تحيز استخدام الكودونات

على الرغم من أن آلية اختيار انحياز الكودونات لا تزال موضع جدل، إلا أن التفسيرات المحتملة لهذا الانحياز تنقسم إلى فئتين رئيسيتين. يتمحور أحد التفسيرات حول الانتقاء الطبيعي، حيث يُسهم انحياز الكودونات في كفاءة و/أو دقة التعبير البروتيني، وبالتالي يخضع لانتقاء إيجابي . يُمكن للانتقاء أن يُفسر سبب تعرف جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) الأكثر وفرة على الكودونات الأكثر شيوعًا، بالإضافة إلى العلاقة بين الكودونات المفضلة ومستويات الحمض النووي الريبوزي الناقل وعدد نسخ الجينات . يحدث دمج الأحماض الأمينية في الكودونات الأكثر شيوعًا بشكل أسرع من الكودونات النادرة. يُمكن أن تُؤدي الترجمة الأسرع إلى زيادة تركيز الريبوسومات الحرة في الخلية ، وربما زيادة معدل بدء ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). ^{[ 21 ]} يُمكن أن يكون لاستخدام الكودونات تأثيرات كبيرة على طي البروتين أثناء الترجمة . ^{[ 22 ]}

يُعزى التفسير الثاني لاستخدام الكودونات إلى التأثيرات المحايدة. وتشمل هذه التأثيرات كلاً من انحياز الطفرات (الذي يميل إلى جعل الكودونات التي تحتوي على الجوانين والسيتوزين أكثر شيوعًا من الكودونات التي تحتوي على الأدينين والسيتوزين) وتحويل الجينات المتحيز نحو محتوى الجوانين والسيتوزين (الذي يفعل العكس). تُظهر الكائنات الحية المختلفة انحيازات طفرات متباينة، ويُعد مستوى محتوى الجوانين والسيتوزين على مستوى الجينوم عاملاً هامًا في تفسير اختلافات انحياز الكودونات بين الكائنات الحية. وفي الكائنات الحية المختلفة، وفي الجينات المختلفة للكائن الحي نفسه، يختلف التأثير النسبي للانتقاء والتأثيرات المحايدة. ^{[ 23 ]}

للتوفيق بين الأدلة المستقاة من ضغوط الطفرات والانتخاب الطبيعي، يمكن تفسير الفرضية السائدة لانحياز الكودونات بنموذج توازن الطفرة والانتخاب والانحراف الوراثي ، أو بشكل أعم، بنسخة تتضمن أيضًا تحويل الجينات المتحيز نحو محتوى GC. تنص هذه الفرضية على أن استخدام الكودونات يتشكل بفعل كل من القوى المحايدة والانتخاب الطبيعي، نظرًا لوجود انحراف وراثي قوي بما يكفي لمنع الانتخاب الطبيعي من الهيمنة الكاملة على اختيار الكودونات في كل موقع من مواقع الجينوم. كما تشير إلى أن الانتخاب الطبيعي ضعيف عمومًا، ولكنه يميل إلى أن يكون أقوى في الجينات ذات التعبير الجيني الأعلى والقيود الوظيفية الأكبر لتسلسلات الترميز. ^{[ 21 ]}

يقيس "مؤشر تكيف الكودونات" الاختلافات بين الجينات في مدى قوة الانتقاء على استخدام الكودونات مقارنةً بالطفرة والانحراف وتحويل الجينات. ^{[ 24 ]} تشمل البدائل "تردد الكودونات المثلى" (Fop)، ^{[ 25 ]} والتكيف النسبي للكودونات (RCA)، ^{[ 26 ]} و" العدد الفعال للكودونات " (Nc). ^{[ 27 ] [ 28 ]} تُستخدم الأساليب الإحصائية متعددة المتغيرات، مثل تحليل التوافق وتحليل المكونات الرئيسية ، على نطاق واسع لتحليل الاختلافات في استخدام الكودونات بين الجينات. ^{[ 29 ]} لتحسين الكودونات تطبيقات في تصميم الجينات الاصطناعية ولقاحات الحمض النووي .

يقيس "مؤشر تكيف الكودونات للأنواع" مدى انحراف استخدام الكودونات عبر الجينوم بأكمله عما هو متوقع في ظل الطفرة، وتحويل الجينات، والانحراف الوراثي. ^{[ 20 ]} وهذا يجسد حجم التجمع الفعال ، الذي يمثل قوة الانحراف الوراثي في ​​الحد من قدرة الانتقاء على التغلب على تحيز الطفرة وتحويل الجينات المتحيز نحو محتوى GC.

نظرًا لتأثير البنية الثانوية للطرف 5' من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) على كفاءة الترجمة، فإن التغيرات المترادفة في هذه المنطقة من الحمض النووي الريبوزي الرسول قد تُحدث تأثيرات بالغة على التعبير الجيني. لذا، يُمكن أن يلعب استخدام الكودونات في مناطق الحمض النووي غير المشفرة دورًا رئيسيًا في البنية الثانوية للحمض النووي الريبوزي والتعبير البروتيني اللاحق، والذي قد يخضع لضغوط انتقائية إضافية. على وجه الخصوص، يُمكن أن تُثبط البنية الثانوية القوية في موقع ارتباط الريبوسوم أو كودون البدء عملية الترجمة، كما أن طي الحمض النووي الريبوزي الرسول عند الطرف 5' يُولد قدرًا كبيرًا من التباين في مستويات البروتين. ^{[ 30 ]}

يُستخدم التعبير الجيني غير المتجانس في العديد من التطبيقات التقنية الحيوية، بما في ذلك إنتاج البروتينات والهندسة الأيضية . ونظرًا لاختلاف تجمعات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) بين الكائنات الحية المختلفة، قد يكون معدل نسخ وترجمة تسلسل ترميز معين أقل كفاءة عند وضعه في سياق غير طبيعي. بالنسبة للجين المُفرط التعبير ، يُشكل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) المقابل نسبة كبيرة من إجمالي الحمض النووي الريبوزي الخلوي، وقد يؤدي وجود الكودونات النادرة على طول النسخة إلى استخدام غير فعال للريبوسومات واستنزافها، مما يُقلل في النهاية من مستويات إنتاج البروتين غير المتجانس. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤثر تركيب الجين (مثل العدد الإجمالي للكودونات النادرة ووجود كودونات نادرة متتالية) على دقة الترجمة. ^{[ 31 ] [ 32 ]} ومع ذلك، فإن استخدام الكودونات المُحسّنة لتجمعات الحمض النووي الريبوزي الناقل في مضيف معين للإفراط في التعبير عن جين غير متجانس قد يُسبب أيضًا نقصًا في الأحماض الأمينية ويُغير توازن تجمعات الحمض النووي الريبوزي الناقل. تُستخدم هذه الطريقة، التي تُسمى تحسين الكودونات، لتعديل الكودونات لتتوافق مع وفرة الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) في الخلية المضيفة، وقد شاع استخدامها للتعبير عن جين غير متجانس. مع ذلك، تأخذ الاستراتيجيات الحديثة لتحسين التعبير غير المتجانس في الاعتبار المحتوى النيوكليوتيدي الشامل، مثل طي الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الموضعي، وانحياز أزواج الكودونات، وتدرج الكودونات، وتنسيق الكودونات ، أو ارتباطات الكودونات. ^{[ 33 ] [ 34 ]} ومع ازدياد عدد التغييرات النيوكليوتيدية المُدخلة، غالبًا ما يكون التخليق الجيني الاصطناعي ضروريًا لإنشاء جين مُحسَّن كهذا.

يُلاحظ انحياز الكودونات المتخصص أيضًا في بعض الجينات الداخلية ، مثل تلك المشاركة في نقص الأحماض الأمينية. فعلى سبيل المثال، تستخدم إنزيمات تصنيع الأحماض الأمينية بشكل تفضيلي الكودونات غير المتكيفة مع وفرة الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) الطبيعية، ولكنها تمتلك كودونات متكيفة مع مخزون الحمض النووي الريبوزي الناقل في ظروف نقص الأحماض الأمينية. وبالتالي، يُمكن أن يُضيف استخدام الكودونات مستوىً إضافيًا من تنظيم النسخ للتعبير الجيني المناسب في ظل ظروف خلوية محددة. ^{[ 34 ]}

بشكل عام، بالنسبة للجينات عالية التعبير، تكون معدلات استطالة الترجمة أسرع في النسخ التي تحتوي على تكيف أعلى للكودونات مع مجموعات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، وأبطأ في النسخ التي تحتوي على كودونات نادرة. يوفر هذا الارتباط بين معدلات ترجمة الكودونات وتركيزات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) المتوافقة تعديلًا إضافيًا لمعدلات استطالة الترجمة، مما قد يوفر العديد من المزايا للكائن الحي. على وجه التحديد، يمكن أن يسمح استخدام الكودونات بتنظيم شامل لهذه المعدلات، وقد تساهم الكودونات النادرة في دقة الترجمة على حساب السرعة. ^{[ 35 ]}

يُعدّ طي البروتين في الكائنات الحية عمليةً اتجاهية ، حيث يخرج الطرف الأميني (N-terminus) للبروتين من الريبوسوم أثناء الترجمة ويصبح مُعرّضًا للمذيب قبل مناطق الطرف الكربوكسيلي (C-terminus) . ونتيجةً لذلك، يُفرض طي البروتين أثناء الترجمة قيودًا مكانية وزمنية عديدة على سلسلة الببتيد الوليدة في مسار طيها. ولأن معدلات ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) مرتبطة بطي البروتين، وتكييف الكودونات مرتبط باستطالة الترجمة، فقد افترض الباحثون أن التلاعب على مستوى التسلسل قد يكون استراتيجية فعّالة لتنظيم أو تحسين طي البروتين. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن توقف الترجمة نتيجةً لبنية الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) المحلية يحدث لبعض البروتينات، وهو ما قد يكون ضروريًا للطي السليم. علاوةً على ذلك، فقد ثبت أن الطفرات المترادفة لها عواقب وخيمة في عملية طي البروتين الوليد، بل ويمكنها تغيير خصوصية الركيزة للإنزيمات. تشير هذه الدراسات إلى أن استخدام الكودونات يؤثر على سرعة خروج عديدات الببتيد اتجاهيًا من الريبوسوم، مما قد يؤثر بدوره على مسارات طي البروتين في جميع أنحاء الفضاء البنيوي المتاح. ^{[ 35 ]}