Вырожденность кодонов

Вырожденность или избыточность ^[1] кодонов — это избыточность генетического кода , которая проявляется как множественность комбинаций кодонов из трех пар оснований, которые определяют аминокислоту. Вырожденность генетического кода — это то, что объясняет существование синонимичных мутаций . ^{[2] : Гл}. ¹⁵

Фон

Вырожденность генетического кода была выявлена Лагерквистом. ^[3] Например, кодоны GAA и GAG оба определяют глутаминовую кислоту и демонстрируют избыточность; но ни один из них не определяет никакую другую аминокислоту и, таким образом, не является двусмысленным или не демонстрирует никакой двусмысленности.

Кодоны, кодирующие одну аминокислоту, могут различаться в любой из трех позиций; однако чаще всего это различие находится во второй или третьей позиции. ^[4] Например, аминокислота глутаминовая кислота определяется кодонами GAA и GAG (различие в третьей позиции); аминокислота лейцин определяется кодонами UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG (различие в первой или третьей позиции); а аминокислота серин определяется кодонами UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, AGC (различие в первой, второй или третьей позиции). ^[2]^{: 521–522}

Вырожденность возникает из-за того, что кодонов больше, чем кодируемых аминокислот. Например, если бы на кодон приходилось по два основания, то можно было бы закодировать только 16 аминокислот (4²=16). Поскольку требуется по крайней мере 21 код (20 аминокислот плюс стоп), а следующее по величине число оснований равно трем, то 4³ дает 64 возможных кодона, что означает, что должна существовать некоторая вырожденность. ^[2]^{: 521–522}

Терминология

Позиция кодона называется n -кратно вырожденным сайтом, если только n из четырех возможных нуклеотидов (A, C, G, T) в этой позиции указывают на одну и ту же аминокислоту. Замена нуклеотида в 4-кратно вырожденном сайте всегда является синонимичной мутацией без изменения аминокислоты. ^[2]^{: 521–522}

Менее вырожденный сайт произведет несинонимическую мутацию на некоторых заменах. Примером (и единственным) 3-кратно вырожденного сайта является третья позиция кодона изолейцина . AUU, AUC или AUA кодируют изолейцин, но AUG кодирует метионин . При вычислениях эта позиция часто рассматривается как дважды вырожденный сайт. ^{[ почему? ]}^[2]^{: 521–522}

Позиция считается невырожденной, если любая мутация в этой позиции изменяет аминокислоту. Например, все три позиции AUG метионина являются невырожденными, поскольку единственный кодон, кодирующий метионин, — это AUG. То же самое касается UGG триптофана. ^[2]^{: 521–522}

Существует три аминокислоты, кодируемые шестью различными кодонами: серин , лейцин и аргинин . Только две аминокислоты определяются одним кодоном каждая. Одна из них — аминокислота метионин , определяемая кодоном AUG, который также определяет начало трансляции; другая — триптофан , определяемая кодоном UGG.

Подразумеваемое

Эти свойства генетического кода делают его более отказоустойчивым для точечных мутаций . Например, в теории, четырехкратно вырожденные кодоны могут выдерживать любую точечную мутацию в третьей позиции, хотя смещение использования кодонов ограничивает это на практике во многих организмах; двукратно вырожденные кодоны могут выдерживать молчаливую мутацию, а не миссенс- или нонсенс-точечные мутации в третьей позиции. Поскольку мутации перехода (мутации пурина в пурин или пиримидина в пиримидин) более вероятны, чем мутации трансверсии (пурина в пиримидин или наоборот), эквивалентность пуринов или пиримидинов в двукратно вырожденных сайтах добавляет дополнительную отказоустойчивость. ^[2]^{: 531–532}

Практическим следствием избыточности является то, что некоторые ошибки в генетическом коде вызывают только синонимическую мутацию или ошибку, которая не повлияет на белок, поскольку гидрофильность или гидрофобность поддерживаются эквивалентной заменой аминокислот ( консервативная мутация ). Например, кодон NUN (где N = любой нуклеотид) имеет тенденцию кодировать гидрофобные аминокислоты, NCN дает аминокислотные остатки небольшого размера и умеренно гидропатичные, а NAN кодирует гидрофильные остатки среднего размера. ^[5]^[6] Эти тенденции могут быть результатом общего происхождения аминоацил-тРНК-синтетаз, связанных с этими кодонами.

Эти вариабельные коды для аминокислот допускаются из-за модифицированных оснований в первом основании антикодона тРНК , а образованная пара оснований называется колебательной парой оснований . Модифицированные основания включают инозин и не-Уотсон-Криковскую пару оснований UG. ^[7]

Смотрите также

Нейтральная теория молекулярной эволюции

Ссылки

^ «Информация в ДНК определяет клеточную функцию посредством трансляции | Изучайте науку на Scitable». www.nature.com . Получено 14 июля 2021 г.
^ abcdefg Watson JD, Бейкер Т.А., Белл С.П., Ганн А., Левин М., Усик Р. (2008). Молекулярная биология гена . Сан-Франциско: Пирсон/Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-9592-1.
^ Лагерквист, У. (1978.) «Два из трех: альтернативный метод чтения кодонов», PNAS , 75:1759-62.
^ Lehmann, J; Libchaber, A (июль 2008 г.). «Вырожденность генетического кода и стабильность пары оснований во второй позиции антикодона». РНК . 14 (7): 1264–9. doi :10.1261/rna.1029808. PMC 2441979. PMID 18495942 .
^ Yang; et al. (1990). Michel-Beyerle, ME (ред.). Реакционные центры фотосинтезирующих бактерий: Feldafing-II-Meeting . Том 6. Берлин: Springer-Verlag. С. 209–18. ISBN 3-540-53420-2.
^ Füllen G, Youvan DC (1994). "Генетические алгоритмы и рекурсивный ансамблевый мутагенез в белковой инженерии". Complexity International . 1. Архивировано из оригинала 2011-03-15.
^ Varani G, McClain WH (июль 2000 г.). «Пара оснований G x U с колебаниями. Фундаментальный строительный блок структуры РНК, имеющий решающее значение для функционирования РНК в разнообразных биологических системах». EMBO Rep . 1 (1): 18–23. doi :10.1093/embo-reports/kvd001. PMC 1083677. PMID 11256617 .