密碼子優化

密碼子優化,指的是利用偏愛密碼子(Preferred codons),即避免利用率低的稀有密碼子,簡化基因轉錄后mRNA的二級結構,去除不利于高效表達的模體(Motif),加入有利于高效表達的模體,調整GC含量等這些方法重新設計基因。基因合成的商業化大大推動了密碼子優化的適用范圍和影響力。

基因的最優表達是通過對基因本身、載體、宿主系統、培養條件的系統性設計實現的。普通科研工作者常規關注要點是選擇合適的表達載體和宿主系統,而往往忽視基因本身是否與載體和宿主系統達到最佳匹配。泓迅利用多年的合成生物學經驗,對基因和載體的設計優化我們關注以下幾個重要方面:

1. 密碼子偏好性

不同物種對同義密碼子的使用頻率是不同的,而這種密碼子偏好性對翻譯過程有影響。如果一條mRNA有很多成簇的稀有密碼子,這會對核糖體的運動速度造成負面影響,大大降低蛋白表達水平。若是在基因的同義密碼子使用頻率與表達宿主相匹配的情況下,蛋白的表達水平則會顯著提高。匹配程度常用密碼子適應指數 (Codon Adaption Index)來表示,通常情況下,CAI≥0.80被認為是預測重組蛋白高效表達的標準。

除了密碼子的偏好性外,還需要考慮密碼子的組合使用效率。亦即,在大部分情況下,僅用高頻密碼子的效果并不會最好,考慮到高頻和次高頻密碼子的組合使用效果會更佳。泓迅擁有自主知識產權的NGCodon優化軟件可以顯著提升蛋白表達水平。

2. mRNA二級結構

mRNA二級結構是影響翻譯過程的另一重要因素,復雜穩定的二級結構會阻礙翻譯過程的順利進行,特別是核糖體綁定位點 (RBS)附近的二級結構。mRNA二級結構在DNA序列中主要表現為發卡結構(Hairpin),有效識別并盡可能的減少發卡結構是密碼子優化軟件優劣的重要判斷標準。下面是利用NG™Codon優化軟件針對二級結構優化的一個經典案例。

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

3. 影響表達的反式作用元件和限制性酶切位點的去除

優化過程不僅需要考慮到對翻譯有積極影響的元件/序列,還需要考慮到對轉錄和翻譯有消極影響的元件/序列。任何對于轉錄和翻譯有消極作用的反式作用元件需要通過密碼子優化軟件去除以消除轉錄和翻譯過程中的多重障礙。

限制性酶切位點需要根據克隆策略進行個性化排除,以免酶切位點產生沖突,影響構建表達載體的操作。

4. GC含量

AT間存在2個氫鍵,GC間存在3個氫鍵,所以GC含量直接影響著DNA序列的結合穩定性和退火溫度。在啟動子等保守區域GC含量相對較高。另外,GC含量也影響著mRNA熱力學穩定性及mRNA二級結構。

5. 翻譯起始與終止效率

蛋白穩定性、mRNA穩定性和翻譯效率對蛋白產量和可溶性起主要作用。翻譯過程分為起始、延伸和終止三個期。

首先,起始階段的順利進行決定了蛋白表達量從無到有。對于翻譯的起始,原核mRNA需要5’端非翻譯前導序列中有一段叫Shine-Dalgarno序列的特異核糖體結合序列。在真核細胞,有效的起始依賴于圍繞在起始密碼子ATG上下游的一段叫Kozak序列的序列。

高效的延伸階段決定了蛋白質能夠積累的量。這個在前面的密碼子偏好性及二級結構和反式作用元件等篇章已經詳細討論過。

翻譯終止是蛋白生命周期必須的一步,卻最容易被忽略。科學研究表明終止效率對蛋白表達水平有很大的影響,更有效的翻譯終止會促進蛋白表達。絕大多數生物都有偏愛的圍繞終止密碼子的序列框架,例如酵母和哺乳動物偏愛的終止密碼子分別是UAA和UGA,單子葉植物最常利用UGA,而昆蟲和大腸桿菌傾向于用UAA。

NG™Codon密碼子優化軟件可以完美解決上述問題如果您對您的基因序列優化效果不滿意,您可以通過以下任意方式下單或咨詢,工作時間我們保證在1小時內給您反饋:

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