PL: Badanie optymalności standardowego kodu genetycznego | EN: A Study of the Optimality of the Standard Genetic Code

abstractPL: Standardowy kod genetyczny (ang. standard genetic code, SGC) opisuje sposób, w jaki informacja genetyczna przechowywana w cząsteczce DNA zostaje przeniesiona w świat białek. Własności tego kodu, a w szczególności jego odporność na skutki podstawień aminokwasów powstałych w wyniku mutacji kodonów, nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane i zrozumiane, dlatego w niniejszej pracy przeanalizowano własności SGC za pomocą nowego podejścia z wykorzystaniem metody optymalizacyjnej. Przygotowano algorytmy ewolucyjne przystosowane do znajdowania kodów genetycznych zarówno minimalizujących konsekwencje mutacji punktowych, jak i kodów maksymalizujących te skutki. Dzięki temu możliwe stało się porównanie własności kodów reprezentujących skrajne przypadki z całej przestrzeni teoretycznych kodów genetycznych z cechami rzeczywistego kodu genetycznego. Zastosowane metody oparte na algorytmach ewolucyjnych doprowadziły do uzyskania bardziej miarodajnych wyników dotyczących optymalności standardowego kodu genetycznego niż dotychczas stosowane metody opierające się na jego porównywaniu z kodami losowymi, niereprezentatywnymi dla wszystkich możliwych kodów teoretycznych. Z przeprowadzonych analiz wynika, że SGC wykazuje tendencje do ograniczania zmian w polarności podstawianych aminokwasów w wyniku mutacji dowolnej pozycji w kodonie, jednak nie jest całkowicie optymalny pod tym względem. Co więcej, SGC charakteryzuje się zróżnicowaną odpornością na efekty substytucji nukleotydowych w zależności od mutowanej pozycji w kodonie. SGC jest niemal optymalny ze względu na ograniczanie konsekwencji mutacji w trzeciej pozycji w kodonie, natomiast gorzej redukuje błędy powstałe w wyniku mutacji w pozycjach pierwszej i drugiej. Mimo dużych zdolności minimalizujących konsekwencje podstawień, sama struktura standardowego kodu genetycznego wykazuje małe podobieństwo do struktur zoptymalizowanych teoretycznych kodów genetycznych. W pracy wykazano, że SGC wykazuje tendencje do ograniczania zmian nie tylko w polarności podstawianych aminokwasów, ale również w ich tendencjach do tworzenia odpowiednich struktur drugorzędowych oraz innych właściwościach fizykochemicznych. Jednakże okazało się, że kod ten nie jest w pełni optymalny pod tym względem. W pracy zostały również zbadane własności alternatywnych kodów genetycznych, w odniesieniu do standardowego kodu genetycznego i teoretycznych kodów genetycznych o podobnej strukturze. Przeprowadzone analizy wykazały, że zdecydowana większość alternatywnych kodów genetycznych ogranicza konsekwencje mutacji punktowych i błędów podczas translacji lepiej, niż SGC. Kod ten nie znajduje się nawet w lokalnym optimum kodów genetycznych o podobnej strukturze, ponieważ zmiana przypisania nawet jednego kodonu poprawia odporność tego kodu na skutki podstawień aminokwasów o 15%, a zmiana przypisania trzech kodonów poprawia tę odporność o blisko 50%. Co więcej, alternatywne kody genetyczne lepiej ograniczają konsekwencje mutacji niż większość teoretycznych kodów genetycznych różniących się od SGC przypisaniem jednego, dwóch, lub trzech kodonów. Wyniki otrzymane w niniejszej pracy sugerują, że minimalizowanie konsekwencji mutacji i błędów podczas translacji odgrywało pewną rolę w ewolucji standardowego kodu genetycznego, jednak nie był to jedyny czynnik. Z kolei wiele zmian prowadzących do powstania alternatywnych kodach genetycznych mogło zostać zaakceptowanych, aby redukować skutki substytucji aminokwasów i generowania kodonów STOP translacji.

abstractEN: The standard genetic code (SGC) describes how the genetic information stored in a DNA molecule is transferred into the world of proteins. The properties of this code, especially its robustness against the effects of amino acid replacements resulting from codon mutations, have not yet been sufficiently studied and fully understood. Therefore, in this work, the problem was approached from the perspective of the optimization method. Special versions of evolutionary algorithms were prepared to find both the genetic codes minimizing the effects of point mutations and the codes maximizing them, in order to compare the features of the SGC with the properties of the codes representing the most extreme cases from the entire space of theoretical genetic codes. The methods applied in this work have led to more reliable results regarding the optimality of the standard genetic code than the methods used in previous studies which utilise its comparison with randomly chosen genetic codes, unrepresentative for all possible theoretical codes. The results of the conducted analyses imply that the SGC has general tendencies of reducing the changes in polarity of replaced amino acids, although it is not optimal regarding this property. Furthermore, the SGC is characterized by varied robustness against the effects of nucleotide substitutions depending on which position in codon is substituted. It is almost optimal regarding the reduction of consequences of mutations in the third position in the codon, but it is worse at reducing errors resulting from mutations in the first and second codon positions. Despite the abilities of minimizing the consequences of substitutions, the very structure of the standard genetic code shows little resemblance to the structures of optimized theoretical genetic codes. The SGC tends to limit changes not only in the polarity of substituted amino acids, but also in their tendencies to form the appropriate secondary structures and other physicochemical properties. However, the SGC is not fully optimal in this respect. In this work, the properties of the alternative genetic codes were also examined, in relation to the standard genetic code and theoretical genetic codes with similar structures. The analyses showed that the vast majority of alternative genetic codes limits the consequences of point mutations and errors during translation better than the SGC. This code is not even in the local optimum of genetic codes with similar structure, because a change in the assignment of even one codon can improve the robustness of this code against amino acid replacements in terms of their polarity by 15%, and changes in the assignments of three codons can improve this robustness by nearly 50%. Furthermore, the alternative genetic codes reduce the consequences of mutations better than most theoretical genetic codes differing from the standard genetic code by assignments of one, two, or three codons. The results of this work suggest that minimizing the consequences of mutations and errors during translation played a certain role in the evolution of the standard genetic code, but it was not the only factor. In turn, many changes leading to the emergence of alternative genetic codes could have been accepted because of their properties in reducing the effects of amino acid replacements and the generation of STOP translation codons.

status: finished