[论文解读] Studies on the Origin and Evolution of Codon Bias

J Bíró|ArXiv.org|Jul 24, 2008

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 37被引用 6

一句话总结

本研究调查了113个物种中的密码子使用偏倚（CUB），发现CUB随进化复杂性和基因组大小的增加而下降。利用泛基因组密码子使用频率表，作者发现同义密码子之间存在强烈的内部相关性，表明它们作为一个整体系统运作，而非随机变异，其摆动碱基位置可由其他密码子残基预测。

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.

研究动机与目标

• 理解不同物种中密码子使用偏倚（CUB）的起源及其进化轨迹。
• 确定基因组复杂性和进化分歧如何影响CUB水平。
• 研究同义密码子之间的功能关系及其内部相关性。
• 构建用于比较基因组学的泛基因组密码子使用频率（CUF）表。
• 评估是否可基于其组成关系预测同义密码子。

提出的方法

• 使用相对于理论最大使用率的标准化度量，分析113个物种中的密码子使用偏倚（CUB）。
• 构建泛基因组密码子使用频率（CUF）表，以绘制全基因组范围内的密码子关系。
• 统计评估密码子频率、氨基酸频率以及同义密码子数量之间的相关性。
• 使用多变量相关性分析检测密码子残基及其摆动位置之间的内部依赖关系。
• 应用预测建模方法，基于已知的密码子模式推断缺失的摆动碱基身份。
• 以理论最大值的百分比计算CUB，并报告均值标准误（SEM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 密码子使用偏倚（CUB）在具有不同基因组复杂性和进化分歧的物种中如何变化？
• RQ2 一种氨基酸的同义密码子数量与其在蛋白质组中的使用频率之间存在何种关系？
• RQ3 密码子及其核苷酸组分之间是否存在显著的内部相关性，表明其具有功能整合性？
• RQ4 能否基于其他两个位置可靠预测密码子中摆动碱基的身份？
• RQ5 同义密码子在多大程度上构成一个连贯的、相互依赖的系统，而非独立的变异？

主要发现

• 在113个物种中，平均密码子使用偏倚（CUB）为理论最大值的29.3% ± 1.1%，且随着基因组复杂性和进化分歧的增加，CUB呈现逐步下降趋势。
• 发现一种氨基酸的同义密码子数量与其在蛋白质组中的频率以及CUB的大小之间存在强烈的正相关性。
• 检测到大量在密码子及其组成核苷酸之间具有统计学显著性的内部相关性，表明其具有高度的功能和结构整合性。
• 密码子相关性的预测能力使得能够可靠地推断出缺失的摆动碱基身份。
• 结果表明，所有同义密码子在功能上均整合于遗传密码之中，维持了其整体完整性，而非冗余或中性。
• 泛基因组密码子使用频率（CUF）表揭示了跨物种的一致、非随机模式，支持密码子使用具有系统性观点。