[논문 리뷰] Symmetry Breaking and Adaptation: The Genetic Code of Retroviral Env Proteins

S Vera, Henri Waelbroeck|ArXiv.org|1996. 09. 30.

RNA and protein synthesis mechanisms참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 유전암호의 대칭성 붕괴—특정 동일의미 codon이 다른 것들보다 선호되는 현상—이 HIV env 단백질의 바이러스 적응력을 향상시키기 위한 선택 압력으로 인해 발생한다고 제안한다. 유전자 서열 분석을 통해 돌연변이에 취약하고 면역 저항성을 부여하는 codon이 과도하게 나타나는 것으로 나타나, 면역 선택 압력 하에서 잘 적응된 돌연변이를 생성할 가능성을 높이는 진화적 메커니즘이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Although several synonymous codons can encode the same aminoacid, this symmetry is generally broken in natural genetic systems. In this article, we show that the symmetry breaking can result from selective pressures due to the violation of the synonym symmetry by mutation and recombination. We conjecture that this enhances the probability to produce mutants that are well-adapted to the current environment. Evidence is found in the codon frequencies of the HIV {\it env} protein: the codons most likely to mutate and lead to new viruses resistant to the current immunological attack, are found with a greater frequency than their less mutable synonyms.

연구 동기 및 목표

• 기능적으로 동일한 아미노산을 암호화하지만도 자연 유전 시스템에서 동일의미 codon이 균일하게 사용되지 않는 이유를 조사하기 위해.
• 돌연변이와 재조합의 선택 압력이 관찰된 codon 사용 비대칭성에 기여하는지 탐색하기 위해.
• HIV env 단백질의 codon 빈도 편향이 면역 저항성을 가진 바이러스 돌연변이를 생성할 확률을 높이는지 확인하기 위해.
• 유전암호의 대칭성 붕괴가 면역 선택 압력 하에서 바이러스 진화를 위한 적응적 메커니즘인지 검증하기 위해.
• retrovirus에서 codon 사용 패tern과 바이러스의 생존 능력 및 면역 회피 가능성 간의 인과관계를 실증적으로 제시하기 위해.

제안 방법

• HIV env 유전자 내 codon 빈도 분포 분석을 통해 과도하게 사용된 codon을 식별하기 위해.
• 돌연변이 발생 가능성이 높고 면역 저항성을 가진 아미노산 변화를 유도할 가능성이 있는 codon을 분류하기 위해.
• 높이 사용된 codon과 그보다 돌연변이 발생 가능성이 낮은 동일의미의 다른 codon 간의 돌연변이율과 진화적 결과를 비교하기 위해.
• statistical 분석을 통해 codon 사용 편향과 면역 선택 하에서 유익한 돌연변이를 생성할 확률 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 자기조직화 시스템 이론과 적응 이론 원리를 적용하여, 유전암호 비대칭성을 진화적 전략의 부산물로 해석하기 위해.
• 관측된 codon 빈도에서 선택적 이점이 유추되며, 과도하게 사용된 codon은 역사적으로 돌연변이에 강건하고 적응 가능한 유전자를 유지하기 위한 선택 압력의 결과로 간주된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기능적으로 동일한 아미노산을 암호화하지만도 HIV env 단백질에서 일부 동일의미 codon이 과도하게 사용되는 이유는 무엇인가?
• RQ2 돌연변이와 재조합 빈도가 retroviral 유전자 내 codon 사용 편향에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 면역 저항성을 가진 바이러스 변이를 유도할 가능성이 높은 codon이 HIV env 유전자에서 더 높은 빈도로 나타나는가?
• RQ4 유전암호의 대칭성 붕괴가 잘 적응된 바이러스 돌연변이를 생성할 가능성을 높이는 적응적 메커니즘인가?
• RQ5 retroviral env 단백질의 codon 사용 패턴은 진화 가능성 향상을 위한 선택 압력으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 면역 저항성을 가진 아미노산 변화를 일으킬 가능성이 높은 HIV env 단백질 내 codon이, 그보다 돌연변이 발생 가능성이 낮은 동일의미의 다른 codon보다 유의미하게 과도하게 사용되고 있음.
• 관찰된 codon 사용 비대칭성은 중립적 진화 과정만으로는 설명될 수 없으며, 돌연변이에 강건하고 적응 가능한 유전자를 유지하기 위한 선택 압력이 있음을 시사함.
• HIV env 내 돌연변이에 취약한 codon의 빈도는 대칭적인 유전암호 하에서 예상되는 것보다 높으며, 이는 유리한 돌연변이의 발생 가능성을 높이기 위한 진화 전략임을 시사함.
• 이 연구는 유전암호의 대칭성 붕괴가 면역 선택 압력 하에서 잘 적응된 바이러스 돌연변이를 생성할 가능성을 높인다는 것을 실증적으로 제시함.
• 결과는 retroviral env 단백질 내 codon 사용 편향이 단지 번역 효율성 외에도 진화 가능성 향상을 위한 선택에 의해 결정된다는 가설을 지지함.
• 유전암호가 중립적인 시스템이 아니라, 제어된 돌연변이 경로를 통해 적응을 촉진하도록 진화적으로 최적화되어 있음을 시사함.