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同義置換（サイレント置換とも呼ばれるが、必ずしもサイレントではない）は、タンパク質をコードする遺伝子のエクソンにおいて、ある塩基が別の塩基に進化的に 置換されるものであり、生成されるアミノ酸配列は変更されない。これが可能なのは、遺伝暗号が「縮退」しているためである。つまり、一部のアミノ酸は、3 塩基対のコドンで 1 つ以上コード化されている。特定のアミノ酸のコドンの一部は、同じアミノ酸をコードする他のコドンと 1 塩基対だけ異なるため、遺伝子が翻訳されるときに、「通常の」塩基を代替塩基の 1 つに置き換える突然変異によって、成長中のポリペプチド鎖に同じアミノ酸が組み込まれる。同義置換および非コード DNA に影響を及ぼす突然変異は、サイレント突然変異と見なされることが多いが、突然変異がサイレントであるとは限らない。[1] [2] [3] [4] [5]
64コドンに対して22のコードがあるため、ランダム置換が同義になる確率はおよそ22/64 = 34%と予想されます。実際の値は約20%です。[6]
同義変異は転写、スプライシング、mRNA輸送、翻訳に影響を及ぼし、そのいずれもが結果として生じる表現型を変化させ、同義変異を非サイレントにする可能性がある。[3] tRNAの稀なコドンに対する基質特異性は翻訳のタイミングに影響し、ひいてはタンパク質の共翻訳フォールディングに影響する。[1]これは多くの種で観察されるコドン使用バイアスに反映されている。非同義置換はアミノ酸の変化をもたらし、それは任意にさらに保守的（同様の生理化学的特性を持つアミノ酸への変化）、半保守的（例えば、負に帯電したアミノ酸から正に帯電したアミノ酸へ）、またはラジカル（大きく異なるアミノ酸）に分類される。
遺伝コードの退化
タンパク質の翻訳には、 20 個のアミノ酸のセットが関与しています。これらのアミノ酸はそれぞれ、コドンと呼ばれる 3 つのDNA塩基対の配列によってコード化されています。可能なコドンは 64 個ありますが、コードされているアミノ酸は(自然界では) 20 ～ 22 個と停止シグナル (つまり、どのアミノ酸もコードしないコドンが最大 3 つあり、これらは停止コドンと呼ばれ、翻訳を停止する必要があることを示す) のみであるため、一部のアミノ酸は 2、3、4、または 6 個の異なるコドンによってコードされています。たとえば、コドン TTT と TTC はどちらもアミノ酸フェニルアラニンをコードします。これは、遺伝コードの冗長性とよく呼ばれます。冗長性には 2 つのメカニズムがあります。複数の異なる転移 RNA が同じアミノ酸を送達できる場合と、1 つのtRNA がアンチコドンの 3 番目の位置に非標準のウォブル塩基を持ち 、コドン内の複数の塩基を認識する場合です。
上記のフェニルアラニンの例では、TTT コドンの位置 3 の塩基が C に置換され、コドンが TTC になったとします。タンパク質のその位置のアミノ酸はフェニルアラニンのままです。したがって、置換は同義置換です。
進化
同義突然変異またはサイレント突然変異が発生した場合、その変化は中立的であると見なされることが多く、つまり、新しい遺伝子を持つ個体の生存および繁殖の適応度には影響しないことを意味します。
同義変化は中立的ではない可能性がある。特定のコドンが他のコドンよりも効率的に（より速く、より正確に）翻訳されるからである。例えば、ショウジョウバエのアルコール脱水素酵素遺伝子にいくつかの同義変化が導入され、いくつかのコドンが最適でない同義語に変更されたとき、コード化された酵素の生産が減少した[7]し、成虫のハエはエタノール耐性が低下した。[8] 細菌から動物まで、多くの生物は特定の同義コドンの偏った使用を示す。このようなコドン使用の偏りは、選択的または中立的なさまざまな理由で発生する可能性がある。サッカロミセス・セレビシエでは、同義コドンの使用がmRNA の折り畳み安定性に影響することが示されており、異なるタンパク質二次構造をコードする mRNA は異なるコドンを好む。[9]
同義的変化が必ずしも中立的ではないもう一つの理由は、エクソンとイントロンの境界に近いエクソン配列がRNAスプライシングシグナルとして機能するという事実である。スプライシングシグナルが同義的変異によって破壊されると、そのエクソンは最終的なタンパク質に現れない。その結果、タンパク質は切り詰められる。ある研究では、嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス調節遺伝子のエクソン12に影響を及ぼす同義的変異の約4分の1が、そのエクソンをスキップする結果となることがわかった。[10]
参照
- Ka/Ks比
- ミスセンス変異
- 非同義語置換
- 点突然変異
- 拡張された遺伝コード。20～22種類以上の天然アミノ酸が使用されている。
参考文献
- ^ ab Kimchi-Sarfaty C, Oh JM, Kim IW, Sauna ZE, Calcagno AM, Ambudkar SV, Gottesman MM (2007 年 1 月). 「MDR1 遺伝子の「サイレント」多型が基質特異性を変化させる」. Science . 315 (5811): 525–528. Bibcode :2007Sci...315..525K. doi : 10.1126/science.1135308. PMID 17185560. S2CID 15146955 .
- ^ Chamary JV、Parmley JL 、Hurst LD（2006年2月）。「聴覚の沈黙：哺乳類の同義部位における非中立的進化」。Nature Reviews。遺伝学。7 （2）：98–108。doi ：10.1038/nrg1770。PMID 16418745。S2CID 25713689 。
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- ^ Zhou T, Ko EA, Gu W, Lim I, Bang H, Ko JH (2012年10月31日). 「電位依存性イオンチャネル遺伝子の同義部位に関する非サイレントストーリー」. PLOS ONE . 7 (10): e48541. Bibcode :2012PLoSO...748541Z. doi : 10.1371/journal.pone.0048541 . PMC 3485311. PMID 23119053 .
- ^ Graur D (2003). 「一塩基変異」(PDF)。Cooper DN (編)。Nature Encyclopedia of the Human Genome。MacMillan。ISBN 0333803868。
- ^ 木村正之 (1969年8月). 「集団遺伝学の観点から見た分子進化の速度」.米国科学アカデミー紀要. 63 (4): 1181–1188. Bibcode :1969PNAS...63.1181K. doi : 10.1073/pnas.63.4.1181 . PMC 223447. PMID 5260917 .
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- ^ Carlini DB (2004 年 7 月)。「ショウジョウバエのアルコール脱水素酵素遺伝子のコドンバイアスの実験的減少により、成虫のハエのエタノール耐性が減少」。Journal of Evolutionary Biology。17 ( 4): 779–785。doi : 10.1111 /j.1420-9101.2004.00725.x。PMID 15271077。
- ^ Kahali B、Basak S、Ghosh TC (2007 年 3 月)。「S. cerevisiae ゲノム のコドンとアミノ酸の使用法の再調査: タンパク質二次構造解析からの新たな知見」。生化学および生物物理学的研究通信。354 (3): 693–699。doi :10.1016/ j.bbrc.2007.01.038。PMID 17258174 。
- ^ Pagani F、Raponi M、Baralle FE (2005 年 5 月)。「CFTR エクソン 12 の同義変異はスプライシングに影響し、進化において中立ではない」。米国 科学アカデミー紀要。102 ( 18): 6368–6372。Bibcode :2005PNAS..102.6368P。doi : 10.1073 / pnas.0502288102。PMC 1088389。PMID 15840711。 。