[논문 리뷰] Codon Capture and Ambiguous Intermediate Scenarios of Genetic Code Evolution

Tatsuro Yamashita, Osamu Narikiyo|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 24.

RNA and protein synthesis mechanisms참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유전암호 진화의 물리적 모델을 제안하며, 아미노산의 비용 선택에 의해 유도되는 빠른 전환을 통해 유전자 코드의 모호한 중간 단계를 안정화시키는 방식을 제시한다. 시뮬레이션을 통해 비용 선택이 모호한 중간 단계에서 빠른 코드 전환을 가능하게 하여 功能적 불안정성을 감소시키는 것을 입증하였고, 중립 돌연변이 시뮬레이션은 돌연변이 압력 하에서도 캡처 모델에서 생존 가능성을 보여주어 두 경로 모두 타당한 진화적 길임을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Using the shape space of codons and tRNAs we give a physical description of the genetic code evolution on the basis of the codon capture and ambiguous intermediate scenarios in a consistent manner. In the lowest dimensional version of our description, a physical quantity, codon level is introduced. In terms of the codon levels two scenarios are typically classified into two different routes of the evolutional process. In the case of the ambiguous intermediate scenario we perform an evolutional simulation implemented cost selection of amino acids and confirm a rapid transition of the code change. Such rapidness reduces uncomfortableness of the non-unique translation of the code at intermediate state that is the weakness of the scenario. In the case of the codon capture scenario the survival against mutations under the mutational pressure minimizing GC content in genomes is simulated and it is demonstrated that cells which experience only neutral mutations survive.

연구 동기 및 목표

• 코돈과 tRNA의 형태 공간을 사용하여 유전암호 진화의 통합된 물리적 기술을 제공한다.
• 비용 선택에 의해 유도되는 빠른 전환을 모델링하여 모호한 중간 단계의 불안정 문제를 해결한다.
• 특히 GC 농도 최소화를 통한 돌연변이 압력 하에서 캡처 모델의 타당성을 평가한다.
• 일관된 물리적 프레임워크 내에서 캡처와 모호한 중간 단계의 두 진화적 경로를 비교한다.

제안 방법

• 코돈과 tRNA의 저차원 형태 공간에서 '코돈 수준'이라는 물리적 양을 도입한다.
• 아미노산 비용 선택을 통해 빠른 코드 변화를 이끄는 진화 시뮬레이션을 사용해 모호한 중간 단계 시나리오를 모델링한다.
• GC 농도 최소화를 통한 돌연변이 압력을 시뮬레이션하여 캡처 시나리오에서 생존 가능성을 평가한다.
• 중립 돌연변이 역학을 적용하여 캡처 모델에서 선택적 우위 없이도 세포가 생존 가능한지 테스트한다.
• 코돈-tRNA 상호작용의 기하학적 표현을 사용해 진화 경로를 정의한다.
• 전이 속도와 중간 상태의 안정성 분석을 통해 두 진화 경로를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아미노산 비용 선택에 의해 유도되는 빠른 전환이 모호한 중간 단계의 진화 시나리오를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 특히 GC 농도 최소화를 통한 돌연변이 압력이 캡처 모델에서 세포의 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 코돈 수준은 코돈과 tRNA의 형태 공간에서 진화 경로를 정의하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 순수 중립 돌연변이 역학 하에서 캡처 시나리오는 진화적으로 타당한가?
• RQ5 캡처와 모호한 중간 단계 시나리오가 단일 물리적 프레임워크 내에서 일관되게 기술될 수 있는가?

주요 결과

• 비용 선택 하에서 모호한 중간 단계는 빠른 코드 전환을 달성하여 중간 상태에서의 비유일 번역에 의한 기능적 불편을 감소시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 중립 돌연변이만 경험하는 세포가 돌연변이 압력 하에서도 캡처 모델에서 생존 가능함을 확인하여 그 타당성을 뒷받침한다.
• 코돈 수준 개념은 코돈과 tRNA의 형태 공간에서 진화 경로를 분류하는 일관된 물리적 기반을 제공한다.
• 모델은 모호한 중간 단계에서의 빠른 전환이 이 경로의 주요 약점인 기능적 모호성을 완화시킴을 입증한다.
• 캡처와 모호한 중간 단계의 두 진화 시나리오는 코돈 수준을 사용한 통합된 물리적 서술 내에서 상호 호환됨을 보여준다.
• 이전 arXiv 제출물(arXiv:0901.0181)과의 텍스트 중복은 모델의 반복적 개선을 시사한다.