Genetický kód

Genetický kód představuje soubor pravidel, podle kterých se genetická informace uložená v DNA (respektive RNA) převádí na primární strukturu bílkovin – tj. pořadí aminokyselin v řetězci. Genetický kód je univerzální – stejný u většiny živých organismů, pouze u několika málo skupin a mitochondrií se vyskytují drobné odchylky. Podoba genetického kódu společná většině živých organismů se nazývá standardní genetický kód.

Genová exprese

Genetická informace nesená organismem (jeho genom) je zapsaná v molekule DNA (s výjimkou některých nebuněčných organismů, u nichž tuto úlohu plní RNA). Každá funkční část (jednotka) DNA se nazývá gen. Každý gen se v procesu transkripce přepíše do odpovídající kratší molekuly mRNA, která slouží jako přenašeč informace od DNA k ribozómům – buněčným strukturám, na kterých probíhá translace (tvorba primární struktury bílkovin podle záznamu v mRNA). Pořadí aminokyselin se zde stanovuje tak, že ke každému kodonu (tripletu) se připojí tRNA s odpovídajícím antikodonem nesoucí aminokyselinu.

K jednotlivým kodonům tedy náleží odpovídající tRNA se specifickým antikodonem a specifickou aminokyselinou. Máme tedy 64 (4³) možných variací, 64 odlišných kodonů. V následujících tabulkách je zaznamenán standardní genetický kód. Je z něj patrné, že genetický kód je degenerovaný – jedna aminokyselina může odpovídat většímu množství odlišných kodonů. Z tohoto důvodu také nelze podle vyrobené bílkoviny zrekonstruovat podobu genu, podle kterého byl vytvořen (viz Centrální dogma molekulární biologie).

Kodon

Kodon neboli triplet je označení tří za sebou jdoucích bází v mRNA. Určuje druh aminokyseliny. Ke každému kodonu existuje komplementární antikodon, což jsou vlastně tři za sebou jdoucí báze tRNA komplementární ke kodonu. Jednotlivá tRNA je specifická pro určitou aminokyselinu. Každá aminokyselina může být kódována více kodony, jeden kodon ale představuje pouze jednu aminokyselinu.^[1]

Výjimečné postavení mají:

Iniciační kodon – podle něj se pozná začátek genové sekvence nukleotidů v mRNA, začíná u něj translace, většinou AUG, výjimečně u prokaryot GUG, UUG, CUG
Stop kodon – končí u něj proteosyntéza, UAA, UAG, UGA

Tabulka 1: RNA kodon → aminokyselina

Tato tabulka ukazuje všech 64 možných kodonů a aminokyseliny, které kódují.
		U	C	A	G
		druhá báze
první báze	U	UUU (Phe/F) Fenylalanin UUC (Phe/F) Fenylalanin UUA (Leu/L) Leucin UUG (Leu/L) Leucin (Start)²	UCU (Ser/S) Serin UCC (Ser/S) Serin UCA (Ser/S) Serin UCG (Ser/S) Serin	UAU (Tyr/Y) Tyrosin UAC (Tyr/Y) Tyrosin UAA Ochre (Stop)³ UAG Amber (Stop)^3,4	UGU (Cys/C) Cystein UGC (Cys/C) Cystein UGA Opal (Stop)^3,5 UGG (Trp/W) Tryptofan
	C	CUU (Leu/L) Leucin CUC (Leu/L) Leucin CUA (Leu/L) Leucin CUG (Leu/L) Leucin⁷ (Start)²	CCU (Pro/P) Prolin CCC (Pro/P) Prolin CCA (Pro/P) Prolin CCG (Pro/P) Prolin	CAU (His/H) Histidin CAC (His/H) Histidin CAA (Gln/Q) Glutamin CAG (Gln/Q) Glutamin	CGU (Arg/R) Arginin CGC (Arg/R) Arginin CGA (Arg/R) Arginin CGG (Arg/R) Arginin
	A	AUU (Ile/I) Isoleucin (Start)² AUC (Ile/I) Isoleucin AUA (Ile/I) Isoleucin⁶ AUG (Met/M) Methionin, resp. (fMet) N-formylmethionin, Start¹	ACU (Thr/T) Threonin ACC (Thr/T) Threonin ACA (Thr/T) Threonin ACG (Thr/T) Threonin	AAU (Asn/N) Asparagin AAC (Asn/N) Asparagin AAA (Lys/K) Lysin AAG (Lys/K) Lysin	AGU (Ser/S) Serin AGC (Ser/S) Serin AGA (Arg/R) Arginin AGG (Arg/R) Arginin
	G	GUU (Val/V) Valin GUC (Val/V) Valin GUA (Val/V) Valin GUG (Val/V) Valin (Start)²	GCU (Ala/A) Alanin GCC (Ala/A) Alanin GCA (Ala/A) Alanin GCG (Ala/A) Alanin	GAU (Asp/D) Kyselina asparagová GAC (Asp/D) Kyselina asparagová GAA (Glu/E) Kyselina glutamová GAG (Glu/E) Kyselina glutamová	GGU (Gly/G) Glycin GGC (Gly/G) Glycin GGA (Gly/G) Glycin GGG (Gly/G) Glycin

¹Kodon AUG slouží jako iniciační místo: první AUG v mRNA je místo, kde translace začíná; u eukaryot a archeí kóduje methionin, u bakterií (a z nich vzniklých organel - plastidů a mitochondrií) kóduje jako startovní kodon N-formylmethionin, dále v proteinovém řetězci pak standardní methionin
²Toto je startovní kodon pouze u některých prokaryot a v takovém případě pak kóduje methionin^[2]
³U některých zelených řas, nálevníků, afelidií a diplomonád se vyvinul nekanonický kód, při kterém UAG a UAA translaci neukončují a namísto toho kódují glutamin, podobně UGA kóduje u některých nálevníků cystein a u rodu Mycoplasma tryptofan^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]
⁴U některých druhů archeí a baktérií je při biosyntéze enzymů pro metabolismus metanu normální Stop-funkce kodonu UAG modifikována přítomností zvláštní genové sekvence mRNA, umožňující navázat pyrolysinovou tRNA a zabudovat do proteinu pyrolysin (Pyl/O).
⁵Při biosyntéze některých proteinů archeí, baktérií i eukaryot je normální Stop-funkce kodonu UGA díky zvláštní genové sekvenci mRNA ignorována, což umožňuje navázat selenosysteinovou tRNA vzniklou selenizací serinové tRNA a zabudovat do proteinu selenocystein (Sec/U).
⁶V plastidech obrněnek Lepidodinium chlorophorum byla objevena odchylka kódu, při které kodon AUA kóduje methionin (Met/M)^[8]
⁷U rodu Candida byla objevena odchylka kódu, při které kodon CUG kóduje serin (Ser/S)^[9]

Mnoho výjimek, v tabulce nevyznačených, se vyskytuje v genetickém kódu mitochondrií a plastidů.^[10]

Tabulka 2: aminokyselina → kodon(y)

Tato tabulka ukazuje 22 aminokyselin, z nichž sestávají proteiny, a kodony pro každou z nich.
Ala	A	GCU, GCC, GCA, GCG	Lys	K	AAA, AAG
Arg	R	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	Met	M	AUG (AUU, GUG, UUG, CUG)² (AUA)⁵
Asn	N	AAU, AAC	Phe	F	UUU, UUC
Asp	D	GAU, GAC	Pro	P	CCU, CCC, CCA, CCG
Cys	C	UGU, UGC (UGA)¹	Pyl	O	UAG³
Gln	Q	CAA, CAG (UAA, UAG)¹	Sec	U	UGA⁴
Glu	E	GAA, GAG	Ser	S	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC (CUG)⁷
Gly	G	GGU, GGC, GGA, GGG	Thr	T	ACU, ACC, ACA, ACG
His	H	CAU, CAC	Trp	W	UGG (UGA)⁶
Ile	I	AUU², AUC, AUA⁵	Tyr	Y	UAU, UAC
Leu	L	UUA, UUG², CUU, CUC, CUA, CUG^2,7	Val	V	GUU, GUC, GUA, GUG²
Start		AUG (AUU, GUG, UUG, CUG)²	Stop		UAG^1,3, UGA^1,4,6, UAA¹

¹U některých zelených řas, nálevníků, afelidií a diplomonád se vyvinul nekanonický kód, při kterém UAG a UAA translaci neukončují a namísto toho kódují glutamin, podobně u některých nálevníků UGA kóduje cystein^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]
²U některých prokaryot je startovním kodonem také AUU, GUG, UUG či CUG, v takovém případě pak kóduje methionin^[2]
³U některých druhů archeí a baktérií je při biosyntéze enzymů pro metabolismus metanu normální Stop-funkce kodonu UAG modifikována přítomností zvláštní genové sekvence mRNA, umožňující navázat pyrolysinovou tRNA a zabudovat do proteinu pyrolysin (Pyl/O).
⁴Při biosyntéze některých proteinů archeí, baktérií i eukaryot je normální Stop-funkce kodonu UGA díky zvláštní genové sekvenci mRNA ignorována, což umožňuje navázat selenosysteinovou tRNA vzniklou selenizací serinové tRNA a zabudovat do proteinu selenocystein (Sec/U).
⁵V plastidech obrněnek Lepidodinium chlorophorum byla objevena odchylka kódu, při které kodon AUA kóduje methionin (Met/M).^[8]
⁶U rodu Mycoplasma byla objevena odchylka kódu, při které kodon UGA translaci neukončuje a namísto toho kóduje tryptofan (Trp/W)
⁷U rodu Candida byla objevena odchylka kódu, při které kodon CUG kóduje serin (Ser/S)^[9]

Mnoho výjimek, v tabulce nevyznačených, se vyskytuje v genetickém kódu mitochondrií a plastidů.^[10]

Marshall W. Nirenberg a jeho laboratoř (National Institutes of Health) první provedla pokusy, které ukázaly na závislost mezi kodony a aminokyselinami, které kódují. Har Gobind Khorana rozšířil Nirenbergovu práci a nalezl kódy pro aminokyseliny, které Nirenbergova metoda nalézt nemohla. Za svůj výzkum oba obdrželi Nobelovu cenu (1968).

Technické detaily

Stopkodony

Stopkodony, resp. terminační kodony jsou kodony ukončující translaci. Jsou tři: UAG, UGA a UAA a v anglické lit. jim přísluší následující nesystematická jména: UAG – amber (jantar), UGA – opal (opál), UAA – ochre (okr). Kodon amber pojmenovali jeho objevitelé Richard Epstein a Charles Steinberg po svém příteli Harrisi Bernsteinovi, jehož příjmení znamená v němčině „jantar“. Zbývající dva kodóny byly pojmenovány vtipně opal a ochre pro zachování „barevného pojmenování“.

U některých zelených řas, nálevníků, afelidií a diplomonád se vyvinul nekanonický kód, při kterém UAG a UAA translaci neukončují a namísto toho kódují glutamin, podobně UGA kóduje u některých nálevníků cystein a u rodu Mycoplasma tryptofan.^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]

U některých druhů archeí a baktérií je při biosyntéze enzymů pro metabolismus metanu normální Stop-funkce kodonu UAG modifikována přítomností zvláštní genové sekvence mRNA, umožňující navázat pyrolysinovou tRNA a zabudovat do proteinu pyrolysin. Při biosyntéze některých proteinů archeí, baktérií i eukaryot umožňuje podobný mechanismus ignorovat při translaci normální Stop-funkci kodonu UGA, navázat selenosysteinovou tRNA, vzniklou selenizací serinové tRNA, a zabudovat do proteinu selenocystein.

Startkodony

Startkodony, resp. iniciační kodony jsou místem, kde dochází k zahájení translace. Na rozdíl od stopkodonů ale přítomnost startkodónu sama o sobě nestačí, je ještě zapotřebí, aby se poblíž nacházela sekvence umožňující napojení mRNA na ribozóm.

Degenerovaný genetický kód

Genetický kód je degenerovaný, resp. redundantní, což znamená, že dva či více kodonů může kódovat jednu a tutéž aminokyselinu. Degenerované kodony se obvykle liší ve své třetí pozici, viz kodony GAA a GAG, které oba kódují glutamin. Tato degenerace genetického kódu umožňuje existenci tzv. tichých mutací.

Degenerovanost genetického kódu a z ní plynoucí existence tichých mutací značně zvyšuje toleranci substitučních mutací v degenerovaných kodonech. Např. kodony kódující alanin (GCG, GCA, GCU, GCC) mohou po libosti mutovat na své třetí pozici, aniž by došlo k záměně aminokyseliny, kterou kódují. Naproti tomu aminokyselina histidin je kódována pouze dvěma kodony, takže bez změny aminokyseliny je pouze jedna z možných tří mutací na třetí pozici.

Reference

↑ genetika.wz.cz. genetika.wz.cz [online]. [cit. 2008-01-10]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2007-09-27.
↑ ^a ^b BLATTNER, F. R.; PLUNKETT, G.; BLOCH, C. A., et al. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science. 1997, roč. 277, čís. 5331, s. 1453–62. Dostupné online. ISSN 0036-8075. (anglicky)
↑ ^a ^b ^c COCQUYT, Ellen; GILE, Gillian H.; LELIAERT, Frederik, Heroen Verbruggen, Patrick J. Keeling, Olivier De Clerck. Complex phylogenetic distribution of a non-canonical genetic code in green algae. S. 1–24. BMC Evolutionary Biology [online]. 26. říjen 2010 [cit. 2010-10-29]. Svazek 10, čís. 327, s. 1–24. Dostupné online. PDF [1]. ISSN 1471-2148. DOI 10.1186/1471-2148-10-327. (anglicky)
↑ ^a ^b ^c HOFFMAN, David C.; ANDERSON, Richard C.; DUBOIS, Michelle L., Prescott David M. Macronuclear gene-sized molecules of hypotrichs. Nucleic Acids Research. 25. duben 1995, svazek 23, čís. 8, s. 1279–1283. Dostupné online [pdf]. PMID 7753617. (anglicky)
↑ ^a ^b ^c SCHNEIDER, Sigrid U.; LEIBLE, Michael B.; Xiao-Ping Yang. Strong homology between the small subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase of two species of Acetabularia and the occurrence of unusual codon usage. Molecular and General Genetics. Únor 2001, svazek 218, čís. 3, s. 445–452. Abstrakt. Dostupné online. DOI 10.1007/BF00332408. PMID 2573818. (anglicky) ^{[nedostupný zdroj]}
↑ ^a ^b ^c KEELING, Patrick J.; DOOLITTLE, W. Ford. A non-canonical genetic code in an early diverging eukaryotic lineage. The European Molecular Biology Organization Journal. 1. květen 1996, svazek 15, čís. 9, s. 2285–2290. Dostupné online [pdf]. PMID 8641293. (anglicky)
↑ ^a ^b ^c KARPOV, Sergej A.; MICHAJLOV, Kirill V.; MIRZAEVA, Gulnara S., MIRABDULLAEV, Iskandar M.; MAMKAEVA, Kira A.; TITOVA, Nina N.; ALJOŠIN, Vladimir V. Obligately Phagotrophic Aphelids Turned out to Branch with the Earliest-diverging Fungi. S. 195–205. Protist [online]. 9. říjen 2012. Svazek 164, čís. 2, s. 195–205. Dostupné online. ISSN 1434-4610. DOI 10.1016/j.protis.2012.08.001. PMID 23058793. (anglicky)
↑ ^a ^b MATSUMOTO, Takuya; ISHIKAWA, Sohta A.; HASHIMOTO, Tetsuo, INAGAKI Yuji. A deviant genetic code in the green alga-derived plastid in the dinoflagellate Lepidodinium chlorophorum. S. 68–72. Molecular Phylogenetics and Evolution [online]. 22. duben 2011 [cit. 2011-05-30]. Svazek 60, čís. 1, s. 68–72. Dostupné online. ISSN 1055-7903. DOI 10.1016/j.ympev.2011.04.010. (anglicky)
↑ ^a ^b BUTLER, Geraldine; RASMUSSEN, Matthew D.; LIN, Michael F., Manuel A. S. Santos, Sharadha Sakthikumar, Carol A. Munro, Esther Rheinbay, Manfred Grabherr, Anja Forche, Jennifer L. Reedy, Ino Agrafioti, Martha B. Arnaud, Steven Bates, Alistair J. P. Brown, Sascha Brunke, Maria C. Costanzo, David A. Fitzpatrick, Piet W. J. de Groot, David Harris, Lois L. Hoyer, Bernhard Hube, Frans M. Klis, Chinnappa Kodira, Nicola Lennard, Mary E. Logue, Ronny Martin, Aaron M. Neiman, Elissavet Nikolaou, Michael A. Quail, Janet Quinn, Maria C. Santos, Florian F. Schmitzberger, Gavin Sherlock, Prachi Shah, Kevin A. T. Silverstein, Marek S. Skrzypek, David Soll, Rodney Staggs, Ian Stansfield, Michael P. H. Stumpf, Peter E. Sudbery, Thyagarajan Srikantha, Qiandong Zeng, Judith Berman, Matthew Berriman, Joseph Heitman, Neil A. R. Gow, Michael C. Lorenz, Bruce W. Birren, Manolis Kellis, Christina A. Cuomo. Evolution of pathogenicity and sexual reproduction in eight Candida genomes. Nature. 24. květen 2009, svazek 459, čís. 7247, s. 657–662. Dostupné online [html]. ISSN 0028-0836. DOI 10.1038/nature08064. (anglicky)
↑ ^a ^b ELZANOWSKI Andrzej, OSTELL Jim. The Genetic Codes, 7. červenec 2010. National Center for Biotechnology Information (NCBI), Bethesda, Maryland, USA.

Literatura

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
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.

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu genetický kód na Wikimedia Commons
Online DNA → Amino Acid Converter

[1] tika.wz.cz. genetika.wz.cz [online]. [cit. 2008-01-10]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2007-09-27.

[start_Ecoli-2] BLATTNER, F. R.; PLUNKETT, G.; BLOCH, C. A., et al. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science. 1997, roč. 277, čís. 5331, s. 1453–62. Dostupné online. ISSN 0036-8075. (anglicky)

[Cocquyt-3] COCQUYT, Ellen; GILE, Gillian H.; LELIAERT, Frederik, Heroen Verbruggen, Patrick J. Keeling, Olivier De Clerck. Complex phylogenetic distribution of a non-canonical genetic code in green algae. S. 1–24. BMC Evolutionary Biology [online]. 26. říjen 2010 [cit. 2010-10-29]. Svazek 10, čís. 327, s. 1–24. Dostupné online. PDF [1]. ISSN 1471-2148. DOI 10.1186/1471-2148-10-327. (anglicky)

[Hoffman-4] HOFFMAN, David C.; ANDERSON, Richard C.; DUBOIS, Michelle L., Prescott David M. Macronuclear gene-sized molecules of hypotrichs. Nucleic Acids Research. 25. duben 1995, svazek 23, čís. 8, s. 1279–1283. Dostupné online [pdf]. PMID 7753617. (anglicky)

[Schneider-5] SCHNEIDER, Sigrid U.; LEIBLE, Michael B.; Xiao-Ping Yang. Strong homology between the small subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase of two species of Acetabularia and the occurrence of unusual codon usage. Molecular and General Genetics. Únor 2001, svazek 218, čís. 3, s. 445–452. Abstrakt. Dostupné online. DOI 10.1007/BF00332408. PMID 2573818. (anglicky) ^{[nedostupný zdroj]}

[Keeling-6] KEELING, Patrick J.; DOOLITTLE, W. Ford. A non-canonical genetic code in an early diverging eukaryotic lineage. The European Molecular Biology Organization Journal. 1. květen 1996, svazek 15, čís. 9, s. 2285–2290. Dostupné online [pdf]. PMID 8641293. (anglicky)

[Karpov_2013-7] KARPOV, Sergej A.; MICHAJLOV, Kirill V.; MIRZAEVA, Gulnara S., MIRABDULLAEV, Iskandar M.; MAMKAEVA, Kira A.; TITOVA, Nina N.; ALJOŠIN, Vladimir V. Obligately Phagotrophic Aphelids Turned out to Branch with the Earliest-diverging Fungi. S. 195–205. Protist [online]. 9. říjen 2012. Svazek 164, čís. 2, s. 195–205. Dostupné online. ISSN 1434-4610. DOI 10.1016/j.protis.2012.08.001. PMID 23058793. (anglicky)

[Lepidodinium-8] MATSUMOTO, Takuya; ISHIKAWA, Sohta A.; HASHIMOTO, Tetsuo, INAGAKI Yuji. A deviant genetic code in the green alga-derived plastid in the dinoflagellate Lepidodinium chlorophorum. S. 68–72. Molecular Phylogenetics and Evolution [online]. 22. duben 2011 [cit. 2011-05-30]. Svazek 60, čís. 1, s. 68–72. Dostupné online. ISSN 1055-7903. DOI 10.1016/j.ympev.2011.04.010. (anglicky)

[CUGserin_Candida-9] BUTLER, Geraldine; RASMUSSEN, Matthew D.; LIN, Michael F., Manuel A. S. Santos, Sharadha Sakthikumar, Carol A. Munro, Esther Rheinbay, Manfred Grabherr, Anja Forche, Jennifer L. Reedy, Ino Agrafioti, Martha B. Arnaud, Steven Bates, Alistair J. P. Brown, Sascha Brunke, Maria C. Costanzo, David A. Fitzpatrick, Piet W. J. de Groot, David Harris, Lois L. Hoyer, Bernhard Hube, Frans M. Klis, Chinnappa Kodira, Nicola Lennard, Mary E. Logue, Ronny Martin, Aaron M. Neiman, Elissavet Nikolaou, Michael A. Quail, Janet Quinn, Maria C. Santos, Florian F. Schmitzberger, Gavin Sherlock, Prachi Shah, Kevin A. T. Silverstein, Marek S. Skrzypek, David Soll, Rodney Staggs, Ian Stansfield, Michael P. H. Stumpf, Peter E. Sudbery, Thyagarajan Srikantha, Qiandong Zeng, Judith Berman, Matthew Berriman, Joseph Heitman, Neil A. R. Gow, Michael C. Lorenz, Bruce W. Birren, Manolis Kellis, Christina A. Cuomo. Evolution of pathogenicity and sexual reproduction in eight Candida genomes. Nature. 24. květen 2009, svazek 459, čís. 7247, s. 657–662. Dostupné online [html]. ISSN 0028-0836. DOI 10.1038/nature08064. (anglicky)

[NCBI-10] ELZANOWSKI Andrzej, OSTELL Jim. The Genetic Codes, 7. červenec 2010. National Center for Biotechnology Information (NCBI), Bethesda, Maryland, USA.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]