一种在核苷酸水平检测自然选择的新方法

非编码区序列在基因表达调控中起着重要作用,但其在进化过程中是否受到选择作用一直较难检测。最近有一些研究使用平均的核苷酸替换速率与中性序列的核苷酸替换速率的比值(ω)作为检测非编码区总体受选择作用的指标;但是对于非编码区而言,了解具体哪些核苷酸受到选择作用更具有意义。我们借鉴Nielsen&Yang(1998)检测单个氨基酸位点是否受选择作用的思路,在最大似然法的模型下,提出一种在核苷酸位点水平上对自然选择作用检测的方法。本方法能够检测在进化过程中对功能分化有重要贡献的核苷酸位点,包括编码和非编码区。将此方法应用于熟知的受到正选择作用的蛋白编码基因序列(HIV-1包装蛋白基因编码区),均能够检测到那些已知的受到正选择的核苷酸(密码子)位点,说明此方法可以有效地在核苷酸位点水平检测选择作用;又将此方法应用于非编码区(CTGF基因5′UTR),也得到了良好的结果。     

哺乳动物cd59基因的进化

采用PCR以及BLAST方法从5种哺乳动物中获得了cd59基因的编码区序列, 结合 GenBank中已有的序列, 计算cd59基因在哺乳动物中的核苷酸替换速率. 对非同义替换速率和同义替换速率进行比较的结果显示, cd59在哺乳动物中总体上受到负选择作用; 用PAML软件“位点-特异”模型检测到4个受到正选择作用的位点, 4个位点分布于分子表面, 其中2个位于功能重要的区域; 此外, 用“支-位点-特异”模型在小鼠通过基因复制后形成的cd59a和cd59b上检测正选择引起的加速进化, 并检测到该支系特异的正选择位点1个.     

蕨类植物叶绿体基因ycf94的分子进化研究

ycf94基因是近年来在叶绿体基因组中新发现的一个基因,在蕨类植物中表现高度保守。该研究共选取94种蕨类植物,在系统发育背景下,对ycf94基因的结构特征、密码子偏好性、进化速率和适应性进化进行分析。结果表明, ycf94基因的密码子偏好性较弱,偏好使用以A/U结尾的密码子,且不同物种间的偏好性存在一定差异。密码子偏好性的形成主要受到突变压的影响,同时也存在其他因素的作用;基于凤尾蕨科和其他蕨类中ycf94基因的结构特征存在区别,对两者的分子替换速率进行了比较,表明颠换率、非同义替换率和ω值间存在显著差异;仅检测出1个正选择位点74A,强烈的负选择作用表明ycf94基因的结构和功能基本趋于稳定。这为蕨类系统发育分析提供了新依据,并提供了解析ycf94基因功能的线索。     

日本牙鲆主要组织相容性复合体DAB等位基因的多态性

根据牙鲆(Paralichthys olivaceus)主要组织相容性复合体(MHC)DAB基因序列设计特异性引物,在日本牙鲆基因组中扩增了包括DAB基因完整外显子2和内含子1在内的长度为408 bp的DNA片段.对该片段克隆测序后,发现了37个MHC-DAB等位基因,各等位基因的频次以及各主型中亚型数目分布都不平衡.在第二外显子273 bp核苷酸序列中有50个位点发生变异,核苷酸多样性PI值为0.0618,在编码的氨基酸序列中存在多态变异位点30个,其中简约信息位点29个,单变异位点1个.非同义替代与同义替代的比率在抗原结合区(PBR)和非PBR编码区分别为10.0和1.62,分析表明正向选择机制可能是产生牙鲆MHC-DAB多态性的主要因素.估计的核苷酸的转换和颠换数随着遗传距离的增加而增加.各等位基因间的系统发生关系表明,19个主型分为两个群.对氨基酸组分和密码子的偏倚性以及分布频率的分析表明各同义密码子的使用频率不均衡.本研究为牙鲆MHC-DAB基因的遗传进化和分子标记辅助育种的研究提供了理论基础.     

密码子使用偏性量化方法研究综述

在基因组学水平上研究密码子使用偏性模式、成因并分析进化过程中的选择压力在基因组学研究中有重要意义。文章概述了目前提出的密码子使用偏性的量化方法及实现原理。目前研究发现：有些量化密码子偏性的方法受高表达基因参考数据集未完全注释的限制,不同密码子位置对变异和选择的影响不同,以及不同密码子位置处GC含量和嘌呤含量的贡献不同。由此展望密码子偏性量化方法发展方向为：需要设计不需要相关参考基因集合先验知识的密码子使用偏性量化方法;考虑不同位置处背景核苷酸组成的密码子使用偏性的量化方法;同时考虑基因表达水平的密码子使用偏性量化方法。最后,归纳了目前可用的密码子使用偏性的量化工具和数据库。     

Drosophila auraria复合种Period基因Thr-Gly区段的初步研究

测定了金色果蝇复合种（Drosophila auraria species complex）5个姐妹种（sibling species）和D.rufa的period(per)基因的Thr-Gly区段序列。该区段序列分析表明：DNA序列的碱其组成拥有果蝇其他基因的共同特点;颠换数多于转换数,两两种种间的颠换率与转换率的总比值为2～5,密码子第3位的颠换与转换的比值为2.5～5;同义替换/异义替换（Ks/Ka）值远大于10,且有的物种间根本不存在非同义突变,低的Ka值说明该复合种的per基因Thr-Gly区段在进化过程中可能承受着较强的选择压力。运用所得的核苷酸序列构建Drosophila auraria复合种的系统发育树,为澄清该类群的系统演化关系提供了新的线索。     

H1N1流感病毒聚合酶片段的CpG抑制及其对密码子偏爱性的影响

H1N1流感病毒的聚合酶具有RNA复制、转录等功能,并且对流感病毒片段包装、子代繁殖及宿主适应性等有着重要作用。通过分析人、猪及禽类H1N1流感病毒聚合酶片段的二核苷酸频率及同义密码子的偏爱性,发现不同宿主中,流感病毒聚合酶片段的CpG频率最低,且均被强烈抑制;通过三类宿主间的比较发现,人流感病毒抑制最为强烈,且其CpG频率随年份呈下降趋势,但2009年毒株的CpG频率突然上升。比较同义密码子使用频率发现,含有CpG的同义密码子相对使用频率均小于1,证明CpG抑制作用是影响同义密码子偏爱性的一个重要因素。以上结果暗示,CpG抑制对H1N1流感病毒的进化及跨宿主传播可能有重要影响。     

基于同义密码子使用的原核生物基因组大、小染色体及质粒进化特征分析北大核心CSCD

基于同义密码子偏好分析,对54个原核基因组大、小染色体及质粒中蛋白质编码基因的序列特征进行了对比分析。结果表明,大、小染色体中蛋白质编码基因的GC含量分布相近,质粒中蛋白质编码基因的GC含量分布与所在物种全基因组的GC含量差别较大。进一步的分析表明,大、小染色体共同偏好的密码子最多,且具有相近的起始密码子和终止密码子使用特征。基于对应分析的同义密码子使用模式分析表明,大、小染色体具有相近的序列特征,且大、小染色体及质粒之间具有不尽相同的影响因素。这些结果可为今后原核生物基因组进化研究提供可靠的方法和理论依据。     

乌龟MHCⅡ类B基因第二外显子的克隆及序列分析

利用一对兼并性引物扩增了乌龟MHCⅡ类分子B基因第二外显子的部分片段,并对PCR产物进行了克隆和测序,结果得到8种长度为166 bp的不同序列。经分析,序列中有84个变异位点,核苷酸的非同义替换(dN)多于同义替换(dS),造成39个位点氨基酸的改变。氨基酸的替换趋于集中在假定的抗原结合位点附近。利用MEGA、PAUP软件分别构建NJ树和MP树,两种树极为相似,均分为两支。同一个体中出现有多种序列,提示乌龟MHCⅡ类分子B基因可能存在着座位重复。研究表明:乌龟MHCⅡ类分子B基因第二外显子有较高的多态性,有利于乌龟野生种群的遗传保护。     

基于同义密码子使用的原核生物基因组大、小染色体及质粒进化特征分析

基于同义密码子偏好分析,对54个原核基因组大、小染色体及质粒中蛋白质编码基因的序列特征进行了对比分析。结果表明,大、小染色体中蛋白质编码基因的GC含量分布相近,质粒中蛋白质编码基因的GC含量分布与所在物种全基因组的GC含量差别较大。进一步的分析表明,大、小染色体共同偏好的密码子最多,且具有相近的起始密码子和终止密码子使用特征。基于对应分析的同义密码子使用模式分析表明,大、小染色体具有相近的序列特征,且大、小染色体及质粒之间具有不尽相同的影响因素。这些结果可为今后原核生物基因组进化研究提供可靠的方法和理论依据。     

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     

密码子优化提高多粘类芽孢杆菌β-葡萄糖苷酶异源表达量

多粘类芽孢杆菌BN1株β-葡萄糖苷酶A的基因中含有很多大肠杆菌的稀有密码子,这限制了其在大肠杆菌中的表达。本研究选择部分稀有密码子同义替换为大肠杆菌的偏爱密码子,结果得到了表达量显著提高的基因型。经过对β-葡萄糖苷酶A基因各密码子使用频率的分析,选出2种密码子:大肠杆菌使用频率极低的密码子(Ⅰ型)、大肠杆菌使用频率一般但酶基因中频繁出现的密码子(Ⅱ型)。通过定点突变,这些密码子均被替换为宿主细胞使用频率最高的同义密码子。研究结果表明,I型单密码子替换可以使酶的表达量提高3~6倍,II型单密码子替换可以使酶的表达量提高3~4倍。最终,通过组合对提高该酶表达量贡献较大的突变,得到一个表达量提高13倍的基因型(WT-13)。本研究显著提高了β-葡萄糖苷酶A在大肠杆菌宿主中的异源表达水平,为酶的工业化应用奠定了基础。本研究将Escherichia coli BL21(DE3)本源表达的β-半乳糖苷酶选为内参蛋白质,提出相对表达量指数的概念,为同类酶在E.coli BL21(DE3)表达水平的表征提供了参考。     

梅花草属叶绿体基因组进化分析

叶绿体基因组序列变异和基因组成等特征可有效反映植物类群间的系统发育和进化关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对梅花草属（Parnassia）及其近缘属5种植物的叶绿体基因组进行测序和组装,同时基于已发表的近缘种叶绿体基因组信息,对梅花草属叶绿体基因组结构特征、序列遗传变异和蛋白编码基因密码子偏好性比对分析。结果显示：梅花草属叶绿体基因组整体结构较为保守,均为四分体结构;梅花草多个基因出现假基因化,而本属其他物种叶绿体基因组成一致,均编码115个基因;与近缘属物种相比,本属所有物种均丢失rpl16基因的内含子;蛋白质编码基因的非同义/同义替代率比值较低,叶绿体基因可能经历纯化选择作用;密码子偏好性聚类结果与蛋白编码序列重建的系统发育关系结果一致。本研究表明选择压力可能在梅花草属叶绿体基因组蛋白编码基因进化过程中发挥作用,有助于进一步理解梅花草属植物的进化和适应机制。     

同义密码子使用模式对蛋白产物表达及构象形成的影响*

鉴于遗传密码子的简并性能够将基因遗传信息的容量提升,同义密码子使用偏嗜性得以在生物体的基因组中广泛存在。虽然同义密码子之间碱基的变化并不能导致氨基酸种类的改变,在研究mRNA半衰期、编码多肽翻译效率及肽链空间构象正确折叠的准确性和翻译等这一系列过程中发现,同义密码子使用的偏嗜性在某种程度上通过精微调控翻译机制体现其遗传学功能。同义密码子指导tRNA在翻译过程中识别核糖体的速率变化是由氨基酸的特定顺序决定,并且在新生多肽链合成时,蛋白质共翻译转运机制同时调节其空间构象的正确折叠从而保证蛋白的正常生物学功能。某些同义密码子使用偏嗜性与特定蛋白结构的形成具有显著相关性,密码子使用偏嗜性一旦改变将可能导致新生多肽空间构象出现错误折叠。结合近些年来国内外在此领域的研究成果,阐述同义密码子使用偏嗜性如何发挥精微调控翻译的生物学功能与作用。     

同义密码子使用模式对多肽链共翻译折叠的影响研究进展

同义密码子使用模式作为核苷酸与氨基酸的纽带,其多样性介导了核糖体扫描速率,同时扩充了基因的遗传信息存储量。随着新型技术的应用,发现特异性密码子和密码子结合力可调节核糖体扫描速率并影响蛋白质构象。同义密码子使用模式通过多种方式在不同环节影响着核糖体扫描速率,同时还影响着自身mRNA的稳定性。本文简述了密码子使用模式如何在核糖体扫描翻译mRNA的过程中实现对多肽链翻译延伸的调控,为今后生物工程学领域如何优化蛋白高效表达提供可参考的思路与理念。     

密码子中的密码:密码子偏好性与基因表达的精细调控

同义突变由于不改变编码蛋白质的氨基酸序列,常被认为是"沉默"突变.实际上,同义密码子的选择在进化尺度上是受到限制的,从而致使同义密码子的使用频率存在差异,称为密码子偏好性.密码子偏好性在转录、转录后加工、mRNA稳定性、翻译起始、延伸、蛋白折叠等方面都起着精细调节的作用.因此,同义突变在很多情况下可导致癌症等各类疾病的发生.本综述在分子机制层面简述了近年来关于密码子偏好性对翻译和转录过程调节作用的进展,以及对于基础研究及医学方面的意义.     

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。     

HPV基因的进化分析

目的:HPV有许多类型,其大致可分为高危型和低危型,高危型HPV感染是导致宫颈癌发生的首要原因,在HPV基因组中,E6基因是促进宫颈细胞癌变的关键基因,本文主要研究HPV中的E6基因在各种不同型别的HPV中的进化关系,并对E2基因碱基替换率进行分析,探讨高危型HPV与低危型HPV的区别.方法:本文对不同类型HPV E6氨基酸序列构建系统发生树,探讨识别高危型HPV可能的一致序列,对E6基因其中一处能导致恶性程度增加的突变进行分析.并对HPV16与其位于同一颗树的HPV35和HPV31计算相对碱基替换率.结果:高危型HPV均源自同一株病毒株的进化.各种HPV型别中,高危型HPV E6蛋白对应于HPV16E6蛋白的第83位氨基酸为缬氨酸更为保守,HPV中除E2以外的其他基因的非同义替换率均小于同义替换率.结论:HPV E6蛋白对应于HPV16E6蛋白的第83位氨基酸为缬氨酸能更好地实现HPV E6蛋白的致癌作用.HPV基因中除E2以外的基因在进化过程中都较为保守,是HPV增殖生长的关键基因,而E2部分区域非同义替换率大于同义替换率,说明E2这部分区域的突变能够更好的促进HPV的增殖和生长.     

同义密码子通过精微翻译选择机制实现对基因的表达调控

自然界中,同义密码子的存在使得众多氨基酸能够同时被多种密码子编码合成。随着研究的深入,同义密码子使用偏嗜性发挥出的生物学功能已经渗透到了基因复制、转录、翻译以及化学修饰等生命活动过程中。基于同义密码子使用偏嗜性的生物学特性,陆续发现密码子对(codon pair)和密码子共现(codon co-occurrence)同样在使用模式上存在明显的偏嗜性。在基因表达的过程中,针对编码序列的密码子优化能够显著提升基因的表达水平,这在生物工程领域对于蛋白表达有着重要的生物学意义。此外,同义密码子使用模式在调控基因转录、化学修饰以及翻译过程中间接控制着细胞内生命活动的有序性。而这些与同义密码子使用模式有着千丝万缕联系的生命过程主要是受精微翻译选择压力来调控运行的。本文中,我们结合当前同义密码子使用模式介导的精微翻译选择压力,简述密码子使用模式如何从转录、化学修饰以及翻译等方面来影响基因表达及蛋白产物生物学功能。这将为今后生物工程学领域如何优化蛋白高效表达以及深入研究重要生物学活动中基因表达调控提供可参考的思路与理念。     

糜子叶绿体基因组密码子使用偏性的分析

密码子使用偏性（CUB）是生物体重要的进化特征,对研究物种进化、基因功能以及外源基因表达等具有重要科学意义。本研究利用糜子（Panicum miliaceum L.）叶绿体基因组中筛选出的53条蛋白编码序列,对其密码子使用模式及偏性进行了分析。结果表明,糜子叶绿体基因的有效密码子数（ENC）在37.14~61之间,多数密码子的偏性较弱。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。中性分析发现,GC₃与GC₁₂的相关性不显著,回归曲线斜率为0.2129,表明密码子偏性主要受到自然选择的影响;而ENC-plot分析发现大部分基因落在曲线的上方及周围,表明突变也影响了密码子偏性的形成。进一步的对应性分析发现,第1轴为主要影响因素,解释了17.92%的差异,其与ENC、GC_3S值的相关性均达到显著水平,但与CBI、GC_all不相关。最后,9个密码子被鉴定为糜子叶绿体基因组的最优密码子,糜子叶绿体基因组的密码子使用偏性可能受选择和突变共同作用。