Synonymous Mutation (동의돌연변이) #

Synonymous Mutation 이란? #

Synonymous Mutation란 Synonymous codon site에 발생하는 변이로 아미노산이 바뀌지 않는 변이이다. 따라서 Silent Mutation으로도 알려져 있다. 그런데 구글 스칼라에 이 용어를 검색해보면 생각 외로 Synonymous mutation이 암, 조현병 및 각종 질병과 관련된 논문을 꽤 많이 볼 수 있을 것이다. 그러면 한 때는 Silent mutation으로 여겨지던 이 변이가 어떻게 이렇게 주목을 받게 된 것일까.

Synonymous codon usage bias #

Synonymous codon usage bias가 위 질문에 답이 될 수 있다. 우선 왜 Synonymous 일까. 하나의 아미노산 정보를 담고 있는 3개의 DNA 염기를 코돈(codon)이라고 한다. 그런데 이상하게도 하나의 아미노산 정보를 담고 있는 코돈은 하나가 아니다. 즉, synonymous, 여러 개의 코돈이 하나의 아미노산을 지정할 수 있어서 synonymous codon이 되어있다. 재미있는 것은 인간을 포함한 거의 모든 생명체가 synonymous 코돈이 있으며 균등하게 분포되어 있지 않는 편향(biased codon)된 상태로 있다는 것이다. 무슨 이유라도 있는 건지 각 종마나 그리고 유전자마다 자신들이 선호하는 코돈이 있다는 사실이다. codon usage 가 편향되어 있다는 것이 우연인지 필연인지 진화적 관점의 질문이 될 수 있는데 여기선 필연인 요소만 다뤄보겠다.

Synonymous codon usage 와 Gene Expression #

앞에서 종마다 코돈 선호도가 다르다고 했는데 그 이유는 바로 효율성 때문이다. 세포에는 각자 tRNA pool이 있는데 하나의 코돈이 아미노산을 부르는 번역 과정(translation)에서 tRNA가 그 역할을 한다. 그런데 하나의 아미노산에 굳이 다양한 코돈에 tRNA가 존재할 필요는 없다. 즉, 최적 코돈 (optimal codon)이 존재한다. 각 종마다 어떤 진화적 이유로 tRNA pool이 다른데 tRNA pool에 많이 존재하는 tRNA와 결합하는 코돈을 최적 코돈 이라 한다. 이 최적코돈은 번역 속도와 관련이 있다. 마치 공장에서 A 모델을 집중적으로 생산하고 있고 B, C는 적게 생산하고 있는데 B,C에 수요가 많아지면 당연히 지연되듯이 번역 과정에서 최적의 코돈으로만 구성된 mRNA와 덜 쓰이는 코돈으로만 이루어진 mRNA와의 번역 속도는 차이가 날 수밖에 없다. 즉 synonymous codon usage는 번역과정에서 속도의 변화를 주어 gene expression에 영향을 준다.

그림1. synonymous codon usage 와 gene expression (출처)

Synonymous muation 과 Biological funcion #

다시 본론의 질문으로 돌아가서 생각해보자. 이제 synonymous site에 변이가 무슨 영향을 주는지 알 수 있을 것이다. synonymous site의 변이는 최적 코돈에서 덜 쓰이는 synonymous 코돈으로 바뀔 수 있게 되어 gene expression에 영향을 주게 된다. 즉 아미노산을 바꾸는 non-synonymous mutation 정도의 위력은 아니더라도 기능적 영향을 줄 수는 있다. 이 밖에도 그림 2와 같이 다양한 기능적 요인에 다양한 이유로 연관이 있다. 따라서 이 변이도 질병 연구에 포함되어야 한다는 의견이 계속 나오고 있다. 이 주목받고 있는 mutation은 최근 질병 논문에 discussion point로 많이 활용되고 있다. 이제 silent mutation에도 귀 기울여야 되지 않을까.

그림2. synonymous codon usage의 다양한 기능적 요소들 (출처)

Reference #

• Yu, C. H., Dang, Y., Zhou, Z., Wu, C., Zhao, F., Sachs, M. S., & Liu, Y. (2015). Codon usage influences the local rate of translation elongation to regulate co-translational protein folding. Molecular cell, 59(5), 744-754.
• Im, E. H., & Choi, S. S. (2017). Synonymous codon usage controls various molecular aspects. Genomics & Informatics, 15(4), 123.