It is well known that A, T, G, C annealed together early in evolution and the long stretch of DNA was found which ultimately resulted into chromosomes of different organisms.  But it is unclear till date how exons, introns, conserved protein domains was formed. Using the DNA sequences of the largest known gene-family present in human genome, i.e., olfactory receptors and simplest possible quadruple context-free L-Systems, we show that conserved protein domains and intergenic regions which lies at the heart of the biological evolution started with a sixteen base-pairs stretch of DNA

Arunava Goswami

Pabitra Pal Choudhury

Rajneesh Singh

Sk. Sarif Hassan

English

Crossref

Quadruple context-free L-System mathematical tools as origin of biological evolution

1Quadruple context­free L­System  mathematical tools as origin of biological evolutionArunava Goswami $, Pabitra Pal Choudhury #, Rajneesh Singh$, #, Sk. Sarif Hassan$, #$Biological Sciences Division and #Applied Statistics Unit, Indian Statistical Institute, 203, B. T. Road, Kolkata 700108, IndiaIt is well known  that A, T, G, C annealed together early in evolution and the long stretch of DNA  was  found  which ultimately resulted into chromosomes  of different organisms.  But it is unclear till date how  exons, introns, conserved protein domains was formed. Using the DNA  sequences of the largest known  gene­family present in human  genome, i.e., olfactory receptors and  simplest possible quadruple context­free L­Systems, we  show  that conserved protein domains and intergenic regions which lies at the heart of the biological evolution started with a sixteen base­pairs stretch of DNA. 1. Use of quadruple context­free L­Systems on olfactory receptors (OR)ORs  constitute the largest known  multigene family involved in sense of smell of different organisms. There are ~388  functional and  ~414  pseudo  OR  genes are present in human  genome  [1]. Researchers have  found  that except two  chromosomes, ORs  are unevenly distributed in 21 chromosomes. OR1  family contains 28 full lengths and 5 pseudo ORs as per HORDE  database  (https://senselab.med.yale.edu/ORDB/files/humanorseqanal.html). Fig. 1 shows the ClustalW  (http://align.genome.jp/) data of extreme  5’­end stretch of 29 full length ORs. Fig. 1OR1A1           ----------------------------------------------ATGAGGGAAAATAAOR1A2           ----------------------------------------------ATGAAGAAAGAAAAOR1N1           ----------------------------------------------------ATGGAAAAOR1N3           ----------------------------------------------------ATGGAAAAOR1S1           ----------------------------------------------ATGCATCAAGGAAAOR1S2           ----------------------------------------------ATGCATCAAGAAAAOR1L1           ----------------------------------------------ATGGGAAGAAATAAOR1L3           ----------------------------------------------ATGGGAATGTCCAAOR1L8           ----------------------------------------------ATGGAAAGAATCAAOR1L4           ----------------------------------------------ATGGAGACAAAGAAOR1L6           ----------------------------------------------ATGGAGATAAAGAAOR1Q1           ----------------------------------------------ATGGACAACAGCAAOR1C1           ----------------------------------------------ATGGAAAAAAGAAAOR1F12          ----------------------------------------------ATGGAAGGGAAAAAOR1E1           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAAOR1E6           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAAOR1E2           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAAOR1J2           ----------------------------------------------ATGAGCCCTGAGAAOR1J4           ----------------------------------------------ATGAAGAGGGAGAAOR1F1           ----------------------------------------------ATGAGCGGGACAAAOR1F2           GTATGTTTCTGAATTCACTGTCTTCTATGCAGCTGGGTCCAGACATATGAGAGGGACAAAOR1N2           -------------------------------------ATGGGAAAACCAGGCAGAGTGAANature Precedings : doi:10.1038/npre.2010.4851.1 : Posted 2 Sep 20102OR1I1           ----------------------------------------------ATGGAACCAGAAAAOR1M1           ----------------------------------------------ATGGAACCAAGAAAOR1D4           ----------------------------------------------ATGGATGGAGATAAOR1D5           ----------------------------------------------ATGGATGGAGATAAOR1D2           ----------------------------------------------ATGGATGGAGGCAAOR1K1           ----------------------------------------------ATGGAGGCTGCCAAOR1B1           ----------------------------------------------ATGATGAGCTTTGC                                                                            OR1A1           CC--AGTCCTCTA---CACTGGAATTCATC-CTCCTGGGAGTTACTGGTCAGCAGGAACAOR1A2           TC--AATCCTTTA---ACCTGGATTTTATT-CTCCTGGGAGTTACTAGTCAGCAAGAACAOR1N1           CC--AATCCAGCA---TTTCTGAATTTTTC-CTCCGAGGAATATCAGCGCCTCCAGAGCAOR1N3           CC--AATCCAGCA---TTTCTGAATTTTTC-CTCCGAGGAATATCAGCGCCTCCAGAGCAOR1S1           CC--AAACCACCA---TCACTGAATTCATT-CTCCTGGGATTTTTCAAGCAGGATGAGCAOR1S2           CC--AAACCACCA---TCACTGAATTCATT-CTCCTGGGACTCTCCAACCAGGCTGAACAOR1L1           CC--TAACAAGAC---CCTCTGAATTCATC-CTCCTTGGACTCTCCTCTCGACCTGAGGAOR1L3           CC--TGACAAGAC---TCTCTGAATTTATT-CTCTTGGGACTCTCCTCTCGGTCTGAAGAOR1L8           CC--ACACCAGCAGTGTCTCCGAGTTTATC-CTCCTGGGACTCTCCTCCCGGCCTGAGGAOR1L4           TT--ATAGCAGCAGCACCTCAGGCTTCATC-CTCCTGGGCCTCTCTTCCAACCCTAAGCTOR1L6           CT--ACAGCAGCAGCACCTCAGGCTTCATC-CTCCTGGGCCTCTCTTCCAACCCTCAGCTOR1Q1           CT--GGACCAGTG---TGTCCCATTTTGTT-CTCTTGGGCATTTCCACCCACCCAGAAGAOR1C1           TC--TAACAGTTG---TCAGGGAATTCGTC-CTTCTGGGACTTCCTAGCTCAGCAGAGCAOR1F12          TC--AAACCAATA---TCTCTGAATTTCTC-CTCCTGGGCTTCTCAAGTTGGCAACAACAOR1E1           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCAOR1E6           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCAOR1E2           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCAOR1J2           CC--AGAGCAGCG---TGTCCGAGTTCCTC-CTTCTGGGCCTCCCCATCCGGCCAGAGCAOR1J4           TC--AGAGCAGTG---TGTCTGAGTTCCTC-CTCCTGGACCTCCCCATCTGGCCAGAGCAOR1F1           CC--AGTCGAGTG---TCTCCGAGTTCCTC-CTCCTGGGACTCTCCAGGCAGCCCCAGCAOR1F2           CC--AGT-GAGTG---TCTCCGAGTTCCTC-CTCTTGGGACTCTCCAGGCAGCCCCAGCAOR1N2           CC--AAACCACTG---TTTCAGACTTCCTC-CTTCTAGGACTCTCTGAGTGGCCAGAGGAOR1I1           GC--AAACCGAAA---TCTCAGAATTCTTC-CTCCAGGGACTCTCAGAAAAGCCAGAGCAOR1M1           CC--AAACCAGTG---CATCTCAATTCATC-CTCCTGGGACTCTCAGAAAAGCCAGAGCAOR1D4           CC--AGAGTGAGA---ACTCACAGTTCCTT-CTCCTGGGGATCTCAGAGAGTCCTGAGCAOR1D5           CC--AGAGTGAGA---ACTCACAGTTCCTT-CTCCTGGGGATCTCAGAGAGTCCTGAGCAOR1D2           CC--AGAGTGAAG---GTTCAGAGTTCCTT-CTCCTGGGGATGTCAGAGAGTCCTGAGCAOR1K1           TG--AGTCTTCAGAGGGAATCTCATTCGTT-TTATTGGGACTGACAACAAGTCCTGGACAOR1B1           CCCTAATGCTTCACACTCTCCGGTTTTTTTGCTCCTTGGGTTCTCGAGAGCTAACATCTC                                        **  *   *    *   *                  Fig. 1 Legend. ClustalW analysis of 29 (OR1E1 and OR1E6 are same) OR1  family members of OR  present in HORDE. Asterisks indicate conserved nucleotides. Fig. 1 shows  that out of aforesaid 28, 23 ORs  has distinct (each with a set of 4 bp) 16 bp sequence at the extreme  5’­end which could be used to design production rules of L­Systems [2]. Fig. 2 shows three different classes of L­Systems, which have been derived from  28 ORs of family 1. First class, designated as ‘Class­I’ consists of 19  following OR1  family sequences­ OR1A1, OR1B1, OR1E1 (same as OR1E6), OR1E2, OR1F1, OR1F12, OR1I1, OR1J2, OR1J4, OR1K1, OR1L1, OR1L3, OR1L4, OR1L6, OR1L8, OR1N2, OR1Q1, OR1S1, OR1S2. For these sequences, when  context free L­System  production rules were  made  from  the extreme  5’­end  of the DNA  sequences, with axiom: A, the rules were found to non­overlapping. For example, for OR1A1  the production rules are A ATGA, C GGGA, T AAAT, G AACC. One  of the observations, in this class is OR1S1, OR1S2. Although  their first sixteen base­pair sequence  same  (i.e., their production rules are same), OR1S1  and OR1S2  has different DNA  sequences in their exons. Using context­free L­Systems over a number of iterations one can introduce mutations in terms Nature Precedings : doi:10.1038/npre.2010.4851.1 : Posted 2 Sep 20103of insertions to form OR1S1 to OR1S2 and vice­versa [3, 4, 5, 6]. As context­free L­System  is an irreversible system  so when  OR1S1/ OR1S2  will be made  from  OR1S2/OR1S1 after the exonic sequence a large intergenic sequence would be generated. OR1S1  and OR1S2  are present in chromosome  11. Although no subfamily members of OR1S are present in the chromosome  11, it may  be that from  a large number of other ORs present in the same  chromosome  (~390 ORs in HORDE) have given rise to OR1S1/OR1S2. From  this study it is clear that after OR1S1  and OR1S2, it is difficult to generate same  subfamily members and a large intergenic region would be produced after the generation of OR1S1/OR1S2.Second class, designated as ‘Class­II’ consists of three following OR1  family sequences­ OR1C1, OR1N1, OR1N3. The  production rules for this class has a unique feature that one  of the production rule gives poly A  sequences. For example, for OR1C1  the production rules are AATGG, C AAAA, T AAGA, G AATC.Third class, designated as ‘Class­III’ consists of five following OR1  family sequences­ OR1A2, OR1D2, OR1D4, OR1D5, OR1M1. Unique feature of class­III is that two of the production rules are similar. For example, for OR1A2  the production rules are A ATGA, C AGAA, T AGAA, GAATC. As the production rule for T and C are same, so successive iterations will increase the amount  of repetitive DNA  sequence  generated  by  the  class­III production rules. OR1D  subfamily has a single pseudogene OR1D3P  which is most similar to OR1D2. As described above OR1D3P  was produced from  OR1D2. We  took OR1D3P  sequence and it also fall in the class­III category of ORs. Therefore from  the above discussion it is clear this is a new  classification system  based on only first 16 bp sequence of ORs and not on the sequence homology of either DNA  or protein of the entire OR  sequence. 2. Evolutionary implicationsLet us assume  that 16 bp sequence of all ORs (Class­I, Class­II and Class­III) of OR  family 1 were present as individual sequences  somewhere  in the  evolutionary scale. This is not  an assumption per se as they are present in all the subfamily members of the largest multigene family known  in the genome  i.e., OR  which is present in the human  genome  till date. Each of these 16 bp sequences will give rise to evolution of unique protein domains (supplementary data provided). For example we  took OR1L subfamily members which have 5 members (OR1L1, OR1L3, OR1L4, OR1L6  and  OR1L8). Applying the same  method  as described in Ref. 6 (and supplementary information provided herewith) we  generated following conserved protein domains.OR1L1 gave 80%­200%  alignment score with a hypothetical protein from  Giant Panda. Similarly OR1L3 gave a composite conserved protein domain from  California purple sea urchin with homology ranging from  40%­200%. Using the similar methodology OR1L4  and  OR1L6 derived L­Systems  could not produce  any ORFs  and  therefore consequently no  conserved Nature Precedings : doi:10.1038/npre.2010.4851.1 : Posted 2 Sep 20104protein domains were  formed. We  conjecture that these two  aforesaid and  following L­Systems (Axiom: A) A ATGG, C AGAC, T AAAG, G AATT  and A ATGG, C AGAT, T AAAG, GAACT  have not been so far for producing conserved protein domains but may  have been used for making intergenic DNA  sequence. OR1L8 when  was used in the same  model was found to pick up suprabasin protein from  three different organisms, viz. Dog, Horse and Giant Panda. Therefore one  can visualize very very early in evolution if nature could derive any of the aforesaid three classes (class­I, class­II, class­III) L­Systems which means generation of a simple stretch of 16 bp DNA  sequence then extension of the DNA  chain using DNA  polymerase can happen. We  showed  in this paper that extension of this kind of L­System  can  lead to meaningful conserved protein domains as well as intergenic DNA  sequences. To the best of our knowledge, this is the first report which showed  how  evolution started with a 16 bp  DNA  sequences. ACKNO WLEDG MENTS:  This work was supported by the Department of Biotechnology (DBT), New  Delhi, grants (BT/PR9050/NNT/28/21/2007 and BT/PR8931/NNT/28/07/2007 to AG) and NAIP­ICAR­World Bank grant (Comp­4/C3004/2008­09; Project leader: AG) and ISI plan projects for 2001–2011  to A. G. Authors would  like to thank visiting students, Ranita Guha  and Shantanav Chakrovorty for their valuable inputs in computations.References1. Malnic B, Godfrey P­A and Buck L­B (2004) The human  olfactory receptor gene family; Proc. Natl. Acad. Sci. USA  101  2584–2589  Erratum  in: Proc. Natl. Acad. Sci. USA  2004 101 72052. Prusinkiewicz, P. and Lindenmayer, A. (1990) in the algorithmic beauty of plants (New  York: Springer­Verlag).3. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and Goswami, A. (2010) L­Systems: A  Mathematical Paradigm  for Designing Full Length Genes  and  Genomes. Global Journal of Computer Science and Technology, 10: 119­122, category: I.2.1, J.3, and G.1.0. (Published in June, 2010)4. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and  Goswami. A. (2010) Designing exons for human  olfactory receptor gene subfamilies using a mathematical paradigm. Journal of Biosciences, volume  35, number 3: 389­393.5. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and  Goswami, A. (2010) Combination of L­systems: For Designing Human  Olfactory Receptor Pseudo­gene, OR1D3P. International Journal of Computational Cognition, (Publisher: Yang's Scientific Research Institute, USA) (Accepted for publication in 2011).6. Goswami, Arunava, Singh, Rajneesh, Choudhury, Pabitra, and Hassan, Sk. Sarif Hassan. Designing L­Systems for making three and  six open  reading frames from  the leading strand   of   a   single   DNA   molecule.   Available   from   Nature   Precedings <http://hdl.handle.net/10101/npre.2010.4844.1> (2010).Nature Precedings : doi:10.1038/npre.2010.4851.1 : Posted 2 Sep 20105Nature Precedings : doi:10.1038/npre.2010.4851.1 : Posted 2 Sep 2010

Nature Precedings

1Quadruple context­free L­System  mathematical tools as origin 
of biological evolution
Arunava Goswami $, Pabitra Pal Choudhury #, Rajneesh Singh$, #, Sk. Sarif Hassan$, #
$Biological Sciences Division and #Applied Statistics Unit, Indian Statistical Institute, 203, B. T. 
Road, Kolkata 700108, India
It is well known  that A, T, G, C annealed together early in evolution and the long stretch of DNA  
was  found  which ultimately resulted into chromosomes  of different organisms.  But it is 
unclear till date how  exons, introns, conserved protein domains was formed. Using the DNA  
sequences of the largest known  gene­family present in human  genome, i.e., olfactory receptors 
and  simplest possible quadruple context­free L­Systems, we  show  that conserved protein 
domains and intergenic regions which lies at the heart of the biological evolution started with a 
sixteen base­pairs stretch of DNA. 
1. Use of quadruple context­free L­Systems on olfactory receptors (OR)
ORs  constitute the largest known  multigene family involved in sense of smell of different 
organisms. There are ~388  functional and  ~414  pseudo  OR  genes are present in human  
genome  [1]. Researchers have  found  that except two  chromosomes, ORs  are unevenly 
distributed in 21 chromosomes. OR1  family contains 28 full lengths and 5 pseudo ORs as per 
HORDE  database  (https://senselab.med.yale.edu/ORDB/files/humanorseqanal.html). Fig. 1 
shows the ClustalW  (http://align.genome.jp/) data of extreme  5’­end stretch of 29 full length 
ORs. 
Fig. 1
OR1A1           ----------------------------------------------ATGAGGGAAAATAA
OR1A2           ----------------------------------------------ATGAAGAAAGAAAA
OR1N1           ----------------------------------------------------ATGGAAAA
OR1N3           ----------------------------------------------------ATGGAAAA
OR1S1           ----------------------------------------------ATGCATCAAGGAAA
OR1S2           ----------------------------------------------ATGCATCAAGAAAA
OR1L1           ----------------------------------------------ATGGGAAGAAATAA
OR1L3           ----------------------------------------------ATGGGAATGTCCAA
OR1L8           ----------------------------------------------ATGGAAAGAATCAA
OR1L4           ----------------------------------------------ATGGAGACAAAGAA
OR1L6           ----------------------------------------------ATGGAGATAAAGAA
OR1Q1           ----------------------------------------------ATGGACAACAGCAA
OR1C1           ----------------------------------------------ATGGAAAAAAGAAA
OR1F12          ----------------------------------------------ATGGAAGGGAAAAA
OR1E1           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAA
OR1E6           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAA
OR1E2           ----------------------------------------------ATGATGGGACAAAA
OR1J2           ----------------------------------------------ATGAGCCCTGAGAA
OR1J4           ----------------------------------------------ATGAAGAGGGAGAA
OR1F1           ----------------------------------------------ATGAGCGGGACAAA
OR1F2           GTATGTTTCTGAATTCACTGTCTTCTATGCAGCTGGGTCCAGACATATGAGAGGGACAAA
OR1N2           -------------------------------------ATGGGAAAACCAGGCAGAGTGAA
N
at
ur
e 
Pr
ec
ed
in
gs
 : 
do
i:1
0.
10
38
/n
pr
e.
20
10
.4
85
1.
1 
: P
os
te
d 
2 
Se
p 
20
10
2OR1I1           ----------------------------------------------ATGGAACCAGAAAA
OR1M1           ----------------------------------------------ATGGAACCAAGAAA
OR1D4           ----------------------------------------------ATGGATGGAGATAA
OR1D5           ----------------------------------------------ATGGATGGAGATAA
OR1D2           ----------------------------------------------ATGGATGGAGGCAA
OR1K1           ----------------------------------------------ATGGAGGCTGCCAA
OR1B1           ----------------------------------------------ATGATGAGCTTTGC
                                                                            
OR1A1           CC--AGTCCTCTA---CACTGGAATTCATC-CTCCTGGGAGTTACTGGTCAGCAGGAACA
OR1A2           TC--AATCCTTTA---ACCTGGATTTTATT-CTCCTGGGAGTTACTAGTCAGCAAGAACA
OR1N1           CC--AATCCAGCA---TTTCTGAATTTTTC-CTCCGAGGAATATCAGCGCCTCCAGAGCA
OR1N3           CC--AATCCAGCA---TTTCTGAATTTTTC-CTCCGAGGAATATCAGCGCCTCCAGAGCA
OR1S1           CC--AAACCACCA---TCACTGAATTCATT-CTCCTGGGATTTTTCAAGCAGGATGAGCA
OR1S2           CC--AAACCACCA---TCACTGAATTCATT-CTCCTGGGACTCTCCAACCAGGCTGAACA
OR1L1           CC--TAACAAGAC---CCTCTGAATTCATC-CTCCTTGGACTCTCCTCTCGACCTGAGGA
OR1L3           CC--TGACAAGAC---TCTCTGAATTTATT-CTCTTGGGACTCTCCTCTCGGTCTGAAGA
OR1L8           CC--ACACCAGCAGTGTCTCCGAGTTTATC-CTCCTGGGACTCTCCTCCCGGCCTGAGGA
OR1L4           TT--ATAGCAGCAGCACCTCAGGCTTCATC-CTCCTGGGCCTCTCTTCCAACCCTAAGCT
OR1L6           CT--ACAGCAGCAGCACCTCAGGCTTCATC-CTCCTGGGCCTCTCTTCCAACCCTCAGCT
OR1Q1           CT--GGACCAGTG---TGTCCCATTTTGTT-CTCTTGGGCATTTCCACCCACCCAGAAGA
OR1C1           TC--TAACAGTTG---TCAGGGAATTCGTC-CTTCTGGGACTTCCTAGCTCAGCAGAGCA
OR1F12          TC--AAACCAATA---TCTCTGAATTTCTC-CTCCTGGGCTTCTCAAGTTGGCAACAACA
OR1E1           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCA
OR1E6           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCA
OR1E2           TC--AAACCAGCA---TCTCAGACTTCCTG-CTCCTGGGCCTGCCCATCCAACCAGAGCA
OR1J2           CC--AGAGCAGCG---TGTCCGAGTTCCTC-CTTCTGGGCCTCCCCATCCGGCCAGAGCA
OR1J4           TC--AGAGCAGTG---TGTCTGAGTTCCTC-CTCCTGGACCTCCCCATCTGGCCAGAGCA
OR1F1           CC--AGTCGAGTG---TCTCCGAGTTCCTC-CTCCTGGGACTCTCCAGGCAGCCCCAGCA
OR1F2           CC--AGT-GAGTG---TCTCCGAGTTCCTC-CTCTTGGGACTCTCCAGGCAGCCCCAGCA
OR1N2           CC--AAACCACTG---TTTCAGACTTCCTC-CTTCTAGGACTCTCTGAGTGGCCAGAGGA
OR1I1           GC--AAACCGAAA---TCTCAGAATTCTTC-CTCCAGGGACTCTCAGAAAAGCCAGAGCA
OR1M1           CC--AAACCAGTG---CATCTCAATTCATC-CTCCTGGGACTCTCAGAAAAGCCAGAGCA
OR1D4           CC--AGAGTGAGA---ACTCACAGTTCCTT-CTCCTGGGGATCTCAGAGAGTCCTGAGCA
OR1D5           CC--AGAGTGAGA---ACTCACAGTTCCTT-CTCCTGGGGATCTCAGAGAGTCCTGAGCA
OR1D2           CC--AGAGTGAAG---GTTCAGAGTTCCTT-CTCCTGGGGATGTCAGAGAGTCCTGAGCA
OR1K1           TG--AGTCTTCAGAGGGAATCTCATTCGTT-TTATTGGGACTGACAACAAGTCCTGGACA
OR1B1           CCCTAATGCTTCACACTCTCCGGTTTTTTTGCTCCTTGGGTTCTCGAGAGCTAACATCTC
                                        **  *   *    *   *                  
Fig. 1 Legend. ClustalW analysis of 29 (OR1E1 and OR1E6 are same) OR1  family members of OR  
present in HORDE. Asterisks indicate conserved nucleotides. 
Fig. 1 shows  that out of aforesaid 28, 23 ORs  has distinct (each with a set of 4 bp) 16 bp 
sequence at the extreme  5’­end which could be used to design production rules of L­Systems 
[2]. Fig. 2 shows three different classes of L­Systems, which have been derived from  28 ORs of 
family 1. 
First class, designated as ‘Class­I’ consists of 19  following OR1  family sequences­ OR1A1, 
OR1B1, OR1E1 (same as OR1E6), OR1E2, OR1F1, OR1F12, OR1I1, OR1J2, OR1J4, OR1K1, OR1L1, 
OR1L3, OR1L4, OR1L6, OR1L8, OR1N2, OR1Q1, OR1S1, OR1S2. For these sequences, when  
context free L­System  production rules were  made  from  the extreme  5’­end  of the DNA  
sequences, with axiom: A, the rules were found to non­overlapping. For example, for OR1A1  
the production rules are A ATGA, C GGGA, T AAAT, G AACC. One  of the observations, in this 
class is OR1S1, OR1S2. Although  their first sixteen base­pair sequence  same  (i.e., their 
production rules are same), OR1S1  and OR1S2  has different DNA  sequences in their exons. 
Using context­free L­Systems over a number of iterations one can introduce mutations in terms 
N
at
ur
e 
Pr
ec
ed
in
gs
 : 
do
i:1
0.
10
38
/n
pr
e.
20
10
.4
85
1.
1 
: P
os
te
d 
2 
Se
p 
20
10
3of insertions to form OR1S1 to OR1S2 and vice­versa [3, 4, 5, 6]. As context­free L­System  is an 
irreversible system  so when  OR1S1/ OR1S2  will be made  from  OR1S2/OR1S1 after the exonic 
sequence a large intergenic sequence would be generated. OR1S1  and OR1S2  are present in 
chromosome  11. Although no subfamily members of OR1S are present in the chromosome  11, 
it may  be that from  a large number of other ORs present in the same  chromosome  (~390 ORs 
in HORDE) have given rise to OR1S1/OR1S2. From  this study it is clear that after OR1S1  and 
OR1S2, it is difficult to generate same  subfamily members and a large intergenic region would 
be produced after the generation of OR1S1/OR1S2.
Second class, designated as ‘Class­II’ consists of three following OR1  family sequences­ OR1C1, 
OR1N1, OR1N3. The  production rules for this class has a unique feature that one  of the 
production rule gives poly A  sequences. For example, for OR1C1  the production rules are A
ATGG, C AAAA, T AAGA, G AATC.
Third class, designated as ‘Class­III’ consists of five following OR1  family sequences­ OR1A2, 
OR1D2, OR1D4, OR1D5, OR1M1. Unique feature of class­III is that two of the production rules 
are similar. For example, for OR1A2  the production rules are A ATGA, C AGAA, T AGAA, G
AATC. As the production rule for T and C are same, so successive iterations will increase the 
amount  of repetitive DNA  sequence  generated  by  the  class­III production rules. OR1D  
subfamily has a single pseudogene OR1D3P  which is most similar to OR1D2. As described above 
OR1D3P  was produced from  OR1D2. We  took OR1D3P  sequence and it also fall in the class­III 
category of ORs. 
Therefore from  the above discussion it is clear this is a new  classification system  based on only 
first 16 bp sequence of ORs and not on the sequence homology of either DNA  or protein of the 
entire OR  sequence. 
2. Evolutionary implications
Let us assume  that 16 bp sequence of all ORs (Class­I, Class­II and Class­III) of OR  family 1 were 
present as individual sequences  somewhere  in the  evolutionary scale. This is not  an 
assumption per se as they are present in all the subfamily members of the largest multigene 
family known  in the genome  i.e., OR  which is present in the human  genome  till date. Each of 
these 16 bp sequences will give rise to evolution of unique protein domains (supplementary 
data provided). For example we  took OR1L subfamily members which have 5 members (OR1L1, 
OR1L3, OR1L4, OR1L6  and  OR1L8). Applying the same  method  as described in Ref. 6 (and 
supplementary information provided herewith) we  generated following conserved protein 
domains.OR1L1 gave 80%­200%  alignment score with a hypothetical protein from  Giant Panda. 
Similarly OR1L3 gave a composite conserved protein domain from  California purple sea urchin 
with homology ranging from  40%­200%. Using the similar methodology OR1L4  and  OR1L6 
derived L­Systems  could not produce  any ORFs  and  therefore consequently no  conserved 
N
at
ur
e 
Pr
ec
ed
in
gs
 : 
do
i:1
0.
10
38
/n
pr
e.
20
10
.4
85
1.
1 
: P
os
te
d 
2 
Se
p 
20
10
4protein domains were  formed. We  conjecture that these two  aforesaid and  following L­
Systems (Axiom: A) A ATGG, C AGAC, T AAAG, G AATT  and A ATGG, C AGAT, T AAAG, G
AACT  have not been so far for producing conserved protein domains but may  have been used 
for making intergenic DNA  sequence. OR1L8 when  was used in the same  model was found to 
pick up suprabasin protein from  three different organisms, viz. Dog, Horse and Giant Panda. 
Therefore one  can visualize very very early in evolution if nature could derive any of the 
aforesaid three classes (class­I, class­II, class­III) L­Systems which means generation of a simple 
stretch of 16 bp DNA  sequence then extension of the DNA  chain using DNA  polymerase can 
happen. We  showed  in this paper that extension of this kind of L­System  can  lead to 
meaningful conserved protein domains as well as intergenic DNA  sequences. To the best of our 
knowledge, this is the first report which showed  how  evolution started with a 16 bp  DNA  
sequences.
 ACKNO WLEDG MENTS:  This work was supported by the Department of Biotechnology (DBT), 
New  Delhi, grants (BT/PR9050/NNT/28/21/2007 and BT/PR8931/NNT/28/07/2007 to AG) and 
NAIP­ICAR­World Bank grant (Comp­4/C3004/2008­09; Project leader: AG) and ISI plan projects 
for 2001–2011  to A. G. Authors would  like to thank visiting students, Ranita Guha  and 
Shantanav Chakrovorty for their valuable inputs in computations.
References
1. Malnic B, Godfrey P­A and Buck L­B (2004) The human  olfactory receptor gene family; 
Proc. Natl. Acad. Sci. USA  101  2584–2589  Erratum  in: Proc. Natl. Acad. Sci. USA  2004 
101 7205
2. Prusinkiewicz, P. and Lindenmayer, A. (1990) in the algorithmic beauty of plants (New  
York: Springer­Verlag).
3. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and Goswami, A. (2010) L­
Systems: A  Mathematical Paradigm  for Designing Full Length Genes  and  Genomes. 
Global Journal of Computer Science and Technology, 10: 119­122, category: I.2.1, J.3, 
and G.1.0. (Published in June, 2010)
4. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and  Goswami. A. (2010) 
Designing exons for human  olfactory receptor gene subfamilies using a mathematical 
paradigm. Journal of Biosciences, volume  35, number 3: 389­393.
5. Hassan, S. Sk., Choudhury, P. P., Pal, A., Brahmachary, R. L. and  Goswami, A. (2010) 
Combination of L­systems: For Designing Human  Olfactory Receptor Pseudo­gene, 
OR1D3P. International Journal of Computational Cognition, (Publisher: Yang's Scientific 
Research Institute, USA) (Accepted for publication in 2011).
6. Goswami, Arunava, Singh, Rajneesh, Choudhury, Pabitra, and Hassan, Sk. Sarif Hassan. 
Designing L­Systems for making three and  six open  reading frames from  the leading 
strand   of   a   single   DNA   molecule.   Available   from   Nature   Precedings 
<http://hdl.handle.net/10101/npre.2010.4844.1> (2010).
N
at
ur
e 
Pr
ec
ed
in
gs
 : 
do
i:1
0.
10
38
/n
pr
e.
20
10
.4
85
1.
1 
: P
os
te
d 
2 
Se
p 
20
10
5N
at
ur
e 
Pr
ec
ed
in
gs
 : 
do
i:1
0.
10
38
/n
pr
e.
20
10
.4
85
1.
1 
: P
os
te
d 
2 
Se
p 
20
10


119122, category: I.2.1, J.3, and G.1.0. (Published in

Combination systems:

L Systems:

Systems for making three and six open reading frames from the leading strand of a single DNA molecule. Available from Nature Precedings (2010). N a t u r e P r e c e d i n g s : d o i : .

The human olfactory receptor gene family;

AbstractIt is well known that A, T, G, C annealed together early in evolution and the long stretch of DNA was found which ultimately resulted into chromosomes of different organisms. But it is unclear till date how exons, introns, conserved protein domains was formed. Using the DNA sequences of the largest known gene-family present in human genome, i.e., olfactory receptors and simplest possible quadruple context-free L-Systems, we show that conserved protein domains and intergenic regions which lies at the heart of the biological evolution started with a sixteen base-pairs stretch of DNA. </jats:p

http://precedings.nature.com/documents/4851/version/1

Quadruple context-free L-System mathematical tools as origin of biological evolution

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Crossref

Crossref

Nature Precedings

Crossref