哺乳动物物种间的密码子偏倚

• 一个蛋白质的遗传密码被定义为简并的，因为有一个以上的密码子可以编码一个氨基酸。
• 密码子偏倚是指一个给定的密码子在一个同义密码子上对一个氨基酸进行编码的概率。
• 该报告将探索人类、大鼠、狗和猕猴p53 DNA基因组中精氨酸的密码子偏差

p53是什么?

• P53是一种编码抑制哺乳动物肿瘤的基因。
• 通过防止肿瘤(不可控和异常的细胞生长)来调节细胞分裂。
• 位于17号染色体上，直接与DNA结合以应对应激信号。
• 结构:393个氨基酸，4个结构域，可识别受损DNA、特定DNA序列和转录因子

如何做p53的工作吗?

• 调控因子MDM2的表达被p53激活。在正常细胞中，MDM2/p53复合物通过泛素连接酶引发p53的降解，从而维持p53的低水平。
• 在DNA损伤的情况下，蛋白激酶如ATM被激活，使p53的Ser15、Thr18或Ser20位点磷酸化。这将破坏复合体，细胞中的p53水平将增加。
• DNA修复后，p53去磷酸化，再次与MDM2结合。
• 治疗癌症的未来可能在于p53抑制基因。“50%的癌症都有p53基因的错义点突变。(Vogelstein et al . 2000)。如此高的比例证明p53对抗癌细胞的生存至关重要。

密码子理解偏差

进化理论

突变偏倚与选择
突变偏倚:由于非随机突变模式，密码子偏倚存在。
选择:密码子偏倚有助于蛋白表达的效率和准确性。

突变漂移模型
主密码子被选择在次要密码子之上。小密码子在遗传漂变中起着重要作用。

密码子组成对RNA/转录/翻译速率的影响:

1. RNA二级结构:密码子同义变化可改变基因表达。
2. 转录:密码子优化(匹配tRNA丰度与密码子)。
3. 翻译延伸率:高表达密码子翻译速度快于稀有密码子
4. 对蛋白质折叠的影响:密码子被翻译的速率对蛋白质折叠有影响

tRNA水平和密码子偏差
常用密码子与高表达基因中丰富的tRNA相对应。

假设

哺乳动物中有6个编码精氨酸的密码子:CGU、CGC、CGA、CGG、AGA和AGG。预计这些密码子将以大约相同的频率使用，因为它们编码相同的氨基酸。

方法

• 利用美国国家生物技术中心(NCBI)的核苷酸数据库，检索人类、大鼠、狗和猕猴的DNA基因组全CDS
• 利用NCBI开放阅读框查找器将DNA序列转化为多肽序列。
• 使用卡方分析来检验原假设

结果

CGU、CGC、CGA、CGG与AGA、AGG的卡方分析

x²=(观测值-期望值)²/期望值

期望= 0 + 37 + 40 + 40 /4 = 29.25
比:1:1:1:1
问= 0
CGC =(37-47.5)²/ 29.25= 3.770
CGA =(40-47.5)²/ 29.25 = 1.923
CGG =(40-47.5)²/ 29.25= 1.923
自由度= 4-1 = 3
卡方值= 7.616

7.616 < 7.82

不能拒绝零假设
=表示没有密码子偏好

x²=(观测值-期望值)²/期望值

= 96 + 72/ 2= 84
比例:1:1
Aga =(96-47.5)²/ 84 = 28.003
Agg =(72-47.5)²/ 84 = 10.360
自由度= 2-1 = 1
x平方分布值:38.363

38.363 > 3.84

拒绝原假设
=表示密码子偏倚

结论

• 编码精氨酸的6个密码子CGU、CGC、CGA、CGG、AGA和AGG拒绝了零假设，零假设表明哺乳动物物种之间存在密码子偏差。
• 对CGU、CGC、CGA和CGG进行卡方分析，未拒绝零假设，即无密码子偏置。这是意料之中的，因为这些密码子出现的频率是相对相同的。
• 对AGA和AGG进行卡方分析，提示密码子偏置。
• 研究人员对分子进化中的密码子偏倚有不同的解释。一种假设是，这是物种之间的遗传适应。另一些人则假设这可能是由于等位基因的选择。
• 研究表明，哺乳动物的密码子偏倚与选择之间存在相关性。“另一个可能的选择力量可能是翻译效率”(TE)。由于每个密码子被不同的trna阅读，相应trna数量越多的密码子可能被翻译得越快。因此，同义和非同义密码子的使用影响翻译延伸率，从而影响基因的TE”(Resso et al . 2005)。选择可以提高主密码子的翻译效率和准确性。选择也减少稀有密码子的翻译。

参考文献

1. 解构p53在肿瘤抑制中的转录网络。Kathryn T. Bieging等。
2. 《细胞生物学趋势》，第22卷，第2期，97 - 106。Vogelstein B, Lane D, Levine AJ。(2000)。浏览p53网络。自然,408:307 - 310
3. NCBI -国家生物技术信息中心。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
4. 听力沉默:哺乳动物同义位点的非中性进化。Nat Rev Genet, 2006; 7:98-108。doi: 10.1038 / nrg1770。
5. p53突变对结肠癌预后和预测意义的TP53国际合作研究:肿瘤部位、突变类型和辅助治疗的影响。美国临床医学杂志2005;23:7518-28。