[논문 리뷰] Studies on the Origin and Evolution of Codon Bias

J Bíró|ArXiv.org|2008. 07. 24.

RNA and protein synthesis mechanisms참고 문헌 37인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 113개 종에서 코돈 사용 편향(CUB)을 조사하여, 진화적 복잡성과 게놈 크기가 증가함에 따라 CUB가 감소함을 밝혀냈다. 패널게놈 코돈 사용 빈도 표를 활용해, 동일한 아미노산을 암호화하는 코돈들 사이에 강한 내부 상관관계가 있음을 규명하였으며, 이는 이들이 무작위 변종이 아니라 통합된 시스템으로 기능함을 시사한다. 특히 와이블 기저서열의 특성이 다른 코돈 잔여 성분들로부터 예측 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 종에서 코돈 사용 편향(CUB)의 기원과 진화적 궤적을 이해하기 위해.
• 게놈 복잡성과 진화적 분화가 CUB 수준에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 동일 아미노산을 암호화하는 코돈들 간의 기능적 관계와 내부 상관관계를 조사하기 위해.
• 비교 게놈학을 위한 패널게놈 코돈 사용 빈도(CUF) 표를 개발하기 위해.
• 동일 아미노산을 암호화하는 코돈들이 구성적 관계에서 예측 가능할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 이론적 최대 사용률에 상대적인 표준화된 측정법을 사용해 113개 종의 코돈 사용 편향(CUB) 분석.
• 전체 게놈 수준의 코돈 관계를 맵핑하기 위해 패널게놈 코돈 사용 빈도(CUF) 표 구축.
• 코돈 빈도, 아미노산 빈도, 동일 아미노산을 위한 동일 아미노산을 암호화하는 코돈 수 간의 상관관계를 통계적으로 평가.
• 다변량 상관관계 분석을 통해 코돈 잔여 성분과 와이블 위치 간의 내부 의존성 탐지.
• 기타 코돈 패턴을 기반으로 누락된 와이블 기저서열의 정체성을 유추하기 위한 예측 모델링 적용.
• 이론적 최대값에 대한 백분율로 CUB를 계산하였으며, 평균 표준오차(SEM)를 함께 보고함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 게놈 복잡성과 진화적 분화를 가진 종들 사이에서 코돈 사용 편향(CUB)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 어떤 아미노산의 동일 아미노산을 암호화하는 코돈의 수와 그 아미노산의 사용 빈도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 코돈들 간 및 그 핵산 조성 성분 간에 유의미한 내부 상관관계가 존재하여 기능적 통합성을 시사하는가?
• RQ4 코돈의 와이블 기저서열의 정체성을 다른 두 위치의 정보로부터 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ5 동일 아미노산을 암호화하는 코돈들이 상호의존적인 통합 시스템을 형성하는 정도는 어느 정도이며, 독립적인 변종이 아닌가?

주요 결과

• 113개 종에서 평균 코돈 사용 편향(CUB)은 이론적 최대값의 29.3% ± 1.1%였으며, 게놈 복잡성과 진화적 분화가 증가함에 따라 CUB가 점진적으로 감소하는 경향을 보였다.
• 어떤 아미노산의 동일 아미노산을 암호화하는 코돈 수와 그 아미노산의 단백질체 내 빈도, CUB의 크기 사이에 강한 양의 상관관계가 발견되었다.
• 코돈과 그 구성 핵산 기초 간에 다수의 통계적으로 유의미한 내부 상관관계가 확인되어, 높은 수준의 기능적 및 구조적 통합성이 존재함을 시사한다.
• 코돈 상관관계의 예측 능력 덕분에, 나머지 코돈 잔여 성분들로부터 누락된 와이블 기저서열의 정체성을 신뢰성 있게 추론할 수 있었다.
• 결과적으로 모든 동일 아미노산을 암호화하는 코돈들이 유전 코드에 기능적으로 통합되어 있으며, 이는 상호보완적 또는 중립적인 존재가 아니라 전체 유전 코드의 통합성을 유지하기 위함임을 시사한다.
• 패널게놈 코돈 사용 빈도(CUF) 표는 종 간 일관되고 비랜덤한 패턴을 드러내어, 코돈 사용에 대한 체계적 시각을 뒷받침한다.