باوجودی که توالی و ساختار ژنوم بسیاری از گونه­ها به واسطه تعیین توالی کامل ژنوم مشخص شده است، ولی درک کامل نقش اکثریت توالی­های موجود در پایگاه داده­ها، همچنان ضعیف است. که پی­آیند آن سوالاتی از قبیل: اینکه چه بخش­هایی از ژنوم مرتبط با عملکرد هستند و بر شایستگی تاثیرگذارند؟ به چه میزان و قدرتی، انتخاب طبیعی، چه به صورت مثبت و چه به صورت منفی، و چگونه روی ژنوم نقش بازی می­کند؟

در پست­های قبلی راجع به تعریف تمایل کدونی و همچنین ارتباط آن با کلونینگ ژن در وکتورهای بیانی و انتقال ژن صحبت کردیم که بیشتر جنبه ملکولی داشت. در این پست هدف این است که آیا می­توان از تمایل کدونی در جهت انتخاب و یا شناسایی مناطقی که در گذشته تحت تاثیر انتخاب قرار گرفته­اند، به ویژه در اصلاح دام استفاده کرد، و انتخاب را با توجه به همان اطلاعاتی که از سطح ژنوم (ژنومیکس) داریم از سطح ژنوم به یک گام جلوتر یعنی انتخاب در سطح ترجمه هدایت کرد بدون اینکه ترانسکربپتوم و پروتئوم آن بررسی شود. چرا که در مطالعات بسیاری گزارش شده است که ارتباط زیادی بین الگوهای ترجیح کدونی در سطح ژنوم و میزان بیان ژن­های موجود در سطح ژنوم است (Misawa et al, 2011).

با توجه به اهمیت موضوع و پیوستگی مطالب ابتدا مجددا تعریف مختصری از ترجیح (تمایل) کدونی و ارتباط آن با انتخاب خواهیم داشت. گفتیم کدون­های مترادف (همه کدون­های خاص یک اسیدامینه) در ژنوم یک موجود با فراوانی متفاوتی استفاده می­شوند (به عنوان مثال لوسین دارای 6 کدون مشخص شامل CTG، CTA، CTC، CTT، TTG و TTA می­باشد، اما در ژنوم انسان به طور عمده با CTG کد می­شود، بنابراین CTG یک کدونی است که به بقیه کدون­ها ترجیح داده می­شود)، به وقوع این رخداد در ژنوم ترجیح (تمایل) کدونی گفته می­شود و ثابت شده که به واسطه فرایند­های طبیعی نظیر جهش، دریفت ژنتیکی و همچنین انتخاب، کنترل شده و به عنوان مدل ترکیبی، جهش-انتخاب­-دریفت ژنتیکی شناخته می­شود (Bulmer, 1991). کاهش ترجیح کدونی در منطقه­ای از ژنوم با نوترکیبی محدود در ارتباط است. زمانی که در جمعیت انتخاب انجام می­شود (در گذشته انتخاب برمبنای فنوتیپ)، به دلیل محدودیت زمانی، فرصت کافی برای ایجاد نوترکیبی نخواهد بود و لذا پیوستگی بین جایگاه یا جایگاه­های کاندیدا متاثر از انتخاب با جایگاه­های اطراف حفظ خواهد شد. بنابراین، از یک طرف تنوع در داخل جمعیت کاهش و در بین جمعیت­ها افزایش یافته و از طرف دیگر عدم تعادل لینکاژی (LD) افزایش خواهد یافت. از اینرو زمانی که انتخاب مثبت به سمت افزایش فراوانی آلل­های مطلوب پیش می­رود، جایگاه­های نزدیک به این جایگاه اگر اثرشان هم خنثی باشد به علت پیوسته بودن با آلل مطلوب، فراوانی­شان زیاد شده که در ژنتیک جمعیت به نوعی مرتبط با این اصطلاحات Selective Sweep، Genetics Hitchhiking ،Hill-Robertson Effects ، Genetics Draft،  Signatures of Selection و Footprints of Selection هستند.

بنابراین هر اتفاقی در جمعیت رخ دهد قطعا ردپایی از آن در سطح ژنوم باقی خواهد ماند، که ردپای انتخاب نیز در جمعیت، برجای گداشتن تغییراتی (ایجاد الگوهای ترجیح کدونی مرتبط با بیان جایگاه­های متاثر از انتخاب) در سطح ژنوم است که این تغییرات، جمعیت­ها را از یکدیگر متمایز می­کند. حال بر طبق این فرضیه، کاهش تمایل کدونی در منطقه­ای از ژنوم با نوترکیبی محدود به دلیل اثر Hill-Robertson و منطبق با تئوری Hichhiking است که به همان نشانه­های انتخاب یا Signature of selection برمی­گردد (Marais and Piganeau, 2002). در حالت کلی به دلیل استفاده غیر تصادفی کدون­های مترادف، توالی کدکننده پروتئین، حاوی اطلاعاتی در سطح DNA هستند که این اطلاعات در سطح توالی پروتئینی آن منعکس نمی­شود. به عبارتی ممکن است جهشی در سطح DNA رخ دهد ولی تغییری در توالی پروتئینی آن ایجاد نشود (یک کدون به کدون مترادف خود تبدیل شود) و بر طبق نظریه کیمورا (بر طبق نظریه کیمورا (1983)، اکثر جهش هایی که در سطح ژنوم افراد ایجاد می شوند، خنثی هستند (Neutral alleles) یعنی تاثیری بر شایستگی افراد ندارند، چرا که اولا جهش­ها حذف خواهند شد و ثانیا افزایش فراوانی یک جهش نیازمند زمان بوده و با افزایش زمان، نوترکیبی بین الل­های موجود در جایگاه­های ژنی مختلف افزایش یافته و بنابراین باعث شکسته شدن لینکاژ بین جایگاه­ها خواهد شد) اثر آن جهش خنثی باشد.

سوالی که در اینجا مطرح می­شود این است که آیا واقعا اثر این جهش­ها خنثی خواهد بود و هیچ تاثیری بر فنوتیپ نخواهد داشت؟ به عبارت دیگر زمانی که جهش رخ دهد ولی توالی پروتئینی تغییر نکند باز هم اثر جهش خنثی است (Silent Mutation)؟ در پاسخ باید گفت از دیدگاه بسیاری از افراد شاید جواب مثبت باشد، ولی از دیدگاه ترجیح کدونی، درست است که توالی پروتئینی تغییری نکرده است، ولی با توجه به این که فراوانی استفاده از آن کدون برای ساخت یک پروتئین خاص تغییر می­یابد، لذا می­تواند متناسب با آن، میزان تولید یک پروتئین خاص را شروع و یا در صورت وجود آن در سلول، آن را افزایش و یا به شدت کاهش دهد، که دلیل آن، افزایش و یا کاهش بیان ژن­های مرتبط با آن در زمان استفاده از آن کدون می­باشد (Waldman et al, 2011). بنابراین با اطلاعاتی که در حال حاضر از توالی ژنوم موجودات مختلف موجود است، می­توان الگوهای ترجیح کدونی را در سراسر ژنوم شناسایی و از آنجا که این الگوها مرتبط با بیان و ترجمه ژن­ها هستند، از آن در جهت انتخاب بهره جست و یا حتی از آن برای بررسی وقایعی که در اثر عواملی نظیر انتخاب، جهش و ... در گذشته رخ داده­اند، یا بعبارتی جایگاه­هایی که کاندیدای انتخاب قرار گرفته­اند استفاده کرد­، با این تفاوت که علاوه بر استفاده از اطلاعات SNPهای گسترده شده در کل ژنوم از اطلاعات الگوهای ترجیح کدونی موجود در سراسر ژنوم که مرتبط با بیان ژن هستند استفاده کرد (Qin et al, 2004). یعنی از سطح ژنوم به یک گام فراتر به سطح ترجمه (ترانسکریپتوم و پروتئوم) گام برداشت بدون اینکه ترانسکریپتوم و یا حتی پروتئوم سلول (که بعضا بررسی آن­ها هم شاید اطلاعات صریحی را به ما ندهد، چرا که اولا توالی کدکننده پروتئین، حاوی اطلاعاتی در سطح DNA هستند که این اطلاعات در سطح توالی پروتئینی آن منعکس نمی­شود، و ثانیا به دلیل برهمکنش پروتئین­های مختلف بر یکدیگر در یک سلول و تفاوت آن­ها با یکدیگر در سلول­های مختلف و در زمان­های مختلف تفسیر نتایج را دشوار می­کند.) را بررسی کرد.

از طریق آنالیز SNPهای موجود در ژنوم جمعیت­های مختلف دروزوفیلا نتایج حاکی از آن است، مناطقی دارای تمایل کدونی بالاتری هستند، که با شدت بیشتری تحت تاثیر انتخاب قرار گرفته­اند و این مناطق دارای ژن­هایی با توالی­ کدکننده کوتاهتر و بیان بیشتر هستند (Zeng et al, 2009). بنابراین با توجه به این ارتباط می­توان بر مبنای الگوهای ترجیح کدونی موجود در سراسر ژنوم، مناطقی را که در گذشته مورد انتخاب قرار گرفته­اند، بهتر شناسایی کرد، چرا که ژن­های موجود در این مناطق دارای بیان بیشتری بوده و آنچه امروزه جمعیت­های مختلف را بر مبنای یکسری از صفات از یکدیگر متمایز می­کند، تفاوت میزان بیان ژن­های موجود در این مناطق است که تحت تاثیر انتخاب قرار گرفته­اند. حال با این تفاسیر، آیا این روش در دام­های اهلی قابل استفاده است؟ برای پاسخ به این سوال پست­هایی را که در روزهای آتی ارائه خواهد شد، دنبال کنید.

Bulmer M. The selection-mutation-drift theory of synonymous codon usage. Genetics. 1991;129(3):897-907.

Kimura  M:  The  neutral  theory  of  molecular  evolution.  Cambridge  University  Press, New York. 1983.

Marais, G., Piganeau, G., 2002. Hill-Robertson interference is a minor determinant of variations in codon bias across Drosophila melanogaster and Caenorhabditis elegans genomes. Molecular biology and evolution 19, 1399-1406.

Misawa K, Kikuno RF. Relationship between amino acid composition and gene expression in the mouse genome. BMC research notes. 2011;4(1):20.

Qin H, Wu WB, Comeron JM, Kreitman M, Li W-H. Intragenic spatial patterns of codon usage bias in prokaryotic and eukaryotic genomes. Genetics. 2004;168(4):2245-60.

Waldman YY, Tuller T, Keinan A, Ruppin E. Selection for translation efficiency on synonymous polymorphisms in recent human evolution. Genome biology and evolution. 2011;3:749.

Zeng K, Charlesworth B. Estimating selection intensity on synonymous codon usage in a nonequilibrium population. Genetics. 2009;183(2):651-62