密码子优化

密码子优化,指的是利用偏爱密码子(Preferred codons),即避免利用率低的稀有密码子,简化基因转录后mRNA的二级结构,去除不利于高效表达的模体(Motif),加入有利于高效表达的模体,调整GC含量等这些方法重新设计基因。基因合成的商业化大大推动了密码子优化的适用范围和影响力。

基因的最优表达是通过对基因本身、载体、宿主系统、培养条件的系统性设计实现的。普通科研工作者常规关注要点是选择合适的表达载体和宿主系统,而往往忽视基因本身是否与载体和宿主系统达到最佳匹配。泓迅利用多年的合成生物学经验,对基因和载体的设计优化我们关注以下几个重要方面:

1. 密码子偏好性

不同物种对同义密码子的使用频率是不同的,而这种密码子偏好性对翻译过程有影响。如果一条mRNA有很多成簇的稀有密码子,这会对核糖体的运动速度造成负面影响,大大降低蛋白表达水平。若是在基因的同义密码子使用频率与表达宿主相匹配的情况下,蛋白的表达水平则会显著提高。匹配程度常用密码子适应指数 (Codon Adaption Index)来表示,通常情况下,CAI≥0.80被认为是预测重组蛋白高效表达的标准。

除了密码子的偏好性外,还需要考虑密码子的组合使用效率。亦即,在大部分情况下,仅用高频密码子的效果并不会最好,考虑到高频和次高频密码子的组合使用效果会更佳。泓迅拥有自主知识产权的NG®Codon优化软件是业内在这方面的首创。

2. mRNA二级结构

mRNA二级结构是影响翻译过程的另一重要因素,复杂稳定的二级结构会阻碍翻译过程的顺利进行,特别是核糖体绑定位点 (RBS)附近的二级结构。mRNA二级结构在DNA序列中主要表现为发卡结构(Hairpin),有效识别并尽可能的减少发卡结构是密码子优化软件优劣的重要判断标准。下面是利用NG®Codon优化软件针对二级结构优化的一个经典案例。


Hairpins Analysis Optimized Wildtype
Small Hairpins 4 5
Medium Hairpins 0 3
Large Hairpins 0 0

3. 影响表达的反式作用元件和限制性酶切位点的去除

优化过程不仅需要考虑到对翻译有积极影响的元件/序列,还需要考虑到对转录和翻译有消极影响的元件/序列。任何对于转录和翻译有消极作用的反式作用元件需要通过密码子优化软件去除以消除转录和翻译过程中的多重障碍。

限制性酶切位点需要根据克隆策略进行个性化排除,以免酶切位点产生冲突,影响构建表达载体的操作。

4. GC含量

AT间存在2个氢键,GC间存在3个氢键,所以GC含量直接影响着DNA序列的结合稳定性和退火温度。在启动子等保守区域GC含量相对较高。另外,GC含量也影响着mRNA热力学稳定性及mRNA二级结构。

5. 翻译起始与终止效率

蛋白稳定性、mRNA稳定性和翻译效率对蛋白产量和可溶性起主要作用。翻译过程分为起始、延伸和终止三个期。

首先,起始阶段的顺利进行决定了蛋白表达量从无到有。对于翻译的起始,原核mRNA需要5’端非翻译前导序列中有一段叫Shine-Dalgarno序列的特异核糖体结合序列。在真核细胞,有效的起始依赖于围绕在起始密码子ATG上下游的一段叫Kozak序列的序列。

高效的延伸阶段决定了蛋白质能够积累的量。这个在前面的密码子偏好性及二级结构和反式作用元件等篇章已经详细讨论过。

翻译终止是蛋白生命周期必须的一步,却最容易被忽略。科学研究表明终止效率对蛋白表达水平有很大的影响,更有效的翻译终止会促进蛋白表达。绝大多数生物都有偏爱的围绕终止密码子的序列框架,例如酵母和哺乳动物偏爱的终止密码子分别是UAA和UGA,单子叶植物最常利用UGA,而昆虫和大肠杆菌倾向于用UAA。

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