[論文レビュー] Studies on the Origin and Evolution of Codon Bias

J Bíró|ArXiv.org|Jul 24, 2008

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 37被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、113種の生物を対象にコドン使用バイアス（CUB）を調査し、CUBは進化的な複雑さおよびゲノムサイズの増大に伴い低下することを明らかにした。パントムゲノムコドン使用頻度表を用いて、相同コドン間の強い内部相関が同定され、それらがランダムな変異ではなく統合的システムとして機能していることが示唆された。特に、ワイルドベース位置は他のコドンリジッドから予測可能である。

ABSTRACT

Background: There is a 3-fold redundancy in the Genetic Code; most amino acids are encoded by more than one codon. These synonymous codons are not used equally; there is a Codon Usage Bias (CUB). This article will provide novel information about the origin and evolution of this bias. Results: Codon Usage Bias (CUB, defined here as deviation from equal usage of synonymous codons) was studied in 113 species. The average CUB was 29.3 +/- 1.1% (S.E.M, n=113) of the theoretical maximum and declined progressively with evolution and increasing genome complexity. A Pan-Genomic Codon Usage Frequency (CUF) Table was constructed to describe genome-wide relationships among codons. Significant correlations were found between the number of synonymous codons and (i) the frequency of the respective amino acids (ii) the size of CUB. Numerous, statistically highly significant, internal correlations were found among codons and the nucleic acids they comprise. These strong correlations made it possible to predict missing synonymous codons (wobble bases) reliably from the remaining codons or codon residues. Conclusions: The results put the concept of "codon bias" into a novel perspective. The internal connectivity of codons indicates that all synonymous codons might be integrated parts of the Genetic Code with equal importance in maintaining its functional integrity.

研究の動機と目的

• 多様な種におけるコドン使用バイアス（CUB）の起源と進化的な変遷を理解すること。
• ゲノムの複雑さと進化的分岐がCUBのレベルに与える影響を特定すること。
• 相同コドン間の機能的関係および内部相関を調査すること。
• 比較ゲノム学を目的としたパントムゲノムコドン使用頻度（CUF）表の構築。
• 相同コドンがその組成的関係から予測可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 理論的最大使用量に対する相対的な標準化された指標を用いて、113種の生物におけるコドン使用バイアス（CUB）の分析。
• ゲノムワイドなコドン関係をマップするためのパントムゲノムコドン使用頻度（CUF）表の構築。
• コドン頻度、アミノ酸頻度、相同コドン数との相関に関する統計的評価。
• 多次元相関分析を用いて、コドンリジッドおよびワイルド位置間の内部依存性を同定。
• 既知のコドンパターンに基づき、欠落しているワイルドベースの同定を予測モデルに応用。
• 理論的最大値に対するCUBの割合としての計算を行い、標準誤差（SEM）を併記。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲノムの複雑さや進化的分岐の異なる種において、コドン使用バイアス（CUB）はどのように変化するか？
• RQ2 アミノ酸の相同コドン数とそのプロテオーム内頻度の関係は何か？
• RQ3 コドンおよびそのヌクレオチド成分間に顕著な内部相関が存在し、機能的統合を示唆するか？
• RQ4 コドンのワイルドベースの同定は、他の2つの位置から信頼性高く予測可能か？
• RQ5 相同コドンが独立した変異ではなく、一貫性のある相互依存的システムを形成する程度はどの程度か？

主な発見

• 113種の平均コドン使用バイアス（CUB）は理論的最大値の29.3% ± 1.1%であった。ゲノムの複雑さおよび進化的分岐の増大に伴い、CUBの進行的低下が観察された。
• アミノ酸の相同コドン数と、そのプロテオーム内頻度およびCUBの大きさとの間に強い正の相関が確認された。
• コドンおよびその構成ヌクレオチド間には多数の統計的に有意な内部相関が検出され、高い機能的・構造的統合性が示唆された。
• コドン相関の予測的パワーにより、残りのコドンリジッドから欠落しているワイルドベースの同定が信頼性を持って可能となった。
• 結果から、すべての相同コドンが遺伝子コードに機能的に統合されており、冗長的または中立的であるのではなく、全体の整合性を維持していることが示唆された。
• パントムゲノムコドン使用頻度（CUF）表は、種をまたいで一貫した非ランダムなパターンを示し、コドン使用のシステム的視点を支持した。