遺伝暗号

クリック、ブレナー、バーネット、ワッツ＝トービンらの実験は、コドンが3つのDNA塩基から構成されていることを初めて実証した。

マーシャル・ニーレンバーグとJ・ハインリッヒ・マタイは、1961年に初めてコドンの性質を明らかにした。[12] 彼らは無細胞系を用いてポリウラシル^RNA配列（すなわちUUUUU ... ）を翻訳し、合成したポリペプチドがアミノ酸フェニルアラニンのみから構成されていることを発見した。^{[ 13 ]}これにより、コドンUUUがアミノ酸フェニルアラニンを指定することを推論した。

これに続いて、セベロ・オチョアの研究室で行われた実験により、ポリアデニンRNA配列（AAAAA...）がポリペプチドポリリジンをコードし^{[ 14 ]}、ポリシトシンRNA配列（CCCCC...）がポリペプチドポリプロリンをコードしていることが実証された^{[ 15 ]}。したがって、コドンAAAはアミノ酸リジンを指定し、コドンCCCはアミノ酸プロリンを指定する。さまざまな共重合体を使用して、残りのコドンのほとんどが決定された。

その後、ハル・ゴビンド・コラナの研究により、遺伝暗号の残りの部分が解明された。その直後、ロバート・W・ホリーは、RNAをタンパク質に翻訳する過程を促進するアダプター分子であるトランスファーRNA （tRNA）の構造を解明した。この研究はオチョアの以前の研究に基づいており、オチョアはRNA合成の酵素学に関する研究で1959年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。^{[ 16 ]}

この研究を発展させ、ニーレンバーグとフィリップ・レーダーは、コードのトリプレットの性質を明らかにし、そのコドンを解読した。これらの実験では、さまざまな組み合わせのmRNAが、RNAをタンパク質に翻訳する細胞の構成要素であるリボソームを含むフィルターを通過した。固有のトリプレットは、特定のtRNAのリボソームへの結合を促進した。レーダーとニーレンバーグは、実験で64個のコドンのうち54個の配列を決定することができた。^{[ 17 ]}コーラナ、ホーリー、ニーレンバーグは、その研究でノーベル賞（1968年）を受賞した。^{[ 18 ]}

3つの終止コドンは、発見者のリチャード・エプスタインとチャールズ・スタインバーグによって命名された。「アンバー」は、彼らの友人ハリス・バーンスタインにちなんで名付けられた。バーンスタインの姓はドイツ語で「琥珀」を意味する。^{[ 19 ]}他の2つの終止コドンは、「色の名前」というテーマを維持するために「オーカー」と「オパール」と名付けられた。

幅広い学術界では、遺伝暗号が元々の曖昧な遺伝暗号から、20（+2）種類の標準アミノ酸のレパートリーを持つ明確に定義された（「固定された」）暗号へと進化するという概念が広く受け入れられている。^{[ 20 ]} しかし、それを実験的に変更する最良の方法については、さまざまな意見、概念、アプローチ、アイデアが存在する。合成アミノ酸が遺伝暗号に侵入する「エントリーポイント」を予測するモデルさえ提案されている。^{[ 21 ]}

2001年以降、40種類の非天然アミノ酸が、独自のコドン（再コーディング）とそれに対応するトランスファーRNA：アミノアシルtRNA合成酵素ペアを作成することでタンパク質に導入され、多様な物理化学的および生物学的特性を持つようにコード化され、タンパク質の構造と機能を探索したり、新規または強化されたタンパク質を作成したりするため のツールとして使用されています。 ^{[ 22 ] [ 23 ]}

H. MurakamiとM. Sisidoは、いくつかのコドンを4塩基と5塩基に拡張した。Steven A. Bennerは、機能的な65番目の（生体内）コドンを構築した。^{[ 24 ]}

2015年にN. Budisa、D. Söllらは、大腸菌の遺伝暗号中の20,899個のトリプトファン残基（UGGコドン）すべてを非天然チエノピロールアラニンで完全に置換したことを報告した。^{[ 25 ]}

2016年に最初の安定した半合成生物が作られました。それは2つの合成塩基（XとYと呼ばれる）を持つ（単細胞の）細菌でした。塩基は細胞分裂後も生き残りました。^{[ 26 ] [ 27 ]}

2017年、韓国の研究者らは、非天然アミノ酸を含むタンパク質を生成できる拡張された遺伝子コードを持つマウスを開発したと報告した。^{[ 28 ]}

2019 年 5 月、研究者らは大腸菌の新しい「Syn61」株の作成を報告した。この株は、完全に合成されたゲノムを持ち、リファクタリング（すべてのオーバーラップが拡張）、再コード化（64 個のコドンのうち 3 個の使用を完全に削除）、さらに不要になった tRNA と放出因子を除去するように改変されている。完全に生存可能であり、野生型「MDS42」よりも 1.6 倍遅く増殖する。^{[ 29 ] [ 30 ]}

2025年に研究者らは、64個のコドンのうち7個の使用を完全に排除した新しい「Syn57」株を報告した。^{[ 31 ]}

リーディングフレームは、翻訳が始まる最初の3つのヌクレオチドによって定義されます。これは、連続する重複しないコドンの連続の枠を設定し、これは「オープンリーディングフレーム」（ORF）として知られています。たとえば、文字列5'-AAATGAACG-3'（図を参照）は、最初の位置から読むと、AAA、TGA、ACGのコドンを含みます 。2番目の位置から読むと、AATとGAAのコドンを含みます 。3番目の位置から読むと、ATGとAACのコドンを含みます。したがって、すべての配列は、5' → 3'の方向に3つのリーディングフレームで読み取ることができ、それぞれが異なる可能性のあるアミノ酸配列を生成します。この例では、それぞれLys（K）-Trp（W）-Thr（T）、Asn（N）-Glu（E）、またはMet（M）-Asn（N）です（脊椎動物のミトコンドリアコードで翻訳する場合）。 DNAが二本鎖の場合、6つの読み取り枠が定義され、そのうち3つは一方の鎖の順方向、残りの3つは反対側の鎖の逆方向です。^{[ 33 ]： 330}タンパク質コード枠は開始コドンによって定義され、通常はRNA配列の最初のAUGコドン（DNAではATG）です。

真核生物では、エクソン内のオープンリーディングフレームはイントロンによって分断されることが多い。

翻訳は、連鎖開始コドンまたは開始コドンから始まります。開始コドンだけではプロセスを開始するには不十分です。翻訳を開始するには、大腸菌のシャイン・ダルガノ配列などの近傍配列や開始因子も必要です。最も一般的な開始コドンはAUGで、メチオニンまたはホルミルメチオニン（細菌、ミトコンドリア、および色素体）として読み取られます。生物種によっては、代替の開始コドンとして「GUG」または「UUG」があります。これらのコドンは通常、それぞれバリンとロイシンを表しますが、開始コドンとしてはメチオニンまたはホルミルメチオニンとして翻訳されます。^{[ 34 ]}

3つの終止コドンには名前があります。UAGはアンバー、UGAはオパール（アンバーとも呼ばれる）、UAAはオーカーです。終止コドンは「終結」コドンまたは「ナンセンス」コドンとも呼ばれます。これらの終止シグナルに相補的なアンチコドンを持つ対応するtRNAが存在しないため、代わりに放出因子がリボソームに結合することができ、新生ポリペプチドがリボソームから放出されるというシグナルとなります。^{[ 35 ]}

DNA複製過程において、2本目の鎖の重合時にエラーが発生することがある。これらのエラー、すなわち突然変異は、特に遺伝子のタンパク質コード配列内で発生した場合、生物の表現型に影響を与える可能性がある。エラー率は通常、1000万～1億塩基あたり1エラーである。これはDNAポリメラーゼの「校正」能力 によるものである。^{[ 37 ] [ 38 ]}

ミスセンス変異とナンセンス変異は、それぞれ鎌状赤血球症やサラセミアなどの遺伝性疾患を引き起こす可能性のある点突然変異の例である。 ^{[ 39 ] [ 40 ]}臨床的に重要なミスセンス変異は一般的に、コードされたアミノ酸残基の性質を塩基性、酸性、極性、または非極性の状態の間で変化させるが、ナンセンス変異は終止コドンをもたらす。^{[ 33 ]}

3 塩基の倍数でない挿入または欠失によって読み枠配列を破壊する変異は、フレームシフト変異として知られています。これらの変異は通常、元の翻訳とは全く異なる翻訳をもたらし、おそらく終止コドンが読み取られ、タンパク質が切断されます。^{[ 41 ]}これらの変異はタンパク質の機能を損なう可能性があり、そのため生体内のタンパク質コード配列ではまれです。フレームシフト変異の遺伝がまれな理由の 1 つは、翻訳されるタンパク質が生物が直面する選択圧下での成長に必須である場合、機能的なタンパク質がないと、生物が生存可能になる前に死に至る可能性があるためです。^{[ 42 ]}フレームシフト変異は、テイ・サックス病などの重篤な遺伝性疾患を引き起こす可能性があります。^{[ 43 ]}

タンパク質配列を変化させるほとんどの突然変異は有害または中立ですが、一部の突然変異には利点があります。^{[ 44 ]}これらの突然変異により、突然変異生物は野生型生物よりも特定の環境ストレスに耐えたり、より速く繁殖したりできるようになります。このような場合、突然変異は自然選択によって集団内でより一般的になる傾向があります。^{[ 45 ]}遺伝物質としてRNAを使用するウイルスは突然変異率が速く、^{[ 46 ]}これによりウイルスは急速に進化し、免疫系の防御反応を回避できるため、これは有利になる可能性があります。^{[ 47 ]}例えば大腸菌のような無性生殖を行う生物の大きな集団では、複数の有益な突然変異が同時に発生する可能性があります。この現象はクローン干渉と呼ばれ、突然変異間の競争を引き起こします。^{[ 48 ]}

縮重とは、遺伝暗号の冗長性のことです。この用語は、バーンフィールドとニーレンバーグによって提唱されました。遺伝暗号には冗長性がありますが、曖昧性はありません（完全な相関関係については、下記のコドン表を参照してください）。たとえば、コドンGAAとGAGはどちらもグルタミン酸を指定しますが（冗長性）、どちらも他のアミノ酸を指定しません（曖昧性なし）。1つのアミノ酸をコードするコドンは、3つの位置のいずれかで異なる場合があります。たとえば、アミノ酸ロイシンはY U RまたはCU N（UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、またはCUG）コドンによって指定され（IUPAC表記を使用して、1番目または3番目の位置の違いが示されます）、アミノ酸セリンはUC NまたはAG Y（UCA、UCG、UCC、UCU、AGU、またはAGC）コドンによって指定されます（1番目、2番目、または3番目の位置の違い）。^{[ 49 ]}冗長性の実際的な結果として、トリプレットコドンの3番目の位置のエラーは、サイレント変異またはタンパク質に影響を与えないエラーのみを引き起こします。これは、アミノ酸の同等の置換によって親水性または疎水性が維持されるためです。たとえば、NUN（N = 任意のヌクレオチド）のコドンは疎水性アミノ酸をコードする傾向があります。NCNはサイズが小さく疎水性が中程度のアミノ酸残基を生成し、NANは平均的なサイズの親水性残基をコードします。遺伝暗号は疎水性に関して非常にうまく構造化されているため、12の変数（4つのヌクレオチド x 3つの位置）の数学的分析（特異値分解）により、翻訳なしでトリプレットヌクレオチド配列から直接コード化されたアミノ酸の疎水性を予測するための驚くべき相関（C = 0.95）が得られます。^{[ 50 ] [ 51 ]} 下の表では、8つのアミノ酸はコドンの3番目の位置での突然変異によって全く影響を受けないのに対し、上の図では、2番目の位置での突然変異は、コードされるアミノ酸の物理化学的性質に根本的な変化を引き起こす可能性が高いことに注意してください。それにもかかわらず、全体的な規模では、コドンの1番目の位置での変化は2番目の位置での変化よりも重要です。^{[ 52 ]} その理由は、電荷反転（正電荷から負電荷、またはその逆）は、特定のコドンの1番目の位置での突然変異でのみ起こり、どのコドンの2番目の位置での変化でも起こらないためかもしれません。このような電荷反転は、タンパク質の構造または機能に劇的な影響を与える可能性があります。この側面は、以前の研究で大きく過小評価されていた可能性があります。^{[ 52 ]}

コドンの頻度、別名コドン使用バイアスは、種によって異なり、翻訳の制御に機能的な影響を与える可能性がある。コドンは生物によって異なり、例えば、大腸菌で最も一般的なプロリンコドンはCCGであるが、ヒトではこれは最も使用頻度の低いプロリンコドンである。^{[ 53 ]}

一部のタンパク質では、メッセンジャーRNAの関連シグナル配列に応じて、標準の終止コドンの代わりに非標準アミノ酸が置換される。たとえば、UGAはセレノシステインをコードでき、UAGはピロリシンをコードできる。セレノシステインは21番目のアミノ酸、ピロリシンは22番目のアミノ酸とみなされるようになった。^{[ 55 ]}セレノシステインとピロリシンは両方とも同じ生物に存在する可能性がある。^{[ 55 ]}通常、生物の遺伝暗号は固定されているが、古細菌の原核生物であるAcetohalobium arabaticumは、異なる生育条件下で遺伝暗号を20アミノ酸から21アミノ酸（ピロリシンを含む）に拡張することができる。^{[ 56 ]}

遺伝暗号は普遍的であるべきだという単純で広く受け入れられた議論が元々存在した。すなわち、遺伝暗号のいかなる変異も生物にとって致命的である（ただし、クリックはウイルスは例外であると述べていた）。これは遺伝暗号の普遍性に関する「凍結された偶然」の議論として知られている。しかし、1968年に遺伝暗号の起源に関する彼の画期的な論文の中で、フランシス・クリックは、すべての生物における遺伝暗号の普遍性は証明されていない仮定であり、おそらくいくつかのケースでは真実ではないと依然として述べている。彼は「コードは普遍的（すべての生物で同じ）か、ほぼ普遍的である」と予測した。^{[ 58 ]}最初の変異は、ヒトのミトコンドリア遺伝子を研究していた研究者によって1979年に発見された。^{[ 59} ] その後、さまざまな代替ミトコンドリアコードを含む多くのわずかな変異が発見された^{。[ 60 ] [ 61 ]}これらのマイナーバリアントの例としては、マイコプラズマ属ではコドン UGA がトリプトファンに翻訳されること、および「CTG クレード」の酵母 (カンジダ アルビカンスなど) では CUG がロイシンではなくセリンに翻訳されることなどが挙げられる。^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]}ウイルスは宿主と同じ遺伝暗号を使用する必要があるため、標準遺伝暗号の変更はウイルスのタンパク質合成や機能に干渉する可能性がある。しかし、トティウイルスなどのウイルスは宿主の遺伝暗号の変更に適応している。^{[ 65 ]}細菌や古細菌では、GUG と UUG が一般的な開始コドンである。まれに、特定のタンパク質が代替の開始コドンを使用することがある。^{[ 60 ]} 驚くべきことに、遺伝暗号の解釈のバリエーションはヒトの核コード遺伝子にも存在します。2016年に、リンゴ酸デヒドロゲナーゼの翻訳を研究していた研究者たちは、この酵素をコードするmRNAの約4%で、終止コドンが自然にアミノ酸トリプトファンとアルギニンをコードするために使用されていることを発見しました。^{[ 66 ]}この種の再コーディングは、高頻度の終止コドンコンテキストによって誘発され^{[ 67 ]} 、機能的翻訳読み飛ばしと呼ばれています。^{[ 68 ]}

これらの違いにもかかわらず、既知の自然界に存在するコードはすべて非常によく似ています。コーディング機構はすべての生物で同じです。3塩基コドン、tRNA、リボソーム、一方向読み取り、および単一のコドンを単一のアミノ酸に翻訳します。^{[ 69 ]}最も極端なバリエーションは、特定の繊毛虫で発生し、終止コドンの意味はmRNA内の位置に依存します。3'末端に近い場合は終止コドンとして機能しますが、内部の位置にある場合は、 Condylostoma magnum ^{[ 70 ]}のようにアミノ酸をコードしたり、 Euplotes ^{[ 71 ]}のようにリボソームのフレームシフトを引き起こしたりします。

遺伝暗号の起源と変異、遺伝暗号の進化可能性のメカニズムなどについては広く研究されており、^{[ 72 ] [ 73 ]}いくつかの生物の遺伝暗号を実験的に進化させる研究も行われている。^{[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]}

生物が使用する変異型遺伝暗号は、そのゲノムにコードされている高度に保存された遺伝子を特定し、そのコドン使用頻度を他の生物の相同タンパク質のアミノ酸と比較することによって推測できます。たとえば、FACILプログラムは、相同タンパク質ドメインのどのアミノ酸が各コドンに最も頻繁に一致するかを検索することによって遺伝暗号を推測します。結果として得られる各コドンのアミノ酸（または終止コドン）の確率は、遺伝暗号ロゴに表示されます。^{[ 57 ]}

2022年1月現在、遺伝暗号の最も包括的な調査は、ShulginaとEddyがCodettaツールを使用して25万の原核生物ゲノムをスクリーニングして行ったものである。このツールは、より大きなPfamデータベースを使用してFACILと同様のアプローチを採用している。NCBIがすでに27の翻訳テーブルを提供しているにもかかわらず、著者らは5つの新しい遺伝暗号変異（tRNA変異によって裏付けられている）を発見し、いくつかの誤った帰属を修正することができた。^{[ 77 ]} Codettaは後に繊毛虫の遺伝暗号の変化を分析するために使用された。^{[ 78 ]}