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Lexikon der Biologie: genetischer Code

genetischer Code, Triplett-Code, Dreiercode, die Zuordnung der 43 =64 möglichen Codonen (Trinucleotide, Tripletts; Basentriplett) von messenger-RNA zu den 20 in Proteinen vorkommenden Aminosäuren ( vgl. Tab. 1 ). 61 Codonen des genetischen Codes codieren für Aminosäuren. Die restlichen 3 Codonen (UAA, UAG und UGA) signalisieren als Stopcodonen den Kettenabschluß (Termination) der Translation. AUG (seltener GUG und UUG) signalisiert als Startcodon oder Initiationscodon den Kettenstart (Initiation) mit der Aminosäure Methionin (Eukaryoten) bzw. N-Formyl-Methionin (Prokaryoten). Der Code wird colinear (Colinearität), kommafrei und nicht überlappend gelesen, es werden also keine Nucleotide oder Nucleotidsequenzen ausgelassen oder mehrfach gelesen. Der genetische Code ist degeneriert, da die Anzahl der möglichen Codonen größer als die Anzahl der Aminosäuren ist. Für die meisten Aminosäuren gibt es mehr als 1 Codon (bis zu 6 Codonen: z.B. bei Arginin, Leucin und Serin). Die Degeneration folgt einem bestimmten Muster, indem häufig jeweils die dritten Codon-Positionen begrenzt oder völlig austauschbar sind. Der Vorteil der Degeneration liegt darin, daß viele Punktmutationen (Substitutionen) im Bereich des Codons keinen Aminosäureaustausch zur Folge haben, andere führen zu Ersetzungen einer hydrophoben durch eine hydrophobe Aminosäure bzw. einer hydrophilen durch eine hydrophile Aminosäure. Das ist von größter Bedeutung für die Stabilität der durch Gene codierten Proteine. – Die Aufklärung des genetischen Codes erfolgte Mitte der 1960er Jahre durch die Arbeitsgruppen um H.G. Khorana und M.W. Nirenberg sowohl mit Hilfe zellfreier Translationssysteme (in-vitro-Translationssysteme; Translation), die mit synthetischer mRNA zur Synthese definierter Polypeptide (z.B. polyU → poly-Phenylalanin; Polyuridylsäure) programmiert wurden, als auch mit Hilfe des Trinucleotidbindetests (Bindereaktion). Später konnten durch Korrelation von DNA- (bzw. den von diesen abgeleiteten RNA-)Nucleotidsequenzen mit den Aminosäuresequenzen der durch diese codierten Proteine die Zuordnungen des genetischen Codes in vielen Systemen bestätigt werden. Der genetische Code gilt daher, von wenigen Ausnahmen abgesehen, universal für alle Lebewesen (Universalität des genetischen Codes). – Modifizierte Codes existieren für die mRNA von Chloroplasten, Mitochondrien ( vgl. Tab. 2 ) und einer Reihe von Mikroorganismen, darunter von Bakterien (z.B. Mycoplasmen, Escherichia coli) sowie von Wimpertierchen (z.B. Pantoffeltierchen, Tetrahymena [Hymenostomata]). Bei diesen Organismen führt ein üblicherweise als Stopsignal interpretiertes Codon zum Einbau einer Aminosäure. Mindestens genauso wichtig ist der Befund, daß sich im Verlauf der Evolution bei einigen Organismen offensichtlich auch die Spezifität der Codonen für die entsprechenden Aminosäuren geändert hat. So hat sich im genetischen System von Hefepilzen der Gattung Candida die Interpretation des Codons CUG von Leucin in Serin gewandelt. Wie solche Veränderungen ablaufen, ist bis heute unklar. Eine sprunghafte Umwandlung könnte für das Genom von Mitochondrien oder Chloroplasten, bei denen der Evolutionsdruck wegen der eingeschränkten genetischen Ausstattung nicht so stark ist, noch tolerierbar sein, im Falle des Kern-Genoms würde eine solche Umwandlung jedoch zu einer ebenso sprunghaften Veränderung Tausender von Proteinen führen, was für den betreffenden Organismus sicherlich tödlich wäre. Die wohl plausibelste Theorie legt eine vorübergehende Doppelinterpretation eines solchen Codons nahe. Insgesamt ändern diese Ausnahmen jedoch nichts daran, daß der genetische Code für die meisten dahingehend untersuchten Organismen universell gültig ist. In vivo wird die Gültigkeit des genetischen Codes außerdem durch das RNA-Editing sowie die sog. Recodierung modifiziert, was z.B. zur Einfügung nicht-kanonischer Aminosäuren (wie Selenocystein) oder des Überlesens von Stopsignalen führen kann. – Der genetische Code ist ein Produkt der Evolution, das im Lauf von mindestens 2,5 Milliarden Jahren immer komplexer und differenzierter geworden ist, bis weitere Veränderungen nicht mehr tolerierbar waren. So stellt er eine Art „eingefrorenen Zufall“ dar (F. Crick), der hinsichtlich verschiedener Aspekte optimiert worden zu sein scheint (z.B. Fehlertoleranz bei Mutationen), aber Computersimulationen zufolge nicht der beste aller möglichen Codes ist. – In vitro kann der genetische Code auf mehr als 64 Codonen erweitert werden. Ein künstlich hergestelltes Codon ist z.B. (iso-C)AG, das von dem entsprechend veränderten Anticodon der transfer-RNA erkannt wird und in Versuchen mit in-vitro-Translationssystemen für die Aminosäure iodo-Tyrosin codiert, welche in natürlichen Proteinen nicht vorkommt. Somit sind die Voraussetzungen für die Herstellung von Proteinen mit künstlichen Aminosäuren geschaffen. Biochemie (Geschichte der), Cytologie (Tab.), Gamow (G.A.), Gen, Holley (R.W.), Ochoa (S.); ä chemische und präbiologische Evolution .

H.K./R.V./M.B.

Lit: Vaas, R.: Der genetische Code. Evolution und selbstorganisierte Optimierung, Abweichungen und gezielte Veränderung. Stuttgart 1994.

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