普通野生稻线粒体蛋白质编码基因密码子使用偏好性的分析

以普通野生稻(Oryza rufipogon Griff.)线粒体基因组为对象,分析其蛋白质编码基因的密码子使用特征及与亚洲栽培稻(O. sativa L.)的差异,探讨其密码子偏性形成的影响因素和进化过程。结果显示:普通野生稻线粒体基因组编码序列第1、第2和第3位碱基的GC含量依次为49.18%、42.67%和40.86%;有效密码子数(Nc)分布于45.32～61.00之间,其密码子偏性较弱; Nc值仅与GC_3呈显著相关,密码子第3位的碱基组成对密码子偏性影响较大;第1向量轴上显示9.91%的差异,其与GC_3s、Nc、密码子偏好指数(CBI)和最优密码子使用频率(Fop)的相关性均达到显著水平;而GC_3和GC₁₂的相关性未达到显著水平。因此,普通野生稻线粒体基因组密码子的使用偏性主要受自然选择压力影响而形成。本研究确定了21个普通野生稻线粒体基因组的最优密码子,大多以A或T结尾,与叶绿体密码子具有趋同进化,但是与核基因组具有不同的偏好性。同义密码子相对使用度(RSCU)、PR2偏倚分析和中性绘图分析显示,普通野生稻线粒体基因功能和其密码子使用密切相关,且线粒体密码子使用在普通野生稻、粳稻(O. sativa L. subsp. japonica Kato)和籼稻(O. sativa L. subsp.indica Kato)内具有同质性。     

紫花苜蓿叶绿体基因组密码子偏好性分析

为分析紫花苜蓿叶绿体基因组密码子偏好性的使用模式,该文以紫花苜蓿叶绿体基因组中筛选到的49条蛋白质编码序列为研究对象,利用CodonW、CUSP、CHIPS、SPSS等软件对其密码子的使用模式和偏好性进行研究。结果表明:(1)紫花苜蓿叶绿体基因的第3位密码子的平均GC含量为26.44%,有效密码子数(ENC)在40.6～51.41之间,多数密码子的偏好性较弱。(2)相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现,RSCU>1 的密码子数目有30个,以A、U结尾的有29个,说明了紫花苜蓿叶绿体基因组A或U出现的频率较高。(3)中性分析发现,GC3与 GC12的相关性不显著,表明密码子偏性主要受自然选择的影响; ENC-plot 分析发现一部分基因落在曲线的下方及周围,表明突变也影响了部分密码子偏性的形成。此外,有17个密码子被鉴定为紫花苜蓿叶绿体基因组的最优密码子。紫花苜蓿叶绿体基因组的密码子偏好性可能受自然选择和突变的共同作用。该研究将为紫花苜蓿叶绿体基因工程的开展和目标性状的遗传改良奠定基础。     

澳洲坚果光壳种叶绿体基因组的密码子使用偏好性及其影响因素分析

为确定澳洲坚果光壳种(Macadamia integrifolia Maiden&Betche)叶绿体基因组密码子偏好性形成的主要影响因素,本研究通过其叶绿体基因组的51条蛋白编码序列,系统分析其密码子的使用模式及其特征.密码子偏好性参数分析结果显示,叶绿体基因密码子3位碱基的GC含量次序为GC1>GC2>GC3;有效...     

茄腐镰孢(Fusarium solani)线粒体基因组密码子偏好性分析

密码子使用偏好性作为功能基因组重要的进化特征而被广泛报道,但是有关真菌线粒体基因组密码子使用偏好性的研究相对较少。本试验以茄腐镰孢线粒体基因组为研究对象,运用Codon W软件及RSCU在线软件对所筛选到的22条编码基因密码子3个位置上的GC含量、有效密码子数、同义密码子使用频率和最优密码子进行了分析。同时,确定了茄腐镰孢线粒体基因组的最优密码子,并探讨了影响密码子偏性形成的相关因素。分析结果表明,茄腐镰孢线粒体密码子3位的GC含量为GC1(32.7%)GC2(28.0%)GC3(19.7%),第3位GC含量明显小于第1、2位,表现出对以A或者T结尾的密码子发生较强烈的偏向使用;且确定的21个最优密码子中有20个以A或者T结尾。通过中性绘图及ENC分析得出茄腐镰孢线粒体基因组密码子的使用偏好受到选择作用和突变压力的共同影响,选择作用为主要影响因素。     

影响耶尔森氏鼠疫杆菌基因组密码子使用的因素分析

基因组密码子使用的影响因素分析有助于发现影响密码子使用的进化动力学 ,对发现和预测进化的方向和模式有重要的作用。同时 ,分析完整的基因组可以发现特定基因组中密码子的使用模式 ,从而重新设计高效的PCR引物和外源导入基因 ,促进外源基因在特定生物体中的高效率表达。导致瘟疫等外源性感染疾病的耶尔森氏鼠疫杆菌完整基因组序列已经测序公布。为了对鼠疫杆菌的同义密码子使用的进化模式有更加深入的了解 ,详细的研究分析鼠疫杆菌的基因组密码子的使用模式和影响密码子使用的因素。结果发现 ,尽管鼠疫杆菌基因组序列中“G” “C”含量相对较低 (4 7.6 4 % ) ,高水平表达基因的密码子第三位碱基使用胞嘧啶 (C)的频率比表达水平低的基因使用胞嘧啶 (C)有显著的提高 ,表达水平较低的基因在密码子的第三位碱基更趋向使用鸟嘌呤 (G)。在表达水平高低的两组基因中 ,对密码子的第三位碱基使用腺嘌呤 (A)和胸腺嘧啶 (T)总体上趋于随机使用。基因的表达水平与对应分析的第一条向量轴呈高度相关 (R =0 .6 3,P <0 .0 0 0 1)。通过分析比较表达水平高低两组基因的密码子使用模式发现 ,基因的表达水平对于密码子使用有显著的影响。GC skew分析结果显示 ,复制转录阶段的选择对密码子使用有一定的影响。在不同长度     

伊犁郁金香叶绿体基因组密码子偏好性分析

目的：明晰伊犁郁金香叶绿体基因组密码子偏好性的使用模式。方法：以伊犁郁金香53条蛋白编码序列(CDS)为研究对象,使用CodonW1.4.2、CUSP等软件对其进行密码子组成分析、偏性影响因素分析、最优密码子筛选。结果：伊犁郁金香叶绿体基因组密码子的GC₁、GC₂、GC₃含量不同,其中GC₃的平均含量最低为27.15%,说明GC₃偏好以A/U结尾。有效密码子(ENC)值均大于35,表明密码子使用偏性较弱;通过中性绘图、PR2-plot和ENC-plot的分析,伊犁郁金香叶绿体基因组密码子使用偏好性主要受到自然选择的影响,同时受突变因素的影响。结论：伊犁郁金香叶绿体基因组共筛选到18个最优密码子可为后续野生郁金香资源开发、优良性状的遗传改良、外源基因表达及叶绿体工程育种等提供技术支撑和理论依据。     

紫九牛叶绿体基因组密码子偏好性分析

为确定瑶药紫九牛叶绿体基因组密码子的使用模式及其成因,该研究以紫九牛叶绿体基因组50条蛋白质编码序列为研究对象,利用Codon W 1.4.2和在线软件CUSP和Chips分析其密码子偏好性。结果表明:(1)RSCU>1的密码子有29个,其中有28个以A/U结尾,说明叶绿体基因组的同义密码子中偏好以A/U结尾。(2)紫九牛叶绿体基因组密码子的GC含量GC₁(47.38%)>GC₂(39.81%)>GC₃(29.60%),ENC值大于45的有40个,说明紫九牛叶绿体基因组存在较弱的偏性。(3)中性绘图分析和ENC-plot分析说明了紫九牛叶绿体基因组密码子的偏好性既受到选择的作用,又受到突变因素的影响。(4)通过构建的高低基因表达库最终确定了15个最优密码子,分别为UUG、AUU、GUU、GUA、UCU、 CCU、ACU、ACA、GCU、CAA、AAC、GAA、UGU、CGU和GGU。该研究为紫九牛叶绿体基因组的确定以及遗传多样性分析提供了依据。     

沙枣叶绿体全基因组序列及其使用密码子偏性分析

该研究以2株野生沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.)嫩枝经温室水培后的嫩叶为材料,采用CTAB法分别提取总DNA,并利用第二代测序技术进行总DNA从头测序,组装后得到2株沙枣叶绿体基因组全序列,并详细分析了其蛋白质编码基因密码子使用的偏好性及其原因,为沙枣叶绿体基因工程和分子系统进化等研究奠定基础。结果显示:(1)组装得到沙枣叶绿体基因组序列全长150 546 bp,由长度为81 113 bp的长单拷贝(LSC)区域和25 494 bp的短单拷贝(SSC)区域,以及1对分隔开它们的长18 445 bp的反向重复序列(IRS)组成;注释共得到132个基因,包括86个蛋白编码基因、38个tRNA基因和8个rRNA基因。(2)沙枣叶绿体基因组蛋白编码基因密码子的第三位碱基GC含量(GC_3)为28.47%,明显低于整个叶绿体基因组GC含量(37%),也低于第一位(GC_1)和第二位(GC_2)碱基的GC含量,说明密码子对AT碱基结尾有偏好性;其中, UCU、CCU、UGU、GCU、CUU、GAU、UCA和UAA为最优密码子。(3)同义密码子相对使用频率(RSCU)分析发现,影响密码子使用模式的因素并不单一,密码子的偏好性受到突变、选择及其他因素的共同影响,并且自然选择表达引起的序列差异比突变对密码子偏好性的影响要显著;中性绘图分析、有效密码子数(ENC-plot)分析和奇偶偏好性(PR2-plot)分析表明,沙枣叶绿体基因组使用密码子的偏性受选择的影响更大。(4)通过最大似然法、最大简约法和贝叶斯方法对胡颓子科6个物种和1个枣的叶绿体基因序列构建系统发育树,与它们使用密码子偏性聚类的结果一致,表明叶绿体基因组使用密码子偏性与物种的亲缘关系相关。     

降香黄檀叶绿体基因组密码子偏好性分析

为了解降香黄檀叶绿体基因组密码子使用模式,该文利用Codon W 1.4.2和在线软件CUSP对降香黄檀叶绿体基因组中的52条基因编码序列密码子进行中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析。结果表明:降香黄檀叶绿体基因组密码子的3个位置上GC含量依次为GC1(46.01%)GC2(38.98%)GC3(27.80%)。有效密码子数(ENC)范围为37.66～54.43,及ENC值45的有37个; RSCU1的密码子有29个,其中16个以U结尾、12个以A结尾。这些说明其偏好以A和U结尾,且偏性较弱。中性绘图分析显示GC12与GC3的相关系数为0.250,相关性不显著,回归系数为0.394; ENC-plot分析显示ENC比值位于-0.05～0.05区间外的基因有38个; PR2-plot分析说明在碱基的使用频率方面,UA、GC,说明降香黄檀叶绿体基因组密码子偏好性主要受选择的影响; 19个密码子被确定为最优密码子。该研究为降香黄檀叶绿体基因工程、遗传多样性分析等研究提供了科学参考依据。     

影响鼻疽伯克霍尔德氏菌基因组密码子用法的因素分析

鼻疽伯克霍尔德氏菌(Burkholderia mallei ATCC 23344)的基因组密码子使用受多种因素的影响,本研究根据该菌的完整基因组序列,运用多元统计分析和对应分析的方法,探讨了鼻疽伯克霍尔德氏菌全基因组序列密码子的使用模式和影响密码子使用的因素。结果表明基因表达水平的高低是影响密码子使用的主要因素;基因组中编码区的碱基组成、蛋白质的疏水性和基因的长度对密码子的使用也有一定的影响,但影响力不及基因的表达水平。同时,通过比较高表达的基因、低表达的基因密码子使用情况,GCG 和 CUC 等 21 个密码子被确定为鼻疽伯克霍尔德氏菌的主要偏爱密码子。以上结果对鼻疽伯克霍尔德氏菌的密码子用法研究、在分子水平上研究物种进化、基因组中未知基因的预测、开放阅读框的判断、功能基因的表达以及鼻疽病疫苗的研发等工作都提供了理论基础,具有较强的指导作用。     

Identification of genes and genomic islands correlated with high pathogenicity in Streptococcus suis using whole genome tiling microarrays

Streptococcus suis is an important zoonotic pathogen that can cause meningitis and sepsis in both pigs and humans. Infections in humans have been sporadic worldwide but two severe outbreaks occurred in China in recent years, while infections in pigs are a major problem in the swine industry. Some S. suis strains are more pathogenic than others with 2 sequence types (ST), ST1 and ST7, being well recognized as highly pathogenic. We analyzed 31 isolates from 23 serotypes and 25 STs by NimbleGen tiling microarray using the genome of a high pathogenicity (HP) ST1 strain, GZ1, as reference and a new algorithm to detect gene content difference. The number of genes absent in a strain ranged from 49 to 225 with a total of 632 genes absent in at least one strain, while 1346 genes were found to be invariably present in all strains as the core genome of S. suis, accounting for 68% of the GZ1 genome. The majority of genes are located in chromosomal blocks with two or more contiguous genes. Sixty two blocks are absent in two or more strains and defined as regions of difference (RDs), among which 26 are putative genomic islands (GIs). Clustering and statistical analyses revealed that 8 RDs including 6 putative GIs and 21 genes within these RDs are significantly associated with HP. Three RDs encode known virulence related factors including the extracellular factor, the capsular polysaccharide and a SrtF pilus. The strains were divided into 5 groups based on population genetic analysis of multilocus sequence typing data and the distribution of the RDs among the groups revealed gain and loss of RDs in different groups. Our study elucidated the gene content diversity of S. suis and identified genes that potentially promote HP.     

Synonymous codon usage in Thermosynechococcus elongatus (cyanobacteria) identifies the factors shaping codon usage variation

Analysis of synonymous codon usage pattern in the genome of a thermophilic cyanobacterium, Thermosynechococcus elongatus BP-1 using multivariate statistical analysis revealed a single major explanatory axis accounting for codon usage variation in the organism. This axis is correlated with the GC content at third base of synonymous codons (GC3s) in correspondence analysis taking T. elongatus genes. A negative correlation was observed between effective number of codons i.e. Nc and GC3s. Results suggested a mutational bias as the major factor in shaping codon usage in this cyanobacterium. In comparison to the lowly expressed genes, highly expressed genes of this organism possess significantly higher proportion of pyrimidine-ending codons suggesting that besides, mutational bias, translational selection also influenced codon usage variation in T. elongatus. Correspondence analysis of relative synonymous codon usage (RSCU) with A, T, G, C at third positions (A3s, T3s, G3s, C3s, respectively) also supported this fact and expression levels of genes and gene length also influenced codon usage. A role of translational accuracy was identified in dictating the codon usage variation of this genome. Results indicated that although mutational bias is the major factor in shaping codon usage in T. elongatus, factors like translational selection, translational accuracy and gene expression level also influenced codon usage variation.     

樟树叶绿体基因组密码子偏好性分析

为分析樟树(Cinnamomum camphora)叶绿体基因组密码子偏好性使用模式,该研究利用CodonW、EMBOSS、R语言等软件和程序,对53条樟树叶绿体基因组密码子使用模式及偏好性进行了系统分析。结果表明:樟树叶绿体基因的有效密码子数(ENC)在36.82～59.30之间,表明密码子的偏好性较弱。相对同义密码子使用度(RSCU)分析发现RSCU>1的密码子有32个,其中28个以A、U结尾,表明第3位密码子偏好使用A和U碱基。中性绘图分析发现GC₃与GC₁₂的相关性不显著,回归曲线斜率为0.049,说明密码子偏好性主要受到自然选择的影响。ENC-plot分析发现大部分基因落在曲线的下方,同样表明选择是影响密码子偏好性的主要因素。该研究发现共有9个密码子(UUU、CUU、UCA、ACA、UAU、AAU、GAU、UGA、GGA)被鉴定为樟树叶绿体基因组的最优密码子。     

普通野生稻线粒体蛋白质编码基因密码子使用偏好性的分析

以普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）线粒体基因组为对象,分析其蛋白质编码基因的密码子使用特征及与亚洲栽培稻（O.sativa L.）的差异,探讨其密码子偏性形成的影响因素和进化过程。结果显示：普通野生稻线粒体基因组编码序列第1、第2和第3位碱基的GC含量依次为49.18%、42.67%和40.86%;有效密码子数（Nc）分布于45.32~61.00之间,其密码子偏性较弱;Nc值仅与GC₃呈显著相关,密码子第3位的碱基组成对密码子偏性影响较大;第1向量轴上显示9.91%的差异,其与GC_3s、Nc、密码子偏好指数（CBI）和最优密码子使用频率（Fop）的相关性均达到显著水平;而GC₃和GC₁₂的相关性未达到显著水平。因此,普通野生稻线粒体基因组密码子的使用偏性主要受自然选择压力影响而形成。本研究确定了21个普通野生稻线粒体基因组的最优密码子,大多以A或T结尾,与叶绿体密码子具有趋同进化,但是与核基因组具有不同的偏好性。同义密码子相对使用度（RSCU）、PR2偏倚分析和中性绘图分析显示,普通野生稻线粒体基因功能和其密码子使用密切相关,且线粒体密码子使用在普通野生稻、粳稻（O.sativa L.subsp.japonica Kato）和籼稻（O.sativa L.subsp.indica Kato）内具有同质性。     

Predicting gene expression level from codon usage bias

The "expression measure" of a gene, E(g), is a statistic devised to predict the level of gene expression from codon usage bias. E(g) has been used extensively to analyze prokaryotic genome sequences. We discuss 2 problems with this approach. First, the formulation of E(g) is such that genes with the strongest selected codon usage bias are not likely to have the highest predicted expression levels; indeed the correlation between E(g) and expression level is weak among moderate to highly expressed genes. Second, in some species, highly expressed genes do not have unusual codon usage, and so codon usage cannot be used to predict expression levels. We outline a simple approach, first to check whether a genome shows evidence of selected codon usage bias and then to assess the strength of bias in genes as a guide to their likely expression level; we illustrate this with an analysis of Shewanella oneidensis.     

Analysis of factors shaping codon usage in the mitochondrion genome of Oryza sativa

In this paper, the main factors shaping codon usage in the mitochondrion genome of rice were reported. Correspondence analysis, a commonly used multivariate statistical approach, was carried out to analyze synonymous codon usage bias. The results showed that the main trend was strongly correlated with the gene expression level assessed by the 'Codon Adaptation Index' value, a result that was confirmed by the distribution of genes along the first axis. From the results that there were two significant correlations between axis 1 coordinates and the GC, GC3s content at silent sites of each sequence, and clearly significant correlations between the 'Effective Number of Codons' values and GC, GC3s content, we inferred that codon usage bias was affected by gene nucleotide composition also. In addition, the hydrophobicity of each protein also played some roles in shaping codon usage in this organelle, which could be confirmed by the significant correlation between the positions of genes placed on the first axis and the hydrophobicity value of each protein. In summary, natural selection played a crucial role, nucleotide mutational bias and amino acid composition only in a minor way, in shaping codon usage in the mitochondrion genome of rice. Notably, 21 codons defined firstly as 'optimal codons' might provide some more useful information for gene engineering and/or evolution studying.