Synonymous codons do not occur at equal frequencies. Codon usage and codon bias have been extensively studied. However, the sequential order in which synonymous codons appear within a gene has not been studied until now. Here we describe an in silico method, which is the first attempt to tackle this problem: to what extent this sequential order is unique, and to what extent the succession of synonymous codons is important. This method, which we called Intragenic, Stochastic Synonymous Codon Occurrence Replacement (ISSCOR), generates, by a Monte Carlo approach, a set of genes which code for the same amino acid sequence, and display the same codon usage, but have random permutations of the synonymous codons, and therefore different sequential codon orders from the original gene. We analyze the complete genome of the bacterium Helicobacter pylori (containing 1574 protein coding genes), and show by various, alignment-free computational methods (e.g., frequency distribution of codon-pairs, as well as that of nucleotide bigrams in codon-pairs), that: (i) not only the succession of adjacent synonymous codons is far from random, but also, which is totally unexpected, the occurrences of non-adjacent synonymous codon-pairs are highly constrained, at strikingly long distances of dozens of nucleotides; (ii) the statistical deviations from the random synonymous codon order are overwhelming; and (iii) the pattern of nucleotide bigrams in codon-pairs can be used in a novel way for characterizing and comparing genes and genomes. Our results demonstrate that the sequential order of synonymous codons within a gene must be under a strong selective pressure, which is superimposed on the classical codon usage. This new dimension can be measured by the ISSCOR method, which is simple, robust, and should be useful for comparative and functional genomics. To cite this article: J.P. Radomski, P.P. Slonimski, C. R. Biologies 332 (2009).

Les codons synonymes n’apparaissent pas à des fréquences égales. L’usage des codons et le biais codonique ont été abondamment étudiés. Par contre, l’ordre dans lequel les codons synonymes se présentent le long d’un gène n’a pas encore été analysé. Cet ordre est-il unique ? A quel point l’enchaînement des codons synonymes non-adjacents est-il important ? Nous présentons ici une nouvelle méthode in silico pour aborder ce problème. Dans cette méthode, appelée ISSCOR, on permute, par une approche Monte-Carlo, les codons synonymes d’un gène. On obtient ainsi un ensemble de séquences nucléotidiques, qui ont le même usage des codons, qui codent pour la même séquence protéique, mais qui diffèrent par l’ordre des codons synonymes. Nous avons analysé la totalité du génome de la bactérie Helicobacter pylori (1574 ORFs) et nous démontrons, par différentes approches informatiques (analyse de la fréquence de distribution des paires de codons ainsi que celle des bigrams de nucléotides dans des paires de codons), que : (i) les codons synonymes s’enchaînent dans un ordre déterminé sur de longues distances (douzaines de nucléotides) ; (ii) l’enchaînement des codons synonymes le long d’un gène est en relation directe avec le codage de la protéine ; (iii) les bigrams nucléotidiques situés sur des paires de codons peuvent être utilisés comme une nouvelle méthode, simple et robuste, pour caractériser les gènes et les génomes. Pour citer cet article : J.P. Radomski, P.P. Slonimski, C. R. Biologies 332 (2009).