遺傳密碼的破譯是分子生物學的里程碑。Nirenberg & Matthaei（1961, PNAS）的 poly-U 實驗、Nirenberg & Leder（1964）的 trinucleotide binding assay 和 Khorana 的化學合成 RNA 共同完成了完整密碼表。
密碼子演化的理論框架
遺傳密碼的 near-universality 暗示其在 LUCA 之前即已建立。三種主要理論解釋密碼子與胺基酸的分配邏輯：
- Frozen accident（Crick, 1968）：隨機分配後被「凍結」，因改變代價太大
- Stereochemical theory：密碼子/anticodon 序列與對應胺基酸有直接化學親和力。RNA aptamer 實驗（Yarus et al., 2009, J Mol Evol）顯示部分胺基酸確實對含其密碼子的 RNA 有結合偏好
- Adaptive theory（Freeland & Hurst, 1998）：現行密碼表在容錯性（error minimization）上優於絕大多數隨機排列——點突變和翻譯錯誤造成的胺基酸性質變化最小化
密碼子重新分配（Codon Reassignment）
少數生物打破了「普遍密碼」：粒線體密碼子變異最多（如人類 mt UGA = Trp, AGA/AGG = Stop）。Mycoplasma 和纖毛蟲也有密碼子重新分配。Ambiguous intermediate theory（Schultz & Yarus, 1994）解釋了這些轉換如何發生而不致死。
Genetic Code Expansion
Chin lab 和 Schultz lab 的 orthogonal aaRS/tRNA pairs 工程使得非天然胺基酸（ncAA）能被位點特異性嵌入蛋白質。Chin（2017, Nature）將 UAG 從終止密碼子重新分配為 ncAA sense codon（通過基因組重編碼消除 UAG 的原始功能），已在 E. coli 中實現完全 orthogonal genetic code。四鹼基密碼子和 unnatural base pairs（Hirao & Romesberg 系統）進一步擴展密碼子空間。應用：site-specific protein conjugation（ADC）、photo-crosslinking 蛋白質互作研究、含氟胺基酸的 NMR 探針。
Codon Usage 的多層次影響
codon optimality 不僅影響翻譯速率，還影響 co-translational folding（rare codons 在 domain boundaries 造成暫停，促進正確折疊——Pechmann & Frydman, 2013, Nat Struct Mol Biol）、mRNA stability（optimal codons 提升穩定性，Presnyak et al., 2015, Cell）和 ribosome traffic。mRNA 疫苗（BNT162b2）的密碼子優化需平衡蛋白質產量、mRNA 穩定性、免疫原性和 GC 含量（影響 RNA 二級結構和翻譯效率）。
文獻參考：Nirenberg, M. & Matthaei, J.H. (1961). PNAS, 47, 1588-1602. / Crick, F.H.C. (1966). J Mol Biol, 19, 548-555. / Chin, J.W. (2017). Nature, 550, 53-60.