DNA encodes protein primary structure using 64 different codons to specify 20 different amino acids and a stop signal. Frequencies of codon occurrence when ordered in descending sequence provide a global characterization of a genome's preference (bias) for using the different codons of the redundant genetic code. Whereas frequency/rank relations have been described by empirical relations, here we propose a statistical model in which two different forms of codon usage co-exist in a genome. We investigate whether such a model can account for the range of codon usages observed in a large set of genomes from different taxa. The differences in frequency/rank relations across these genomes can be expressed in a single parameter, the proportion of the two codon compartments. One compartment uses different codons with weak bias according to a Gaussian distribution of frequency, the other uses different codons with strong bias. In prokaryotic genomes both compartments appear to be present in a wide range of proportions, whereas in eukaryotic genomes the compartment with Gaussian distribution tends to dominate. Codon frequencies that are Gaussian-distributed suggest that many evolutionary conditions are involved in shaping weakly-biased codon usage, whereas strong bias in codon usage suggests dominance of few evolutionary conditions.

DNA encodes protein primary structure using 64 different codons to specify 20 different amino acids and a stop signal. To uncover rules of codon use, ranked codon frequencies have previously been analyzed in terms of empirical or statistical relations for a small number of genomes. These descriptions fail on most genomes reported in the Codon Usage Tabulated from GenBank (CUTG) database. Here we model codon usage as a random variable. This stochastic model provides accurate, one-parameter characterizations of 2210 nuclear and mitochondrial genomes represented with >104 codons/genome in CUTG. We show that ranked codon frequencies are well characterized by a truncated normal (Gaussian) distribution. Most genomes use codons in a near-uniform manner. Lopsided usages are also widely distributed across genomes but less frequent. Our model provides a universal framework for investigating determinants of codon use.

Codon usage in 2730 genomes is analyzed for evolutionary patterns in the usage of synonymous codons and amino acids across prokaryotic and eukaryotic taxa. We group genomes together that have similar amounts of intra-genomic bias in their codon usage, and then compare how usage of particular different codons is diversified across each genome group, and how that usage varies from group to group. Inter-genomic diversity of codon usage increases with intra-genomic usage bias, following a universal pattern. The frequencies of the different codons vary in robust mutual correlation, and the implied synonymous codon and amino acid usages drift together. This kind of correlation indicates that the variation of codon usage across organisms is chiefly a consequence of lateral DNA transfer among diverse organisms. The group of genomes with the greatest intra-genomic bias comprises two distinct subgroups, with each one restricting its codon usage to essentially one unique half of the genetic code table. These organisms include eubacteria and archaea thought to be closest to the hypothesized last universal common ancestor (LUCA). Their codon usages imply genetic diversity near the hypothesized base of the tree of life. There is a continuous evolutionary progression across taxa from the two extremely diversified usages toward balanced usage of different codons (as approached, e.g. in mammals). In that progression, codon frequency variations are correlated as expected from a blending of the two extreme codon usages seen in prokaryotes.