[論文レビュー] Amino Acid Distributions and the Effect of Optimal Growth Temperature

Benjamin D. Greenbaum, Pradeep Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2013

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、特に極限生物を含む多様な生物におけるアミノ酸分布を分析し、最適成長温度（OGT）が配列組成に与える影響を調査する。第1通過分布を用いて長距離のアミノ酸相関を検出することで、個々のアミノ酸頻度に関連するほぼ普遍的な指数関数的背景を特定し、分子量およびコドンの多重性に関連する、これまでに特徴付けられていなかった温度依存性の相関を同定する。

ABSTRACT

We perform an exhaustive analysis of genome statistics for organisms, particularly extremophiles, growing in a wide range of physicochemical conditions. Specifically, we demonstrate how the correlation between the frequency of amino acids and their molecular weight, preserved on average, typically decreases as optimal growth temperature increases. We show how the relation between codon degeneracy and amino acid mass is enforced across these organisms. We assess the occurrence of contiguous amino acids, finding several significant short words, often containing cysteine, histidine or proline. Typically, the significance of these words is independent of growth temperature. In a novel approach, first-passage distributions are used to capture correlations between discontiguous residues. We find a nearly universal exponential background that we relate to properties of the aforementioned individual amino acid frequencies. We find this approach reliably extracts correlations that depend on growth temperature, some of which have not been previously characterized.

研究の動機と目的

• 最適成長温度（OGT）が多様な生物におけるアミノ酸組成にどのように影響を与えるかを理解すること。
• アミノ酸の分子量、コドンの多重性、OGTの間の関係を調査すること。
• 統計的手法を用いて連続的および非連続的なアミノ酸配列における非ランダムなパターンを同定すること。
• 局所的モチーフを越えた配列相関が、特に温度に起因する環境適応に影響を受けるかどうかを検討すること。
• 最初の通過分布を用いた新しい統計的フレームワークを構築し、タンパク質配列における生物学的に意味のある相関を抽出すること。

提案手法

• 多様な最適成長温度を有する生物におけるアミノ酸頻度の網羅的ゲノムワイド分析を実施した。
• アミノ酸頻度と分子量の相関を定量的に評価し、OGTが上昇するに従いその相関が低下することを観察した。
• 種をまたいでコドンの多重性とアミノ酸質量の関係を分析し、進化的制約を評価した。
• システイン、ヒスチジン、プロリンが豊富な、顕著な連続的アミノ酸モチーフを同定し、OGTとは独立してその存在を評価した。
• 非連続アミノ酸間の相関をモデル化するために最初の通過分布を適用し、長距離の配列依存性を捉えた。
• 最初の通過統計において、個々のアミノ酸頻度に関連するほぼ普遍的な指数関数的背景分布が出現し、温度感受性の相関を検出するためのノイズ・モデルとして確立された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適成長温度が、アミノ酸頻度と分子量の間の相関にどのように影響を与えるか。
• RQ2 コドンの多重性とアミノ酸質量の関係が、異なるOGTを持つ生物間でどの程度保存されているか。
• RQ3 成長温度に応じて変化する、連続的アミノ酸配列における顕著な非ランダムなパターンが存在するか。
• RQ4 最初の通過分布は、タンパク質配列における非連続アミノ酸間の温度依存性相関を効果的に検出できるか。
• RQ5 最初の通過解析における背景統計分布の性質は何か。また、個々のアミノ酸頻度とはどのように関係しているか。

主な発見

• アミノ酸頻度と分子量の間の相関は、最適成長温度が上昇するに従い顕著に低下する。
• コドンの多重性とアミノ酸質量の関係は、多様な生物において一貫して維持されており、強い進化的制約を示唆する。
• システイン、ヒスチジン、プロリンが豊富な、いくつかの短い連続的アミノ酸モチーフが顕著に過剰に出現しており、成長温度とは無関係に観察される。
• 最初の通過解析において、個々のアミノ酸頻度に関連するほぼ普遍的な指数関数的背景分布が出現する。
• 最初の通過アプローチにより、これまでに特徴付けられていなかったパターンを含め、非連続アミノ酸間の温度依存性相関が的確に抽出された。
• 本手法により、タンパク質配列における長距離アミノ酸相関が最適成長温度によって調整されていることが明らかとなり、タンパク質の安定性および適応にそのような相関が果たす可能性があることが示唆された。