الشفرة الوراثية

أثبتت تجربة كريك وبرينر وبارنيت وواتس-توبين لأول مرة أن الكودونات تتكون من ثلاثة قواعد DNA.

كان مارشال نيرنبرغ وج . هاينريش ماثاي أول من كشف طبيعة الكودون في عام 1961. ^{[ 12 ]} استخدما نظامًا خاليًا من الخلايا لترجمة تسلسل الحمض النووي الريبوزي متعدد اليوراسيل (أي UUUUU...) ، واكتشفا أن عديد الببتيد الذي قاما بتخليقه يتكون فقط من الحمض الأميني فينيل ألانين . ^{[ 13 ]} وبذلك استنتجا أن الكودون UUU يُحدد الحمض الأميني فينيل ألانين.

تبع ذلك تجارب في مختبر سيفيرو أوتشوا أثبتت أن تسلسل الحمض النووي الريبوزي متعدد الأدينين (AAAAA...) يُشفّر عديد الببتيد متعدد الليسين [ ^{14 ] ،} وأن تسلسل الحمض النووي الريبوزي متعدد السيتوزين (CCCCC...) يُشفّر عديد الببتيد متعدد البرولين ^{[ 15 ]} . وبالتالي، يُحدد الكودون AAA الحمض الأميني الليسين ، ويُحدد الكودون CCC الحمض الأميني البرولين . وباستخدام بوليمرات مشتركة مختلفة ، تم تحديد معظم الكودونات المتبقية.

في أعمال لاحقة ، حدد هار غوبيند خورانا بقية الشفرة الوراثية. وبعد ذلك بوقت قصير، حدد روبرت دبليو هولي بنية الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، وهو الجزيء المُحَوِّل الذي يُسهِّل عملية ترجمة الحمض النووي الريبوزي إلى بروتين. استند هذا العمل إلى دراسات أوتشوا السابقة، والتي حاز بموجبها الأخير على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء عام 1959 لأبحاثه في علم إنزيمات تخليق الحمض النووي الريبوزي. ^{[ 16 ]}

في إطار توسيع هذا العمل، كشف نيرنبرغ وفيليب ليدر عن الطبيعة الثلاثية للشفرة وفكّا شفرة الكودونات الخاصة بها. في هذه التجارب، مُرِّرت تركيبات مختلفة من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) عبر مرشح يحتوي على الريبوسومات ، وهي مكونات الخلايا التي تترجم الحمض النووي الريبوزي إلى بروتين. عززت ثلاثيات فريدة ارتباط أنواع محددة من الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) بالريبوسوم. تمكن ليدر ونيرنبرغ من تحديد تسلسل 54 كودونًا من أصل 64 في تجاربهم. ^{[ 17 ]} حصل خورانا وهولي ونيرنبرغ على جائزة نوبل (1968) تقديرًا لأبحاثهم. ^{[ 18 ]}

أطلق المكتشفان ريتشارد إبستين وتشارلز شتاينبرغ أسماءً على كودونات التوقف الثلاثة. سُمّي كودون "أمبر" تيمناً بصديقهما هاريس بيرنشتاين، الذي يعني اسمه الأخير "كهرمان" بالألمانية. ^{[ 19 ]} أما كودونا التوقف الآخران فقد سُمّيا "أوكر" و"أوبال" تماشياً مع فكرة "أسماء الألوان".

في الأوساط الأكاديمية، يُعتبر مفهوم تطور الشفرة الوراثية من الشفرة الأصلية الغامضة إلى شفرة محددة جيدًا ("ثابتة") تضم 20 حمضًا أمينيًا (+2) متعارفًا عليه، مقبولًا على نطاق واسع. ^{[ 20 ]} ومع ذلك، توجد آراء ومفاهيم ومناهج وأفكار مختلفة حول أفضل طريقة لتغييرها تجريبيًا. بل تُقترح نماذج تتنبأ بـ"نقاط دخول" لاختراق الأحماض الأمينية الاصطناعية للشفرة الوراثية. ^{[ 21 ]}

منذ عام 2001، أُضيفت 40 حمضًا أمينيًا غير طبيعي إلى البروتينات عن طريق إنشاء كودون فريد (إعادة ترميز) وزوج من الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) المقابل:  إنزيم سينثيتاز الأحماض الأمينية - الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) لترميزها بخصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية متنوعة، وذلك لاستخدامها كأداة لاستكشاف بنية البروتين ووظيفته أو لإنشاء بروتينات جديدة أو محسّنة. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

قام كل من هـ. موراكامي وم. سيسيدو بتوسيع بعض الكودونات لتشمل أربعة وخمسة قواعد. وقام ستيفن أ. بينر بإنشاء كودون وظيفي رقم 65 ( في الكائن الحي ). ^{[ 24 ]}

في عام 2015، أبلغ كل من ن. بوديسا ، د. سول وزملاؤه عن الاستبدال الكامل لجميع بقايا التربتوفان البالغ عددها 20899 (كودونات UGG) بالثينوبيرول-ألانين غير الطبيعي في الشفرة الوراثية لبكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 25 ]}

في عام 2016، تم ابتكار أول كائن حي شبه اصطناعي مستقر. كان عبارة عن بكتيريا (وحيدة الخلية) تحتوي على قاعدتين اصطناعيتين (تُسميان X وY). وقد نجت هاتان القاعدتان من انقسام الخلية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

في عام 2017، أفاد باحثون في كوريا الجنوبية أنهم قاموا بهندسة فأر يحمل شفرة وراثية موسعة قادرة على إنتاج بروتينات تحتوي على أحماض أمينية غير طبيعية. ^{[ 28 ]}

في مايو 2019، أعلن باحثون عن استحداث سلالة جديدة من بكتيريا الإشريكية القولونية تُدعى "Syn61" . تتميز هذه السلالة بجينوم اصطناعي بالكامل ، خضع لإعادة هيكلة (توسيع جميع مناطق التداخل)، وإعادة ترميز (إزالة استخدام ثلاثة من أصل 64 كودونًا بشكل كامل)، بالإضافة إلى تعديلات أخرى لإزالة جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) وعوامل الإطلاق غير الضرورية. تتمتع هذه السلالة بقدرة كاملة على البقاء ، وتنمو بمعدل أبطأ بمقدار 1.6 مرة من نظيرتها من النوع البري " MDS42 ". ^{[ 29 ] [ 30 ]}

في عام 2025، أبلغ الباحثون عن سلالة جديدة تُسمى "Syn57"، والتي تزيل استخدام 7 من أصل 64 كودونًا بشكل كامل. ^{[ 31 ]}

يُعرَّف إطار القراءة بثلاثية النيوكليوتيدات الأولية التي تبدأ منها عملية الترجمة. وهو يُحدد إطار سلسلة من الكودونات المتتالية غير المتداخلة، والمعروفة باسم " إطار القراءة المفتوح " (ORF). على سبيل المثال، تحتوي السلسلة 5'-AAATGAACG-3' (انظر الشكل)، عند قراءتها من الموضع الأول، على الكودونات AAA وTGA وACG  ؛ وعند قراءتها من الموضع الثاني، تحتوي على الكودونات AAT وGAA  ؛ وعند قراءتها من الموضع الثالث، تحتوي على الكودونات ATG وAAC. وبالتالي، يمكن قراءة أي تسلسل في اتجاهه 5' → 3' في ثلاثة أطر قراءة ، ينتج كل منها تسلسلًا مختلفًا من الأحماض الأمينية: في المثال المذكور، Lys (K)-Trp (W)-Thr (T)، أو Asn (N)-Glu (E)، أو Met (M)-Asn (N)، على التوالي (عند الترجمة باستخدام الشفرة الميتوكوندرية للفقاريات ). عندما يكون الحمض النووي مزدوج السلاسل، تُحدد ستة أطر قراءة محتملة، ثلاثة منها في الاتجاه الأمامي على إحدى السلسلتين، وثلاثة في الاتجاه العكسي على السلسلة المقابلة. ^{[ 33 ] : 330} تُحدد أطر ترميز البروتين بواسطة كودون البدء ، وعادةً ما يكون أول كودون AUG في تسلسل الحمض النووي الريبوزي (ATG في الحمض النووي).

في حقيقيات النوى ، غالباً ما يتم مقاطعة إطارات القراءة المفتوحة في الإكسونات بواسطة الإنترونات .

تبدأ عملية الترجمة بكودون بدء السلسلة . ولا يكفي كودون البدء وحده لبدء العملية، بل يلزم وجود تسلسلات مجاورة، مثل تسلسل شاين-دالغارنو في بكتيريا الإشريكية القولونية، وعوامل بدء الترجمة. يُعد كودون البدء AUG الأكثر شيوعًا، ويُقرأ على أنه ميثيونين أو فورميل ميثيونين (في البكتيريا والميتوكوندريا والبلاستيدات). ومن كودونات البدء البديلة ، التي تختلف باختلاف الكائن الحي، الكودونان GUG وUUG؛ ويمثل هذان الكودونان عادةً الفالين والليوسين على التوالي، ولكنهما يُترجمان على أنهما ميثيونين أو فورميل ميثيونين. ^{[ 34 ]}

تُسمى كودونات التوقف الثلاثة بأسماء مختلفة: UAG يُسمى أمبر ، وUGA يُسمى أوبال (ويُسمى أحيانًا أومبر )، وUAA يُسمى أوكر . تُعرف كودونات التوقف أيضًا باسم كودونات "الإنهاء" أو "التوقف غير المنطقي". تُشير هذه الكودونات إلى إطلاق الببتيد الوليد من الريبوسوم، نظرًا لعدم وجود tRNA مُناسب يحتوي على مضادات كودونات مُكملة لإشارات التوقف هذه، مما يسمح لعامل الإطلاق بالارتباط بالريبوسوم. ^{[ 35 ]}

أثناء عملية تضاعف الحمض النووي ، قد تحدث أخطاء في بلمرة السلسلة الثانية. هذه الأخطاء، أو الطفرات ، قد تؤثر على النمط الظاهري للكائن الحي ، خاصةً إذا حدثت ضمن تسلسل ترميز البروتين في الجين. عادةً ما تكون نسبة الخطأ خطأً واحدًا لكل 10-100  مليون قاعدة، وذلك بفضل قدرة بوليميرازات الحمض النووي على " التدقيق " . ^{[ 37 ] [ 38 ]}

تُعدّ الطفرات غير المترادفة والطفرات غير المترادفة أمثلة على الطفرات النقطية التي قد تُسبب أمراضًا وراثية مثل فقر الدم المنجلي والثلاسيميا على التوالي. ^{[ 39 ] [ 40 ]} تُغيّر الطفرات غير المترادفة ذات الأهمية السريرية عمومًا خصائص بقايا الأحماض الأمينية المشفرة بين حالات قاعدية وحمضية وقطبية وغير قطبية، بينما تُؤدي الطفرات غير المترادفة إلى ظهور كودون توقف . ^{[ 33 ]}

تُعرف الطفرات التي تُخلّ بتسلسل إطار القراءة عن طريق إدخال أو حذف قواعد نيوكليوتيدية لا تُعدّ من مضاعفات العدد 3 بطفرات إزاحة الإطار . عادةً ما تُؤدي هذه الطفرات إلى ترجمة مختلفة تمامًا عن الترجمة الأصلية، ومن المُرجّح أن تُؤدي إلى قراءة كودون توقف ، مما يُؤدي إلى بتر البروتين. ^{[ 41 ]} قد تُضعف هذه الطفرات وظيفة البروتين، ولذلك فهي نادرة في تسلسلات ترميز البروتين داخل الكائن الحي . أحد أسباب ندرة وراثة طفرات إزاحة الإطار هو أنه إذا كان البروتين المُترجم ضروريًا للنمو في ظل الضغوط الانتقائية التي يواجهها الكائن الحي، فإن غياب بروتين وظيفي قد يُؤدي إلى الموت قبل أن يُصبح الكائن الحي قادرًا على البقاء. ^{[ 42 ]} قد تُؤدي طفرات إزاحة الإطار إلى أمراض وراثية خطيرة مثل داء تاي-ساكس . ^{[ 43 ]}

على الرغم من أن معظم الطفرات التي تُغير تسلسل البروتينات ضارة أو محايدة، إلا أن بعضها يحمل فوائد. ^{[ 44 ]} قد تُمكّن هذه الطفرات الكائن الحي المُطفر من تحمّل ضغوط بيئية مُعينة بشكل أفضل من الكائنات الحية البرية ، أو التكاثر بسرعة أكبر. في هذه الحالات، تميل الطفرة إلى أن تصبح أكثر شيوعًا في الجماعة من خلال الانتقاء الطبيعي . ^{[ 45 ]} تتميز الفيروسات التي تستخدم الحمض النووي الريبي (RNA) كمادة وراثية بمعدلات طفرات سريعة، ^{[ 46 ]} وهو ما قد يُعد ميزة، إذ تتطور هذه الفيروسات بسرعة، وبالتالي تتجنب استجابات الجهاز المناعي الدفاعية. ^{[ 47 ]} في الجماعات الكبيرة من الكائنات الحية التي تتكاثر لا جنسيًا، مثل الإشريكية القولونية (E. coli )، قد تحدث طفرات مفيدة متعددة في الوقت نفسه. تُسمى هذه الظاهرة بالتداخل النسيلي ، وتُسبب تنافسًا بين الطفرات. ^{[ 48 ]}

التكرار هو خاصية زائدة في الشفرة الوراثية. وقد صاغ هذا المصطلح بيرنفيلد ونيرنبرغ. تتميز الشفرة الوراثية بالتكرار دون أي لبس (انظر جداول الكودونات أدناه للاطلاع على العلاقة الكاملة). على سبيل المثال، على الرغم من أن الكودونين GAA وGAG يشيران إلى حمض الجلوتاميك (تكرار)، إلا أنهما لا يشيران إلى أي حمض أميني آخر (لا لبس). قد تختلف الكودونات التي تشفر حمضًا أمينيًا واحدًا في أي من مواقعها الثلاثة. على سبيل المثال، يُحدد الحمض الأميني الليوسين بواسطة الكودون Y U R أو CU N (UUA، UUG، CUU، CUC، CUA، أو CUG) (يُشار إلى الاختلاف في الموقع الأول أو الثالث باستخدام ترميز IUPAC )، بينما يُحدد الحمض الأميني السيرين بواسطة الكودون UC N أو AG Y (UCA، UCG، UCC، UCU، AGU، أو AGC) (يُشار إلى الاختلاف في الموقع الأول أو الثاني أو الثالث). ^{[ 49 ]} من النتائج العملية للتكرار أن الأخطاء في الموضع الثالث من الكودون الثلاثي لا تُسبب سوى طفرة صامتة أو خطأ لا يؤثر على البروتين، لأن خاصية محبة الماء أو كرهه تُحافظ عليها من خلال استبدال مكافئ للأحماض الأمينية؛ على سبيل المثال، يميل الكودون NUN (حيث N = أي نيوكليوتيد) إلى ترميز أحماض أمينية كارهة للماء. يُنتج الكودون NCN بقايا أحماض أمينية صغيرة الحجم ومتوسطة كره الماء ؛ بينما يُرمّز الكودون NAN بقايا أحماض أمينية متوسطة الحجم ومحبة للماء. إن الشفرة الوراثية مُهيكلة بدقة عالية فيما يتعلق بكره الماء، لدرجة أن التحليل الرياضي ( تحليل القيم المفردة ) لـ 12 متغيرًا (4 نيوكليوتيدات × 3 مواضع) يُعطي ارتباطًا ملحوظًا (C = 0.95) للتنبؤ بكره الماء للحمض الأميني المُرمّز مباشرةً من تسلسل النيوكليوتيدات الثلاثي، دون الحاجة إلى ترجمة. ^{[ 50 ] [ 51 ]} لاحظ في الجدول أدناه أن ثمانية أحماض أمينية لا تتأثر إطلاقًا بالطفرات في الموضع الثالث من الكودون، بينما في الشكل أعلاه، من المرجح أن تُحدث الطفرة في الموضع الثاني تغييرًا جذريًا في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للحمض الأميني المُشفَّر. ومع ذلك، فإن التغييرات في الموضع الأول من الكودونات أكثر أهمية من التغييرات في الموضع الثاني على نطاق واسع. ^{[ 52 ]} قد يكون السبب هو أن انعكاس الشحنة (من شحنة موجبة إلى شحنة سالبة أو العكس) لا يمكن أن يحدث إلا عند حدوث طفرات في الموضع الأول لبعض الكودونات، وليس عند حدوث تغييرات في الموضع الثاني لأي كودون. قد يكون لهذا الانعكاس في الشحنة عواقب وخيمة على بنية البروتين أو وظيفته. ربما تم التقليل من شأن هذا الجانب إلى حد كبير في الدراسات السابقة. ^{[ 52 ]}

يختلف تواتر الكودونات، المعروف أيضًا بانحياز استخدام الكودونات ، من نوع إلى آخر، مما يؤثر على وظائف عملية الترجمة . ويختلف الكودون باختلاف الكائن الحي؛ فعلى سبيل المثال، يُعد كودون البرولين الأكثر شيوعًا في بكتيريا الإشريكية القولونية هو CCG، بينما يُعد الأقل استخدامًا في البشر. ^{[ 53 ]}

في بعض البروتينات، تُستبدل أحماض أمينية غير قياسية بكودونات التوقف القياسية، وذلك تبعًا لتسلسلات الإشارة المرتبطة بها في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). على سبيل المثال، يمكن أن يُشفّر كودون UGA حمض السيلينوسيستين ، بينما يُشفّر كودون UAG حمض البيروليسين . أصبح السيلينوسيستين يُعتبر الحمض الأميني الحادي والعشرين، والبيروليسين الحمض الأميني الثاني والعشرين. ^{[ 55 ]} قد يتواجد كل من السيلينوسيستين والبيروليسين في الكائن الحي نفسه. ^{[ 55 ]} على الرغم من أن الشفرة الوراثية ثابتة عادةً في الكائن الحي، إلا أن بدائيات النوى من نوع Acetohalobium arabaticum، وهي من فصيلة العثيات ، تستطيع توسيع شفرتها الوراثية من 20 إلى 21 حمضًا أمينيًا (بإضافة البيروليسين) في ظل ظروف نمو مختلفة. ^{[ 56 ]}

كان هناك في الأصل رأي بسيط ومقبول على نطاق واسع مفاده أن الشفرة الوراثية يجب أن تكون عالمية، أي أن أي اختلاف فيها سيكون قاتلاً للكائن الحي (مع أن كريك ذكر أن الفيروسات استثناء). يُعرف هذا الرأي بـ"حجة الحادثة المجمدة" لإثبات عالمية الشفرة الوراثية. مع ذلك، في ورقته البحثية الرائدة حول أصول الشفرة الوراثية عام 1968، أكد فرانسيس كريك أن عالمية الشفرة الوراثية في جميع الكائنات الحية فرضية غير مثبتة، وربما لا تكون صحيحة في بعض الحالات. وتوقع أن "الشفرة عالمية (متشابهة في جميع الكائنات الحية) أو شبه عالمية". ^{[ 58 ]} اكتُشف أول اختلاف عام 1979، على يد باحثين يدرسون جينات الميتوكوندريا البشرية . ^{[ 59 ]} ثم اكتُشفت العديد من الاختلافات الطفيفة بعد ذلك، ^{[ 60 ]} بما في ذلك شفرات ميتوكوندريا بديلة متنوعة. ^{[ 61 ]} تشمل هذه الاختلافات الطفيفة، على سبيل المثال، ترجمة الكودون UGA إلى تريبتوفان في أنواع الميكوبلازما ، وترجمة الكودون CUG إلى سيرين بدلاً من ليوسين في خمائر "مجموعة CTG" (مثل المبيضات البيضاء ). ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]} ولأن الفيروسات تستخدم نفس الشفرة الوراثية لمضيفيها، فإن أي تعديل على الشفرة الوراثية القياسية قد يؤثر على تخليق البروتين الفيروسي أو وظيفته. مع ذلك، فقد تكيفت فيروسات مثل فيروسات التوتيفيروس مع تعديل الشفرة الوراثية للمضيف. ^{[ 65 ]} في البكتيريا والعتائق ، يُعدّ كل من GUG وUUG من كودونات البدء الشائعة. وفي حالات نادرة، قد تستخدم بعض البروتينات كودونات بدء بديلة. ^{[ 60 ]} من المثير للدهشة أن الاختلافات في تفسير الشفرة الوراثية موجودة أيضًا في الجينات النووية البشرية: ففي عام 2016، وجد باحثون يدرسون ترجمة إنزيم نازع هيدروجين الماليت أن كودون التوقف يُستخدم بشكل طبيعي في حوالي 4% من جزيئات mRNA التي تشفر هذا الإنزيم لترميز الحمضين الأمينيين التربتوفان والأرجينين. ^{[ 66 ]} يُحفز هذا النوع من إعادة الترميز بواسطة سياق كودون توقف عالي القراءة ^{[ 67 ]} ويُشار إليه باسم القراءة الوظيفية للترجمة . ^{[ 68 ]}

على الرغم من هذه الاختلافات، فإن جميع الشفرات الوراثية الطبيعية المعروفة متشابهة جدًا. آلية الترميز واحدة في جميع الكائنات الحية: كودونات ثلاثية القواعد، وtRNA ، والريبوسومات، وقراءة أحادية الاتجاه، وترجمة الكودونات المفردة إلى أحماض أمينية مفردة. ^{[ 69 ]} تظهر أقصى الاختلافات في بعض الهدبيات، حيث يعتمد معنى كودونات التوقف على موقعها داخل mRNA. فعندما تكون قريبة من النهاية 3'، تعمل ككودونات إنهاء، بينما في المواقع الداخلية، إما أنها تشفر أحماضًا أمينية كما في Condylostoma magnum ^{[ 70 ]،} أو تحفز انزياح إطار القراءة الريبوسومي كما في Euplotes . ^{[ 71 ]}

لقد دُرست أصول الشفرة الوراثية وتنوعها، بما في ذلك الآليات الكامنة وراء قابليتها للتطور، على نطاق واسع، ^{[ 72 ] [ 73 ]} كما أُجريت بعض الدراسات تجريبياً لتطوير الشفرة الوراثية لبعض الكائنات الحية. ^{[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]}

يمكن استنتاج الشفرات الوراثية المتغيرة التي يستخدمها الكائن الحي من خلال تحديد الجينات المحفوظة بدرجة عالية والمشفرة في جينومه، ومقارنة استخدام الكودونات فيها بالأحماض الأمينية في البروتينات المتماثلة للكائنات الحية الأخرى. على سبيل المثال، يستنتج برنامج FACIL الشفرة الوراثية من خلال البحث عن الأحماض الأمينية في نطاقات البروتينات المتماثلة التي تتوافق بشكل متكرر مع كل كودون. وتُعرض احتمالات الأحماض الأمينية (أو كودون التوقف) الناتجة لكل كودون في شعار الشفرة الوراثية. ^{[ 57 ]}

حتى يناير 2022، أُجريت الدراسة الأكثر شمولاً للشفرات الوراثية بواسطة شولغينا وإيدي، اللذين فحصا 250,000 جينوم بدائيات النوى باستخدام أداة Codetta. تستخدم هذه الأداة منهجًا مشابهًا لـ FACIL مع قاعدة بيانات Pfam أكبر . على الرغم من أن المركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية (NCBI) كان يوفر بالفعل 27 جدول ترجمة، فقد تمكن الباحثان من اكتشاف 5 اختلافات جديدة في الشفرة الوراثية (مؤكدة بطفرات الحمض النووي الريبوزي الناقل tRNA) وتصحيح العديد من حالات الإسناد الخاطئ. ^{[ 77 ]} استُخدمت Codetta لاحقًا لتحليل تغير الشفرة الوراثية في الهدبيات . ^{[ 78 ]}