รหัสพันธุกรรมและการจดจำรหัสพันธุกรรม

รหัสพันธุกรรมคือชุดของกฎที่ลำดับของนิวคลีโอไทด์สามตัวที่เรียกว่าโคดอนใน messenger RNA กำหนดกรดอะมิโนของโปรตีน การจดจำโคดอนคือเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่แอนติโคดอนของ transfer RNA จับคู่เบสกับโคดอน ทำให้มั่นใจได้ว่ามีการเพิ่มกรดอะมิโนที่ถูกต้องในระหว่างการแปลรหัส

Definition

รหัสพันธุกรรมคือการจับคู่แบบเสื่อม (degenerate) และเป็นสากลส่วนใหญ่ของนิวคลีโอไทด์สามตัว 64 ชุดกับกรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ชนิดรวมถึงสัญญาณหยุด; การจดจำโคดอนคือการจับคู่เบสของแอนติโคดอนของ transfer RNA กับโคดอนของ mRNA ที่เลือกกรดอะมิโนที่จะถูกรวมเข้าด้วยกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของรหัสสามตัว คุณสมบัติหลัก เช่น ความเสื่อม (degeneracy) และความเป็นสากลเกือบทั้งหมด สัญญาณเริ่มต้นและหยุด การจับคู่โคดอน-แอนติโคดอน รวมถึงการวอบเบิล (wobble) ที่ตำแหน่งที่สาม และวิธีการบรรลุความแม่นยำในการจดจำบนไรโบโซม เป็นหัวข้อเชิงระเบียบวิธีและกลไก ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• นิวคลีโอไทด์สามตัวกำหนดกรดอะมิโนได้อย่างไร?
• ทำไมรหัสจึงเสื่อม (degenerate) และการจับคู่แบบวอบเบิล (wobble pairing) คืออะไร?
• ไรโบโซมแยกแยะคู่โคดอน-แอนติโคดอนที่ถูกต้องออกจากคู่ที่ไม่ถูกต้องได้อย่างไร?
• รหัสมีความเป็นสากลมากน้อยเพียงใด และมีข้อยกเว้นอะไรบ้าง?

Key concepts

• โคดอนและแอนติโคดอน
• กรอบการอ่าน
• ความเสื่อมของรหัส
• โคดอนเริ่มต้น (AUG) และโคดอนหยุด
• การจับคู่เบสแบบวอบเบิล
• ความเป็นสากลเกือบทั้งหมดของรหัส
• ความแม่นยำในการถอดรหัส

Key theories

รหัสสามตัวที่ไม่ทับซ้อนกัน

พันธุกรรมการเลื่อนกรอบในแบคเทอริโอฟาจแสดงให้เห็นว่ารหัสถูกอ่านเป็นกลุ่มของนิวคลีโอไทด์สามตัวที่ไม่ทับซ้อนกันจากจุดเริ่มต้นที่กำหนด ซึ่งกำหนดกรอบการอ่าน

Mechanisms

โคดอน mRNA แต่ละตัวที่มีนิวคลีโอไทด์สามตัวจะถูกจดจำโดยแอนติโคดอนสามนิวคลีโอไทด์ที่เข้าคู่กันบน transfer RNA ที่มีกรดอะมิโนที่สอดคล้องกัน เนื่องจากมีโคดอนที่มีความหมาย (sense codons) 61 ตัวสำหรับกรดอะมิโน 20 ชนิด รหัสจึงเสื่อม (degenerate): โคดอนหลายตัวสามารถกำหนดกรดอะมิโนเดียวกันได้ และการจับคู่ที่ผ่อนคลายที่ตำแหน่งโคดอนที่สาม (ตำแหน่งวอบเบิล) ทำให้ transfer RNA ตัวเดียวสามารถอ่านโคดอนได้มากกว่าหนึ่งตัว บนหน่วยย่อยไรโบโซมขนาดเล็ก ศูนย์ถอดรหัสจะตรวจสอบเรขาคณิตของเกลียวโคดอน-แอนติโคดอน โดยยอมรับคู่ที่ถูกต้อง (cognate) และปฏิเสธคู่ที่ไม่ตรงกัน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อความแม่นยำในการแปลรหัส การทดลอง RNA สังเคราะห์ของ Nirenberg และคณะ ร่วมกับการศึกษาพันธุกรรมการเลื่อนกรอบ (frameshift genetics) ได้ยืนยันลักษณะสามตัวและการกำหนดรหัส

Clinical relevance

การกลายพันธุ์ที่เปลี่ยนโคดอนสามารถเปลี่ยนแปลง ตัดทอน หรือทำให้โปรตีนเงียบได้ และการเลื่อนกรอบการอ่านมักจะทำให้การทำงานปกติหายไป การทำความเข้าใจรหัสจะช่วยให้เข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงลำดับดังกล่าวเกี่ยวข้องกับโรคอย่างไร บทความนี้อธิบายหลักการทางโมเลกุลและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

โครงสร้างของรหัสได้รับการยืนยันจากการทดลองทางพันธุกรรมและชีวเคมีแบบคลาสสิกในทศวรรษ 1960 และจากการศึกษาโครงสร้างของการถอดรหัสในภายหลัง และได้รับการรวบรวมไว้ในตำราเรียนมาตรฐาน

History

ในปี 1961 Crick และคณะ ใช้การกลายพันธุ์แบบเลื่อนกรอบเพื่อแสดงให้เห็นว่ารหัสถูกอ่านเป็นชุดสามตัว และในช่วงเวลาเดียวกัน Nirenberg, Matthaei และ Khorana ได้ถอดรหัสการกำหนดโคดอนโดยใช้แม่แบบ RNA สังเคราะห์ ทำให้รหัสสมบูรณ์ในช่วงกลางทศวรรษ 1960 จากนั้นงานวิจัยโครงสร้างในทศวรรษ 2000 ได้อธิบายว่าไรโบโซมตรวจสอบการจับคู่โคดอน-แอนติโคดอนทางกายภาพอย่างไรเพื่อรักษาความแม่นยำ

Key figures

• Francis Crick
• Marshall Nirenberg
• Har Gobind Khorana
• V. Ramakrishnan

Seminal works

• crick-1961
• nirenberg-1961

Frequently asked questions

การที่รหัสพันธุกรรมเสื่อม (degenerate) หมายความว่าอย่างไร?

เสื่อม (degenerate) หมายความว่ากรดอะมิโนส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยโคดอนมากกว่าหนึ่งตัว ดังนั้นโคดอนที่แตกต่างกันสามารถเข้ารหัสกรดอะมิโนเดียวกันได้ ความซ้ำซ้อนนี้สามารถช่วยลดผลกระทบของการกลายพันธุ์บางอย่างจากการเปลี่ยนแปลงโปรตีนได้

การจับคู่แบบวอบเบิล (wobble pairing) คืออะไร?

การจับคู่แบบวอบเบิลคือการจับคู่เบสที่ผ่อนคลายและไม่เป็นมาตรฐานที่อนุญาตให้เกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่สามของโคดอน ซึ่งทำให้ transfer RNA ตัวเดียวสามารถจดจำโคดอนหลายตัวที่แตกต่างกันเฉพาะที่ตำแหน่งนั้นได้