[論文レビュー] The Genetic Code Boolean Lattice

Robersy Sánchez, Eberto R. Morgado+1 more|ArXiv.org|Dec 16, 2004

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、水素結合数とプリン塩基／ピュリル塩基の化学的性質に基づく、遺伝子コードの二重ブールラティスモデルを提示する。このモデルにより、疎水性に関連する構造的対称性が明らかになった。アデニンが2番目の位置にあるコドン（疎水性でないアミノ酸をコード）は、ウラシルが2番目の位置にあるコドン（疎水性アミノ酸をコード）と対称的であることが示された。また、HIVプロテアーゼおよびヒトβ-グロビン遺伝子の病原性突然変異は、野生型配列とのハミング距離が最小であることが判明し、進化的に最適化されている可能性を示唆している。

ABSTRACT

The algebraic structures of the genetic code are most important to obtain additional information about the semantic code and its applications. In this paper we define two dual Boolean codon lattices of the genetic code using hydrogen bond numbers and the chemical types of bases: purines and pyrimidines. The Boolean lattices reflect the role of hydrophobicity in the distribution of codon assignments to each amino acid. Particularly, the symmetric images of codons with adenine as second base coding to hydrophilic amino acids are always codons with uracil as second base coding to hydrophobic amino acids as they represented in the Hasse diagrams. The Hamming distance between two codons in the Hasse diagram reflects the different hydrophobicities between their respective coded amino acids. Our experiments have demonstrated a small Hamming distance to the wild type HXB2 of almost all the drug-resistant reported mutations in HIV protease gene. The human beta-globin mutant genes have also exhibited similar results. Our research suggests that the Hamming distance between two genes in the molecular evolution process have a minimal value.

研究の動機と目的

• 疎水性などの生物学的意味を反映する、遺伝子コードに隠された代数的構造を解明すること。
• 水素結合数と化学的塩基タイプ（プリン／ピュリル）に基づいたブールラティスを用いてコドンの割り当てをモデル化すること。
• コドンの対称性、アミノ酸の疎水性、および進化的な突然変異パターンとの関係を調査すること。
• HIVプロテアーゼおよびヒトβ-グロビン遺伝子における病原性突然変異が、野生型配列とのハミング距離が最小であるかどうかを評価すること。
• 分子進化が機能的変異体間の最小遺伝的距離を好むという仮説を検討すること。

提案手法

• コドンの水素結合数と塩基の化学的タイプ（プリン対ピュリル）を用いて、二重ブールラティスを構築する。
• ハッセ図を用いてコドンを頂点にマッピングし、階層的関係と対称性を可視化する。
• ハミング距離を指標として用い、コドンペアの比較と遺伝的分岐度の評価を行う。
• ラティスモデルを用いてHIVプロテアーゼ遺伝子の薬剤耐性突然変異およびヒトβ-グロビン変異遺伝子を分析する。
• 観察されたハミング距離を野生型配列と比較し、進化的最小主義を評価する。
• ハッセ図を用いて、2番目の塩基にアデニンが存在する（疎水性でないアミノ酸をコードする）コドンと、2番目の塩基にウラシルが存在する（疎水性アミノ酸をコードする）コドンの対称ペアを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素結合数と塩基の化学的性質（プリン／ピュリル）は、遺伝子コードをどのようにブールラティスに構造化するか？
• RQ2 ブールラティスにおけるコドンの対称性と、コード化されるアミノ酸の疎水性の関係は何か？
• RQ3 HIVプロテアーゼおよびヒトβ-グロビン遺伝子における病原性突然変異は、それぞれの野生型配列とのハミング距離が最小であるか？
• RQ4 ブールラティスモデルは、最小の遺伝的変化を好む進化的制約を明らかにできるか？
• RQ5 ハッセ図の表現は、遺伝子コードの意味的組織の特徴をどのように反映するか？

主な発見

• ハッセ図において、2番目の塩基がアデニンで疎水性でないアミノ酸をコードするコドンは、2番目の塩基がウラシルで疎水性アミノ酸をコードするコドンと対称的ペアを形成する。
• ハッセ図におけるコドンペア間のハミング距離は、それらがコードするアミノ酸の疎水性の差と相関している。
• HIVプロテアーゼ遺伝子で報告されたほぼすべての薬剤耐性突然変異が、野生型HXB2配列とのハミング距離が小さい。
• ヒトβ-グロビン変異遺伝子についても、同様に野生型と比較して最小のハミング距離を示す。
• 結果は、分子進化が最小限の遺伝的変化を伴って進行し、小さな突然変異が好まれるという仮説を支持する。
• 二重ブールラティスモデルは、遺伝子コードの意味的および構造的特徴、特にコドン割り当てにおける疎水性の役割を効果的に捉えている。