Sesgo en el uso de codones

El sesgo en el uso de codones se refiere a las diferencias en la frecuencia de ocurrencia de codones sinónimos en el ADN codificante. Un codón es una serie de tres nucleótidos (un triplete) que codifica para un residuo específico de aminoácido en una cadena polipeptídica o para la terminación de la traducción (codón de parada).

Hay en total 64 distintos codones (61 codones que codifican para aminoácidos y 3 codones de parada) pero hay solo 20 aminoácidos distintos. La sobreabundancia en el número de codones permite que varios aminoácidos sean codificados por más de un codón. Debido a esta redundancia, se dice que el código genético es degenerado. Los códigos genéticos de distintos organismos son normalmente sesgados hacia el uso de un particular codón sobre los demás codones que codifican para un mismo aminoácido, es decir, que un codón se encontrará con una frecuencia más elevada de la que esperaríamos por probabilidad. Cómo tales sesgos surgen es una área muy debatida en la evolución molecular. Tablas de uso de codones detallando el sesgo en el uso de codones para la mayoría de genomas de organismos depositados en GenBank y RefSeq se pueden encontrar en la base de datos HIVE-Codon Usage Tableo.^[1]​

Está generalmente reconocido que el sesgo de codones refleja un equilibrio entre los sesgos mutacionales y la selección natural en la optimización de la traducción. Los codones óptimos en organismos de crecimiento rápido, como Escherichia coli o Saccharomyces cerevisiae (la levadura del pan), reflejan respectivamente la composición genómica en el conjunto del ARNt.^[2]​ Se cree que el uso de codones óptimos ayuda a conseguir una tasa de traducción más alta y con más exactitud. A raíz de estos factores, se espera que la selección en la traducción sea más fuerte en genes de expresión elevada, como es en el caso de los organismos antes mencionados.^[3]​^[4]​ En otros organismos que no presentan altas tasas de crecimiento o tienen genomas pequeños, la optimización en el uso de codones es normalmente ausente, y las preferencias en el uso del codón están determinadas por el característico sesgo mutacional observado en ese particular genoma. Ejemplos de este son Homo sapiens (humano) y Helicobacter pylori. Organismos que presentan un nivel de optimización en el uso de codones intermedio, incluye Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), Caenorhabditis elegans (gusano nematodo), Strongylocentrotus purpuratus (erizo de mar) o Arabidopsis thaliana.^[5]​ Se sabe que varias familias virales (herpesvirus, lentivirus, papillomavirus, polyomavirus, adenovirus, y parvovirus), codifican proteínas estructurales que presentan un uso del codón muy sesgado, en comparación con la célula huésped. Se ha sugerido que este sesgo de codones juega un papel en la regulación temporal de sus proteínas tardías.^[6]​

La naturaleza del uso del codón-optimización del ARNt ha sido ferozmente debatida. No está claro si la utilización del codón conduce a la evolución del ARNt o es al revés. Al menos un modelo matemático se ha desarrollado donde ambos, uso del codón y la expresión del ARNt, co-evolucionan en forma de retroalimentación (es decir, codones que ya están presentes en altas frecuencias aumentan la expresión de sus correspondientes ARNts, y ARNts que se expresan normalmente en niveles altos incrementan la frecuencia de sus correspondientes codones). Sin embargo, este modelo no parece ser que tenga aún confirmación experimental. Otro problema es que la evolución de los genes del ARNt ha sido un área de investigación muy inactiva.

1. ↑ Athey, John; Alexaki, Aikaterini; Osipova, Ekaterina; Rostovtsev, Alexandre; Santana-Quintero, Luis V.; Katneni, Upendra; Simonyan, Vahan; Kimchi-Sarfaty, Chava (2 de septiembre de 2017). «A new and updated resource for codon usage tables». BMC Bioinformatics 18 (391). PMC 5581930. PMID 28865429. doi:10.1186/s12859-017-1793-7. 
2. ↑ Dong, Hengjiang; Nilsson, Lars; Kurland, Charles G. (1996). «Co-variation of tRNA abundance and codon usage in Escherichia coli at different growth rates». Journal of Molecular Biology 260 (5): 649-663. ISSN 0022-2836. doi:10.1006/jmbi.1996.0428. 
3. ↑ Sharp, Paul M.; Stenico, Michele; Peden, John F.; Lloyd, Andrew T. (1993). «Codon usage: mutational bias, translational selection, or both?». Biochem. Soc. Trans. 21: 835-841. Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2018. Consultado el 5 de diciembre de 2018. 
4. ↑ Kanaya, Shigehiko; Yamada, Yuko; Kudo, Yoshihiro; Ikemura, Toshimichi (1999). «Studies of codon usage and tRNA genes of 18 unicellular organisms and quantification of Bacillus subtilis tRNAs: gene expression level and species-specific diversity of codon usage based on multivariate analysis». Gene 238 (1): 143-155. ISSN 0378-1119. doi:10.1016/s0378-1119(99)00225-5. 
5. ↑ Duret, Laurent (2000). «tRNA gene number and codon usage in the C. elegans genome are co-adapted for optimal translation of highly expressed genes». Trends in Genetics 16 (7): 287-289. ISSN 0168-9525. doi:10.1016/s0168-9525(00)02041-2. 
6. ↑ Shin, Young C.; Bischof, Georg F.; Lauer, William A.; Desrosiers, Ronald C. (10 de septiembre de 2015). «Importance of codon usage for the temporal regulation of viral gene expression». Proceedings of the National Academy of Sciences 112 (45): 14030-14035. PMC 4653223. PMID 26504241. doi:10.1073/pnas.1515387112.