The relationship between codon volatility and selection

Abstract

Codon volatility was proposed as a method to detect positive selection in the genome. It measures the probability that a single-nucleotide mutation in a codon will lead to a change in the encoded amino acid. This thesis investigates whether functionally important protein sites preferentially use less volatile codons to minimise harmful amino acid changes. We reviewed key literature on the topic, including Plotkin's et al.'s, original work and subsequent critiques questioning the reliability of codon volatility as a selection indicator. Using computer simulations, we modelled codon evolution under mutation and selection pressures, demonstrating that selec- tion, in theory, favours codons with lower volatility in critical protein regions. However, analysis of real-world data revealed no evidence of such codon us- age patterns in natural sequences. These results suggest that although codon volatility may theoretically influence the encoding of amino acids in binding sites, its effect is likely overshadowed by additional biological factors.

Volatilita kodonů byla navržena jako metoda pro detekci pozitivní se- lekce v genomu. Měří pravděpodobnost, že jediná mutace v kodonu povede ke změně kódované aminokyseliny. Tato práce investiguje, zda funkčně důle- žitá místa v proteinech přednostně používají méně volatilní kodony, aby se minimalizovaly škodlivé změny aminokyselin. Provedli jsme přehled klíčové literatury k tomuto tématu, včetně původní práce Plotkina a kol. a následné kritiky zpochybňující spolehlivost volatility kodonů jako indikátoru selekce. Pomocí počítačových simulací jsme modelo- vali vývoj kodonů pod mutačním a selekčním tlakem a prokázali, že selekce teoreticky upřednostňuje kodony s nižší volatilitou v kritických oblastech pro- teinů. Analýza reálných dat však neodhalila žádné důkazy o takových vzor- cích používání kodonů v přirozených sekvencích. Tyto výsledky naznačují, že ačkoli volatilita kodonů může teoreticky ovlivňovat kódování aminokyselin ve vazebných místech, její vliv je pravděpodobně zastíněn dalšími biologickými faktory.