Selezionati i codoni sinonimi più espressi per una traduzione più veloce

La selezione naturale favorirebbe codoni sinonimi frequenti, piuttosto che quelli rari, per una maggior efficienza nella traduzione: studio su Salmonella typhimurium

Le informazioni contenute nel nostro DNA vengono tradotte attraverso le regole dettate dal codice genetico. In pratica, ogni proteina è costituita da una catena di amminoacidi, i quali, a loro volta, si identificano grazie a tre specifici nucleotidi posti in sequenza sull’RNA messaggero (mRNA) (si parla di tripletta di basi azotate o codone). Il codone si può, infatti, definire come l’unità codificante che sta alla base del codice genetico. Tuttavia, sono solo due gli amminoacidi ad essere codificati da una sola tripletta (Metionina e Triptofano), mentre tutti gli altri (i restanti 18) possono essere codificati da due fino a sei possibili combinazioni di tre nucleotidi (ad esempio, sei triplette specificano per la Leucina e per questo motivo, si definiscono sinonime). Questa ridondanza di codoni per un singolo amminoacido, la cosiddetta degenerazione del codice genetico, dovrebbe avere il vantaggio di tamponare gli effetti di eventuali mutazioni nel nostro DNA (un amminoacido “quattro volte degenere” potrà subire qualsiasi mutazione nella terza posizione di una tripletta, senza che ci sia un cambio di amminoacido -si parla di mutazioni silenti-; in questo modo, la funzione della proteina rimarrà inalterata). Ciò nonostante, è stato osservato che le frequenze dei codoni sinonimi non sono uguali, ma differiscono nei vari organismi. Ad esempio, nei batteri con un veloce tasso di accrescimento, come Escherichia coli e Salmonella typhimurium (agente patogeno che causa la salmonellosi nell’uomo), questa differenza nelle frequenze di triplette sinonime è molto più marcata e, si pensa, sia associata al livello di espressione del gene. È possibile che questo diverso uso dei codoni sinonimi sia stato selezionato per una maggior efficienza nella traduzione, ma ancora non sappiamo se sia da riferirsi ad una più elevata velocità o accuratezza della traduzione. Inoltre, sono decisamente pochi gli studi che si sono concentrati sulla natura di questo possibile vantaggio nei batteri liberi, anche perché le differenze nella fitness di questi codoni sinonimi a maggior e a minor frequenza sono così minime, che risulta difficile stimarle.

Uno studio, pubblicato su Plos Genetics, si inerisce proprio in questo ambito. Gli autori hanno sostituito alcuni codoni altamente frequenti con altri sinonimi meno frequenti di due geni molto espressi e conservati (tufA e tufB) nella specie Salmonella typhimurium, con lo scopo di valutare se la selezione di triplette maggiormente frequenti potesse essere associata a una massimizzazione della velocità o accuratezza della traduzione. I geni tufA e tufB codificano per il fattore di allungamento della traduzione EF-Tu, che è, inoltre, la proteina più espressa in S. typhimurium (rappresenta circa il 9% della massa di proteine e il tasso di crescita di questo batterio è fortemente legato alla sua abbondanza). Dai risultati, è emerso che la sostituzione dei codoni altamente frequenti con quelli meno frequenti ha ridotto la fitness dei portatori dello 0.01% per ogni generazione. Quindi, data una fitness più alta conseguente al possesso delle triplette più espresse, la selezione naturale favorirà queste piuttosto che le altre, più rare.

Inoltre, gli autori hanno suggerito che questa diversa espressione dei codoni sinonimi di tufA e tufB avrebbe un effetto sulla velocità di traduzione della proteina EF-Tu. Infatti, un maggior tempo speso nella fase di allungamento della traduzione, dovuto alla presenza di codoni rari anziché di quelli frequenti, causa una più lunga permanenza dei ribosomi sull’mRNA durante la sintesi proteica. Conseguentemente, il numero di ribosomi liberi si riduce e così anche il momento di inizio della traduzione nella cellula, con un inevitabile calo della concentrazione della proteina.

Concludendo, dato che il tasso di crescita di S. typhimurium è direttamente proporzionale all’abbondanza di EF-Tu, la selezione di codoni più frequenti e l’esclusione dei sinonimi più rari in tufA e tufB porterà, indirettamente, ad un più alto tasso di crescita del batterio. Quindi, grazie a questo studio, sappiamo qualcosa in più su come la selezione ottimizzi le sequenze di geni altamente espressi e come queste si siano evolute nel corso del tempo. Infine, si potranno fare passi avanti anche nell’ambito delle biotecnologie, perché, scegliendo i codoni più ottimali di una determinata sequenza nucleotidica, si potrà ottenere la massima produzione proteica e quindi, un organismo più efficiente.


Riferimenti:
Brandis G. et  Hughes D. (2016). The Selective Advantage of Synonymous Codon Usage Bias in Salmonella. Plos genetics, DOI: 10.1371/journal.pgen.1005926

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