Codon usage bias in health and in aging: is this a problem?

Abstract

Codon usage bias, a phenomenon involving the preferential usage of specific synonymous codons over others, plays a pivotal role in molecular biology. This bias is intimately associated with the process of translation and its complex relationship to the expression of genes. Genomic GC content, tRNA availability, gene expression levels, and environmental influences are some of the major causes of codon usage bias. These variables interact dynamically to produce intricate patterns of codon preferences that affect different aspects of functional dynamics and cellular adaptability. The effects of bias in codon usage are extensive. It affects, for example, protein-protein interactions, protein stability and folding and also cellular functions, mRNA stability and decay along with the efficiency of protein synthesis and gene expression regulation. This project aimed to develop a Python pipeline for analysing codon usage bias in Escherichia coli and Mus musculus transcriptomes. The pipeline facilitated in-depth analysis of codon usage patterns throughout several life stages by comparing codon counts, RSCU, CAI values. To find significant differences, a variety of data visualization and gene expression comparison tools were used in conjunction with statistical testing. The utilization of codons in the liver and brain tissues of Mus musculus was shown to be remarkably stable throughout time. Gene expression changes during development were mirrored in differences in individual amino acids at different time intervals, although overall codon patterns remained stable. Analysing codon usage differences in differential expressed genes only allowed showing how gene translation mechanisms are flexible in response to age, gender, and other stimuli. In-depth investigation is required to fully comprehend the intricate dynamics of codon usage in aging.

O viés do uso de codões é um fenómeno que envolve o uso preferencial de codões sinónimos em detrimento de outros e desempenha um papel crucial na biologia molecular. Este viés está intimamente associado com o processo de tradução e a sua complexa relação com a expressão de genes. O conteúdo genómico de GC, a disponibilidade de tRNA, os níveis normais de expressão de cada gene e as influências ambientais são algumas das principais causas para este enviesamento no uso de codões. Estas variáveis interagem dinamicamente para produzir padrões de preferências de codão complexos que afetam diferentes aspetos da dinâmica funcional e da adaptabilidade celular. Os efeitos do viés do uso de codões são bastante abrangentes. Afetam, por exemplo, as interações proteína-proteína, as funções celulares, a estabilidade e o dobramento do mRNA, juntamente com a eficiência da síntese de proteínas e a regulação da expressão genética. Neste trabalho, foi desenvolvido um pipeline com linguagem Python para analisar o viés do uso de codões em transcriptomas de Escherichia coli e de dois tecidos e diversas idades de Mus musculus. No pipeline foram utilizados os ficheiros com os nomes “utils.py”, “test_tables.py“, “constants.py’, “codon_usage_evolution.py», “expression.py” e “analysis_with_comparisons.py” que facilitaram a análise em profundidade de padrões de uso de codão ao longo de várias etapas de vida, comparando os valores de contagem de codões, RSCU e CAI de várias amostras. Para observar e analisar as diferenças entre tempos de vida foram usadas ferramentas de visualização de dados, para comparação de expressão génica bem como o teste Chi-quadrado para realizar testes estatísticos. O perfil do uso de codões nos tecidos do fígado e do cérebro mostrou-se estável ao longo do tempo,. As mudanças na expressão genética durante o envelhecimento foram refletidas em diferenças nos aminoácidos individuais em diferentes intervalos de tempo. O uso de dados relativos apenas aos genes diferencialmente expressos entre os vários tempos de vida mostrou que os mecanismos de tradução de genes parecem ser flexíveis em resposta a diferentes estímulos. Apesar disso, é necessária uma investigação aprofundada para compreender plenamente a dinâmica do uso de codões no processo de envelhecimento.