Title Analysis of stop codon readthrough utilizing comparative genomics approach Sub Title 比較ゲノム解析による終止コドンリードスルー機構の研究 Author 服部, 美樹子(Hattori, Mikiko) 冨田, 勝(Tomita, Masaru) 金井, 昭夫(Kanai, Akio) 斎藤, 輪太郎(Saito, Rintaro) Publisher 慶應義塾大学湘南藤沢学会 Publication year 2007-10 Jtitle 優秀修士論文 Abstract 本研究では、ほ乳類を含む真核生物においてリードスルーを起こす遺伝子を予測する手法を開発 し、リードスルー遺伝子候補を抽出した。その結果、未知のリードスルー遺伝子が数多く存在す る可能性が示された。また、本手法はあらゆる生物種のあらゆるリードスルーを予想する上で有 効であり、真核生物におけるリードスルー現象の全体像の把握に繁がることが期待できる。 Notes 先端生命科学プロジェクト2007年 Genre Thesis or Dissertation URL https://koara.lib.keio.ac.jp/xoonips/modules/xoonips/detail.php?koara_id=0302-0000-0602 慶應義塾大学学術情報リポジトリ(KOARA)に掲載されているコンテンツの著作権は、それぞれの著作者、学会または出版社/発行者に帰属し、その権利は著作権法によって 保護されています。引用にあたっては、著作権法を遵守してご利用ください。 The copyrights of content available on the KeiO Associated Repository of Academic resources (KOARA) belong to the respective authors, academic societies, or publishers/issuers, and these rights are protected by the Japanese Copyright Act. When quoting the content, please follow the Japanese copyright act. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) ISBN 978-4-87762-191-9 SFC-MT 2007-006 nalysis of stop codon readthrough utilizing comparative genomics approach 2007年 oεo●¶O》o暫昌o∋剛o切㊥謝oξ・ 服部 美樹子 政策・メディア研究科修士課程 先 端 生 命 科 学 プ ロ ジェク ト 慶應義塾 大 学 湘 南 藤 沢 学 会 A 優秀修士論文推薦 の ことば 遺伝子情報か らた んぱ く質合成す る 「翻訳」 とい うプ ロセスにおいて 「終止 コ ドン」 で翻訳が終結す るという ことが生物学 の常識 とされて いた。しか し最 近では終止 コ ドン の存在 を無視 して翻訳 を続行す る 「リードスルー」という現象が明 らか とな り、その メ カニズム と生物学的意義 はよ くわか って いない。 本論文で は。真核 生物 の リー ドスルー を予測す る手法 を新規に開発 し、多 くの未知 リ ー ドスルー遺伝子が存在す る可能性 を示唆 した。リー ドスルーの理解 に向 けて本手法の 果たす功績 は非常 に大 きい ことか ら、優秀修士論文 に強 く推薦す る。 慶應義塾大学 環境情報学部教授 冨田 勝 Master's Thesis Academic Year 2007 比較ゲノム解析による終止コ ドンリー ドスルー機構の研究 Analysis of stop codon readthrough utilizing comparative genomics approach 服部美樹子 Mikiko Hattori 慶應 義 塾 大 学 政 策.メ デ ィ ア 研 究 科 Keio University Graduate School of Media and Governance July,2007 修 士 論文 2007年 度(平 成19年 度) 比較ゲノム解析による終止コ ドンリー ドスルー機構の研究 論文要旨 翻 訳 終結 は遺 伝子 発現 に お いて非 常 に重要 な ステ ップの一 つで あ る.UAA, UAG, UGAは 翻訳 終結 の役 割 を担 う終 止 コ ドン と して知 られ て い るが,近 年,こ の終 止 コ ドンが翻 訳 を終 結 せず に ア ミノ酸 を コー ドす る例 が 明 らか とな った.終 止 コ ドン リー ドスル ー と呼 ばれ る この現 象は,普 遍 的遺伝 暗 号 に従わ な い翻訳 制御 機構 と して注 目 を集 め て いるが,そ の メ力 ニズ ムは 多様 で 未だ未 解 明 な点 が 多い.さ らに現 段階 で は,生 体 内に未 知 の リー ドスル ー遺伝 子 が数 多 く潜 在 して い る可能 性 が高 い.終 止 コ ドン リ-ド ス ルーの メカニ ズム の解 明 と理解 は ゲ ノム上 に描かれた生命の暗号を解読するために大きな課題のひとつである- 本研 究 では 比較 ゲ ノム解 析 を用 いて網 羅 的に 真核 生物 の新 規 リー ドスル-遺 伝 子 を予 測 す る 手 法 を提 案す る.連 伝 子が リー ドスル-を 起 こ した 場合,3'UTRと 考 え られ て いた領域 が翻訳 され る こ ととな る.よ ってcDNA配 列の3'UTRを 機械 的 に翻訳 した配 列 と既知 の タ ンパ ク質 配 列 を比較 し,高 い相 同性 を示 した 遺伝子 を リ-ド ス ル-候 補 遺伝 子 と して抽 出す る と,マ ウ ス で148本,ヒ トで86本 の候 補遺 伝子 を得た.さ らに,シ ョウジ ョウバ エ や これ ま で リー ドスル ー が 報告 され て いな い高 等植 物 に おい て も数本 ず つ の新 規 リー ドスル-候 補遺 伝 子 を抽 出 した. 本 手法 は,生 物種 や終 止 コ ドンの種 類,既 知の リ-ド スルー メカニ ズム に依 存せ ず,網 羅 的 かつ 汎 用的 に新規 リー ドスル ー遺 伝子 を予測 す る手法 と して有 効 で あ り,実 際 に ほ乳 類 や高 等 植物 に お いて新規 の リー ドスルー 機構 の 存在 を示 唆す る結 果 を得 た.こ の よ うな網 羅 的な リ一 ドスル-遺 伝子 の抽 出は,生 体が 利 用 して いる リ-ド スル ー機 構の 全体 像 を掴 む ことに繋が り, そ の役 割 に関す るよ り深 い理 解 を もた らすだ ろ う. キ ー ワ ー ド:リ-ド ス ル ー,翻 訳 終 結,真 核 生 物,比 較 ゲ ノ ム 慶應義塾 大学 大学 院 政策 ・メデ ィア研究 服部 美樹子 Abstract of Master's Thesis Academic Year 2007 Analysis of stop cod on read through utilizing comparative genomics approach Summary Translation termination is a crucial step in gene expression, and is signaled by three stop codons, UAA, UAG and UGA. Stop cod on read through is a mechanism by which stop codons fail to terminate translation. Although the 3' untranslated regions (UTRs) of several genes are translated using read through, its biological mechanism and significance remain unclear. Here, we present a bioinformatics workflow to predict eukaryotic read through genes which is based on an exhaustive comparative genomics approach. It is capable of detecting potential translation frames of 3' UTR in cDNA sequences according to the homology to proteome sequences. In total, 148 M. musculus and 86 H. sapiens read through candidates were identified, containing 11 out of 19 and six out of 14 documented read through genes, respectively. Potential read through stop codons were biased towards UAG and UGA, while the distance between internal and authentic stop codons was longer than expected. Some novel read through candidates were also predicted in D. melanogaster and higher plants. Using a comparative genomics approach, we extracted the read through candidates without being limited to one type of organism, internal stop cod on or mechanism. Our list of novel candidates suggests the existences of novel read through mechanisms other than selenocysteine insertion in mammals and higher plants. We propose that this comprehensive approach to screen read through candidates is effective in the further understanding of the biological roles of read through. Keywords: read through, translation termination, eukaryote, comparative genomics Keio University Graduate School of Media and Governance Mikiko Hattori Contents CHAPTER 1 BACKGROUND: WHAT IS STOP CODON READTHROUGH ? 5 1.1 PROTEIN SYNTHESIS 5 1.2TRANSLATION TRANSLATION TERM INATION 6 1.sSTOPCODONREADT]STOP CODON EIROUGH 6 1.3.lSelenocysteine1.3.1 Selenocysteine insertion 7 1.3.2 Pyrrolysine ertion 9 1.3.sStopcodonStop cod on ad through in eukaryote 10 CHAPTER 2 IN SILICO 'REDICTION OF EUKARYOTIC STOP CODON READTHROUGH 12 GENES USING COMPARATIVE GENOMICS 12 2.1 INTRODUCTION 2.2 MATERIALS AND METHODS 14 2.2.1 Data preparation 14 2.2.2 ExtractionExtractionofel of nav read through candidates 15 2.2.3 Proteinmotifsea;read through candidates 17 2.2.4CharacteristicanCharacteristic alysis of extracted read through candidates............ 17 2.3 RESULTS...................... 20 2.3.1 Read through genes extracted at each filtering step 20 20 2.3.2 Novel read through candidates in eukaryotes. 21 2.3.3 Protein motifs found at 3' UTR of candidates 2.3.4 Comparison of stop cod on usage, and distance between the internal and termination stop codons 21 2.4 DISCUSSION 29 CHAPTER 3 NCLUSIONS 32 ACKNOWLEDGEMENTS 34 REFERENCES 36 41 APPENDIX 1. Background: What is stop cod on read through? Chapter 1 Background: What is stop cod onread through? - Dual role of stop cod on in protein synthesis, "termination" and "elongation" — 1.1 Protein synthesis The genome of an organism stores a huge amount of biological information, however the DNA in genomes is unable to release that information to the cell itself. In 1958, Francis Crick enunciated the workflow to utilize the biological information written on genome in most general case, `the central dogma'. The first step in the central dogma is to copy the DNA nucleotide sequence in information-contained sections of genomes, a gene, into an RNA nucleotide sequence. This step is named `transcription'. The transcription products are classified into two groups, non-coding RNA (ncRNA) and messenger RNA (mRNA). In the next step, `translation', the information carried in an mRNA molecule is converted into protein while ncRNA molecule does not encode protein. One of the organelle in cells, ribosome translates mRNA into protein according to the universal genetic code. In the universal genetic code, the three consecutive nucleotides in RNA, 5 1. Background: What is stop cod on read through? called `codon', correspond one amino acid. Initiation of translation is signaled by start cod on AUG, and translation ends at stop cod on, UAA, UAG or UGA. 1.2 Translation termination Termination of protein synthesis is signaled by the three stop codons UAA, UAG and UGA. When one of the three stop codons reaches the A-site on the ribosome, the release factors bind to the stop cod on and then help to release of the nascent polypeptide chain from the ribosome. The three release factors have been detected in prokaryotes: RFI which recognizes the stop cod on `UAA' and `UAG', RF2 which recognizes `UAA' and `UGA', and RF3 which promotes release of RFI and RF2 from the ribosome after termination. On the other hand, eukaryotes have just two release factors: eRFl which binds to the three stop codons, and eRFs which might play the similar role to bacterial RF3 [1]. In archaea, although only one release factor aRFl, which is similar to eRFl, have been found, detail of termination systems is unclear [2]. 1.3 Stop cod on read through The stop codons, UAA, UGA and UAG are known as signals for translation termination. However, in stop cod on read through, an amino acid is incorporated at the stop cod on according to unusual translation process.