Viés de uso de códon

Viés de uso de codão em Physcomitrella patens.

Viés de uso de códon (português brasileiro) ou codão (português europeu) refere-se a diferenças na frequência de ocorrência de códons sinônimos na codificação de DNA. Um códon é uma série de três nucleotídeos (um tripleto) que codifica um aminoácido resíduo específico em uma cadeia de polipeptídeo ou para a terminação de translação (códons de parada).[1]

Existem 64 códons diferentes (61 códons codificando para aminoácidos mais 3 códons de parada) mas apenas 20 aminoácidos diferentes traduzidos. A superabundância no número de códons permite que muitos aminoácidos sejam codificados por mais de um códon. Por causa de tal redundância, é dito que o código genético é degenerado. Os códigos genéticos de diferentes organismos são frequentemente inclinados a usar um dos vários códons que codificam o mesmo aminoácido sobre os outros — isto é, uma maior frequência de um será encontrada do que o esperado por acaso. Como tais vieses surgem é uma área muito debatida de evolução molecular. Tabelas de uso de códons detalhando o viés de uso de códon genômico para a maioria dos organismos em GenBank e RefSeq pode ser encontrado no HIVE-Codon Usage Table database.[2]

É geralmente reconhecido que os vieses de códon refletem um equilíbrio entre vieses mutacionais e seleção natural para otimização translacional. Códons ótimos em microrganismos de crescimento rápido, como Escherichia coli ou Saccharomyces cerevisiae (fermento de padeiro), reflete a composição de seus respectivos pool de tRNA genômico.[3] Acredita-se que os códons ideais ajudam a alcançar taxas de tradução mais rápidas e alta precisão. Como resultado desses fatores, espera-se que a seleção translacional seja mais forte em genes altamente expressos, como é de fato o caso para os organismos acima mencionados.[4][5] Em outros organismos que não apresentam altas taxas de crescimento ou que apresentam genomas pequenos, a otimização do uso de códons está normalmente ausente, e as preferências dos códons são determinadas pelos vieses mutacionais característicos vistos naquele genoma específico. Exemplos disso são Homo sapiens (humano) e Helicobacter pylori.[6] Organismos que mostram um nível intermediário de otimização de uso de códons incluem Drosophila melanogaster (moscas das frutas), Caenorhabditis elegans (verme nematódeo), Strongylocentrotus purpuratus (ouriço-do-mar) ou Arabidopsis thaliana (uma espécie de agrião, primeira planta cujo genoma foi completamente sequenciado).[7] Diversas famílias virais (herpesvírus, lentivírus, papilomavírus, poliomavírus, adenovírus e parvovírus) são conhecidos por codificarem proteínas estruturais que exibem um uso de códons fortemente enviesados em comparação com a célula hospedeira. Sugeriu-se de que esses vieses de códon desempenham um papel na regulação temporal de suas proteínas tardias.[8]

A natureza da otimização do tRNA de uso do códon tem sido intensamente debatida. Não está claro se as unidades de uso de códon conduzem a evolução do tRNA ou vice versa. Pelo menos um modelo matemático foi desenvolvido onde tanto o uso de códons quanto a expressão de tRNA coevoluem numa forma de feedback (i.e., códons já presentes em altas frequências aumentam a expressão de seus correspondentes tRNAs, e tRNAs normalmente expressos em altos níveis aumentam a frequência de seus códons correspondentes). No entanto, este modelo não parece ainda ter confirmação experimental. Outro problema é que a evolução dos genes de tRNA tem sido uma área de pesquisa muito inativa.[9][10][11]

Referências

  1. ↑ Behura SK, Severson DW.; Codon usage bias: causative factors, quantification methods and genome-wide patterns: with emphasis on insect genomes. Biol Rev Camb Philos Soc. 2013 Feb;88(1):49-61. doi: 10.1111/j.1469-185X.2012.00242.x. Epub 2012 Aug 14.
  2. ↑ Athey, John; Alexaki, Aikaterini; Osipova, Ekaterina; Rostovtsev, Alexandre; Santana-Quintero, Luis V.; Katneni, Upendra; Simonyan, Vahan; Kimchi-Sarfaty, Chava (2 de setembro de 2017). «A new and updated resource for codon usage tables». BMC Bioinformatics. 18 (391). PMC 5581930Acessível livremente. PMID 28865429. doi:10.1186/s12859-017-1793-7 
  3. ↑ Dong, Hengjiang; Nilsson, Lars; Kurland, Charles G. (1996). «Co-variation of tRNA abundance and codon usage in Escherichia coli at different growth rates». Journal of Molecular Biology. 260 (5): 649–663. ISSN 0022-2836. doi:10.1006/jmbi.1996.0428 
  4. ↑ Sharp, Paul M.; Stenico, Michele; Peden, John F.; Lloyd, Andrew T. (1993). «Codon usage: mutational bias, translational selection, or both?» (PDF). Biochem. Soc. Trans. 21: 835-841 
  5. ↑ Kanaya, Shigehiko; Yamada, Yuko; Kudo, Yoshihiro; Ikemura, Toshimichi (1999). «Studies of codon usage and tRNA genes of 18 unicellular organisms and quantification of Bacillus subtilis tRNAs: gene expression level and species-specific diversity of codon usage based on multivariate analysis». Gene. 238 (1): 143–155. ISSN 0378-1119. doi:10.1016/s0378-1119(99)00225-5 
  6. ↑ Xu, Chen et al. “Factors affecting synonymous codon usage bias in chloroplast genome of oncidium gower ramsey” Evolutionary bioinformatics online vol. 7 (2011): 271-8.
  7. ↑ Duret, Laurent (2000). «tRNA gene number and codon usage in the C. elegans genome are co-adapted for optimal translation of highly expressed genes». Trends in Genetics. 16 (7): 287–289. ISSN 0168-9525. doi:10.1016/s0168-9525(00)02041-2 
  8. ↑ Shin, Young C.; Bischof, Georg F.; Lauer, William A.; Desrosiers, Ronald C. (10 de setembro de 2015). «Importance of codon usage for the temporal regulation of viral gene expression». Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (45): 14030–14035. PMC 4653223Acessível livremente. PMID 26504241. doi:10.1073/pnas.1515387112 
  9. ↑ Grosjean H, de Crécy-Lagard V, Marck C.; Deciphering synonymous codons in the three domains of life: co-evolution with specific tRNA modification enzymes. FEBS Lett. 2010 Jan 21;584(2):252-64. doi: 10.1016/j.febslet.2009.11.052.
  10. ↑ Novoa EM, Pavon-Eternod M, Pan T, Ribas de Pouplana L.; A role for tRNA modifications in genome structure and codon usage. Cell. 2012 Mar 30;149(1):202-13. doi: 10.1016/j.cell.2012.01.050.
  11. ↑ Quax, T. E., Claassens, N. J., Söll, D., & van der Oost, J. (2015). Codon Bias as a Means to Fine-Tune Gene Expression. Molecular cell, 59(2), 149-61.