[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于密码子与tRNA在密码子形状空间中的密码子水平的遗传密码演化物理模型，比较了密码子捕获与模糊中间状态两种情景。通过模拟表明，在模糊中间状态情景下，成本选择可实现快速的代码转换，减少功能不稳定性；而中性突变模拟则显示在密码子捕获情景下可抵御突变压力而存活，支持两种路径均为可行的进化途径。

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.

研究动机与目标

• 通过密码子与tRNA的形状空间，提供遗传密码演化的统一物理描述。
• 通过建模成本选择驱动的快速转换，解决模糊中间情景中的不稳定性问题。
• 评估在突变压力下，特别是最小化GC含量时，密码子捕获的可行性。
• 在一致的物理框架内，比较密码子捕获与模糊中间两种进化路径。

提出的方法

• 在密码子与tRNA的低维形状空间中引入一种称为“密码子水平”的物理量。
• 通过引入氨基酸成本选择的进化模拟，建模模糊中间情景，以驱动快速的代码变化。
• 通过最小化GC含量来模拟突变压力，以评估密码子捕获情景下的存活能力。
• 应用中性突变动力学，检验在密码子捕获情景下细胞是否能在无选择优势的情况下存活。
• 利用密码子-tRNA相互作用的几何表示，定义进化路径。
• 通过分析中间状态的转换速度与稳定性，比较两种进化路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 模糊中间情景的遗传密码演化是否可通过氨基酸成本选择驱动的快速转换实现稳定化？
• RQ2 突变压力，特别是GC含量最小化，如何影响密码子捕获模型中细胞的存活能力？
• RQ3 密码子水平在定义密码子与tRNA形状空间中的进化路径中起什么作用？
• RQ4 在纯粹的中性突变动力学下，密码子捕获情景是否具有进化可行性？
• RQ5 密码子捕获与模糊中间情景是否能在单一物理框架内得到一致描述？

主要发现

• 在成本选择下，模糊中间情景可实现快速的代码转换，减少中间状态非唯一翻译带来的功能不适。
• 模拟结果证实，仅经历中性突变的细胞可在密码子捕获模型中抵御突变压力而存活，支持其可行性。
• 密码子水平概念为密码子与tRNA形状空间中的进化路径分类提供了稳定的物理基础。
• 该模型表明，模糊中间情景中的快速转换可缓解该路径的主要弱点——功能模糊性。
• 通过密码子水平的统一物理描述，证明了密码子捕获与模糊中间两种进化情景具有兼容性。
• 与先前的arXiv投稿（arXiv:0901.0181）存在大量文本重叠，表明模型经历了迭代优化。