Il codice genetico è l'insieme delle regole con le quali viene tradotta nelle cellule l'informazione per la sintesi di proteine codificata nei geni.
Descrizione La decodifica biologica viene effettuata da un particolare RNA nel ribosoma, il quale assembla una serie di amminoacidi secondo un ordine specificato dall'mRNA. Ciò avviene utilizzando l'RNA transfer (tRNA), che trasporta gli amminoacidi e che legge l'mRNA tre nucleotidi alla volta, più specificamente la loro tripletta di basi, o codone. 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 nei mitocondri umani si basa su un codice genetico leggermente diverso da quello standard.
Le basi dell'RNA sono quattro: adenina, guanina, citosina ed uracile (nel DNA l'uracile è sostituito dalla timina). Esistono quindi 43 = 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 di triptofano e metionina) pertanto il codice genetico viene definito "degenere". Codoni distinti che codificano il medesimo amminoacido sono detti sinonimi.
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).
Scoperta
Seri sforzi per capire come le proteine venissero codificate sono iniziati in seguito alla scoperta della struttura del DNA, avvenuta nel 1953. George Gamow postulò che gruppi di tre basi dovevano essere impiegati per codificare i 20 amminoacidi standard 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 42 = 16 aminoacidi. Diversamente, un codice con 3 nucleotidi può codificare fino a 43 = 64 aminoacidi.
Nel 1961, l'esperimento di Crick, Brenner, Barnett, Watts-Tobin fu il primo a dimostrare che i codoni consistono in tre basi di DNA; nello stesso anno Marshall Nirenberg e Heinrich Matthaei furono, invece, i primi a chiarire la natura di un codone, presso il National Institutes of Health. Essi utilizzarono un sistema acellulare per tradurre una sequenza di RNA poli-uracile (ovvero: UUUUUU....) e così scoprirono che il polipeptide che avevano sintetizzato consisteva di sola fenilalanina (un amminoacido). Essi quindi dedussero che il codone UUU fosse specifico per quel dato amminoacido. A ciò seguirono esperimenti nel laboratorio di Severo Ochoa che portarono alla dimostrazione che la sequenza RNA poli-adenina (AAAAA...) codificava il polipeptide poli-lisina e che la sequenza RNA pol-citosina (CCCCC...) codificava il polipeptide poli-prolina.
Pertanto il codone AAA specificava la lisina e il codone CCC specificava la prolina. Utilizzando diversi copolimeri, la maggior parte dei rimanenti codoni furono quindi determinati. Il lavoro successivo svolto da Har Gobind Khorana portarono ad identificare il resto del codice genetico. Poco dopo, Robert W. Holley determinò 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 il Premio Nobel per la medicina nel 1959 per il suo lavoro sulla enzimologia della 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 conteneva ribosomi, gli organuli contenuti 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.
Importanti caratteristiche
Quadro di lettura
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.
Codoni di inizio e di stop
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 ai ribosomi. Particolari sequenze, come la sequenza di Shine-Dalgarno nell'Escherichia coli e fattori di iniziazione, sono inoltre necessari per avviare la traduzione. Il codone di inizio più comune è AUG, che codifica anche la metionina o, nei batteri, la formilmetionina. A seconda dell'organismo, codoni alternativi di inizio possono essere GUG o UUG; questi codoni normalmente rappresentano, rispettivamente, la valina e la leucina, 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 tre codoni di stop sono stati assegnati dei nomi: UAG o codone Ambra, UAA o codone Ocra, e UGA o codone Opale. Il codone Ambra è stato chiamato così, dagli scopritori Richard Epstein e Charles Steinberg, in onore di Harris Bernstein che lo ha scoperto ed il cui cognome significa ambra in tedesco. Gli altri due codoni di terminazione sono stati chiamati in modo da rimanere nel tema dei colori (rispettivamente ocra e opale). 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 del polipeptide nascente 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 un fattore di rilascio.
Effetto delle mutazioni
Durante il processo di replicazione del DNA, occasionalmente possono verificarsi degli errori nella polimerizzazione del secondo filamento. Questi errori, chiamati mutazioni, possono avere un impatto sul fenotipo (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" della DNA polimerasi.
Le mutazioni missenso e le mutazioni nonsenso sono esempi di mutazioni puntiformi, che possono causare malattie genetiche come l'anemia falciforme e la talassemia, 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 mutazioni frameshift sono 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 la malattia 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 organismo consentendogli di resistere a particolari stress ambientali meglio degli organismi wild 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 la selezione naturale. I virus che 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 del sistema immunitario umano. Nelle grandi popolazioni composti da organismi a riproduzione asessuata, ad esempio nellEscherichiacoli coli, possono coesistere molteplici mutazioni benefiche. Questo fenomeno è chiamato interferenza clonale e comporta competizioni tra le mutazioni.
Degenerazione
Per degenerazione si intende la ridondanza del 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 la leucina è specificata dai codoni YUR o CUN (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, o CUG), con differenze nella prima o terza posizione, mentre l'amminoacido serina viene specificato dai codoni UCN o 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 alla serina); 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 alla lisina). Nei codoni due volte degeneri, i nucleotidi equivalenti nella terza posizione sono sempre o due purine (A/G) o due pirimidine (C/U).