Bingkai pembacaan

Bingkai pembacaan (reading frame) dalam DNA atau RNA ditentukan oleh triplet nukleotida awal yang menjadi titik awal penerjemahan. Kodon awal ini mengatur tahap untuk triplet yang tidak tumpang tindih berikutnya, yang disebut kodon, dalam urutan yang dikenal sebagai “bingkai pembacaan terbuka” (ORF). Sebagai contoh, urutan 5'-AAATGAACG-3' dapat dibaca dengan tiga cara yang berbeda, tergantung dari mana pembacaan dimulai. Jika dibaca dari nukleotida pertama, maka akan menghasilkan kodon AAA, TGA, dan ACG. Jika pembacaan dimulai dari nukleotida kedua atau ketiga, kumpulan kodon yang berbeda akan terbentuk. Ini berarti satu urutan tunggal dapat menghasilkan rantai asam amino yang berbeda tergantung pada bingkai pembacaan. Pada DNA untai ganda, ada enam bingkai pembacaan potensial: tiga ke arah depan pada satu untai dan tiga ke arah belakang pada untai komplementer.

Bingkai pembacaan kode protein biasanya dimulai pada kodon AUG (dalam RNA) atau ATG (dalam DNA) pertama, yang menandakan dimulainya penerjemahan. Pada eukariota, ORF pengkodean protein sering kali terganggu oleh urutan non-pengkodean yang disebut intron, yang harus dihilangkan untuk mendapatkan urutan mRNA akhir.

Kodon awal dan kodon stop

Kodon awal merupakan kodon pertama yang diterjemahkan pada saat translasi atau disebut juga kodon inisiasi (AUG yang menyandikan metionin).^[7] Selain kodon inisiasi, untuk memulai translasi diperlukan juga sekuen atau situs yang disebut Shine-Dalgarno untuk pengenalan oleh ribosom yang juga dibantu oleh faktor inisiasi (berupa tiga jenis protein).

Menurut Gordon et al. (2019), kodon stop merupakan salah satu dari tiga kodon, yaitu UAG, UAA atau UGA.^[8] Kodon stop disebut juga kodon terminal yang tidak menyandikan asam amino.^[8] Kodon stop menyebabkan proses translasi berakhir dengan bantuan faktor pelepasan untuk melepas ribosom.^[8]

Asam amino non-standar

Asam amino non-standar terkadang dapat menggantikan kodon stop standar dalam protein, tergantung pada urutan sinyal tertentu dalam mRNA. Sebagai contoh, kodon stop UGA dapat mengkodekan selenosistein, dan UAG dapat mengkodekan pirrolisin. Selenosistein sering disebut sebagai asam amino ke-21, sedangkan pirrolisin dianggap sebagai asam amino ke-22. Menariknya, kedua asam amino non-standar ini dapat ditemukan dalam organisme yang sama. Meskipun kode genetik biasanya stabil dalam suatu organisme, prokariota tertentu seperti archaeon Acetohalobium arabaticum dapat memperluas kode genetik mereka untuk memasukkan pirrolisin, meningkatkan jumlah asam amino yang digunakan dari 20 menjadi 21, tergantung pada kondisi pertumbuhan.

Variasi

Awalnya, kode genetik diyakini bersifat universal, berdasarkan gagasan bahwa variasi apa pun akan mematikan bagi suatu organisme, yang disebut teori “kecelakaan beku”. Namun, pada 1968, Francis Crick menyatakan bahwa keuniversalan kode genetik di seluruh organisme tidak terbukti dan kemungkinan besar tidak mutlak. Dia memperkirakan kode tersebut akan menjadi “universal atau hampir universal.” Variasi pertama dalam kode genetik ditemukan pada 1979 pada gen mitokondria manusia, dan lebih banyak lagi varian kecil yang ditemukan setelahnya, termasuk kode mitokondria alternatif.

Misalnya, pada spesies Mycoplasma, kodon UGA diterjemahkan sebagai triptofan, bukan sebagai kodon stop, dan pada ragi tertentu, kode CUG untuk serin, bukan leusin. Virus, yang bergantung pada mesin genetik inang, umumnya mengikuti kode genetik inang, tetapi beberapa, seperti totivirus, telah beradaptasi dengan modifikasi kode pada inangnya. Pada bakteri dan arkea, GUG dan UUG sering digunakan sebagai kodon awal, dan dalam kasus yang jarang terjadi, kodon awal alternatif digunakan pada protein tertentu.

Menariknya, variasi dalam kode genetik juga ditemukan pada gen yang dikodekan oleh nuklir manusia. Pada 2016, para peneliti menemukan bahwa sekitar 4% dari mRNA yang mengkode malat dehidrogenase menggunakan kodon stop untuk mengkodekan triptofan dan arginin, sebuah fenomena yang disebut pembacaan translasi fungsional.

Terlepas dari variasi ini, semua kode genetik yang diketahui mengikuti mekanisme dasar yang sama: kodon yang terdiri dari tiga basa, tRNA, ribosom, dan pembacaan dalam satu arah. Namun, variasi ekstrem telah ditemukan pada ciliata, di mana arti kodon stop tergantung pada posisinya dalam mRNA.

Asal-usul dan evolusi kode genetik telah dipelajari secara ekstensif, dan beberapa penelitian bahkan melibatkan evolusi kode genetik secara eksperimental pada organisme.

Inferensi

Varian kode genetik yang digunakan oleh organisme dapat ditentukan dengan menganalisis gen yang sangat lestari dalam genom mereka dan membandingkan penggunaan kodon dengan asam amino yang ditemukan dalam protein homolog dari organisme lain. Sebagai contoh, program FACIL menyimpulkan kode genetik dengan memeriksa asam amino mana dalam domain protein yang serupa yang sesuai dengan setiap kodon. Probabilitas yang dihasilkan untuk setiap kodon, apakah sesuai dengan asam amino atau kodon stop, secara visual diwakili dalam logo kode genetik.

Pada Januari 2022, survei kode genetik yang paling komprehensif dilakukan oleh Shulgina dan Eddy, yang menganalisis 250.000 genom prokariotik menggunakan alat Codetta. Alat ini bekerja mirip dengan FACIL tetapi menggunakan basis data Pfam yang lebih besar. Meskipun NCBI telah menyediakan 27 tabel terjemahan, para penulis mengidentifikasi lima variasi baru kode genetik, yang didukung oleh mutasi tRNA, dan mengoreksi beberapa kesalahan penafsiran sebelumnya. Codetta juga telah digunakan untuk mempelajari perubahan kode genetik pada ciliata.

Sintesis protein

Kode genetik membawa informasi tentang urutan asam amino yang dibutuhkan oleh protein. Informasi ini dibawa oleh gen tertentu. Jenis informasi yang berada di dalam kode genetik berupa cara pengkodean urutan nukleotida pada DNA atau RNA untuk menentukan urutan asam amino pada saat sintesis protein. Basa nitrogen menentukan informasi di dalam kode genetik pada rantai DNA yang akan menentukan susunan asam amino.^[9]