[論文レビュー] Codon Capture and Ambiguous Intermediate Scenarios of Genetic Code Evolution

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

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、コドンとtRNAの形状空間におけるコドンレベルを用いた遺伝子コード進化の物理的モデルを提案し、コドン捕獲と曖昧な中間状態のシナリオを比較する。シミュレーションにより、コスト選択が更がい中間状態における迅速なコード転移を可能にし、機能的不安定性を低減することを示す。一方、中立的突然変異のシミュレーションでは、コドン捕獲においても突然変異の圧力に耐えることが示され、両者の経路が有効な進化的経路であることを支持する。

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.

研究の動機と目的

• コドンとtRNAの形状空間を用いた、遺伝子コード進化の統一的物理的記述を提供すること。
• アミノ酸コスト選択による迅速な転移をモデル化することで、曖昧な中間状態シナリオの不安定性問題を解決すること。
• 特にGC含有量の最小化を含む突然変異の圧力下でのコドン捕獲の妥当性を評価すること。
• 一貫した物理的枠組み内で、コドン捕獲と曖昧な中間状態の2つの進化的経路を比較すること。

提案手法

• コドンとtRNAの低次元形状空間における物理的量「コドンレベル」を導入する。
• アミノ酸コスト選択を用いた進化的シミュレーションにより、曖昧な中間状態シナリオをモデル化し、迅速なコード変化を駆動する。
• GC含有量の最小化を用いた突然変異の圧力をシミュレートし、コドン捕獲シナリオにおける生存性を評価する。
• 中立的突然変異ダイナミクスを用いて、コドン捕獲において選択的優位性がない状況でも細胞が生存可能かどうかをテストする。
• コドン-tRNA相互作用の幾何的表現を用いて、進化的経路を定義する。
• 中間状態における転移速度と安定性を分析することで、2つの進化的経路を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミノ酸コスト選択による迅速な転移は、遺伝子コード進化の曖昧な中間状態シナリオを安定化させ得るか？
• RQ2 特にGC含有量の最小化を含む突然変異の圧力は、コドン捕獲モデルにおける細胞の生存にどのように影響するか？
• RQ3 コドンレベルは、コドンとtRNAの形状空間における進化的経路を定義する上で果たす役割は何か？
• RQ4 完全に中立的突然変異ダイナミクス下でも、コドン捕獲シナリオは進化的に成立可能か？
• RQ5 コドン捕獲と曖昧な中間状態の両シナリオを、同一の物理的枠組みで一貫して記述可能か？

主な発見

• コスト選択下では、曖昧な中間状態シナリオが迅速なコード転移を達成し、中間状態における非一意翻訳の機能的不快感が低減される。
• シミュレーションにより、中立的突然変異のみを経験する細胞が、コドン捕獲モデルにおいても突然変異の圧力に耐えることが確認され、その妥当性が支持される。
• コドンレベルの概念は、コドンとtRNAの形状空間における進化的経路の分類に一貫した物理的根拠を提供する。
• 本モデルは、曖昧な中間状態シナリオにおける迅速な転移が、この経路の主な弱みである機能的曖昧性を緩和することを示している。
• コドン捕獲と曖昧な中間状態の2つの進化的経路が、コドンレベルを用いた統一的物理的記述内で両立可能であることが示された。
• 本稿は、以前のarXiv投稿（arXiv:0901.0181）と顕著なテキストの重複を示しており、モデルの段階的改善がなされたことが示唆される。