Ludzki genom, podobnie jak u innych eukariontów, charakteryzuje się dużą heterogenicznością w składzie zasad DNA. DNA. Ewolucyjne podstawy tej heterogeniczności nie są znane. nieznane. Poprzednie badanie ludzkiego genomu (przeanalizowano 846 genów) wykazało że w głównym zakresie zawartości G+C w trzeciej pozycji kodonowej (0,25-0,75), odchylenia z reguły parzystości 2 (PR2) między kodonami synonimicznymi czterokodonowych aminokwasów czterokodonowych aminokwasów są podobne, z wyjątkiem najwyższego zakresu G+C (Sueoka, N., 1999. Sprzężone z translacją naruszenie zasady parzystości 2 w ludzkich genach nie jest przyczyną heterogeniczności zawartości G+C DNA w pozycji trzeciego kodonu. Gene 238, 53-58.). PR2 jest regułą wewnątrzpasmową, w której A=T i G=C są oczekiwane, gdy nie ma uprzedzeń między dwiema komplementarnymi nićmi DNA w szybkości mutacji i selekcji (szybkości substytucji). szybkości selekcji (szybkości substytucji). W tym badaniu przeanalizowano 14 026 ludzkich genów. ludzkich genów. Ponadto przeanalizowano pozycje trzeciego kodonu dwukodonowych aminokwasów. aminokwasów dwukodonowych. Nowe wyniki pokazują, co następuje: (a) Zawartość G+C w trzeciej pozycji kodonu pozycji kodonowej ludzkich genów jest rozproszona w zakresie G+C 0,22-0,96 w trzeciej pozycji kodonowej. trzeciej pozycji kodonowej. (b) Odchylenia PR2 są podobne w zakresie 0,25-0,75, natomiast w wysokim zakresie G+C (0,75-0,96; 13% genów), odciski palców PR2-bias różnią się od tych z głównego zakresu. (c) W przeciwieństwie do PR2 zawartość G+C w trzeciej pozycji kodonowej zarówno dla aminokwasów czterokodonowych, jak i dwukodonowych dwukodonowych aminokwasów są prawie idealnie skorelowane z zawartością G+C trzeciego kodonu w całkowitych zakresach G+C. Wyniki te potwierdzają że kierunkowa presja mutacyjna, a nie kierunkowa presja selekcyjna, jest głównie odpowiedzialna za selekcji, jest głównie odpowiedzialna za heterogeniczność zawartości G+C w trzeciej pozycji kodonu. --- Sueoka i Lobry oświadczyli odpowiednio, że przy braku stronniczości między dwóch nici DNA dla mutacji i selekcji, skład zasad w każdej nici powinien być A=T i C=G (stan ten nazywany jest regułą parzystości typu 2, PR2). Jednak sekwencje genomów wielu bakterii, kręgowców i wirusów wykazały asymetrie w składzie zasad i kierunku genów. Aby określić związek skośności składu zasad z orientacją replikacji, funkcją genów funkcją genu, tendencyjnością użycia kodonów i ewolucją filogenetyczną, w tym artykule opracowano program o nazwie DNAskew został opracowany do statystycznej analizy asymetrii nici i tendencyjności składu kodonów w sekwencji DNA. Ponadto, program może być może być również wykorzystywany do przewidywania granic replikacji sekwencji genomu. Metoda metoda opiera się na fakcie, że istnieją asymetrie składu między wiodącą i opóźnioną nicią replikacji. DNAskew został napisany w języku skryptowym Perl i zaimplementowany w systemie operacyjnym LINUX. Działa szybko z adnotowanymi lub nieadnotowanymi sekwencjami w formacie GBFF (GenBank flatfile) lub fasta format. Kod źródłowy jest dostępny bezpłatnie do użytku akademickiego pod adresem http://www.epizooty.com/pub/stat/DNAskew. --- Genom wyższych eukariontów składa się z genów o bardzo heterogenicznym skład zasad w pozycji trzeciego kodonu. Wszechobecna zmienność składu zasad DNA DNA ma następujące dwa aspekty: wewnątrzgenomową heterogeniczność zawartości G+C i specyficzne dla aminokwasów odchylenia sprzężone z translacją wynikające z Reguła parzystości 2 (PR2). PR2 jest regułą wewnątrzpasmową, w której A = T i G = C są jeśli nie ma stronniczości w mutacji i selekcji między dwiema komplementarnymi nićmi DNA. komplementarnymi nićmi DNA. Aby zbadać, czy odchylenia od PR2 są odpowiedzialne za szeroką heterogeniczność zawartości G+C DNA u ludzi, trzecia pozycja kodonu przeanalizowano trzecią pozycję kodonową 846 ludzkich genów. Geny zostały podzielone na sześć grup zgodnie z ich zawartością G+C w trzeciej pozycji kodonowej, a każdą z nich grupę zbadano pod kątem sprzężonych z translacją błędów PR2 w składzie nukleotydowym skład trzeciej pozycji kodonowej dla aminokwasów dwu- i czterokodonowych. Wyniki Wyniki pokazują, że geny w różnych grupach zawartości G+C mają podobne odchylenia PR2 PR2, wskazując, że wewnątrzgenomowa heterogeniczność zawartości G+C nie jest skorelowana z tendencyjnością PR2 sprzężoną z translacją. W związku z tym heterogeniczność zawartości G+C jest prawdopodobnie określona przez inny mechanizm (np. lokalnie mechanizm (np. lokalnie zmienna kierunkowa presja mutacji) niż selekcje specyficzne dla aminokwasów dla preferencji kodonów. --- Zasada Chargaffa dotycząca parzystości wewnątrzniciowej (ISP) między komplementarnymi mono/oligonukleotydami w chromosomach jest dobrze ugruntowana w literaturze naukowej. literaturze naukowej. Chociaż opublikowano dużą liczbę artykułów cytujących prace i dyskusje na temat ISP w erze genomowej, naukowcy nie znaleźli jeszcze wszystkich czynników odpowiedzialnych za tak uniwersalne zjawisko w chromosomach. W W niniejszej pracy staraliśmy się zająć tą kwestią z nowej perspektywy, która jest cechą równoległą do ISP. Kompozycyjne wartości obfitości mono/oligonukleotydów we wszystkich nienakładających się regionach subchromosomalnych o określonej wielkości. regionach o określonej wielkości. Określono również rozkłady częstości mono/oligonukleotydów między regionami porównano przy użyciu metody Kołmogorowa-Smirnowa. Co ciekawe, rozkłady częstości między komplementarnymi mono/oligonukleotydami wykazały statystyczne podobieństwo, które nazwaliśmy nazwaliśmy wewnątrzpasmową parzystością rozkładu częstotliwości (ISFDP). ISFDP został zaobserwowany jako ogólną cechę w chromosomach bakterii, archeonów i eukariontów. Naruszenie ISFDP zaobserwowano również w kilku chromosomach. Chromosomy różnych szczepów należących do jednego gatunku bakterii/archaea (Haemophilus grypy, Xylella fastidiosa itp.) i chromosomy eukariontów różnią się między sobą w odniesieniu do różnią się między sobą pod względem naruszenia ISFDP. ISFDP koreluje słabo z ISP w chromosomach, co sugeruje, że ten ostatni nie jest całkowicie odpowiedzialny za ten pierwszy. Asymetria topografii replikacji i składu sekwencji kodowanych do przodu między niciami w chromosomach okazały się być niewystarczające do wyjaśnienia cechy ISFDP we wszystkich chromosomach. Sugeruje to, że wiele czynników w chromosomach jest odpowiedzialnych za ustanowienie ISFDP. --- Przy braku stronniczości między dwiema nićmi DNA dla mutacji i selekcji, skład zasad w każdej nici powinien być taki, że A = T i C = G (stan ten nazywany jest regułą parzystości typu 2, PR2). W skali genomu, tj. gdy biorąc pod uwagę skład zasad całego genomu, PR2 jest dobrym przybliżeniem, ale istnieją lokalne i systematyczne odchylenia. Pytanie brzmi, czy te odchylenia są konsekwencją leżącego u podstaw uprzedzenia w mutacji lub selekcji. My staraliśmy się dokonać przeglądu opublikowanych hipotez, aby sklasyfikować je w grupie mutacji lub selekcji. lub selektywnej. Ta dychotomia jest jednak zbyt surowa, ponieważ istnieje co najmniej jedna hipoteza oparta jednocześnie na co najmniej jedna hipoteza oparta jednocześnie na mutacji i selekcji. --- Względny udział mutacji i selekcji w zawartości G+C w DNA został przeanalizowany u gatunków bakterii o bardzo różnej zawartości G+C. W analizie wykorzystano dwie opracowane wcześniej metody. Pierwsza metoda polegała na wykreślenie średniej zawartości G+C zestawu nukleotydów względem zawartości G+C trzeciego kodonu dla każdego genu. Metoda ta została wykorzystana do przedstawienia G+C trzeciej pozycji kodonu i oceny względnej neutralności zestawu nukleotydów. neutralności zestawu nukleotydów w stosunku do zawartości G+C w pozycji trzeciego kodonu. kodonu. Druga metoda polegała na wykreśleniu wewnątrzpasmowego odchylenia pozycji trzeciego kodonu pozycji trzeciego kodonu z reguły parzystości 2 (PR2), gdzie A = T i G = C. Stwierdzono, że podczas gdy wewnątrzgenomowe rozkłady zawartości G+C DNA tych bakterii są wąskie u większości gatunków, u niektórych gatunków zawartość G+C w klasie genów minor rozkłada się w szerszych zakresach niż główna klasa genów. Z drugiej strony z drugiej strony, wszechobecne uprzedzenia PR2 są specyficzne dla aminokwasów i niezależne od zawartości G+C w DNA, więc po uśrednieniu aminokwasów, odchylenia są małe i nie są skorelowane z zawartością G+C w DNA. Dlatego też PR2 są mało prawdopodobne, aby wyjaśnić szeroki zakres zawartości G+C wśród różnych gatunków. różnych gatunków. Biorąc pod uwagę wszystkie dostępne dane, stwierdzono, że specyficzne dla aminokwasów odchylenie PR2 ma jedynie niewielki wpływ, jeśli w ogóle, na średnią zawartość G+C zawartość. Ponadto, wzorce odchylenia PR2 różnych gatunków wykazują filogenetyczne zależności relacje filogenetyczne, a wzór może być taksonomicznym odciskiem palca. --- Druga reguła parzystości Chargaffa (A≈T i G≈C w jednej nici) obowiązuje w całym świecie żywym. w całym świecie żywym z drobnymi wyjątkami. Jest ona utrzymywana z większą dokładnością dla długich sekwencji. Pytanie poruszone w artykule dotyczy tego, w jaki sposób różne typy sekwencji, z różnymi odchyleniami od parzystości, przyczyniają się do ogólnego efektu. ogólny efekt. Okazuje się, że segmenty sekwencji z odchyleniami o przeciwnym znaku przeciwnego znaku są wymieszane, tak że przy wystarczającej długości sekwencji parzystość jest ustalona. Reguła parzystości wydaje się być skumulowanym wynikiem wielu niezależnych procesów w ewolucji genomu, z parzystością jako ich nieodłączną właściwością. ich nieodłączną właściwością. Symetryczny wygląd prostych powtórzeń i sekwencji Alu w ludzkich niciach DNA, a także inny wkład w regułę Chargaffa Chargaffa. --- Geny organizmów wielokomórkowych są heterogeniczne pod względem zawartości G+C, co jest szczególnie w trzeciej pozycji kodonowej. Zakres odchylenia od wewnątrzpasmowej zasady równości A = T i G = C (zasada parzystości 2 lub PR2) jest specyficzna dla poszczególnych aminokwasów i została wyrażona jako PR2-bias odcisk palca. Poprzednie wyniki sugerowały, że odciski palców PR2-bias mają tendencję do są podobne wśród genów organizmu, a odcisk palca organizmu jest specyficzny dla różnych taksonów. jest specyficzny dla różnych taksonów, odzwierciedlając filogenetyczne relacje organizmów. organizmów. W tym badaniu, wykorzystując sekwencje kodujące dużej liczby ludzkich genów ludzkich genów, zbadaliśmy wewnątrzgenomową heterogeniczność ich odcisków palców PR2-bias w odniesieniu do zawartości G+C w trzeciej pozycji kodonu (P3). Wynik pokazuje że odcisk palca PR2-bias jest podobny w szerokim zakresie zawartości G+C w pozycji kodonu trzeciej pozycji kodonowej (0,30-0,80). Zakres ten obejmuje około 89% genów genów, a dalsza analiza wysokiego zakresu G+C (0,80-1,00), w którym geny o normalne odciski palców PR2-bias i te z anomalnymi odciskami palców są mieszane, pokazuje, że w sumie 95% genów ma podobne odciski palców. Wynik wskazuje, że odcisk palca PR2-bias jest unikalną właściwością organizmu i reprezentuje ogólną charakterystykę genomu. W połączeniu z poprzednimi wynikami, że ewolucyjna zmiana odcisku palca PR2-bias jest powolnym procesem, odciski palców PR2-bias mogą być wykorzystywane do analiz filogenetycznych w celu uzupełnienia i rozszerzenia konwencjonalnych metod, które wykorzystują różnice w sekwencjach ortologicznych białek. sekwencji ortologicznych białek i kwasów nukleinowych. Potencjalne zalety i omówiono potencjalne zalety i wady analizy odcisków palców PR2-bias. --- Wewnątrzniciowa reguła parzystości 2 DNA (PR2) stwierdza, że A=T i G=C w każdej z nici. nici. Przydatne następstwa PR2 to G/(G+C)=A/(A+T)=0.5, G/(G+A)=C/(C+T)=G+C, G/(G+T)=C/(C+A)=G+C. Tutaj. A, T, G i C reprezentują względną zawartość czterech reszt nukleotydowych. cztery reszty nukleotydowe w określonej nici DNA, tak że A+T+G+C=1. Zatem, odchylenia od PR2 są oznaką mutacji specyficznej dla nici (lub asymetrycznej) i/lub presji selekcyjnej. Niniejsze badanie określa symetryczny i asymetryczny wpływ mutacji na wewnątrzgenomową heterogeniczność zawartości G+C w ludzkim genomie. Wyniki tego badania na ludzkim genomie są następujące: (1) Gdy połączono zarówno dwu-, jak i czterokodonowe aminokwasy, zaobserwowano jedynie niewielkie odchylenia od PR2. od PR2 zaobserwowano w całkowitych zakresach zawartości G+C w pozycji trzeciego kodonu. pozycji trzeciego kodonu. Zatem heterogeniczność G+C jest prawdopodobnie spowodowana przez symetrycznej mutagenezy między dwoma pasmami. (2) Powyższy wynik sprawia, że deaminacji cytozyny z powodu dwuniciowego oddychania DNA [Mol. Biol. Evol. 17 (2000) 1371] i/lub włączenie utlenionej guaniny (8-okso-guaniny) adeniny podczas replikacji DNA (hipoteza utleniania dGTP) jako najbardziej prawdopodobnych kandydatów na główną przyczynę prawdopodobnymi kandydatami na główną przyczynę zróżnicowania zawartości G+C. (3) Wzorce specyficznych dla aminokwasów PR2-biasów wykrytych przez wykreślenie zależności PR2 względem zawartości G+C w trzeciej pozycji kodonu ujawniły, że osiem czterokodonowych aminokwasów można podzielić na trzy typy według drugiej litery kodonu: (a) C(2)-typ (Ala, Pro, Ser4 i Thr), (b) G(2)-typ (Arg4 i Gly) oraz (c) typu T(2) (Leu4 i Val). (4) Większość asymetrycznych wzorów wykresów powyższych trzech klas trzech klas w odchyleniach PR2 można wyjaśnić deaminacją C(2)-->T(2) z C(2)pG(3) typu C(2) do T(2)pG(3) (typu T(2)) zarówno u ludzi, jak i kurcząt. To wyjaśnia istnienie niektórych preferowanych kodonów u ludzi i kurczaków. Jednakże, te odchylenia (asymetryczne) prawie nie przyczyniają się do ogólnej różnorodności zawartości G + C trzeciej pozycji kodonu.
Co oznacza druga reguła parzystości (PR2)?
Druga reguła parzystości (PR2), znana również jako druga reguła parzystości Chargaffa, jest regułą wewnątrzpasmową, która stwierdza, że gdy nie ma uprzedzeń między dwiema komplementarnymi nićmi DNA w szybkości mutacji i selekcji (szybkości substytucji), oczekuje się, że komplementarne nukleotydy będą miały prawie równe częstotliwości w jednoniciowym DNA, a mianowicie A = T i G = C w stanie równowagi, bez względu na zawartość G + C w DNA.