Inferring gene function from evolutionary change in signatures of translation efficiency.
Inferring gene function from evolutionary change in signatures of translation efficiency.
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DOI：
10.1186/gb-2014-15-3-r44
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发表时间：
2014-03-03
期刊：
影响因子：
12.3
通讯作者：
Supek F
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Krisko A;Copic T;Gabaldón T;Lehner B;Supek F
遗传密码是冗余的，这意味着大多数氨基酸可以由一个以上的密码子编码。高表达基因倾向于使用最佳密码子来提高翻译的准确性和速度。因此，密码子使用偏好提供了基因的相对表达水平的特征，其可以独特地在生命的各个领域中被量化。在这里，我们描述了一个一般的统计框架，利用这一现象，并系统地关联基因与环境和表型性状，通过密码子适应的变化。通过推断911个细菌和古细菌基因组中翻译效率的进化特征，同时控制遗传学和相互关联的表型的混淆效应，我们将187个基因家族与24个不同的表型性状联系起来。在大肠杆菌中进行的一系列实验表明，在耐氧、嗜热或嗜盐微生物中，15个基因家族中有13个、23个基因家族中有19个和6个基因家族中有3个发生了密码子适应性变化。分别赋予对过氧化氢、热和高盐度的特定抗性。此外，我们通过实验证明，仅密码子优化性的变化就足以增强抗逆性。最后，我们提出的证据表明，在需氧菌中，多个密码子优化改变的基因通过控制铁和NAD（P）H的水平来赋予氧化应激抗性。总之，这些结果提供了实验证据的翻译效率和表型适应的变化之间的广泛联系。随着测序基因组数量的增加，这种仅基于序列将基因与表型联系起来的新基因组背景方法将变得越来越有用。
The genetic code is redundant, meaning that most amino acids can be encoded by more than one codon. Highly expressed genes tend to use optimal codons to increase the accuracy and speed of translation. Thus, codon usage biases provide a signature of the relative expression levels of genes, which can, uniquely, be quantified across the domains of life. Here we describe a general statistical framework to exploit this phenomenon and to systematically associate genes with environments and phenotypic traits through changes in codon adaptation. By inferring evolutionary signatures of translation efficiency in 911 bacterial and archaeal genomes while controlling for confounding effects of phylogeny and inter-correlated phenotypes, we linked 187 gene families to 24 diverse phenotypic traits. A series of experiments in Escherichia coli revealed that 13 of 15, 19 of 23, and 3 of 6 gene families with changes in codon adaptation in aerotolerant, thermophilic, or halophilic microbes. Respectively, confer specific resistance to, respectively, hydrogen peroxide, heat, and high salinity. Further, we demonstrate experimentally that changes in codon optimality alone are sufficient to enhance stress resistance. Finally, we present evidence that multiple genes with altered codon optimality in aerobes confer oxidative stress resistance by controlling the levels of iron and NAD(P)H. Taken together, these results provide experimental evidence for a widespread connection between changes in translation efficiency and phenotypic adaptation. As the number of sequenced genomes increases, this novel genomic context method for linking genes to phenotypes based on sequence alone will become increasingly useful.
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影响因子：
4.5
作者：
Hershberg R;Petrov DA
通讯作者：
Petrov DA
影响因子：
3.2
作者：
Ekaza, E;Teyssier, J;Köhler, S
通讯作者：
Köhler, S
DOI：
10.1073/pnas.0604311103
发表时间：
2006-07-25
影响因子：
11.1
作者：
Karlin, Samuel;Brocchieri, Luciano;Kaiser, Dale
通讯作者：
Kaiser, Dale
影响因子：
3.5
作者：
Kanaya, S;Yamada, Y;Ikemura, T
通讯作者：
Ikemura, T
影响因子：
2.1
作者：
Cunningham, L;Georgellis, D;Guest, JR
通讯作者：
Guest, JR