果蝇基因组中内含子数目与密码子使用偏性的关系

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密码子使用偏性是指生物体中编码同一种氨基酸的同义密码子的非均匀使用现象。在后基因组时代的今天,大量的研究表明从原核生物基因组到真核生物基因组密码子使用偏性广泛存在,并且已经提出了“选择一突变一漂变(selection-mutation-drift)”理论来解释密码子偏性的进化机制。已经知道在大多数细菌、酵母和果蝇等基因组中同义密码子趋向于使用以G-或C-结尾的密码子。这些密码子是稍微有利的,因为它们对应了相应基因组中的tRNA丰度分布,从而有利于基因编码产物的高效合成。“选择一突变一漂变”理论的一个重要推论是,如果一个基因经历了较强的选择压力(如高表达),那么它应该有更大的密码子使用偏性。 真核生物基因远比原核基因复杂,大多数真核基因的编码区域是非连续的,编码区域被内含子分割为若干个小片段。最近,一个群体遗传理论研究表明,内含子的插入可能是稍微有害的(Lynch 2002)。因此,如果一个基因经历了较强的选择压力,那么它应该有较少的内含子。根据以上的两个推论,我们可以预测一个基因的内含子数目与密码子使用偏性应该有一个负相关关系。本文的目的就是利用模式生物果蝇基因组信息证明这一预测。 我们的结果表明果蝇基因内含子数与密码子使用偏性有显著关系,随着内含子数目的增加,基因中的GC(包含内含子)含量及密码子使用偏性(the scaled X<2>值减小,N<,c>值增大)随之减小,而GC3与GC3s及密码子适应系数(CAI)值先随着内含子数的增加而增大,在内含子数为2时最大,然后随内含子数的增加而减小。对于只有一个内含子的基因,内含子插入位点的不同对GC含量及密码子使用偏性也有影响,内含子插入位点离起始密码子距离越远,基因中的GC含量、CDS的GC含量及密码子使用偏性也越小。 对于作为蛋白质翻译终止信号的终止密码子,统计结果显示:在没有内含子的基因中,终止密码子的使用具有极大的偏好性,随着内含子数的增加,这种偏好性逐渐减弱,但仍然偏好于使用TAA作为终止密码子,其次是TAG,TGA的使用量最少,终止密码子的这种使用偏性在高表达基因中表现得更加强烈。另外,我们还发现内含子长度与CDS长度的比值与GC含量及密码子使用偏性也有显著关系。 我们的结果是与密码子使用的“选择-突变-漂变”理论相一致的,意味着在真核生物如果蝇基因组中,密码子使用偏性与其基因结构(内含子数)的进化有耦联性,并且不仅是由突变、漂变也是由选择所决定的。
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