DNA-naar-eiwitvertaler

Een DNA-naar-eiwitvertaler zet een DNA- of RNA-sequentie om in de eiwitsequentie die deze codeert. De sequentie wordt gelezen in groepen van drie letters, codons genoemd, en elk codon wordt met behulp van de standaardgenetische code omgezet in één aminozuur.

Wat DNA-vertaling is

Een cel slaat genetische instructies op in DNA. Om een eiwit te maken, kopieert de cel eerst een gen naar boodschapper-RNA (mRNA). Deze stap heet transcriptie. Ribosomen lezen vervolgens het mRNA en verbinden aminozuren in de volgorde die het mRNA aangeeft. Deze stap heet translatie. De voltooide keten van aminozuren vouwt zich op tot een functioneel eiwit.

RNA verschilt maar op één relevant punt van DNA: RNA gebruikt de base uracil (U) waar DNA thymine (T) gebruikt. Daarom kan een DNA-sequentie met dezelfde codontabel als een RNA-sequentie worden vertaald, zolang elke U eerst als T wordt gelezen.

DNA naar eiwit vertalen

De vertaler zet een invoersequentie in vier stappen om in een eiwitsequentie.

1. De sequentie opschonen. Letters worden omgezet naar hoofdletters en elke U wordt veranderd in T. Spaties, regeleinden, cijfers en de leestekens die in geplakte FASTA-sequenties worden gebruikt (>, - en *) worden verwijderd. Als er na het opschonen niets overblijft, meldt de vertaler dat de invoer leeg is.
2. De basen controleren. Elk overblijvend teken moet A, C, G of T zijn. Elk ander teken stopt het proces en leidt tot een foutmelding met de ongeldige tekens.
3. De sequentie in codons verdelen. Beginnend bij het gekozen leesraam wordt de sequentie gesplitst in niet-overlappende groepen van drie basen.
4. Elk codon vertalen. Elk codon wordt met behulp van de onderstaande genetische codetabel gekoppeld aan één aminozuur. De vertaling stopt bij het eerste stopcodon (TAA, TAG of TGA). Het stopcodon zelf wordt niet aan de eiwitsequentie toegevoegd.

Als er na het laatste volledige codon minder dan drie basen overblijven, kunnen die basen niet worden vertaald en meldt de vertaler ze als overgebleven basen. Basen na een stopcodon worden niet als overgebleven beschouwd, omdat de vertaling al is beëindigd.

Leesramen

Een leesraam is het startpunt dat wordt gebruikt om een sequentie in codons te verdelen. Omdat elk codon drie basen lang is, kan een sequentie worden gesplitst vanaf de eerste, tweede of derde base. Deze worden leesraam 1, 2 en 3 genoemd. Elk raam levert meestal een andere eiwitsequentie op. In een echt gen produceert slechts één leesraam het juiste eiwit. De andere twee ramen komen vaak snel een stopcodon tegen en produceren een korte, betekenisloze sequentie.

Beginnen bij het eerste ATG

De meeste genen beginnen met het codon ATG. Dit codeert voor methionine en markeert het punt waar het eiwit begint. De vertaler heeft een optie genaamd ‘Scannen tot het eerste startcodon (ATG)’. Als deze optie is ingeschakeld, gaat de vertaler binnen het gekozen raam vooruit totdat een codon wordt bereikt dat precies ATG is, waarna de vertaling daar begint. Basen vóór die ATG worden genegeerd. Als de optie is uitgeschakeld, begint de vertaling bij de eerste base van het raam.

De scan accepteert alleen een ATG dat op een codongrens van het gekozen raam ligt. Neem CATGGCCTAA. Raam 1 splitst dit in CAT GGC CTA, waardoor de letters ATG nooit op één codon uitlijnen en de vertaler meldt dat in dit raam geen startcodon is gevonden. Raam 2 begint bij de tweede base en geeft ATG GCC TAA, dus de vertaling begint meteen en produceert MA.

De genetische code

De standaardgenetische code koppelt elk van de 64 mogelijke codons aan één van 20 aminozuren of aan een stopsignaal. Dit is de code die door de meeste genen in de meeste organismen, waaronder de mens, wordt gebruikt.

ATG codeert voor methionine. Het is ook het codon dat de meeste genen gebruiken om het begin van de coderende sequentie te markeren.

Voorbeeld: een DNA-sequentie vertalen

Neem de sequentie ATGGCCATTGTAATGGGCCGCTGAAAGGGTGCCCGATAG in leesraam 1.

Verdeel in codons: ATG GCC ATT GTA ATG GGC CGC TGA AAG GGT GCC CGA TAG

Vertaal elk codon: ATG → M, GCC → A, ATT → I, GTA → V, ATG → M, GGC → G, CGC → R, TGA → stop.

Het achtste codon, TGA, is een stopcodon, dus daar eindigt de vertaling. De eiwitsequentie is MAIVMGR en bevat zeven aminozuren. De basen na het stopcodon worden niet vertaald.

Voorbeeld: een coderende sequentie zonder stopcodon

Neem de sequentie ATGAAGTACGCCTACATCGCCAAGCAGCGCCAG in leesraam 1. Deze is 33 basen lang, precies 11 codons.

Verdeel in codons: ATG AAG TAC GCC TAC ATC GCC AAG CAG CGC CAG

Vertaal elk codon: M, K, Y, A, Y, I, A, K, Q, R, Q.

Er komt geen stopcodon voor, dus alle 11 codons worden vertaald. De eiwitsequentie is MKYAYIAKQRQ, zonder overgebleven basen.

Voorbeeld: hoe het leesraam het resultaat verandert

De korte sequentie ATGCATGCA laat zien waarom het leesraam belangrijk is.

• Raam 1 (begin bij base 1): ATG CAT GCA → M, H, A. Eiwit: MHA.
• Raam 2 (begin bij base 2): TGC ATG CA → C, M, met 2 overgebleven basen die geen codon kunnen vormen.
• Raam 3 (begin bij base 3): GCA TGC A → A, C, met 1 overgebleven base.

Drie verschillende startpunten leveren drie verschillende eiwitsequenties op uit dezelfde negen basen.

Toepassingen van DNA-naar-eiwitvertaling

Onderzoekers vertalen DNA-sequenties om te voorspellen welk eiwit een gen produceert, te controleren of een gekloonde sequentie na bewerkingen nog in het juiste leesraam ligt en te zien hoe een mutatie de aminozuursequentie van een eiwit verandert. Bio-informaticapijplijnen vertalen genoomsequenties automatisch om genen te helpen annoteren en in eiwitdatabases te zoeken.

Een korte geschiedenis

Francis Crick beschreef in 1958 de stroom van genetische informatie van DNA naar RNA naar eiwit en noemde dit het centrale dogma van de moleculaire biologie. In 1961 toonden Marshall Nirenberg en Heinrich Matthaei aan dat het codon UUU codeert voor het aminozuur fenylalanine, het eerste ontcijferde codon. Tegen 1966 hadden onderzoekers, onder wie Nirenberg en Har Gobind Khorana, alle 64 codontoewijzingen vastgesteld, waarmee de genetische code die deze vertaler tegenwoordig gebruikt compleet was.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen DNA-vertaling en transcriptie?

Bij transcriptie wordt een DNA-sequentie gekopieerd naar mRNA. Bij translatie wordt dat mRNA gelezen en daaruit een eiwit opgebouwd. Dit hulpmiddel slaat de RNA-stap over en vertaalt een DNA-sequentie rechtstreeks met toepassing van dezelfde codonregels.

Waarom biedt de vertaler drie leesramen?

Een codon is drie basen lang, dus een sequentie kan in codons worden verdeeld vanaf de eerste, tweede of derde base. Slechts één van deze drie ramen komt meestal overeen met de echte coderende sequentie van een gen, dus het controleren van alle drie kan helpen deze te vinden.

Wat gebeurt er als de lengte van mijn sequentie geen veelvoud van drie is?

De extra basen aan het einde kunnen geen volledig codon vormen. De vertaler meldt het aantal overgebleven basen en vertaalt elk volledig codon dat ervoor komt.

Kan ik een RNA-sequentie plakken in plaats van DNA?

Ja. Elke U in de invoer wordt vóór de vertaling automatisch als T gelezen, zodat een RNA-sequentie hetzelfde resultaat geeft als het overeenkomstige DNA.

Wat doet een stopcodon?

Een stopcodon (TAA, TAG of TGA) markeert het einde van de coderende sequentie. De vertaler stopt daar en voegt het stopcodon zelf, of iets erna, niet toe aan de eiwitsequentie.

Wat doet de optie voor het startcodon?

Deze optie laat de vertaler vooruitgaan naar de eerste ATG in het gekozen leesraam en daar beginnen, zoals een ribosoom bij een startcodon begint te lezen. Als de optie is uitgeschakeld, begint de vertaling bij de eerste base van het raam. Als het raam geen ATG binnen het raam bevat, meldt de vertaler dat in plaats van te raden.

Gebruiken alle organismen dezelfde genetische code?

Bijna alle nucleaire genen gebruiken de hierboven getoonde standaardcode. Er bestaan enkele uitzonderingen, zoals menselijk mitochondriaal DNA, waarin het codon TGA codeert voor tryptofaan in plaats van als stopsignaal te fungeren.