Efficient Manipulations of Synonymous Mutations for Controlling Translation Rate: An Analytical Approach

密码子使用偏好性 翻译效率 翻译(生物学) 基因 计算生物学 编码区 生物 启发式 核糖体 遗传学 计算机科学 基因组 核糖核酸 人工智能 信使核糖核酸
作者
Alexandra Dana,Tamir Tuller
出处
期刊:Journal of Computational Biology [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:19 (2): 200-231 被引量:28
标识
DOI:10.1089/cmb.2011.0275
摘要

Gene translation is a central process in all living organism with important ramifications to almost every biomedical field. Previous systems evolutionary studies in the field have demonstrated that in many organisms coding sequence features undergo selection to optimize this process. In the current study, we report for the first time analytical proofs related to the various aspects of this process and its optimality. Among our results we show that coding sequences with mono- tonic increasing profiles of translation efficiency (i.e., with slower codons near the 5'UTR), mathematically optimize ribosomal allocation by minimizing the number of ribosomes needed for translating a codon per time unit. Thus, the genomic translation efficiency profile reported in previous studies for many organisms is optimal in this sense. In addition, we show that improving translation efficiency of a codon in a gene may result in a decrease in the translation rate of other genes, demonstrating that the relation between codon bias and protein translation rate is less trivial than was assumed before. Based on these observations we describe an efficient heuristic for designing coding sequences with specific translation efficiency and minimal ribosomal allocation for heterologous gene expression. We demonstrate how this heuristic can be used in biotechnology for engineering a heterologous gene before expressing it in a new host.
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