mini|Eine Darstellung des genetischen Codes (Code-Sonne): In der Abfolge von innen nach außen wird einem Basentriplett der mRNA (gelesen von 5' nach 3') hier eine der zwanzig kanonischen Aminosäuren zugeordnet oder ein Stopcodon markiert.
Als genetischer Code wird die Weise bezeichnet, mit der die Nukleotidsequenz eines RNA-Einzelstrangs in die Aminosäurensequenz der Polypeptidkette eines Proteins übersetzt wird. In der Zelle geschieht dies, nachdem zuvor die in der Abfolge von Basenpaaren des DNA-Doppelstrangs niedergelegte Erbinformation in die Sequenz des RNA-Einzelstrangs (Boten- oder Messenger-Ribonukleinsäure, mRNA) umgeschrieben wurde.
Dieser genetische Code ist bei allen bekannten Arten von Lebewesen in den Grundzügen gleich. Er ordnet einem Triplett von drei aufeinanderfolgenden Nukleobasen der Nukleinsäuren – dem sogenannten Codon – jeweils eine bestimmte proteinogene Aminosäure zu. Die Übersetzung, Translation genannt, findet an den Ribosomen im Zytosol einer Zelle statt. Sie bilden nach Vorgabe der Sequenz von Nukleotiden einer mRNA die Sequenz von Aminosäuren eines Peptids, indem jedem Codon über das Anticodon einer Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA) eine bestimmte Aminosäure zugewiesen und diese mit der vorherigen verbunden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmte vorgegebene Information in die Form einer Peptidkette überführt, die sich dann zur besonderen Form eines Proteins faltet.
Je komplexer Lebewesen jedoch sind, desto höher scheint der Anteil genetischer Information zu sein, der nicht in Proteine übersetzt wird. Ein beträchtlicher Teil an nicht-codierender DNA wird zwar in RNAs transkribiert, aber nicht per Translation in eine Peptidkette übersetzt. Zu diesen nicht für Protein codierenden RNA-Spezies des Transkriptoms gehören neben den für die Translation erforderlichen tRNAs und ribosomalen RNAs (rRNA) eine Reihe weiterer, meist kleiner RNA-Formen. Diese dienen in vielfältiger Weise der Regulation verschiedener zellulärer Prozesse – so der Transkription selbst, wie auch der möglichen Translation, außerdem einer eventuellen DNA-Reparatur, und darüber hinaus besonderen epigenetischen Markierungen von DNA-Abschnitten sowie u. a. verschiedenen Funktionen des Immunsystems.
mini|Ein Beispiel für die Paarung des Codons auf einer mRNA mit dem komplementären Anticodon einer tRNA, hier die mit Alanin beladene tRNAAla, deren Anticodon zu GCC passt. Die Transfer-Ribonukleinsäuren, tRNAs, enthalten an prominenter Stelle einer Schleife des kleeblattähnlichen Moleküls ein kennzeichnendes Nukleotid-Triplett, das sie voneinander unterscheidet. Es besteht jeweils aus drei Nukleotiden, die den Nukleotiden eines bestimmten Codons entsprechen, indem sie komplementär zu diesen sind und so ein dreigliedriges Anticodon bilden. Codon und Anticodon passen basenpaarend zueinander und ihnen ist die gleiche spezifische Aminosäure zugeordnet. Eine tRNA wird jeweils mit derjenigen Aminosäure beladen, für die das zu ihrem Anticodon passende Codon steht. Auf diese Weise, durch die spezifische Bindung einer Aminosäure an eine tRNA mit einem bestimmten Anticodon, wird also das Zeichen für eine bestimmte Aminosäure, das Codon, in die genetisch codierte Aminosäure übersetzt.
Streng genommen ist der genetische Code also schon in der Struktur der verschiedenen tRNA-Arten enthalten: Denn ein jedes tRNA-Molekül enthält eine derart strukturierte Aminosäure-Bindungsstelle, dass daran nur jene Aminosäure gebunden wird, die seinem Anticodon nach dem genetischen Code entspricht. Nach Bindung an ihre tRNA steht eine Aminosäure für die Biosynthese von Proteinen am Ribosom zur Verfügung, sodass sie als nächstes Glied der Polypeptidkette angefügt werden kann – falls das Anticodon der tRNA zu einem Codon in der vorgegebenen Nukleotidsequenz der mRNA passt. mini|Darstellung der Transkription genetischer Information aus einem DNA-Abschnitt in ein RNA-Transkript, wo dann U anstelle von T steht.
Als Voraussetzung für diese Proteinsynthese muss der DNA-Abschnitt eines Gens zunächst in eine Ribonukleinsäure (RNA) umgeschrieben werden (Transkription). Dabei können in eukaryoten Zellen bestimmte Teile dieser hnRNA gezielt entfernt (Spleißen) oder danach verändert werden (RNA-Editing); anschließend wird diese vorläufige prä-mRNA weiter prozessiert zur definitiven mRNA, die schließlich aus dem Zellkern exportiert wird. Denn erst an den Ribosomen, die frei im Zytosol vorliegen können oder an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind, werden anhand der mRNA-Vorlage dann die Aminosäuren der zu den Codons passenden tRNAs miteinander zu einem Polypeptid verknüpft.
Dieser Vorgang, mit dem die Information eines Gens in der Form eines Proteins ausgedrückt wird (Genexpression), ergibt sich somit aus einer Folge von Schritten. Hierbei werden die Hauptprozesse unterschieden als (1) Transkription – ein Abschnitt der DNA des Genoms wird durch RNA-Polymerase in RNA umgeschrieben – und (2) posttranskriptionale Modifikation – eine RNA des Transkriptoms wird verändert – sowie (3) Translation – eine mRNA wird am Ribosom in ein Polypeptid übersetzt. Daran kann sich (4) noch eine posttranslationale Modifikation anschließen – ein Polypeptid des Proteoms wird verändert. Im Ablauf dieser Prozesse bis hin zur Bereitstellung eines funktionstragenden Proteins ist die Translation also der Schritt, in dem die genetische Information der Basentriplett-Abfolge in eine Aminosäure-Abfolge umgesetzt wird.
Die eigentliche Anwendung des genetischen Codes, nämlich die Übersetzung einer Nukleotidsequenz in eine Aminosäure anhand des Codons beziehungsweise des Anticodons, findet schon bei der Bindung einer Aminosäure an ihre tRNA durch die jeweilige Aminoacyl-tRNA-Synthetase statt, also bei der Vorbereitung der Aminosäuren für ihren möglichen Zusammenbau in einem Protein. Einige wenige Basentripletts codieren nicht für eine Aminosäure. Insofern sie in diesem Sinn keine Bedeutung tragen, werden sie auch Nonsens-Codons genannt; diese führen bei der Translation zu einem Stop, der die Proteinsynthese beendet, und heißen daher auch Stopcodons.
Alle Lebewesen benutzen in Grundzügen denselben genetischen Code. Die wohl am häufigsten gebrauchte Version ist in den folgenden Tabellen angegeben. Sie zeigen für diesen Standard-Code, welche Aminosäuren von einem der 43 = 64 möglichen Codons gemeinhin codiert werden, bzw. welches Codon in eine der 20 kanonischen Aminosäuren übersetzt wird. So steht zum Beispiel das Codon GAU für die Aminosäure Asparaginsäure (Asp), und Cystein (Cys) wird von den Codons UGU und UGC codiert. Die in der Tabelle angegebenen Basen sind Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U) der Ribonukleotide der mRNA; in den Nukleotiden der DNA tritt dagegen Thymin (T) anstelle von Uracil auf. Bei der Transkription eines DNA-Abschnitts dient einer RNA-Polymerase der codogene Strang als Matrize für das Transkript: die DNA-Basensequenz wird basenpaarend in die komplementäre RNA-Basensequenz umgeschrieben beim Aufbau eines RNA-Strangs. Damit wird auf die in DNA vererbbar abgelegte genetische Information zugegriffen, die dann in mRNA für die Proteinbiosynthese zur Verfügung steht.
Geschichte der Entdeckung Der erste Vergleich von großen, aus zahlreichen Bausteinen bestehenden Erbmolekülen mit einer Schrift stammt von Friedrich Miescher, dem Entdecker der Nukleinsäuren, wie aus den erst posthum 1897 veröffentlichten Briefen an den Mediziner Wilhelm His, seinen Onkel, hervorgeht. Es sei völlig überflüssig, aus Eizelle und Spermazelle „eine Vorratskammer zahlloser chemischer Stoffe zu machen, deren jeder Träger einer besonderen erblichen Eigenschaft sein soll,“ schrieb er 1892.Johann Friedrich Miescher: Brief an Wilhelm His, 17. Dezember 1892 In: Miescher, Johann Friedrich: Die histochemischen und physiologischen Arbeiten, Band 1, Seite 116 f. Zitiert nach: Hans Blumenberg: Die Lesbarkeit der Welt. Weder das Protoplasma noch der Kern der Zelle bestünden aus zahllosen chemischen Stoffen, sondern vielmehr aus „ganz wenigen chemischen Individuen, von allerdings vielleicht sehr kompliziertem chemischen Bau.“ Der Schlüssel zu Vererbung und zur Sexualität liegt nach diesen Überlegungen Mieschers in der Stereochemie von Großmolekülen. Die Größe und Kompliziertheit der beteiligten chemischen Bauformen erlaube eine kolossale Menge von Stereoisomerien, sodass „aller Reichtum und alle Mannigfaltigkeit erblicher Übertragungen ebenso gut darin ihren Ausdruck finden können, als die Worte und Begriffe aller Sprachen in den 24–30 Buchstaben des Alphabets.“
Albrecht Kossel, der Mieschers Arbeiten an Nukleinsäuren fortgeführt und bereits 1891 als deren Spaltprodukte die Nukleinbasen entdeckt hatte, vertiefte diesen heuristischen Schriftvergleich der Erbinformation in seiner Harvey Lecture „The chemical composition of the cell“ von 1911.Albrecht Kossel: Harvey Lecture. Philadelphia 7, 33 (1911/1912). Hier angeführt nach: Carsten Bresch, Rudolf Hausmann: Klassische und molekulare Genetik. 3. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York 1972. Springer Verlag. Seite 134. Bresch selbst nahm an, dass Albrecht Kossel den Schriftvergleich „erfunden“ habe. Diesen Vergleich griff Max Planck in seinem Vortrag Positivismus und reale Außenwelt (1930) auf und später Erwin Schrödinger im Dubliner Exil in Vorträgen und der wirkmächtigen Schrift What is Life? (1944) für die Frage, wie genetische Information in Molekülen gespeichert und weitergegeben werden kann. Der Philosoph Hans Blumenberg weist in seinem Werk Die Lesbarkeit der Welt (1986) in der Episode Der genetische Code und seine Leser darauf hin, dass die späten wichtigen Äußerungen des bereits schwer erkrankten Friedrich Miescher in der Biologie kaum rezipiert sind.Hans Blumenberg: Die Lesbarkeit der Welt. Suhrkamp Verlag, Frankfurt am Main 1986. Kapitel XXII Der genetische Code und seine Leser. Seite 372 ff.
All diese Spekulationen erhielten allerdings erst eine feste Basis, als die Molekularbiologie weiter fortschritt. In den 1940er Jahren gelang Oswald Avery der Nachweis, dass die DNA Träger der Erbinformation ist. 1953 klärten James Watson und Francis Crick deren Struktur und wiesen auf einen möglichen Mechanismus der Vervielfältigung hin. George Gamow gab Francis Crick den ersten Anstoß zur Aufklärung des genetischen Codes, als er ihm in einem Brief mitteilte, dass für die Kodierung von 20 Aminosäuren mindestens Dreier-Kombinationen (Tripletts) der vier Basen der DNS nötig sind (da mit Zweierkombinationen nur Aminosäuren kodierbar sind).Gino Segré, The big bang and the genetic code, Nature, Band 404, 2000, S. 437 Gamow veröffentlichte dies auch in einem Brief an Nature 1954Gamow, Possible relation between DNA and protein structures, Nature, Band 173, 1954, S. 318 und in den Mitteilungen der dänischen Akademie der Wissenschaften.Gamow, Possible mathematical relation between Deoxyribonucleic Acid and Proteins, Kong. Danske Vid. Selsk., Biolog. Meddelelser, Band 22, 1954, Nr. 3