Codon usage in the siliceous sponge Geodia cydonium: highly expressed genes in the simplest multicellular animals prefer C- and G-ending codons

Among a sample of 39 Geodia cydonium (Demospongiae, Porifera) genes, with an average Gh+hC content of 51.2%, extensive structural heterogeneity and considerable variations in synonymous codon usage were found. The G + C content of coding sequences and G + C content at silent codon positions (GC3S) varied from 42.4 to 59.2% and from 35.6 to 76.5%, respectively. Correspondence analysis of 39 genes revealed that putative highly expressed genes preferentially use a limited subset of codons, which were therefore defined as preferred codons in G. cydonium. A total of 22 preferred codons for 18 amino acids with synonyms in codons were identified and they all (with one exception) end with C or G. Among these codons there are also C- and G-ending codons which were previously identified as codons optimal for translation in a variety of eukaryotes, including metazoans and plants. The bias in synonymous codon usage in putative highly expressed G. cydonium genes is moderate, indicating that these genes are not shaped under strong natural selection. We postulate that the preference for C- and G-ending codons was already established in the ancestor of all Metazoa, including also sponges. This ancestor most probably also had a G + C rich genome. The selection toward C- and G-ending codons has been largely conserved throughout eukaryote evolution; exceptions are, for example, mammals for which strong mutational biases caused switches from that rule. Der Codongebrauch im Kieselschwamm Geodia cydonium: Hochexprimierte Gene in den einfachsten multizellularen Tieren benutzen bevorzugt C- und G-endende Codons In einer Auswahl von 39 Genen des Kieselschwammes Geodia cydonium (Demospongiae, Porifera), die einen durchschnittlichen G + C Gehalt von 51.2% haben, wurde eine betrachtliche strukturelle Heterogenitat und eine hohe Variabilitat an synonymem Codongebrauch bestimmt. Der G + C Gehalt der codierenden Sequenzen sowie der G + C Gehalt an den neutralen Codon-Positionen (GC3S) variierte von 42.4–59.2%, beziehungsweise von 35.6–76.5%. Eine Vergleichsanalyse der 39 Gene ergab, das die wahrscheinlich hochexprimierten Gene bevorzugt nur eine begrenzte Auswahl an Codons benutzen, welche als ‘bevorzugte’ Codons von G. cydonium definiert werden. 22 ‘bevorzugte’ Codons fur die 18 Aminosauren, die synonyme Codons aufweisen, wurden untersucht; alle diese (mit einer Ausnahme) enden mit C oder G. Unter diesen Codons befinden sich auch diejenigen auf C und G-endenden Codons, die bereits in fruheren Untersuchungen als die bei der Translation von einer Vielzahl von Eukaryota, einschlieslich der vielzelligen Tiere und Pflanzen, bevorzugten Codons identifiziert wurden. Die Abweichung (Bias) des synonymen Codongebrauchs in den hochexprimierten G. cydonium Genen ist gering, was darauf hindeutet, das diese Gene nur unter einem geringen naturlichen Selektionsdruck stehen. Wir nehmen an, das der bevorzugte Gebrauch fur C-und G-endende Codons bereits in dem gemeinsamen Vorfahren der Metazoa, einschlieslich der Schwamme, etabliert war; es ist wahrscheinlich, das dieser gemeinsamen Vorfahre ein G + C-reiches Genom aufwies. Die bevorzugte Selektion C-und G-endender Codons blieb wahrend der Evolution der Eukaryota weitgehend konserviert; Ausnahmen sind die Saugetiere, die einen starken Bias aufweisen und deshalb von diesem Trend abweichen.