細菌リボソームにおける円形コードの周期性の同定：遺伝子のコドン周期性の起源？

Identification of a circular code periodicity in the bacterial ribosome: origin of codon periodicity in genes?

• Christian J Michel
• Julie D Thompson

抄録

ヌクレオチドと高次のタプルが優先的に3、6、9などの塩基間隔をあけて配置される3塩基周期性（TBP）は、タンパク質をコードするDNA配列のよく知られた固有の性質である。しかし、その起源はまだ完全には解明されていません。一つの仮説として、この周期性は、現代の標準遺伝暗号（SGC）が出現する前に使用されていた原始的なコーディングシステムを反映していると考えられている。最近の証拠は、20個のトリヌクレオチドの集合である円形コードが、遺伝子の読み取りフレームを局所的に検索できるようにしたもので、SGCの祖先である可能性を示唆している。サーキュラーコードのモチーフは、細菌から真核生物までの有機体のタンパク質コード領域のリーディングフレーム、多くのトランスファーRNA（tRNA）遺伝子、リボソームRNA（rRNA）の重要な機能領域、特にペプチジルトランスフェラーゼ中心とデコーディング中心に発見されています。ここで、我々は強力な相関関数を使用して、細菌のタンパク質をコードする遺伝子の大規模なセットや、rRNAやtRNA配列を含む翻訳機構の中で、円形コードの20個のトリヌクレオチドを含む周期性パターンを検索しました。予想されたように、タンパク質をコードする遺伝子では、強い円形コードの周期性が0モジュロ3であることを発見した。さらに驚くべきことに、16S rRNAの大きな領域にも同様の円形コード周期性があることがわかりました。この領域には、原始リボソーム解読センターに対応する3'メジャードメインが含まれており、翻訳中にtRNAやメッセンジャーRNA（mRNA）と相互作用する多くの部位が含まれています。さらに、3次元構造解析の結果、周期性領域がSSUの頭部と胴体の間にあるmRNAチャネルを取り囲んでいることを明らかにした。この結果は、環状コードがリーディングフレームの検索と維持に関与する先祖の翻訳コードを構成している可能性があるという仮説を支持するものであり、現代のmRNA、tRNA、rRNAは長い進化とSGCへの適応にもかかわらず、その痕跡が残っている。

Three-base periodicity (TBP), where nucleotides and higher order -tuples are preferentially spaced by 3, 6, 9, etc. bases, is a well-known intrinsic property of protein-coding DNA sequences. However, its origins are still not fully understood. One hypothesis is that the periodicity reflects a primordial coding system that was used before the emergence of the modern standard genetic code (SGC). Recent evidence suggests that the circular code, a set of 20 trinucleotides allowing the reading frames in genes to be retrieved locally, represents a possible ancestor of the SGC. Motifs from the circular code have been found in the reading frame of protein-coding regions in extant organisms from bacteria to eukaryotes, in many transfer RNA (tRNA) genes and in important functional regions of the ribosomal RNA (rRNA), notably in the peptidyl transferase centre and the decoding centre. Here, we have used a powerful correlation function to search for periodicity patterns involving the 20 trinucleotides of the circular code in a large set of bacterial protein-coding genes, as well as in the translation machinery, including rRNA and tRNA sequences. As might be expected, we found a strong circular code periodicity 0 modulo 3 in the protein-coding genes. More surprisingly, we also identified a similar circular code periodicity in a large region of the 16S rRNA. This region includes the 3' major domain corresponding to the primordial proto-ribosome decoding centre and containing numerous sites that interact with the tRNA and messenger RNA (mRNA) during translation. Furthermore, 3D structural analysis shows that the periodicity region surrounds the mRNA channel that lies between the head and the body of the SSU. Our results support the hypothesis that the circular code may constitute an ancestral translation code involved in reading frame retrieval and maintenance, traces of which persist in modern mRNA, tRNA and rRNA despite their long evolution and adaptation to the SGC.