Chaque brin d'acide nucléique possède une extrémité phosphoryle, dite extrémité 5', et une extrémité hydroxyle, dite extrémité 3’. Elles définissent le sens 5’ → 3’. Dans le cas d'un acide nucléique monocaténaire, il existe trois cadres de lecture possible dans le sens 5’ → 3’, chacun correspondant à une suite différente de triplets de nucléotides. Dans le cas d'un acide nucléique bicaténaire, il existe en tout six cadres de lecture distincts, trois pour chaque brin. Dans la mesure où ces deux brins sont antiparallèles, le sens 5’ → 3’ du second brin correspond au sens 3’ → 5’ du premier[1].
En général, chaque segment d'acide nucléique ne contient au plus qu'un seul cadre de lecture ayant une signification biologique, ce qu'on appelle un cadre de lecture ouvert. Certains ARN de transfert de virus peuvent cependant être traduits selon plusieurs cadres de lecture ouverts, correspondant à des gènes chevauchants. Il existe au moins un exemple de cadres de lecture superposés dans l'ADN mitochondrial des mammifères encodant deux sous-unités d'une ATPase.
La séquence des protéines est encodée par la séquence des codons de l'ADN. Dans la mesure où l'ADN est bicaténaire, chaque séquence d'ADN peut être lue de six façons différentes, correspondant à six cadres de lecture. Au cours de la transcription, l'ARN polymérase lit le brin d'ADN dans le sens 3’ → 5’ tandis que le brin d'ARN messager est synthétisé dans le sens 5’ → 3’. L'ARN messager est monocaténaire, et ne porte donc que trois cadres de lecture, dont un seul est normalement traduit ; les codons y sont traduits dans le sens 5’ → 3’ par les ribosomes.
Dans certains cas plus rares, le ribosome peut changer de cadre de lecture au cours de la traduction d'un ARN messager selon un mécanisme appelé décalage du cadre de lecture. Il en résulte qu'une première partie de l'ARN messager est traduite selon un premier cadre de lecture, tandis qu'une seconde partie de ce même ARN messager est traduite selon un second cadre de lecture. Il s'agit d'un phénomène distinct de la mutation par décalage du cadre de lecture(en), dans la mesure où la séquence de l'acide nucléique n'est pas altérée ; seul change le cadre de lecture.
↑(en) Zackary I. Johnson et Sallie W. Chisholm, « Properties of overlapping genes are conserved across microbial genomes », Genome Research, vol. 14, no 11, , p. 2268-2272 (PMID15520290, PMCID525685, DOI10.1101/gr.2433104, lire en ligne)