von der Universalität des genetischen Codes: So wird in den Mitochondrien (den energieumsetzenden Organellen der Zelle), die vermutlich von symbiotischen Bakterien abstammen (Endosymbionten-Theorie), und die eine eigene Erbsubstanz (neben der DNA des Zellkerns) enthalten, eine leicht abgewandelte Form des Codes benutzt.
Auch die Ciliaten zeigen Abweichungen vom Standard-Code: UAG, und häufig auch UAA, codieren für Glutamin; diese Abweichung findet sich auch in einigen Grünalgen. UGA steht auch manchmal für Cystein. Eine weitere Variante findet sich in der Hefe Candida, wo CUG Serin codiert.
Des Weiteren gibt es einige Varianten von Aminosäuren, die von Bakterien (Bacteria) und Archaeen (Archaea) verwendet werden; das Stop-Codon UGA kann, wie oben beschrieben, Selenocystein und UAG Pyrrolysin codieren. Es ist nicht auszuschließen, dass weitere Codierungsvarianten existieren, die bislang noch nicht entdeckt wurden.
Bisher sind über ein Dutzend Abweichungen vom Standard-Code bekannt, insbesondere in Mitochondrien ist einem Codon (Basentriplett der mRNA) öfters nicht die übliche Aminosäure zugeordnet:
| Vorkommen | Codon | Standard | Abweichung |
|---|---|---|---|
| Mitochondrien (bei allen bis jetzt untersuchten Organismen) | UGA | Stop | Tryptophan |
| Mitochondrien von Säugern, Drosophila und S. cerevisiae und Protozoen | AUA | Ile | Methionin = Start |
| Mitochondrien von Säugern | AGC, AGU | Serin | Stop |
| Mitochondrien von Säugern | AG(A, G) | Arginin | Stop |
| Mitochondrien von Drosophila | AGA | Arginin | Stop |
| Mitochondrien z. B. bei Saccharomyces cerevisiae | CU(U, C, A, G) | Leucin | Threonin |
| Mitochondrien Höherer Pflanzen | CGG | Arginin | Tryptophan |
| Einige Arten der Pilzgattung Candida | CUG | Leucin | Serin |
| Eukarya (selten) | CUG | Leucin | Start |
| Eukarya (selten) | ACG | Threonin | Start |
| Eukarya (selten) | GUG | Valin | Start |
| Bacteria | GUG | Valin | Start |
| Bacteria (selten) | UUG | Leucin | Start |
| Bacteria (SR1 Bacteria) | UGA | Stop | Glycin[11] |
Einzelnachweise
- ↑ L. R. Cruz-Vera, M. A. Magos-Castro, E. Zamora-Romo, G. Guarneros: Ribosome stalling and peptidyl-tRNA drop-off during translational delay at AGA codons. In: Nucleic acids research. Band 32, Nummer 15, 2004, S. 4462–4468, ISSN 1362-4962. doi:10.1093/nar/gkh784. PMID 15317870. PMC 516057 (freier Volltext).
- ↑ M. dos Reis, R. Savva, L. Wernisch: Solving the riddle of codon usage preferences: a test for translational selection. In: Nucleic acids research. Band 32, Nummer 17, 2004, S. 5036–5044, ISSN 1362-4962. doi:10.1093/nar/gkh834. PMID 15448185. PMC 521650 (freier Volltext).
- ↑ U. Lagerkvist: "Two out of three": an alternative method for codon reading. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 75, Nummer 4, April 1978, S. 1759–1762, ISSN 0027-8424. PMID 273907. PMC 392419 (freier Volltext).
- ↑ J. Lehmann, A. Libchaber: Degeneracy of the genetic code and stability of the base pair at the second position of the anticodon. In: RNA (New York, N.Y.). Band 14, Nummer 7, Juli 2008, S. 1264–1269, ISSN 1469-9001. doi:10.1261/rna.1029808. PMID 18495942. PMC 2441979 (freier Volltext).
- ↑ Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Oosick R.: Molecular Biology of the Gene. Pearson/Benjamin Cummings, San Francisco 2008, ISBN 0-8053-9592-X, S. 521 ff.
- ↑ Erwin Schrödinger: What is life? The Physical Aspect of the Living Cell. 1944 (PDF – Based on lectures delivered under the auspices of the Dublin Institute for Advanced Studies at Trinity College, Dublin, in February 1943).
- ↑ Francis Crick: The Origin of the Genetic Code (= Journal of Molecular Biology. Band 38). Elsevier, 1968, ISSN 0022-2836, S. 367–79.
- ↑ Stefan Klein: Alles Zufall: Die Kraft, die unser Leben bestimmt. 2015, ISBN 978-3-499-61596-2 (Google Books).
- ↑ Guenther Witzany: Crucial steps to life: From chemical reactions to code using agents. In: Biosystems. Band 140, 1. Februar 2016, S. 49–57, doi:10.1016/j.biosystems.2015.12.007.
- ↑ Stephen J. Freeland, Laurence D. Hurst: Der raffinierte Code des Lebens. Spektrum der Wissenschaft, Juli 2004, S. 86–93.
- ↑ J. H. Campbell, P. O'Donoghue u. a.: UGA is an additional glycine codon in uncultured SR1 bacteria from the human microbiota. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 110, Nummer 14, April 2013, ISSN 1091-6490, S. 5540–5545. doi:10.1073/pnas.1303090110. PMID 23509275. PMC 3619370 (freier Volltext).
Literatur
- Lily E. Kay: Who wrote the book of life? A history of the genetic code. Stanford University Press, Stanford, Calif. 2000, dt. Das Buch des Lebens. Wer schrieb den genetischen Code? Suhrkamp, Frankfurt am Main 2005, ISBN 3-518-29346-X.
- Rüdiger Vaas: Der genetische Code. Evolution und selbstorganisierte Optimierung, Abweichungen und gezielte Veränderung. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1994, ISBN 3-8047-1383-1.
- Lei Wang, Peter G. Schultz: Die Erweiterung des genetischen Codes. In: Angewandte Chemie. Band 117, Nr. 1, 2005, S. 34–68, doi:10.1002/ange.200460627.
- Guenther Witzany: Natural Genome Editing Competences of Viruses. In: Acta Biotheoretica. Band 54, S. 235–253, doi:10.1007/s10441-006-9000-7.