Traduttore da DNA a proteina

Un traduttore da DNA a proteina converte una sequenza di DNA o RNA nella sequenza proteica che essa codifica. Legge la sequenza in gruppi di tre lettere, chiamati codoni, e converte ogni codone in un amminoacido usando il codice genetico standard.

Che cos'è la traduzione del DNA

Una cellula conserva le istruzioni genetiche nel DNA. Per costruire una proteina, copia prima un gene nell'RNA messaggero (mRNA). Questo passaggio si chiama trascrizione. I ribosomi leggono quindi l'mRNA e collegano gli amminoacidi nell'ordine specificato dall'mRNA. Questo passaggio si chiama traduzione. La catena di amminoacidi risultante si ripiega formando una proteina funzionale.

L'RNA differisce dal DNA in un solo aspetto rilevante: l'RNA usa la base uracile (U) dove il DNA usa la timina (T). Per questo, una sequenza di DNA può essere tradotta usando la stessa tabella dei codoni di una sequenza di RNA, purché ogni U venga prima letta come T.

Come tradurre il DNA in una proteina

Il traduttore converte una sequenza di input in una sequenza proteica attraverso quattro passaggi.

1. Pulisci la sequenza. Le lettere vengono convertite in maiuscolo e ogni U viene cambiata in T. Gli spazi, le interruzioni di riga, le cifre e la punteggiatura usata nelle sequenze FASTA incollate (>, - e *) vengono rimossi. Se dopo la pulizia non rimane nulla, il traduttore segnala che l'input è vuoto.
2. Controlla le basi. Ogni carattere rimanente deve essere A, C, G o T. Qualsiasi altro carattere interrompe il processo e genera un messaggio di errore che elenca i caratteri non validi.
3. Dividi in codoni. A partire dalla cornice di lettura scelta, la sequenza viene suddivisa in gruppi non sovrapposti di tre basi.
4. Traduci ogni codone. Ogni codone viene associato a un amminoacido usando la tabella del codice genetico riportata di seguito. La traduzione si arresta al primo codone di stop (TAA, TAG o TGA). Il codone di stop non viene aggiunto alla sequenza proteica.

Se dopo l'ultimo codone completo rimangono meno di tre basi, queste non possono essere tradotte e il traduttore le segnala come basi residue. Le basi che si trovano dopo un codone di stop non vengono conteggiate come residue, perché la traduzione è già terminata.

Cornici di lettura

Una cornice di lettura è il punto di partenza usato per suddividere una sequenza in codoni. Poiché ogni codone è lungo tre basi, una sequenza può essere suddivisa iniziando dalla prima, dalla seconda o dalla terza base. Queste sono chiamate cornice di lettura 1, 2 e 3. Ogni cornice produce generalmente una sequenza proteica diversa. In un gene reale, una sola cornice di lettura produce la proteina corretta. Le altre due spesso incontrano rapidamente un codone di stop e producono una sequenza breve e priva di significato.

Inizio dal primo ATG

La maggior parte dei geni inizia con il codone ATG. Questo codifica la metionina e indica il punto in cui inizia la proteina. Il traduttore offre un'opzione chiamata «Scansiona fino al primo codone di inizio (ATG)». Quando l'opzione è attiva, il traduttore avanza lungo la cornice scelta finché raggiunge un codone esattamente uguale ad ATG, quindi inizia la traduzione da quel punto. Le basi precedenti a quell'ATG vengono ignorate. Quando l'opzione è disattivata, la traduzione inizia dalla prima base della cornice.

La scansione accetta solo un ATG che si trovi al confine di un codone della cornice scelta. Consideriamo CATGGCCTAA. La cornice 1 la suddivide in CAT GGC CTA, quindi le lettere ATG non si allineano mai con un codone e il traduttore segnala che in questa cornice non è stato trovato alcun codone di inizio. La cornice 2 inizia dalla seconda base e produce ATG GCC TAA, quindi la traduzione inizia subito e produce MA.

Il codice genetico

Il codice genetico standard assegna ciascuno dei 64 codoni possibili a uno dei 20 amminoacidi oppure a un segnale di stop. È il codice usato dalla maggior parte dei geni nella maggior parte degli organismi, compresi gli esseri umani.

ATG codifica la metionina. È anche il codone che la maggior parte dei geni usa per indicare l'inizio della sequenza codificante.

Esempio: traduzione di una sequenza di DNA

Consideriamo la sequenza ATGGCCATTGTAATGGGCCGCTGAAAGGGTGCCCGATAG nella cornice di lettura 1.

Suddivisione in codoni: ATG GCC ATT GTA ATG GGC CGC TGA AAG GGT GCC CGA TAG

Traduzione di ogni codone: ATG → M, GCC → A, ATT → I, GTA → V, ATG → M, GGC → G, CGC → R, TGA → stop.

L'ottavo codone, TGA, è un codone di stop, quindi la traduzione termina in quel punto. La sequenza proteica è MAIVMGR, lunga sette amminoacidi. Le basi successive al codone di stop non vengono tradotte.

Esempio: una sequenza codificante senza codone di stop

Consideriamo la sequenza ATGAAGTACGCCTACATCGCCAAGCAGCGCCAG nella cornice di lettura 1. È lunga 33 basi, che corrispondono esattamente a 11 codoni.

Suddivisione in codoni: ATG AAG TAC GCC TAC ATC GCC AAG CAG CGC CAG

Traduzione di ogni codone: M, K, Y, A, Y, I, A, K, Q, R, Q.

Non compare alcun codone di stop, quindi vengono tradotti tutti gli 11 codoni. La sequenza proteica è MKYAYIAKQRQ, senza basi residue.

Esempio: come cambia il risultato modificando la cornice di lettura

La breve sequenza ATGCATGCA mostra perché la cornice di lettura è importante.

• Cornice 1 (inizio dalla base 1): ATG CAT GCA → M, H, A. Proteina: MHA.
• Cornice 2 (inizio dalla base 2): TGC ATG CA → C, M, con 2 basi residue che non possono formare un codone.
• Cornice 3 (inizio dalla base 3): GCA TGC A → A, C, con 1 base residua.

Tre diversi punti di partenza producono tre diverse sequenze proteiche a partire dalle stesse nove basi.

Usi della traduzione da DNA a proteina

I ricercatori traducono le sequenze di DNA per prevedere quale proteina produca un gene, verificare che una sequenza clonata sia ancora nella cornice di lettura corretta dopo le modifiche e osservare come una mutazione cambi la sequenza di amminoacidi di una proteina. Le pipeline di bioinformatica traducono automaticamente le sequenze genomiche per aiutare ad annotare i geni e a cercare nei database delle proteine.

Una breve storia

Francis Crick descrisse il flusso dell'informazione genetica dal DNA all'RNA e poi alla proteina nel 1958, definendolo il dogma centrale della biologia molecolare. Nel 1961, Marshall Nirenberg e Heinrich Matthaei dimostrarono che il codone UUU codifica l'amminoacido fenilalanina, il primo codone a essere decifrato. Entro il 1966, ricercatori tra cui Nirenberg e Har Gobind Khorana avevano determinato tutte le assegnazioni dei 64 codoni, definendo il codice genetico usato oggi da questo traduttore.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra traduzione e trascrizione del DNA?

La trascrizione copia una sequenza di DNA nell'mRNA. La traduzione legge quell'mRNA e costruisce una proteina a partire da esso. Questo strumento salta il passaggio dell'RNA e traduce direttamente una sequenza di DNA, applicando le stesse regole dei codoni.

Perché il traduttore offre tre cornici di lettura?

Un codone è lungo tre basi, quindi una sequenza può essere suddivisa in codoni iniziando dalla prima, dalla seconda o dalla terza base. Solo una di queste tre cornici corrisponde generalmente alla vera sequenza codificante di un gene, quindi controllarle tutte può aiutare a individuarla.

Che cosa succede se la lunghezza della sequenza non è un multiplo di tre?

Le basi aggiuntive alla fine non possono formare un codone completo. Il traduttore segnala il numero di basi residue e traduce ogni codone completo che le precede.

Posso incollare una sequenza di RNA invece del DNA?

Sì. Ogni U dell'input viene automaticamente letta come T prima della traduzione, quindi una sequenza di RNA produce lo stesso risultato dell'equivalente sequenza di DNA.

Che cosa fa un codone di stop?

Un codone di stop (TAA, TAG o TGA) indica la fine della sequenza codificante. Il traduttore si arresta in quel punto e non aggiunge alla sequenza proteica né il codone di stop stesso né ciò che lo segue.

Che cosa fa l'opzione del codone di inizio?

Indica al traduttore di avanzare fino al primo ATG nella cornice di lettura scelta e iniziare da lì, come fa un ribosoma quando inizia a leggere da un codone di inizio. Quando l'opzione è disattivata, la traduzione inizia invece dalla prima base della cornice. Se la cornice non contiene alcun ATG nella corretta posizione, il traduttore lo segnala invece di fare supposizioni.

Tutti gli organismi usano lo stesso codice genetico?

Quasi tutti i geni nucleari usano il codice standard mostrato sopra. Esistono alcune eccezioni, come il DNA mitocondriale umano, in cui il codone TGA codifica il triptofano invece di fungere da segnale di stop.